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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung und Eliminierung harmonischer Signale in Ionenzyklotronresonanz-Frequenz- oder Massenspektren. Diese unerwünschten harmonischen Signale können Peaks erzeugen, insbesondere in Breitbandspektren komplexer Gemische organischer Substanzen, die fälschlicherweise als echte lonenpeaks interpretiert werden können. Bei der nω-Detektion mit Vielfach-Elektroden, bei der die Resonanzfrequenz nν = nω/2π als Grundfrequenz gemessen wird, verschlechtern häufig auftretende, subharmonische Signale die Spektren und verkomplizieren ihre Interpretation. Insbesondere können bei der quadrupolaren 2ω-Detektion 1ν-subharmonische Signale mit unerwünscht hoher Intensität auftreten.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (ICR-MS) kann in vielen unterschiedlichen Betriebsmoden durchgeführt werden. Im extrem schmalbandigen Betrieb, bei dem nur Ionenspezies in einem Massenbereich (m/z) um eine einzige atomare Masseneinheit (Dalton) herum gemessen werden, können außerordentlich hohe Massenauflösungen von der Größenordnung mehrerer zehn Millionen (R = m/Δm > 107) erzielt werden, wenn die transienten Signale bis zu fünf Minuten lang oder länger gemessen werden. Dazu wird ein außerordentlich gutes Ultrahochvakuum (p < 10-7 Pascal) benötigt, um die Zahl der Stöße zwischen den umlaufenden Ionen und den Restgasmolekülen in der Zelle möglichst gering zu halten. Die ultrahohe Massenauflösung ermöglicht die Feinstrukturanalyse der Isotopensatelliten der Molekülionensorten. Diese offenbart die Elementarzusammensetzung der Ionensorten, was die Bestimmung einer Bruttoformel für Analyten in der zu untersuchenden Probe ermöglicht.
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Andererseits bietet ein breitbandiger Betrieb, der einen Massenbereich von einigen tausend Dalton abdeckt, eine qualitative und quantitative Analyse komplexer Gemische mit hunderten von organischen Substanzen mit einer etwas verringerten Massenauflösung von einigen Millionen (R > 106) und einer Massenpräzision von etwa einem Millionstel (1 ppm). Da bis zu mehrere hundert oder tausend verschiedene Ionensorten die Zyklotronumlaufbahn bevölkern können, sind die nutzbaren Längen der Bildstrom-Transienten typischerweise auf nur ein paar Sekunden reduziert. Beispiele für diese Analysen komplexer Gemische sind Erdöle, Öldestillationsrückstände oder Gemische von Naturstoffen, die beispielsweise bei der Suche nach pharmazeutisch interessanten Inhaltsstoffen oder Reagenzien aus Pflanzen extrahiert werden.
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In ICR-Zellen sollte theoretisch die Achse der Magnetronbewegung mit der Achse der ICR-Zelle übereinstimmen; die Erfahrung zeigt aber, dass recht häufig die Achse der Ionenmagnetron-Umlaufbahn in einer zylindrischen ICR-Zelle einen radialen Versatz gegenüber der geometrischen Zellenachse aufweist. Die versetzte Magnetronumlaufbahn hat einen negativen Einfluss sowohl auf die Zyklotronanregung wie auch auf den Nachweisprozess der Ionen. Sie beeinträchtigt ebenfalls das nachgewiesene Signal; in der klassischen dipolaren 1ω-Detektion führt sie zu einem Anstieg der Peakintensitäten, die mit den geradzahligen Oberwellen (z.B. der zweiten) im fouriertransformierten Spektrum assoziiert sind, und weiterhin zu häufiger auftretenden Seitenbändern des Ionensignals. In Extremfällen können Ionen während der Zyklotronanregung, die typischerweise einen gepulsten Hochfrequenzdurchlauf (einen so genannten „Chirp“) enthält, verloren gehen, wenn die Ionen sich auf großen oder weit versetzten Magnetron-Umlaufbahnen befinden, die die Ionen in eine kritische Nähe zu den (Zylinder-)Mantelelektroden bringen.
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Wenn die ICR-Zellenkomponenten in der ICR-MS etwas falsch ausgerichtet sind, werden die Spektren komplexer, durch das Auftreten harmonischer Signale größerer Peaks oder durch Peaks, die Seitenbänder aus der Überlagerung von Zyklotron- und Magnetronschwingungen darstellen. Bei der Schmalband-ICR spielen diese Peaks keine herausragende Rolle, weil sie normalerweise weit entfernt von den zu untersuchenden Signalen sind. In der breitbandigen ICR-Massenspektrometrie wäre es aber von Vorteil, wenn diese Peaks so gut wie möglich unterdrückt würden, weil sie dazu tendieren, in interessanten Bereichen des Frequenz- oder Massenspektrums aufzutreten, und die Interpretation solcher Spektren stark verkomplizieren können.
