DE102018009115A1

DE102018009115A1 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102018009115A1
Application number: DE102018009115.6A
Authority: DE
Inventors: Hamish Stewart
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: GB201719222D0; US20190157057A1; GB2570435A; GB2601917B; GB2601917A; CN109817504B; CN109817504A; US10734210B2; GB2570435B; DE102018009115B4

Abstract

Ein Verfahren zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator wird bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Injizieren von Analytionen einer ersten Ladung in eine Ionenfalle und das Injizieren von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle. Die Analytionen und die Gegenionen werden gleichzeitig in der lonenfalle gekühlt, sodass eine räumliche Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle reduziert wird. Die Analytionen werden als ein lonenpaket von der Ionenfalle in den Massenanalysator injiziert. Eine Massenspektrometer-Steuerung zum Steuern einer Ionenfalle, um ein Analytionenpaket aus der Ionenfalle in einen Massenanalysator zu injizieren, und ein Massenspektrometer werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft Massenspektrometer und Verfahren der Massenspektrometrie. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Vorrichtungen zum Injizieren von Ionen in einen Massenanalysator.
Hintergrund
Die Massenspektrometrie ist eine wichtige Technik auf dem Gebiet der chemischen Analyse. Insbesondere kann die Massenspektrometrie verwendet werden, um organische Verbindungen zu analysieren und zu identifizieren. Die Analyse von organischen Verbindungen unter Verwendung der Massenspektrometrie ist eine Herausforderung, da organische Verbindungen in einer Masse von nur wenigen zehn atomaren Masseneinheiten (amu) bis hin zu mehreren hunderttausend atomaren Masseneinheiten (amu) auftreten können.
Im Allgemeinen umfasst ein Massenspektrometer eine lonenquelle zum Erzeugen von Ionen, verschiedene Linsen, Massenfilter, Ionenfallen/Speichervorrichtungen und/oder (eine) Fragmentierungsvorrichtung(en) sowie einen oder mehrere Massenanalysatoren. Massenanalysatoren können eine Reihe verschiedener Techniken zum Trennen von Ionen mit verschiedenen Massen für die Analyse verwenden. Ionen können beispielsweise zeitlich durch einen Time-of-Flight-Massenanalysator (ToF-Massenanalysator), räumlich durch einen magnetischen Sektorfeld-Massenanalysator oder im Frequenzraum durch einen Fourier-Transform-Massenanalysator, wie etwa einen Orbital-Trapping-Massenanalysator, getrennt werden.
Für Orbital-Trapping-Massenanalysatoren und ToF-Massenanalysatoren können die zu analysierenden Ionen vor der Injektion in den Massenanalysator als Ionenpakete gruppiert werden. Eine Extraktionsfalle kann bereitgestellt werden, um eine lonenwolke (ein lonenpaket) von zu analysierenden Analytionen mit einer geeigneten Raum- und Energieverteilung zur Injektion in einen Orbital-Trapping- oder ToF-Massenanalysator zu bilden. Beispiele für das Injizieren von Ionen in Massenanalysatoren unter Verwendung von Extraktionsfallen sind in US 7425699 und US 9312114 offenbart.
Bekannte Extraktionsfallen verwenden eine Kombination von Potenzial- und Pseudopotenzialtöpfen, um Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle einzugrenzen. Wenn Analytionen in einer Extraktionsfalle eingegrenzt werden, wirkt die Coulomb-Abstoßung oder Raumladung zwischen den eingefangenen Analytionen den Eingrenzungskräften der angelegten Potenzial- und Pseudopotenzialtöpfe entgegen. Wenn die Anzahl der eingefangenen Analytionen zunimmt, steigt das Potenzial, das sich aus der Raumladung ergibt. Dieses Raumladungspotenzial steht dem Eingrenzungspotenzial der Extraktionsfalle entgegen. Wenn sich das Raumladungspotenzial dem der Potenzialtopftiefe annähert, nimmt die räumliche Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle schnell zu. Große räumliche Verteilungen von Analytionen sind unerwünscht, da dies die Transmission und/oder Auflösung des Massenanalysators negativ beeinflussen kann.
Zusammenfassung der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung versucht, Probleme anzugehen, die sich aus Raumladungseffekten ergeben, die mit dem Einfangen von Ionen verbunden sind. Insbesondere zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, eine verbesserte Extraktionsfalle für einen Massenanalysator bereitzustellen, bei der die raumladungsbezogenen Effekte reduziert oder eliminiert sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Injizieren von Analytionen einer ersten Ladung in eine Ionenfalle, das Injizieren von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle, das gleichzeitige Kühlen der Analytionen und der Gegenionen in der lonenfalle, sodass eine räumliche Verteilung der Analytionen in die Ionenfalle reduziert wird, und das Injizieren der Analytionen als lonenpaket von der Ionenfalle in den Massenanalysator. Die Anwesenheit der Gegenionen in der Extraktionsfalle, insbesondere vermischt mit den Analytionen, führt zu einer Reduzierung der räumlichen Verteilung der in der Ionenfalle eingegrenzten Analytionen. Die räumliche Verteilung der Analytionen kann durch einen oder mehrere Mechanismen reduziert werden, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden.
Durch Reduzieren der räumlichen Verteilung der Analytionen innerhalb der Ionenfalle können positionsbezogene Aberrationen, die aus einer großen räumlichen Verteilung von Ionen resultieren, in der Extraktionsfalle reduziert werden. Dementsprechend können Analytionen mit erhöhter Genauigkeit aus der Extraktionsfalle in einen Massenanalysator ausgestoßen werden, beispielsweise mit einer reduzierten räumlichen und/oder zeitlichen Streuung. Somit kann die prozentuale Transmission der Analytionen von der Ionenfalle in einen Massenanalysator als Folge der verringerten räumlichen Verteilung erhöht werden.
Insbesondere dann, wenn die Ionenfalle für das Injizieren von Ionen in einen Orbital-Trapping-Massenanalysator eingerichtet ist, kann das Analytionenpaket durch einen schmalen Schlitz von wenigen hundert Mikrometer Breite fokussiert werden. Aufgrund der Reduzierung der räumlichen Verteilung des lonenpakets, durch Kühlen in der Falle zur Reduzierung der Raumladung, kann das lonenpaket leichter durch den schmalen Schlitz injiziert werden. Somit kann die prozentuale Transmission von Ionen in den Orbital-Trapping-Massenanalysator erhöht werden.
Weiterhin beeinflusst die räumliche Verteilung des lonenpakets die resultierende Energiesteuerung der detektierten Ionen, wenn die Ionenfalle für das Injizieren von Ionen in einen TOF-Massenanalysator eingerichtet ist. Durch Reduzieren der räumlichen Verteilung von Analytionen in der Ionenfalle kann die resultierende Streuung der Energie der Ionen, die durch den TOF detektiert werden, reduziert werden. Durch Reduzieren der räumlichen Verteilung von Analytionen in der lonenfalle, indem die Raumladungseffekte reduziert oder eliminiert werden, kann somit die Auflösung des TOF-Massenanalysators erhöht werden.
