DE102016124889A1

DE102016124889A1 - Massenspektrometer mit Lasersystem zur Erzeugung von Photonen verschiedener Energie

Info

Publication number: DE102016124889A1
Application number: DE102016124889.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Boßmeyer; Andreas Haase
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: DE102016124889B4; GB201718743D0; US10236173B2; GB2558741A; GB2558741B; CN108206126A; US20180174815A1; CN108206126B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer mit optisch bepumpten Lasern, deren Laserlicht zur Ionisierung mittels Laserdesorption, zur Fragmentierung von Ionen durch Photodissoziation (PD), zur Anregung von Ionenreaktionen und für andere Zwecke eingesetzt werden kann. Die Erfindung stellt für ein Massenspektrometer ein Lasersystem bereit, mit dem jeweils mindestens zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge für den Einsatz an verschiedenen Orten entlang eines Ionenwegs von einer Ionenquelle zu einem Ionendetektor im Massenspektrometer erzeugt werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer mit gepulst oder kontinuierlich emittierenden Lasern, deren Laserlicht zur Ionisierung mittels Laserdesorption, zur Fragmentierung von Ionen durch Photodissoziation (PD), zur Anregung von Ionenreaktionen und zu anderen Zwecken eingesetzt werden kann.
Die Erfindung stellt für ein Massenspektrometer ein Lasersystem bereit, mit dem jeweils mindestens zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge (oder Frequenz) gepulst oder kontinuierlich erzeugt und an verschiedene Orte im Massenspektrometer entlang eines Ionenwegs von einer Ionenquelle zu einem Ionendetektor geführt werden können.
Stand der Technik
Der Stand der Technik wird im Folgenden mit Bezug auf einen speziellen Aspekt erläutert. Dies soll jedoch nicht als Einschränkung verstanden werden. Nützliche Fortentwicklungen und Änderungen von dem aus dem Stand der Technik bekannten können auch über den vergleichsweise engen Rahmen dieser Einleitung hinaus anwendbar sein, und werden sich geübten Praktikern auf diesem Gebiet nach der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung umstandslos erschließen.
Eine bedeutende desorbierende Ionisierungsart für Biomoleküle ist die Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI), die unter anderem durch M. Karas und K. Hillenkamp vor fast dreißig Jahren entwickelt wurde. MALDI ablatiert und ionisiert die Analytmoleküle, vorzugsweise Biomoleküle, die sich in hoher Verdünnung in einer Mischung mit Molekülen einer Matrixsubstanz in Proben auf Probenträgern befinden, durch den Beschuss mit Laserlichtpulsen, in der Regel mit ultravioletten (UV) Laserlichtpulsen. Früher wurden hierfür meist Stickstoff-Laser verwendet. Heute hingegen werden wegen weit höherer Lebensdauern und höheren Pulsfrequenzen überwiegend Festkörper-Laser eingesetzt. Meist werden Laser mit Neodym-dotierten Kristallen und einer Verdreifachung der PhotonenEnergie durch nichtlineare Kristalle eingesetzt; zum Beispiel mit einer Zielwellenlänge von 355 Nanometern ausgehend von 1064 Nanometern.
Die Ionen, die im Plasma eines jeden Laserlichtpulses erzeugt werden, werden überwiegend in besonders dafür konstruierten MALDI-Flugzeitmassenspektrometern (MALDI-TOF-MS) mit 20 bis 30 Kilovolt beschleunigt und axial in eine Flugstrecke hineingeschossen. Nach Durchlaufen der Flugstrecke treffen sie auf ein Ionenmesssystem, das die massenabhängige Ankunftszeit der Ionen und ihre Menge misst und die digitalisierten Messwerte als Flugzeitspektrum speichert. Früher wurden Wiederholraten der Laserlichtpulse bei Stickstofflasern von 20 bis zu 60 Hertz verwendet. Die Festkörperlaser wurden mit Wiederholraten bis zu 2000 Lichtpulsen pro Sekunde eingesetzt. In jüngster Zeit wurde von der Anmelderin ein MALDI-TOF-Massenspektrometer mit Lichtpuls- und Spektrenaufnahme-Frequenzen von 10 Kilohertz entwickelt.
Bei der Ionendetektion gilt es, Sättigungseffekten vorzubeugen. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der pro Laserlichtpuls erzeugten Ionen üblicherweise begrenzt, zum Beispiel auf maximal nur einige Tausend pro Schuss. Es werden daher für ein Flugzeitspektrum einige Hundert bis einige Tausend Einzelspektren aufaddiert. Die Massenspektren können heute Massenauflösungen von R = m/Δm = 80 000 und mehr erreichen, wobei Δm die Breite des Ionensignals in halber Höhe ist.
Es können mit geeigneten MALDI-Flugzeitmassenspektrometern auch Fragment-Ionenspektren aufgenommen werden, die im Allgemeinen auf einem Zerfall der gebildeten Ionen aufgrund überschüssiger interner Energie beruhen. Diese Fragment-Ionen können nachbeschleunigt und als Fragment-Ionenspektren gemessen werden. Leider ist die Fragment-Ionen-Ausbeute bei diesen Zerfallsprozessen gering. Es ist daher von Interesse, auch andere Fragmentierungsarten einsetzen zu können.
Eine übliche Fragmentierungsart ist die Stoßfragmentierung (CID = collisionally induced dissociation, gelegentlich auch CAD = collision-activated dissociation), in der beschleunigte Ionen in eine Stoßzelle hineingeschossen werden und dort bei Drücken des Stoßgases wie molekularem Stickstoff von 10^-3 bis 10^-1 Pascal durch Stöße fragmentieren. Dazu ist jedoch eine besondere Art von Flugzeitmassenspektrometer erforderlich. In ist ein bekanntes Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Beschleunigung der Ionen („OTOF“) durch einen Pulser dargestellt. Dieses Flugzeitmassenspektrometer ist mit einer MALDI-Ionenquelle und einer Stoßzelle auf dem Ionenweg zum Orthogonal-Pulser ausgerüstet.