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Ein Fachmann wird bestätigen, dass eine Asymmetrie des elektrischen Felds im Inneren der Zelle, die in verschiedenartigen Oberwellen resultiert, die Folge vieler unterschiedlicher Ursachen sein kann, z.B. einer Abweichung der einzelnen Elektrodenformen von der Idealform oder einer Abweichung der vollständig montierten Zelle von ihrer Idealform. Symmetriefehler des elektrischen Felds im Inneren der ICR-Zelle können auch von unsymmetrischen Kontaktpotentialen der Stecker der Spannungsversorgung herrühren.
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Unsymmetrische elektrische Felder in der ICR-Zelle können auch durch eine Aufladung einzelner Elektroden verursacht werden. Eine Aufladung ist ein allgemeiner Prozess, der aus unterschiedlichen Gründen auftreten kann, beispielsweise wegen einer hochohmigen Masseverbindung einer Elektrode. Normalerweise sollten die Detektionselektroden in der Zelle nach jedem Aufnahmezyklus auf Massepotential sein. Wenn sie aber über einen großen Widerstand mit Masse verbunden sind, was die Aufnahme von induzierten Bildladungssignalen sehr niedriger Amplitude ermöglicht, dann könnte die Schnelligkeit und Leichtigkeit der Entladung nach jedem Aufnahmezyklus beeinträchtigt sein. Folglich könnte die Elektrode ihren geladenen Zustand eine Weile weiter aufrechterhalten, sogar nachdem der nächste Aufnahmezyklus begonnen hat. Im Ergebnis wird in der Zelle ein asymmetrisches elektrisches Feld induziert, weil eine Elektrode unvollständig entladen ist. Eine andere Möglichkeit der Elektrodenaufladung ist die Aufladung an Oberflächen. Dies passiert normalerweise, wenn die Metalloberfläche der Elektrode eine dielektrische Schicht trägt, die möglicherweise polarisiert oder geladen ist, und nicht leicht entladen werden kann, da sie nicht leitfähig ist. Eine Reinigung wäre eine mögliche Gegenmaßnahme für eine solche Verunreinigung.
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Die Druckschrift
US 8,766,174 B1 (G. Baykut et al.) beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Optimierung elektrischer Felder in Messzellen der Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer. Diese Druckschrift soll hiermit vollständig einbezogen werden. Die Optimierung basiert auf dem Grundprinzip, dass versetzte und asymmetrische elektrische Felder in Ionenzyklotronresonanzzellen auftreten können und daher die Achse der Magnetronumlaufbahn radial versetzt sein kann. Verschobene Magnetronumlaufbahnen haben einen negativen Einfluss auf die Zyklotronanregung, verschlechtern das FT-ICR-Signal, erhöhen die Intensität der geradzahligen harmonischen Signale (in dipolarer 1ω-Detektion), führen zu stärkeren Seitenbändern des FT-ICR-Signals und können im Extremfall Ionenverluste verursachen. Das Verfahren hilft, indem es die Verschiebung der Magnetronbewegung sondiert, Parameter misst, die den Versatz der elektrischen Feldachse anzeigen, und diesen korrigiert, indem es die versetzte Achse auf die geometrische Achse der ICR-Zelle zurückbringt. Dies führt zu einer Abschwächung oder vollständigen Eliminierung der geradzahligen harmonischen Peaks, die am deutlichsten durch die Verkleinerung des harmonischen 2ν
+-Peaks beobachtet werden kann. Eine weitere Druckschrift (
US 9,355,830 B2 ; G. Baykut et al.), die hiermit auch vollständig einbezogen sein soll, beschreibt, wie man den Magnetronbahnradius durch eine gattergesteuerte (geschaltete) Ablenkung während der Ioneneinführung in die ICR-Zelle möglichst gering halten kann. Dadurch werden die Seitenbandpeaks des FT-ICR-Signals und seine harmonischen Peaks verringert. Bei der dipolaren 1ω-Detektion kann der Effekt am deutlichsten beim höchsten Seitenbandpeak (2ν
++ν
-) beobachtet werden. Beide Verfahren können aber auch bei der Vielfachelektroden-nω-Detektion eingesetzt werden.