Ein erster Mechanismus zur Reduzierung der räumlichen Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle besteht in einer Reduzierung der Raumladung in der lonenfalle. Somit kann das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung eine Ionenfalle (Extraktionsfalle) bereitstellen, die gleichzeitig sowohl Analytionen einer Ladung als auch Gegenionen einer entgegengesetzten Ladung einfängt. Dementsprechend wird die Gesamtladungsdichte in der Ionenfalle reduziert, da die Gegenionenladung die Analytionenladung in gewissem Maße ausgleicht, d. h. die Nettoladung innerhalb der Ionenfalle aufgrund der Analytionen wird reduziert. Somit kann die resultierende Raumladung der Analytionen in der Ionenfalle verringert werden. Vorteilhafterweise kann die räumliche Verteilung der Analytionen in der Falle durch die Verringerung der Raumladung der Analytionen reduziert werden. Darüber hinaus kann eine größere Anzahl von Analytionen eingefangen und in der Extraktionsfalle zum Ausstoßen in einen Massenanalysator gespeichert werden, was die Transmission, den Signal-Rausch-Wert oder das Tastverhältnis des Massenanalysators verbessern kann. Vorzugsweise ist die Ionenfalle, in die die Analytionen und Gegenionen injiziert werden, eine lineare lonenfalle. Die Ionenfalle kann eine längliche Multipol-Elektrodenanordnung umfassen, die so angeordnet ist, dass sie einen lonenkanal definiert, in den die Analytionen und die Gegenionen injiziert werden. Die Multipol-Elektrodenanordnung ist im Allgemeinen in der Richtung der Hauptverlängerung der Ionenfalle langgestreckt. Insbesondere kann die lonenfalle eine geradlinige (R-Falle) oder gekrümmte Ionenfalle (C-Falle) sein. Vorzugsweise kann die Multipol-Elektrodenanordnung eine Quadrupol-Elektrodenanordnung, eine Hexapol-Elektrodenanordnung oder eine Oktopol-Elektrodenanordnung umfassen. Die längliche Multipol-Elektrodenanordnung kann verwendet werden, um Ionen in radialer Richtung einzugrenzen.
Vorzugsweise werden die Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals durch einen ersten Potenzialtopf axial eingegrenzt. Vorzugsweise werden die Gegenionen innerhalb des länglichen lonenkanals axial durch einen zweiten Potenzialtopf eingegrenzt. Der erste und der zweite Potenzialtopf können auch in axialer Richtung der Ionenfalle/des länglichen lonenkanals angelegt werden. Der erste und der zweite Potenzialtopf können auch in Bezug auf ein Gleichstrompotenzial der Multipol-Elektrodenanordnung bereitgestellt werden. Dementsprechend kann eine lonenfalle zum Injizieren eines Analytionenpakets in einen Massenanalysator bereitgestellt werden, die gleichzeitig Analyt- und Gegenionen entgegengesetzter Ladungen in einem lonenkanal eingrenzt, um den Effekt der Raumladung auf die Analytionen zu reduzieren. Vorzugsweise erlaubt die Ionenfalle den Gegenionen, sich mit den Analytionen zu vermischen.
Vorzugsweise können die Analytionen radial innerhalb des lonenkanals durch einen Pseudopotenzialtopf eingegrenzt werden, indem ein oszillierendes HF-Potenzial (ein HF-Potenzial) an die längliche Multipol-Elektrodenanordnung angelegt wird. Ein HF-Potenzial kann beispielsweise an längliche Elektroden der Multipol-Elektrodenanordnung angelegt werden. Im Fall einer Quadrupol-Elektrodenanordnung können vier solche länglichen Elektroden, im Fall einer Hexapol-Elektrodenanordnung sechs solche Elektroden und im Fall einer Oktopol-Elektrodenanordnung acht solche Elektroden vorhanden sein. Die länglichen Elektroden sind radial um den länglichen lonenkanal angeordnet. Die Gegenionen können ebenfalls durch den Pseudopotenzialtopf innerhalb des lonenkanals radial eingegrenzt werden, der durch das an die längliche Multipol-Anordnung angelegte HF-Potenzial bereitgestellt wird.
Die Analytionen können innerhalb eines mittigen Bereichs des lonenkanals axial eingegrenzt werden, indem eine erste Gleichstrom-Vorspannung an mindestens eine erste Elektrode angelegt wird, die angrenzend an einen mittigen Bereich des lonenkanals angeordnet ist. Es gibt vorzugsweise eine oder zwei solche ersten Elektroden. Diese erste(n) Elektrode(n) wird (werden) als „Stift“-Elektrode(n) bezeichnet, was auf ihre geringere Länge in axialer Richtung im Vergleich zur Länge der länglichen Elektroden der Multipol-Elektrodenanordnung verweist. Die erste(n) Elektrode(n) kann (können) länglich sein. Die erste(n) Elektrode(n) kann (können) parallel zur länglichen Multipol-Elektrodenanordnung ausgerichtet sein. Die zumindest eine erste Elektrode kann zwischen länglichen Multipol-Elektroden positioniert sein. Die erste(n) Elektrode(n) kann (können) in einem Raum zwischen zwei länglichen Multipol-Elektroden der Multipol-Elektrodenanordnung positioniert sein. Die zumindest eine erste Elektrode ist kürzer als die länglichen Multipol-Elektroden. Die axiale Länge der ersten Elektrode(n) kann weniger als die Hälfte der Länge der Elektroden der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung betragen. Somit kann die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an eine erste Elektrode angelegt wird, einen ersten Potenzialtopf in Bezug auf das Potenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung definieren. Die erste Elektrode kann eine Elektrode sein, die von der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung getrennt ist, oder die erste Elektrode kann als ein Segment, insbesondere ein mittiges Segment, einer axial segmentierten länglichen Multipol-Elektrodenanordnung bereitgestellt werden. Die Gegenionen werden innerhalb des lonenkanals durch Anlegen einer zweiten Gleichstrom-Vorspannung an die zweiten Elektroden an gegenüberliegenden Enden des lonenkanals eingegrenzt. Somit kann die zweite Gleichstrom-Vorspannung, die an die zweiten Elektroden angelegt wird, einen zweiten Potenzialtopf in Bezug auf das Potenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung definieren. Um die Gegenionen einzugrenzen, hat der zweite Potenzialtopf eine entgegengesetzte Polarität zum ersten Potenzialtopf. Die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste(n) (Stift-)Elektrode(n) angelegt wird, kann etwa die Hälfte oder weniger der zweiten Gleichstrom-Vorspannung betragen, die an gegenüberliegenden Enden des lonenkanals an die zweiten (End-)Elektroden angelegt wird. Die zweiten Elektroden können als von der länglichen Multipol-Anordnung getrennte Elektroden bereitgestellt werden, beispielsweise als Endapertur-Plattenelektroden, die an jedem Ende der Multipol-Anordnung positioniert sind, oder die zweiten Elektroden können als gegenüberliegende Endsegmente einer segmentierten länglichen Multipol-Elektrodenanordnung bereitgestellt werden. Dementsprechend können die Analytionen und die Gegenionen innerhalb des mittigen Bereichs des lonenkanals nur durch nur Anlegen von Gleichstrom-Potenzialen axial eingegrenzt werden.
