DE102011118052A1

DE102011118052A1 - Züchtung von Obertönen in Schwingungs- Massenspektrometern

Info

Publication number: DE102011118052A1
Application number: DE102011118052A
Authority: DE
Inventors: Claus Köster
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-07-18
Also published as: GB2496515A; US20130112863A1; GB201220150D0

Abstract

Die Erfindung betrifft Messzellen und Messverfahren in Schwingungs-Massenspektrometern, in denen Wolken gleichartiger Ionen in einer Potentialmulde in einer longitudinalen Richtung vollständig entkoppelt von ihren dazu transversalen Bewegungen harmonisch schwingen können. Eine Frequenzanalyse der longitudinalen Schwingungen dieser Ionenwolken, die durch eine Fourier-Analyse der influenzierten Bildströme zwischen zwei Detektionselektroden vorgenommen wird, führt zu Frequenzspektren der Ionen und damit zu Massenspektren. Die Erfindung besteht darin, durch die Lage der Ionenbahnen in Bezug auf die Detektionselektroden und durch die Formgebung der Messzellen in den Schwingungs-Massenspektrometern starke Anteile an Obertönen in den Bildströmen zu erzeugen und die Frequenzsignale der Obertöne auszuwerten. Die Frequenzsignale dieser Obertöne haben im Frequenzspektrum (und daher auch im Massenspektrum) eine vielfach höhere Auflösung und erlauben die Auflösung der Signale von Ionensorten sehr ähnlicher Massen, deren Auflösung durch die Grundschwingung nicht gegeben ist. Die Genauigkeit der Massenbestimmung erhöht sich in gleichem Maße.

Description

Betreff
Die Erfindung betrifft Messzellen und Messverfahren in Schwingungs-Massenspektrometern, in denen Wolken gleichartiger Ionen in einer Potentialmulde in einer longitudinalen Richtung vollständig entkoppelt von ihren dazu transversalen Bewegungen harmonisch schwingen können. Eine Frequenzanalyse der longitudinalen Schwingungen dieser Ionenwolken, die durch eine Fourier-Analyse der influenzierten Bildströme zwischen zwei Detektionselektroden vorgenommen wird, führt zu Frequenzspektren der Ionen und damit zu Massenspektren.
Die Erfindung besteht darin, durch die Lage der Ionenbahnen in Bezug auf die Detektionselektroden und durch die Formgebung der Messzellen in den Schwingungs-Massenspektrometern starke Anteile an Obertönen in den Bildströmen zu erzeugen und die Frequenzsignale der Obertöne auszuwerten. Die Frequenzsignale dieser Obertöne haben im Frequenzspektrum (und daher auch im Massenspektrum) eine vielfach höhere Auflösung und erlauben die Auflösung der Signale von Ionensorten sehr ähnlicher Massen, deren Auflösung durch die Grundschwingung nicht gegeben ist. Die Genauigkeit der Massenbestimmung erhöht sich in gleichem Maße.
Stand der Technik
Früher wurden unter Fourier-Transform-Massenspektrometern (FT-MS) allein die Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS) verstanden. In ihr werden die massenspezifischen Zyklotronbewegungen der Ionen über ihre Bildströme in entsprechenden Detektionselektroden erfasst und durch eine Fourier-Transformation der Bildstromtransienten in ein Spektrum der Zyklotron-Frequenzen umgewandelt. Die Frequenzsignale dieser Spektren werden über mathematische Transformationsfunktionen in Massensignale eines Massenspektrums umgewandelt. Verzerrungen der Frequenzspektren, beispielsweise durch überlagerte Magnetronbewegungen, werden über Einbeziehung von Kalibrationskonstanten in die Transformationsfunktion berücksichtigt.
Es ist aber inzwischen bekannt, dass es eine ganze Reihe von massenspektrometrischen Prinzipien gibt, harmonische Schwingungsbewegungen von Ionen für die Erstellung von Massenspektren auszunutzen und dabei Fourier-Analysen für die Bestimmung der Schwingungsfrequenzen verwenden. Diese Prinzipien zeichnen sich dadurch aus, dass Ionen einer bestimmten Wolkenformation in einer entsprechenden Messzelle in zwei Raumrichtungen durch zentripetal wirkende Kräfte schwingend, kreisend oder fokussiert gespeichert werden, und dass die Ionenwolken in der dritten Raumrichtung in einem harmonischen Potential frei schwingen. Die zentripetal wirkenden Kräfte zur Speicherung der Ionenwolken in den zwei ersten Raumrichtungen können Magnetfelder, hochfrequenzerzeugte Pseudopotentiale oder auch zentripetal wirkende elektrostatische Felder zwischen Zentralelektroden und äußeren Schalenelektroden sein. Die beiden ersten Raumrichtungen werden gewöhnlich als „transversale Richtungen r oder y, x”, die dritte Richtung, in der die Ionen harmonisch schwingen, als „longitudinale Richtung z” bezeichnet.
Im Gegensatz zu ICR-Massenspektrometern wird in diesen „Schwingungs-Massenspektrometern” nicht eine kreisende Zyklotronbewegung der Ionenwolken detektiert, sondern die in einem harmonischen Potential in z-Richtung hin und her schwingende Bewegung. Die Ionen verschiedener Massen schwingen als jeweils kohärent zusammengehaltene Ionenwolken in longitudinaler Richtung mit verschiedenen Frequenzen. Die Schwingungen der Ionenwolken können durch geeignet angebrachte Detektionselektroden in Form influenzierter Bildströme gemessen werden. Die Messung erfolgt in einem sehr empfindlichen Verstärker mit nachfolgender Digitalisierung der Messwerte. Durch eine Fourier-Analyse der zeitlichen Abfolge dieser digitalisierten Bildstromwerte, des so genannten „Bildstromtransienten”, ergibt sich das Spektrum der Schwingungsfrequenzen, die in einem Gemisch schwingender Ionenwolken auftreten. Die Fourier-Analyse wird im Wesentlichen als eine schnelle Fourier-Transformation („FFT”) der Digitalwerte des Bildstromtransienten aus der Zeit-Domäne in die Frequenz-Domäne ausgeführt.
