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Die Erfindung betrifft Messverfahren für Flugzeitmassenspektrometer, die mit einer gepulsten Ionisierung oberflächlich adsorbierter Analytsubstanzen und einer Verbesserung der Massenauflösung durch zeitlich verzögerten Einsatz der Ionenbeschleunigung arbeiten; insbesondere mit Ionenbeschleunigungsspannungen, die sich nach verzögertem Einsatz zeitlich ändern, um über weite Massenbereiche konstante Massenauflösung zu erhalten.
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Da die variierende Beschleunigungsspannung eine mit der Ionenmasse zunehmende Aufweitung des Ionenstrahls quer zur Flugrichtung erzeugt, wird in der Erfindung vorgeschlagen, durch eine zusätzliche ionenoptische Linse, deren Spannung ebenfalls zeitlich verändert wird, die Aufweitung des Ionenstrahls in gewünschtem Maße zu kompensieren.
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Stand der Technik
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Flugzeitmassenspektrometer werden häufig mit einer gepulsten Ionisierung oberflächlich adsorbierter Analytsubstanzen betrieben; insbesondere sind Verfahren zur Ionisierung der Proben durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) bekannt. Es entsteht im Laserfokus eine Plasmawolke, die sich ausdehnt und dabei eine Verteilung der Geschwindigkeiten der Plasmateilchen erzeugt, die umso breiter ist, je weiter die Plasmateilchen (Ionen und Moleküle) von der Oberfläche entfernt sind. Aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung lässt sich die Massenauflösung durch einen zeitlich verzögerten Einsatz der Ionenbeschleunigung verbessern: Ionen höherer Geschwindigkeit durchlaufen nur noch einen Teil des Beschleunigungsfeldes, sie erhalten daher eine geringere Zusatz-Beschleunigung und können von den ursprünglich langsameren Ionen in einem zeitlichen Fokuspunkt eingeholt werden. Leider haben dabei Ionen verschiedener Massen nicht exakt den gleichen Fokuspunkt. Die Fokuspunkte für Ionen verschiedener Masse können aber einander angenähert werden, wenn mit Ionenbeschleunigungsspannungen gearbeitet wird, die nach verzögertem Einsatz zeitlich variieren, insbesondere stetig zunehmen oder abnehmen (je nach Polarität). In Verbindung mit einem Mamyrin-Reflektor gelingt es, über weite Massenbereiche eine in etwa konstante hohe Massenauflösung zu erhalten (siehe dazu die Dokumente
DE 196 38 577 C1 ,
GB 2 317 495 B oder
US 5,969,348 A , J. Franzen, 1996).
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Die Veröffentlichung
DE 11 2005 001 158 T5 offenbart ein Flugzeit-Massenspektrometer sowie ein Verfahren und eine Konstruktion zum Verringern der physikalischen Ausdehnung und Erhöhen der Massenauflösung bei Flugzeit-Massenspektrometern über einen weiten Bereich von Ionenmassen.
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Die U.S.-Patentanmeldung 2004/0211895 A1 beschreibt eine Vorgehensweise zur Erhöhung des dynamischen Messbereichs eines Massenspektrometers, gemäß der ein Ionenstrahl vor einem Detektor zwischen einem fokussierten und de-fokussierten Zustand hin- und hergeschaltet wird, um die Messempfindlichkeit je nach Bedarf zu erhöhen bzw. zu verringern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das Beschleunigungsfeld im Raum vor der Probenträgerplatte hat in der runden Öffnung der Beschleunigungselektrode einen Linseneffekt, der den Ionenstrahl leicht defokussiert. Da schnelle Ionen mit leichten Massen diesen Beschleunigungsraum schnell verlassen, wirkt die zunehmende Beschleunigungsfeldstärke auf die langsamen Ionen mit schweren Massen stärker als auf schnellere Ionen leichter Massen. Dabei wird eine mit der Ionenmasse zunehmende Aufweitung des Ionenstrahls quer zur Flugrichtung erzeugt. In der Erfindung wird nun vorgeschlagen, durch eine zusätzliche ionenoptische Linse, deren Spannung ebenfalls zeitlich verändert wird, die Aufweitung des Ionenstrahls in gewünschtem Maße zu kompensieren. Die Linse kann eine Einzellinse sein, aber auch eine Beschleunigungslinse.