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Wie oben erwähnt, wird für komplexe Substanzgemische der Breitbandbetrieb notwendig, aber die kurzen transienten Signale verringern die Massenauflösung wesentlich. Um die Breitband-Massenauflösung trotz der Kürze der messbaren transienten Signale zu verbessern, kann eine Vielfachelektroden-Messung der Zyklotronfrequenzen angewendet werden; z.B. ergibt eine quadrupolare 2ω-Detektion eine Messung der doppelten Frequenz 2ν
+. Diese 2ω-Messungen erzeugen Massenspektren mit der doppelten Massenauflösung im Vergleich zu dipolaren 1ω-Messungen, aber unglücklicherweise erzeugen sie normalerweise zusätzlich subharmonische Signale mit der Frequenz 1ν aller echten Massenpeaks. Eine gute Einstellung und Abstimmung gemäß den Druckschriften
US 8,766,174 B1 und
US 9,355,830 B2 kann dazu beitragen, die subharmonischen Peaks 1ν
+ und ihre harmonischen Seitenbandpeaks (ν
++ν
-) auf etwa 1 Prozent des gemessenen Grundschwingungspeaks 2ν
+ zu verringern; aber es besteht weiterhin die Notwendigkeit, die 1ν-subharmonischen Signale weiter zu reduzieren, wie zum Beispiel um einen zusätzlichen Faktor zehn, um eine noch weiter verbesserte Auswertbarkeit der aufgenommenen transienten Signale zu erzielen. Die Intensität der subharmonischen Peaks (ν
++ν
-) ist raumladungsabhängig; sie ist möglicherweise nach der Anpassung bei verschiedenen Anwendungen nicht stabil, oder macht die Anpassung wegen der niedrigen Signalintensitäten sehr schwierig.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 226 498 A1 offenbart eine ICR-Messzelle mit einem Duplexer mit einer oder mehreren Halbleiterkomponenten zum Einsatz in einer Apparatur für FT-ICR-Massenspektrometrie mit einem supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse, wobei der Duplexer Bestandteil einer Sende- und Empfangsvorrichtung einer FT-ICR-Massenspektrometrie-Apparatur ist, welche einerseits während einer Ionen-Anregungsphase die Spannung des Senders an mindestens eine Elektrode der ICR-Messzelle überträgt, einen Vorverstärker vor Überspannung schützt und anderseits während einer Ionen-Detektionsphase ein Ionen-Empfangssignal, nämlich die aus der influenzierten Ladung folgende Spannung derselben Elektrode über einen Empfangspfad zum Vorverstärker überträgt. Im Empfangspfad ist mindestens ein aktiver serieller Schalter mit zwei schaltbaren Zuständen mit jeweils unterschiedlichen Serie-Impedanzen eingesetzt. Damit wird eine ICR-Messzelle bereitgestellt, in der mindestens eine Elektrode sowohl zur Ionen-Anregung und danach zur Ionen-Detektion einsetzbar sein soll, wobei der dafür verwendete Duplexer den Schutz des Vorverstärkers vor der Anregungsspannung sicherstellen und das Signal-zu-Rauschverhältnis nicht signifikant beeinträchtigen soll.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obigen Ausführungen bezieht sich die Erfindung in einem ersten Aspekt auf ein Verfahren zur Verringerung 1v-subharmonischer Signale in Messungen von ICR-Massenspektren durch quadrupolare 2ω-Detektion transienter Signale, die die Ionenbildströme in einer ICR-Zelle nach einer Ionenanregung darstellen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der (dipolaren) Anregung eines ersten Ionenbündels mithilfe einer ersten (Start-)Phase der Anregungswelle und der Messung eines ersten transienten Signals durch quadrupolare 2ω-Detektion, der (dipolaren) Anregung eines zweiten Ionenbündels mithilfe einer zweiten Anregungswelle mit einer (Start-)Phase, die sich von der ersten Phase um etwa 180° unterscheidet, und der Messung eines zweiten transienten Signals durch quadrupolare 2ω-Detektion, der Summierung der ersten und zweiten transienten Signale, und der Transformation der Summe der ersten und zweiten transienten Signale in ein Frequenzspektrum (oder ein Massenspektrum oder m/z-Spektrum).
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Der erste Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die 2ω-Detektion der Zyklotronfrequenz mit einer Quadrupolanordnung der Detektionselektroden und einer Dipolanordnung der Anregungselektroden. Die Erfindung schlägt vor, diese quadrupolare 2ω-Messung zweifach mit zwei Ionenbündeln, die im Wesentlichen dieselbe Ionenzusammensetzung besitzen, durchzuführen, wobei die Phase der Anregungswelle für die zweite Messung um im Wesentlichen 180° gedreht ist, und die zwei transienten Signale aufsummiert werden. Im Ergebnis sind die 1ν-subharmonischen Signale in Frequenz- und Massenspektren, die durch geeignete Transformationen der Summe der transienten Signale erhalten werden, stark verringert.
