DE102011013600A1

DE102011013600A1 - Verarbeitung der Ionenstrommesswerte in Flugzeitmassenspektrometern

Info

Publication number: DE102011013600A1
Application number: DE102011013600A
Authority: DE
Inventors: Jens Decker
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: US9543133B2; GB201204174D0; DE102011013600B4; GB2488909A; US20120228488A1; GB2488909B; GB201204181D0

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Verarbeitung von digitalisierten Ionenstromsignalen in Flugzeitmassenspektrometern, die eine Vielzahl von Einzelspektren aufnehmen und zu einem Summenspektrum verarbeiten. Einzelspektren und Summenspektren sind üblicherweise Folgen digitaler Messwerte des Ionenstroms im Zeitraster der Messungen über die Flugzeit, und das Summenspektrum enthält üblicherweise die für jede Messzeit des Zeitrasters addierten Messwerte des Ionenstroms. Die Spektren enthalten erkennbare digitalisierte Ionenstromsignale oder „Peaks”. Seit längerem ist bekannt, dass eine Verbesserung der Auflösung erzielt werden kann, indem die Intensität eines Peaks im Summenspektrum nur an der Stelle des Peakmaximums addiert wird. Die Erfindung besteht nun im Wesentlichen darin, für ein digitalisiertes Ionenstromsignal eines Einzelspektrums die Intensität und die Flugzeit zu bestimmen, die Intensität dem Summenspektrum aber so hinzuzufügen, dass der Schwerpunkt für den Beitrag dieses Ionenstrompeaks bei der Addition erhalten bleibt. Dazu muss die Intensität an mindestens zwei Stellen im Summenspektrum aufaddiert werden, die zu beiden Seiten zur Flugzeit des Peaks liegen. Damit werden systematische Fehler beseitigt, die daher rühren, dass die Intensität nur an der Stelle des maximalen Messwertes addiert wird. Bei der Anwendung dieser Erfindung werden qualitativ so gute Massenspektren gewonnen, dass auf die Addition aller einzelnen Messwerte zu einem Summenspektrum verzichtet werden kann; dadurch wiederum können die bisher verwendeten Digitalisierungseinrichtungen außerordentlich vereinfacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Verarbeitung von digitalisierten Ionenstromsignalen in Flugzeitmassenspektrometern, die eine Vielzahl von Einzelspektren aufnehmen und zu einem Summenspektrum verarbeiten.
Einzelspektren und Summenspektren sind üblicherweise Folgen digitaler Messwerte des Ionenstroms im Zeitraster der Messungen über die Flugzeit, und das Summenspektrum enthält üblicherweise die für jede Messzeit des Zeitrasters addierten Messwerte des Ionenstroms. Die Spektren enthalten erkennbare digitalisierte Ionenstromsignale oder „Peaks”. Seit längerem ist bekannt, dass eine Verbesserung der Auflösung erzielt werden kann, indem die Intensität eines Peaks im Summenspektrum nur an der Stelle des Peakmaximums addiert wird. Die Erfindung besteht nun im Wesentlichen darin, für ein digitalisiertes Ionenstromsignal eines Einzelspektrums die Intensität und die Flugzeit zu bestimmen, die Intensität dem Summenspektrum aber so hinzuzufügen, dass der Schwerpunkt für den Beitrag dieses Ionenstrompeaks erhalten bleibt. Dazu wird die Intensität an mindestens zwei Stellen im Summenspektrum aufaddiert, die zu beiden Seiten zur Flugzeit des Peaks liegen, und zwar so aufgeteilt, dass der Schwerpunkt erhalten bleibt. Dadurch werden systematische Fehler beseitigt, die daher rühren, dass die Intensität nur an der Stelle des maximalen Messwertes addiert wird. Bei der Anwendung dieser Erfindung werden qualitativ so gute Massenspektren gewonnen, dass auf die Addition aller einzelnen Messwerte zu einem Summenspektrum verzichtet werden kann; dadurch wiederum können die bisher verwendeten Digitalisierungseinrichtungen außerordentlich vereinfacht werden.
Stand der Technik
Die meisten der heutigen Flugzeitmassenspektrometer akquirieren in schneller Folge Einzelspektren. Hunderte bis Hunderttausende dieser Einzelspektren, die mit einer Aufnahmerate von fünf- bis dreißigtausend Spektren pro Sekunde aufgenommen werden, werden dann sofort zu einem Summenspektrum verarbeitet, um brauchbare Flugzeitspektren mit gut ausgeprägten Ionenstromsignalen („Peaks”) für die Ionensorten verschiedener Massen zu erhalten. Seit längerem wird dabei ein Verfahren für eine Verbesserung der Massenauflösung angewandt, das darin besteht, die Intensität des Peaks nur an der Stelle des Peakmaximums zu addieren.
Aus den Flugzeitspektren werden Massenspektren berechnet. Es ist das Ziel vieler dieser Flugzeitmassenspektrometer, die Massen der einzelnen Ionenspezies möglichst genau zu bestimmen. Dabei wurden in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt: Während vor zehn Jahren noch eine erzielbare Massengenauigkeit 10 ppm angestrebt (aber selten erreicht) wurde, steht heute das Ziel von 200 ppb real am Horizont. Unter den Angaben „ppm” (parts per million) und „ppb” (part per billions) für die Genauigkeit wird dabei die relative Genauigkeit der Massenbestimmung in Millionsteln oder Milliardsteln der Masse verstanden, also die relative Abweichung der aus einem Peak bestimmten Masse vom wahren Wert, gemittelt über viele Massenbestimmungen. Die Präzision (oder „Reproduzierbarkeit”) ist statistisch und unter der stillschweigenden Annahme einer Normalverteilung der Messstreuung als deren Breitenparameter Sigma festgelegt. Dieser Breitenparameter gibt den Abszissenabstand zwischen Wendepunkt und Maximum der Gaußschen Normalverteilungskurve an.
Das Ziel von 200 ppb wird heute schon in einigen Typen von Flugzeitmassenspektrometern für die Reproduzierbarkeit der berechneten Massen erreicht, seltsamerweise aber noch nicht für die Massengenauigkeit selbst, also für die Richtigkeit der Massenbestimmung. Für die Berechnung der Massen wird eine Kalibrierkurve angewendet, die die Masse als Funktion der Flugzeit der Peaks wiedergibt. Verwendet man für die Berechnung der Massen eine glatte Kalibrierkurve, beispielsweise eine Potenzreihe mit nur wenigen Gliedern, wie sie theoretisch zu fordern und zu erwarten ist, so weichen die ermittelten Werte der Massen für verschiedene Ionensorten von den wahren Werten immer weder zu etwas kleineren oder etwas größeren Werten ab. Diese kleinen Abweichungen in der Größenordnung von einigen Hundert ppb werden in aufeinander folgenden Messungen gut reproduziert. Sie weisen somit auf systematische Fehler hin, aber mit Veränderung des systematischen Fehlers in kleinen Massenintervallen, die bisher nicht erklärlich waren.
