DE102012211603A1

DE102012211603A1 - Korrektur des Untergrundrauschens in Quadrupol-Massenspektrometern

Info

Publication number: DE102012211603A1
Application number: DE102012211603A
Authority: DE
Inventors: Felician Muntean
Original assignee: Bruker Daltonics Inc
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CA2782325A1; CA2782325C; SG187339A1; GB201212355D0; GB2493073B; SG10201605547YA; DE102012211603B4; US20130015344A1; GB2493073A

Abstract

In einem Quadrupol-Massenspektrometer, das während jeweils eines Messzeitraums mit konstanten HF- und Gleichspannungen Ionenströme einer einzigen Masse misst, wobei Ionen anderer Massen in anderen Messzeiträumen durch Ändern der HF- und Gleichspannungen gemessen werden, erfolgt während der Datenaufnahme in jedem Messzeitraum eine statistische Auswertung der gemessenen und digitalisierten Rauschwerte in Bezug auf Verteilungsmaximum und Verteilungsbreite der Rauschwerte, um einen Grenzwert festlegen zu können, oberhalb dessen mit einer angebbaren Wahrscheinlichkeit ein Signal eines Ions vorliegt. Das Verteilungsmaximum stellt separat für jeden Messzeitraum einen mittleren Rauschpegel dar, mit dem die gemessenen Ionenströme korrigiert werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Berücksichtigung des Untergrundrauschens in Massenspektrometern mit einem oder mehreren Quadrupolen zum Erreichen höchster Genauigkeit bei quantitativen Analysen.
STAND DER TECHNIK
Massenspektrometer mit einem Quadrupol (”Single-Quads”) oder mit drei Quadrupolen (”Triple-Quads”) werden in der Regel als hochentwickelte Detektoren für Gaschromatographen (GC) eingesetzt, um die aus der GC-Säule eluierenden, zeitlich voneinander getrennten Substanzen nachzuweisen. Diese Arten von Massenspektrometern sind einschlägigen Fachleuten bekannt, so dass ihr Aufbau und Betrieb hier nicht näher beschrieben wird. Um die Substanzen in solchen Kombinationen von Instrumenten zu ionisieren, werden in der Regel Ionenquellen eingesetzt, die auf einer Ionisierung durch Elektronenstoß (EI) oder auf chemischer Ionisierung (CI) basieren. In Instrumenten mit drei Quadrupolen können im ersten Quadrupol Ionen ausgewählt werden, im zweiten Quadrupol können diese ausgewählten Ionen durch Stöße mit Gasmolekülen fragmentiert werden, und die Fragment-Ionen können im dritten Quadrupol gemessen werden, einzeln oder auch als Fragment-Ionenspektren.
Wenn hier von „Ionenmasse” oder einfach „Masse” die Rede ist, ist stets die ladungsbezogene Masse m/z gemeint, also der Quotient aus der physikalischen Masse m der Ionen und der dimensionslosen, absoluten Anzahl z der unausgeglichenen positiven oder negativen Elementarladungen dieses Ions. Diese Größe m/z wird oft als „Masse-zu-Ladungs-Verhältnis” bezeichnet, obwohl dieser Begriff von der physikalischen Dimension her falsch ist. In Ionenquellen mit Ionenstoßionisierung (EI), insbesondere mit chemischer Ionisierung (CI), ist die Anzahl z überschüssiger Elementarladungen der Ionen in der Regel z = 1, so dass statt „ladungsbezogener Masse” auch einfach der Begriff „Masse” verwendet werden kann.
Die Messung der Ionenströme während der Spektrenaufnahme erfolgt durch Ionendetektorsysteme, die aus Sekundärelektronenvervielfachern (SEV), elektronischen Verstärkern zur Verstärkung des Elektronenstroms aus dem SEV und Analog-zu-Digital-Wandlern (ADC) bestehen. Es gibt mehrere Arten von Sekundärelektronenvervielfachern (häufig kurz als „Multiplier” bezeichnet). Die ältesten Sekundärelektronenvervielfacher, die aber auch noch heute verwendet werden, bestehen aus diskreten Dynoden, zwischen denen über einen Spannungsteiler Spannungen in der Größenordnung von 100 bis 200 Volt von Dynode zu Dynode angelegt sind. Es gibt Sekundärelektronenvervielfacher mit 8 bis 18 Dynoden. Die Ionen prallen auf die erste Dynode, wodurch sie Sekundärelektronen generieren, die beschleunigt werden und dann auf die zweite Dynode treffen. Jedes dieser Elektronen erzeugt dann im Mittel mehrere Sekundärelektronen, so dass entlang der Dynoden eine Elektronenlawine entsteht. Die Verstärkung ist die Anzahl von Elektronen aus der letzten Dynode pro Ion, das auf die erste Dynode geprallt ist. Die Verstärkungen handelsüblicher Multiplier können durch Ändern der Gesamtspannung zwischen den Dynoden in weiten Bereichen, im Extremfall zwischen 10⁴ und 10⁸, eingestellt werden, wobei ein Betrieb bei maximalen Spannungen in der Regel zu sehr schneller Alterung führt.
