DE102011100525B4

DE102011100525B4 - Betrieb eines Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ionenauspulsen

Info

Publication number: DE102011100525B4
Application number: DE102011100525.4A
Authority: DE
Inventors: Petra Decker; Oliver Räther
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2031-05-06
Also published as: DE102011100525A1; GB201206694D0; GB2490577B; GB2490577A; US8927928B2; US20120280118A1

Abstract

Verfahren zur Aufnahme von Summenspektren aus jeweils addierten Einzelspektren in einem Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Auspulsung der Ionen, in dem ein Ionenspeicher die Ionen zwischenzeitlich sammelt, bevor sie zu einem Ionenpulser entsendet werden, der die orthogonale Auspulsung vornimmt, und in dem für die Aufnahme der verschiedenen Einzelspektren für ein Summenspektrum verschiedene Verzögerungszeiten zwischen dem Öffnen des Ionenspeichers und dem Pulsen des Ionenpulsers verwendet werden, wobei die verschiedenen Verzögerungszeiten jeweils an Ionen verschiedener Massenbereiche angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Serie von p Einzelspektren leichter Ionen aufgenommen wird, wobei schwerere Ionen im Ionenspeicher kumulativ gesammelt werden, und danach eine Serie von q Einzelspektren der schwereren Ionen aufgenommen wird, wobei die Verzögerungszeit bei der Aufnahme der p Einzelspektren leichter Ionen kürzer als die Verzögerungszeit bei der Aufnahme der q Einzelspektren der schwereren Ionen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Aufnahme von Summenspektren in einem Flugzeitmassenspektrometer mit Auspulsung der Ionen orthogonal zur bisherigen Flugrichtung (OTOF-MS), wobei die Summenspektren aus jeweils vielen addierten Einzelspektren gewonnen werden. Üblicherweise wird im OTOF-MS ein Ionenspeicher verwendet, der die Ionen zwischenzeitlich sammelt, bevor sie zu einem Ionenpulser übertragen werden, der die orthogonale Auspulsung vornimmt.
Stand der Technik
Unter dem Begriff „Masse” werde hier immer die „ladungsbezogene Masse” m/z verstanden, die allein in der Massenspektrometrie eine Rolle spielt, und nicht einfach die „physikalische Masse” m. Die dimensionslose Zahl z gibt die Anzahl der überschüssigen Elementarladungen des Ions an, also die Anzahl der nach außen als Ionenladung wirksamen Elektronen oder Protonen des Ions. Die ladungsbezogene Masse ist somit der Massenbruchteil pro Elementarladung des Ions. Unter „leichten” oder „schweren” Ionen werden hier sinngemäß immer Ionen mit geringer oder hoher ladungsbezogener Masse m/z verstanden. Auch die Begriffe „Massenspektrum” oder „Massendiskriminierung” beziehen sich grundsätzlich immer auf die ladungsbezogenen Massen m/z. Als Einheit der Masse, auch der ladungsbezogenen Masse, wird hier die dem gesetzlich verankerten SI-System der Maßeinheiten nichtkohärent zugeordnete „vereinheitlichte atomare Masseneinheit” (kurz „atomare Masseneinheit”) mit dem Einheitenkürzel „u” verwendet (von „unified atomic mass”).
Flugzeitmassenspektrometer mit pulsförmiger Beschleunigung eines Primärionenstrahls orthogonal zur ursprünglichen Flugrichtung der Ionen werden als OTOF-MS bezeichnet (orthogonal time-of-flight mass spectrometer). stellt ein stark vereinfachtes Schema eines solchen OTOF-MS dar. Der Massenanalysator des OTOF-MS besitzt am Anfang der Flugstrecke (13) einen so genannten Ionenpulser (12), der einen Ausschnitt des Primärionenstrahls (11), also ein fadenförmiges Ionenpaket, rechtwinklig zur bisherigen Strahlrichtung in die Flugstrecke (13) hinein beschleunigt. Dabei bildet sich ein bandförmiger Sekundärionenstrahl (14), der aus einzelnen, quer liegenden fadenförmigen Ionenpaketen besteht. Diese fadenförmigen Ionenpakete bestehen aus Ionen jeweils gleicher Massen. Die fadenförmigen Ionenpakete mit leichten Ionen fliegen schnell; solche mit schwereren Ionen fliegen langsamer. Die Flugrichtung dieses bandförmigen Sekundärionenstrahls (14) liegt zwischen der bisherigen Richtung des Primärionenstrahls und der dazu rechtwinkligen Beschleunigungsrichtung, weil die Ionen ihre Geschwindigkeit in der ursprünglichen Ionenstrahlrichtung des Primärionenstrahls (11) beibehalten. Ein solches Flugzeitmassenspektrometer wird vorzugsweise mit einem geschwindigkeitsfokussierenden Reflektor (15) betrieben, der den bandförmigen Sekundärionenstrahl (14) mit den fadenförmiges Ionenpaketen in seiner ganzen Breite reflektiert, deren Geschwindigkeitsstreuung fokussiert und auf einen flächig ausgedehnten Detektor (16) lenkt.
Der Ionenpulser arbeitet mit einer Wiederholungsfrequenz zwischen 5 und 30 Kilohertz, es werden also 5000 bis 30000 Einzelspektren pro Sekunde aufgenommen, die über eine vorgegebene Zeitspanne zwischen 1/20 und 20 Sekunden hinweg zu einem Summenspektrum addiert werden. Dadurch werden Summenspektren mit hohem dynamischen Messbereich erhalten, selbst wenn in jedem Einzelspektrum nur wenige Ionen gemessen werden. Für die Abtastung von Substanzpeaks, die in Flüssigkeitschromatographen oder Kapillarelektrophoreseapparaten getrennt wurden, werden die Einzelspektren meist über eine Zeitspanne von einer Sekunde zum Summenspektrum addiert.
In Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonaler Ionenbeschleunigung wird heutzutage nicht mehr ein kontinuierlicher Ionenstrahl (11) mit ununterbrochen fließenden Ionen verwendet, sondern es werden die Ionen aus Gründen einer wesentlich höheren Empfindlichkeit zunächst in einem Ionenspeicher (7) gesammelt. Der Ionenspeicher wurde in US 5,689,111 (T. Dresch et al., 1995) in das OTOF eingeführt. Der Ionenspeicher (7) ist als HF-Multipol-Stabsystem, meist als Quadrupol-Stabsystem, ausgebildet, endseitig mit Aperturlinsen (6) und (9) abgeschlossen, und mit einer isolierenden Hülle umgeben, die durch die Gaszuführung (8) so mit Stoßgas befüllt wird, dass die Ionen im Ioneren praktisch nach kurzer Dämpfungszeit zur Ruhe kommen. Die Ionen werden aus diesem Ionenspeicher (7) durch Schalten des Potentials an der Extraktionslinse (9) mit geringer kinetischer Energie herausgezogen und als feiner Ionenstrahl (11) zum Ionenpulser (12) gesandt, den die Ionen des Ionenstrahls mit gleicher, relativ niedriger kinetischer Energie von 15 oder 20 Elektronenvolt durchfliegen. Im Ionenpulser (12) werden die relativ langsam fliegenden Ionen mit hohen Beschleunigungsspannungen vertikal zur bisherigen Flugrichtung der Ionen in die Flugstrecke (13) des Flugzeitmassenspektrometers ausgepulst. Während der Extraktion der Ionen aus dem Ionenspeicher (7) und ihrer Überführung in den Ionenpulser (12) tritt eine mäßige Massentrennung auf, da einerseits die leichten Ionen bei gleicher kinetischer Energie schneller fliegen und sich andererseits leichte Ionen schneller aus dem Ionenspeicher extrahieren lassen. Die leichten Ionen kommen somit zuerst im Ionenpulser (12) an und nehmen nachfolgend in ihrer Intensität wieder stark ab, da das Hauptbündel der zunächst extrahierten leichten Ionen den Ionenpulser bereits wieder verlässt. Schwerere Ionen erreichen den Ionenpulser erst dann, wenn die Anzahl der leichten Ionen im Ionenpulser bereits wieder stark abgenommen hat. Die Anzahl der im Ionenpulser befindlichen schwereren Ionen durchläuft ebenfalls ein Maximum und nimmt dann wieder ab. Die Zusammensetzung der Ionen im Ionenpulser ändert sich bis zum Auspulsen ständig; der Zeitpunkt des Auspulsens bestimmt die Zusammensetzung der Ionen im gemessenen Einzelspektrum: es gibt somit eine Massendiskriminierung. Außerdem gilt, dass die Anzahl von Ionen bestimmter Masse im Ionenpulser (12) umso höher ist, je geringer die kinetische Energie der Ionen ist, da sie dann langsamer fliegen; umso größer ist dann aber auch die Massendiskriminierung. Ein Teil der Massendiskriminierung entsteht, weil die Strecke zwischen dem Multipol-Ionenspeicher und dem Ionenpulser aus verschiedenen Gründen nicht beliebig klein gemacht werden kann; ein anderer Teil der Massendiskriminierung entsteht bei der Extraktion der Ionen aus dem Ionenspeicher. Üblicherweise wird der Ionenspeicher wieder geschlossen, kurz bevor die nächste Auspulsung durch den Ionenpulser erfolgt.
Im Ionenspeicher (7) muss ein Stoßgas vorhanden sein, das zur Stoßfokussierung und möglichst guter Dämpfung aller Ionenbewegungen dient. Die Ionen sammeln sich dadurch relativ bewegungslos in der Achse des Ionenspeichers (7). Nur dadurch lassen sich die Ionen gut und mit sehr geringer Energiestreubreite aus dem Ionenspeicher (7) entnehmen. Der Ionenpulser (12) muss dagegen im Bereich sehr guten Vakuums liegen, um die Ionen keine Stöße mit Restgasmolekülen erleiden zu lassen. Zwischen Ionenspeicher (7) und Ionenpulser (12) sind daher meist mehrere differentielle Pumpstufen zu durchlaufen, wie in durch die Anordnung der Einzellinse (10), eingebaut in eine Wand zwischen zwei Pumpstufen, angedeutet ist. Die Überführung der Ionen von der Extraktionsringblende (9) des Ionenspeichers (7) zum Ionenpulser (12) findet im Ionenstrahl (11) durch freien, möglichst stoßfreien Flug statt. Die Entfernung zwischen Extraktionslinse (9) und der Mitte des Ionenpulsers (12) beträgt etwa 5 bis 8 Zentimeter.
Die Ausbildung eines feinen Ionenstrahls (11) ist besonders wichtig für das Massenauflösungsvermögen des Flugzeitanalysators. Der Ionenstrahl soll möglichst ein Parallelstrahl geringen Durchmessers mit langsamen Ionen gleichmäßig niedriger Energie von nur etwa 15 Elektronenvolt sein. Die Ausbildung dieses Ionenstrahls gelingt nur durch eine gute Dämpfung der Ionenbewegungen im Ionenspeicher (7). Es dürfen des Weiteren auch keine elektrischen Störeinflüsse auftreten, die sich auf die Qualität des feinen Ionenstrahls (11) auswirken, beispielsweise durch ein Schalten des Potentials an der Extraktionslinse (9), oder durch restliche Streufel der der Hochfrequenzspannung am Ionenspeicher (7).
Die Massendiskriminierung der hier geschilderten Einrichtung ist in der dargestellt. Es handelt sich um Messungen der Spektren eines Gemisches von Substanzen, deren Massen von m = 78 u bis m = 2722 u reichen. Es wurden nur die einfach geladenen Ionen (z = 0) ausgewertet. Die Massenspektren wurden mit verschiedenen Zeitverzögerungen zwischen dem Öffnen der Extraktionslinse (9) und dem Pulsen des Ionenpulsers (12) aufgenommen, die Zeitverzögerungen reichten von 8 bis zu 190 Mikrosekunden. Aus den Spektren wurden die Verläufe der Intensitäten der verschiedenen Ionensorten in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit erstellt und jeweils auf das Maximum normiert. Die Messungen zeigen, dass ein Massenspektrum, das mit einer Verzögerungszeit von 10 Mikrosekunden aufgenommen wird, nur Ionen der Masse m = 78 u misst, es erscheinen überhaupt keine Ionen mit höheren Massen im Massenspektrum. Nimmt man dagegen ein Massenspektrum mit einer längeren Verzögerungszeit auf, werden Ionen anderer Massen bevorzugt gemessen.
Flugzeitmassenspektrometer dieser Art werden beispielsweise in der Proteinanalytik eingesetzt. In Peptid- oder Proteinanalysen mit Ionisierung durch Elektrosprühen werden überwiegend mehrfach geladene Ionen erzeugt, wobei die Ionen der Ladungsstufe mit der höchsten Anzahl an Ionen regelmäßig im Bereich von 900 u < m/z < 1500 u zu finden sind, auch wenn es sich um Proteine hoher Massen von einigen tausend atomaren Masseneinheiten handelt. Die Ionen von Proteinen hoher Massen erscheinen vorwiegend vielfach geladen, wobei regelmäßig die Ladungsstufe mit dem Maximum der Intensität in diesem Bereich von 900 u < m/z < 1500 u liegt. Daher können Peptide und Proteine mit einer Verzögerungszeit von 100 Mikrosekunden optimal aufgenommen werden, da alle diese Ionen hier mit mehr als 80 Prozent ihrer maximal durch Variation der Verzögerungszeit erreichbaren Intensität gemessen werden, wie aus zu ersehen ist. Für diese Art von Analytik sind diese Geräte ideal geeignet.
Kommen in dem zu analysierenden Gemisch von Ionen allerdings Ionen mit Massen m/z > 2700 u vor, so erscheinen diese überhaupt nicht im Massenspektrum. Und die Ionen der Masse m/z = 100 u erscheinen nur mit 5 bis 10 Prozent der Intensität, die sie bei einer massenspezifisch optimalen Einstellung zeigen würden.
Die optimale Anpassung der Verzögerungszeit an den Massenbereich der interessierenden Ionen ist seit langem bekannt. In US 6,507,019 B2 (I. Chernushevich und B. Thomson, 1999) wird die optimale Anpassung der Verzögerungszeit an die Massen der interessierenden Ionen im Hauptanspruch unter Schutz gestellt. Diese Anpassung der Verzögerungszeit an den gewünschten Massenbereich wird allerdings im älteren, oben bereits zitierten Patent US 5,689,111 (T. Dresch et al., 1995) in Spalte 2, Zeilen 39 bis 55 bereits eingehend beschrieben, ohne explizit in den Patentansprüchen unter Schutz gestellt worden zu sein.