Die Erzeugung von Bildströmen in den Detektionselektroden durch die vorbeifliegenden Ionenwolken ist ein komplexer Vorgang, der sich am einfachsten als eine Erzeugung und Verschiebung von Spiegelladungen in den Detektionselektroden vorstellen lässt. Die Spiegelladung ist eine gedankliche Hilfskonstruktion, die die kapazitiv influenzierte Ladungsverteilung auf der Oberfläche der Detektionselektrode einfach zu verstehen gestattet. Im Allgemeinen werden zwei Detektionselektroden verwendet, die gemessenen Bildströme sind die integralen Ströme zwischen diesen beiden Detektionselektroden aufgrund der von den schwingenden Ionenwolken influenzierten Bewegungen der Oberflächenladungen. Die Stärke der influenzierten Oberflächenladung und ihre Verteilung ist von der Nähe der Ionen zur Detektionselektrode und von Form und Größe der Detektionselektroden abhängig.
Ein harmonisches Potential ist bekanntlich dadurch gekennzeichnet, dass ein Feld aufgespannt wird, das die Ionen bei Auslenkung aus dem Zentrum mit einer abstandsproportionalen Kraft wieder in das Zentrum zurücktreibt. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn das Potential in einem Zentrum ein Minimum besitzt und außerhalb des Zentrums in Richtung der Schwingung exakt parabelförmig ansteigt. Die Potentialmulde aller Schwingungs-Massenspektrometer in longitudinaler Richtung muss immer sehr gut harmonisch ausgeformt sein, damit die Schwingungsfrequenz unabhängig ist von der Amplitude der schwingenden Ionen. Wäre dies nicht der Fall, so würden die Ionen einer räumlich ausgedehnten Wolke sehr schnell auseinanderlaufen und ihre Kohärenz verlieren. Dadurch würden die Bildströme sehr schnell abnehmen und es wäre nicht möglich, lange Bildstromtransienten aufzunehmen. Ein langer Bildstromtransient von mindestens 100 Millisekunden bis zu mehreren Sekunden Länge ist aber für ein hohes Auflösungsvermögen entscheidend, da das Auflösungsvermögen proportional zur Anzahl der erfassten Schwingungen ist.
Zu der Klasse von Schwingungs-Massenspektrometern gehören die mit Bildstrom-Detektoren betrieben dreidimensionalen Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen, die im Patent US 5,625,186 (V. E. Frankevich et al.) beschrieben werden ( ). Eine andere Ausführungsform ( ) verwendet einen Plattenstapel, um ein dreidimensional quadrupolares Feld zu erzeugen, in dem Ionen schwingen können (Y. Wang; EP 0 509 986 ; US 5 283 436 ). Es gibt einige weitere Ausführungsformen, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Auch Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS) können als Schwingungs-Massenspektrometer betrieben werden, wenn es gelingt, in Richtung des Magnetfeldes eine exakt parabolische Potentialmulde zu erzeugen.
Zu den Schwingungs-Massenspektrometern gehören aber insbesondere die elektrostatischen Kingdon-Massenspektrometer, in denen Ionen einerseits in einem elektrischen Radialfeld um eine innere Elektrode umlaufen und andererseits während ihres Kreiselns in einer dazu senkrechten Richtung in einem elektrischen Potentialtopf schwingen ( ). Diese Art der Kingdon-Ionenfallen ist aus der Patentschrift US 5,886,346 (A. A. Makarov) bekannt und wird unter dem Namen „Orbitrap^®” von der Firma Thermo-Fisher Scientific GmbH (Bremen) vertrieben. Die überlagerten Potentiale werden hier durch eine geeignete Ausformung zweier Elektroden erzeugt, einer inneren Spindel und einer äußeren Schale. Die beiden Bewegungen in transversaler Richtung und in longitudinaler Richtung sind bei präziser Formung der Elektroden vollständig voneinander entkoppelt. Diese Kingdon-Ionenfallen sollen in dieser Beschreibung als „Kingdon-Umlauf-Ionenfallen” oder kurz als „Umlauf-Fallen” bezeichnet werden, weil die Ionen um die innere Elektrode herum kreisen.
Es lassen sich jedoch weitere Schwingungs-Massenspektrometer aus der Klasse der elektrostatischen Kingdon-Ionenfallen konstruieren. Es können insbesondere Kingdon-Ionenfallen konstruiert werden, in denen die Ionen transversal in einer Ebene zwischen einem oder mehreren Paaren von inneren Elektroden pendeln können, wie sie im Dokument DE 10 2007 024 858 B4 (C. Köster) detailliert beschrieben und in beispielhaft dargestellt sind. Diese Ionenfallen werden im weiteren Text als „Kingdon-Pendel-Ionenfallen” oder kurz als „Pendel-Fallen” bezeichnet.
Die in den Detektionselektroden dieser Schwingungs-Massenspektrometer influenzierten Bildströme können Obertöne enthalten, da zwar die Oszillationsbewegungen der Ionenwolken im harmonischen Feld in zeitlicher Projektion streng sinusförmig sein müssen, nicht aber die von ihnen influenzierten Bildströme. Die Bildströme hängen von Abstand der Ionenwolken von den Detektionselektroden, von der Geschwindigkeit der Ionenwolken und von der Form und Größe der Detektionselektroden ab. Je nach geometrischer Anordnung und Form der Detektionselektroden und der Lage und Nähe der vorbei fliegenden Ionen kann dabei der Bildstrom einer harmonisch schwingenden Ionenwolke von einer Sinusschwingung abweichen und daher mehr oder wenige Obertöne enthalten, die sich in der Fourier-Analyse zeigen. In guten Schwingungs-Massenspektrometern sind die Obertöne im Spektrum kaum jemals zu sehen, da man im Allgemeinen versucht, durch Formgebung und Betrieb diese Obertöne zu vermeiden oder mindestens zu minimieren. Die Obertöne verkomplizieren das Spektrum und stören die Auswertung, obwohl sie höhere Auflösungen bieten als die Grundschwingung. In Dokument DE 10 2007 009 272 B3 (J. Franzen; entsprechend US 7,888,633 B2 ) wird beschrieben, wie man restliche Obertonanteile in den Frequenzspektren auffinden und beseitigen kann. Die Obertöne oder auch „Oberschwingungen” werden auch „höhere harmonische Schwingungen” genannt, wobei die „erste Oberschwingung” (doppelte Frequenz) als „zweite harmonische Schwingung” bezeichnet wird.