Weitere Arten von Sekundärelektronenvervielfachern sind die so genannten „Channeltron-Multiplier” und die „Vielkanalplatten”. Der Channeltron-Multiplier besteht aus einem einzigen Kanal mit trompetenförmiger Öffnung, der zu einer Art Spirale gebogen ist. Vielkanalplatten werden in der Regel in Form von zwei Platten geliefert, die aus Millionen paralleler Kanäle hintereinander mit zueinander leicht geneigten Kanalrichtungen (Chevron-Anordnung) bestehen. Bei diesen beiden Arten von Sekundärelektronenvervielfachern fällt die Spannung an den Wänden innerhalb der Kanäle ab, was bei geeigneter Formgebung und Oberflächenbeschaffenheit zu Elektronenlawinen in den Kanälen führt. Die Verstärkungsbereiche entsprechen denen der Dynoden-Sekundärelektronenvervielfacher.
Die Elektronenlawine aus dem Multiplier wird zu einer Messelektrode geleitet, und der Elektronenstrom wird verstärkt und digitalisiert. Die Lawine hat in der Regel eine gemittelte Halbwertsdauer einiger Nanosekunden. Im Prinzip können daher einfach die einzelnen Ionen gezählt werden, die beim Detektor ankommen, solange die Ionen einander in einem Zeitabstand weniger Nanosekunden folgen. Dies ist bei Ionenströmen bis etwa 10⁸ Ionen pro Sekunde oder etwa 16 Picoampere der Fall, erfordert jedoch extrem schnelle Ionendetektorsysteme mit schmaler Bandbreite und schnellen ADC. Bei stärkeren Ionenströmen treffen jeweils mehr Ionen gleichzeitig ein, und es kommt zu Überlappungen von Lawinen mehrerer Ionen.
Um eine maximale Nachweisstärke zu erreichen, müssen die Verstärkung und Bandbreite des Verstärkers sowie die Messgeschwindigkeit und Bitbreite des ADC für einen bestimmten Multiplier korrekt gewählt oder eingestellt sein, um alle Ionen mit geringstmöglichen Verlusten deutlich über dem Untergrundrauschen messen zu können. Das hier betrachtete Untergrundrauschen bezieht sich hauptsächlich auf das elektronische Eigenrauschen des Detektorsystems, das in erster Linie auf thermischem Rauschen basiert und allgemein als elektronisches Grundrauschen bezeichnet wird, das im Vergleich zu den Ionenpulssignalen ganz bestimmte statistische Eigenschaften hat. Nach korrekter Auswahl all dieser Parameter kann die optimale Verstärkung des Multipliers durch automatisierte Methoden eingestellt werden, wie zum Beispiel in US 2009/0206247 A1 (A. Holle, 2008) beschrieben.
Für ein quantitatives Verfahren hoher Qualität muss das Untergrundrauschen korrekt subtrahiert werden. Dies geschieht in der Regel vor der eigentlichen Probenanalyse durch Messen leerer Massenspektren, ohne Substanzen in die Ionenquelle einzuleiten, und mit abgeschalteter Spannung des Multipliers, so dass die Datenpunkte im Spektrum nur den Anteil des elektronischen Grundrauschens darstellen und den Untergrundrauschpegel entlang des Massenspektrums bestimmen. Im einfachsten Fall wird das gemittelte Untergrundrauschen einfach als Mittelwert aller Punkte im Spektrum bestimmt. In einem besseren Verfahren wird das Untergrundrauschen als Funktion der Masse bestimmt, wobei letztere durch die Spannung der Hochfrequenz gegeben ist. Diese Untergrundrauschpegel werden dann von den analytischen Massenspektren subtrahiert. Diese Verfahren sind jedoch in der Regel nicht in der Lage, Verschiebungen des Untergrundrauschens auszugleichen, die durch temperaturabhängige Drifts der elektronischen Schaltung, störende elektronische Interferenzen oder andere Effekte verursacht werden können.
Mit Quadrupol-Massenspektrometern wird das Spektrum relativ häufig nicht durch kontinuierliches Scannen aller Massen der Massenskala aufgenommen, sondern durch gelegentliches Springen von einer interessierenden Masse zur nächsten, was allgemein als Einzelionenüberwachung (selected ion monitoring, SIM) oder, wenn das System im MSMS-Modus arbeitet, als Mehrfachreaktionsüberwachung (multiple reaction monitoring, MRM) bezeichnet wird. Diese Betriebsarten bieten eine höhere Nachweisstärke, weil die Messungen nur auf Ionen von Interesse konzentriert sind anstatt auf alle Ionen in einem größeren Massenbereich und daher der Messzeitraum für eine Ionensorte sehr viel länger gewählt werden kann. Die Sprünge werden durch gemeinsames Ändern der HF- und Gleichspannungen erzeugt, die an den Quadrupolstäben anliegen. Für jede Ionenmasse von Interesse kann beispielsweise ein Messzeitraum mit einer Dauer zwischen 0,5 und 1000 Millisekunden gewählt werden, was deutlich mehr ist als die zum Scannen aller Massen aufgewendete Zeit, wenn ein Massenbereich vollständig gescannt wird. Dadurch kann die Nachweisstärke im SIM-Modus oder MRM-Modus sehr hoch sein.