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Das Verfahren wird bevorzugt auf eine Breitbandmessung angewandt, die einen m/z-Bereich von 1000 oder mehr atomaren Masseeinheiten (Dalton) bis zu mehreren tausend atomaren Masseeinheiten umfasst.
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In verschiedenen Ausführungsformen werden die ersten und zweiten Ionenbündel bevorzugt von einem komplexen Substanzgemisch, wie beispielsweise Erdöl, Öldestillationsrückstand oder Pflanzenextrakt, erhalten.
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Das erste und das zweite Ionenbündel können günstigerweise im Wesentlichen gleiche Anzahlen von Ionen enthalten. Um dies zu erreichen, können die Ionen des ersten und des zweiten Ionenbündels in einer Ionenquelle erzeugt werden, die bei im Wesentlichen konstanter Ionenabgabe betrieben wird, und können in die ICR-Zelle unter Verwendung der gleichen Transferprozedur überführt werden (einschließlich beispielsweise diverser Ionentrichter, Ionenführungssysteme und/oder Ionenfallen).
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ionenquelle mit Substanzen aus einem Substanzseparator, wie beispielsweise einem (Flüssig-)Chromatographen oder einem Elektrophoresegerät, beschickt werden. Bei dieser Vorgehensweise werden die ersten und zweiten transienten Signale bevorzugt direkt hintereinander gemessen, um eine im Wesentlichen gleiche Ionenzusammensetzung der verschiedenen Ionenbündel zu gewährleisten.
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In einem alternativen Verfahren kann ein erstes summentransientes Signal erhalten werden, indem gemessene transiente Signale aus mehreren Ionenbündeln durch Anregung bei einer ersten Phase summiert werden, und ein zweites summentransientes Signal kann in ähnlicher Weise erzeugt werden, aber unter Anregung bei einer zweiten Phase, und die ersten und zweiten summentransienten Signale können aufsummiert werden, um das Frequenzspektrum mittels einer Fouriertransformation des gesamten Summensignals zu erhalten. In einer weiteren Abänderung können die ersten und zweiten summentransienten Signale durch eine wechselnde Messung (bei entsprechend wechselnden Anregungswellenphasen) und Summieren der transienten Signale mehrerer Ionenbündel erhalten werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann auch die Nachweisphase zwischen der Messung der ersten und zweiten transienten Signale um etwa 180° umgeschaltet werden und die darin gefundenen 1ν-harmonischen Signale lassen sich nutzen, um die ungestörte Zyklotronfrequenz νc präzise zu bestimmen. Wenn sowohl die Anregungsphase als auch die Detektionsphase für aufeinanderfolgende Aufnahmen transienter Signale um 180° gedreht werden, verschwindet das Signal der gemessenen Grundfrequenz 2ν+, und das Signal des subharmonischen Peaks 1ν+ und sein Seitenbandpeak (ν++ν-) bleiben hoch. Dieses alternative Verfahren kann für die präzise Bestimmung der Massenwerte durch Messung der Seitenbandfrequenz (ν++ν-) verwendet werden, die eigentlich die ungestörte Zyklotronfrequenz νc in der ICR-Zelle ist. Diese Frequenz ist unabhängig von dem elektrischen (axialen) Trappingpotential der ICR-Zelle; daher beeinflussen die Magnetronbewegung und die Raumladungsstörungen die Messungen nicht, was eine erhöhte Genauigkeit der Massenbestimmung bedeuten kann.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die ICR-Zelle vier viertelzylindrische Mantelelektroden und zwei axiale Trapping-Elektroden beinhalten; ferner kann die Anregung die Bestrahlung der ICR-Zelle mit einem gepulsten Hochfrequenzdurchlauf („Chirp“) beinhalten, was dem Fachmann wohlbekannt ist.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung transienter Ionenzyklotronresonanzsignale, die Ionenbildströme in einer ICR-Zelle mit vielfachen 2×n Mantelelektroden nach der Anregung der Ionen darstellen, wobei n>2 eine ganze Zahl ist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der (dipolaren) Anregung eines ersten Ionenbündels mithilfe einer ersten Phase der Anregungswelle und der Messung eines ersten transienten Signals durch Vielfachelektroden nω-Detektion, der (dipolaren) Anregung eines zweiten Ionenbündels mithilfe einer zweiten Anregungswelle mit einer Phase, die sich von der ersten Phase um etwa 180° unterscheidet, und der Messung eines zweiten transienten Signals durch Vielfachelektroden nω-Detektion, sowie der Summierung des ersten und zweiten transienten Signals, um ein summentransientes Signal zu bilden, das in ein Frequenz- oder ein Massenspektrum (m/z-Spektrum) transformiert werden kann.
