DE102010044878A1

DE102010044878A1 - ICR-Messzelle mit harmonischem Trappingfeld

Info

Publication number: DE102010044878A1
Application number: DE102010044878A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franzen
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: DE102010044878B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Aufnahme von Massenspektren in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern und auf Verfahren zur Herstellung der dazu benötigten Messzellen. Die Erfindung gibt eine zylindrische ICR-Messzelle mit herkömmlicher Elektrodengeometrie wieder, in der durch Widerstandsschichten eine harmonische Verteilung der Trapping-Potentiale erzeugt wird. Der Zylindermantel der Messzelle ist, wie bisher üblich, in Längsrichtung durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Trennspalte in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt. Die Mantelelektroden tragen Widerstandsschichten, die bei Anlegen einer Trappingspannung von der Mitte her zu den Enden jeweils einen parabolischen Potentialverlauf an den Elektroden und somit ein harmonisches Trappingfeld im Inneren erzeugen. In besonderen Ausführungsformen können Elektroden mit Widerstandsschichten und Elektroden ohne Widerstandsschichten gemischt werden, beispielsweise, um die Bildströme besser messen zu können. Verfahren zur Herstellung solcher Widerstandsschichten werden angegeben. Die auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken werden durch die entstehende Potentialverteilung aber längere Zeit als bisher zusammengehalten. Es ergeben sich somit aus den Bildströmen Transienten mit langer nutzbarer Dauer, woraus Massenspektren mit höchster Massenauflösung gewonnen werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Aufnahme von Massenspektren in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern und auf Verfahren zur Herstellung der dazu benötigten Messzellen.
Die Erfindung gibt eine zylindrische ICR-Messzelle mit herkömmlicher Elektrodengeometrie wieder, in der durch Widerstandsschichten eine harmonische Verteilung der Trapping-Potentiale erzeugt wird. Der Zylindermantel der Messzelle ist, wie bisher üblich, in Längsrichtung durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Trennspalte in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt. Die Mantelelektroden tragen Widerstandsschichten, die bei Anlegen einer Trappingspannung von der Mitte her zu den Enden jeweils einen parabolischen Potentialverlauf an den Elektroden und somit ein harmonisches Trappingfeld im Inneren erzeugen. In besonderen Ausführungsformen können Elektroden mit Widerstandsschichten und Elektroden ohne Widerstandsschichten gemischt werden, beispielsweise, um die Bildströme besser messen zu können. Verfahren zur Herstellung solcher Widerstandsschichten werden angegeben. Die auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken werden durch die entstehende Potentialverteilung über längere Zeit als bisher zusammengehalten. Es ergeben sich somit aus den Bildströmen Transienten mit langer nutzbarer Dauer, woraus Massenspektren mit höchster Massenauflösung gewonnen werden können.
Stand der Technik
In Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern (ICR-MS) werden die ladungsbezogenen Massen m/z der Ionen durch die Frequenzen der Umlaufbewegungen von Wolken kohärent fliegender Ionen in ICR-Messzellen gemessen, die sich in einem homogenen Magnetfeld hoher Feldstärke befinden. Die Umlaufbewegung besteht normalerweise aus Überlagerungen von Zyklotron- und Magnetron-Bewegungen, wobei die Magnetron-Bewegungen die Messung der Zyklotronfrequenzen leicht verfälschen. Das Magnetfeld wird durch supraleitende Magnetspulen erzeugt, die mit flüssigem Helium gekühlt werden. Kommerzielle Massenspektrometer bieten heute nutzbare Durchmesser der ICR-Messzellen bis etwa 6 Zentimeter bei magnetischen Feldstärken von 7 bis 18 Tesla, 21 Tesla sind in Entwicklung.
Die Ionenumlauffrequenz wird in den ICR-Messzellen im homogensten Teil des magnetischen Feldes gemessen. Meist werden kreiszylindrische Messzellen verwendet. Die ICR-Messzellen bestehen nach meist gebräuchlicher Technik aus vier Längselektroden, die entlang der Messzelle eine gleich bleibende Breite aufweisen, sich parallel zu den magnetischen Feldlinien erstrecken und den Innenraum der Messzelle mantelförmig umschließen, wie zeigt. Üblicherweise werden zwei gegenüberstehende Längselektroden dazu verwendet, achsennah eingebrachte Ionen durch Anlegen einer Wechselspannung auf größere Umlaufbahnen ihrer Zyklotron-Bewegung anzuregen, wobei Ionen jeweils gleicher ladungsbezogener Masse m/z möglichst kohärent angeregt werden und phasengleich als Wolke umlaufen. Die beiden anderen Längselektroden dienen dazu, den Umlauf der Ionenwolken durch ihre Bildströme, die im Vorbeiflug der Ionenwolken in den Elektroden induziert werden, zu messen. Einfüllen der Ionen in die Messzelle, Ionenanregung und Ionendetektion erfolgen, wie jedem einschlägigen Fachmann bekannt, in aufeinander folgenden Verfahrensphasen.
Weil das Verhältnis m/z der Masse m zur Anzahl z der Elementarladungen der Ionen (im Folgenden einfach als „ladungsbezogene Masse”, manchmal einfach auch nur als „Masse” bezeichnet) vor der Messung unbekannt ist, erfolgt die Anregung der Ionen durch eine möglichst homogene Mischung aller möglichen Anregungsfrequenzen. Die Mischung kann dabei eine zeitsequentielle Mischung mit zeitlich ansteigenden oder absteigenden Frequenzen sein (man spricht dann von einem „Chirp”), oder sie kann eine synchrone, durch Computer berechnete Mischung aller Frequenzen sein (einem „Synch-Pulse”). Meist werden Chirps benutzt.