Die Analytionen können innerhalb eines mittigen Bereichs des lonenkanals axial eingegrenzt werden, indem HF-Potenziale an Endelektroden, d. h. Elektroden an den axialen Enden der Ionenfalle, angelegt werden, um einen axialen HF-Pseudopotenzialtopf statt eines axialen Gleichstrom-Potenzialtopfs zu schaffen. Eine solche Anordnung wurde in US 7145139 f ür den Zweck der Erleichterung der Elektronentransfer-Dissoziationsreaktionen (ETD) zwischen Ionen mit entgegengesetzter Ladung beschrieben. Ein solcher axialer HF-Pseudopotenzialtopf kann verwendet werden, um eine Gleichspannung oder Vorspannung an eine Elektrode anzulegen, die in einem mittigen Bereich des lonenkanals angeordnet ist, wie oben beschrieben. Die Analytionen können auf diese Weise durch das Gleichspannungspotenzial axial in einem mittigen Bereich des lonenkanals eingegrenzt werden. Das axiale HF-Pseudopotenzial kann auch verwendet werden, um Gegenionen axial einzugrenzen.
Vorzugsweise werden die Analytionen in der Ionenfalle vor der Injektion der Gegenionen gekühlt. Durch Kühlen der Analytionen vor dem Injizieren der Gegenionen haben die Analytionen eine geringere durchschnittliche Energie, wenn die Gegenionen reduziert werden. Somit kann die Kühlzeit für die Gegenionen und die Analytionen in der Ionenfalle verkürzt werden, nachdem die Gegenionen injiziert wurden. Durch Verkürzen der erforderlichen Kühlzeit kann das Potenzial einer lonenwechselwirkung zwischen den Analytionen und den Gegenionen reduziert werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt auch einen Schritt, in dem die Anzahl der in die Ionenfalle injizierten Analytionen bestimmt wird, worin basierend auf der bestimmten Anzahl von Analytionen eine Anzahl von Gegenionen bestimmt wird, die in die Ionenfalle injiziert werden sollen. Durch Steuern der Anzahl von Gegenionen, die in die Falle injiziert werden, auf der Basis auf der Anzahl von Analytionen, kann der Grad der Reduzierung der Raumladungseffekte genauer gesteuert werden.
Vorzugsweise haben die in die Ionenfalle injizierten Gegenionen ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z), das kleiner ist als ein durchschnittliches Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen, bevorzugterweise weniger als die Hälfte oder weniger als ein Drittel oder weniger als ein Viertel des durchschnittlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Analytionen. Vorzugsweise haben die in die lonenfalle injizierten Gegenionen ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von nicht mehr als 200 amu. Durch Bereitstellen von Gegenionen mit einem maximalen Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 200 amu können die Gegenionen durch den zweiten Potenzialtopf in einer dichteren räumlichen Verteilung eingegrenzt werden. Dementsprechend kann durch weitere Reduzierung der räumlichen Verteilung der Gegenionen der die räumliche Verteilung reduzierende Effekt, den die Analytionen in der Ionenfalle erfahren, gesteigert werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt die Ermittlung eines durchschnittlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Analytionen, die in die Ionenfalle injiziert werden sollen, und wenn das durchschnittliche Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen mindestens das Zweifache des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen beträgt, wird die Anzahl der in die Ionenfalle zu injizierenden Gegenionen so bestimmt, dass eine Gesamtladung der Gegenionen die Gesamtladung der Analytionen übersteigt. Bevorzugter sollte das durchschnittliche Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen mindestens Folgendes betragen: das 3-, 4-, 5- oder 6-fache des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen. Vorteilhafterweise werden die Analytionen relativ schwach durch das Pseudopotenzial eingefangen, wenn Analytionen ein relativ hohes Masse-zu-Ladung-Verhältnis aufweisen. Somit wird, indem Gegenionen mit einem relativ niedrigeren Masse-zu-Ladung-Verhältnis bereitgestellt werden, die relativ stärker eingefangen werden, die Eingrenzung der Analytionen verbessert, da die anziehende Raumladung der Gegenionen den Raumladungseffekten der Analytionen entgegenwirkt. Somit können die Gegenionen als eine Form nützlicher Raumladung wirken, wobei die starken HF-Einfangkräfte auf die Gegenionen mit relativ niedrigem m/z auf die Analytionen mit höherem m/z durch ihre gegenseitige Anziehung unter Raumladung übertragen werden. Dementsprechend wird die Eingrenzung der Analytionen in der Ionenfalle verbessert. Vorzugsweise stimmt die Gesamtladung der Gegenionen mit der Gesamtladung der Analytionen überein oder stimmt im Wesentlichen mit dieser überein, um den Raumladungseffekt auszugleichen.
Optional kann das erste Verfahren des ersten Aspekts vorsehen, dass die Anzahl der in die Ionenfalle zu injizierenden Gegenionen so bestimmt wird, dass eine Gesamtladung der Gegenionen nicht größer ist als eine Gesamtladung der Analytionen. In einigen Fällen kann das Bereitstellen von überschüssigen Gegenionen zusätzliche Raumladungseffekte aufgrund des Überschusses an Gegenionen einführen, wodurch das Einfang-Pseudopotenzial überwunden wird und was zu einer Expansion der räumlichen Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle führt.
Die Zeitspanne zum Kühlen der Analytionen und der Gegenionen in der Ionenfalle darf nicht mehr als 2 ms betragen. Bevorzugter ist eine Zeitspanne zum Kühlen der Analytionen und der Gegenionen in der Ionenfalle, die nicht länger ist als: 1,75 ms, 1,5 ms, 1,25 ms oder 1 ms. Indem eine Obergrenze für die Kühlzeitdauer für die Analytionen und Gegenionen in der lonenfalle bestimmt wird, stellt das Verfahren sicher, dass die Möglichkeit für Reaktionen zwischen den Analytionen und den Gegenionen begrenzt ist, während weiterhin Zeit für die Kühlung der Ionen bereitgestellt wird. Dementsprechend ist der Zeitraum zum gleichzeitigen Einfangen und Kühlen der Analytionen und Gegenionen in der Ionenfalle derart, dass Reaktionen wie Elektronentransfer-Dissoziationsreaktionen (ETD) zwischen den Analytionen und den Gegenionen im Wesentlichen vermieden oder auf einen geringfügigen Anteil beschränkt werden. Der Anteil der Analytionen, die während der Zeitspanne des gleichzeitigen Einfangens und Kühlens eine Reaktion eingehen, kann beispielsweise weniger als 20 % der Gesamtzahl der Analytionen betragen. Vorzugsweise kann der Anteil weniger als 15 %, 10 % oder noch bevorzugter weniger als 5 % der Analytionen betragen, sodass die Empfindlichkeit eines nachfolgenden Massenanalyseschritts erhöht und/oder maximiert wird. Die Bereitstellung einer Zeitspanne des Vorkühlens für eine oder beide Arten von Ionen vor dem Mischen der Ionen in der Extraktionsfalle kann die Kühlzeit verringern, die anschließend nach dem Vermischen der Analytionen und der Gegenionen in der Falle benötigt wird, und so die Möglichkeit einer unerwünschten Reaktion verringern. Die Analytionen können beispielsweise zuerst in die Extraktionsfalle eingeführt und während einer Zeitspanne gekühlt werden, bevor die Gegenionen in die Extraktionsfalle eingeführt werden. Die Gegenionen können sogar in einer angrenzenden Falle (z. B. einer Kollisions- oder Fragmentierungszelle) gekühlt und dann schnell in gekühltem Zustand in die Extraktionsfalle eingeführt werden, um sie mit den Analytionen zu mischen, die gegebenenfalls selbst wie beschrieben vorgekühlt wurden.