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Der zweite Aspekt wendet die erfindungsgemäßen Prinzipien auf die Vielfachelektroden-nω-Detektion mit n>2 an. Dies wird die (n-1, n-3, n-5, ...)ν-subharmonischen Signale und die höherfrequenten (n+1, n+3, n+5, ...)ν-harmonischen Signale und ihre Seitenbänder reduzieren. Aber die sehr häufigen (n-2, n-4, n-6, ...)ν-subharmonischen Signale und höherfrequenten (n+2, n+4, n+6, ...)ν-harmonischen Signale und ihre Seitenbänder können immer noch auftreten. Im Fall der 3ω-Detektion kann das Schema der Phasenumschaltung der Anregungswelle anders sein, wobei die Phase der Anregungswelle für nachfolgende Aufnahmen des transienten Signals zusammen mit der Detektionsphase um 180° umgeschaltet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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zeigt eine einfache Form einer zylindrischen ICR-Zelle (200) mit vier zylindrischen Mantelelektroden (210) bis (212) und zwei Endkappen-(axialen Trapping-)Elektroden (205) und (206).
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zeigt ein Prinzipschema der klassischen Arbeitsweise einer FT-ICR-Zelle unter Verwendung einer Dipolanregung und einer dipolaren 1ω-Messung.
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zeigt schematisch den Stromkreiszustand der Dipolanregung für eine quadrupolare 2ω-Detektionsmessung und zeigt die quadrupolare 2ω-Messung.
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stellt sehr detailliert ein simuliertes Frequenzspektrum dar, wie es durch eine Fouriertransformation eines transienten Signals erhalten wird, das eine quadrupolare 2ω-Messung simuliert, ohne ein Unterdrückungsverfahren für subharmonische Signale nach erfindungsgemäßen Prinzipien zu nutzen. Die Simulationen wurden mit einer Zyklotronumlaufbahn von 50% des ICR-Zellen-Radius, 10% Magnetronumlaufbahn und 10% Versatz zwischen dem Zentrum der Magnetronumlaufbahn und der Achse der ICR-Zelle durchgeführt (gezeigt in der Einfügung oben rechts). Das Hauptsignal stellt den Peak der Grundschwingung 2ν+ dar; die nächstgrößeren Signale sind die Gruppe der 1ν-subharmonischen Peaks, die die Zyklotronfrequenz ν+ und ihr Seitenband (ν++ν-) enthalten. Weiterhin sind die dritten, vierten, fünften und sechsten Oberwellen als winzige Peaks zu den höheren Frequenzen hin sichtbar.
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Auf der linken Seite zeigt zwei Ausschnitte aus simulierten transienten Signalen, wie sie durch die quadrupolare 2ω-Detektion gemessen werden, wobei die untere Messung mit einer um 180° gedrehten Anregungswellenphase im Vergleich zu der für das obere transiente Signal erhalten wurde. Die Summe beider transienter Signale wird auf der rechten Seite gezeigt.
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zeigt das Frequenzspektrum, das für jedes der zwei transienten Signale identisch ist, die auf der linken Seite der gezeigt werden, und zeigt das Frequenzspektrum des summierten transienten Signals auf der rechten Seite der . Die Gruppe der 1ν-subharmonischen Signale verschwindet vollständig (und ebenfalls die Gruppe der dritten und fünften harmonischen Signale).
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Auf der linken Seite zeigt wieder zwei Ausschnitte aus simulierten transienten Signalen, wie sie durch die quadrupolare 2ω-Detektion gemessen werden, wobei die untere Messung mit einer gegenüber den oben gezeigten Phasen des ersten gemessenen transienten Signals um 180° gedrehten Anregungs- sowie einer um 180° gedrehten Messphase erhalten wurde. Die Summe beider transienter Signale wird auf der rechten Seite gezeigt, und weist jetzt eine Art Schwebung auf.
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zeigt das Frequenzspektrum, das für beide transiente Signale identisch ist, die links in gezeigt werden, und zeigt das Frequenzspektrum des summierten transienten Signals auf der rechten Seite der . Der fundamentale Zyklotronpeak 2ν+ verschwindet jetzt (ebenso wie die Gruppe der vierten harmonischen Signale), während die Gruppe der 1ν-subharmonischen Peaks die volle Intensität erreicht. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die Seitenbandfrequenz (ν++ν-) präzise zu messen, die eigentlich die ungestörte Zyklotronfrequenz νc in der ICR-Zelle ist. Diese Frequenz wird nicht durch das elektrische (axiale) Trappingpotential der ICR-Zelle beeinflusst, d.h. weder durch die Magnetronbewegung noch durch Raumladungsstörungen.