Die Bildströme, die durch die umlaufenden Ionenwolken in den Detektionselektroden induziert werden, bilden als Funktion der Zeit einen sogenannten „Transienten”. Der Transient ist ein „Zeitdomänensignal” und nimmt in der Regel in wenigen Sekunden so weit ab, dass nur noch Rauschen übrig bleibt. In Messzellen klassischer Konstruktion beträgt die Länge des nutzbaren Transientens maximal etwa zehn Sekunden. Wenn im Folgenden einfach der Begriff der „Dauer” eines Transienten verwendet wird, so ist damit immer die „nutzbare Dauer” gemeint.
Die Bildströme der Transienten werden verstärkt, digitalisiert und durch Fourier-Analyse auf die darin vorkommenden Umlauffrequenzen der Ionenwolken verschiedener Massen untersucht. Die Fourier-Analyse transformiert dabei die Folge der originären Bildstrom-Messwerte des Transienten aus der „Zeitdomäne” in eine Folge von Frequenzwerten in einer „Frequenzdomäne”. Man spricht deshalb auch von Fourier-Transformations-Massenspektrometrie (FTMS), wobei jedoch anzumerken ist, dass es heute auch andere Arten von Massenspektrometern der FTMS gibt, die nicht auf dem Umlauf von Ionen in Magnetfeldern beruhen. Aus den als Peaks in der Frequenzdomäne erkennbaren Frequenzsignalen (Frequenzposition und Signalhöhe) der verschiedenen Ionensorten werden dann ihre ladungsbezogenen Massen m/z und ihre Intensitäten bestimmt. Wegen der hohen Konstanz der verwendeten Magnetfelder und wegen der hohen Messgenauigkeit für Frequenzmessungen kann eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit der Massenbestimmung erzielt werden. Gegenwärtig ist die Fourier-Transformations-ICR-Massenspektrometrie (abgekürzt FT-ICR-MS) die genaueste aller Arten von Massenspektrometrie. Die Genauigkeit der Massenbestimmung und vor allem die Massenauflösung ist von der Anzahl der Ionenumläufe abhängig, die durch die Messung erfasst werden können, also von der nutzbaren Dauer des Transienten.
Wenn im Folgenden der Begriff „Aufnahme eines ICR-Massenspektrums” oder eine ähnliche Formulierung verwendet wird, so umfasst das, wie jedem einschlägigen Fachmann bekannt, die gesamte Folge von Schritten über die Füllung der ICR-Messzelle mit Ionen, Anregung der Ionen zu Zyklotronbahnen, Messung des Bildstrom-Transienten, Digitalisierung, Fourier-Transformation, Bestimmung der Frequenzen der einzelnen Ionensorten und schließlich Berechnung der ladungsbezogenen Massen und Intensitäten der Ionensorten, die das Massenspektrum darstellen.
Für das Einführen der Ionen in die ICR-Messzelle und besonders für ihr Einfangen gibt es verschiedene Verfahren, wie beispielsweise das „side-kick”-Verfahren oder das Verfahren des dynamischen Einfangens mit einer Potentialerhöhung, die hier aber nicht näher besprochen werden. Der einschlägige Fachmann kennt diese Verfahren.
Eine genaue Massenbestimmung ist in der modernen Biomassenspektrometrie (massenspektrometrische Analysen von biologischen Molekülen) außerordentlich wichtig. Es ist keine Grenze für die Massengenauigkeit bekannt, jenseits der keine weitere Erhöhung eines nutzbaren Informationsgehaltes mehr zu erwarten wäre. Die Erhöhung der Massengenauigkeit ist daher ein ständig weiter zu verfolgendes Ziel. – Eine hohe Massengenauigkeit allein reicht aber häufig nicht für die Lösung einer vorgegebenen analytischen Aufgabe aus. Neben der hohen Massengenauigkeit ist besonders ein hohes Massenauflösungsvermögen entscheidend, da gerade in der Biomassenspektrometrie sehr häufig Ionensignale mit sehr geringen Massenunterschieden getrennt nachgewiesen und gemessen werden müssen. So kommen beispielsweise bei enzymatischem Verdau von Proteinmischungen in einem Massenspektrum Tausende von Ionen vor; häufig müssen in einem kleinen Intervall um eine nominale Massenzahl herum fünf bis zehn oder mehr verschiedene Ionensorten getrennt und präzise vermessen werden. Bei der Analyse von Rohpetroleum kommt es vor, dass bei einer nominalen Masse mehrere hundert Ionensorten getrennt gemessen werden.
In den bis heute überwiegend üblichen kreiszylindrischen Messzellen wird der Zylinder aus vier Längselektroden gebildet, wie in dargestellt. Kreiszylindrische Messzellen werden vor allem deshalb am häufigsten benutzt, weil sie die beste Ausnutzung des Volumens des magnetischen Feldes in einer runden Spule ergeben.
Weil sich die Ionen frei in Richtung der magnetischen Feldlinien bewegen können, müssen die Ionen, die vom Einfüllen her jeweils Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Magnetfelds besitzen, daran gehindert werden, die Messzelle zu verlassen. Es sind daher die Messzellen an beiden Stirnseiten mit Elektroden ausgestattet, den so genannten „Trapping-Elektroden”. Diese sind für gewöhnlich mit Gleichspannungspotentialen versehen, die die Ionen abstoßen, um sie in der Messzelle zu halten. Es gibt sehr verschiedene Formen für dieses Elektrodenpaar; im einfachsten Fall handelt es sich dabei um plane Elektroden mit zentralem Loch, wie in zu sehen ist. Das Loch dient der Einführung der Ionen in die Messzelle.