Die Schwingungs-Massenspektrometer verlangen ein sehr gutes Hochvakuum, damit die harmonisch schwingenden Ionenwolken während der Messdauer nicht durch eine Vielzahl an Stößen diffus auseinander laufen. Sie verlangen des Weiteren gute Einschussbedingungen für die Ionen, damit diese in geeignet geformten Ionenwolken eingefangen werden können. Einschussarten in Kingdon-Ionenfallen hinein werden in Dokument DE 10 2009 020 886 A1 (C. Köster und J. Franzen; entsprechend US 2010-0301204-A1 ) beschrieben; es sind aber andere Arten des Einschusses bekannt. Schwingungs-Massenspektrometer zeigen als Charakteristikum eine hohe Massenauflösung in der Größenordnung von R = m/Δm = 50000 für Ionen mit einer ladungsbezogenen Masse m/z = 1000 atomaren Masseneinheiten, wobei m die Masse und Δm die Halbwertsbreite des Massensignals ist. Je nach Art des Schwingungsmassenspektrometers nimmt die Auflösung in etwa reziprok zur ladungsbezogenen Masse m/z (bei Schwingungen in Pseudopotentialmulden), oder reziprok zur Wurzel aus der Masse m/z ab (bei Schwingungen in realen Potentialmulden). Trotz dieser Abnahme der Auflösung zu höheren Massen bin sind sie bevorzugt für die Untersuchung größerer organischer Moleküle geeignet, da sie prinzipiell keine obere Massengrenze aufweisen. Größere organische Moleküle werden dabei in der Regel durch Elektrosprühen (ESI) oder durch matrix-unterstützte Laserdesorption (MALDI) ionisiert. Das Elektrosprühen erzeugt die Ionen durch Protonierung der Moleküle der Untersuchungssubstanz; im Allgemeinen werden dabei nicht nur einfach geladene, sondern durch mehrfache Protonierung in starkem Maße auch mehrfach geladene Ionen erzeugt. MALDI erzeugt im Wesentlichen nur einfach protonierte Ionen.
In der ICR-MS werden die Bildströme der auf Zyklotron-Bahnen umlaufenden Ionen durch zwei einander gegenüberliegende Längselektroden gemessen, die zusammen mit zwei Anregungselektroden einen längs mehrfach aufgeteilten Zylinder ergeben. Es ist mehrfach versucht worden, die Auflösung dieser ICR-MS dadurch zu erhöhen, dass man nicht zwei, sondern vier, sechs oder sogar acht Detektionselektroden verwendet. Die daran vorbeifliegenden Ionen ergeben dann eine doppelte, dreifache oder vierfache Frequenz, und damit eine entsprechend höhere Auflösung. Die Versuche sind bisher weitgehend gescheitert, wohl weil sich die Kohärenz der Ionenwolken nicht genügend gut erhalten ließ.
In der Massenspektrometrie wird durchwegs nicht die Masse bestimmt, sondern immer nur das Verhältnis aus Masse m zu Anzahl z überschüssiger Ladungen der untersuchten Ionen. Es wird also immer nur der „ladungsbezogen Massenanteil” m/z der Ionen bestimmt, wobei m die physikalische Masse und z die Anzahl der nicht kompensierten Elementarladungen der Ionen sind. Wenn hier einer der Terme „Masse der Ionen”, „Ionenmasse” oder auch nur kurz „Masse” gebraucht wird, ist damit in der Regel die ladungsbezogene Masse m/z gemeint.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, in Schwingungs-Massenspektrometern bei gegebener Messzeit Frequenzspektren höherer Auflösung zu erzeugen, als sie mit üblichen Geräten oder Verfahren zu erzielen sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung besteht darin, durch die Lage der Ionenbahnen in Bezug auf die Detektionselektroden und durch die Formgebung der Messzellen in den Schwingungs-Massenspektrometern wesentliche Anteile von Oberschwingungen in den Bildströmen zu erzeugen. Die Obertöne haben im Frequenzspektrum (und daher auch im Massenspektrum) eine vielfach höhere Auflösung und erlauben daher die Auflösung der Signale von Ionensorten sehr ähnlicher Massen, deren Auflösung durch die Grundschwingung nicht gegeben ist. In gleichem Maße steigt auch die Genauigkeit der Massenbestimmung.
In Kingdon-Ionenfallen, die hier als Beispiele eingehender behandelt werden, wird die Lage der Ionenbahnen nebst anderem durch den Ort bestimmt, an dem die Ionen eingeführt werden; die Lage kann aber auch durch die Betriebsweise beeinflusst werden.
Die Erfindung besteht also im Wesentlichen darin, die gewöhnlich möglichst gut unterdrückten Obertöne willentlich durch Betriebsweise und Formgebung der Schwingungs-Massenspektrometer im Verhältnis zur Grundschwingung stark hervorzuheben, da beispielsweise die dritte harmonische Schwingung eine dreifache Massenauflösung, die fünfte harmonische sogar eine fünffache Massenauflösung ergibt. Wird für eine Ionensorte in der Grundschwingung eine Frequenzauflösung von R = 50000 erzielt, so bietet die dritte harmonische Schwingung bereits eine Auflösung von R = 150000, die fünfte harmonische eine solche von R = 250000. Durch die Betriebsweise der Schwingungs-Massenspektrometer, insbesondere durch die Lage der Ionenbahnen in Bezug auf die Detektionselektroden, und durch die Formgebung der Schwingungs-Massenspektrometer mit ihren Detektionselektroden ist es möglich, die Bildströme für den Bildstromtransienten so zu verformen, dass die dritte harmonische oder sogar die fünfte harmonische Schwingung wesentliche Anteile des Frequenzspektrums bildet.