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zeigt im oberen Bildbereich ein gemessenes (kein simuliertes) Breitband-FT-ICR-Massenspektrum des Natriumtrifluoracetats (NaTFA), das hauptsächlich aus einer Anzahl Clusterionenpeaks besteht, mit dem stärksten Peak bei m/z = 703 Dalton. Im unteren Bereich zeigt eine detailliertere Ansicht der Gruppe der ersten subharmonischen Peaks dieses stärksten Peaks, die bei m/z = 1405,6 Dalton auftreten, 100-fach in der Intensitätsskala vergrößert und mit ebenfalls vergrößerter m/z-Skala. Die Intensität dieser Peakgruppe, die keine echten Ionensignale im Spektrum darstellen, beträgt etwa 1 Prozent seines Grundschwingungspeaks, und führt möglicherweise zu Fehlinterpretationen des Spektrums. Ähnliche harmonische Peaks können für alle anderen Massenpeaks des Spektrums sichtbar sein.
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zeigt den Effekt des Verfahrens nach erfindungsgemäßen Prinzipien. Die Intensitäten der ersten Oberwellen der spektralen Peaks sind jetzt um einen Faktor von etwa zehn verringert.
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zeigt drei Messungen einer komplexen SRFA-Mischprobe (Suwannee-River-Fulvinsäuren). Im obersten Spektrum war die ICR-Zelle nicht korrekt eingestellt. Im mittleren Spektrum war die Zelle fast optimal eingestellt und wurde mithilfe der in
US 8,766,174 B1 beziehungsweise
US 9,355,830 B2 beschriebenen Verfahren gefüllt. Die 1ν-subharmonischen Signale waren stark verringert, verschwanden aber nicht vollständig. In dem unteren Massenspektrum wurde die Umschaltung der Anregungsphase nach erfindungsgemäßen Prinzipien zusätzlich genutzt, um die 1ν-subharmonischen Signale fast vollständig zu eliminieren.
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zeigt beispielhaft einen ICR-MS-Aufbau, der sich für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren eignet.
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zeigt die drei unabhängigen Ionenbewegungen eines Ions in einer ICR-Zelle. Nur die radialen Bewegungen, die Zyklotronbewegung mit Frequenz v+ und die Magnetronbewegung mit Frequenz ν- sind wichtig, um die Verfahren nach erfindungsgemäßen Prinzipien durchzuführen. Es sollte hier erwähnt werden, dass die schematische Darstellung der Bahndurchmesser der Radialbewegungen hier so gewählt ist, um den Eindruck zu vermitteln, dass die Zyklotronbewegung eine schnelle Bewegung (kleine Umlaufbahn) und die Magnetronbewegung eine langsame (Drift-) Bewegung ist (große Umlaufbahn). Tatsächlich ist die Zyklotronfrequenz normalerweise um einen Faktor von etwa 105 schneller, aber die Zyklotronumlaufbahn ist normalerweise größer als die Magnetronumlaufbahn, im Gegensatz zu dem Gezeigten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Auch wenn die Erfindung mit Bezug auf eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen bezüglich der Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
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In einem ersten Aspekt zielt die Erfindung darauf ab, die 1ν-subharmonischen Signale in Breitbandspektren zu unterdrücken, die durch quadrupolare 2ω-Detektion erhalten wurden. In Spektren komplexer Substanzgemische verkomplizieren diese Signale die Interpretation. Bei der Messung von Breitbandspektren sind die messbaren transienten Signale normalerweise kurz, nur einige wenige Sekunden, was die erzielbare Massenauflösung verringert. Um die Auflösung um einen Faktor zwei zu verbessern, kann die quadrupolare 2ω-Detektion angewandt werden, aber die 1ν-subharmonischen Signale stören dabei in den Spektren.
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Der erste Aspekt bezieht sich auf die 2ω-Messung der Zyklotronfrequenz, wie sie mit einer Quadrupolanordnung von viertelzylindrischen Anregungs- und Detektorelektroden durchgeführt wird, wie beispielhaft in gezeigt wird. Das Prinzip der quadrupolaren 2ω-Messungen wird in und wiedergegeben und zeigt die Schaltzustände für die Anregungs- und Nachweisereignisse. Um die 1ν-subharmonischen Signale zu unterdrücken, wird diese quadrupolare 2ω-Messung zweifach durchgeführt, wobei die Phase der Anregungswelle für die zweite Messung um 180° gedreht ist, und die zwei transienten Signale werden aufsummiert. Im Ergebnis sind die 1ν-subharmonischen Signale stark reduziert oder sogar nicht mehr nachweisbar.