Betrachtet man nun den Potentialverlauf längs der Achse der Messzelle, so erzeugen die Ionen abstoßenden Potentiale der äußeren Trapping-Elektroden (gemessen gegenüber dem Potential der Mantelelektroden) sowohl bei Lochblenden wie auch bei offenen ICR-Zellen eine Potentialmulde im Inneren der Messzelle. Der Potentialverlauf längs der Achse hat ein Minimum genau im Mittelpunkt der Messzelle, wenn die Ionen abstoßenden Potentiale an den beidseitigen Trapping-Elektroden gleich hoch sind, mit einem harmonischen (dreidimensional quadrupolaren) Potentialverlauf in der direkten engen Umgebung des Zentrums. In größerer Entfernung vom Zentrum weicht der Potentialverlauf vom harmonischen Verlauf mehr und mehr ab. Die eingeführten Ionen werden in dieser Potentialmulde Oszillationen in Achsenrichtung ausführen, die so genannten Trapping-Schwingungen, weil sie vom Einführen her Geschwindigkeiten in Achsenrichtung besitzen. Solange den Ionen keine zusätzliche kinetische Energie in Achsenrichtung zugeführt wird, hält das starke Magnetfeld die Ionen in der Achse und verhindert jedes radiale Ausweichen.
Die Umlauffrequenzen der Wolken mit den jeweiligen Ionensorten können durch Fourier-Transformationen der Bildstrom-Transienten bestimmt werden. Dabei gilt, dass die Frequenzen umso genauer bestimmt werden können, je länger die Bildströme gemessen werden. Die Messzeiten für die Zyklotron-Umläufe der Ionen sind jedoch begrenzt; sie betragen in kommerziellen ICR-Massenspektrometern bisher nur maximal zehn Sekunden. In dieser Zeit ist die Stärke der Bildströme des Transienten in der Zeitdomäne so weit abgefallen, dass das Rauschen vorherrscht und eine Verlängerung der Messzeit keine Verbesserungen der Frequenzbestimmung mehr ergibt. Damit wird auch die Massenauflösung nicht mehr verbessert.
Um lange nutzbare Transienten zu erhalten, müssen die Wolken kohärent fliegender Ionen möglichst lange zusammengehalten werden. Dazu muss zunächst das Vakuum in der Messzelle so gut wie möglich sein, weil während der Messung der Bildströme nur sehr wenige Stöße der Ionen mit Restgasmolekülen stattfinden dürfen. Jeder Stoß eines Ions mit einem Restgasmolekül bringt das Ion aus der Umlaufphase der übrigen Ionen gleicher ladungsbezogener Masse m/z. Für höchste Auflösungsvermögen sind Vakua im Bereich von 10^–8 bis 10^–9 Pascal erforderlich.
Es gibt aber noch andere Erscheinungen, die die Kohärenz der Ionen auflösen. In der Arbeit von E. N. Nikolaev et al., „Realistic modelling of ion cloud motion in a Fourier transform ion cyclotron resonance cell by use of a particle-in-cell approach" (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007, 21, 1–20) konnte in aufwändigen Computer-Simulationen gezeigt werden, dass selbst in ideal guten Vakua in Messzellen bisheriger Art die zunächst zigarrenförmigen Wolken der Ionen gleicher ladungsbezogener Masse während der Umläufe einer stetigen Formänderung unterliegen. In ICR-Messzellen mit stirnseitigen Trapping-Lochblenden bilden die zigarrenförmigen Wolken je nach Bedingungen von den Enden oder vom Zentrum der Wolken her Schwänze aus, die auf der Kreisbahn der Wolken hinterher gezogen werden. Schwänze vom Zentrum her erzeugen zunächst eine Form, die an breite Kaulquappen erinnert. Die Schwänze verlängern sich ständig, bis sie zu umlaufenden Ringen werden, die zur Detektion der Bildströme nichts mehr beitragen können. Die Kaulquappenköpfe werden zu bloßen Verdickungen der ringförmig umlaufenden Ionenwolken und verschwinden allmählich ganz. Die nutzbare Messzeit ist jetzt zu Ende, da die Bildströme keine Wechselstromanteile mehr enthalten, aus denen allein die Frequenzen der Zyklotronumläufe bestimmt werden können.
Die Gründe für diese Ausbildung von Schwänzen sind noch nicht aufgeklärt, hängen aber wahrscheinlich von der bisher nicht idealen Form der Trapping-Potential-Verteilungen in Verbindung mit der Raumladung der einzelnen Ionenwolken zusammen. In den Ionenwolken herrschen starke abstoßende Kräfte, die die Wolke auseinander zu treiben versuchen. Diese Kräfte führen im starken Magnetfeld zu einer Rotation der Wolke um ihre eigene Achse, wobei sich die Rotation so einstellt, dass sich die Kraft der abstoßenden Raumladung, die zusätzliche Fliehkraft und die Lorentzkraft die Waage halten. Dabei kann es durch Dichteschwankungen oder andere Effekte zu Ungleichgewichten mit Protuberanzen führen. Interessanterweise spielt es kaum eine Rolle, dass die verschiedenen Wolken der Ionen verschiedener Massen einander dauernd auf ihrer Kreisbahn überholen, wobei sie sich immer wieder gegenseitig durchdringen müssen.
Unter Fachleuten herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass das Trapping-Potential auch außerhalb der engen Umgebung des Zentrums möglichst exakt die Form eines dreidimensional quadrupolaren Feldes haben sollte, um Trapping-Schwingungen gleicher Frequenz unabhängig von der Schwingungsweite zu ermöglichen. Angeregte Ionen können dann auch während ihrer Zyklotronumläufe parallel zur Achse der Messzelle harmonisch schwingen. Ein solches quadrupolares Trappingfeld kann am einfachsten durch rotationshyperbolische Endkappen- und Ringelektroden erzeugt werden, geometrisch gleich denen einer dreidimensionalen Paulschen Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle.