Wenn das Massenspektrometer bei diesen Betriebsarten mit hoher Nachweisstärke eine Probe nahe an der Nachweisgrenze analysieren soll, besteht das Ionensignal regelmäßig aus einzelnen Ionenpulsen. Für die Messung dann bleiben die HF- und Gleichspannungen so eingestellt, dass nur eine einzige Masse vom Quadrupol-Massenanalysator durchgelassen wird, und die Ionenpulse dieser Ionensorte werden über einen längeren Messzeitraum gemessen. Im Betrieb nach dem Stand der Technik wird das elektronische Untergrundrauschen vor dem Integrieren der Ionenpulssignale subtrahiert. Die Ionenpulse können eine breite Impulshöhenverteilung haben, und es ist sehr wichtig, den genauen Untergrundrauschwert abzuziehen, ohne kleinste Ionenpulse abzuschneiden. Da das elektronische Untergrundrauschen leichten zeitlichen Schwankungen durch temperaturbedingte Drifts und störende elektronische Interferenzen unterliegen kann, ist es wünschenswert, das elektronische Rauschen dynamisch zu messen, wenn das Instrument eingeschaltet ist und einzelne Ionenpulse vorhanden sind, bevor oder während Daten aufgenommen werden. Jedoch überlagert das echte Ionensignal in Form isolierter Ionenpulse während der Datenaufnahme das elektronische Grundrauschen, so dass eine einfache Mittelwertbildung zum Bestimmen und Subtrahieren des Untergrundrauschens nicht ausreicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wird in einem vorgegebene Messzeitraum nur eine einzelne Ionenmasse gemessen und besteht der Ionenstrom aus einzelnen verstreuten Ionenpulsen, die ein elektronisches Rauschsignal überlagern, so basiert das Verfahren der dynamischen Bestimmung elektronischer Rauschpegel und ihrer Subtraktion während der Datenaufnahme gemäß den Prinzipien der Erfindung auf einer statistischen Untersuchung aller Messungen. Die Erfindung wird mit Quadrupol-Massenspektrometern realisiert, die den Ionenstrom einer einzelnen Masse messen, während die HF- und Gleichspannung innerhalb des Messzeitraums im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ionen unterschiedlicher Massen werden in aufeinander folgenden Messzeiträumen durch schrittweises Ändern der HF- und Gleichspannung gemessen, wobei die Messungen nicht notwendigerweise in der Wertfolge der Massen vorgenommen werden.
Die statistische Auswertung erfolgt durch eine Bestimmung der Verteilung der gemessenen und digitalisierten Rauschwerte um einen gemittelten Rauschpegel. Nach den Gesetzen der Statistik sollten die digitalisierten Rauschwerte eine Gaußsche Verteilung haben. Grafisch kann die Verteilung als so genanntes Histogramm dargestellt werden, das die jeweilige Anzahl der Messwerte in jeweils vorgegebenen Wertebereichen in aufsteigender Wertfolge enthält. Bei der massenspektrometrischen Auswertung werden Tabellen erstellt, in denen die Rauschwerte in den Wertebereichen gezählt und das Maximum und die Breite der Gaußschen Verteilung anhand bekannter mathematischer Methoden bestimmt werden. Es kann die Gaußkurve beispielweise mit statistischen Methoden durch Berechnung des Schwerpunkts und der Breite der Verteilung ermittelt werden, aber auch durch eine Anpassung der Gaußkurve an das Histogramm durch das bekannte Verfahren der Minimierung der Summe der quadratischen Abweichungen.
Die Lage des Maximums der Gaußverteilung bildet den gemittelten Rauschpegel i_a des Ionenstroms i, und die Breite σ der Gaußverteilung stellt die Streubreite des Rauschens dar. Bei Ionenstromwerten oberhalb einer Nachweisschwelle i_lim = i_a + b × σ besteht eine berechenbare Wahrscheinlichkeit, dass es echte Ionenstrompeaks und nicht nur Rauschpeaks sind. Die Wahrscheinlichkeit eines echten Ionenpeaks lässt sich anhand der bekannten Eigenschaften der Gaußverteilung berechnen. Die Konstante b kann so gewählt werden, dass alle Peaks oberhalb der Schwelle eine bestimmte Mindestwahrscheinlichkeit haben, ein echter Ionenpeak zu sein, beispielsweise eine Wahrscheinlichkeit von 99,9 Prozent.
Der im Messzeitraum Δt gemessene echte integrierte Ionenstrom i_i = Σi_n ist die Summe aller Messwerte i_m über i_lim, wobei jeder Messwert i_m durch Subtraktion des gemittelten Rauschpegels i_a korrigiert wird: i_n = i_m – i_a. Der gemittelte Ionenstrom in dem Zeitraum ist der integrierte Ionenstrom i_i geteilt durch den Zeitraum Δt.