Die Darstellung in zeigt ein vereinfachtes Schema. Der übliche Normalbetrieb mit Zwischenspeicherung und möglicher Stoßfragmentierung der Ionen im Ionenspeicher (9) sieht wie folgt aus: In einer Ionenquelle mit Lasersystem (1) werden durch den Laserlichtpulsstrahl (2), der durch ein Fenster (3) in die Quelle gelangt, von der Probe auf der Probenträgerplatte (5) Ionen (6) erzeugt, die durch ein Potential an der Elektrode (4) in einen üblichen Hochfrequenz-(HF)-Ionentrichter (7) gedrückt werden. Die Ionen treten dann in das HF-Quadrupol-Stabsystem (8) ein, das sowohl als einfaches Ionenführungssystem oder Ionenleiter als auch als Massenfilter zur Auswahl einer zu fragmentierenden Sorte von Eltern-Ionen betrieben werden kann. Die unselektierten oder selektierten Ionen werden dann in den Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenspeicher (9) eingespeist und können dabei je nach ihrer Beschleunigung durch energetische Stöße fragmentiert werden. Der Ionenspeicher (9) ist gasdicht umschlossen und wird durch die Gaszuführung (10) mit Stoßgas wie Stickstoff oder Argon beschickt, um die Ionen durch Stöße zu fokussieren und in der Achse zu versammeln.
Aus dem Ionenspeicher (9) werden zu vorgegebenen Zeiten Ionen durch die Extraktionsschaltlinse (11) entnommen, zu einem feinen Primärstrahl (12) geformt und zum Ionenpulser (13) geschickt. Der Ionenpulser (13) pulst einen Abschnitt des Primärionenstrahls (12) orthogonal in die auf hohem Potential befindliche Driftstrecke aus, wodurch der neue Ionenstrahl (14) entsteht. Der Ionenstrahl (14) wird im Reflektor (15) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor (16) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch angeschlossene Pumpen (17), (18) und (19) evakuiert.
Eine weitere Fragmentierungsart ist die Photodissoziation (PD). Dabei können Ionen durch Photonen fragmentiert werden, entweder durch ein einzelnes absorbiertes Photon genügend hoher Energie (typischerweise aus dem UV-Bereich), oder durch viele Photonen, die praktisch gleichzeitig absorbiert werden müssen (Multiphotonen-Dissoziation, MPD). Für die Erzeugung dieser Photonenstrahlen zur Fragmentierung wird üblicherweise ein eigener PD-Laser eingesetzt, siehe beispielsweise Choi et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2006, 17, Seiten 1643-1653; dortige 1.
Auch in anderen Arten von Massenspektrometern kommen gelegentlich zwei Lasersysteme zur Anwendung, um Ionen sowohl zu erzeugen wie auch zu fragmentieren. So beschreiben Watson et al. (Anal. Chem. Vol. 59, No. 8, April 15, 1987) die Anwendung eines gepulsten CO₂-Lasers zur Desorption und Ionisierung und eines Dauerstrich-CO₂-Lasers zur Fragmentierung in einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS); dortige 3.
Es ist auch bekannt, den Laserstrahl eines UV-Pulslasers durch zeitweises Umlenken mit einer Spiegelvorrichtung sowohl für die MALDI-Ionisierung wie auch für eine Fragmentierung zwischengespeicherter Ionen zu verwenden: 4(a) und 4(b) in US 7,351,955 B2 (V. V. Kovtoun, 2005). Es wird dabei für beide Zwecke der gleiche UV-Laserlichtstrahl mit identischer Wellenlänge verwendet.
Die Teilung eines UV-Pulslaserstrahls zur gleichzeitigen Verwendung für Ionisierung und Fragmentierung ist ferner aus der Arbeit „Photodissociation Studies of Small Peptide Ions by Fourier Transform Mass Spectrometry" von G. S. Gorman und I. J. Amster bekannt (Organic Mass Spectrometry, Vol. 28, 437-444, 1993).
Des Weiteren ist die Ionisierung und Fragmentierung der Moleküle eines H₂-Molekularstrahls durch Laserphotonen der beiden Wellenlängen ω und 2ω (780 Nanometer, 150 Femtosekunden) aus einem Ti:SA CPA-Ultrakurzpulslaser mit zeitlicher Verschiebung des Strahlpulses mit Frequenz ω gegenüber dem Strahlpuls mit 2ω bekannt, wobei beide Strahlpulse jedoch zum gleichen Ort geschickt und dort zusammengeführt werden. (Y. L. Shao et al., Journal of Modern Optics, 43:5, 1063.1070; „Two-colour strong-field ionization and dissociation of H2 using 780 and 390 nm femtosecond pulses").
Ein ähnliche Anordnung, aber unter Verwendung zweier Pulslaser, eines Excimer- und eines Farbstoff-Lasers, ist für die Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Photodissoziation von CH₂BrCl eingesetzt worden (W. S. McGivern et al., J. Chem. Phys., Vol. 111, No. 13, 1999; „Photodissociation dynamics of CH2BrCl").
Es sind also auf dem Gebiet der Massenspektrometrie Anwendungen zweier Lasersysteme bekannt, um an verschiedenen Orten Moleküle zu ionisieren und die entstandenen Ionen zu fragmentieren. Es sind auch Anwendungen mit jeweils einem einzigen Lasersystem bekannt, um durch Strahlteilung oder durch bewegliche Spiegelsysteme an verschiedenen Orten Moleküle zu ionisieren und Ionen mit Photonen gleicher Energie zu fragmentieren.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Massenspektrometer mit einem Lasersystem bereitzustellen, das jeweils mindestens zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge (oder Frequenz) gepulst oder kontinuierlich erzeugt und an verschiedene Orte im Massenspektrometer entlang eines Ionenwegs von einer Ionenquelle zu einem Ionendetektor führt, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, einem Ionendetektor, einem Ionenweg von der Ionenquelle zum Ionendetektor und einem Lasersystem. Das Lasersystem weist ein optisches Pumpsystem, eine optisch bepumpte Laserzelle zur Erzeugung von Primärphotonen und ein Vervielfachersystem zur Konditionierung der Primärphotonen auf eine Vielzahl unterschiedlicher Photonenenergien auf, von denen wenigstens eine größer als eine Energie der Primärphotonen ist. Das Lasersystem ist derart ausgelegt, dass die aus dem Vervielfachersystem austretenden Photonen unterschiedlicher Energien jeweils an verschiedene Orte entlang des Ionenwegs geleitet werden.
Durch die Verwendung nur eines Lasersystems für mehrere Laserlicht-erfordernde Aufgaben werden die Geräte wesentlich preiswerter, was einen kommerziellen Vorteil zeitigt. Darüber hinaus kann durch die Erzeugung von Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen deren Anwendung besser auf die entsprechende analytische Aufgabe an den jeweiligen Zielorten im Massenspektrometer abgestimmt werden. Jeder Laserstrahl aus der Strahlgruppe mit verschiedenen Wellenlängen/Photonenenergien kann derart zu jeweils einem individuellen Ort auf dem Ionenweg geführt werden, dass er parallel zum oder wenigstens teilweise auf dem Ionenweg verläuft und/oder den Ionenweg unter einem beliebigen Winkel kreuzt.