Die Analytionen und Gegenionen können von demselben axialen Ende der lonenfalle in die Ionenfalle injiziert werden. Vorzugsweise werden die Analytionen vom einen axialen Ende der lonenfalle in die Ionenfalle injiziert und die Gegenionen von dem anderen axialen Ende der lonenfalle. Die Ionen können von einem axialen Ende durch eine Endapertur-Elektrode in die Ionenfalle injiziert werden, d. h. durch eine Endelektrode, die an einem axialen Ende der Ionenfalle positioniert ist und eine Öffnung zum Durchlassen von Ionen aufweist. Vorzugsweise werden Endapertur-Elektroden an jedem axialen Ende der Ionenfalle bereitgestellt. Durch ein räumliches Trennen der Injektion der Analytionen in die Ionenfalle von der Injektion der Gegenionen in die Ionenfalle kann die Zeitspanne zwischen dem Injizieren der Analytionen und dem Injizieren der Gegenionen verkürzt werden, wodurch das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt in kürzerer Zeit durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise werden die in die Ionenfalle injizierten Analytionen durch eine erste lonenquelle erzeugt, und die in die Ionenfalle injizierten Gegenionen werden durch eine zweite lonenquelle erzeugt. Indem die Gegenionen durch eine zweite lonenquelle erzeugt werden, können die erste und die zweite lonenquelle unabhängig voneinander betrieben werden. Dementsprechend kann die Zeitspanne zwischen dem Injizieren der Analytionen in die Ionenfalle und dem Injizieren der Gegenionen in die Ionenfalle verkürzt oder eliminiert werden. Damit können die Gegenionen gleichzeitig (simultan) mit den Analytionen in die Ionenfalle injiziert werden. Vorzugsweise kann die zweite lonenquelle so positioniert werden, dass die Gegenionen von einer gegenüberliegenden Seite (einem gegenüberliegenden axialen Ende) der Ionenfalle hin zu der Seite (dem Ende) injiziert werden, an der (dem) die Analytionen injiziert werden.
Ein zweiter Mechanismus zur Verringerung der räumlichen Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle besteht darin, die Gegenionen in der Extraktionsfalle durch eine Laserkühlungsvorrichtung abzukühlen, was wiederum die Analytionen durch eine Transmission kinetischer Energie kühlt. Eine Laserkühlungsvorrichtung kann die Gegenionen durch einen Doppler-Kühlungsvorgang kühlen. Vorzugsweise haben die Gegenionen für die Laserkühlung ein geringeres Masse-zu-Ladung-Verhältnis als die Analytionen. Die Gegenionen können beispielsweise Sr⁺-Ionen sein. Damit können die Gegenionen rasch gekühlt werden, was eine relativ rasche Kühlung der Analytionen ermöglicht. Durch das rasche Kühlen der Analytionen kann die räumliche Verteilung der Analytionen verringert werden, sodass die Injektion der Analytionen in einen Massenanalysator verbessert werden kann.
Gemäß dem zweiten Mechanismus zur Verringerung der räumlichen Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle können die Gegenionen in der Ionenfalle die gleiche Ladung wie die Analytionen oder eine der Ladung der Analytionen entgegengesetzte Ladung haben. Somit können der erste und der zweite Mechanismus in einem Verfahren zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator gemäß dem ersten Aspekt kombiniert werden. Alternativ kann ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt entweder den ersten oder den zweiten Mechanismus verwenden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird eine Massenspektrometer-Steuerung zum Steuern einer Ionenfalle bereitgestellt, um ein Analytionenpaket aus der Ionenfalle in einen Massenanalysator zu injizieren. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie über mindestens eine lonenquelle eine bestimmte Menge an Analytionen einer ersten Ladung in die Ionenfalle und eine bestimmte Menge von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle injizieren lässt. Vorzugsweise ist die zweite Ladung der ersten Ladung entgegengesetzt. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie veranlasst, dass die lonenfalle die Analytionen und die Gegenionen in der Ionenfalle gleichzeitig kühlt, um die räumliche Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle zu verringern, und dass sie ferner veranlasst, dass die Ionenfalle die Analytionen aus der Ionenfalle in den Massenanalysator injiziert. Somit kann die Massenspektrometer-Steuerung so konfiguriert werden, dass das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung implementiert wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung wird ein Massenspektrometer bereitgestellt. Das Massenspektrometer umfasst einen Massenanalysator, eine lonenfalle, mindestens eine lonenquelle, die für das Injizieren von Analytionen einer ersten Ladung in die Ionenfalle und von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle konfiguriert ist, und eine Massenspektrometer-Steuerung nach dem zweiten Aspekt der Offenbarung. Vorzugsweise ist die zweite Ladung der Gegenionen der ersten Ladung entgegengesetzt. Somit kann die Massenspektrometrievorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Offenbarung verwendet werden, um das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung durchzuführen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Offenbarung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Anweisungen umfasst, um die Massenspektrometer-Steuerung gemäß dem zweiten Aspekt oder die Massenspektrometrievorrichtung gemäß dem dritten Aspekt zum Ausführen der Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt zu veranlassen.
Gemäß einem fünften Aspekt der Offenbarung wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, auf dem das Computerprogramm gemäß dem vierten Aspekt bereitgestellt wird.
Die Vorteile und optionalen Merkmale für jeden der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Aspekte der Offenbarung, wie sie oben diskutiert werden, gelten gleichermaßen für jeden der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Aspekte der Offenbarung.