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Das Ergebnis kann durch Computersimulationen untersucht werden, ein Beispiel ist in dargestellt. Hier wird angenommen, dass der Radius der Zyklotronumlaufbahn 50% des ICR-Zellenradius und der Radius der Magnetronumlaufbahn 10% des ICR-Zellenradius beträgt. Das Zentrum der Magnetronumlaufbahn besitzt einen Versatz von etwa 10% in Bezug auf die Achse der ICR-Zelle. Die Zyklotron- und Magnetronbahnpositionen sind in der Einfügung oben rechts wiedergegeben. Unter diesen Bedingungen erhält man ein Frequenzspektrum, wie es in gezeigt wird. Die Bezeichnung ν+ repräsentiert die Zyklotronfrequenz, ν- repräsentiert die Magnetronfrequenz. Wie erwartet, erscheint der größte Peak bei 2ν+ , der zweifachen Zyklotronfrequenz; aber überraschenderweise besitzt die 1ν-subharmonische Gruppe (ν+ ; ν++ν-) eine Intensität von etwa 40% des Hauptpeaks. Die höherfrequenten Oberwellengruppen (3, 4, 5 und 6) sind sichtbar, haben aber größtenteils vernachlässigbare Intensitäten.
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Die , und geben das Simulationsergebnis der Unterdrückung nach Prinzipien dieser Erfindung wieder. Auf der linken Seite zeigt zwei Ausschnitte aus simulierten transienten Signalen, wie sie mit der quadrupolaren 2ω-Detektion gemessen werden, wobei die untere Messung mit einer gegenüber dem oberen transienten Signal um 180° gedrehten Anregungsphase erhalten wurde. Die Summe beider transienter Signale, die Grundidee dieser Erfindung, wird auf der rechten Seite der Abbildung gezeigt. zeigt nun das Frequenzspektrum des summierten transienten Signals auf der rechten Seite der . Wie durch die Erfindung beabsichtigt, verschwindet die 1ν-subharmonische Gruppe (ν+ ; ν++ν-) vollständig und ebenfalls die Gruppen der höherfrequenten dritten und fünften Oberwellen. Im Gegensatz dazu zeigt das Frequenzspektrum eines der linksseitigen transienten Signale der , die das ursprüngliche Spektrum mit allen subharmonischen Signalen und höherfrequenten Oberwellen zeigt.
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Wenn sowohl die Anregungswellenphase wie auch die Nachweisphase um 180° gedreht werden, verschwindet das 2ν+ Signal, d.h. die zweifache Grundfrequenz, und das Signal der 1ν-subharmonischen Gruppe (ν+; ν++ν-) bleibt bestehen, wie durch , und gezeigt wird. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Frequenz- oder Massenwerte präzise zu ermitteln, indem die Seitenbandfrequenz (ν++ν-) gemessen wird, die eigentlich die ungestörte Zyklotronfrequenz νc in der ICR-Zelle ist. Diese Frequenz wird nicht durch das elektrische (axiale) Trappingpotential der ICR-Zelle beeinflusst, d.h. weder durch die Magnetronbewegung noch durch Raumladungsstörungen.
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Echte Messungen der erfindungsgemäßen Effekte sind in
und
gezeigt. In beiden Abbildungen zeigt der obere Bereich gemessene Massenspektren des Natriumtrifluoracetats (
NaTFA), das zahlreiche Clusterionen bildet. In den unteren Bereichen der Abbildungen ist die 1ν-subharmonische Gruppe des Hauptmassepeaks bei 703 Dalton gezeigt, die bei etwa m/z = 1405,6 auftritt, mit einem Vergrößerungsfaktor
100 in der Intensität und auf einer vergrößerten Massenskala. Nach der Ausführung der Unterfütterungs- und geschalteten Ablenkungs-Verfahren, die in
US 8,766,174 B1 beziehungsweise
US 9,355,830 B2 beschrieben werden, aber ohne Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens, betragen die Intensitäten der 1ν-subharmonischen Peaks etwa 1% des entsprechenden Grundschwingungs-2ν
+-Peaks, wie in
gezeigt wird. In
werden die Werte der 1ν-subharmonischen Signale (ν
+; ν
++ν
-) durch zusätzliche Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien um etwa einen Faktor zehn reduziert.
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zeigt Messspektren einer komplexen SRFA-Mischprobe (Suwanee-River-Fulvinsäuren), die mit drei verschiedenen Verfahren aufgenommen wurden. Im obersten Spektrum wurde die ICR-Zelle nicht durch Unterfütterung und geschaltete Ablenkung korrekt eingestellt. Im mittleren Spektrum war die Zelle optimal gemäß den Verfahren eingestellt, die in den Druckschriften
US 8,766,174 B1 und
US 9,355,830 B2 zur Optimierung elektrischer Felder und Reduzierung der Magnetronbahn in Messzellen der Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer beschrieben wurden. Die 1ν-subharmonischen Signale sind stark verringert, aber verschwinden nicht vollständig. In dem unteren Massenspektrum wurde die Umschaltung der Anregungs-(Wellen-)Phase nach erfindungsgemäßen Prinzipien zusätzlich zu den vorhergenannten Maßnahmen angewendet und führt zu einer fast vollständig Eliminierung der 1ν-subharmonischen Signale.