Bei einer symmetrischen Verzerrung zwischen der Lage der Ionenbahnen und der Anordnung der Detektionselektroden, die hier bevorzugt wird, treten Obertöne auf, die ungerade Vielfache der Frequenz der Grundschwingung sind. Es treten somit Frequenzen auf, die dem Drei-, Fünf- und Siebenfachen der Grundfrequenz entsprechen. Bei unsymmetrischer Verzerrung treten auch die geraden Vielfachen der Grundfrequenz auf, also Frequenzen mit der doppelten, vier- und sechsfachen Frequenz der Grundschwingung.
Die Signale von Oberschwingungen können mit den Signalen mehrfach geladener Ionen verwechselt werden, vor allem, wenn nicht jeweils die gesamte Isotopengruppe gemeinsam betrachtet wird. Die Signale der Oberschwingungen sind an den größeren Abständen der Isotopenpeaks zu erkennen; zur sicheren Erkennung der Signale von Oberschwingungen wird aber zusätzlich, wie im bereits zitierten Dokument DE 10 2007 009 272 B3 beschrieben, für jedes Frequenzsignal untersucht, ob es dazu Oberschwingungen gibt oder ob es selbst eine Oberschwingung zu einem als Grundschwingung vorhandenem Frequenzsignal ist. Zur sicheren Identifizierung der Signale als Oberschwingungen sind dann zusätzlich die Signale der anderen Ionen der gleichen Isotopengruppe hinzuzunehmen. Diese Isotopensignale haben bei gleicher Breite ganz andere Abstände als die Signale entsprechend mehrfach geladener Ionen, müssen aber die gleichen Signalhöhenverhältnisse aufweisen wie die Isotopensignale der Ionen in Grundschwingung. Es ist zweckmäßig, ein instrumentenspezifisches Spektrum der Oberschwingungen (sozusagen das „Klangspektrum” dieser Spektrenaufnahme) aufzunehmen und die Kenntnis der Signalhöhenverhältnisse der Oberschwingungen zueinander zur weiteren Absicherung der Identifizierung heranzuziehen. Dieses Verfahren der sicheren Erkennung und damit auch der Nutzung von Oberschwingungen kann von Computerprogrammen automatisch ausgeführt werden.
Es können nach Klassifizierung aller Signale als Grund- oder Oberschwingungen durch mathematische Filterung Frequenzspektren erzeugt werden, die nur die Oberschwingungen der n-ten Ordnung enthalten. Diese Frequenzspektren zeigen, wenn sie sich genügend weit aus dem Rauschen herausheben, eine n-fache Auflösung und erlauben eine n-fach genauere Massenbestimmung.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die bis zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von Schwingungs-Massenspektrometern mit harmonischem Potential in einer Raumrichtung, die sich jeweils durch die Art des Speicherns von Ionen durch radiale Kräfte in den beiden anderen Raumrichtungen unterscheiden. Sie entsprechen alle dem Stand der Technik. Die Anordnungen in den und verwenden durch Hochfrequenzspannungen erzeugte Pseudopotentiale als harmonische Potentiale für die massenspezifischen Schwingungen, während in den und elektrostatische Potentialmulden für die Schwingungen zur Verfügung stehen.
zeigt eine dreidimensionale Ionenfalle nach Frankevich et al. (oben zitiert), deren Endkappen (30, 31) zentral zwei Bildstromdetektoren (33, 34) umschließen. Eine Hochfrequenzspannung an der Ringelektrode (32) speichert die Ionen. Die gespeicherten Ionenwolken können durch Anregungspulse verschiedener Art an den Endkappenelektroden (30, 31) in Schwingungen versetzt werden. Die Ionenwolken (35), (36) und (37) mit Ionen verschiedener Masse schwingen dann in Richtung z zwischen den Endkappen (30) und (31) hin und her und die Bildströme ihrer Schwingungen in den Bildstromdetektoren (33) und (34) können von einem Messsystem erfasst werden.
gibt eine dreidimensionale Ionenfalle nach Wang (oben zitiert) wieder, die aus einzelnen Blenden (41 bis 45) als Stapel aufgebaut ist. Der angeschnitten gezeigte Blendenstapel hat im Inneren einen aus den Blenden ausgeschnittenen, leeren Doppelkegel, in dem durch Anlegen der beiden Hochfrequenzphasen Acos(ωt) und –Acos(ωt) an den Blenden ein Quadrupolfeld erzeugt werden kann, das dem Quadrupolfeld der in wiedergegebenen Ionenfalle praktisch vollkommen gleicht. Die Ionenwolken (48) können hier zwischen den Platten (41) und (45) in Richtung (49) schwingen. Die Blenden (42) und (44) liegen auf Nullpotential und können als Bildstromdetektoren benutzt werden. Die Bildströme können in der Elektronikeinheit (47) verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet werden.
zeigt die Messzelle eines Kingdon-Massenspektrometers nach Makarov (oben zitiert), in der alle Potentiale rein elektrostatisch erzeugt werden. Die Ionen werden durch die Öffnung (13) eingeführt und laufen in einem äußeren Gehäuse, das aus zwei Halbschalen (10) und (11) besteht, auf Kreisbahnen um die spindelförmige Mittelelektrode (12) herum und sind so radial eingefangen. Die ringförmig umlaufenden Ionenwolken (14) schwingen dann in Längsrichtung hin und her und erzeugen schraubenförmige Bewegungsmuster. Die in der Mitte in die beiden Halbschalen (10) und (11) geteilte Außenelektrode wird als Bildstromdetektor verwendet.
In ist die Messzelle eines Kingdon-Massenspektrometers nach Koester (oben zitiert) wiedergegeben. Die durch eine Öffnung (5) in der Halbschale (1) eingeführten Ionenwolken (6) schwingen in einer Ebene zwischen den beiden Innenelektroden (3) und (4) auf und ab, und schwingen gleichzeitig harmonisch in Längsrichtung. Die Bildströme, die von den Ionenwolken (6) influenziert zwischen den beiden äußeren Gehäuseelektroden (1) und (2) fließen, werden gemessen und digitalisiert.