Figurenliste
Die Erfindung kann auf vielfältige Weise praktisch umgesetzt werden, und spezifische Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen:

1 eine schematische Anordnung eines Massenspektrometers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine schematisches Darstellung einer beispielhaften Extraktionsfalle zeigt, die zum Ausführen von Verfahren gemäß dieser Offenbarung geeignet ist;
3 eine schematische Darstellung des Gleichstromprofils entlang der axialen Länge der Extraktionsfalle zeigt, wenn Gegenionen und Analytionen in dem länglichen lonenkanal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung gemeinsam eingefangen werden;
4 eine schematische Darstellung einer länglichen Multipol-Elektrodenanordnung zeigt, die Teil einer Extraktionsfalle gemäß der vorliegenden Offenbarung bildet;
5a eine schematische Darstellung der in 4 dargestellten länglichen Multipol-Elektrodenanordnung zeigt, wobei ein oberer Abschnitt der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung nicht gezeigt wird;
5b eine Querschnittsansicht der in 4 dargestellten länglichen Multipol-Elektrodenanordnung an einem Punkt entlang der axialen Länge der Multipol-Elektrodenanordnung zeigt;
6 eine schematische Darstellung einer alternativen Extraktionsfalle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Extraktionsfalle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 ein durch eine Computersimulation erzeugtes graphisches Ergebnis zeigt, das die Reduzierung der Raumladung in Bezug auf die Reduzierung der radialen Dispersion der Ionen in der Extraktionsfalle zeigt, die aus dem Verfahren zum Injizieren von Ionen in ein Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Offenbarung resultiert;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Extraktionsfalle, in die eine PCB-Elektrodenanordnung integriert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 ein Beispiel des Gleichstrom-Vorspannungsprofils zeigt, das durch eine Vielzahl von Elektroden entlang der Länge einer länglichen Leiterplatte in der Extraktionsfalle von 9 bereitgestellt werden kann;
11 eine schematische Darstellung eines Massenspektrometers mit einer integrierten Laserkühlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
12 eine schematische Darstellung einer Extraktionsfalle zur Verwendung mit einem Massenspektrometer mit einem integrierten Laserkühlungsvorgang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
13 eine Simulation des Verhaltens einer Vielzahl von relativ energiereichen Analytionen zeigt, die in einer Extraktionsfalle mit einer Vielzahl von relativ kühlen (niederenergetischen) Gegenionen eingefangen sind.

Detailbeschreibung
Hierin kann der Begriff Masse zur Bezeichnung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses (m/z) verwendet werden. Unter der Auflösung eines Massenanalysators wird die Auflösung des Massenanalysators verstanden, die bei einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis von 200 bestimmt wird, sofern nicht anders angegeben.
1 zeigt eine schematische Anordnung eines Massenspektrometers 10, der zur Durchführung von Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geeignet ist.
In 1 wird ein zu analysierender Analyt (z. B. von einem Autosampler) einem Chromatographiegerät zugeführt, z. B. einer Flüssigchromatographiesäule (LC-Säule) (in 1 nicht gezeigt). Ein solches Beispiel einer LC-Säule ist die monolithische ProSwift-Säule von Thermo Fisher Scientific, Inc., die eine Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) ermöglicht, bei der der Analyt in einer mobilen Phase unter hohem Druck durch eine stationäre Phase von unregelmäßig oder kugelförmig geformten Teilchen, die die stationäre Phase bilden, gefördert wird. In der HPLC-Säule eluieren die Analytmoleküle in unterschiedlicher Geschwindigkeit entsprechend ihrem Grad der Wechselwirkung mit der stationären Phase. Ein Analytmolekül kann beispielsweise ein Protein oder ein Peptidmolekül sein.
Die so mittels Flüssigkeitschromatographie getrennten Analytmoleküle werden dann unter Verwendung einer Elektrospray-Ionisationsquelle (ESI-Quelle) 20 ionisiert, die atmosphärischen Druck hat, um Analytionen zu bilden
Die von der ESI-Quelle 20 erzeugten Analytionen werden durch lonentransporteinrichtungen des Massenspektrometers 10 zur Extraktionsfalle 80 transportiert. Gemäß den lonentransporteinrichtungen treten von der ESI-Quelle 20 erzeugte Analytionen in eine Vakuumkammer des Massenspektrometers 10 ein und werden durch eine Kapillare 25 in eine Nur-HF-S-Linse 30 geleitet. Die Ionen werden durch die S-Linse 30 in einen Injektions-Flatapol 40 fokussiert, der die Ionen in einen gebogenen Flatapol 50 mit einem axialen Feld injiziert. Der gebogene Flatapol 50 führt (geladene) Ionen entlang einer gekrümmten Bahn durch ihn hindurch, während unerwünschte neutrale Moleküle, wie z. B. mitgerissene Lösungsmittelmoleküle, nicht entlang der gekrümmten Bahn geführt werden und verloren gehen. Ein lonengatter 60 ist am distalen Ende des gebogenen Flatapols 50 angeordnet und steuert den Durchgang der Ionen von dem gebogenen Flatapol 50 in einen Transport-Multipol 70. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Transport-Multipol ein Transport-Oktopol. Der Transfer-Multipol 70 führt die Analytionen von dem gebogenen Flatapol 50 in eine Extraktionsfalle 80. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Extraktionsfalle eine gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle). Es versteht sich, dass die oben beschriebene lonentransporteinrichtung eine mögliche Implementierung zum Transportieren von Ionen von einer lonenquelle zu der Extraktionsfalle 80 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist. Andere Anordnungen von lonentransportoptiken oder Varianten der obigen Anordnung, die zum Transportieren von Ionen von einer Quelle zu einer Extraktionsfalle geeignet sind, sind für den Fachmann offensichtlich. Die in 1 gezeigten lonentransporteinrichtung könnten beispielsweise nach Bedarf durch andere ionenoptische Komponenten modifiziert oder ersetzt werden. Mindestens einer der Massenselektoren, etwa ein Quadrupol-Massenfilter und/oder eine Massenselektions-Ionenfalle und/oder einem lonenmobilitätsseparator, könnte beispielsweise zwischen dem gebogenen Flatapol 50 und dem Transfer-Multipol 70 bereitgestellt werden, um die Selektion von Ionen aus der lonenquelle zu ermöglichen, die in die Extraktionsfalle geleitet werden sollen.
Die Extraktionsfalle ist so konfiguriert, dass die in sie injizierten Ionen eingegrenzt und gekühlt werden. Der detaillierte Betrieb und Aufbau der Ionenfalle wird im Folgenden näher erläutert. Gekühlte Ionen, die in der Extraktionsfalle eingegrenzt sind, werden dann orthogonal aus der Extraktionsfalle in Richtung des Massenanalysators 90 ausgestoßen. Wie in 1 gezeigt ist der erste Massenanalysator ein Orbital-Trapping-Massenanalysator 90, beispielsweise der von Thermo Fisher Scientific, Inc. vertriebene Orbitrap®-Massenanalysator. Der Orbital-Trapping-Massenanalysator ist ein Beispiel für einen Fourier-Transform-Massenanalysator. Der Orbital-Trapping-Massenanalysator 90 hat eine dezentrale Injektionsöffnung in seiner äußeren Elektrode und die Ionen werden durch die dezentrale Injektionsöffnung als kohärente Pakete in den Orbital-Trapping-Massenanalysator 90 injiziert. Die Ionen werden dann in dem Orbital-Trapping-Massenanalysator durch ein hyperlogarithmisches elektrostatisches Feld eingefangen und durchlaufen eine Hin- und Herbewegung in einer longitudinalen (axialen oder Z-)Richtung, während sie um die innere Elektrode kreisen.