Ein Ionenstrom kann entweder durch Zählen der Ionen pro Zeiteinheit oder durch Messen des gemittelten Ionenstroms gemessen werden, letzteres in der Regel durch Integration des verstärkten Ionenstroms und Division durch die Integrationszeit, wie oben beschrieben. Wenn der Ionenstrom niedrig genug und die Verstärkung des Multipliers so hoch gewählt ist, dass der Strom jeder Elektronenlawine deutlich über der Nachweisschwelle i_lim liegt, kann die Anzahl Ionen gezählt werden anstatt den gemittelten Ionenstrom zu bestimmen, indem einfach die Peaks oberhalb der Schwelle i_lim gezählt werden. Wenn die Anzahl der in dem Zeitraum gemessenen Ionen deutlich kleiner als die Anzahl der Messungen ist, spiegelt die Anzahl der Peaks oberhalb der Nachweisschwelle i_lim die Anzahl der Ionen gut wider.
Bei einer größeren Anzahl von Ionen, die sich der Anzahl der Messungen annähert, kann die Rate der überlappenden Peaks, wie weithin bekannt, durch einfache statistische Korrekturen berücksichtigt werden. Wenn die Anzahl der Ionen in der Größenordnung der Anzahl von Messungen oder sogar darüber liegt, können die Ionen nicht mehr gezählt werden. In diesem Fall wird der oben beschriebene Integrationsmodus als Methode gewählt. In einer bevorzugten Betriebsart wird die Verstärkung des Detektors hoch genug gehalten, um einzelne Ionenpulse klar zu erfassen, doch auch niedrig genug, um eine Sättigung größerer Signale zu vermeiden. Die Ionenpulse haben unterschiedliche Höhen und damit eine Höhenverteilung. Um die kleinsten Ionenpulse in der Nähe des Untergrundrauschpegels klar zu integrieren (oder zu zählen), ist es wichtig, den elektronischen Untergrundrauschpegel während der Analyse dynamisch zu messen.
Wenn für hohe Ionenströme der Mittelwert gemessen werden muss, kann das Rauschen während des Zeitraums zum Messen dieser Masse nicht mehr nachgewiesen und untersucht werden. Doch die Genauigkeit beim Bestimmen des Untergrundrauschens ist in diesem Fall nicht mehr kritisch, so dass ein dynamisches Messen des Untergrundrauschens nicht mehr erforderlich ist. Das Maximum und die Breite der Gaußverteilung müssen dann einem anderen Messzeitraum entnommen werden, entweder einer Messung einer benachbarten Masse während eines Massendurchlaufs oder einem anderen benachbarten Messzeitraum des GC-Durchlaufs zum Messen der gleichen Masse.
Das Verhältnis zwischen dem so gemessenen gemittelten Ionenstrom und dem durch Zählen der Ionen gemessenen Ionenstrom ist nicht für alle Ionenmassen gleich, sondern wird durch die Massenabhängigkeit der Nachweisstärke des Multipliers vorgegeben. Die Nachweisstärke des Multipliers ist etwa umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Ionenmasse und hängt darüber hinaus noch von der Struktur der Ionen ab. Das Verhältnis ändert sich je nach Alter und Verwendung des Multipliers. Wenn immer, wenn dies möglich ist, beide Messverfahren, d. h. das Zählen der Ionen und das Messen des gemittelten Ionenstroms, parallel durchgeführt werden, kann die gemittelte Massenabhängigkeit der Nachweisstärke des Multipliers bestimmt und verfolgt werden. Die Kenntnis dieser Abhängigkeit kann genutzt werden, um Werte zwischen der Anzahl der Ionen (echter Ionenstrom) und dem vom Multiplier gemessenen gemittelten Ionenstrom umzurechnen. Durch Verfolgen dieser Abhängigkeit über einen längeren Zeitraum kann sie sogar genutzt werden, um die Spannung des Multipliers bei Bedarf für optimale Leistungsfähigkeit zu korrigieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
ist ein Diagramm des Rausch- und Ionenstroms (vertikale Achse) in Abhängigkeit von der Zeit (horizontale Achse) für einen kurzen Messzeitraum mit digitalisierten Rauschwerten und fünf einzelnen Ionenpulspeaks (1 bis 5). Der gemittelte Rauschpegel (6) und die Nachweisschwelle (7) sind durch gestrichelte Linien dargestellt.
ist ein Histogramm der jeweiligen Anzahl von digitalisierten Rausch- und Ionenstromwerten (vertikale Achse) in Abhängigkeit von der Größe der Rausch- und Ionenstromwerte (horizontale Achse), wobei die Gaußkurve gestrichelt in das Histogramm eingefügt ist. Der gemittelte Rauschpegel (6) und die Nachweisschwelle (7) sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Breite σ der Gaußschen Kurve ist durch einen Pfeil (8) angegeben.