Das Leiten an verschiedene Orte entlang des Ionenwegs im Massenspektrometer kann beinhalten, aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer ersten Energie zur Ionenquelle zu leiten, um Moleküle zu desorbieren und/oder ionisieren und/oder nachzuionisieren; zum Beispiel für die MALDI-Ionisierung oder Abwandlungen davon wie MALDESI (Matrix-assisted Laser Desorption Electrospray Ionization) oder auch andere Ionisierungsarten, die eine Laserdesorption erfordern wie zum Beispiel LDCI (Laser Desorption Chemical Ionization). Zusätzlich oder alternativ lassen sich aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer zweiten Energie zu einem Ionenleiter und/oder Ionenspeicher auf dem Ionenweg leiten, um dort geführte bzw. gespeicherte Ionen zu photodissoziieren. Der Ionenleiter kann beispielsweise als wohlbekannte tunnelförmige oder trichterförmige HF-Ringstapel-Anordnung oder auch als HF-Multipol-Stabbaugruppe ausgeführt sein. Als Ionenspeicher kommen insbesondere dreidimensionale Quadrupolfallen als auch lineare oder zweidimensionale Multipolfallen in Betracht.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine der Photonenenergien nach der Konditionierung der Primärphotonenenergie entsprechen (also nicht Frequenz-erhöht bzw. Frequenz-vervielfacht sein) und eine andere der Photonenenergien kann nach der Konditionierung größer als die Primärphotonenenergie sein; zum Beispiel erhöht um den Faktor zwei, drei, vier und/oder fünf. Die Photonenenergie könnte sich gegebenenfalls mittels eines optisch-parametrischen Oszillators (OPO) auch kontinuierlich erhöhen lassen.
Das Vervielfachersystem kann eine Vielzahl von Vervielfacherstrecken aufweisen, welche von den Primärphotonen durchlaufen werden, um auf unterschiedliche Energien konditioniert zu werden. In bestimmten Ausführungen können die Vervielfacherstrecken wenigstens teilweise räumlich übereinstimmen. Eine bevorzugte Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vervielfachersystem einen Vervielfacherpfad mit einer Vielzahl von Vervielfacherkristallen aufweist und die Vervielfacherstrecken jeweils an unterschiedlichen Stellen vor, zwischen oder hinter den Vervielfacherkristallen abzweigen.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Primärphotonen Infrarot-(IR)-Photonen sein. Im Vervielfachersystem lassen sich daraus Photonen im sichtbaren, nahen ultravioletten und/oder fernen ultravioletten Spektralbereich bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen lässt sich das Vervielfachersystem dazu auslegen, (i) Primärphotonen per Strahlteiler gleichzeitig auf verschiedene Photonenenergien zu konditionieren und/oder (ii) aus einer Pulsfolge von Primärphotonen eine erste Untergruppe von Pulsen auf eine erste Photonenenergie und eine mit der ersten nicht übereinstimmende Untergruppe von Pulsen auf eine zweite Photonenenergie zu konditionieren (zeitversetzter Betrieb).
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer bestimmten konditionierten Energie eine Verzögerungseinrichtung durchlaufen zu lassen, bevor sie zum Ort entlang des Ionenwegs geführt werden, um zeitlich abgestimmt dort einzutreffen. Geeignete Anwendungen für diese Maßnahme finden sich insbesondere bei der Nachionisierung von Molekülen in Laserdesorptions-(Plasma-)wolken.
Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betrieb eines Massenspektrometers, das eine Ionenquelle, einen Ionendetektor, einen Ionenweg von der Ionenquelle zum Ionendetektor und ein Lasersystem aufweist. Eine Laserzelle des Lasersystems wird optisch bepumpt, um Primärphotonen zu erzeugen, und die Primärphotonen durchlaufen ein Vervielfachersystem, um auf eine Vielzahl von Photonenenergien konditioniert zu werden, von denen wenigstens eine größer als eine Energie der Primärphotonen ist. Die aus dem Vervielfachersystem austretenden Photonen mit unterschiedlichen Photonenenergien werden jeweils an verschiedene Orte entlang des Ionenwegs geleitet.
In verschiedenen Ausführungsformen lassen sich die aus dem Vervielfachersystem austretenden Photonen unterschiedlicher Energien zur Verdampfung von Festkörper- oder Flüssigkeitsmolekülen mit oder ohne deren teilweiser Ionisierung, Ionisierung von gasförmigen Molekülen, Initiierung von Ionen-Molekül-Reaktionen, Photodissoziation von Ionen, Auftrennung von Ionenclustern, Desolvatisierung von Ionen und/oder Reinigung von (Elektroden-)Oberflächen längs des Ionenwegs verwenden.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im weitesten Sinne auf Massenspektrometer mit gepulst oder kontinuierlich emittierenden Lasersystemen, die bevorzugt in einem üblichen Hochleistungs-Laserkristall zunächst einen primären Laserstrahl erzeugen, dessen Primärphotonen dann in einem Vervielfachersystem wenigstens teilweise (es kann auch ein Anteil mit der Ursprungs- oder Primärenergie beibehalten werden) einer oder mehreren Frequenzvervielfachungsstufe(n) in entsprechenden Vervielfacherkristallen unterworfen werden, wodurch stufenweise Photonen immer höherer Energie ausgehend von wenigstens einem Teil der Primärphotonen entstehen.
In der vorliegenden Offenbarung wird nun vorgeschlagen, dem Vervielfachersystem Laserlicht mit unterschiedlich konditionierten Photonenenergien zu entnehmen und für verschiedene Aufgaben, insbesondere Ionenhandhabungs-Aufgaben, an verschiedenen, räumlich getrennten Orten entlang eines Ionenwegs von einer Ionenquelle zu einem Ionendetektor im Massenspektrometer einzusetzen. Dabei können für die verschiedenen Aufgaben, beispielsweise für die Ionisierung eines Materials oder die Fragmentierung von Ionen, Photonen jeweils optimal angepasster Energie verwendet werden. Der materielle Aufwand für die Bereitstellung eines zusätzlichen Lasersystems zur Erledigung zusätzlicher Aufgaben, wie aus Teilen des Stands der Technik bekannt, kann eingespart und durch deutlich kostengünstigere Vervielfacherstufen ersetzt werden.