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Es ist durchaus möglich, den Ionenstrahl durch die Fokussierung mit dieser zusätzlichen Linse während des Durchlaufens der ersten Flugstrecke, des Reflektors und der zweiten Flugstrecke für Ionen eines sehr breiten Massenbereichs auf einem Durchmesser von etwa vier Millimeter (oder weniger) zu halten.
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Für manch andere Betriebsweisen kann ein Durchmesser, der etwas über diesem Minimum liegt, optimal sein. So kann beispielsweise im Umkehrpunkt der Ionen im Reflektor, wo die Ionen sehr langsam fliegen, durch die Wirkung der Raumladung die Massenauflösung vermindert werden, wenn der Ionenstrahl zu eng ist. Oder es kann der Ionendetektor durch eine punktweise zu hohe Ionendichte überladen werden. Es kann daher durch geeignete Variation der Funktion für die veränderliche Linsenspannung ein Optimum für Massenauflösung und dynamischen Messbereich erreicht werden. In jedem Fall lässt sich der Strahldurchmesser gegenüber einer Betriebsweise mit statischer Linsenspannung deutlich verringern.
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Allgemein bewirken die Verringerung und Homogenisierung des Strahldurchmessers über einen breiten Massenbereich eine bessere Quantifizierbarkeit der Ionen, denn ohne diese Maßnahmen würde sich der Ionenstrahl zu sehr aufweiten, als dass er geometrisch von dem Reflektor und/oder dem Detektor über einen breiten Massenbereich vollständig aufgenommen bzw. empfangen werden könnte. Die außenliegenden Ionen insbesondere bei hohen Massen m/z würden der Messung verloren gehen und damit auch deren Empfindlichkeit beeinträchtigen.
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Abbildungen
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zeigt ein vereinfachtes Schema eines MALDI-Flugzeitmassenspektrometers. Proben auf einer Probenträgerplatte (1), die sich gemeinsam mit der Beschleunigungselektrode (2) auf einer Hochspannung von 20 bis 30 Kilovolt befindet, werden von einem UV-Pulslaser (11) mit Nanosekunden-Lichtpulsen (12) beschossen, wobei jedes Mal ein Plasma entsteht, das sich in dem zunächst feldfreien Raum zwischen Probenträgerplatte (1) und Elektrode (2) ungestört ausbreitet. Nach einer Verzögerungszeit von einigen Zehntel Mikrosekunden wird die Spannung an der Beschleunigungselektrode (2) verändert, so dass die Ionen beschleunigt werden, wobei für Ionen jeweils einer Masse eine Zeitfokussierung in einem Ort erreicht wird, der als Funktion der Verzögerungszeit und der Beschleunigungsspannung beliebig verschoben werden kann, beispielsweise an die Stelle (14). Der Hauptteil der Beschleunigung erfolgt zwischen der Beschleunigungselektrode (2) und der im Normalbetrieb auf Massepotential liegenden Grundelektrode (3). Eine Einzellinse (4, 5, 6) fokussiert den leicht divergenten Ionenstrahl (7), der nach der ersten geraden Flugstrecke in den Reflektor des Mamyrin-Typs (8) eintritt, dort reflektiert wird, und nach einer zweiten Flugstrecke (9) auf den Ionendetektor (10) auftrifft. Für einen linearen Betriebsmodus kann der Reflektor (8) ausgeschaltet und der Ionenstrom in einem zweiten Detektor (13) unreflektiert gemessen werden.
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gibt ebenfalls schematisch, aber detaillierter, die Ionenquelle des Flugzeitmassenspektrometers aus wieder, wobei Äquipotentiallinien eingezeichnet sind, die die Verhältnisse während eines Beschleunigungsspannungspulses beispielhaft wiedergeben.
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ist ein Diagramm der Beschleunigungsspannung zwischen den Platten (1) und (2), bezogen auf die Hochspannung an der Probenträgerplatte (1). Nach einer Verzögerungszeit tv wird die Beschleunigungsspannung eingeschaltet; im weiteren Verlauf wird sie in diesem Beispiel erhöht, um für Ionen aller Massen etwa die gleiche Massenauflösung zu erhalten.
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ist ein Diagramm der erfindungsgemäß variierenden Linsenspannung. Nach der Verzögerungszeit tL steigt die Linsenspannung in diesem Beispiel an.