Für die Konstruktion einer ICR-Messzelle gibt es ein schwer aufzulösendes Dilemma. Einerseits verlangt die Forderung nach einer quadrupolaren Verteilung der Trapping-Potentiale eine Messzelle, die bisher nur mit rotationshyperbolischen Endkappen- und Ring-Elektroden hergestellt werden kann, andererseits verlangt eine gleichmäßige Anregung der Ionen einer ausgedehnten Ionenwolke zu Zyklotronbewegungen ein sehr langes, in Achsenrichtung ausgedehntes Dipolwechselfeld. Für eine gemeinsame Erfüllung dieser beiden Forderungen sind bisher keine exakten Lösungen bekannt geworden.
Ein erster approximativer Lösungsvorschlag für dieses Dilemma wurde in der Arbeit von G. Gabrielse et al., „Open-Endcap Penning Traps for High Precision Experiments", (I J Mass Spectrom & Ion Processes, 88 (1989), 319–332) veröffentlicht. Die Autoren führten Kompensationselektroden in eine offene ICR-Messzelle ein. Offene ICR-Messzellen, ähnlich wie in , wurden deswegen gewählt, weil nur sie die lang ausgestreckte dipolare Anregung der Ionen erlaubt; durch die Einführung von planen Trappingelektroden an beiden Enden der ICR-Messzelle wird das dipolare Anregungsfeld bereits stark gestört. Es wurden Messzellen mit fünf Segmenten vorgestellt, mit denen nach mathematischen Berechnungen gute Näherungen für quadrupolare Trapping-Felder erzielt werden konnten, wobei diese Trapping-Felder jedoch naturgemäß nicht bis an die Elektroden heranreichen können.
Jüngst hat es weitere Versuche gegeben, in offenen ICR-Messzellen Trapping-Potentiale zu schaffen, die im weiteren Umfeld des Zentrums möglichst gut das dreidimensional quadrupolare Feld einer idealen ICR-Messzelle wiedergeben sollen, um so harmonische Trapping-Schwingungen zu erzeugen. Auch in diesen Arbeiten wurde das oben beschriebene Dilemma zwischen hyperbolischen und zylindrischen Messzellen durch Kompensationselektroden aufzulösen getrachtet, wobei mehr Kompensationselektroden als bei Gabrielse et al. verwendet wurden. In den Arbeiten wurden die günstigsten Potentiale an den Kompensationselektroden durch Computersimulationen ermittelt. In der Arbeit von A. V. Tolmachev et al., „Trapped-Ion Cell with Improved DC Potential Harmonicity for FT-ICR MS" (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 586–597) wurden sieben Zylindersegmente mit insgesamt 28 Längselektroden, in der Arbeit A. M. Brustkern et al., „An Electrically Compensated Trap Designed to Eighth Order for FT-ICR Mass Spectrometry", (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 1281–1285) wurden sogar neun Zylindersegmente verwendet. In dem Dokument DE 10 2008 063 233 A1 (R. Jertz und G. Baykut; GB 2 466 551 A ) wurde dargelegt, dass die durch Computer ermittelten Potentiale nicht die optimalen Ergebnisse liefern; die Feinjustierung dieser Potentiale ist jedoch außerordentlich schwierig. In ist eine solche offene ICR-Messzelle mit sieben Zylindersegmenten dargestellt.
Es ist jedoch auch möglich (und bereits seit langem bekannt), in geschlossenen ICR-Messzellen einen bis zu den Trappingelektroden reichenden Ausschnitt einer praktisch unendlich langen dipolaren Anregung zu erzeugen, wie in der Patentschrift DE 39 14 838 C2 (M. Allemann und P. Caravatti) dargelegt wird. Diese so genannte „Infinity-Messzelle” hat Trappingelektroden, wie sie in wiedergegeben sind; die Trappingelektroden sind dabei in Teilstücke (20) bis (28) durch kompliziert gebogene Trennspalte aufgetrennt. Die Trennspalte bilden dabei die Schnitte ausgewählter Äquipotentialflächen des dipolaren Anregungsfeldes mit der Trappingelektrode nach. Werden die Teilelektroden (20) bis (28) mit entsprechend abgestuften Teilspannungen der dipolaren Anregungsspannung versorgt, so werden die Randfehler der dipolaren Anregung zu den Trappingplatten hin minimiert; es entsteht – bis auf kleinere Abweichungen in der Nähe der Trappingplatten – ein Ausschnitt aus einem unendlich langen dipolaren Anregungsfeld. Die Teilspannungen werden durch einen kapazitiven Spannungsteiler hergestellt, wobei die die mittlere Teilelektrode (24) keinen Dipolwechselspannungsanteil erhält. Durch eine größere Anzahl an Teilelektroden können die Abweichungen in der Nähe der Trappingelektroden noch kleiner gemacht werden.