Die Einschränkung auf einen Massenbereich ist für viele Arten von Analysen nachteilig. Als Beispiel mögen hier quantitative Analysen von Proteingemischen dienen, in denen interessierende Proteine durch „Reportergruppen” markiert wurden. Diese Reportergruppen werden bei der Ionisierung als einfach geladene Ionen abgespalten und dienen der quantitativen Messung. Die Reportergruppen haben häufig Massen zwischen m = 90 u und m = 120 u. Wird die Verzögerungszeit auf 100 Mikrosekunden eingestellt, so erscheinen die Ionen der Reportergruppen nur mit 5 bis 10 Prozent ihrer maximalen Intensität. Da die quantitativ zu messenden Proteine (und mit ihnen auch die Reportergruppen) meist nur in niedrigen Konzentrationen auftreten, sind sie in den Analysen ganz überwiegend nicht gut auswertbar. Es wird somit nach Verfahren gesucht, in denen neben Peptid- und Proteinionen auch die Ionen der Reportergruppen mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden können.
Es gibt seit langer Zeit Versuche, die Massendiskriminierung möglichst vollständig auszuschalten. In US 6,794,604 B2 (R. H. Bateman et al., 2002) wird eine „massenselektive Ionenfalle” (mass selective ion trap) dazu verwendet, erst schwere und dann immer leichtere Ionen aus der Ionenfalle zu entlassen, wobei die Entlassungszeiten so abgestimmt werden, dass alle Ionen zur gleichen Zeit den Ionenpulser erreichen. Im früheren EP 1 315 195 B1 (R. H. Bateman et al., 2001), in dem noch nicht die Ausschaltung der Massendiskriminierung versucht wurde, werden für ein erstes Einzelspektrum Ionen mit m/z-Verhältnissen innerhalb eines ersten Bereichs aus einer selektiven Ionenfalle zum OTOF geleitet, während Ionen mit m/z-Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs im wesentlichen nicht zum OTOF geleitet werden; für ein zweites Einzelspektrum werden dann Ionen mit m/z-Verhältnissen innerhalb eines zweiten Bereichs aus einer selektiven Ionenfalle zum OTOF geleitet, während Ionen mit m/z-Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs im wesentlichen nicht zum OTOF geleitet werden. Unter einer „massenselektiven Ionenfalle” ist in beiden Patentschriften eine Ionenfalle zu verstehen, die Ionen massenselektiv auswerfen kann. Als Beispiel für eine massenselektive Ionenfalle wird in der Patentschrift eine dreidimensionale HF-Quadrupol-Ionenfalle nach Wolfgang Paul genannt. Versuche mit einer solchen Paulfalle müssen aber scheitern, da sie die Ionen unvermeidlich mit einer hohen Energiestreubreite von einigen Zehn bis zu einigen Hundert Elektronenvolt auswirft, da die Ionen beim Austritt je nach zufällig herrschender Phase des internen Hochfrequenzfeldes verschieden stark beschleunigt werden.
Eine bessere Anordnung wird in US 7,582,864 B2 (A. N. Verentchikov, 2005) angegeben, die aus einem HF-Quadrupol-Stabsystem besteht, an dessen Ende durch eine nicht ausbalancierte Hochfrequenzspannungen ein sperrendes Pseudopotential an der Austrittsblende entsteht. Durch allmähliche Verringerung der Pseudopotentialbarriere werden erst schwere, dann immer leichtere Ionen herausgelassen. Hier ist der schädigende Einfluss des Hochfrequenzfeldes auf die austretenden Ionen geringer, aber immer noch so störend, dass im OTOF-MS nicht mehr die höchstmögliche Massenauflösung erreicht wird.
Aus der Druckschrift US 2009/0294642 A1 ist ein Massenspektrometer bekannt, in dem eine MALDI Ionenquelle an einen Flugzeitanalysator mit orthogonalem Ioneneinschuss gekoppelt ist. Das Massenspektrometer wird so betrieben, dass Elternionen in einem Massenfilter selektiert und axial in eine Fragmentierungszelle hinein beschleunigt werden und dass die dabei erzeugten Fragmentionen in einer Ablenkeinheit orthogonal beschleunigt werden. In einer ersten Geräteeinstellung werden die Fragmentionen bei einer ersten Verzögerungszeit orthogonal beschleunigt, während Elternionen in einer zweiten Geräteeinstellung axial auf eine höhere kinetische Energie beschleunigt werden und die dann erzeugten Fragmentionen bei einer reduzierten Verzögerungszeit orthogonal beschleunigt werden.
Es wird somit nach wie vor nach einem Verfahren gesucht, mit dem ein OTOF-MS so betrieben werden kann, dass bei der Aufnahme der Summenspektren die Ionen mehrerer interessierender Massenbereiche ohne wesentliche Verluste, also mit hoher Ionenausbeute, und mit hoher Massengenauigkeit gemessen werden können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Verfahren für die Aufnahme von Massenspektren mit einem OTOF-MS bereitzustellen, mit denen Ionen aus einem Ionenspeicher in mindestens zwei verschiedenen Massenbereichen mit hohem Nutzungsgrad der Ionen und hoher Massengenauigkeit in einem Summenspektrum gemessen werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis10 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung besteht darin, die Aufnahmebedingungen, insbesondere die Verzögerungszeiten zwischen Öffnen des Ionenspeichers und Auspulsen im Ionenpulser, für Einzelspektren einer Additionsserie für ein Summenspektrum so zu mischen, dass sowohl Ionen in einem interessierenden Bereich leichter Massen wie auch in einem interessierenden Bereich hoher Massen jeweils optimal gemessen werden. Dabei kann im einfachsten Fall jeweils ein Einzelspektrum für Ionen leichter Massen mit einem Einzelspektrum schwererer Ionen abwechseln. Dabei zeigt sich ein überraschender Effekt. Für die Ionen leichter Massen steigt die Empfindlichkeit um Faktoren 5 bis 10, aber für Ionen schwererer Massen nimmt die Empfindlichkeit nicht komplementär ab, sondern bleibt genau so hoch, wie bei der alleinigen Aufnahme von Einzelspektren schwererer Ionen.
Noch günstiger ist es, wenn die Mischung der Aufnahmebedingungen so aussieht, dass zunächst eine längere Serie aus p Massenspektren mit einer kurzen Verzögerungszeit für die Messung leichter Ionen, sodann eine kürzere Serie von q Massenspektren mit einer längeren Verzögerungszeit für schwerere Ionen aufgenommen. Während der Aufnahme der p Massenspektren leichter Ionen mit nur kurzer Verzögerungszeit sammeln sich die schwereren Ionen im Ionenspeicher an; sie gehen nicht verloren, weil der Ionenspeicher wieder geschlossen ist, bevor die schwereren Ionen diesen verlassen können. In der Regel wird der Ionenspeicher geschlossen, kurz bevor der Ionenpulser geschaltet wird. Es ist dann jeweils eine genügende Anzahl leichter Ionen für eine Spektrenaufnahme im Ionenpulser vorhanden, aber die schweren Ionen befinden sich noch weitgehend unverbraucht im Ionenspeicher. Sind dann die p Massenspektren leichter Ionen aufgenommen, so genügen relativ wenige Aufnahmen von Massenspektren der großen Massen, da sich ihr Vorrat im Ionenspeicher relativ schnell abbaut. Es kann also p >> q gewählt werden. Man kann auch den Innenspeicher gezielt nach kurzer Zeit wieder schließen, bevor Ionen, die nur wenig schwerer sind als die leichten Ionen für die Spektrenaufnahme, den Ionenspeicher verlassen können. Dann erscheinen aber in den Einzelspektren der schwereren Ionen gar keine leichten Ionen mehr, da ihr Nachschub früh abgeschnitten wird.