Üblicherweise werden in dem primären Hochleistungs-Laserkristall Infrarot-Strahlen erzeugt, beispielsweise in Nd:YAG oder ähnlichen Kristallen Infrarot-Strahlen mit etwa 1064 Nanometern Wellenlänge. In darauf folgenden Vervielfachungsstufen können beispielsweise nacheinander Photonen mit 532 Nanometern (grün; Verdoppelung), 355 Nanometern (UV; Verdreifachung) und 213 Nanometern (UV; Verfünffachung) oder auch mit 532 Nanometern (grün; Verdoppelung) und 266 Nanometern (UV; Vervierfachung) erzeugt werden. Es ist dann beispielsweise möglich, mit Photonen von 355 Nanometern (3,49 eV) eine MALDI-Probe unter Verwendung von auskristallisierten Matrixsubstanzen wie 2,5-Dihydroxybenzoesäure, Sinapinsäure oder α-cyano-4-hydroxy-Zimtsäure optimal zu ionisieren, die Ionen in einen Hochfrequenzspannungs-betriebenen Ionenleiter oder Zwischenspeicher zu führen bzw. zu speichern und dort mit Photonen von beispielsweise 266 oder 213 Nanometern (4,66 eV bzw. 5,82 eV) optimal zu fragmentieren.
In anderen Ausführungen kann beispielsweise die primäre Infrarot-Strahlung (1064 Nanometer; 1,17 eV) für eine Ionisierung einer Probe durch Infrarot-MALDI benutzt werden; und die Ionen können dann in nachfolgenden Komponenten entlang des Ionenwegs durch aus den infraroten Primärphotonen gebildete Photonen mit 266 Nanometer Wellenlänge (4,66 eV; Vervierfachung) relativ zart photodissoziiert werden. Es werden im Massenspektrometer durch die vorliegende Offenbarung die verschiedensten Kombinationen von Reaktionen ermöglicht, die beispielsweise reines Verdampfen einer Probe, Ionisierung der Dampfmoleküle, Ionisierung durch matrix-unterstützte Laserdesorption (MALDI), Initiieren von Reaktionen der Ionen mit Neutralmolekülen, Aufspaltung von Komplex-Ionen, Abstreifen von Solvathüllen, Fragmentierung von Ionen und/oder Reinigung von (Elektroden-)Oberflächen längs des Ionenwegs in gewünschten Graden umfassen.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Abbildungen verwiesen. Die Elemente in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, sondern sollen in erster Linie die Prinzipien der Erfindung (größtenteils schematisch) veranschaulichen. In den Abbildungen sind einander entsprechende Elemente in den verschiedenen Ansichten durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

zeigt ein vereinfachtes Schema eines bekannten Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonaler Beschleunigung der Ionen (OTOF) und einer MALDI-Ionenquelle.
zeigt schematisch eine Anordnung für ein Massenspektrometer gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
zeigen beispielhafte, vereinfachte Schemata für ein Massenspektrometer sowie den Aufbau eines Pulslasers gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
, und geben weitere Ausführungsformen von Massenspektrometern gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung schematisch wieder.

Detaillierte Beschreibung
Während die Erfindung anhand einer Anzahl von Ausführungsformen dargestellt und erläutert wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet anerkennen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der in den beigefügten Patentansprüchen definierten technischen Lehre abzuweichen.
Die Erfindung bezieht sich im weitesten Sinne auf Massenspektrometer mit gepulst oder kontinuierlich emittierenden Lasersystemen, die typischerweise in einem Hochleistungs-Laserkristall zunächst einen primären Strahl erzeugen, dessen Primärphotonen dann in einem Vervielfachersystem wenigstens teilweise (es kann auch ein Anteil mit der Ursprungs- oder Primärenergie beibehalten werden) einer oder mehreren Frequenzvervielfachungsstufe(n) in entsprechenden Vervielfacherkristallen unterworfen werden, wodurch stufenweise Photonen immer höherer Energie ausgehend von wenigstens einem Teil der Primärphotonen entstehen.
In der vorliegenden Offenbarung wird nun vorgeschlagen, dem Vervielfachersystem Laserlicht mit unterschiedlich konditionierten Photonenenergien zu entnehmen und für verschiedene Aufgaben, insbesondere Ionenhandhabungs-Aufgaben, an verschiedenen Orten entlang eines Ionenwegs von einer Ionenquelle zu einem Ionendetektor im Massenspektrometer einzusetzen. Dabei können für die verschiedenen Aufgaben, beispielsweise die Ionisierung eines festen Materials, die Ionisierung eines Gases, die Auftrennung von Komplex-Ionen, die Abtrennung anhängender Wassermoleküle von Ionen (Desolvatisierung), die Einleitung von Ionen-Molekül-Reaktionen, die Fragmentierung von Ionen und/oder die Reinigung von (Elektroden-)Oberflächen längs des Ionenwegs, konditionierte Photonen geeignet ausgesuchter und angepasster Energie verwendet werden.
Die Vervielfacherkristalle werden vorzugsweise mit sehr hohen Photonendichten betrieben. Daher sind die dem Vervielfachersystem entnommenen Laserstrahlen im Allgemeinen so intensiv, dass sie vorzugsweise in geeigneten Abschwächern auf die Intensität abgeschwächt werden, die für die jeweilige Anwendung geeignet oder optimal ist. Die erforderliche Abschwächung kann in bestimmten Fällen drei bis fünf Zehnerpotenzen betragen.
Die Erfindung erspart den Einsatz eines zweiten Lasersystems mit Hochleistungs-Laserkristall, optischem Pumpsystem und dessen Versorgungselektronik, die den Hauptteil der Kosten eines solchen Systems ausmachen. Moderne Massenspektrometer können im gepulsten Betrieb mit Lichtpulsfrequenzen bis zu zehn Kilohertz und mehr arbeiten; daher sind die notwendigen Hochleistungsgeräte für die elektrische Versorgung, insbesondere die Versorgung der optischen Pumpeinheiten, kostenträchtig und bieten beträchtliches Einsparpotential.
zeigt ein Schema eines Massenspektrometers 100 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es enthält eine Ionenquelle 102, einen Ionendetektor 104 und einen diese Komponenten verbindenden Ionenweg 106. Auf dem Ionenweg 106 kann sich wie gezeigt eine ionen-optische Komponente 108 wie zum Beispiel ein HF-Ionenleiter oder ein HF-Ionenspeicher befinden, die wenigstens zeitweilig auf die Ionen auf ihrem Weg 106 von der Ionenquelle 102 zum Detektor 104 einwirken.