ist ein Flussdiagramm, das die Schritte des Verfahrens zur Korrektur des Untergrundrauschens nach den Prinzipien der Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird anhand einer Anzahl von Ausführungsformen gezeigt und beschrieben. Einschlägigen Fachleuten ist gewahr, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
Wie oben erwähnt, kann die Erfindung mit Quadrupol-Massenspektrometern realisiert werden, die den Ionenstrom einzelner Massen in einem Messzeitraum voreingestellter Dauer messen, während die HF- und Gleichspannungen am Quadrupol-Massenfilter im Wesentlichen konstant gehalten werden. Ein Massenspektrum kann durch schrittweises Ändern der HF- und der Gleichspannung von einer ganzzahligen Masse zur nächsten aufgenommen werden. Bei anderen Betriebsarten, wie z. B. Einzelionenüberwachung (SIM) oder Mehrfachreaktionsüberwachung (MRM), können verschiedene Ionensorten von Interesse in beliebiger Reihenfolge gemessen werden. Da der Rauschpegel beim Messen einer Ionensorte nicht sicher vorausgesagt werden kann, liefert die Erfindung ein Verfahren zum dynamischen Subtrahieren tatsächlicher Rauschpegel während der Datenaufnahme durch statistische Untersuchung aller Messungen für jeweils eine einzelne Ionenmasse separat für alle Massen.
Insbesondere stellt die Erfindung, wie in gezeigt, ein dynamisches Verfahren zum Bestimmen der Ionenströme bereit. Dieser Prozess beginnt mit der Einstellung der HF- und DC-Spannungen für die Messung des Ionenstroms einer Ionensorte in Schritt 300. In Schritt 302 werden die Messungen durchgeführt und es werden die Digitalwerte gespeichert. Anschließend kann die Einstellung für die Messung der nächsten Ionensorte folgen, während synchron zu den nächsten Messungen in Schritt 304 die digitalisierten Untergrundrauschwerte des gerade beendeten Messzeitraums in Bezug auf das Maximum und die Breite ihrer Verteilung statistisch untersucht werden. In Schritt 306 wird anhand der Lage des Maximums und der Breite eine Schwelle festgelegt, um echte Ionenströme oberhalb des Rauschens für den entsprechenden Zeitraum erkennen zu können. Auf Basis des durch die Lage des Maximums der Verteilung vorgegebenen Rauschpegels können abschließend in Schritt 308 alle Ionenstrompeaks oberhalb der Schwelle gezählt und/oder es können die Ionenstrom-Messwerte durch Integration der korrigierten Ionenstrommesswerte bestimmt werden.
Der Ionenstrom kann also einerseits durch Zählen der Ionen anhand ihrer Peaks oberhalb der Schwelle, falls erforderlich, mit statistischer Korrektur für überlappende Peaks gemessen werden. Er kann andererseits durch Bestimmung des gemittelten Ionenstroms gemessen werden. Dabei werden alle Messwerte des Ionenstroms oberhalb der Schwelle durch Subtrahieren des Rauschpegels korrigiert, dann addiert, um einen integrierten Ionenstrom zu erhalten, und durch die Dauer des Zeitraums geteilt.
Am vorteilhaftesten ist es, die Ionen sowohl zu zählen als auch den gemittelten Ionenstrom für denselben Messdatensatz zu berechnen, wo immer dies möglich ist. So lässt sich die Nachweisstärke des Multipliers für Ionen einer bestimmten Masse ermitteln, indem die Ergebnisse der Ionenzählung und der Mittelwertbildung des Ionenstroms verglichen werden. Die Kenntnis der Nachweisstärke des Multipliers, die von der Ionenmasse abhängt, kann genutzt werden, um durch Zählen ermittelte Ionenstrommesswerte in durch Mittelwertbildung ermittelte Ionenstrommesswerte umzurechnen und umgekehrt. Die Kenntnis kann insbesondere dazu genutzt werden, gelegentlich die Spannung für den Multiplier neu optimal einzustellen.
Wenn das Rauschen der Messwerte aus den Messwerten eines Messzeitraums nicht statistisch ausgewertet werden kann, kann das Maximum der Rauschverteilung der Messung einer benachbarten Ionenmasse oder einem zeitlich benachbarten Messzeitraum für dieselbe Ionenmasse zugrunde gelegt werden, um die Ionenstrommessungen zu korrigieren.