Werden beispielsweise zunächst 90 Massenspektren mit einer Verzögerungszeit von 10 Mikrosekunden für die Messung leichter Ionen mit m/z = 100 u aufgenommen, sodann eine Serie von 10 Massenspektren mit einer Verzögerungszeit von 100 Mikrosekunden für schwerere Ionen im Bereich 900 u < m/z < 1500 u, und wird dieses Verfahren mit einer Aufnahmerate von 5 Kilohertz zyklisch über eine Sekunde wiederholt, so zeigt sich überraschend, dass für die schweren Ionen fast kein Empfindlichkeitsverlust auftritt gegen über einem Verfahren, das eine Sekunde lang ständig nur die schweren Ionen misst. Die leichten Ionen werden aber mit einem großen Empfindlichkeitsgewinn gemessen, der zwischen einem Faktor 5 und einem Faktor 20 liegt.
Die Anzahl p ist vorzugsweise so zu wählen, dass die gesammelten schweren Ionen einerseits nicht durch Raumladungseffekte wieder verloren gehen und andererseits bei ihrer Messung nicht den Ionendetektor an seine Sättigungsgrenze bringen. Die Anzahl q sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass der Vorrat der schweren Ionen immer genügend gut abgebaut wird.
Dieses Verfahren kann auch auf mehrere Bereiche leichter Ionenmassen und gegebenenfalls auch auf mehrere Bereiche schwerer Ionen ausgeweitet werden.
Beschreibung der Abbildungen
zeigt stark schematisch vereinfacht ein Flugzeitmassenspektrometer, wie es dem Stand der Technik entspricht und für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann. Der Normalbetrieb mit Zwischenspeicherung der Ionen im Vorratsspeicher (7) sieht wie folgt aus: In einer Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) werden an Atmosphärendruck Ionen erzeugt, die durch eine Kapillare (3) ins Vakuumsystem gebracht werden. Ein Ionentrichter (4) leitet die Ionen in ein erstes HF-Quadrupol-Stabsystem (5), das sowohl als einfaches Ionenführungssystem betrieben werden kann, aber auch als Massenfilter zur Auswahl einer zu fragmentierenden Sorte von Elternionen. Die unselektierten oder selektierten Ionen werden kontinuierlich durch die Ringblende (6) in den Vorratsspeicher (7) eingespeist, selektierte Ionen können dabei durch energetische Stöße fragmentiert werden. Der Vorratsspeicher (7) ist gasdicht umschlossen und wird durch die Gaszuführung (8) mit Stoßgas beschickt, um die Ionen durch Stöße zu fokussieren und in der Achse zu versammeln. Aus dem Vorratsspeicher (7) werden durch die Extraktionsschaltlinse (9) zu vorgegebenen Zeiten Ionen entnommen, in Verbindung mit der Einzellinse (10) zu einem feinen Primärstrahl (11) geformt und zum Ionenpulser (12) geschickt. Der Ionenpulser (12) pulst einen Abschnitt des Primärionenstrahls (11) orthogonal in die auf hohem Potential befindliche Driftstrecke (13) aus, wodurch der neue Ionenstrahl (14) entsteht. Der Ionenstrahl (14) wird im Reflektor (15) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor (16) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch die Pumpen (17), (18) und (19) evakuiert.
gibt Messwerte wieder, die mit einer Anordnung nach gewonnen wurden. Die gemessenen Mengen der Ionensorten mit 78, 113, 322, 622, 922, 1222, 1522, 1822, 2122, 2422 und 2722 atomaren Masseneinheiten sind über der jeweils für die Spektrennahme gewählten Verzögerungszeit (in Mikrosekunden) zwischen Schalten der Extraktionsschaltlinse (9) und Schalten des Ionenpulsers (12) auf ihr jeweiliges Maximum normiert aufgetragen. Der Ionenspeicher wurde erst kurz vor dem Schalten des Ionenpulsers wieder geschlossen, um in den Einzelspektren der schweren Ionen auch noch die leichten Ionen zu erkennen, wenn auch mit stark verringerter Empfindlichkeit. Bei etwa 160 Mikrosekunden Verzögerung können somit die Ionen aller Massen gleichzeitig gemessen werden, aber nicht alle mit höchster Empfindlichkeit; die leichten Ionen sind bereits auf etwa 5 Prozent ihres Maximalwertes abgefallen. Bei 100 Mikrosekunden Verzögerungszeit können Ionen im Massenbereich 900 u < m/z < 1500 u gut aufgenommen werden. Dieser Bereich ist ideal für Peptid- und Proteinanalysen, die mit einer Ionisierung durch Elektrosprühen durchgeführt werden.
In ist die Extraktion der Ionen aus dem Ionenspeicher (7) zu drei verschiedenen Zeitpunkten t₀, t₁ und t₂ gezeigt. Zur Zeit t₀ sind die Ionen im Inneren des HF-Quadrupolfeldes geordnet: die leichten Ionen sind in der Achse versammelt, die mittelschweren darum herum, und die schweren Ionen sind außen angeordnet. Außerdem reichen die leichten Ionen bis nahe an die Eintrittslinse (6) und die Extraktionsschaltlinse (9) heran, die hier jeweils aus drei Ringblenden bestehen. Wird zu dieser Zeit t₀ die Extraktionsschaltlinse durch Schalten des Potentials an der mittleren Ringblende geöffnet, so treten zunächst nur leichte Ionen aus. Zum Zeitpunkt t₁ sind genügend leichte Ionen für eine Aufnahme eines Massenspektrums ausgetreten, aber noch keine mittelschweren Ionen. Wird zu diesem Zeitpunkt t₁ die Extraktionslinse (9) wieder geschlossen, bleiben alle mittelschweren und schweren Ionen im Ionenspeicher (7). Wird der Ionenspeicher nicht zum Zeitpunkt t, wieder verschlossen, so sind zum Zeitpunkt t₂ genügend mittelschwere Ionen für die Aufnahme eines Massenspektrums ausgetreten, ohne dass schwere Ionen den Ionenspeicher verlassen haben. Die extrahierten Ionen müssen jeweils noch bis zum Ionenpulser fliegen, was weitere Anteile an Verzögerungszeiten zwischen dem Öffnen des Ionenspeichers und dem Pulsen des Ionenpulsers erfordert.
In ist ein Aufnahmeschema gezeigt, das den Massenbereich von etwa 100 u bis über 2500 u hinaus in zwei Aufnahmefolgen 1a bis 1f und 2a bis 2f aufnimmt, wobei die ersten Aufnahmeserien 1a und 2a mit je 400 Einzelspektren für leichte Ionen so lang gewählt wurden, dass alle schweren Ionen für die jeweils nachfolgenden Aufnahmeserien 1b bis 1f und 2b bis 2f gesammelt werden, und dort nur jeweils 20 Einzelspektren genommen zu werden brauchen. Für dieses Aufnahmeschema muss der Ionenspeicher jeweils möglichst früh wieder geschlossen werden, um auch geringfügig schwerere Ionen weiterhin zu speichern; dadurch erscheinen aber in den Einzelspektren der schwereren Ionen keine leichteren Ionen mehr. In den 1000 Einzelspektren kommen trotzdem fast 40 Prozent aller während der gesamten Aufnahmezeit in der Ionenquelle produzierten Ionen zur Messung, obwohl der Massenbereich in 10 Intervalle aufgeteilt ist.