Das Massenspektrometer 100 enthält weiterhin ein Lasersystem 110, das eine Pumplichtquelle 112, zum Beispiel einen Pumplaser, ein Laser-aktives Medium 114 wie einen Festkörper-Laserkristall mit Resonator und ein Vervielfachersystem 116 aufweist. Der Betrieb des Pumplasers 112 führt zu der erforderlichen Besetzungsinversion im Laser-aktiven Medium 114, so dass es Laserlichtpulse mit Primärphotonen einer bestimmten Energie ω₀ aussenden kann; vorzugsweise mit konstanter Pulsrate. Das Vervielfachersystem 116 hat in dem dargestellten Beispiel eine Vervielfacherstrecke 116' mit einem Frequenzvervielfachenden Kristall (oder einer Vielzahl davon in Reihe), welcher die Energie der Primärphotonen ω₀umwandelt und insbesondere erhöht.
In der gezeigten Ausführungsform wird der Lichtstrahl aus Primärphotonen beim Eintritt in das Vervielfachersystem 116 verzweigt. Ein erster Strahl 118a wird ohne weitere Umwandlung zur Ionenquelle 102 geleitet, beispielsweise um im Falle von Anfangsenergien ω₀entsprechend dem infraroten Spektralbereich Primärphotonen für IR-MALDI einer präparierten Molekülprobe, beispielsweise mit 4-Nitroanilin als Matrixsubstanz, zu verwenden. Der andere Strahl 118b durchläuft die Vervielfacherstrecke 116', so dass an deren Ende Photonen mit erhöhter Energie ω₂ austreten. Die Vervielfachung kann dabei eine FrequenzVerdopplung, Verdreifachung, Vervierfachung oder auch Verfünffachung sein, je nach Auswahl und Anordnung der nicht-linearen Kristalle, was im Falle von eingehenden IR-Photonen zu austretenden Photonen im sichtbaren, nahen UV- oder fernen UV-Bereich führen kann. Dieser zweite Strahl 118b lässt sich zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 schicken, um dort geführte bzw. gespeicherte Ionen zu manipulieren, zum Beispiel zu photodissoziieren.
In einer alternativen Variante kann im dem gezeigten Ausführungsbeispiel ausgenutzt werden, dass nicht alle Photonen der Ursprungsenergie ω₀in Vervielfacherkristallen verbraucht werden, sondern sie in bestimmten Anteilen ohne Frequenzwandlung durchlaufen. Anstatt Photonen der Ursprungsenergie ω₀beim Eintritt in das Vervielfachersystem 116 zu verzweigen, können die aus der Vervielfacherstrecke 116' austretenden Photonen mit Wellenlängen-empfindlichen Strahlteilern verzweigt und ihren räumlich getrennten Verwendungsorten entlang des Ionenwegs zugeleitet werden, wie es mit der gestrichelten Kontur 118a* angedeutet ist.
Die Verzweigung des Strahls aus Primärphotonen auf verschiedene Lichtwege kann grundsätzlich derart erfolgen, dass ein einfacher Strahlteiler einen bestimmten Anteil des Flusses an Primärphotonen zur Ionenquelle 102 und den dazu komplementären Anteil gleichzeitig über die Vervielfacherstrecke 116' Frequenz-gewandelt zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 schickt; beispielsweise im Verhältnis 1:1; Pulsteilung schematisch angedeutet bei 120. Auf diese Weise lassen die gewandelten Photonen erhöhter Energie ω₂ Ionen dissoziieren, die durch vorherige Laserschüsse in der Ionenquelle 102 erzeugt worden sind.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, einen etwaig vorgesehenen Pulscharakter der Primärphotonenpakete zu nutzen und diese jeweils vollständig abwechselnd zur Ionenquelle 102 und auf die Vervielfacherstrecke 116' zu schicken; Pulswechsel schematisch angedeutet bei 122. Bei entsprechender Abstimmung der Pulslängen und Pulszwischenzeiten können die durch einen ersten Laserpuls ohne Frequenzwandlung in der Quelle 102 erzeugten Ionen die Pulszwischenzeit nutzen, um von der Quelle 102 zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 zu gelangen und dort durch einen nachfolgenden Laserpuls photodissoziiert zu werden. Dieser Lichtwegwechsel kann beispielsweise mit einer Dreizustands-Pockelszelle im Laserresonator, wie sie in der Anmeldung DE 10 2015 115 416 A1 der Anmelderin beschrieben ist, über die Einstellung der Polarisation der gebildeten Laserstrahlung geschaltet werden. Es versteht sich, dass die Reihenfolge von Pulswechseln nicht streng abwechselnd sein muss, sondern ein komplizierteres Pulswechselschema aufweisen kann; beispielsweise kann nur jeder n-te Laserpuls (n>2) über die Vervielfacherstrecke 116' zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 geschickt werden, damit sich durch die höhere Rate an Ionisierungspulsen genug Ionen für die Photodissoziierung oder sonstige Ionenmanipulation erzeugen lassen.
Neben einem gepulsten Laser wie zuvor beschrieben ist es auch möglich, Dauerstrichlaser zu verwenden, wenn es für eine Anwendung im Massenspektrometer vorteilhaft ist. Auch aus einem Dauerstrichlaserstrahl lassen sich beispielsweise durch periodisches An- und Abschalten eines Strahlteilers gepulste Teilstrahlen (mithin Energie-modulierte Teilstrahlen) erzeugen.
zeigt eine Abwandlung eines Massenspektrometers 100 mit Lasersystem 110 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird im Folgenden im Wesentlichen auf die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsbeispielen eingegangen. Wie zuvor weist das Lasersystem 110 eine Pumplichtquelle 112, ein Laser-aktives Medium 114 sowie ein Vervielfachersystem 116 auf, das in dieser Ausführung einen Vervielfacherpfad 116* enthält. Allerdings werden in diesem Beispiel dem Vervielfachersystem 116 zwei unterschiedliche Photonenenergien ω₁, ω₂ entnommen, die nicht mit der Ursprungsenergie ω₀übereinstimmen sondern beide beim Durchlaufen des Vervielfachersystems 116 Frequenz-gewandelt werden.