Der Fortschritt mit Blick auf die verbesserte Reproduzierbarkeit der Massenbestimmung ist auf eine Vielzahl von einzelnen Verbesserungen zurückzuführen: Verbesserung der Ionenoptik, Stabilität der Elektronik, Thermostabilität des Gerätes einschließlich Flugrohr, Stabilität gegen Erschütterungen, Verbesserungen des Ionendetektors und Erhöhung der Abtastrate der Ionenstrommessungen auf vier bis fünf Gigahertz tragen zu diesen Verbesserungen bei.
In Flugzeitmassenspektrometern dieser Art werden in den Ionendetektoren ausnahmslos Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) für die Messung der Ionenströme eingesetzt. Sie sind vielfach als Vielkanalplatten ausgebildet (MCP = multi-channel plates), es gibt jedoch auch andere Ausführungsformen. Die Vielkanalplatten besitzen Kanäle von etwa 2 bis 8 Mikrometer Durchmesser, die schräg zur Plattenebene angeordnet sind, damit die Ionen nicht einfach hindurchfliegen können. Es werden dabei regelmäßig zwei Kanalplatten mit versetzten Winkeln der Kanäle hintereinander geschaltet, um eine höhere Verstärkung der Elektronenströme zu erzielen. Die Verstärkung kann auf Werte von 10⁵ bis 10⁷ eingestellt werden, so dass ein einzelnes Ion also ein Signal von 10⁵ bis 10⁷ Sekundärelektronen erzeugt, die auf einer Elektrode aufgefangen werden. Die Detektoren sind kompliziert aufgebaut, um keine Signalverzerrungen zu erzeugen; der Fachmann kennt aber die Anordnungen, so dass hier nicht weiter auf diese Detektoren eingegangen zu werden braucht. In Verbindung mit einem Nachverstärker lassen sie sich grundsätzlich so einstellen, dass ein einzelnes Ion ein Signal ergibt, das sich aus dem elektronischen Rauschen signifikant heraushebt.
Der Prozess der lawinenartigen Sekundärelektronenverstärkung in den einzelnen Kanälen der Platten führt aber auch zu einer Verbreiterung des verstärkten Signals. Die besten Ionendetektoren liefern derzeit aus einem einzigen auftreffenden Ion einen Elektronenstrom von etwa 500 Picosekunden Breite. Die Signalbreiten bei Verwendung von preiswerteren Kanalplattenpaare liegen bei etwa einer Nanosekunde und mehr. Es ist nicht zu erwarten, dass hier in Zukunft wesentliche Fortschritte erzielt werden können, da die Technik im Wesentlichen voll ausgereift ist.
Für die zeitliche Abtastung und Digitalisierung des Elektronenstroms, dessen zeitliches Integral in guter Näherung proportional zum Ionenstrom ist, lassen sich spezielle elektronische Digitalisierungseinheiten einsetzen, die sich aus den bekannten Transientenrekordern und entsprechenden Digital-Oszillographen entwickelt haben. Diese arbeiten heute mit Abtastraten von vier bis acht Gigahertz. Während für andere elektronische Bauteile und Systeme gilt, dass sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit etwa alle 1,5 bis maximal 3 Jahre verdoppelt, ist auf dem Gebiet der Transientenrekorder seit einigen Jahren keine Erhöhung der Abtastrate mehr erfolgt. Es ist allerdings zu erwarten, dass sich die Digitalisierungstiefe von acht auf zehn oder sogar zwölf Bit verbessern wird.
Diese speziellen Digitalisierungseinheiten tasten den Elektronenstromverlauf aus den Sekundärelektronenverstärkern in einem Messzeitraster ab, beispielsweise mit einer Abtastrate von fünf Gigahertz. Der Elektronenstromverlauf aus einem einzelnen Ion liefert bei einem üblichen Ionendetektor mit Halbwertsbreiten von 500 bis 1000 Picosekunden bei einer Abtastrate von fünf Gigahertz zwischen fünf und fünfzehn Messwerte oberhalb des Rauschens. Werden die digitalisierten Messwerte für Ionen einer Masse aus mehreren Einzelspektren aufaddiert, oder werden mehrere Ionen der gleichen Masse in einem Einzelspektrum detektiert, so werden die Signalbreiten im Vergleich zu dem Signal eines einzelnen Ions größer, da auch noch Fokussierungsfehler der Massenspektrometer, nicht kompensierte Einflüsse anfänglicher Energieverteilungen der Ionen vor dem Auspulsen und andere Einflüsse eine Rolle spielen. Diese Einflüsse ergeben zur Zeit noch zusätzliche Signalverschmierungen in der Größenordnung von einigen Nanosekunden, meist abhängig von der Masse der Ionen.
In Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF) wird, wie in schematisch dargestellt, ein feiner kontinuierlicher Ionenstrahl (5) erzeugt, und es werden Ausschnitte aus diesem Ionenstrahl durch einen Pulser (12) periodisch rechtwinklig zur ursprünglichen Richtung des Ionenstrahls in die Driftstrecke des Massenspektrometers eingeschossen. Dabei werden anfängliche Verteilungen der Ionen in Raum und Geschwindigkeit so weit wie möglich kompensiert. Die Ionen werden in der Regel außerhalb des massenspektrometrischen Vakuumsystems durch Elektrosprühen erzeugt. Es werden Wiederholungsraten des Ioneneinschusses (und somit auch Spektrenaufnahmeraten) von 5 bis 30 Kilohertz eingestellt.
In Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss wendet man in der Regel ein besonderes Messverfahren an. Da es in diesen Massenspektrometern praktisch keinen Untergrund aus erratisch auftretenden Streuionen gibt, ist jedes einzelne Ion im analytischen Sinne aussagekräftig. Um jedes einzelne Ion auch mit hoher Sicherheit messen zu können, unterdrückt man das elektrische Untergrundrauschen, indem man mit einer Messschwelle arbeitet, die so hoch ist, dass kein elektrisches Rauschen mehr gemessen wird. Die Messschwelle kann entweder elektronisch an der Digitalisierungseinheit eingestellt werden oder softwareseitig in den Verarbeitungsverfahren implementiert sein. Sodann stellt man die Verstärkung des SEV so ein, dass ein einzelnes Ion im Mittel ein Signal der Höhe von beispielsweise 10 bis 15 Counts über der Messschwelle ergibt. Diese Maßnahme erfolgt, damit auch solche Ionen, die im SEV nur ein schwaches Signal erzeugen, ebenfalls gemessen werden. Da der Aufschlag der Ionen nur wenige Sekundärelektronen der ersten Generation auslöst, streut die Stärke der Signale einzelner Ionen in etwa gemäß einer Poisson-Verteilung. Die Einstellung des SEV bewirkt, dass auch solche Ionen gemessen werden, die nur ein einziges Sekundärelektron auslösen und damit ein Signal geringer Höhe erzeugen.