Die und zeigen, wie die Lage der Ionenbahnen innerhalb der Kingdon-Ionenfalle nach Koester ( ) durch Änderung des Betriebsverfahrens verändert werden kann. Gegenüber den Ionenbahnen in sind die Schwingungsweiten der Ionenwolken (6) in der Ebene zwischen den beiden Innenelektroden (3) und (4) verringert, weil nach Einführung der Ionen die Spannung zwischen Innen- und Außenelektroden erhöht wurde. Die Ionenbahnen der erzeugen weniger Obertöne in den Bildströmen als die Ionenbahnen der .
Die beiden und zeigen, wie die Lage der Ionenbahnen durch die Wahl der Position der Einführungsöffnung (5) verändert werden kann. Außerdem ist in gezeigt, wie die Bildströme durch die beiden Teilstücke (3a) und (3b) der geteilten Innenelektroden gemessen werden kann, wodurch sich wesentlich mehr Obertöne in den Bildströmen ergeben. Die zweite Innenelektrode (4) ist in der Zeichnung nicht sichtbar, ihre Lage vor der Innenelektrode (3) ist aber in dargestellt. Diese zweite Innenelektrode (4) sollte ebenfalls geteilt sein und an der Messung teilnehmen.
Die und geben wieder, wie die Lage der Ionenbahnen zu den Detektionselektroden durch Veränderung der Form von Innen- und Außenelektrode verändert werden kann. Bei der schlankeren Form der Kingdon-Ionenfalle nach ist außerdem das äußere Gehäuse in vier Detektionselektroden (1), (7), (8) und (2) geteilt, die in verschiedener Weise zur Messung herangezogen werden können. Werden allein die Detektionselektroden (7) und (8) verwendet, so werden mehr Obertöne in den Bildströmen erzeugt. Werden jeweils die Elektroden (1) und (8) und die Elektroden (2) und (9) zusammengeschlossen und so zur Messung der Bildströme verwendet, so wird als Grundfrequenz die doppelte Schwingungsfrequenz der Ionenwolken gemessen; außerdem gibt es Obertöne dieser Grundfrequenz.
zeigt schematisch, wie eine Veränderung der Bildstromkurven einer Ionenwolke deren Frequenzspektrum (unten) beeinflusst. Erzeugt eine Ionenwolke eine reine Sinusschwingung des Bildstroms (oben), so ergibt sich aus zwei Ionenwolken mit Ionen sehr ähnlicher Masse nur die Peakgruppe A des Frequenzspektrums, die zwei unaufgelöst überlagerte Signale enthält. Wird die Bildstromkurve, die durch eine Ionenwolke influenziert wird, dagegen so verzerrt, wie in der Mitte des Bildes zu sehen, ergibt sich aus den beiden Ionenwolken ähnlicher Masse ein Spektrum mit den zusätzlichen Oberton-Peakgruppen B, C und D dritter bis siebter Ordnung und wesentlich höherer Frequenzauflösung, wie durch die Vergrößerung der Signalabstände von a bis 7a zu ersehen ist.
zeigt ein gemessenes Frequenzspektrum der doppelt geladenen Ionen von Bombesin mit Oberschwingungen dritter und fünfter Ordnung, aufgenommen in der Pendelfalle nach Koester, wie sie in dargestellt ist. Das Auflösungsvermögen für die Grundschwingung beträgt hier R_ω,1 = 35000; die Oberschwingung dritter und fünfter Ordnung bieten Auflösungen von R_ω,3 = 105000 und R_ω,5 = 175000.
Beste Ausführungsformen
Wie oben schon kurz beschrieben, besteht die Erfindung darin, in Schwingungs-Massenspektrometern starke Oberschwingungen in den Bildströmen heranzuzüchten und für eine bessere Massenseparierung und Massengenauigkeit auszunutzen. Diese Obertöne haben im Frequenzspektrum eine mehrfach höhere Frequenz ω und damit bei gleicher Halbwertsbreite Δω eine mehrfach höhere Frequenzauflösung R_ω = ω/Δω. Sie erlauben daher, wie in schematisch gezeigt, die Auflösung der Signale von Ionensorten sehr ähnlicher Massen, deren Auflösung in der Grundschwingung nicht gegeben ist. Die höhere Auflösung bleibt auch im Massenspektrum erhalten. Mit höherer Massenauflösung steigt in gleichem Maße auch die Genauigkeit der Massenbestimmung.
Die Erfindung besteht also ganz wesentlich darin, die üblicherweise möglichst gut unterdrückten Obertöne willentlich durch Betriebsweise und Formgebung der Schwingungs-Massenspektrometer im Verhältnis zur Grundschwingung stark hervorzuheben. Die dritte harmonische Schwingung zeigt eine dreifache, die fünfte harmonische sogar eine fünffache Massenauflösung. Wird für eine Ionensorte, wie in anhand einer Messung der doppelt geladenen Ionen von Bombesin zu sehen, in der Grundschwingung eine Auflösung von R = 35000 erzielt, so bietet die dritte harmonische Schwingung bereits eine Auflösung von R = 105000, die fünfte harmonische eine solche von R = 175000. Die Messung wurde in einem Kingdon-Massenspektrometer nach ausgeführt.
Im Weiteren werden die detaillierteren Beschreibungen anhand von Kingdon-Massenspektrometern nach , also für Pendel-Kingdon-Ionenfallen, gegeben. Diese Einschränkung soll allerdings die Erfindung nicht auf diesen Typ von Schwingungs-Massenspektrometern einschränken.