In der Darstellung werden Photonen an unterschiedlichen Stellen des Vervielfacherpfads 116* zu unterschiedlichen Strahlen 118a, 118b (mithin auf unterschiedlichen, aber räumlich teilweise übereinstimmenden Strecken) abgezweigt. Die zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 geführten Photonen haben den gesamten Vervielfacherpfad 116* durchlaufen und damit eine stärkere Frequenzwandlung erfahren als die zur Ionenquelle 102 geleiteten Photonen. Als Beispiel möge eine Ursprungswellenlänge der im Laser-aktiven Medium 114 erzeugten Primärphotonen von 1064 Nanometern dienen, die auf dem Vervielfacherpfad 116* auf 355 Nanometer verdreifacht und dann abgezweigt werden, um in der Ionenquelle 102 UV-MALDI zu betreiben, wohingegen Photonen nach Durchlaufen des gesamten Vervielfacherpfads 116* und entsprechender Verfünffachung auf 213 Nanometer im Ionenleiter/Ionenspeicher 108 befindliche Ionen photodissoziieren. Es versteht sich, dass die im ersten Abschnitt des Vervielfacherpfads 116* bereits Frequenz-gewandelten und dann auf den Strahl 118a abgezweigten Photonen optional noch weitere Vervielfacherstufen im Vervielfachersystem 116 durchlaufen können, wie sie durch gestrichelte Kontur bei 116# angedeutet sind.
zeigt ein beispielhaftes, stark vereinfachtes Schema für den Aufbau eines Pulslasersystems im Massenspektrometer aus , das in diesem Beispiel UV-Lichtpulse mit 355 Nanometern für eine MALDI-Ionisation und UV-Lichtpulse von 213 Nanometern für eine effektive Fragmentierung erzeugt. Ein Pumpdiodenlaser (31) mit 808 Nanometer IR-Licht pumpt den Laserkristall (34). Der Spiegel (33) ist für 808 Nanometer IR-Licht hochtransparent und für das 1064 Nanometer IR-Licht des Lasers hochreflektierend. Im Laserresonator, der am Ende durch den hier halbdurchlässigen Spiegel (38) abgeschlossen wird, befinden sich außerdem eine Pockelszelle (36) und eine λ/4-Wellenplatte (37), die zusammen einen schaltbaren Polarisationsdreher bilden, und ein Polarisationsfilter (35). Wird der Polarisationsdreher (36, 37) so geschaltet, dass die Polarisation mit der Durchlassrichtung des Polarisationsfilters (35) übereinstimmt, so kann Licht zwischen den Spiegeln (33) und (38) ungehindert hin- und herwandern, und es beginnt der Lichtverstärkungs-Prozess, dessen Lichtstärke in Bruchteilen von Nanosekunden sehr schnell exponentiell ansteigt, bis der Besetzungsüberschuss im höheren Niveau des Laserkristalls verbraucht ist (Güteschaltung).
Der durch den halbdurchlässigen Spiegel (38) austretende IR-Lichtpuls von einigen Nanosekunden Länge ist in fester Richtung linear polarisiert. Im Verdopplerkristall (40) werden aus jeweils zwei IR-Photonen (1,17 eV Energie pro Photon) grüne Photonen (532 Nanometer; 2,33 eV) erzeugt, im Verdreifacher-Kristall (42) entstehen entsprechend Photonen im nahen UV (355 Nanometer; 3,49 eV) aus den IR-Photonen und grünen Photonen. Der UV-Spiegel (44) lenkt einen Teil der nutzbaren UV-Strahlung zur MALDI-Ionisierung in der Ionenquelle ab. In einem Verfünffacher-Kristall (46) wird aus einem Photon mit 355 Nanometer und einem Photon mit 532 Nanometer eine neues Photon mit 213 Nanometer Wellenlänge erzeugt (fernes UV; 5,82 eV). Diese neuen Photonen werden durch den UV-Spiegel (48) abgelenkt und zum Fragmentierungsort im Ionenleiter/Ionenspeicher geleitet. Das restliche Licht (49) wird in einem Absorber (50) aufgefangen und vernichtet.
Ein Flugzeitmassenspektrometer mit einem solchen Aufbau ist zur Illustration in beispielhaft dargestellt. Ein Lasersystem (21) nach Prinzipien dieser Offenbarung erzeugt zwei Laserstrahlen (2) und (22). Der Laserstrahl (2) mit exemplarischen 355 Nanometer Wellenlänge erzeugt durch einen MALDI-Prozess Ionen der Probe auf der Probenträgerplatte (5); der Laserstrahl (22) mit beispielweise 213 Nanometer Wellenlänge fragmentiert die Ionen im Ionenspeicher (9).
Es sei hier angemerkt, dass das Aufbauschema der stark vereinfacht ist. So sind beispielsweise alle Linsen zur Fokussierung der Strahlen weggelassen. Die Linsen können durch Bewegen in Strahlrichtung so eingestellt werden, dass in den Vervielfacherkristallen durch Strahlfokussierung die jeweils optimalen Photonendichten erzeugt werden. So kann im Verdopplerkristall (40) erreicht werden, dass über 80% der Infrarot-Photonen verbraucht werden. Das ist hier jedoch nicht günstig, weil ja im Verdreifacherkristall (42) noch eine hohe Dichte an Infrarot-Photonen gebraucht wird. Die Einstellung optimaler Photonendichten ist dem Fachmann geläufig.
Auch die Fraktionen für partielle Ablenkungen der Laser-Nutzstrahlen werden vom Fachmann routinemäßig eingestellt. So braucht der Spiegel (44) nur einen sehr geringen Teil der 355 Nanometer-Photonen abzulenken, weil für MALDI nur etwa ein Tausendstel der UV-Strahlenergie bezogen auf 100 Mikrojoule Ausgangsenergie gebraucht wird, die im Verdreifacherkristall erzeugt wird. Der abgelenkte Strahl muss in der Regel sogar mit einem einstellbaren Abschwächer weiter geschwächt werden. Auch die Abschwächer sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
Es werden durch die Erfindung die verschiedensten Kombinationen von Laserstrahlen mit jeweils optimalen Photonenenergien für verschiedenartige Anwendungen im Massenspektrometer ermöglicht. Die Anwendungen der Strahlen können ein reines Verdampfen einer Probe oder eine Ionisierung der Dampfmoleküle sein, oder Reaktionen von Ionen mit Neutralmolekülen initiieren, oder Ionen in gewünschten Graden fragmentieren. Auch Auftrennungen von schweren Komplex-Ionen, Abtrennungen anhängender Wassermoleküle von Ionen (Desolvatisierung) oder Reinigungen von (Elektroden-)Oberflächen längs des Ionenwegs sind durch Photonen geeigneter Energie möglich.