Dieses Messverfahren bewirkt, dass sowohl in den Einzelspektren wie auch im Summenspektrum weite Bereiche leer sind, ohne elektrisches Rauschen, und die Spektren nur die Signale analytisch bedeutsamer Ionen enthalten. Sind bei einer gegebenen Flugzeit praktisch in jedem aufgenommenen Einzelspektrum Ionensignale vorhanden, so wird bei der Summation der Einzelspektren an dieser Stelle ein sehr hohes Signal erzeugt; ein niedriges Signal im Summenspektrum mag aber nur die Signale von solchen Ionen enthalten, die nur in jedem hundertsten oder tausendsten Einzelspektrum aufgetreten sind. Es gibt analytische Aufgaben, die es erfordern, etwa zehn Ionen einer bestimmten Masse in einer Million addierter Einzelmassenspektren zu finden, was etwa zwei Minuten Messzeit erfordert.
Dieses Messverfahren kann, wie oben kurz erwähnt, verfeinert werden, um die Flugzeitauflösung der Peaks in den Summenspektren zu erhöhen. Eine Verbesserung der Flugzeitauflösung führt, wie langjährige Erfahrung zeigt, auch zu einer Verbesserung der Flugzeitgenauigkeit, da diese in etwa umgekehrt proportional zur Auflösung ist. (Es gibt eine Faustregel, die besagt, dass man die Masse auf etwa 1/20 der Breite des Peakprofils genau bestimmen kann). Die Flugzeitauflösung wird definiert als Flugzeit geteilt durch die Breite des Peaks in halber Höhe, gemessen in Einheiten der Flugzeit. Obwohl die Halbwertsbreite des Peaks eines einzelnen Ions je nach Güte des Detektors nur bei 500 bis 1500 Picosekunden liegt, führt die Addition mehrerer Peaks zu einer Verbreiterung, da Ionen exakt gleicher Massen wegen der restlichen Fokussierungsfehler im Massenspektrometer, nicht kompensierter Einflüssen anfänglicher Energieverteilungen der Ionen vor dem Auspulsen und besonders wegen der Eigenschaften der Ionendetektoren nicht zur exakt gleichen Flugzeit im Ionendetektor aufschlagen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Ionen gleichzeitig im selben Einzelspektrum oder nacheinander in verschiedenen Einzelspektren auftreten. Die Verbreiterung der Ionenpeaks führt zu geringerer Flugzeitauflösung und Flugzeitgenauigkeit, und nach Konversion der Flugzeiten in Massen auch zu geringerer Massenauflösung und zu geringerer Massengenauigkeit. Um die Verbreiterung zu verringern, werden in Ausführungsbeispielen des Dokuments DE 102 06 173 B4 (O. Räther, entsprechend GB 2 390 936 B und US 6,870,156 B2 ) die aus den digitalisierten Messwertfolgen eines Peaks gewonnenen Peakintensitäten (oder sogar nur Teilintensitäten wie beispielsweise die Intensität des höchsten Messwertes) im Summenspektrum nur bei der Flugzeit des maximalen Messwertes des Peaks addiert. Im Summenspektrum wird dadurch ein Ionenstromsignal erhalten, dessen Breite nur noch durch die Streuung der Flugzeiten des Peakmaximums bestimmt wird und nicht mehr durch die Halbwertsbreite des Ionendetektors, wodurch eine erhöhte Flugzeitauflösung erreicht wird. Durch die statistischen Streuungen der Lage des Peakmaximums sind im Summenspektrum wiederum digitalisierte Ionenstromsignale mit Folgen mehrerer Intensitätswerte enthalten. Durch einen geeigneten Algorithmus zur Peakerkennung werden daraus die Flugzeiten der Peaks und die Gesamtintensitäten bestimmt.
Ein Beispiel für eine Verbesserung der Flugzeitmassenspektrometer sei hier kurz anhand der Verbesserungen von Sekundärelektronenverstärkern beschrieben. Früher wurden hier Vielkanalplatten mit etwa sechs Mikrometer innerem Kanaldurchmesser eingesetzt. Durch die schräge Anordnung in Bezug auf die einfallenden Ionen können diese ein Stück weit in die Kanäle eindringen, wobei sich eine mittlere Eindringtiefe und eine Streuung der Eindringtiefen ergibt. Die Streuung der Eindringtiefen ergibt sich zu etwa 10 Mikrometer. Das ergibt aber auch gleichzeitig Streuungen der Fluglängen um diese 10 Mikrometer. Bei zwei Metern gesamter Fluglänge sind das aber Streuungen der Fluglängen und damit auch der Flugzeiten um fünf Millionstel (5 ppm). Daraus ergeben sich wegen der quadratischen Abhängigkeit der Masse von der Flugzeit Streuungen der Massen um zehn Millionstel (10 ppm). Die Verbesserung ging zunächst zu Vielkanalplatten mit Kanaldurchmessern von zwei Mikrometer über; heute verwendet man sogar Sekundärelektronenverstärker mit einer ebenen ersten Dynode, deren außergewöhnlich hohe Ebenheit nur noch Streuungen der Fluglängen um 0,05 Mikrometer ergeben, also Streuungen der Massen um nur noch 0,1 ppm (100 ppb). Ähnliche Verbesserungen werden auch für andere ionenoptische Restfehler erreicht.
Durch Verbesserungen der Flugzeitmassenspektrometer werden die Streuungen der Flugzeiten der Peaks in den Einzelspektren aufgrund von Restfehlern in der Ionenoptik der Geräte immer geringer, so dass auch beim Auftreten mehrerer Ionen die Breite des Peaks dieser Ionen in Zukunft immer weniger von der Signalbreite des Elektronenstroms eines einzelnen Ions abweichen wird. Diese Verbesserungen haben Konsequenzen im Hinblick auf Verfahren nach DE 102 06 173 B4 , wenn in diesen die Intensitäten nur an den Stellen der Flugzeit der Intensitätsmaxima addiert werden. Fallen die ionenoptischen Streuungen durch zunehmende Verbesserungen immer mehr weg, so erscheinen die Maxima der Messwerte eines Peaks zunehmend bei genau der gleichen Flugzeit. Im Summenspektrum erscheinen letztendlich Signale, die nur noch Intensitätseinträge an dieser einzigen Stelle tragen. Damit gibt es keine Möglichkeit mehr, in den Signalerkennungsverfahren durch Schwerpunktsbildung über mehrere Einträge im Summenspektrum zu einer genaueren Flugzeitbestimmung zu kommen, als es dem Zeitraster der Messungen in der Digitalisierungseinheit entspricht. Wenn eine Digitalisierungseinrichtung mit 5 Gighertz Messrate verwendet wird, so können die Flugzeiten der Ionen einer Sorte nur noch auf 200 Picosekunden genau bestimmt werden. Dadurch entstehen systematische Fehler, die nicht korrigiert werden können.