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Es sollte hier erwähnt werden, dass das Verfahren nicht auf die 2ω-Detektion beschränkt ist. In einem zweiten Aspekt ist es möglich, dieses Verfahren auf die Vielfachelektroden-nω-Detektion mit n>2 anzuwenden. Die Anwendung der hiermit offenbarten Prinzipien reduziert die (n-1, n-3, n-5, ...)v-subharmonischen Peaks und die (n+1, n+3, n+5, ...)ν-Oberwellenpeaks. Aber bei der nω-Detektion sind die sehr häufigen (n-2, n-4, n-6, ...)ν-subharmonischen Peaks und Oberwellenpeaks noch sichtbar. Auch die wenig häufigen (n+2, n+4, n+6, ...)ν-Oberwellen bleiben erhalten.
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Die allgemeine Arbeitsweise und Funktion eines Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers kann kurz beispielhaft mit Bezug zu beschrieben werden. Ionen werden vorzugsweise mit im Wesentlichen gleichbleibender Menge erzeugt, beispielsweise mithilfe Elektrosprühens in einer vakuum-externen Ionenquelle (1). Die Ionenquelle (1) kann die zu versprühende Flüssigkeit aus einem vorgeschalteten Substanzseparator (25) erhalten, wie beispielsweise einem Flüssig-Chromatographen oder einem Elektrophoresegerät. Die Ionen können zusammen mit dem sie umgebenden Gas durch eine Kapillare (2) in die erste Stufe (3) eines differenziellen Pumpsystems eingeführt werden, das aus einer Reihe von Kammern (3), (5), (7), (9), (11) und (13) bestehen kann und die durch die Pumpen (4), (6), (8), (10), (12) und (14) abgepumpt werden. Die Ionen in den Kammern (3) und (5) können durch die Ionentrichter (14) und (15) hereingezogen und in das Multipolionenleitsystem (16) überführt werden, in dem die Ionen entweder hindurchgeführt oder auch gespeichert werden können. Die Speicherung ermöglicht insbesondere die wiederholte, geschaltete Überführung von Ionenbündeln in das Quadrupol-Massenfilter (17), wobei die Ionenbündel im Wesentlichen dieselbe Anzahl an Ionen enthalten. Die Ionen lassen sich durch das Quadrupolmassenfilter (17) und durch ein weiteres Multipolionenleitsystem (18), das auch die Ionenspeicherung ermöglicht, und schließlich über das Hauptionentransfersystem (19) in die ICR-Zelle (200) überführen, wo sie eingefangen, eingeschlossen und nachgewiesen werden können.
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Die ICR-Zelle (200) kann aus vier mantelförmigen, umschließenden Längselektroden (210) bis (212) und zwei axialen Trapping-Elektroden (205) und (206) mit einer zentralen Öffnung (20) in jeder Elektrode bestehen, wie es mit Bezug zu aufgezeigt wurde. Die ICR-Zelle ist vorzugsweise in der homogenen Zone eines starken Magnetfeldes angesiedelt, das durch supraleitende Spulen in einem Helium-Kryostat (24) erzeugt wird und sollte sowohl zeitlich wie auch räumlich so homogen wie möglich aufrechterhalten werden. Das Magnetfeld ist vorzugsweise parallel zu den gezeigten longitudinalen Mantelelektroden der ICR-Zelle ausgerichtet.
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Die radialen Bewegungen eines Ions in einer ICR-Zelle, die wichtig sind, um die Verfahren nach erfindungsgemäßen Prinzipien durchzuführen, sind die Zyklotronbewegung mit Frequenz ν+ und die Magnetronbewegung mit der Frequenz ν- mit Bezug zu . Die Zyklotronbewegung ist eine schnelle Bewegung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und die Magnetronbewegung ist eine langsame (Drift-) Bewegung um die elektrische Trappingfeldachse, wobei die Zyklotronfrequenz typischerweise um einen Faktor von etwa 105 höher ist.
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Die Erfindung wurde mit Bezug auf eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich aber, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung geändert werden können oder verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsformen frei kombiniert werden können, sofern es praktikabel ist, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Ganz allgemein dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung, die ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, einschließlich etwaiger äquivalenter Ausführungen.