Es sei hier noch angemerkt, dass es die Anordnung von Polarisationsfilter (35), Pockelszelle (36) und λ/4-Wellenplatte (37) erlaubt, Lichtpulse ohne Unterbrechung der Taktfrequenz für den Primärkristall (34) auszulassen, indem durch Inversion der Pockelszellenspannung die Polarisation um 90° gedreht wird, und der austretende Lichtstrahl die Vervielfacherkristalle ungestört durchlaufen kann, ohne in seiner Frequenz nennenswert konvertiert zu werden (Dreizustands-Pockelszellenbetrieb). Alles IR-Licht wird dann im Absorber (50) vernichtet. Zweck und genaue Funktion sind in der Patentanmeldung DE 10 2015 115 416 A1 beschrieben, die hier durch Verweis vollinhaltlich eingeschlossen werden soll.
In ähnlicher Weise kann man auch für ausgewählte Laserpulse die Vervielfachung im letzten Vervielfacherkristall (46) verhindern, indem man durch eine Pockelszelle vor dem Vervielfacherkristall (46) die Möglichkeit bietet, die Polarisationsebene für eine der beteiligten Wellenlängen um 90° zu drehen und den Lichtstrahl unbeeinflusst durch den Vervielfacherkristall (46) hindurchtreten zu lassen. Dadurch lassen sich beispielsweise Fragmentierungen im Ionenspeicher (9) der in einfacher Weise ausschalten. Die Polarisationseinstellung der Primärphotonen kann auch verwendet werden, um einen Strahlengang der Primärphotonen wie mit der gestrichelten Kontur 118a* in angedeutet in die Praxis umzusetzen, nämlich die Vervielfacherstrecke 116' durchlaufend aber ohne Frequenz-gewandelt zu werden, da die Vervielfacherkristalle auf bestimmte Polarisationszustände nicht ansprechen.
Des Weiteren sei hier noch angemerkt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn die Pulse von mindestens einem der beiden dem Lasersystem entnommenen Laserstrahlen eine Verzögerungseinrichtung, beispielsweise einen verlängerten Strahlweg in einer Vielfach-Reflexionszelle, durchlaufen, um am Verwendungsort eine optimale, zeitlich abgestimmte Wirkung zu entfalten.
zeigt schematisch eine weitere Abwandlung eines Massenspektrometers 100 mit Lasersystem 110 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auch hier im Wesentlichen auf die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsbeispielen eingegangen. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass die Primärphotonen der ursprünglichen Energie ω₀beim Eintritt in das Vervielfachersystem 116 verzweigt werden (gleichzeitig per Strahlteiler oder pulsgruppenweise wechselnd) und dabei jeweils zwei unterschiedliche Vervielfacherstrecken 116', 116" durchlaufen, auf denen sie auf unterschiedliche Photonenenergien ω₁, ω₂ konditioniert werden; beispielsweise mittels unterschiedlicher Vervielfacherkristall-Anordnungen. Ausgehend von einer Anfangsenergie ω₀entsprechend 1064 Nanometern kann die erste Strecke 116' beispielsweise Photonen mit 266 Nanometern und die zweite Strecke 116" solche mit 213 Nanometern zur Verwendung an unterschiedlichen Orten entlang des Ionenwegs 106 erzeugen.
verdeutlicht die Vielseitigkeit der hier vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren dahingehend, dass die aus dem Vervielfachersystem 116 austretenden Photonen unterschiedlicher Energien ω₁, ω₂ auch für andere Zwecke als die Ionisierung in der Ionenquelle 102 verwendet werden können, welche in diesen Ausführungen mittels bekannter Verfahren wie zum Beispiel Elektrosprüh-Ionisierung, Elektronenstoß-Ionisierung oder Glimmentladungs-Ionisierung erfolgen kann. Ein erster Strahl 118a mit auf eine Energie ω₁ konditionierten Photonen wird wie zuvor beschrieben zu einem Ionenleiter/Ionenspeicher 108 auf dem Ionenweg 106 geschickt, beispielsweise um Solvathüllen von Ionen zu entfernen, wohingegen ein zweiter Strahl 118b mit auf eine abweichende Energie ω₂ konditionierten Photonen zu dem Ionendetektor 104 geleitet wird. Der Ionendetektor 104 kann in dieser Ausführung beispielsweise eine Ionenzyklotronresonanz-Zelle sein, wie sie für Fourier-Transformations-Massenspektrometrie eingesetzt wird und Massenanalysator sowie Detektor in einer Komponente vereint. Das Laserlicht des Strahls 118b kann zum Beispiel für die Photodissoziation von im Magnetfeld der Zelle gespeicherten Ionen verwendet werden.
veranschaulicht schematisch eine weitere Abwandlung eines Massenspektrometers 100 mit Lasersystem 110 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Das Vervielfachersystem 116 ist hier derart ausgelegt, dass ihm drei verschiedene Strahlen 118a, 118b, 118c unterschiedlicher Photonenenergie ω₀, ω₂, ω₃ entnommen und drei räumlich getrennten Verwendungsorten entlang des Ionenwegs 106 zugeführt werden können; im gezeigten Beispiel sind diese Orte die Ionenquelle 102, ein Ionenleiter/Ionenspeicher 108 und eine weitere Komponente 108* auf dem Ionenweg 106, die ebenfalls als Ionenleiter/Ionenspeicher ausgeführt sein kann, um beispielsweise im Rahmen einer Tandem-Fragmentierung im ersten Leiter/Speicher 108 entstandene Photodissoziations-Fragment-Ionen mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge weiter zu fragmentieren. Diese zweite Photodissoziation kann mit einer Wellenlänge entsprechend der Ursprungsenergie ω₀erfolgen; zum Beispiel mittels IR-Multiphotonendissoziation (IRMPD) falls die Ursprungsenergie ω₀dem IR-Bereich entstammt.