Die Verfälschung der Massen möge anhand des digitalisierten Ionenpeaks, der in dargestellt ist, näher erläutert werden. Wird dieser Peak in einem ideal guten Massenspektrometer identisch reproduziert, so werden nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens im Dokument DE 102 06 173 B4 die Ionenintensitäten immer an der Abszissenstelle 3,0 addiert. Da der Schwerpunkt aber an der Abszissenstelle 2,6 liegt, und die Abszisse Flugzeitintervalle von jeweils 200 Picosekunden wiedergibt, wird die Addition immer an einer Stelle vorgenommen, die gegenüber der Flugzeit des Schwerpunkts um 80 Picosekunden falsch ist. Erscheinen beispielsweise die Ionen mit einer Masse von m/z = 1000 atomaren Masseneinheiten bei einer Flugzeit von 40 Mikrosekunden, so wird ihre Flugzeit systematisch um 2 ppm, die Masse um 4 ppm verfälscht. Das ist ein extrem großer Fehler im Hinblick auf eine angestrebte Massengenauigkeit von 200 ppb. Wenn auch die Verbesserungen der Massenspektrometer noch nicht so weit fortgeschritten sind, dass diese maximale Verfälschung eintritt, so zeigt das Beispiel doch, dass Verfälschungen dieser Art nicht hingenommen werden dürfen.
Ähnliche Überlegungen zur Verfälschung der Flugzeiten von Ionenstromsignalen gelten auch für das Verfahren, das in US 7,412,334 B2 (J. C. Fjeldsted et al.) dargelegt ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Geräte bereitzustellen, mit denen Einzelspektren eines Flugzeitmassenspektrometers zu Summenspektren verarbeitet werden, die gegenüber einem Summenspektrum aus addierten Einzelspektren sowohl eine höhere Flugzeitauflösung wie auch eine bessere Genauigkeit in der Bestimmung der Flugzeiten der Peaks aufweisen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Einzelspektren eines Flugzeitmassenspektrometers und das Summenspektrum bestehen jeweils aus Folgen digitalisierter Intensitätswerte auf einer Flugzeitachse, die durch die Betriebsweise des Flugzeitmassenspektrometers vorgegeben ist und deren Nullpunkt beispielsweise durch den Beschleunigungspuls im Pulser (12) festgelegt ist. Die Intensitätswerte der Einzelspektren sind dabei in einem Messzeitraster, die Intensitätswerte der Summenspektren in einem Additionsraster auf der Flugzeitachse aufgetragen. Bei der einfachen Summierung von Einzelspektren zu Summenspektren müssen die beiden Raster gleiche Zeitabstände haben, doch können für diese Erfindung auch verschieden weite Raster verwendet werden. Beispielsweise kann das Additionsraster der Summenspektren Flugzeitabstände besitzen, die ein Viertel der Flugzeitabstände des Messzeitrasters der Einzelspektren ausmachen; doch werden für diese Erfindung weitgehend auch gleiche Zeitabstände in beiden Spektrenarten bevorzugt.
In den hier betrachteten Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss sind in den Einzelspektren geschlossene Folgen von etwa fünf bis fünfzehn Intensitätswerten erkennbar, die über einen Schwellenwert hinausragen und ein „Ionenstromsignal” oder einen „Peak” bilden.
Die Erfindung bietet für die Verarbeitung von Einzelspektren eines Flugzeitmassenspektrometers zu einem Summenspektrum ein Verfahren an, das weder alle Intensitätsmesswerte im Summenspektrum addiert, noch die Gesamtintensität eines Peaks bei nur einem Intensitätswert des Summenspektrums addiert, sondern die Gesamtintensität so zum Summenspektrum addiert, dass die Information über die Flugzeit des Peaks in den addierten Beiträgen möglichst erhalten bleibt. Dazu werden zunächst die Flugzeit des Peaks („Peakposition”) und die Gesamtintensität eines Peaks im Einzelspektrum ermittelt und im Summenspektrum zur Peakposition benachbarte Intensitätswerte des Additionsrasters ausgewählt, dann die Gesamtintensität in Teilintensitäten aufgeteilt, die so zu den ausgewählten Intensitätswerten des Summenspektrums addiert werden, dass zu den Intensitätswerten, die näher an der Peakposition liegen, mehr von der Gesamtintensität aufaddiert wird als zu den Intensitätswerten, die weiter von der Peakposition entfernt sind. Bevorzugt wird die Gesamtintensität in solchen Anteilen zu den Intensitätswerten des Summenspektrums addiert, die umgekehrt proportional zum Abstand der Intensitätswerte zur Position des Ionenstromsignals sind. Ein wesentlicher Teil der Gesamtintensität wird bevorzugt auf Intensitätswerte aufgeteilt, die innerhalb der Halbwertsbreite des Peaks liegen. Die Anzahl der Teilintensitäten sollte möglichst klein sein, besonders bevorzugt sind zwei Teilintensitäten, die zu zwei Intensitätswerten des Summenspektrums zu beiden Seiten der Peakposition addiert werden, bevorzugt zu den nächstliegenden Intensitätswerten des Additionsrasters.
Für die Bestimmung der Peakposition eines Ionenstromsignals kann beispielsweise eine mathematische Kurve mit einem Optimierungsverfahren optimal in das digitalisierte Ionenstromsignal im Einzelspektrum eingepasst werden, im Allgemeinen ist es jedoch günstiger, zur Bestimmung der Peakposition den Schwerpunkt des Ionenstromsignals aus dem Einzelspektrum zu berechnen. Die Gesamtintensität kann beispielsweise die Summe der Messwerte des Peaks, der maximale Messwert des Peaks oder ein aus der eingepassten Kurve ermitteltes Maximum des Peaks sein.
Bei der Anwendung dieser Erfindung werden „reduzierte Summenspektren” gewonnen, deren Qualität im Hinblick auf ihre Flugzeitauflösung, Flugzeitgenauigkeit und quantitative Wiedergabe von Ionengemischen, beispielsweise ihrer Intensitätstreue für Isotopenverteilungen, so gut ist, dass auf die Addition aller einzelnen Messwerte zu einem „nicht reduzierten Summenspektrum” verzichtet werden kann; dadurch wiederum können die bisher verwendeten Digitalisierungseinrichtungen außerordentlich vereinfacht werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
zeigt ein Prinzipschema eines üblichen Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss, ausgestattet mit einer vereinfachten Messwertverarbeitung, die durch diese Erfindung ermöglicht wird. Durch eine Öffnung (1) einer Vakuumkammer (2) mit Vakuumpumpe (6) tritt ein Bündel (3) von Ionen verschiedener Anfangsenergien und Anfangsrichtungen zusammen mit Dämpfungsgas in ein Ionenleitsystem (4) ein. Im Gas werden die eintretenden Ionen durch Stöße abgebremst, so dass sie sich in der Achse (5) zu einem feinen Ionenstrahl sammeln. Das Ziehlinsensystem (7) in der Wand (8) zwischen den Vakuumkammern (2) und (9) überführt den feinen Ionenstrahl (5) aus dem Ionenleitsystem (4) zum Pulser (12). Ist der Pulser (12) mit durchfliegenden Ionen gefüllt, so treibt ein kurzer Spannungspuls ein breites Paket an Ionen quer zur bisherigen Flugrichtung aus und bildet einen breiten Ionenstrahl, der aus einzelnen, nach Massen getrennten Ionenpaketen besteht, die in einem Reflektor (13) energiefokussierend reflektiert und von einem Ionendetektor (14, 15) zeitlich hochaufgelöst gemessen werden. Der Elektronenstrom (15) am Ausgang des Ionendetektors wird zur Digitalisierungseinheit (16) geleitet; in der Digitalisierungseinheit befinden sich ein Baustein mit vier parallelen ADC (18) und einer zyklischen Umschaltung (17) und ein Rechenwerk (19), das seine Ausgabewerte in ein reduziertes Summenspektrum in einem digitalen Speicher (20) hinein addiert, der sich in einem PC befindet.