Bleiben die Ionenwolken über längere Zeit zusammen, so kann man für gleiches Auflösungsvermögen die Messzeit verkürzen, indem man mehr als nur zwei Bildstrom-Messelektroden einsetzt. Eine kürzere Messzeit ist ein außerordentlich erstrebenswertes Ziel. Bei vier oder acht Messelektroden verdoppelt oder vervierfacht sich die gemessene Frequenz gegenüber der Umlauffrequenz, und es genügt die Hälfte oder ein Viertel der Messzeit, um zu gleichem Auflösungsvermögen zu kommen. Bei einem Auseinanderfließen der Ionenwolken nimmt dann allerdings auch die nutzbare Dauer der Transienten entsprechend ab. Eine optimale Anzahl von Messelektroden hängt sehr von der genauen Art ab, in der die Ionenwolken auseinanderfließen. Die oben geschilderte Ausbildung von Schwänzen ist dabei nur eine Art, es gibt auch Auflösungserscheinungen der Ionenwolken ganz anderer Arten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ICR-Messzellen bereitzustellen, in denen einerseits für die Ionen eine harmonische Verteilung der elektrischen Trapping-Potentiale bis an die Wände der Messzelle heran herrscht, in denen aber andererseits die Ionen durch ein lang gestrecktes Dipolwechselfeld angeregt werden können. Verfahren für die Herstellung solcher ICR-Messzellen sind anzugeben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine zylindrische ICR-Messzelle bereit, deren Mantelfläche in Längsrichtung in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt ist. Vorzugsweise ist die ICR-Messzelle an den Stirnflächen durch besonders geformte Endkappenelektroden geschlossen. In einer Basisversion der Erfindung tragen alle Mantelelektroden innen isoliert aufgebrachte Widerstandsschichten, die bei Anlegen einer Trappingspannung von der Mitte her zu den Enden jeweils einen parabolischen Spannungsverlauf an den Elektroden generieren. Wird an den Enden ein Potential erreicht, das dem Potential der Endkappenelektroden entspricht, und sind die Endkappen rotationshyperbolisch oder sphärisch geformt, so wird im Inneren ein ideal harmonisches Trappingfeld erzeugt, das in allen Richtungen bis an die Wände der ICR-Messzelle heranreicht. Ist die ICR-Messzelle sehr lang, oder sind die Trappingelektroden wie bei einer Inifinity-Messzelle aufgetrennt und versorgt, so können die Ionen in einem lang ausgedehnten dipolaren Wechselfeld angeregt werden. Die auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken sollten nach bisherigen Erwartungen durch die ideal harmonische Potentialverteilung über längere Zeit als bisher zusammengehalten werden. Es ergäben sich dann aus den Bildströmen Transienten langer nutzbarer Dauer für Massenspektren höchster Massenauflösung.
Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung solcher Widerstandsschichten. So können Bedampfungen mit Widerstandsmaterial verschiedener Schichtdicken vorgenommen werden; es können aber auch gleichmäßige Widerstandsschichten durch Laserablation so umgeformt werden, dass die gewünschte Form des Spannungsabfalls erreicht wird. Die Dotierung von Halbleiterschichten ist ein weiteres Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Widerstandsschichten. Die Widerstandsschichten können sich auf metallischen Elektroden mit einer isolierenden Zwischenschicht befinden oder auf massiven Isolatoren aus Glas oder Keramik.
In besonderen Ausführungsformen können Elektroden mit Widerstandsschichten und metallisch leitende Elektroden ohne Widerstandsschichten abwechselnd angeordnet werden, beispielsweise, um die Bildströme besser mit den metallischen Elektroden ohne Widerstandsschichten messen zu können. Die harmonische Potentialverteilung ergibt sich dann nur als Durchschnitt gemittelt über einen orbitalen Umlauf der Ionen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
gibt eine zylindrische ICR-Messzelle nach dem Stand der Technik wieder. Zwischen den beiden Trappingelektroden (01) und (07), die hier als einfache Lochblenden ausgebildet sind, befinden sich vier Längselektroden (02) bis (05) in der Form von parallelen Zylindermantelausschnitten, von den hier aber nur zwei Längselektroden (03) und (04) sichtbar sind. Von den vier Längselektroden dienen zwei gegenüberliegende Elektroden, beispielsweise die Elektroden (03) und (05), zur Anregung der Ionen zu Zyklotronbahnen und die beiden anderen zum Messen der Bildströme.
zeigt eine offene ICR-Messzelle in zylindrischer Ausführung mit insgesamt sieben Zylindersegmenten, ebenfalls nach dem Stand der Technik. Die vier Längselektroden sind hier entsprechend den Zylindersegmenten in je sieben Teilstücke geteilt. Durch Trappingspannungen an den Elektroden der Zylindersegmente kann angenähert ein harmonisches Trappingpotential erzeugt werden, das aber nicht bis an die Wände der Messzelle heranreicht. Die äußeren Trappingelektroden sind räumlich so lang ausgeführt, um entsprechend lang ausgedehnte Dipolwechselfelder für die Anregung der Ionen erzeugen zu können.
gibt im oberen Teil schematisch einen Längsschnitt durch eine Messzelle nach dieser Erfindung wieder. Die Innenflächen der beiden hier sichtbaren Längselektroden (03) und (05) sind mit verlaufenden Widerstandsschichten (9) belegt, die bei Anlegen einer Trappingspannung einen parabolischen Spannungsabfall bilden können. Dabei ist symbolisch angedeutet, dass sich die Dicke der Widerstandsschicht (9) ändert. Die Messzelle ist an den Stirnflächen durch leicht gekrümmte Trapping- oder Endkappenelektroden (01) und (07) geschlossen; diese Endkappen haben Löcher (08) zum Einführen der Ionen. Im unteren Teil ist der parabolische Potentialverlauf längs der Längselektroden gezeigt, der sich bei Anlegen einer Trappingspannung zwischen Mitte (32) und Enden (31) und (33) der Längselektrode (03) ergibt.
gibt wieder, wie die Widerstandsschicht (50) auf einer Elektrode (3) durch Laserschnitte (51) so getrimmt werden kann, dass der gewünschte Spannungsabfall erzielt werden kann.
zeigt die Trappingelektrode einer Infinity-Zelle und ihren räumlichen Bezug zu den Längselektroden (02) bis (05). Die Trappingelektrode ist hier in neun Teilelektroden (20) bis (28) durch Spaltfugen aufgeteilt, die in ihrer Form ausgewählten Äquipotentialflächen der Dipolwechselspannung zur Anregung der Ionen entsprechen. Durch abgestufte Teilspannungen der Dipolwechselspannung an den Teilelektroden entsteht näherungsweise ein Ausschnitt eines unendlich langen Dipolwechselfeldes. Durch größere Anzahlen an Teilelektroden kann die Näherung noch verbessert werden.