Ionendetektoren für Quadrupol-Instrumente können den Ionenstrom mit einem Messtakt von etwa 100 Kilohertz bis 1 Megahertz und einem Messumfang bis zu 18 Bit messen. Dies ist nicht besonders schnell: Flugzeit-Massenspektrometer verwenden zum Beispiel Ionendetektorsysteme mit Messtakten bis 5 Gigahertz und Digitalisierungstiefen von 8 bis 12 Bit, doch solche Detektorsysteme sind für eher kostengünstige Quadrupol-Instrumente zu teuer. Ein Quadrupol-GC-MS-Instrument kann beispielsweise gut mit einem relativ preiswerten Ionendetektor mit 160 Kilohertz und 18 Bit betrieben werden. Zur Aufnahme eines MRM-Übergangs mit einem typischen Messzeitraum von 20 Millisekunden Dauer werden 3200 Werte gemessen und integriert. Wenn die Bandbreite des Verstärkers korrekt auf den zugehörigen Analog-zu-Digital-Wandler abgestimmt ist, wird ein einzeln ankommendes Ion als Peak dargestellt, der nur ein bis zwei Messkanäle abdeckt. Daher ist das Untergrundrauschen klar erkennbar, selbst wenn in dem Zeitraum etwa 1000 Ionen auf den Detektor treffen, was zu 1000 herausragenden Peaks oberhalb des Untergrundrauschens führt. zeigt einen kurzen Abschnitt einer solchen Messung des vom Detektor nachgewiesenen Ionenstroms in Abhängigkeit von der Zeit. In dem Diagramm sieht man 5 klare Peaks (1 bis 5) oberhalb der Nachweisschwelle.
Die statistische Auswertung des Untergrundrauschens kann in Form eines Histogramms erfolgen, wie in dargestellt. Das Histogramm ist in Abschnitte unterteilt, um die Messwerte jeweils in einem bestimmten Wertebereich zu zählen und in aufsteigender Reihenfolge zu sortieren. Beispielsweise können im ersten Abschnitt alle vom ADC digitalisierten Ionenstromwerte in Höhe von „0”, im zweiten Abschnitt alle Ionenstromwerte in Höhe von „1”, im dritten alle Werte von „2” gezählt werden usw. Statistisches Rauschen muss in guter Näherung eine Gaußverteilung für die Zahlenwerte in den Histogrammabschnitten bilden, hier mit einem Maximum (z. B. 9,3) und einem Breitenparameter σ zwischen Maximum und Kurveninversionen an einer der Seiten (z. B. 3,5). Ein Zahlenwert („Count”) des ADC kann eine bestimmte Ausgangsspannung des Verstärkers widerspiegeln, wie z. B. 40 Mikrovolt. Die Lage des Maximums der Gaußverteilung in diesem Histogramm gibt den gemittelten Rauschpegel i_a = 9,3 Counts (372 Mikrovolt) des verstärkten Ionenstroms i, und der Breitenparameter σ = 3,5 Counts (140 Mikrovolt) der Gaußverteilung gibt die Streubreite des Rauschens wieder. Bei 40 Mikrovolt pro ADC-Count konvertiert ein 18-Bit-ADC einen maximalen Verstärkerausgang von 10 Volt in 256000 Counts.
Bei Ionenstromwerten über einer Nachweisschwelle i_lim = i_a + b × σ besteht eine gewisse Mindestwahrscheinlichkeit, dass es ein echter Ionenstrompeak und kein Rauschpeak ist. Für eine gegebene Konstante b lässt sich die Mindestwahrscheinlichkeit anhand der bekannten Eigenschaften der Gaußverteilungen berechnen. Für b = 2 hat ein Peak eine Wahrscheinlichkeit von p > 97,75%, ein echter Ionenpeak zu sein. Für b = 3 beträgt die Mindestwahrscheinlichkeit 99,85%. Andererseits kann die Konstante b so gewählt werden, dass oberhalb der Schwelle liegende Peaks eine bestimmte Mindestwahrscheinlichkeit haben, echte Ionenpeaks zu sein.
Der im Messzeitraum Δt gemessene echte integrierte Ionenstrom i_i = Σi_n ist die Summe aller Messwerte i_m oberhalb der Schwelle i_lim, wobei jeder Messwert i_m durch Subtraktion des gemittelten Rauschpegels i_a korrigiert wird: i_n = i_m – i_a. Der gemittelte Ionenstrom im Messzeitraum ist der integrierte Ionenstrom i_i geteilt durch die Dauer Δt des Messzeitraums. Dieses Verfahren ist möglich, solange genügend Untergrundrauschen zwischen den Ionenpeaks erkennbar ist, um den gemittelten Rauschpegel zu bestimmen.
Die Berechnung kann im Computer des Massenspektrometers mithilfe von Tabellen für das Histogramm ausgeführt werden. Die vollständige Auswertung der Messungen eines einzelnen Messzeitraums erfordert etwa drei Durchläufe durch die digitalisierten Daten. Das Verfahren ist schnell genug, um im Zeitrahmen eines einzigen Messzeitraums durchgeführt zu werden, z. B. im nächsten Messzeitraum. Auf diese Weise ist die vollständige Auswertung am Ende einer Spektrenaufnahme oder bei MRM am Ende des GC-Durchlaufs abgeschlossen.