Die axiale (Z-)Komponente der Bewegung der Ionenpakete in dem Orbital-Trapping-Massenanalysator ist (mehr oder weniger) als einfache harmonische Bewegung definiert, wobei die Winkelfrequenz entlang der Z-Richtung in einer Quadratwurzelbeziehung zum Masse-zu-Ladung-Verhältnis einer gegebenen Ionenart steht. Somit trennen sich Ionen im Laufe der Zeit gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis.
Ionen in dem Orbital-Trapping-Massenanalysator werden unter Verwendung eines Bildstromdetektors erfasst, der eine „Transiente“ im Zeitbereich erzeugt, die Informationen über alle Ionenarten enthält, während sie den Bildstromdetektor passieren. Zur Bereitstellung des Bildstromdetektors ist die äußere Elektrode bei z=0 in zwei Teile aufgeteilt, sodass der lonenbildstrom in Axialrichtung erfasst werden kann. Der Bildstrom auf jeder Hälfte der Außenelektrode wird unterschiedlich verstärkt, um die Transiente bereitzustellen. Die Transiente wird dann einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) unterzogen, was zu einer Reihe von Peaks im Frequenzbereich führt. Aus diesen Peaks kann ein Massenspektrum erzeugt werden, das die Abundanz/lonenintensität bezogen auf m/z darstellt.
In der oben beschriebenen Konfiguration werden die Analytionen durch den Orbital-Trapping-Massenanalysator ohne Fragmentierung analysiert. Das resultierende Massenspektrum wird mit MS1 bezeichnet.
Auch wenn ein Orbital-Trapping-Massenanalysator 90 in 1 gezeigt ist, können stattdessen andere Fourier-Transform-Massenanalysatoren verwendet werden. Ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator (FTICR) kann beispielsweise als Massenanalysator verwendet werden. Andere Arten von elektrostatischen Fallen können ebenfalls als Fourier-Transform-Massenanalysatoren verwendet werden. Fourier-Transform-Massenanalysatoren wie der Orbital-Trapping-Massenanalysator und der lonenzyklotronresonanz-Massenanalysator können ebenfalls in der Erfindung verwendet werden, selbst wenn andere Arten der Signalverarbeitung als die Fourier-Transformation verwendet werden, um Massenspektrumsinformationen aus dem transienten Signal zu erhalten (siehe z. B. WO 2013/171313 , Thermo Fisher Scientific). In anderen Ausführungsformen kann der Massenanalysator ein Time-of-Flight-Massenanalysator (ToF) sein. Der ToF-Massenanalysator kann ein ToF mit einem erweiterten Flugpfad sein, beispielsweise ein Multireflexions-ToF-Massenanalysator (MR-ToF).
In einem zweiten Betriebsmodus der Extraktionsfalle 80 können Ionen, die durch den Transport-Multipol 70 in die Extraktionsfalle 80 gelangen, ihren Pfad auch durch die Extraktionsfalle hindurch fortsetzen, um durch das entgegengesetzte axiale Ende der Falle an dem Ende, durch das sie eingetreten sind, auszutreten und in die Fragmentierungskammer 100 zu gelangen. Die Transmission oder das Einfangen von Ionen durch die Extraktionsfalle 80 kann durch Einstellen von Spannungen ausgewählt werden, die an Endelektroden der Extraktionsfalle angelegt werden. Somit kann die Extraktionsfalle in dem zweiten Betriebsmodus auch wirksam als eine lonenführung fungieren. Alternativ können gefangene und gekühlte Ionen in der Extraktionsfalle 80 aus der Extraktionsfalle in einer axialen Richtung in die Fragmentierungskammer 100 ausgestoßen werden. Die Fragmentierungskammer 100 ist im Massenspektrometer 10 von 1 eine HCD-Vorrichtung (Higher Energy Collisional Dissociation), der ein Kollisionsgas zugeführt wird. Analytionen, die in die Fragmentierungskammer 100 gelangen, kollidieren mit Kollisionsgasmolekülen, was zu einer Fragmentierung der Analytionen in Fragmentionen führt. Die Fragmentionen können von der Fragmentierungskammer 100 durch ein geeignetes Potenzial, das an die Fragmentierungskammer 100 und die Endelektroden der Extraktionsfalle 80 angelegt wird, zur Extraktionsfalle 80 zurückgeführt werden. Fragmentionen können aus der Extraktionsfalle 80 in den Massenanalysator 90 zur Massenanalyse ausgestoßen werden. Das resultierende Massenspektrum wird mit MS2 bezeichnet. Für MS2-Scans kann der Transport-Oktopol auch dazu verwendet werden, die Analytionen vor ihrer Injektion in die Extraktionskammer 80 und die Fragmentierungskammer 100 mittels eines Massenfilters zu filtern. Als solches kann der Transport-Oktopol 70 ein Massenauflösungs-Oktopol sein.
Obwohl eine HCD-Fragmentierungskammer 100 in 1 gezeigt ist, können stattdessen andere Fragmentierungsvorrichtungen verwendet werden, die Verfahren wie die kollisionsinduzierte Dissoziation (CID), Elektroneneinfang-Dissoziation (ECD), die Elektronentransfer-Dissoziation (ETD), die Photodissoziation und dergleichen verwenden.
2 zeigt eine schematisches Darstellung einer beispielhaften Extraktionsfalle 200, die zum Ausführen des Verfahren gemäß dieser Offenbarung geeignet ist. Die Extraktionsfalle 200 hat eine geradlinige Geometrie. Somit kann die Extraktionsfalle 200 anstelle der Extraktionsfalle (C-Falle) 80 verwendet werden, die in dem Massenspektrometer von 1 gezeigt ist. Es versteht sich, dass die Extraktionsfalle 200 in einer gekrümmten Form bereitgestellt sein kann, beispielsweise wie die in 1 gezeigte C-Falle 80.
2 zeigt eine Extraktionsfalle 200 mit einer ersten Endelektrode 210, einer zweiten Endelektrode 212, einer Stiftelektrode 214 und einer Multipol-Elektrodenanordnung 220. Die Multipol-Elektrodenanordnung und die Stiftelektrode 214 sind zwischen der ersten Endelektrode 210 und der zweiten Endelektrode 212 angeordnet. Die erste Endelektrode 210 und die zweite Endelektrode 212 in diesem Beispiel haben die Form von Plattenelektroden. Sowohl die erste Endelektrode 210 als auch die zweite Endelektrode 212 verfügen über eine lonenöffnung 211, 213 mittig in den Elektroden, durch die Ionen übertragen werden. Ionen können beispielsweise in die Extraktionsfalle 200 axial durch die lonenöffnung 211 in der ersten Endelektrode 210 eintreten und/oder so aus dieser austreten. In einigen Betriebsmodi können Ionen in die Extraktionsfalle 200 axial durch die lonenöffnung 213 in der zweiten Endelektrode 212 eintreten und/oder so aus dieser austreten.