Ein verstärktes Auftreten von Obertönen in den Bildströmen kann durch Veränderungen in der Lage der Bahnen von Ionenwolken in Bezug auf die Detektionselektroden erreicht werden, wie sie in den bis beispielhaft dargelegt sind. Auch Veränderungen in der Form der Detektionselektroden können zu den Obertönen beitragen. In der wird beispielsweise gezeigt, wie geteilte Innenelektroden (3a) und (3b) zur Messung von Bildströmen mit hohem Obertongehalt verwendet werden können; in ist ein in vier Detektionselektroden (1), (7), (8) und (2) aufgeteiltes Gehäuse gezeigt. Durch veränderte Betriebsweisen der Schwingungs-Massenspektrometer können Lageverschiebungen der Ionenbahnen in Bezug auf die Detektionselektroden erzwungen werden. Durch Kombinationen aus diesen Maßnahmen kann erreicht werden, dass die dritte harmonische oder sogar die fünfte harmonische Schwingung wesentliche Anteile des Frequenzspektrums bilden. Die ungeraden Ordnungen der Oberschwingungen ergeben sich durch symmetrische Veränderungen der Lage der Ionenbahnen und der Detektionselektroden. Bei unsymmetrischen Veränderungen treten auch die geraden Vielfachen der Grundfrequenz auf, also Frequenzen mit der doppelten, vier- und sechsfachen Frequenz der Grundschwingung. Werden unsymmetrische Veränderungen vermieden, so sind die geraden Ordnungen der Obertöne nicht zu sehen. Mit mehrfach geteilten Detektionselektroden lassen sich auch doppelte Grundfrequenzen erzeugen.
Es soll hier betont werden, dass die Obertöne nicht durch eine nicht-harmonische Verzerrung der longitudinalen Schwingungen erzeugt werden dürfen, da dann sehr schnell die Kohärenz der Ionen in den Ionenwolken verloren geht. Es muss also die Potentialmulde in longitudinaler Richtung eine exakt parabolische Form behalten.
Die willentliche Erzeugung von Obertönen ist dem Versuch ähnlich, in der ICR-MS durch Vervielfachung der Detektionselektroden höhere Frequenzen zu messen, zeigt aber in der Praxis wesentlich bessere Erfolge. Es lassen sich in Schwingungs-Massenspektrometern aber auch durch mehrfache Teilung der Detektionselektroden, wie in gezeigt, höhere Frequenzen erzeugen.
Die Erzeugung von Bildströmen in den Detektionselektroden durch die vorbei fliegenden Ionenwolken ist ein komplexer Vorgang, der gewöhnlich durch das Bild der Erzeugung und Verschiebung von Spiegelladungen in den Detektionselektroden dargestellt wird. Wie einleitend schon angemerkt, ist die Spiegelladung eine gedankliche Hilfskonstruktion, die die kapazitiv influenzierte Ladungsverteilung auf der Oberfläche der Detektionselektrode für ebene Flächen einfach zu verstehen gestattet. Die Spiegelladung an einer ebenen Fläche sorgt dafür, dass die elektrischen Feldlinien senkrecht auf der Oberfläche aufsetzen. In realiter gibt es die Spiegelladung nicht; eine Verteilung von Ladungen auf der Oberfläche sorgt für die senkrecht aufsetzenden Feldlinien; eine leitende Oberfläche selbst muss ja eine Äquipotentialfläche sein. Eine vorbeifliegende elektrische Ladung erzeugt somit eine Verschiebung, Verstärkung oder Abschwächung dieser Ladungsverteilung auf der Oberfläche und erzeugt damit einen Bildstrom, der längs der Oberfläche, aber insbesondere für den Nachschub an Ladung auch durch das Innere der Elektrode und besonders zwischen zwei benachbarten Elektroden fließen kann.
Im Allgemeinen werden zwei Detektionselektroden verwendet; die gemessenen Bildströme sind die integralen Ströme zwischen diesen beiden Detektionselektroden aufgrund der von den schwingenden Ionenwolken influenzierten Bewegungen, Verstärkungen und Abschwächungen der Oberflächenladungen. Die influenzierte Oberflächenladung und ihre Verteilung ist (quadratisch) von der Nähe der Ionen zur Detektionselektrode und von Form und Größe der Detektionselektroden abhängig. Schwingt beispielsweise eine Ionenwolke dicht vor zwei Detektionselektroden hin und her und ist die Schwingungsweite der Ionenwolke sehr viel größer als ihr vertikaler Abstand zu den Detektionselektroden, wie es insbesondere in der Anordnung nach der Fall ist, so wird sich kaum ein Strom zeigen, solange sich die Ionenwolke weit entfernt vom Spalt nur über einer der beiden Detektionselektroden bewegt. Erst wenn die Ionenwolke von ihrer Schwingung zurückkommend den Spalt überquert, gibt es einen Stromstoß des Bildstroms. Die Bildstromkurve ist somit stark von einer Sinuskurve verschieden und zeigt bei ihrer Analyse starke Obertonanteile. Ist andererseits die schwingende Ionenwolke so weit von den Detektionselektroden entfernt, wie es in etwa ihrer Schwingungsweite entspricht, so wird eine annähernd sinusförmige Bildstromkurve erzeugt. Diese Situation ist in wiedergegeben, in der die Bahnen der Ionenwolken nach Einführung der Ionen durch Vergrößerung der Spannung zwischen Innenelektroden und Gehäuseelektroden geschrumpft wurden; hier gibt es kaum Obertöne der Bildströme. Mit dieser einfachen Kenntnis lässt sich, entweder in Simulationen oder durch geeignete Experimente, ein Gerät zur Erzeugung besonders obertonreicher Bildstromtransienten konstruieren. Insbesondere können die Detektionselektroden auch so gestaltet sein, dass sie nicht die volle Schwingungsweite der Ionenwolken abdecken, wie die Detektionselektroden (7) und (8) in . Auch diese Maßnahme trägt zur Stärkung von Obertönen bei.
Auch die Position der Öffnung für die Einführung der Ionen kann Einfluss auf den Obertongehalt der Bildströme haben. In den und sind zwei Beispiele gezeigt. Die Kingdon-Ionenfallen können auch schlanker oder fetter ausgeführt werden, wie in den und dargestellt; auch diese Formänderungen wirken sich auf den Obertongehalt aus. In ist eine schlanke Kingdon-Ionenfalle dargestellt, deren äußere Elektroden in vier Teilstücke (1), (7), (8) und (2) geteilt ist. Werden allein die Detektionselektroden (7) und (8), oder auch allein die Elektroden (1) und (2) zur Detektion verwendet, erhält man hohe Anteile an Obertönen. Schließt man die Elektroden (1) und (8), und die Elektroden (7) und (2) jeweils zusammen und misst den Strom zwischen diesen Paaren von Elektroden, so misst man im Wesentlichen die doppelte Schwingungsfrequenz der Ionen, nebst Obertönen dieser doppelten Frequenz.