, und 5c geben Massenspektren eines Substanzgemisches wieder, die mit verschiedenen Mischungen von Verzögerungszeiten Δt aufgenommen wurden. Der Verlauf der Verzögerungszeiten Δt während der Aufnahmeserien ist jeweils eingeblendet. Spektrum 5a (oben) wurde nur mit einer längeren Verzögerungszeit Δt = 70 μs aufgenommen und zeigt eine hohe Empfindlichkeit für schwerere Ionen mit 622 u, 922 u und 1222 u, aber eine nur geringe Empfindlichkeit für leichte Ionen mit m/z = 118 u. Nimmt man eine kürzere Serie mit längerer Verzögerungszeit Δt = 70 μs auf, der eine längere Serie mit kürzerer Verzögerungszeit Δt = 25 μs folgt, so sinkt erwartungsgemäß die Empfindlichkeit für schwerere Ionen, während die Empfindlichkeit für leichte Ionen steigt ( ). Dreht man jetzt die Reihenfolge der Serien um (erst kürzere, dann längere Verzögerungszeiten), so werden überraschenderweise für leichte wie für schwere Ionen optimal hohe Empfindlichkeiten erreicht ( ). Der Effekt würde noch dramatischer ausfallen, wenn die Verzögerungszeiten Δt = 18 μs und Δt = 80 μs verwendet worden wären, wie man aus entnehmen kann.
Bevorzugte Ausführungsformen
Wie oben bereits kurz beschrieben, besteht die Grundidee der Erfindung darin, die Aufnahmebedingungen für die Einzelspektren, insbesondere die Verzögerungszeiten, in einer Additionsserie für ein Summenspektrum so zu mischen, dass Ionen in interessierenden Bereichen leichter Massen wie auch in interessierenden Bereichen schwerer Massen optimal gemessen werden. Unter der „Verzögerungszeit” wird hier immer die Zeitspanne zwischen dem Öffnen des Ionenspeichers durch Schalten der Extraktionslinse und dem Schalten des Ionenpulsers verstanden. Die Mischung kann aus abwechselnd aufgenommenen Einzelspektren verschiedener Verzögerungszeiten, aber auch aus jeweils abwechselnd aufgenommenen kürzeren oder längeren Serien von Einzelspektren verschiedener Verzögerungszeiten bestehen.
Dabei zeigt diese Mischung der Aufnahmebedingungen in überraschender Weise, dass für Ionen schwerer Massen überhaupt keine Verluste auftreten, für Ionen leichter Massen aber ein erheblicher Gewinn an Empfindlichkeit zu verzeichnen ist. Sollen beispielsweise Ionen aus zwei Massenbereichen gemessen werden, so kann man Einzelspektren für leichte Ionen mit Einzelspektren für schwerere Ionen abwechseln. Als noch günstiger hat es sich erwiesen, zunächst eine längere Serie aus p Einzelspektren mit einer kurzen Verzögerungszeit für die Messung leichter Ionen und dann eine kürzere Serie von q Einzelspektren mit einer Verzögerungszeit für schwerere Ionen aufzunehmen. Dabei stellt sich heraus, dass sich während der Aufnahme der p Einzelspektren leichter Ionen die schwereren Ionen im Ionenspeicher ohne Verluste ansammeln können. Diese kumulative Sammlung schwerer Ionen kann sogar dann eintreten, wenn der Ionenspeicher erst kurz vor dem Schalten des Ionenpulsers wieder geschlossen wird. Wie in schematisch dargestellt, kann eine genügende Anzahl leichter Ionen für eine Einzelspektrenaufnahme extrahiert werden, bevor mittelschwere Ionen aus dem Ionenspeicher austreten. Das liegt im Wesentlichen daran, dass die Ionen im Inneren des Ionenspeichers (7) von den Linsensystemen (6) und (9) relativ weit ins Innere des Ionenspeichers zurückgedrängt werden, wobei die schwereren Ionen etwas weiter zurückgedrängt werden als die leichten Ionen. Nach dem Schalten der Extraktionslinse können also die leichten Ionen zuerst die Extraktionslinse passieren, zumal sich die schwereren Ionen in dem schwachen Extraktionsfeld der Extraktionslinse (9) auch noch langsamer bewegen als leichte. Die schweren Ionen werden sowohl langsamer beschleunigt als auch stärker im Dämpfungsgas abgebremst.
So kann beispielsweise eine Serie aus p = 470 Einzelspektren mit einer kurzen Verzögerungszeit von 10 Mikrosekunden für die Messung leichter Ionen mit m/z = 100 u aufgenommen werden, und dann eine Serie von q = 30 Einzelspektren mit einer Verzögerungszeit von beispielsweise 100 Mikrosekunden für die Aufnahme schwererer Ionen im Bereich 900 u < m/z < 1500 u. Die optimalen Anzahlen von Einzelspektren p und q müssen im Einzelfall bestimmt werden. Werden diese Messserien mit einer Aufnahmerate von 5 Kilohertz zyklisch über eine Sekunde wiederholt, so zeigt sich überraschend, dass für die schweren Ionen fast kein Empfindlichkeitsverlust auftritt gegen über einem Verfahren, das eine Sekunde lang ständig nur die schweren Ionen misst. Die leichten Ionen werden aber mit einem großen Empfindlichkeitsgewinn gemessen, der zwischen einem Faktor 5 und einem Faktor 20 liegt.
Dieses Verhalten ist prinzipiell, wenn auch noch nicht optimal angepasst, in den , und 5c wiedergegeben. Es werden hier Summenspektren eines Substanzgemisches mit verschiedenen Mischungen von Verzögerungszeiten Δt aufgenommen. Summenspektrum 5a (oben) wurde als Serie von Einzelspektren mit durchgängig längerer Verzögerungszeit Δt = 70 μs aufgenommen und zeigt eine hohe Empfindlichkeit für schwerere Ionen mit 622 u, 922 u und 1222 u, aber eine nur geringe Empfindlichkeit für die leichten Ionen mit m/z = 118 u, die mit sehr hoher Konzentration im Gemisch vorhanden sind. Nimmt man dagegen nur eine kürzere Serie von Einzelspektren mit längerer Verzögerungszeit Δt = 70 μs auf, der eine längere Serie mit kürzerer Verzögerungszeit Δt = 25 μs folgt, so sinkt erwartungsgemäß die Empfindlichkeit für schwerere Ionen um etwa einen Faktor 3, während die Empfindlichkeit für leichte Ionen um etwa einen Faktor 3 steigt ( ). Dreht man aber jetzt die Reihenfolge der beiden Serien um (erst kürzere, dann längere Verzögerungszeiten), so werden überraschenderweise für leichte wie für schwere Ionen optimal hohe Empfindlichkeiten erreicht (5c).
Es soll hier zum besseren Verständnis angemerkt werden, dass die Anzahlen der Ionen jeweils gleicher Masse für die Aufnahme eines Einzelspektrums in einem OTOF-MS nicht sehr groß sein dürfen. Bei Verwendung einer Digitalisierungseinheit mit 5 Gigahertz Messrate und 8 Bit Datentiefe, mit dem möglichst jedes Ion über dem Untergrundrauschen gemessen werden soll, darf ein Ionenstrompeak maximal 1000 Ionen einer Masse enthalten, um die Messeinheit nicht in eine nicht mehr korrigierbare Sättigung zu treiben. Für eine Messung von 1000 Ionen gleicher Masse in einem Einzelspektrum sind bereits besondere Maßnahmen erforderlich, die darin bestehen, in gewissem Umfang Sättigungen erkennen und ausgleichen zu können (siehe beispielsweise DE 10 2010 011 974 ; O. Räther 2010). Andererseits ergibt sich ein auswertbares Summenspektrum bereits dann, wenn ein Massenpeak im Summenspektrum aus nur 10 Ionen einer Masse besteht, wenn also nur in jedem 500sten Einzelspektrum ein einzelnes Ion dieser Masse auftaucht. Bei einer Messzeit von einer Sekunde und 5000 Einzelspektren pro Sekunde können somit in einem Summenspektren maximal 5 000 000 Ionen einer Masse gemessen werden, was trotz der geringen Anzahlen von Ionen in den Einzelspektren einen hohen dynamischen Messbereich von 1:500 000 ergibt. Der dynamische Bereich kann noch erhöht werden, wenn die Zeit für die Aufnahmen von Einzelspektren für die Addition zu einem Summenspektrum erhöht wird.