zeigt einen Querschnitt durch eine zylindrische Messzelle mit acht Längselektroden, von denen die vier Längselektroden (40) bis (43) aus Metall ohne Widerstandsschicht bestehen, während die vier anderen Längselektroden (44) bis (47) eine isoliert aufgebrachte Widerstandsschicht tragen, die in Längsrichtung einen parabolischen Spannungsabfall erzeugen können. Es können beispielsweise zwei der metallischen Elektroden für die Anregung der Ionen und die beiden anderen für die Messung der Bildströme verwendet werden. Das harmonische Trappingpotential existiert nur für umlaufende Ionen, da es sich nur als Mittelwert über einen Umlauf der Ionen ergibt, allerdings reicht das gemittelt harmonische Potential bis an alle Wände der Messzelle heran.
Bevorzugte Ausführungsformen
Eine einfache Ausführungsform basiert auf einem Glaszylinder, dessen Mantelfläche in Längsrichtung in vier Viertelschalen aufgeschnitten wird. Die Viertelschalen werden innen mit Widerstandsmaterial in gewünschter Weise bedampft. Als Widerstandsmaterial können Halbleiter, aber auch Hartmetalle wie beispielsweise Wolfram in sehr dünner Schicht dienen. Der Widerstand sollte so hoch gewählt werden, dass die fertige Messzelle im Hochvakuum nicht durch die elektrischen Ströme über erträgliche Maße hinaus aufgeheizt wird.
Mit einem KPG-Verfahren kann beispielsweise ein Glaszylinder mit einem Innendurchmesser von etwa sechs und einer Länge von etwa 15 Zentimetern hergestellt und dabei bereits mit Mittelkontakten, die durch das Glas reichen, versehen werden. (KPG = kalibriertes Präzisionsglas, ein Verfahren der Schott Geräte GmbH). Das KPG-Verfahren ist in einem Heißabdruckverfahren, bei dem ein evakuierter, bis zum Erweichen erhitzter Glaszylinder durch den äußeren Druck auf einen präzis geformten, metallischen Kern aufgepresst wird. Der metallische Kern zieht sich beim Abkühlen stärker zusammen als das Glas des Zylinders und kann so nach dem Abkühlen aus dem Glaszylinder entnommen werden.
Die Bedampfung der Viertelschalen kann im Vakuum von einem erhitzen Verdampfungspunkt aus geschehen, der sich in Längsrichtung in der Mitte der Viertelschalen und in Transversalrichtung im Mittelpunkt der Krümmung befindet. Der erhitzte Verdampfungspunkt kann beispielsweise wie eine Haarnadelkathode ausgebildet sein, die bekanntlich an der Haarnadelspitze den heißesten Punkt erzeugt. Durch die gleichmäßige Abdampfung des Materials in alle Richtungen wird automatisch eine Aufdampfschicht erzeugt, die in der Mittelebene dicker ist als zu den Enden hin und schon sehr gut eine Annäherung an den gewünschten parabolisch geformten Spannungsabfall liefert.
Korrekturen für den Verlauf des Spannungsabfalls können durch Laserbearbeitung vorgenommen werden. Dabei kann durch Laserablation die Dicke des Materials durch Abtragungen verändert werden; es kann aber auch durch transversale Laserschnitte der Spannungsabfall angepasst werden. Diese Korrekturverfahren für die Formung des Spannungsabfalls können sogar auf gleichmäßig aufgebrachte Widerstandsschichten beliebiger Art angewendet werden. So kann, wie in angedeutet, eine gleichmäßig aufgebrachte Widerstandsschicht (50) durch viele kleine Quereinschnitte (51) in Abständen von weniger als einem Millimeter in den gewünschten Widerstandsverlauf gebracht werden. Diese Verfahren sind zur Feinabstimmung von Widerständen bekannt und können durch begleitende Messungen rückgekoppelt vorgenommen werden.
Werden die Viertelschalen mit einem Halbleiter wie beispielsweise Germanium oder Silizium bedampft, so kann der Verlauf des Widerstandes längs einer Viertelschale auch durch eine entsprechende Dotierung erzeugt werden, beispielsweise durch Ionenimplantation, bei der in einem Vakuumsystem Ionen der richtigen Art in die Halbleiterschicht eingeschossen werden. Es lassen sich mit Dotierungen die Widerstandswerte in gut bekannter Weise um viele Größenordnungen ändern.
Auch durch Aufbringen eines hin- und herführenden Widerstandsdrahtes mit nach außen zu immer größeren Abständen lässt sich eine Längselektrode mit gewünschten Eigenschaften herstellen.
Die so hergestellten Viertelschalen lassen sich, wie im oberen Teil der zu sehen, zusammen Endkappenelektroden (01) und (07) zur Messzelle zusammensetzen, wobei hier nur die Viertelschalen (03) und (05) im Anschnitt gezeigt sind. Die Endkappenelektroden (01) und (07) haben dabei im Idealfall eine hyperbolische Rotationsform, die den Äquipotentialflächen des gewünschten dreidimensional quadrupolaren Feldes folgt; sie können jedoch auch durch eine sphärische Form angenähert werden. Die Endkappen haben jeweils ein zentrales Loch (08), durch das die Ionen längs der magnetischen Kraftlinien in die Messzelle eingeführt werden können. Die hyperbolische Rotationsform und ihre Berechnung ist dem Fachmann von den Endkappen der dreidimensionalen Paulschen Hochfrequenz-Ionenfallen her bekannt.