Besonders hohe Anteile an Obertönen in den Frequenzspektren erhält man, wenn man in Kingdon-Ionenfallen nicht geteilte äußere Elektroden, sondern geteilte innere Elektroden als Detektionselektroden verwendet, wie in dargestellt. Man kann beispielsweise die Ionenfallen nach den und beide jeweils so betreiben, dass sich die inneren Elektroden auf Grundpotential und die äußeren Gehäuse auf hohen Spannungen befinden. Es ist dann besonders einfach, mit geteilten Innenelektroden (3a) und (3b) als Bildstromdetektoren zu arbeiten und die Bildströme zwischen den Detektionselektroden zu messen. Die hohen Anteile an Obertönen entstehen, weil sich die Ionenwolken in der Nähe des Spaltes zwischen den Detektionselektrode am nächsten an diesen befinden und den Spalt sehr schnell passieren, es gibt somit eine drastische, kurzfristige Änderung des Bildstroms, wenn die Ionenwolken bei ihrer longitudinaler Schwingung am Spalt vorbeifliegen. Der zeitliche Ablauf des Bildstroms einer schwingenden Ionenwolke ist daher weit von der Form einer Sinusschwingung entfernt und enthält hohe Obertonanteile.
Treten in den Frequenzspektren Signale von Oberschwingungen auf, so können sie gelegentlich und bei unkritischer Betrachtung mit den Signalen mehrfach geladener Ionen verwechselt werden, wie sie beispielsweise durch Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) erzeugt werden. Die Signale der Oberschwingungen haben die gleiche Breite wie die Signale von Ionenwolken in Grundschwingung mit ähnlicher Frequenz. Die Signale der Oberschwingungen sind aber an ihrer besseren Auflösung zu erkennen, also an wesentlich höheren Abständen der Signale einer Isotopengruppe; zur sicheren Erkennung der Oberschwingungen ist es aber zweckmäßig, für jedes Frequenzsignal zu untersuchen, ob es dazu Oberschwingungen gibt oder ob es selbst eine Oberschwingung zu einem als Grundschwingung vorhandenem Frequenzsignal ist. Das Verfahren ist im oben bereits zitierten Dokument DE 10 2007 009 272 B3 beschrieben. Zur sicheren Identifizierung der Signale als Oberschwingungen können zusätzlich die Signale der anderen Ionen der gleichen Isotopengruppe hinzugenommen werden, die mehrfach weitere Abstände zeigen, als die von mehrfach geladenen Ionen. Die Signalintensitäten müssen des Weiteren das charakteristische Muster der Isotopenverteilung für dieses Molekül zeigen.
Auch kann mit dem Schwingungs-Massenspektrometer, das nach dieser Erfindung verändert wurde, ein instrumenten- und verfahrensspezifisches Spektrum der Oberschwingungen (sozusagen das „Klangspektrum” dieser Spektrenaufnahme) aufgenommen werden, und die Kenntnis der Signalhöhenverhältnisse der Oberschwingungen zueinander kann zur weiteren Absicherung der Identifizierung herangezogen werden. Dieses Verfahren der sicheren Erkennung und damit auch der Nutzung von Oberschwingungen kann von Computerprogrammen automatisch ausgeführt werden. Insbesondere können durch mathematische Filterung Frequenzspektren erzeugt werden, die nur die Oberschwingungen der n-ten Ordnung enthalten. Diese Spektren zeigen, wenn sie sich genügend weit aus dem Rauschen herausheben, eine n-fache Auflösung und erlauben eine n-fach genauere Massenbestimmung.
Die Zusammenhänge zwischen den Schwingungsfrequenzen und den zugehörigen Ionenmassen sind im Prinzip für jedes Schwingungs-Massenspektrometer bekannt. Das gilt auch für die Obertonfrequenzen. Die Transformationsfunktionen hängen von der Art des Potentials ab, in dem die Ionen schwingen, und damit von der Art des Schwingungs-Massenspektrometers.
Bei Schwingungen in hochfrequenzerzeugten Pseudopotentialen ( und ) sind die Massen näherungsweise reziprok zu den Schwingungsfrequenzen. Eine geschlossene analytische Umrechnungsformel gibt es hier nicht, es sind aber, abgeleitet aus den Mathieuschen Differentialgleichungen, Näherungsgleichungen bekannt, die eine beliebig genaue Umrechnung erlauben. Die n-ten Oberschwingungen liefern hier bei kritikloser Umrechnung scheinbare Ionenmassen, die in der Nähe der ladungsbezogenen Massen m/z der mehrfach geladenen Ionen mit z = n liegen, nicht aber deren durch mehrfache Protonierung veränderte Masse zeigen.
Bei Schwingungs-Massenspektrometern mit elektrostatischen Potentialen ( und ) ergeben sich die Ionenmassen reziprok zum Quadrat ihrer Schwingungsfrequenz. Hier können die Signale der ersten Oberschwingung, also der zweiten harmonischen Schwingung, bei unkritischer Betrachtung die Signale vierfach geladener Ionen vortäuschen, allerdings ohne die Massen der zusätzlichen drei Protonen, die bei vierfach durch Protonen geladenen Ionen vorhanden sind, und mit weit auseinander gezogenem Muster der Isotopengruppe. Wenn diese Schwingungs-Massenspektrometer mit einer Ionisierung der zu untersuchenden Moleküle durch Elektrosprühen betrieben werden, so kommen stets mehrfach geladene Ionen vor, und es können die Obertöne übersehen werden. Das Elektrosprühen erzeugt beispielsweise durch vierfache Protonierung vierfach geladene Ionen (m + 4)⁴⁺, wobei m die Masse des Moleküls ist. Die ladungsbezogenen Massen m/z dieser Ionen betragen also (m + 4)/4. Dagegen liefert die erste Oberschwingung der einfach protonierten Ionen Ionensignale bei der Masse (m + 1)/4, was nahe an den Massen mehrfach geladener Ionen liegt. Da aber die Ionen organischer Moleküle stets eine Isotopengruppe mit drei, vier oder fünf Signalen bilden, deren Ionensignale den Abstand je einer Masseneinheit zeigen, kann durch Untersuchungen schnell gefunden werden, dass Oberschwingungen auftreten. Die Gefahr einer Verwechslung ist klein: erstens werden die Signale der Obertöne auch an ihrer wesentlich höheren Auflösung erkennbar, und zweitens treten Oberschwingungen der zweiten Ordnung sehr selten auf. Sie sind leicht zu vermeiden. Bei höheren Obertönen ist eine Verwechslung praktisch ausgeschlossen.