Ist eine größere Anzahl von Einzelspektren leichter Ionen aufgenommen, so genügen relativ wenige Aufnahmen von Einzelspektren der schweren Ionen, da sich ihr Vorrat im Ionenspeicher relativ schnell abbaut. Es kann abgeschätzt werden, dass bei gleich bleibender, relativ geringer Zufuhr von Ionen in den Ionenspeicher hinein nach 10 Einzelspektren mit schweren Ionen der Vorrat an schweren Ionen etwa auf die Hälfte, nach 20 Einzelspektren auf ein Viertel, nach 30 Einzelspektren auf ein Achtel zurückgegangen ist. Es sollte also immer p >> q gewählt werden.
Grundsätzlich ist die Anzahl p von Einzelspektren leichter Ionen so zu wählen, dass die schweren Ionen bei ihrer Sammlung im Ionenspeicher nicht an die Sättigungsgrenze des Ionenspeichers geraten. Befinden sich sehr viele Ionen im Ionenspeicher, so gehen schwere Ionen verloren, da sie von der Raumladung wegen des für sie schwächeren Pseudopotentials gegen die Elektroden des Ionenspeichers gedrückt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei zunehmender Größe von p, also bei länger werdender kumulativer Speicherung schwererer Ionen, deren Anzahl zunächst linear zunimmt, dann ein Maximum durchläuft und dann sogar wieder abnimmt. Das Maximum wird für mittelschwere Ionen früher erreicht als für schwere Ionen; der Effekt ist noch nicht verstanden. Außerdem ist die Anzahl p so zu wählen, dass bei der anschließenden Aufnahme von Einzelspektren der schweren Ionen diese bei ihrer Extraktion aus dem Ionenspeicher nicht so zahlreich sind, dass ihre Messung die Sättigungsgrenze des Ionendetektors erreicht.
Die Anzahl q sollte so gewählt werden, dass die Anzahl der schweren Ionen im Ionenspeicher in aufeinander folgenden Zyklen aus jeweils p und q Einzelspektren nicht immer weiter stark zunimmt, sondern dass der Vorrat an schweren Ionen immer genügend abgebaut wird. Auf jeden Fall sollte (schon im Sinne einer hohen Empfindlichkeit) die Anzahl q so gewählt werden, dass durch die Aufnahme der q Einzelspektren mindestens die Hälfte, vorzugsweise etwa drei Viertel bis sieben Achtel der angesammelten schwereren Ionen aus dem Ionenspeicher entnommen wird. Es hat sich sogar als günstig erwiesen, nach mehreren Serien von p und q Einzelspektren den Ionenspeicher einmal vollständig zu entleeren, weil sich sonst sehr schwere Ionen oberhalb des Massenbereichs der Messungen immer weiter kumulativ ansammeln und durch ihre Raumladung den Betrieb des Ionenspeichers mit Befüllung und Entnahme stark stören können.
Insgesamt hat es sich als günstig erwiesen, die Anzahlen von p und q eher klein zu halten, um Raumladungseffekte möglichst zu vermeiden. Die Anzahl p von Einzelspektren leichter Ionen sollte möglichst im Bereich einiger Hundert statt einiger Tausend Spektren gehalten werden, es ist sogar möglich, dass ein optimales Verfahren mit p = 10 und q = 2 ablaufen kann. Da sich dann der Ionenspeicher immer weiter kumulativ mit schweren Ionen füllt, weil diese nicht weitgehend vollständig entnommen werden, ist es günstig, den Ionenspeicher gelegentlich vollständig zu entleeren. Vor dem Entleeren kann die angewachsene Menge der schwereren Ionen durch eine Serie von q = 20 oder sogar q = 30 Einzelspektren nutzbringend einer Messung zugeführt werden. Die Raumladung im Ionenspeicher wirkt auf den Extraktionsvorgang ein; wird die Raumladung zu stark, so wird die Mischung des extrahierten Ionen verändert.
Es wurde oben angenommen, dass alle Einzelspektren unabhängig von der Verzögerungszeit zu einem Summenspektrum aufaddiert werden. Das ist nicht unbedingt notwendig. Es können auch die p Einzelspektren leichter Ionen über alle Zyklen und getrennt davon die q Einzelspektren schwerer Ionen über alle Zyklen zu zwei partiellen Summenspektren addiert werden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann anzuwenden, wenn sich herausstellt, dass nur so Massenspektren mit höchster Massengenauigkeit gemessen werden können. Es können dann die partiellen Summenspektren über ihre jeweiligen Kalibrierkurven in gelistete Massenspektren gewandelt werden, und diese gelisteten Massenspektren können wieder zu einem endgültigen Summenspektrum zusammengeführt werden. Dazu ist anzumerken, dass mit sehr guten OTOF-MS heutzutage Massengenauigkeiten von 0,2 Millionstel der jeweilig gemessenen Masse erreicht werden können. Messungen mit diesem hohen Grad an Massengenauigkeit sind außerordentlich leicht zu stören.
Um Störungen des Ionenstrahls (11) möglichst zu vermeiden, kann zwischen der Extraktionsschaltlinse (9) und dem Pulser (12) die Flugstrecke der Ionen durch eine elektrisch leitende Kapselung abgeschirmt werden (nicht in der Abbildung dargestellt), Dadurch kann der Einfluss von elektrischen und magnetischen Störungen auf den Primärionenstrahl (11) vermindert werden. Ein Ionenstrahl von nur 15 Elektronenvolt Energie ist außerordentlich störanfällig und kann sehr leicht abgelenkt werden. Dadurch werden sofort die Massenspektren in Bezug auf Massengenauigkeit und Massenauflösung verschlechtert, da für ihre Qualität eine außerordentlich gute und reproduzierbare Positionierung des Primärionenstrahls (11) beim Durchflug durch den Pulser (12) erforderlich ist. Bei einer Flugstrecke von 2 Metern verkürzt eine Positionsverschiebung um nur 2 Mikrometer die Fluglänge um ein Millionstel, womit die Flugzeit ebenfalls um ein Millionstel und die daraus berechnete Masse um 2 Millionstel verändert werden. Es soll jedoch angemerkt werden, dass ein gut konstruierter Ionenpulser den Einfluss der Positionsverschiebung durch etwas geringere Beschleunigung der Ionen zumindest teilweise ausgleichen sollte.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei Massenbereichen kann auch auf mehrere Bereiche leichter Ionenmassen und erforderlichenfalls auch auf mehrere Bereiche schwerer Ionen ausgeweitet werden. So können beispielsweise zunächst jeweils 100 Einzelspektren mit Verzögerungszeiten von 30, 25, 20, 15 und 10 Mikrosekunden aufgenommen werden, bevor 20 Einzelspektren bei 100 Mikrosekunden Verzögerungszeit gemessen werden. Wie aus zu ersehen ist, wird dadurch der Massenbereich leichter Ionen von 100 bis 300 atomaren Masseneinheiten relativ gut und mit immer noch hoher Empfindlichkeit abgedeckt, ohne dass die Empfindlichkeit für schwere Ionen, für die sie oft dringend benötigt wird, beeinträchtigt wird.