Durch die Mittelkontakte (32) und (35), die durch das Glas reichen, und durch Kontakte (31), (33), (34) und (36) an den Enden kann die Gleichspannung für das Trappingfeld an die Widerstandsschichten (9) angelegt werden. Die Endkappenelektroden (01) und (07) liegen auf dem gleichen Potential wie die Enden der Viertelschalen. Es gibt somit nur eine einzige Trappingspannung; ihre Einstellung, die gewöhnlich zwischen ein und drei Volt beträgt, ist weitgehend unkritisch. Die Trappingspannung hält die Ionenwolke in ihrer Längsrichtung zusammen; sie wird in der Regel so eingestellt, dass eine Ionenwolke von etwa sechs bis acht Zentimeter Länge entsteht, in der die individuellen Ionen mehr oder weniger weit hin und her schwingen.
Diese ICR-Messzelle hat im Inneren ein elektrisches Trappingfeld, das entsprechend der Aufgabenstellung harmonisch ist, und zwar in allen Richtungen bis an die Wände der Messzelle heran.
Die Anregung der axial eingeführten Ionen erfolgt durch einen Wechselspannungspuls, der die Ionen aller Massen unter Wahrung der Kohärenz der Ionenwolken der verschiedenen Ionensorten gleichmäßig auf die Zyklotronbahnen bringen soll. Der Wechselspannungspuls muss daher alle Frequenzen zur Anregung aller möglicherweise vorkommenden Ionen enthalten. Das kann, wie einleitend beschrieben, durch einen Chirp oder einen Sync-Puls geschehen. Die Anregung erfolgt durch Einfütterung dieser Wechselspannung in die Widerstandsschichten zweier einander gegenüberliegenden Viertelschalen. Durch die Länge der Messzelle entsteht ein lang gestrecktes Dipolfeld zur Anregung der gewöhnlich auf etwa sechs bis acht Zentimeter Länge ausgestreckten Ionenwolke.
Die Messung der Bildströme kann an den beiden anderen Widerstandsschichten erfolgen, deren Mittelabgriffe dazu mit dem Bildstromverstärker verbunden werden.
Durch die Länge der Messzelle wird auch die Aufgabe der dipolaren Anregung in einem ausgedehnten Feld erfüllt. Genügt die Länge der Homogenität des Dipolfeldes in axialer Richtung nicht, so kann durch die Einführung von Trappingelektroden einer Infinity-Zelle nach die Homogenität des Dipolfeldes in axialer Richtung noch verlängert werden. Es reicht dann auch das anregende Dipolwechselfeld bis praktisch an die Wände ICR-Messzelle heran. Die Trappingelektroden können trotz ihrer Aufteilung in Teilelektroden die rotationshyperbolische Form, die für das harmonische Trappingfeld erforderlich ist, beibehalten.
Diese einfache Ausführungsform kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. So kann beispielsweise statt des Glases auch Keramik oder ein Metall mit einer aufgebrachten Isolierschicht als Grundmaterial für die Viertelschalen gewählt werden. Die Wechselspannungspulse zur Anregung der Ionen können dann auch am metallischen Grundkörper anliegen. Es können aber auch Achtelschalen statt der Viertelschalen eingesetzt werden. Dadurch lassen sich leicht vier Detektionselektroden verwenden, die eine Verdoppelung der gemessenen Umlauffrequenz und des Auflösungsvermögens bei gleicher Messlänge für den Transienten der Bildströme ergeben.
Eine besondere Ausführungsform besteht darin, Achtelschalen zu verwenden, von denen aber nur vier mit den beschriebenen Widerstandsschichten versehen sind. Die anderen vier Achtelschalen sind aus metallischem Material und dienen zur Anregung der Ionen und zur Messung der Bildströme. Wie in dargestellt, wechseln sich die Elektroden (40) bis (43) mit Widerstandsschichten und die Elektroden (44) bis (47) ohne Widerstandsschichten reihum ab. Die metallischen Endkappenelektroden (01) und (07) befinden dann sich auf halbem Trappingpotential; es können aber auch segmentierte Endkappen mit radial verlaufenden Widerstandsbeschichtungen verwendet werden, die Spannungsverläufe vom zentralen Loch (auf mittlerem Potential) zu den Rändern hin aufweisen, die den Spannungen an den Mantelelektroden entsprechen. Die Messung der Bildströme ist besonders kritisch und sollte nicht mit anhängenden Widerständen belastet werden, die elektronisches Rauschen einfangen oder generieren können; daher ist diese Ausführungsform mit metallischen Elektroden besonders zu bevorzugen. Diese Messzelle bietet in ihrem Inneren nun nicht mehr die ideale Feldverteilung einer harmonischen Messzelle. Betrachtet man aber die über einen Umlauf gemittelte Potentialverteilung, die von einem umlaufenden Ion erlebt wird, so entspricht diese gemittelte Potentialverteilung wieder genau der idealen Potentialverteilung eines harmonischen Feldes bis an die Wände der Messzelle heran.
Weitere Ausführungsformen bestehen darin, noch mehr Längselektroden als nur acht zu verwenden. Da die Ionen der einzelnen Massen auf ihren Umläufen über lange Zeiten kohärent in Wolken zusammengehalten werden, können durch Verwendung von vier und mehr Bildstrom-Messelektroden auch Verdopplungen oder Vervielfachungen der Umlauffrequenzen gemessen werden, ohne dass die so erhaltenen Bildstrom-Transienten rasch bis auf restliches Rauschen abnehmen. Dadurch kann ein vorgegebenes Auflösungsvermögen in halber oder noch kürzerer Messzeit erhalten werden.