Das Vervielfachersystem 116 weist darüber hinaus zwei Vervielfacherstrecken 116', 116" unterschiedlichen Zuschnitts auf. Der Laserstrahl ursprünglicher Energie ω₀wird kurz nach Eintritt in das Vervielfachersystem 116 abgezweigt und zur Komponente 108* geführt. Gleichzeitig und/oder pulsgruppenweise versetzt dazu durchläuft das Laserlicht die beiden Vervielfacherstrecken 116', 116", um mit entsprechend erhöhter Energie ω₂, ω₃ zur Ionenquelle 102 (beispielsweise zwecks UV-Desorption) bzw. zum Ionenleiter/Ionenspeicher 108 gelenkt zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform können im Rahmen einer Abänderung des exemplarischen Aufbauschemas aus auch Strahlpaare zu anderen Verwendungszwecken im Massenspektrometer erzeugt werden. So kann beispielsweise, wie im Massenspektrometer der gezeigt, primäre Infrarot-Strahlung (1064 nm; 1,17 eV) als Strahl (25) für eine Verdampfung der Probe auf dem Probenträger (5) und einer schwachen Ionisierung durch Infrarot-MALDI benutzt werden, und die verdampften, heißen Probenmoleküle können dann direkt oberhalb der Probe auf dem Probenträger (5) durch den zweiten Laserstrahl (26) nachionisiert werden, beispielsweise mit Photonen von 266 Nanometer (4,68 eV; Vervierfachung). Die Frequenz-Vervierfachung der IR-Photonen kann im Vervielfachersystem in zwei Stufen, Verdopplung und Vervierfachung, erfolgen. Der zeitliche Versatz zwischen den Laserstrahlen (25, 26) bei deren gleichzeitiger Auskopplung aus dem Vervielfachersystem kann beispielsweise durch Verlängerung des Lichtwegs des für die Nachionisierung verwendeten Strahls (26) erreicht werden; zum Beispiel in einer Vielfach-Reflexionszelle. Grob geschätzt ergibt sich mit jeder Wegverlängerung um 30 Zentimeter eine Verzögerung von etwa einer Nanosekunde (im Vakuum).
Die Erfindung ist vorstehend mit Bezug auf verschiedene besondere Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diverse Aspekte oder Details der beschriebenen Ausführungen geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere können im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen offenbarte Merkmale und Maßnahmen beliebig kombiniert werden, sofern dies einem Fachmann praktikabel erscheint. Überdies dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzbereichs, der ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche unter Berücksichtigung etwaig vorhandener Äquivalente definiert wird.
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 7351955 B2 [0013]
DE 102015115416 A1 [0044, 0054]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Choi et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2006, 17, Seiten 1643-1653 [0011]
Watson et al. (Anal. Chem. Vol. 59, No. 8, April 15, 1987) [0012]
„Photodissociation Studies of Small Peptide Ions by Fourier Transform Mass Spectrometry” von G. S. Gorman und I. J. Amster bekannt (Organic Mass Spectrometry, Vol. 28, 437-444, 1993) [0014]
Y. L. Shao et al., Journal of Modern Optics, 43:5, 1063.1070; „Two-colour strong-field ionization and dissociation of H₂ using 780 and 390 nm femtosecond pulses” [0015]
W. S. McGivern et al., J. Chem. Phys., Vol. 111, No. 13, 1999; „Photodissociation dynamics of CH₂BrCl” [0016]

Claims

Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, einem Ionendetektor, einem Ionenweg von der Ionenquelle zum Ionendetektor und einem Lasersystem, das ein optisches Pumpsystem, eine optisch bepumpte Laserzelle zur Erzeugung von Primärphotonen und ein Vervielfachersystem zur Konditionierung der Primärphotonen auf eine Vielzahl unterschiedlicher Photonenenergien aufweist, von denen wenigstens eine größer als eine Energie der Primärphotonen ist, gekennzeichnet durch eine Auslegung des Lasersystems derart, dass die aus dem Vervielfachersystem austretenden Photonen unterschiedlicher Energien jeweils an verschiedene Orte entlang des Ionenwegs geleitet werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer ersten Energie zur Ionenquelle geleitet werden, um Moleküle zu desorbieren und/oder ionisieren und/oder nachzuionisieren.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer zweiten Energie zu einem Ionenleiter und/oder Ionenspeicher auf dem Ionenweg geleitet werden, um dort geführte bzw. gespeicherte Ionen zu photodissoziieren.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Photonenenergien nach der Konditionierung der Primärphotonenenergie entspricht und eine andere der Photonenenergien nach der Konditionierung größer als die Primärphotonenenergie ist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vervielfachersystem eine Vielzahl von Vervielfacherstrecken aufweist, welche von den Primärphotonen durchlaufen werden, um auf unterschiedliche Energien konditioniert zu werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vervielfacherstrecken wenigstens teilweise räumlich übereinstimmen.
Massenspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vervielfachersystem einen Vervielfacherpfad mit einer Vielzahl von Vervielfacherkristallen aufweist und die Vervielfacherstrecken jeweils an unterschiedlichen Stellen vor, zwischen oder hinter den Vervielfacherkristallen abzweigen.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärphotonen Infrarot-Photonen sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vervielfachersystem zur Bildung von Photonen im sichtbaren, nahen ultravioletten und/oder fernen ultravioletten Spektralbereich ausgelegt ist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vervielfachersystem dazu ausgelegt ist, (i) Primärphotonen per Strahlteiler gleichzeitig auf verschiedene Photonenenergien zu konditionieren und/oder (ii) aus einer Pulsfolge von Primärphotonen eine erste Untergruppe von Pulsen auf eine erste Photonenenergie und eine mit der ersten nicht übereinstimmende Untergruppe von Pulsen auf eine zweite Photonenenergie zu konditionieren.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vervielfachersystem austretende Photonen einer bestimmten konditionierten Energie eine Verzögerungseinrichtung durchlaufen, bevor sie zum Ort entlang des Ionenwegs geführt werden, um zeitlich abgestimmt dort einzutreffen.
Verfahren zum Betrieb eines Massenspektrometers, das eine Ionenquelle, einen Ionendetektor, einen Ionenweg von der Ionenquelle zum Ionendetektor und ein Lasersystem aufweist, wobei eine Laserzelle des Lasersystems optisch bepumpt wird, um Primärphotonen zu erzeugen, und die Primärphotonen ein Vervielfachersystem durchlaufen, um auf eine Vielzahl von Photonenenergien konditioniert zu werden, von denen wenigstens eine größer als eine Energie der Primärphotonen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Vervielfachersystem austretenden Photonen mit unterschiedlichen Photonenenergien jeweils an verschiedene Orte entlang des Ionenwegs geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonen unterschiedlicher Energien zur Verdampfung von Festkörper- oder Flüssigkeitsmolekülen mit oder ohne deren teilweiser Ionisierung, Ionisierung von gasförmigen Molekülen, Initiierung von Ionen-Molekül-Reaktionen, Photodissoziation von Ionen, Auftrennung von Ionenclustern, Desolvatisierung von Ionen und/oder Reinigung von Oberflächen längs des Ionenwegs verwendet werden.