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zeigt den Ionenstrahldurchmesser quer zur Flugrichtung in Abhängigkeit von der Masse der Ionen für verschiedene Betriebsweisen: Die untere Kurve (22) gibt den Durchmesser wieder, wenn die Beschleunigungsspannung konstant eingeschaltet ist, also keine verzögerte Beschleunigung stattfindet. Die obere Kurve (20) zeigt die Zunahme des Strahldurchmessers mit Zunahme der Beschleunigungsspannung nach verzögertem Einschalten, aber mit konstanter Linsenspannung. Die mittlere Kurve (21) stellt den Durchmesser dar, wie er sich bei zusätzlich verändernder Linsenspannung, wie sie beispielhaft im Diagramm der dargestellt ist, verhält. Der Strahldurchmesser kann auf einem Wert von deutlich unter vier Millimetern gehalten werden, ausreichend schmal für die Akzeptanzfläche eines Reflektors und/oder Detektors, so dass der Messung keine (oder zumindest deutlich weniger) Ionen verloren gehen.
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Detaillierte Darstellung der Erfindung
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Ein stark vereinfachtes Schema eines MALDI-Flugzeitmassenspektrometers (MALDI-TOF) und einer detaillierteren Ansicht einer zugehörigen Ionenquelle wird in den und gezeigt. Die Proben auf der Probenträgerplatte (1), die sich zunächst gemeinsam mit der Beschleunigungselektrode (2) auf einer konstanten Hochspannung von etwa 20 bis 30 Kilovolt befindet, werden von einem UV-Pulslaser (11) mit Lichtpulsen (12) von 1 bis 10 Nanosekunden Länge beschossen. Dabei entsteht bei jedem Laserschuss am Auftreffort ein Plasmawölkchen, das sich im zunächst feldfreien Raum zwischen Probenträgerplatte (1) und der Beschleunigungselektrode (2) ungestört ausbreitet. Nach einer Verzögerungszeit tv von zum Beispiel einigen Zehntel Mikrosekunden wird die Spannung an der Beschleunigungselektrode (2) so geschaltet, dass die Ionen beschleunigt werden, wobei in bekannter Weise für Ionen jeweils einer Masse eine Zeitfokussierung in einem wählbaren Ort, beispielsweise Ort (14), erreicht wird. Der Hauptteil der Beschleunigung erfolgt jedoch üblicherweise nicht zwischen der Probenträgerplatte (1) und der Beschleunigungselektrode (2), sondern zwischen der Beschleunigungselektrode (2) und der im Normalbetreib auf Massepotential liegenden Grundelektrode (3). Dies ist für die Erfindung jedoch ohne Belang. Die verschiedenen Feldstärken zu beiden Seiten der Beschleunigungselektrode (2) erzeugen in der Öffnung der Beschleunigungselektrode (2) einen Linseneffekt, der den Ionenstrahl leicht divergent werden lässt. Eine Einzellinse (4, 5, 6) fokussiert den leicht divergenten Ionenstrahl (7), der nach der ersten geraden Flugstrecke in den Reflektor des Mamyrin-Typs (8) eintritt, dort reflektiert wird, und nach einer zweiten Flugstrecke (9) auf den Ionendetektor (10) auftrifft.
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Der Ort (14) für den Zeitfokus der Ionen kann durch Verzögerungszeit und Amplitude der Beschleunigungsspannung beliebig gewählt werden; für gewöhnlich wählt man einen Ort, der, wie in dargestellt, nicht allzu weit von der Ionenquelle entfernt ist. Dieser Ort (14) für den Zeitfokus, den die Ionen einer Masse zur gleichen Zeit, aber mit leicht verschiedenen Energien durchlaufen, wird durch den energiefokussierenden Reflektor (8) auf den Detektor (10) wiederum zeitfokussierend abgebildet.