zeigt in graphischer Darstellung die Folge der Digitalwerte eines Peaks aus einem Einzelspektrum, dessen Maximum beim Abszissenwert 3,0, dessen Schwerpunkt aber bei 2,6 liegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Zur Nomenklatur der folgenden Ausführungsbeispiele: Ein ”Peak” oder ein „digitalisiertes Ionenstromsignal” besteht im Folgenden aus einer geschlossenen Folge von Messwerten W, die alle größer als ein Schwellenwert W_lim sind, begrenzt durch zwei Messwerte W, die kleiner oder gleich dem Schwellenwellenwert W_lim sind. Ein „nicht reduziertes Summenspektrum” besteht aus einer lückenlosen Summation aller Messwerte, einschließlich aller Messwerte des Rauschens; ein „reduziertes Summenspektrum” enthält nur die Additionen der Gesamtintensitäten der Peaks an Stellen zu beiden Seiten der für diesen Peaks ermittelten Peakposition, und zwar so aufgeteilt, dass die Information über die genaue Peakposition im Additionsbeitrag dieses Peaks erhalten bleibt. Wird die Peakposition über den Schwerpunkt des Peaks ermittelt, so soll der Schwerpunkt auch im Additionsbeitrag dieses Peaks erhalten bleiben. Ein „gelistetes Flugzeitspektrum” enthält nur die Schwerpunkte (oder anderweitig ermittelten Positionen) und Gesamtintensitäten der Peaks aus dem reduzierten Summenspektrum. Ein „gelistetes Massenspektrum” enthält die aus dem gelisteten Flugzeitspektrum durch Anwendung einer „Kalibrierfunktion” (einer Funktion mit Parameter, deren Parameterwerte in einem Kalibrierverfahren ermittelt wurden) gewonnenen Massen m/z der Ionenpeaks und deren Gesamtintensitäten, gegebenenfalls auch die Breiten der Peaks im reduzierten Summenspektrum, umgerechnet auf Breiten in Masseneinheiten. Ein „isotopenreduziert gelistetes Massenspektrum” enthält nur noch die Massen der monoisotopischen Ionen, die Gesamtintensität der Isotopengruppe und gegebenenfalls die über die Peaks der Isotopengruppe gemittelten Peakbreiten.
Ein „digitalisiertes Ionenstromsignal” kann auch dadurch charakterisiert sein, dass die Wertefolge beginnt, wenn die Differenz (W_i+1 – W _i) zweier aufeinander folgender Messwerte eine Schwelle Δ_lim für diese Differenzen überschreitet, und endet, wenn die Differenz (W_i – W_i+1 ₎ diese Schwelle wieder unterschreitet.
Erfindungsgemäß wird für ein digitalisiertes Ionenstromsignal, das in der Regel aus einer Reihe von fünf bis fünfzehn Messwerten W_i besteht, zunächst die Gesamtintensität und die Peakposition berechnet. Für die Bestimmung der Peakposition können mehrere Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann in die Folge der Messwerte W_i eines Peaks mit einem Optimierungsverfahren eine mathematische Kurve eingepasst werden, deren Lage dann die Peakposition wiedergibt. Oder es wird aus den digitalisierten Messwerten W_i der Schwerpunkt des Peaks bestimmt, und dieser Schwerpunkt als Peakposition verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung detailliert anhand der Bestimmung der Schwerpunkte der Ionenstromsignale beschrieben, ohne dass diese Beschreibung eine Einschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsform sein soll.
In werden Messwerte W, die von Analog-zu-Digital-Wandlern (18) der Digitalisierungseinheit (16) erzeugt werden, dem Rechenwerk (19) zugeführt. Das Rechenwerk (19) kann ein FPGA (Field Programmable Gate Array) sein; alternativ kann statt des FPGA aber auch ein Rechenwerk eines DSP (Digital Signal Processor) oder eines ASIC (Application Specific Integrated Circuit) eingesetzt werden. Zur Pufferung der Werte können ein oder mehrere sehr schnelle FIFO (First-in-first-out memory) zwischengeschaltet, bevorzugt aber auch im FPGA nachgebildet werden. Es werde hier angenommen, dass die Analog-zu-Digital-Wandler (18) so eingestellt wurden, dass der Mittelwert des elektrischen Rauschens gerade null Counts ergibt und im Rechenwerk eine Messschwelle W_lim verwendet wird, die das elektrische Rauschen unterdrückt.
Das Rechenwerk (19) stellt zunächst am Auftreten eines Messwertes W größer als W_lim fest, wann ein Ionenstromsignal (Peak) beginnt. Sodann beginnt die Bildung der beiden Summen Σ(iW_i) und W_t = Σ(W_i), aus den fortlaufend einlaufenden Werten W_i und deren Summationsindex i. Wird das Ende des Ionensignals durch den Abfall eines Messwertes unter die Schwelle erkannt, so wird die Flugzeit des Schwerpunktes F_s = Σ(iW_i)/Σ(W_i) berechnet. Der Summationsindex i läuft also über alle Messwerte eines Peaks, die größer als der Schwellenwert W_lim sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nunmehr die Gesamtsumme W_t der Messwerte des Ionenstromsignals so auf zwei Stellen im Summenspektrum aufgeteilt, dass bei der Addition der beiden Teilwerte zum reduzierten Summenspektrum der Schwerpunkt des Beitrages dieses Peaks erhalten bleibt. Die beiden Teilwerte werden bevorzugt zu den beiden Intensitätswerten des reduzierten Summenspektrums addiert, die direkt benachbart zu beiden Seiten des Schwerpunktes liegen. Die Aufteilung erfolgt dann einfach entsprechend dem Verhältnis der Abstände des Schwerpunkts F_s zu seinen beiden Nachbarstellen im Additionsraster des reduzierten Summenspektrums. Durch dieses Verfahren werden wie gewünscht die systematischen Fehler beseitigt, die daher rühren, dass die Intensitäten wie in bevorzugten Ausführungsbeispielen im Dokument DE 102 06 173 B4 nur bei der Flugzeit des maximalen Messwertes des Ionenstromsignals addiert werden. Das reduzierte Summenspektrum kann direkt im Datenspeicher eines PC gebildet werden, wenn sich die Digitalisierungseinheit (16) auf einer Einschubplatine in einem PC befindet.