Ist die Massendiskriminierung des Ionenspeichers relativ hoch, so ist es noch günstiger, auch im Bereich leichter Ionen bereits die Speicherung der etwas schwereren Ionen auszunutzen. Dazu ist es erforderlich, den Ionenspeicher nach relativ kurzer Zeit wieder zu schließen, nicht mehr erst kurz vor dem Schalten des Ionenpulsers. So können durch schnelles Schließen beispielsweise während der Aufnahmeserie von 100 Einzelspektren der leichten Ionen mit m/z = 80 u durch eine Verzögerungszeit von 10 Mikrosekunden die etwas schwereren Ionen mit m/z = 200 u gespeichert werden. Anschließend können etwa 20 Einzelspektren mit einer Verzögerungszeit von 20 Mikrosekunden mit Ionen um die Masse m/z = 200 u gemessen werden. Nachdem dann mit weiteren 100 Einzelspektren mit einer Verzögerungszeit von 15 Mikrosekunden die Ionen einer Masse von m/z = 140 u gemessen wurden, haben sich die Ionen der Masse m/z = 300 u so stark gesammelt, dass sie mit 20 Einzelspektren einer Verzögerungszeit von 28 Mikrosekunden gemessen werden können. Erst dann werden mit 20 Einzelspektren einer Verzögerungszeit von 100 Mikrosekunden die Ionen des Bereichs von 900 u bis 1500 u gemessen. Durch das nur kurzzeitige Öffnen des Ionenspeichers erscheinen allerdings die leichten Ionen überhaupt nicht mehr in den Einzelspektren der schwereren Ionen. Das Massenspektrum mit dem vollen Massenbereich ergibt sich erst durch die Summation zu einem Summenspektrum.
Möchte man eine möglichst gleichmäßige Messung aller Ionen des Massenbereichs von etwa 100 u bis über 2500 u hinaus erreichen, so kann man das Messschema verwenden, das in gezeigt ist. Diese Messungen erfordern wieder ein schnelles Schließen des Ionenspeichers, nachdem die Ionen des zu messenden Massenbereichs in genügender Anzahl aus dem Ionenspeicher ausgetreten sind. Der Massenbereich von etwa 100 u bis über 2500 u hinaus wird hier in zwei Aufnahmefolgen 1a bis 1f und 2a bis 2f aufgenommen. Während der beiden ersten Aufnahmeserien 1a und 2a dieser Aufnahmefolgen mit je 400 Einzelspektren für leichte Ionen werden die schweren Ionen für die jeweils nachfolgenden Aufnahmeserien 1b bis 1f und 2b bis 2f so gesammelt, dass für diese nur jeweils 20 Einzelspektren aufgenommen zu werden brauchen. Obwohl der Massenbereich in 10 Intervalle aufgeteilt ist, kommen in den 1000 Einzelspektren knapp 40 Prozent aller während der gesamten Aufnahmezeit in der Ionenquelle produzierten Ionen zur Messung. Die beiden Aufnahmefolgen haben jeweils Lücken im Massenbereich, damit während der Messung der jeweils leichteren Ionen durch schnelles Schließen des Ionenspeichers die etwas schwereren Ionen sicher und ohne Verluste gespeichert werden können.
Obwohl die Extraktion von Ionen aus einem quadrupolaren Ionenspeicher mit einer Massendiskriminierung vor sich geht, handelt es sich doch keinesfalls um eine „massenselektive Ionenfalle” im Sinne von EP 1 315 195 oder US 6,794,604 B2 (R. H. Bateman et al.). Die „massenselektive Ionenfalle” muss die Möglichkeit bieten, für die Aufnahme eines Einzelspektrums Ionen aus Massenbereichen zu versenden, ohne dass wesentliche Anteil an Ionen anderer Massenbereiche mit versendet werden. Oder es müssen zunächst schwere, dann leichte Ionen so versendet werden, dass sie gleichzeitig im Ionenpulser ankommen. Diese Möglichkeiten sind hier (leider) nicht gegeben.
Für die Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren können OTOF-Massenspektrometer gängiger Bauart verwendet werden, wenn diese die Möglichkeit bieten, die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Extraktionsschaltlinse am Ionenspeicher genügend fein zu steuern. Im Allgemeinen wird in einem OTOF-MS die Frequenz, mit der der Ionenpulser arbeitet, sehr genau konstant gehalten. Die Verzögerungszeit ist also eigentlich eine „Vorlaufzeit”, da aber in der Literatur die Bezeichnung „delay time” üblich ist, wird hier die Bezeichnung „Verzögerungszeit” beibehalten. Um die Verzögerungszeit zwischen Extraktionsschaltlinse und Ionenpulser einzustellen, muss es also möglich sein, Öffnen und Schließen der Extraktionsschaltlinse zu genau bestimmten Zeitpunkten vor dem Schalten des Ionenpulsers steuern zu können.
Die günstigsten Zeitpunkte für das Schließen der Extraktionslinse nach Entnahme der gewünschten Ionen werden am besten experimentell bestimmt. Sie hängen von der Vorgängen innerhalb des Ionenspeichers ab. Man kann eine Vorstellung über diese inneren Vorgänge gewinnen, indem man von den scharf definierten Auftrittszeiten der Ionen in den Einzelspektren (siehe ) die berechenbaren Laufzeiten der Ionen von der Extraktionsschaltlinse zum Ionenpulser abzieht. Man erhält dann die Zeiten, die Ionen verschiedener Massen im Inneren des Ionenspeichers brauchen, um nach dem Öffnen der Extraktionsschaltlinse bis an die Extraktionsschaltlinse heranzukommen. Es zeigt sich, dass die Laufzeiten der Ionen von der Extraktionslinse bis zum Ionenpulser um etwa die Hälfte kürzer sind als die Laufzeiten innerhalb des Ionenspeichers zur Extraktionslinse.
Die Einzelspektren für leichte Ionen enthalten keine schweren Ionen. Die Einzelspektren der leichten Ionen sind daher viel kürzer; ihre Aufnahme kann also bereits nach kurzer Zeit abgebrochen werden. Es ist somit im Prinzip möglich, die leichten Ionen mit einer höheren Frequenz des Ionenpulsers aufzunehmen, beispielsweise mit 20 Kilohertz statt mit 5 Kilohertz.
Es können in einem Flugzeitmassenspektrometer nach mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die originalen Ionen der Ionenquelle, aber auch Tochterionen ausgewählter Elternionen nach deren Fragmentierung aufgenommen werden. Das Verfahren für die Analyse der originalen Ionen sieht im Normalbetrieb mit Zwischenspeicherung beispielsweise so aus:
In der Ionenquelle (1) mit Sprühkapillare (2) werden durch Elektrosprühen bei Atmosphärendruck Ionen erzeugt, die durch eine Kapillare (3) ins Vakuumsystem gebracht werden. Ein Ionentrichter (4) leitet die Ionen in ein erstes HF-Quadrupol-Stabsystem (5), das als einfaches Ionenführungssystem betrieben wird und die Ionen kontinuierlich durch die Eintrittslinse (6) in den Vorratsspeicher (7) einspeist. Der Vorratsspeicher (7) ist gasdicht umschlossen und wird durch die Gaszuführung (8) mit Stoßgas beschickt, um die Ionenbewegungen durch Stöße zu dämpfen und die Ionen in der Achse zu versammeln. Aus dem Vorratsspeicher (7) werden durch die Extraktionsschaltlinse (9) zu vorgegebenen Zeiten Ionen entnommen, in Verbindung mit der Einzellinse (10) zu einem feinem Primärstrahl (11) geformt und zum Ionenpulser (12) geschickt. Die oben erwähnten Verzögerungszeiten beziehen sich stets auf die Zeitdifferenzen zwischen dem Öffnen des Ionenspeichers (7) durch Schalten der Potentiale an der Extraktionslinse (9) und dem Auspulsen der Ionen im Ionenpulser (12) durch Schalten der Potentiale am Ionenpulser (12). Der Ionenpulser (12) pulst einen Abschnitt des Primärionenstrahls (11) orthogonal in die auf hohem Potential befindliche Driftstrecke (13) aus, wodurch der neue Ionenstrahl (14) entsteht. Der Ionenstrahl (14) wird im Reflektor (15) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor (16) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch die Pumpen (17), (18) und (19) evakuiert. Das erfindungsgemäße Verfahren mischt Einzelspektren, die mit verschiedenen Verzögerungszeiten aufgenommen werden, in besonderer Weise so, dass schwere Ionen gesammelt werden, während leichte Ionen gemessen werden.