Die in 2 gezeigte Multipol-Elektrodenanordnung 220 umfasst eine Vielzahl von länglichen Elektroden, die um eine zentrale Achse angeordnet sind, um einen länglichen Ionenkanal zu definieren. Die Multipol-Elektrodenanordnung umfasst eine längliche Push-Elektrode 222 und eine entgegengesetzte längliche Pull-Elektrode 224. Die längliche Push-Elektrode 222 und die längliche Pull-Elektrode sind auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals voneinander beabstandet und entlang der Länge des länglichen Ionenkanals im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Wie in 2 gezeigt, haben die längliche Push-Elektrode 222 und die länglichen Pull-Elektroden im Wesentlichen flache einander gegenüberliegende Oberflächen. Alternativ können die gegenüberliegenden Oberflächen ein hyperbolisches Profil haben.
Die längliche Push-Elektrode 224 umfasst eine Pull-Elektrodenöffnung 225 an einem Punkt entlang ihrer Länge. Wie in 2 gezeigt, ist die Pull-Elektrodenöffnung 225 in einem relativ mittigen Bereich der länglichen Pull-Elektrode angeordnet. Die Pull-Elektrodenöffnung 225 verläuft durch die Dicke der Elektrode und stellt einen Pfad für Ionen bereit, um die Extraktionsfalle 200 zu verlassen. Auf diese Weise können die Ionen aus der Extraktionsfalle 200 hin zum und in den Massenanalysator extrahiert werden.
Die Multipol-Elektrodenanordnung umfasst auch erste längliche geteilte Elektroden 226, 228 und zweite längliche geteilte Elektroden 230, 232. Die ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 sind auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals von den zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232 beabstandet und entlang der Länge des länglichen Ionenkanals im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 und die zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232 sind über den länglichen lonenkanal hinweg in einer Richtung voneinander beabstandet, die senkrecht zu der Richtung ist, in der die längliche Push-Elektrode 222 und die längliche Pull-Elektrode 224 beabstandet sind.
Die ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 können aus zwei länglichen stabförmigen Elektroden gebildet sein. Die zwei länglichen Stabelektroden sind so voneinander beabstandet, dass eine zusätzliche Elektrode zwischen den zwei geteilten Elektroden bereitgestellt werden kann, nämlich eine zweite Stiftelektrode, die dadurch auf einer gegenüberliegenden Seite des länglichen lonenkanals von der Stiftelektrode 214 beabstandet wird. Die zwei länglichen stabförmigen Elektroden können parallel entlang der Länge des länglichen lonenkanals ausgerichtet sein.
Die zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232 können ebenfalls aus zwei länglichen stabförmigen Elektroden gebildet sein. Wie in 2 gezeigt, sind die zwei zweiten länglichen geteilten Elektroden 230 und 232 so voneinander beabstandet, dass die Stiftelektrode 214 in dem Raum zwischen ihnen bereitgestellt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stiftelektroden 214 1-10 mm lang und <1 mm dick (etwa quadratischer Querschnitt). Dem steht die Länge der ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 und der zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232, die typischerweise 20 bis 150 mm lang sind, gegenüber.
Wie in 2 gezeigt, sind die längliche Push-Elektrode 222, die längliche Pull-Elektrode 224, die ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 und die zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232 angeordnet, dass sie eine Quadrupol-Ionenfalle bilden.
Die längliche Multipol-Elektrodenanordnung 220 ist bereitgestellt, damit in dem länglichen lonenkanal ein Pseudopotenzialtopf gebildet werden kann. Ein variierendes HF-Potenzial kann an die Paare länglicher Elektroden der Multipol-Elektrodenanordnung angelegt werden, um einen Pseudopotenzialtopf zu bilden. Das HF-Potenzial, das an jedes Paar von länglichen Elektroden in der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 angelegt wird, ist gegenüber anderen Elektrodenpaaren in der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung phasenverschoben, um ein durchschnittliches radial eingrenzendes Pseudopotenzial bereitzustellen. In der Ausführungsform von 2, die zwei Paare von länglichen Elektroden aufweist, kann beispielsweise das an das erste Paar länglicher Elektroden 222, 224 angelegte HF-Potenzial um 180° phasenverschoben gegenüber dem an das zweite Paar länglicher Elektroden 226, 228 angelegten HF-Potenzial sein. An die länglichen Elektroden der länglichen Multipol-Anordnung kann auch ein Gleichspannungspotenzial angelegt werden. Vorzugsweise ist das Gleichspannungspotenzial der länglichen Elektroden 0 V. Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise die längliche Multipol-Elektrodenanordnung so angeordnet sein, dass ein HF-Potenzial mit einer Amplitude von mindestens 10 V, bevorzugter mindestens 50 V und höchstens als 10000 V, bevorzugter mindestens 5000 V, zentriert um 0 V, an den länglichen lonenkanal angelegt wird. Das HF-Potenzial oszilliert mit einer Frequenz von mindestens 10 kHz und höchstens 10 MHz. Natürlich wird der Fachmann erkennen, dass die exakte HF-Potenzialamplitude und -frequenz abhängig von der Konstruktion der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung und den einzugrenzenden Ionen variiert werden kann.
Die Stiftelektrode 214, wie in 2 gezeigt, ist als eine längliche Elektrode vorgesehen, die im Wesentlichen parallel sowohl zum länglichen lonenkanal als auch zu den zweiten länglichen geteilten Elektroden 230, 232 ausgerichtet ist, und die angrenzend zum länglichen lonenkanal in einem mittigen Bereich des langgestreckten lonenkanals positioniert ist.
Als Nächstes wird eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte Massenspektrometer 10 und die in 2 gezeigte Extraktionsfalle 200 beschrieben.
Das Massenspektrometer 10 wird durch eine Steuerung (nicht gezeigt) gesteuert, die beispielsweise im Hinblick darauf konfiguriert ist, die Erzeugung von Ionen in der ESI-Quelle 20 zu steuern, die geeigneten Potenziale an den Elektroden der oben beschriebenen lonentransporteinrichtung für das Führen, Fokussieren und Filtern (wenn das lonentransportmittel einen Massenselektor umfasst) der Ionen festzulegen, die Massenspektraldaten des Fourier-Transform-Massenanalysators 90 zu erfassen und so weiter. Es versteht sich, dass die Steuerung einen Computer umfassen kann, der gemäß einem Computerprogramm betrieben werden kann, das Anweisungen umfasst, die das Massenspektrometer 10 veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
Es versteht sich, dass die spezifische Anordnung der in 1 gezeigten Komponenten für die nachfolgend beschriebenen Verfahren nicht wesentlich ist. In der Tat können andere Massenspektrometeranordnungen zum Ausführen des Verfahrens zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator gemäß dieser Offenbarung geeignet sein.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens werden Analytmoleküle von einer Flüssigchromatographiesäule (LC-Säule) als Teil der oben beschriebenen beispielhaften Vorrichtung zugeführt (wie in 1 gezeigt).
In der beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens können die Analytmoleküle von der LC-Säule über eine Dauer zugeführt werden, die einer Dauer eines chromatographischen Peaks der von der LC-Säule zugeführten Probe entspricht. Somit kann die Steuerung so konfiguriert sein, dass sie das Verfahren innerhalb einer Zeitspanne durchführt, die der Breite (Dauer) eines chromatographischen Peaks an seiner Basis entspricht.