Man kann auch so vorgehen, dass man das elektrische Rauschen durch Einstellung der Elektronik, hier insbesondere der ADC, unterdrückt. Es gilt dann W_lim = 0. Um dann aber zu wahren Messwerten zu kommen, muss zu den Messwerten jeweils die hardwareseitig eingestellte Messschwelle addiert werden. – Wird die im Rechenwerk verwendete Messschwelle W_lim benutzt, so kann man sogar die Messschwelle W_lim von der Flugzeit abhängig zu machen, wenn es sich erweisen sollte, dass sich aus irgendwelchen Gründen das elektrische Rauschen während der Aufnahme eines Einzelspektrums mit der Flugzeit ändert.
Gelegentlich zeigt das elektrische Rauschen zufällige oder auch nicht zufällige Ausreißer. Es treten dann ein, zwei oder manchmal sogar drei Messwerte oberhalb der Messschwelle W_lim auf, beispielsweise durch induzierte Signale von elektrischen Umschaltungen in der Umgebung. Diese werden an kleinen Zahlen n < n_min für die Anzahl n von Messwerten im Peak erkannt und können in der Regel vom Verarbeitungsprogramm verworfen werden.
Die reduzierten Summenspektren enthalten nun wiederum Wertefolgen für Peaks, wobei aber diese Wertefolgen viel schmaler sind als die Wertefolgen, die aus einer Addition aller Messwerte der Einzelspektren zu nicht reduzierten Summenspektren erhalten worden wären. Dadurch ergibt sich eine gegenüber nicht reduzierten Summenspektren höhere Flugzeitauflösung. Aus den reduzierten Summenspektren werden nun durch geeignete Signalerkennungsalgorithmen („Peakerkennungsverfahren”) gelistete Flugzeitspektren gewonnen, die nur noch die Peakpositionen der ”reduzierten” Peaks und deren Gesamtintensitäten enthalten. Die Peakpositionen können wiederum Schwerpunkte sein; statt der Schwerpunkte kann das Peakerkennungsverfahren auch andere für die Lage des Peaks charakteristische Werte ermitteln, die dann im gelisteten Flugzeitspektrum verwendet werden. Manche Peakerkennungsverfahren verwenden sogar die bekannte Verteilung der Intensitäten einer Isotopengruppe, basieren also auf mehreren zusammengehörigen Peaks. Diese Erkennungsverfahren für Isotopengruppen liefern häufig nur die Flugzeiten der monoisotopischen Peaks, die durch dieses Verfahren aber besonders genau sind; sie liefern in der Regel „isotopenreduziert gelistete Flugzeitspektren”. Alle gelisteten Flugzeitspektren bilden nur noch numerische Listen mit Flugzeiten der Peaks und zugehörigen Gesamtintensitäten. Sie können graphisch als Strichspektren dargestellt werden. Aus einem solchen gelisteten Flugzeitspektrum wird dann durch Anwendung der Kalibrierfunktion, die die Masse als Funktion der Flugzeit berechnet, ein gelistetes Massenspektrum (oder ein „isotopenreduziert gelistetes Massenspektrum”) gewonnen. Diese gelisteten Massenspektren zeigen die erwünschte hohe Massengenauigkeit, da jetzt die systematischen Fehler, die durch die Addition der Intensitäten bei den Intensitätsmaxima eingeschleppt wurden, beseitigt sind.
Bei der Anwendung dieser Erfindung werden Massenspektren gewonnen, deren Qualität wegen der Erhaltung aller Schwerpunkte der originalen Peaks im Hinblick auf Massenauflösung, Massengenauigkeit und quantitative Eigenschaften so gut ist, dass auf die Addition aller einzelnen Messwerte zu einem nicht reduzierten Summenspektrum verzichtet werden kann; dadurch Wiederum können die bisher verwendeten Digitalisierungseinrichtungen außerordentlich vereinfacht werden.
Bisher sind alle Digitalisierungseinrichtungen mit dem Ziel entwickelt worden, alle Messwerte in Echtzeit („real time”) zu nicht reduzierten Summenspektren addieren zu können, auch wenn keine Messschwelle zur Unterdrückung des elektrischen Rauschens angewendet wird. Für ein Zeitraster von 200 Picosekunden (bei einer Abtastrate von fünf Gigahertz) gilt aber nicht nur, dass aus Zeitgründen mehrere Wandler parallel in zyklischer Weise betrieben werden müssen, es muss insbesondere auch für die Erstellung eines nicht reduzierten Summenspektrums eine parallele Verarbeitung der Additionen erfolgen. Die Erstellung des nicht reduzierten Summenspektrums kann trotz des Einsatzes extrem schneller Datenspeicher nicht im Zeitraster der Messungen in einem Verarbeitungsstrang durchgeführt werden, da jede Addition ein Lesen des bisherigen Summationswertes aus dem Summenspektrum, eine Addition des Messwerts und ein Zurückschreiben erfordert, was insgesamt viele Rechenwerkszyklen erfordert. Es ist daher ein kompliziertes Parallelschalten von sehr schnellen (und sehr teuren) Speichermodulen mit Bearbeitung durch parallel arbeitende Additionsalgorithmen in komplizierten Rechenwerken notwendig. Als solche Rechenwerke werden regelmäßig FPGA (Field Programmable Gate Arrays) eingesetzt. Werden weitere Aufgaben gestellt, wie beispielsweise Maximumfindung für Ionenstromsignale, so kompliziert sich der Algorithmus noch weiter, da ja im Wesentlichen die Messwerte in parallelen Verarbeitungssträngen verarbeitet werden, eine Maximumfindung aber Vergleiche quer zur Parallelverarbeitung erfordert. Das Auslesen des fertigen Summenspektrums kostet dann wiederum Zeit, da die Werte aus den einzelnen Speichermodulen ausgelesen und in die richtige Reihenfolge gebracht werden müssen. Die Zeit dieser Datenübertragung zum PC beträgt 5 bis 20 Millisekunden und beschränkt für die bisherige Arbeitsweise die Maximalrate für Spektrenaufnahmen auf etwa 20 Massenspektren pro Sekunde.