Die auf den Multiplier aufprallenden Ionen erzeugen normalerweise nur einige wenige Elektronen, die die erste Lawinengeneration bilden. In der Regel werden nur 0 bis 10 Elektronen erzeugt, im Durchschnitt etwa 4 bis 6 Elektronen. Die Anzahl der bei einem einzigen Aufprallprozess generierten Elektronen folgt einer Poisson-Verteilung, wobei die Lage des Maximums der Poisson-Verteilung über die am Multiplier anliegende Spannung verändert werden kann. Es wird dadurch die Verstärkung geändert. Normalerweise wird die Verstärkung des Multipliers und des Elektronenstromverstärkers so hoch gewählt, dass der Strom der Elektronenlawine die Nachweisschwelle i_lim um einen vorgegebenen Wert überschreitet, selbst wenn ein Ion beim Aufprall auf die erste Dynode nur ein Elektron erzeugt. Die Verstärkung ist kritisch: Einerseits sollten keine Ionen dadurch verloren gehen, dass sie kein einziges Elektron erzeugen oder im Untergrundrauschen untergehen. Andererseits sollte die Verstärkung nicht zu hoch gewählt sein, weil der Multiplier dann schneller altert und hohe Ionenströme die Obergrenze des ADC überschreiten können. Es gibt Verfahren zur automatischen Einstellung der Verstärkung des Multipliers und des Elektronenstromverstärkers, wie z. B. in dem oben erwähnten Dokument US 2009/0206247 A1 beschrieben.
Wie mehrfach beschrieben, kann ein Ionenstrom entweder durch Zählen der Ionen pro Zeiteinheit oder durch Messen des gemittelten Ionenstroms gemessen werden, letzteres in der Regel durch Integration des verstärkten Ionenstroms und Division durch die Integrationszeit. Wenn der Ionenstrom niedrig genug und die Verstärkung des Multipliers so hoch gewählt ist, dass der Strom jeder Elektronenlawine deutlich über der Nachweisschwelle i_lim liegt, kann die Anzahl Ionen gezählt werden anstatt den Ionenstrom zu messen, indem einfach die Peaks über dem Grenzwert i_lim gezählt werden. Wenn die Anzahl der in dem Zeitraum gemessenen Ionen viel kleiner als die Anzahl der Messungen ist, spiegelt die Anzahl der Peaks, die oberhalb der Schwelle i_lim liegen, die Anzahl der Ionen gut wider. Bei einer größeren Anzahl von Ionen, die sich der Anzahl von Messungen annähert, kann die Rate der überlappenden Peaks durch Korrekturen berücksichtigt werden. Wenn die Anzahl der Ionen in der Größenordnung der Anzahl von Messungen oder sogar darüber liegt, können die Ionen nicht mehr gezählt werden. In diesem Fall muss der gemittelte Ionenstrom gemessen und dabei die oben beschriebene Korrektur für den Rauschpegel angewandt werden.
Wenn der Mittelwert für hohe Ionenströme gemessen werden muss, kann das Rauschen während des Zeitraums zum Messen dieser Masse nicht mehr untersucht werden. Maximum und Breite der Rauschverteilung müssen dann einem anderen benachbarten Messzeitraum entnommen werden. Bei vollständigen Scans von Massenbereichen kann eine Messung des Rauschens einer anderen, benachbarten Masse während des Massendurchlaufs für diese Korrektur verwendet werden, wobei diese andere Masse möglichst nicht mehr als 10 Dalton entfernt sein sollte. Bei GC-Durchläufen mit GC-MS-Instrumenten kann die Rauschverteilung einer Messung derselben Masse aus einem anderen, benachbarten Zeitraum des GC-Durchlaufs herangezogen werden. Der Zeitraum, dem die Rauschuntersuchung entnommen wird, sollte nicht mehr als zwei bis drei Minuten entfernt sein. Ein GC-Peak hat eine Dauer vor etwa 10 bis 20 Sekunden.
Bei Einzelionenüberwachungs-(SIM) oder Mehrfachreaktionsüberwachungsmethoden (MRM) muss bei hohen Ionenströmen in der Regel der Rückgriff auf ein anderes Zeitfenster angewendet werden. MRM wird in der Regel mit Triple-Quad-Instrumenten ausgeführt. Bei dem MRM-Verfahren können vorhandene Zielsubstanzen in GC-Durchläufen mit höchster Nachweisstärke festgestellt werden. Das erste Quadrupol-Massenfilter isoliert die Molekülmasse der Zielsubstanz, die dann im zweiten Quadrupol fragmentiert wird, und ein Hauptfragment-Ion wird vom dritten Quadrupol-Massenfilter gemessen. An den ersten sowie an den dritten Quadrupol werden über einen längeren Messzeitraum bis zu einer Sekunde Dauer und mehr im Wesentlichen konstante HF- und Gleichspannungen angelegt, um eine maximale Nachweisstärke zu erreichen. Bei der Methode kann der Nachweismodus zwischen unterschiedlichen Zielsubstanzen oder unterschiedlichen Hauptfragment-Ionen derselben Zielsubstanz innerhalb desselben GC-Durchlaufs wechseln (daher die Bezeichnung ”Mehrfachreaktionsüberwachung”). Wenn das Rauschen nicht bestimmt werden kann, weil während eines aus der GC-Säule eluierenden Peaks einer Substanz hohe Ionenströme auftreten, müssen das Maximum und die Breite der Gaußschen Rauschwertverteilung benachbarten Zeiträumen mit geringen oder nicht vorhandenen Ionenströmen entnommen werden, in denen Ionen derselben Masse gemessen werden.