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Leider liegt der Ort (14) für die erste Zeitfokussierung der Ionen für Ionen verschiedener Massen nicht genau an der gleichen Stelle. Vielmehr ist die Fokuslänge ein wenig von der Masse der Ionen abhängig. Um den Ort der Zeitfokussierung für Ionen aller Massen annähernd gleich zu machen, gibt es eine Betriebsweise, die nach der verzögert einsetzenden Beschleunigung der Ionen mit einer laufenden Änderung der Beschleunigungsspannung arbeitet. Der Gang der Beschleunigungsspannung zwischen Probenträgerplatte (1) und Beschleunigungselektrode (2) ist beispielhaft im Diagramm der dargestellt. Dadurch wird erreicht, dass die Fokuslänge für die Zeitfokussierung der Ionen über einen weiten Massenbereich konstant wird, mit der Folge, dass auch das Massenauflösungsvermögen in erwünschter Weise über einen weiten Massenbereich konstant hoch ist.
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Wie schon angemerkt, hat die runde Öffnung der Beschleunigungselektrode (2) einen Linseneffekt, weil auf beiden Seiten der Beschleunigungselektrode (2) verschiedene Feldstärken herrschen. Dadurch wird der Ionenstrahl (7) leicht defokussiert. Da schnelle Ionen mit leichten Massen diesen Beschleunigungsraum schnell verlassen, wirkt die zunehmende Beschleunigungsfeldstärke auf die langsamen Ionen mit schweren Massen stärker als auf schnellere Ionen leichter Massen. Dabei wird eine mit der Ionenmasse zunehmende Aufweitung des Ionenstrahls quer zur Flugrichtung erzeugt, wie sie als Kurve (20) des Diagramms in zu sehen ist.
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In der Erfindung wird nun vorgeschlagen, durch eine zeitlich laufende Veränderung der Spannung des mittleren Elements (5) der hier beispielhaft verwendeten Einzellinse (4, 5, 6) die massenabhängige Aufweitung des Ionenstrahls in gewünschtem Maße zu kompensieren. Es wird die Linsenspannung während der Spektrenaufnahme flugzeitabhängig und damit massenabhängig verändert. Die Linse kann, wie in den und 2 dargestellt, eine Einzellinse sein, es kann aber auch eine Beschleunigungslinse verwendet werden, die nicht gleiches Potential zu beiden Seiten der Linse hat und ein Teil des gesamten Beschleunigungssystems darstellt. Die Linsenspannung einer Einzellinse liegt allein an der mittleren Blende. Ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Linsenspannung ist im Diagramm der wiedergegeben. Der Änderungsverlauf setzt nach einer Linsenverzögerungszeit tL ein. Die Linsenverzögerungszeit tL kann insbesondere mit der Verzögerungszeit tV für die Beschleunigungsspannung identisch sein. Nach Aufnahme des Massenspektrums kehrt die Linsenspannung wieder auf den Ausgangswert zurück, in Vorbereitung auf den nächsten Laserschuss.
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Es können verschiedene Funktionen für die Veränderung der Linsenspannung gewählt werden. Elektrisch einfach zu erzeugen ist beispielsweise eine exponentielle Änderung
wobei die Linsenspannung U
L zur Zeit t
L mit der Sockelspannung V
1 beginnt und sich mit der Zeitkonstante t
1 dem Grenzwert (V
1 + W
1) annähert. Wie schon angemerkt, kann die Zeit t
L mit der Verzögerungszeit t
V identisch sein. Ein Verlauf dieser Art ist im Zeitdiagramm der
dargestellt.
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Das verwendete Flugzeitmassenspektrometer, das mit einer Ionisierung der Ionen durch matrixunterstützte Laserdesorption, mit einer Spannungsversorgung für einen verzögerten Einsatz und eine sich ändernde Beschleunigungsspannung für die Ionen, und mit einer Linse für die räumliche Fokussierung des Ionenstrahls versehen ist, muss also eine Spannungsversorgung für die Linse besitzen, die eine während der Spektrenaufnahme auf einer kurzen Zeitskala in der Größenordnung von Mikrosekunden veränderliche Spannung liefern kann.
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Es soll hier angemerkt werden, dass eine sich verändernde Linsenspannung eine neue Massenkalibration des Massenspektrometers erfordert, da eine veränderte Linsenspannung eine veränderte Aufenthaltszeit der Ionen in der Linse bewirkt. Eine derartige Anpassung ist jedoch ohne weiteres dem Routinekönnen eines Praktikers auf diesem Gebiet zuzurechnen, so dass hier auf weitere Erläuterungen diesbezüglich verzichtet wird.