Wird hingegen das Ziel der Sofort-Addition zu nicht reduzierten Summenspektren fallengelassen, so vereinfacht sich die Aufgabe der Digitalisierungseinheiten in außerordentlicher Weise. Es können dann die parallel geschalteten Datenbanken aus sehr schnellen Speichermoduln völlig entfallen, im günstigsten Grenzfall wird das reduzierte Summenspektrum direkt im Speicher des angeschlossenen PC gebildet und steht, ohne weiteres Auslesen, sofort nach Abschluss der Messungen zur Verfügung. Es entfällt damit auch das komplizierte Addieren von Werten in mehrere Datenbänke hinein. In einer einfachen Ausführungsform kann das Rechenwerk, beispielsweise ein FPGA, die Schwerpunktszeiten und Gesamtintensitäten der Peaks berechnen, möglichst schon aufgeteilt in zwei Teilwerte, und diese Werte zum PC übertragen, der die Addition in das reduzierte Summenspektrum übernimmt. Noch günstiger ist es, wenn ein FPGA, ein DSP oder ein ASIC auf einer Platine im PC einen direkten Zugriff zum Datenspeicher des PC hat und das reduzierte Summenspektrum direkt dort erstellen kann. Da in einem Flugzeiteinzelspektrum höchstens 1000 Peaks auftreten (schon um starke Übersättigungen der ADC zu vermeiden), werden für ein 100 Mikrosekunden langes Flugzeitspektrum mit 500 000 Messwerten nur noch maximal 2000 Additionen notwendig (meist viel weniger), was eine beträchtliche Reduktion der Datenübertragung und Additionsleistung darstellt. Es kann allerdings eine Pufferung der einlaufenden Messwerte in einem oder mehreren FIFO notwendig werden, wobei es aber auch möglich ist, diese FIFO in einem FPGA oder ASIC nachzubilden.
Die Digitalisierungseinheit kann also wesentlich einfacher gestaltet werden: beispielsweise können sich auf einer Einschubplatine im PC im Wesentlichen nur ein Baustein mit vier parallelen ADC (18) mit zyklischer Umschaltung (17) im Eingangsbereich und ein Rechenwerk (19), beispielsweise ein FPGA, DSP oder ASIC, mit Zugriff zum Digitalspeicher (20) des PC befinden. In einem FPGA oder einem ASIC können beispielsweise auch parallele FIFO zur Datenpufferung eingerichtet werden. In dem Rechenwerk (19) werden die Summen für die Berechnung von Schwerpunkten und Gesamtintensitäten gebildet, die Schwerpunkte berechnet und die Gesamtintensitäten aufgeteilt, bevor die Teilmengen der Gesamtintensität in das Summenspektrum im Speicher (20) des PC hinein addiert werden. Die vier parallelen ADC (18) mit zyklischer Umschaltung (17) im Eingangsbereich sind als fertiger Baustein im Handel. Der Zugriff des Rechenwerks (19) zum PC-internen Datenspeicher (20) erfolgt über den PC-internen Datenbus, der von den Einschubplatinen aus zugänglich ist.
Die reduzierten Summenspektren bilden die Basis für weitere Verarbeitungen. Zum einen ist es üblich, die reduzierten Summenspektren auf dem Bildschirm des Massenspektrometers anzuzeigen. So ist in diesen reduzierten Summenspektren die Flugzeitauflösung sichtbar; die Beobachtung des reduzierten Summenspektrums ist also für die Einstellung des Massenspektrometers in Bezug auf höchste Flugzeitauflösung wichtig. Dazu zeigt das reduzierte Summenspektrum viele Einzelheiten, wie beispielsweise Überlappungen von Isotopenmustern verschiedener Ionensorten. Dabei kann die Abszissenskala dieser Summenspektren bereits von Flugzeiten in Massen umgerechnet sein, oder es werden herausragende Peaks mit Massenangaben versehen.
Aus den reduzierten Summenspektren werden üblicherweise durch Anwendung von Peakerkennungsprogrammen Flugzeitlisten der Peaks mit ihren Intensitäten erstellt, also gelistete Flugzeitspektren. Die gelisteten Flugzeitspektren enthalten nur noch die genauen Flugzeiten der Schwerpunkte und deren Intensitäten. Statt der Schwerpunkte der Ionenpeaks können auch andere Lageparameter bestimmt werden: so kann die Lage eines Ionenpeaks durch ein Peakerkennungsprogramm durch Einpassen einer theoretischen Kurve, die durch ein Optimierungsprogramm vorgenommen wird, erfolgen. Wenn hier also der Begriff „Schwerpunkt eines Ionenpeaks” verwendet wird oder wurde, so mag es sich somit im übertragenen Sinn auch um einen anderen charakteristischen Lageparameter für den Peak handeln.
Ein besonders erfolgreiches Erkennungsverfahren für Ionenpeaks, das unter dem Namen „SNAP” bekannt geworden ist, verwendet das ganze Isotopenmuster zur Bestimmung der genauen Lage monoisotopischer Peaks auf der Flugzeitskala. Das Isotopenmuster ist als Funktion der Masse für jede Stoffklasse, deren Zusammensetzung aus den Elementen (wie etwa die Proteine) weitgehend das gleiche Verhältnis zeigt, jeweils hinreichend gut bekannt. Das Verfahren ist in Dokument DE 198 03 309 C1 (C. Köster, entsprechend GB 2 333 893 B und US 6,188,064 B1 ) dargestellt. Dabei wird das synthetisch nachgebildete Isotopenmuster mit Peaks geeigneter Breiten in das Muster der gemessenen Peaks mit einem Optimierungsverfahren eingepasst. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile: zum einen wird der monoisotopische Peak mit Sicherheit erkannt, der vor allem für sehr schwere Ionen nicht einfach zu erkennen ist, zum anderen wird die Genauigkeit der Flugzeitbestimmung erhöht, weil mehrere Peaks gleichzeitig betrachtet werden, und zum dritten werden Überlappungen von Isotopenmustern erkannt und auseinander gerechnet.
Die gelisteten Flugzeitspektren werden dann durch die Kalibrierfunktionen in gelistete Massenspektren transformiert. Die Parameter der Kalibrierfunktion wurden wie üblich durch die Aufnahme von Spektren genau bekannter Kalibriersubstanzen bestimmt. Aus den isotopenreduziert gelisteten Flugzeitspektren werden dann mit der Kalibrierkurve die isotopenreduziert gelisteten Massenspektren gewonnen.
Manchmal wird es gewünscht, aus gelisteten Massenspektren oder sogar isotopenreduziert gelisteten Massenspektren auch die vollen Massenspektren mit ihren Peaks endlicher Breite graphisch darzustellen. Das kann beispielsweise durch Umrechnung eines reduzierten Summenspektrums Punkt für Punkt geschehen, was aber zu einer verzerrten, nicht mehr linearen Massenskala führt. Häufig ist es einfacher und für den vorliegenden Zweck genügend, das analoge Bild des Massenspektrums mit seinem Isotopenmuster und endlich breiten Peaks zu rekonstruieren. Das erfordert (neben der Berechnung des Isotopenmusters) aber die Kenntnis der Breite der Peaks. Die Breite der Peaks ist im Allgemeinen eine Funktion der Masse; die Breite und ihre Abhängigkeit von der Masse kann beispielsweise einmalig anhand des reduzierten Summenspektrums festgestellt und mit dem gelisteten Massenspektrum gespeichert werden. Es ist aber auch möglich, die Breite der Peaks für jeden Peak in der Liste des Massenspektrums mitzuführen. Die Breiten der reduzierten Peaks können, zusammen mit der Berechnung des Schwerpunkts als erstem Moment, in bekannter Weise als zweites Moment berechnet werden. Sie können sich aber auch aus dem Peakerkennungsverfahren ergeben.