Das Verhältnis zwischen dem auf diese Weise gemessenen gemittelten Ionenstrom und dem durch Zählen der Ionen gemessenen Ionenstrom ergibt die Abhängigkeit der Nachweisstärke des Multipliers von der Ionenmasse, diese ist von der Masse abhängig. Die Nachweisstärke des Multipliers ist etwa umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse, doch hängt sie auch von der Struktur der Ionen ab. Das Verhältnis ist zeitlich nicht konstant, sondern ändert sich mit dem Alter und der Verwendung des Multipliers. Es gibt nach Überlastungen sogar kurzzeitige Ermüdungserscheinungen, die sich wieder erholen. Wenn beide Methoden zur Datenauswertung, d. h. das Zählen der Ionen und das Messen des gemittelten Ionenstroms, synchron angewandt werden, wo immer dies möglich ist, können Änderungen der Nachweisstärke des Multipliers einschließlich der Massenabhängigkeit kontinuierlich und kritisch verfolgt werden. Die Kenntnis dieser Abhängigkeit kann einerseits genutzt werden, um Werte des Ionenstroms aus der Anzahl gezählter Ionen und dem Ionenstrom aus der Integration ineinander umzurechnen, und andererseits, um die Spannung des Multipliers bei Bedarf zu korrigieren und so die optimale Leistungsfähigkeit des Multipliers zu erhalten. Die Spannung des Multipliers kann nach jedem GC-Durchlauf oder einmal pro Tag oder auch nur einmal pro Monat korrigiert werden, je nachdem, wie schnell sich die Nachweisstärke ändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0206247 A1 [0007, 0033]

Claims

Ein Verfahren zur Bestimmung eines korrigierten Ionenstroms in einem Quadrupol-Massenspektrometer, das Ionenströme in Messzeiträumen mit im Wesentlichen konstanten HF- und Gleichspannungen misst, folgende Schritte aufweisend: (a) für jeden Messzeitraum erfolgt eine statistische Berechnung des Verteilungsmaximums und der Verteilungsbreite der digitalisierten Untergrundrauschwerte; (b) anhand der Lage des Maximums und der Verteilungsbreite wird für jeden untersuchten Zeitraum eine Schwelle für den Nachweis echter Ionenströme oberhalb des Rauschens festgesetzt; und (c) der Ionenstrom im Messzeitraum wird anhand der echten Ionenströme oberhalb des Rauschens bestimmt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Ionenstromwerte durch Subtraktion des mittleren Rauschpegels, der durch die Lage des Maximums der Verteilung vorgegeben ist, korrigiert werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Ionenstroms durch Zählen der Ionenpeaks oberhalb der Schwelle vorgenommen wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählung durch eine statistische Korrektur für überlappende Peaks korrigiert wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemittelter Ionenstrom bestimmt wird, indem alle Messwerte des Ionenstroms oberhalb der Schwelle durch Subtraktion des Rauschpegels korrigiert werden, die korrigierten Messwerte dann addiert werden, um einen integrierten Ionenstrom zu erhalten, und der integrierte Ionenstrom durch eine Dauer des Messzeitraums dividiert wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Schritt (c) umfasst: (c1) Zählen der Ionenpeaks oberhalb der Schwelle und (c2) simultan zu Schritt (c1) Korrektur aller Messwerte oberhalb der Schwelle durch Subtraktion des Rauschpegels, Addition der korrigierten Messwerte, um einen integrierten Ionenstrom zu berechnen, und Division des integrierten Ionenstroms durch die Dauer des Messzeitraums, um einen gemittelten Ionenstrom zu berechnen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Quadrupol-Massenspektrometer einen Multiplier zum Messen von Ionenströmen enthält und das Verfahren außerdem durch Vergleich der Ergebnisse von Schritt (c1) und (c2) die Bestimmung einer Nachweisstärke des Multipliers für Ionen einer vorgegebenen Masse umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Nachweisstärke des Multipliers für eine Masse verwendet wird, um (i) durch Zählen von Ionen dieser Masse erhaltene Ionenstrommessungen in durch Mittelwertbildung erhaltene Ionenstrommessungen umzuwandeln oder (ii) durch Mittelwertbildung erhaltene Ionenstrommessungen in durch Zählen von Ionen dieser Masse erhaltene Ionenstrommessungen umzuwandeln.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Nachweisstärke des Multipliers genutzt wird, um die Spannung des Multipliers einzustellen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rauschverteilungsmaximum einer anderen Ionenmasse herangezogen wird, um Ionenstrommessungen zu korrigieren, wenn in Schritt (a) Rauschwerte eines Messzeitraums nicht statistisch berechnet werden können.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rauschverteilungsmaximum eines anderen Messzeitraums mit einer identischen Ionenmasse herangezogen wird, um die Ionenstrommessungen zu korrigieren, wenn in Schritt (a) Rauschwerte eines Messzeitraums nicht statistisch berechnet werden können.