Es sind viele Arten von Schwingungs-Massenspektrometern denkbar, von denen aber bisher nur wenige verwirklicht wurden. Die wohl älteste Art eines Schwingungs-Massenspektrometers ist die Fourier-Transform-Ionenfalle, die im oben zitierten Patent US 5,625,186 (V. E. Frankevich et al.) beschrieben und vor etwa zehn Jahren in der Arbeitsgruppe von Prof. Graham Cooks untersucht wurde. Die Anordnung ist in wiedergegeben. Sie hat wegen erheblicher Schwierigkeiten, die winzigen Bildströme in der Gegenwart hoher Hochfrequenzspannungen zu detektieren, keine kommerzielle Anwendung gefunden. Die Hochfrequenzspannung der Ringelektrode induziert in den Bildstromdetektor-Elektroden erhebliche Hochfrequenzspannungen, die sauber ausgefiltert werden müssen. In diesen Massenspektrometern wurden bisher keine Oberschwingungen gefunden.
Das bisher einzige Schwingungs-Massenspektrometer, das kommerziell erhältlich ist, ist das Orbitrap-Massenspektrometer der Firma Thermo-Fisher, dessen Prinzip in gezeigt ist. Dieses kann so präzise hergestellt und so betrieben werden, dass keine messbaren Oberschwingungen auftreten. Wie alle Kingdon-Massenspektrometer hat auch diese Ausführungsform den Vorteil, keine Hochfrequenzspannungen zu verwenden, die die Detektion der Bildströme stören könnten. Bisher ist nicht bekannt geworden, ob sich mit dieser Anordnung in geeigneter Weise Obertöne in den Bildströmen generieren lassen.
Die Aufzählung der Schwingungs-Massenspektrometer ist nicht vollständig, es können von Fachleuten weitere Prinzipien gefunden werden, insbesondere auch rein elektrostatisch arbeitende Prinzipien. Dabei wird es immer Prinzipien geben, die zur Verstärkung der Obertonanteile in den Frequenzspektren beitragen, so dass diese Erfindung helfen kann, Massenspektren sehr hoher Massenauflösung und Massengenauigkeit zu erzeugen.
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

US 5625186 [0008, 0047]
EP 0509986 [0008]
US 5283436 [0008]
US 5886346 [0009]
DE 102007024858 B4 [0010]
DE 102007009272 B3 [0011, 0020, 0042]
US 7888633 B2 [0011]
DE 102009020886 A1 [0012]
US 2010-0301204 A1 [0012]

Claims

Schwingungs-Massenspektrometer mit einer Messzelle, in der Ionenwolken harmonisch schwingen können, und mit einer Einrichtungen zur Messung der Bildströme, die durch die Ionenwolken in Detektionselektroden der Messzelle influenziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ausformung der Messzelle mit den Detektionselektroden und durch die Lage der Ionenbahnen zu den Detektionselektroden wesentliche Anteile an Oberschwingungen in den Bildströmen erzeugt werden.
Schwingungs-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle als Kingdon-Ionenfalle ausgeführt ist.
Schwingungs-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der äußeren Gehäuseelektroden eine Öffnung zur Einführung der Ionen vorhanden ist und die Position der Öffnung so angeordnet ist, dass durch die schwingenden Ionenwolken Obertöne in den Bildströmen generiert werden.
Schwingungs-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse der Kingdon-Ionenfallen quer zur Richtung der harmonischen Schwingungen der Ionenwolken in mindestens zwei Elektroden geteilt ist und dass diese Elektroden als Detektionselektroden für die Einrichtung zur Messung der Bildströme dienen.
Schwingungs-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Elektroden der Kingdon-Ionenfallen quer zur Richtung der harmonischen Schwingungen der Ionenwolken geteilt sind und als Detektionselektroden für die Einrichtung zur Messung der Bildströme dienen.
Schwingungs-Massenspektrometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse oder die inneren Elektroden in mehr als zwei Detektionselektroden geteilt sind.
Verfahren zur Auswertung der Frequenzspektren, die in Schwingungs-Massenspektrometern nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, dass alle Frequenzsignale darauf untersucht werden, ob sie Oberschwingungen oder Grundschwingungen von Ionen darstellen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von Oberschwingungen in den Frequenzspektren untersucht wird, ob es zu den untersuchten Signalen solche Signale gibt, die einen genau ganzzahligen Bruchteil oder ein genau ganzzahliges Vielfaches der Frequenz aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Schwingungs-Massenspektrometer ein instrumentenspezifisches Referenzspektrum der Oberschwingungen gemessen wird, und dass für das sichere Erkennen eines Signals als Oberschwingung die Signalhöhenverhältnisse des Referenzspektrums der Oberschwingungen herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das sichere Erkennen eines Signals als Oberschwingung alle Signale einer Isotopengruppe herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das sichere Erkennen eines Signals als Oberschwingung die Signalhöhenverhältnisse innerhalb der Isotopengruppe herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach sicherer Erkennung aller Signale als Grund- oder Oberschwingungen ein Frequenzspektrum erzeugt wird, dass nur Signale der Oberschwingungen n-ter Ordnung enthält, wodurch ein Frequenzspektrum mit n-fach erhöhter Auflösung gewonnen wird.