Sollen Tochterionenspektren selektierter Elternionen mit diesem Verfahren aufgenommen werden, so werden die Elternionen im HF-Quadrupol-Stabsystem (5), das jetzt als Massenfilter betrieben wird, ausgefiltert und mit einer Energie zwischen etwa 30 und 60 Elektronenvolt in den Innenspeicher (7) eingeschossen. Dadurch werden die Ionen durch Stöße mit dem Stoßgas im Innenspeicher (7) fragmentiert, und es können die Einzelspektren der Tochterionen analog zum obigen Verfahren aufgenommen werden. Der Druck des Stoßgases soll zwischen 0,01 und 10 Pascal liegen, optimal liegt der Druck im Ionenspeicher (7) bei etwa einem Pascal, um eine sehr schnelle Dämpfung der Ionen mit einer Zeitkonstanten von etwa 10 Mikrosekunden zu erreichen.
Die Elektrosprüh-Ionenquelle (1) ist hier eine von mehreren Optionen. Es kann beispielsweise auch eine Ionisierung der Probenmoleküle durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI), entweder außerhalb des Vakuumsystems oder aber auch innerhalb des Vakuumsystems, beispielsweise vor dem Ionentrichter (4) der vorgenommen werden. Da bei einer Ionisierung durch MALDI im Wesentlichen nur einfach geladene Ionen entstehen, ist hier eine erfindungsgemäße Messung der Einzelspektren in mehreren Massenbereichen besonders wichtig.
Um die Ionen schneller aus dem Ionenspeicher (7) extrahieren zu können, kann im Ionenspeicher (7) auch ein Potentialgradient in der Achse erzeugt werden, wie es beispielsweise in den Schriften US 6,111,250 (B. A. Thomson und C. L. Jolliffe) oder US 7,164,125 B2 (J. Franzen et al.) beschrieben wird. Besonders günstig ist auch ein quadrupolarer oder hexapolarer Blendenstapel, wie er im Dokument DE 10 2004 048 496 (C. Stoermer et al.) vorgestellt wird. In diesen Fällen kann der Vorratsspeicher auch länger sein, da sich die Ionen durch das innere elektrische Feld vor dem Ausgang des Vorratsspeichers versammeln. Es hat sich allerdings gezeigt, dass durch ein axiales elektrisches Feld die Massendiskriminierung beim Herausziehen der Ionen schärfer wird, wodurch die mit einer bestimmten Verzögerungszeit aufgenommenen Einzelspektren einen jeweils noch kleineren Massenbereich wiedergeben.
Für eine Verringerung der Massendiskriminierung ist es günstiger, einen räumlich kurzen Ionenspeicher (7) zu verwenden, da die Ionen einer Masse dann schneller aus dem Ionenspeicher ausfließen können und sich Ionen verschiedener Massen stärker überlappen. So hat sich ein HF-Quadrupol-Ionenspeicher von nur 20 Millimeter Länge bei sechs Millimeter innerem Scheiteldurchmesser als günstig erwiesen. In Verbindung mit günstig gestalteten elektrischen Durchgriffsfeldern des Potentials der Extraktionslinse (9) ergeben sich kurze Extraktionszeiten mit besserer Überlappung der Ionen verschiedener Massen. Aber auch hier ist es für viele analytische Aufgaben notwendig, das erfindungsgemäße Verfahren der Mischung von Einzelspektren mit verschiedenen Verzögerungszeiten anzuwenden.

Claims

Verfahren zur Aufnahme von Summenspektren aus jeweils addierten Einzelspektren in einem Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Auspulsung der Ionen, in dem ein Ionenspeicher die Ionen zwischenzeitlich sammelt, bevor sie zu einem Ionenpulser entsendet werden, der die orthogonale Auspulsung vornimmt, und in dem für die Aufnahme der verschiedenen Einzelspektren für ein Summenspektrum verschiedene Verzögerungszeiten zwischen dem Öffnen des Ionenspeichers und dem Pulsen des Ionenpulsers verwendet werden, wobei die verschiedenen Verzögerungszeiten jeweils an Ionen verschiedener Massenbereiche angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Serie von p Einzelspektren leichter Ionen aufgenommen wird, wobei schwerere Ionen im Ionenspeicher kumulativ gesammelt werden, und danach eine Serie von q Einzelspektren der schwereren Ionen aufgenommen wird, wobei die Verzögerungszeit bei der Aufnahme der p Einzelspektren leichter Ionen kürzer als die Verzögerungszeit bei der Aufnahme der q Einzelspektren der schwereren Ionen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl p der Einzelspektren leichter Ionen größer als die Anzahl q der Einzelspektren schwererer Ionen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeserien von jeweils p und q Einzelspektren vielfach zyklisch wiederholt werden bis die volle Messzeit für das Summenspektrum erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenspeicher gelegentlich nach der Aufnahme der q Einzelspektren für schwerere Ionen vollständig entleert wird, um die kumulative Ansammlung von sehr schweren Ionen außerhalb des Messbereichs zu vermeiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl p der Einzelspektren leichter Ionen so gewählt wird, dass die schwereren Ionen so lange gesammelt werden, wie es ohne zunehmende Verluste möglich ist, aber wiederum nicht so lange, dass in den anschließend aufzunehmenden Einzelspektren schwererer Ionen diese in so großer Anzahl extrahiert werden, dass die Einrichtung zur Ionendetektion in Sättigung gerät.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl p der Einzelspektren leichter Ionen so beschränkt wird, dass durch das Sammeln der schwereren Ionen keine Raumladung im Ionenspeicher auftritt, die den Extraktionsvorgang behindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl q der Einzelspektren schwererer Ionen so gewählt wird, dass mindestens die Hälfte der während der Aufnahme der p Einzelspektren leichter Ionen gesammelten schwereren Ionen entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich weitere Serien von Einzelspektren für Ionen anderer Massenbereiche aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenspeicher nach dem Öffnen jeweils so schnell wieder geschlossen wird, dass Ionen, die nur geringfügig schwerer sind als die jeweils gerade aufgenommen Ionen, kumulativ gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspektren, die jeweils mit einer bestimmten Verzögerungszeit gemessen werden, zu jeweils einem partiellen Summenspektrum addiert werden, dass die partiellen Summenspektren mit zugehörigen Kalibrierkurven in partielle Massenspektren umgewandelt werden, und dass diese partiellen Massenspektren wieder zu einem Summenmassenspektrum vereinigt werden.