Die Kenntnis der Peakbreiten im reduzierten Summenspektrum kann auch genutzt werden, um nicht aufgelöste Überlappungen von Peaks aus Ionen verschiedener Art und Masse zu erkennen. Die Peakbreiten nicht überlappender Peaks zeigen eine monotone Abhängigkeit von der Flugzeit und eine Streuung um die jeweiligen Mittelwerte, wobei aber die Streuungen nicht sehr groß sind. Ist nun die Breite eines Peaks um mehr als einen bestimmten Prozentsatz größer als die erwartete Peakbreite, beispielsweise um 25 Prozent, so kann man annehmen, dass hier zwei Ionensorten leicht verschiedener Masse vorliegen. Man kann dann eine Überlappung annehmen und diese bei der Erstellung des gelisteten Flugzeitspektrums in an sich bekannter Weise auseinander rechnen.
Auch die Breiten der Peaks im Einzelspektrum können, zusammen mit der Berechnung des Schwerpunkts als erstem Moment, prinzipiell in bekannter Weise als zweites Moment berechnet werden. Da diese Berechnung aber beträchtliche Mehrarbeit erfordert, ist es einfacher, die Peakbreite vom ersten bis zum letzten Messwert anhand der Anzahl der Messwerte über der Messschwelle zu überprüfen. Ist diese Peakbreite zu groß, so können die Messwerte des Peaks in geschlossener Folge in den PC übertragen und dort einer besonderen Untersuchung unterzogen werden. Dieser Fall ist aber außerordentlich selten, da er das gleichzeitige Eintreffen von Ionen mehrerer Massen erfordert, also die Überlappung zweier hoher Ionensignale, wobei das Auftreten hoher Ionensignale an sich schon selten ist. In einem Massenspektrum sind nur selten mehr als zehn solcher hoher Ionensignale zu finden; Überlappungen zweier solcher Peaks sind daher extrem unwahrscheinlich.
Für niedrige Ionensignale, die sich aus Ionen zusammensetzen, die nur gelegentlich einmal in einem Flugzeiteinzelspektrum auftreten, wird die Überlappung erst im reduzierten Summenspektrum erkennbar. Durch die reduzierte Peakbreite sind hier bereits viele Peaks aufgelöst, die in einem nicht reduzierten Summenspektrum nicht aufgelöst erscheinen würden. Nicht aufgelöste Überlappungen können, wie oben geschildert, in üblicher Weise auseinandergerechnet werden. Besonders günstig ist hier die Anwendung des SNAP-Verfahrens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10206173 B4 [0014, 0016, 0017, 0033]
GB 2390936 B [0014]
US 6870156 B2 [0014]
US 7412334 B2 [0018]
DE 19803309 C1 [0043]
GB 2333893 B [0043]
US 6188064 B1 [0043]

Claims

Verfahren für die Verarbeitung von Einzelspektren eines Flugzeitmassenspektrometers zu einem Summenspektrum, dadurch gekennzeichnet, dass für ein digitalisiertes Ionenstromsignal im Einzelspektrum Position und Gesamtintensität berechnet werden, dass zur Position des Ionenstromsignals beidseitig zeitlich benachbarte Intensitätswerte des Summenspektrums ermittelt werden und dass die Gesamtintensität zu den benachbarten Intensitätswerten addiert wird, wobei zu den Intensitätswerten, die näher an der Position des Ionenstromsignals liegen, mehr von der Gesamtintensität hinzuaddiert wird als zu den Intensitätswerten, die weiter von der Position entfernt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Gesamtintensität zu den Intensitätswerten des Summenspektrums in solchen Anteilen addiert wird, die umgekehrt proportional zum Abstand der Intensitätswerte zur Position des Ionenstromsignals sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtintensität des Ionenstromsignals zu den zwei Intensitätswerten im Summenspektrum addiert wird, die auf beiden Seiten der Position des Ionenstromsignals direkt benachbart sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Position eines Ionenstromsignals eine mathematische Kurve optimal in das Ionenstromsignal im Einzelspektrum eingepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Position der Schwerpunkt des Ionenstromsignals im Einzelspektrum berechnet und als Position des Ionenstromsignals verwendet wird.
Verfahren für die Verarbeitung von Einzelspektren eines Flugzeitmassenspektrometers zu einem Summenspektrum mit den Schritten (a) Berechnung der Gesamtintensität und der Position des Schwerpunktes eines digitalisierten Ionenstromsignals im Einzelspektrum, (b) Auswahl der beiden Intensitätswerte im Summenspektrum, die der Position des Schwerpunkts am nächsten liegen, (c) Bestimmung der Abstände der beiden ausgewählten Intensitätswerte zur Position des Schwerpunkts, (d) Aufteilung der Gesamtintensität in zwei Teile im Verhältnis der beiden Abstände, und (e) Addition der beiden Teile zu den zwei Intensitätswerten des Summenspektrums, wobei der größere Teil zum Intensitätswert hinzuaddiert wird, der näher an der Position des Schwerpunkts liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das digitalisierte Ionenstromsignal im Einzelspektrum eine geschlossene Folge von Messwerten W ist, die alle über einer Messschwelle W_lim liegen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschwelle W_lim von der Flugzeit abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertfolge eines digitalisierten Ionenstromsignals nach Messwertdifferenzen (W_i+1 – W_i) ≤ Δ_lim bei einer ersten Messwertdifferenz (W_i+1 – W_i) > Δ_lim beginnt und dann endet, wenn die Messwertdifferenz (W_i – W_i+1) wieder unter die Differenzschwelle Δ_lim fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dass zur Berechnung der Flugzeit des Schwerpunkts und der Gesamtintensität aus der Messwertfolge W_i des digitalisierten Ionenstromsignals zunächst die Summen Σ(iW_i) und W_t = Σ(W_i) berechnet werden, wobei W_t = Σ(W_i) die Gesamtintensität ist, und sodann die Flugzeit F_s = Σ(iW_i)/Σ(W_i) des Schwerpunkts bestimmt wird.
Vorrichtung zur Digitalisierung und Verarbeitung der Ionenstrommesswerte von Einzelspektren, die zu einem Summenspektrum verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Wesentlichen nur einen Baustein mit parallel geschalteten Analog-zu-Digital-Wandlern (ADC) und ein Rechenwerk enthält, wobei das Rechenwerk über einen Datenbus einen direkten Zugriff zum Digitalspeicher eines PC besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenwerk ein Field Progammable Gate Array (FPGA), ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder ein Application Specific Integrated Circuit (ASIC) ist.