Weitere Ausführungsformen können darin bestehen, die Längselektroden nicht alle gleich breit zu machen, oder ihnen sogar eine nicht konstante, in Längsrichtung variierende Breite zu geben, bei denen der Verlauf der Widerstandsschichten entsprechend anzupassen ist, um die gewünschte gemittelte Potentialverteilung im Inneren der Messzelle zu generieren.
Die Erfindung stellt auch Verfahren bereit, mit denen in den erfindungsgemäßen ICR-Messzellen Massenspektren höchster Massenauflösung aufgenommen werden können. Insbesondere kann die Trappingspannung, die hier nicht mehr unbedingt klein gehalten werden muss, so optimiert werden, dass der nutzbare Teil der Transienten möglichst lang wird.
Die Einführung der Ionen in die Messzelle folgt dabei üblichen Verfahren, am besten mit niedrigen Trappingspannungen, die nur an die Endkappen (01) und (07) angelegt werden. Das führt zu einer ausgedehnten, sehr schlanken, ellipsoiden Wolke von Ionen in der Achse der Messzelle, die bis an die Endkappenelektroden heranreicht. Die Ionen schwingen in dieser Wolke je nach ihrer kinetischen Energie hin und her; die energiereichsten Ionen schwingen von einem Ende zum anderen und wieder zurück. Nach dem Einfangen der Ionen werden die Trappingspannungen auch an die Widerstandsschichten (9) der Mantelelektroden angelegt. Die Ionenwolke zieht sich dadurch in ihrer Länge auf die oben genannten Werte zusammen und kann jetzt durch das dipolare Anregungsfeld auf Zyklotronbahnen gehoben werden.
Die Anregung dieser Ionenwolke mit Anheben der Ionen auf Zyklotronbahnen beispielsweise durch einen Chirp erfordert ein räumlich ausgedehntes elektrisches Anregungsfeld, damit alle Ionen gleichmäßig erfasst werden können. Ein solch langes, gleichmäßiges Anregungsfeld ist aber bereits gegeben, wenn die Messzelle entsprechend lang konstruiert wird. Ist die Homogenität des Dipolwechselfeldes in axialer Richtung nicht genügend gut, so kann sie durch die Einführung der aufgeteilten Trappingelektroden einer Infinity-Messzelle noch verbessert werden.
Es wurden bisher nur Ausführungsformen für geschlossene ICR-Messzellen vorgestellt. Verzichtet man jedoch darauf, dass das harmonische elektrische Trappingfeld in alle Richtungen bis an die Wände der Messzelle reicht, so kann man durch isoliert abgesetzte Fortsetzungen der Längselektroden auch entsprechende offene ICR-Messzellen bauen, die nun nicht mehr im wörtlichen Sinne der Aufgabenstellung entsprechen, bei Beschränkung der Ionenwolke auf den mittleren Teil aber ebenfalls sehr gute Ergebnisse liefern. Eine offene ICR-Messzelle hat den Vorteil, sehr gut ausgepumpt werden zu können.
Der einschlägige Fachmann wird in Kenntnis dieser Erfindung weitere vorteilhafte Mess- und Herstellungsverfahren für die ICR-Messzellen entwickeln können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008063233 A1 [0021]
GB 2466551 A [0021]
DE 3914838 C2 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. N. Nikolaev et al., „Realistic modelling of ion cloud motion in a Fourier transform ion cyclotron resonance cell by use of a particle-in-cell approach” (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007, 21, 1–20) [0016]
G. Gabrielse et al., „Open-Endcap Penning Traps for High Precision Experiments”, (I J Mass Spectrom & Ion Processes, 88 (1989), 319–332) [0020]
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A. V. Tolmachev et al., „Trapped-Ion Cell with Improved DC Potential Harmonicity for FT-ICR MS” (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 586–597) [0021]
A. M. Brustkern et al., „An Electrically Compensated Trap Designed to Eighth Order for FT-ICR Mass Spectrometry”, (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 1281–1285) [0021]

Claims

ICR-Messzelle in Form eines Zylindermantels, wobei die Mantelfläche des Zylinders in Längselektroden aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Längselektroden innen mit Widerstandsschichten belegt sind, die bei Anlegen einer Trappingspannung von der Mitte der Längselektroden nach den Enden hin einen in Längsrichtung parabelförmig ansteigenden Potentialverlauf erzeugen.
ICR-Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle an beiden Seiten durch Endkappenelektroden abgeschlossen ist.
ICR-Messzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkappenelektroden rotationshyperbolisch oder sphärisch geformt sind.
ICR-Messzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkappenelektroden durch Spaltfugen in Teilelektroden aufgeteilt sind, wobei die Formen der Spaltfugen wie bei einer Infinity-Messzelle ausgewählten Äquipotentialflächen der Dipolwechselspannung zur Anregung der Ionen nachgebildet sind.
ICR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Zylinders in vier, sechs, acht, zwölf oder sechzehn Längselektroden aufgeteilt ist
ICR-Messzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass reihum jede zweite der Längselektroden aus Metall ohne Widerstandsschicht besteht, und dass zumindest einige der metallischen Längselektroden zur Messung der Bildströme verwendet werden.
Verfahren zur Messung von Massenspektren höchster Massenauflösung mit einer ICR-Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trappingspannung, die an den äußeren Enden der Längselektroden liegt, so eingestellt wird, dass ein möglichst langer nutzbarer Transient entsteht.
Verfahren zur Herstellung der nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingeführten Widerstandsschichten auf den Längselektroden der Messzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine zunächst aufgebrachte Widerstandsschicht durch Laserbearbeitung auf den gewünschten Widerstandsverlauf gebracht wird.
Verfahren zur Herstellung der nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingeführten Widerstandsschichten auf den Längselektroden der Messzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine zunächst aufgebrachte Halbleiter-Widerstandsschicht durch Dotierung auf den gewünschten Widerstandsverlauf gebracht wird.