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Im Diagramm der sind die Durchmesser des Ionenstrahls in Abhängigkeit von der Masse der Ionen für drei Betriebsweisen dargestellt, wie sie sich aus einer Simulation mit dem Programm SIMIONTM ergeben. Die untere Kurve (22) gibt den Verlauf des Strahldurchmessers wieder, wie er ohne Anwendung der verzögerten Beschleunigung bei richtiger Einstellung der Linsenspannung erhalten wird. Die obere Kurve (20) zeigt die Zunahme des Strahldurchmessers mit Zunahme der Beschleunigungsspannung nach verzögertem Einschalten, aber mit einer konstanten Linsenspannung. Die mittlere Kurve (21) hingegen, die bei optimaler Variation der Linsenspannung erhalten wird, hält den Durchmesser des Ionenstrahls durch die Fokussierung mit dieser zusätzlichen Linse während des Durchlaufens der ersten Flugstrecke, des Reflektors und der zweiten Flugstrecke für Ionen aller Massen auf einem Durchmesser von deutlich unter vier Millimetern. Diese Einstellung kann insbesondere bei Anwendungen, die in der Ionenquelle viele spontan zerfallende Ionen erzeugen (in-source decay: ISD), nützlich sein.
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Für manche Betriebsweisen mag ein Durchmesser des Ionenstrahls, der (leicht) über diesem Minimum liegt, optimal sein. So kann beispielsweise bei hohen Ionenströmen im Umkehrpunkt der Ionen im Reflektor, wo die Ionen sehr langsam fliegen, eine gegenseitige Störung der Ionen durch die Wirkung der Raumladung eintreten, die sich in einer Minderung der Massenauflösung auswirkt. Andererseits kann ein Ionendetektor, beispielsweise eine Vielkanalplatte, durch eine zu hohe Ionendichte an einem Punkt überladen werden. Es kann in solchen Fällen durch eine Variation des Zeitverlaufs der veränderlichen Linsenspannung ein Optimum an Massenauflösung, dynamischem Messbereich und/oder Empfindlichkeit erreicht werden. In jedem Fall wird eine deutliche Verbesserung zu dem Strahldurchmesser, wie er in als Kurve (20) gezeigt ist und aus einem Betrieb ohne zeitliche Änderung der Linsenspannung resultiert, erreicht.
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In einigen kommerziellen Flugzeitmassenspektrometern ist es möglich, einen leicht divergenten Ionenstrahl im Reflektor raumwinkelfokussierend auf den Ionendetektor zu reflektieren (siehe Dokumente
US 6,740,872 B1 oder
GB 2 386 750 B ; A. Holle, 2001). Dazu werden die Äquipotentialflächen im Reflektor in der Nähe des Umkehrpunktes der Ionen leicht gekrümmt. Die Fokussierung ist aber nur für Ionenstrahlen eines beschränkten Durchmessers ideal. Die erfindungsgemäße Einstellung der Linsenspannungsvariation kann hier dazu verwendet werden, den Reflektor ideal auszuleuchten. Eine optimale Einstellung kann durch Messung der Massenauflösung und der Empfindlichkeit gefunden werden.
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Ein Flugzeitmassenspektrometer kann auch ohne Reflektor (oder mit ausgeschaltetem Reflektor) im linearen Betriebsmodus betrieben werden. In ist für diesen Betrieb ein zweiter Ionendetektor (13) vorgesehen, der vom Ionenstrahl angesteuert wird, wenn die Betriebsspannung des Reflektors (8) ausgeschaltet ist. Die erfindungsgemäße Variation der Linsenspannung kann hier dazu verwendet werden, den Ionendetektor für Ionen aller Massen optimal auszuleuchten.
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Viele Flugzeitmassenspektrometer mit Reflektoren sind auch für die Messung von Tochter-Ionen ausgewählter Eltern-Ionen eingerichtet. Die Auswahl der Eltern-Ionen geschieht durch einen „Eltern-Ionen-Selektor“ (nicht gezeigt) am Ort des ersten Zeitfokus (14), einem schnellen Deflektor, der Ionen aller Massen ablenkt und aus dem Ionenweg entfernt, nur die ausgewählten Eltern-Ionen nicht. Auch hier kann eine erfindungsgemäß variierende Linsenspannung Massenauflösung und Empfindlichkeit verbessern.