Wie in 1 gezeigt, wird ein Orbital-Trapping-Massenanalysator (als „Orbitrap“ bezeichnet) verwendet, um eine Massenanalyse der Analytmoleküle durchzuführen.
Zur Massenanalyse der Analytmoleküle werden die Analytmoleküle aus der LC-Säule unter Verwendung der ESI-Quelle 20 ionisiert, um Analytionen zu erzeugen. Die ESI-Quelle 20 kann durch die Steuerung gesteuert werden, um Analytionen mit einer ersten Ladung zu erzeugen. Die erste Ladung kann eine positive Ladung oder eine negative Ladung sein. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform sind die Analytionen positiv geladen.
Die Analytionen treten anschließend in die Vakuumkammer des Massenspektrometers 10 ein. Die Probenionen werden in der oben beschriebenen Weise durch die Kapillare 25, die Nur-HF-S-Linse 30, den Injektions-Flatapol 40, den gebogenen Flatapol 50 und in den Transport-Multipol 70 geleitet.
Die Analytionen gelangen dann in die Extraktionsfalle 80, wo sie akkumuliert werden. Demgemäß können Analytionen einer ersten Ladung gemäß den oben beschriebenen Schritten in die Extraktionsfalle 80 transportiert und in diese injiziert werden.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist es zu bevorzugen, dass die Anzahl der in die Ionenfalle injizierten Analytionen bestimmt wird. Die Anzahl der in die Extraktionsfalle injizierten Analytionen kann auf verschiedene Arten bestimmt werden. In dem in 1 gezeigten Massenspektrometer 10 kann beispielsweise ein lonenstrahlstrom von Analytionen durch Abtasten mittels eines Elektrometers 92 gemessen werden, das sich stromabwärts von der Extraktionsfalle 80 und unmittelbar stromabwärts von der Fragmentierungskammer 100 befindet. Somit kann aus dem besagten gemessenen lonenstrahlstrom die Anzahl der Analytionen abgeleitet werden, die während eines gegebenen Injektionszeitraums in die lonenextraktionsfalle 80 injiziert werden. Alternativ kann eine kleine Opferprobe der Analytionen, die innerhalb der Extraktionsfalle 80 eingegrenzt sind, für einen Vor-Scan-Vorgang aus der Extraktionsfalle 80 in den Massenanalysator 90 ausgestoßen werden. Der Vor-Scan-Vorgang ermöglicht es, dass der Massenanalysator 90 die Anzahl der Analytionen im Paket genau bestimmt. Zusammen mit der Kenntnis der Injektionszeit der Ionen in die Extraktionsfalle 80 kann aus dem Vor-Scan der lonenstrom bestimmt werden. Für eine nachfolgende Injektionszeit in die Extraktionsfalle ist somit die Anzahl der Analytionen und/oder deren Gesamtladung in der Extraktionsfalle 80 bestimmt. Ein Beispiel für einen Vor-Scan-Vorgang ist in US20140061460 A1 beschrieben. Andere Verfahren zum Zählen von Analytionen durch den Fachmann können ebenfalls in Abhängigkeit von der Anordnung der Massenspektrometerausrüstung geeignet sein.
Als Nächstes wird die Steuerung der Extraktionsfalle 80 gemäß der beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens unter Bezugnahme auf die in 2 gezeigte Extraktionsfalle 200 näher beschrieben.
Um die injizierten Analytionen zunächst in der Extraktionsfalle 200 einzugrenzen, ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie eine anfängliche Gleichstrom-Vorspannung an die erste Endelektrode 210 und die zweite Endelektrode 212 anlegt. Die Gleichstrom-Vorspannung an der ersten Endelektrode 210 wird angelegt, nachdem die Ionen durch die gezeigte Öffnung in der ersten Endelektrode 210 in die Extraktionsfalle 200 eingetreten sind. Die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste und die zweite Endelektrode angelegt wird, kann die gleiche Ladung wie die Analytionen aufweisen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie eine positive anfängliche Gleichstrom-Vorspannung an die erste Endelektrode 210 und die zweite Endelektrode 212 anlegt. Die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 angelegt wird, stößt die Analytionen bis hin zum mittigen Bereich des länglichen lonenkanals ab. Somit werden die Analytionen anfänglich axial durch die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung eingegrenzt, die an die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 angelegt ist. Die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste und zweite Endelektrode 210, 212 angelegt wird, kann beispielsweise +5 V sein.
Die Steuerung ist auch konfiguriert, um ein HF-Potenzial so an die längliche Multi-Polelektrodenanordnung 220 der Extraktionsfalle 200 anzulegen, dass ein Pseudopotenzialtopf in dem länglichen lonenkanal gebildet wird. Der im länglichen lonenkanal gebildete Pseudopotenzialtopf grenzt die Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals radial ein. Das HF-Potenzial, das an die längliche Multipol-Elektrodenanordnung 220 angelegt wird, ist ein oszillierendes Potenzial, das über Elektrodenpaare in der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 hinweg angelegt wird, um eine durchschnittliche Eingrenzungskraft in Radialrichtung für die radiale Eingrenzung von Ionen im länglichen lonenkanal bereitzustellen. Die Amplitude der Oszillationen kann in Abhängigkeit vom Bereich des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der in der Extraktionsfalle 200 einzugrenzenden Ionen variiert werden. Auf die längliche Multipol-Anordnung kann zusätzlich zu dem variierenden HF-Potenzial ein durchschnittliches Gleichstrom-Vorspannungspotenzial angelegt werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist das Gleichstrompotenzial der länglichen Multipol-Anordnung auf 0 V eingestellt. Die Frequenz des HF-Potenzials gemäß der beispielhaften Ausführungsform beträgt 3 MHz und das HF-Potenzial oszilliert zwischen -750 V und +750 V.
Ferner ist die Steuerung so konfiguriert, dass eine erste Gleichstrom-Vorspannung an die Stiftelektrode 214 (und an die zweite Stiftelektrode (in 2 nicht sichtbar) angelegt wird, die sich zwischen den ersten länglichen geteilten Elektroden 226, 228 befindet. Die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die Stiftelektroden angelegt wird, kann unabhängig von dem Gleichspannungspotenzial der Multipol-Elektrodenanordnung 220 bereitgestellt werden. Durch die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die Stiftelektrode 214 angelegt wird, sollen die Analytionen in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals eingegrenzt werden. Vorzugsweise weist die erste Gleichstrom-Vorspannung eine der anfänglichen Gleichstrom-Vorspannung entgegengesetzte Polarität und somit eine den Analytionen entgegengesetzte Polarität auf. Die Größe der ersten Gleichstrom-Vorspannung, die an die Stiftelektrode 214 angelegt wird, kann geringer als die Größe der anfänglichen Gleichstrom-Vorspannung sein, die an die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 angelegt wird. Die erste Gleichstrom-Vorspannung kann beispielsweise -5 V sein.
Durch Anlegen einer ersten Gleichstrom-Vorspannung an die Stiftelektrode 214 (bezogen auf das Gleichstrompotenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220) wird ein erster Potenzialtopf im mittigen Bereich des länglichen lonenkanals gebildet, der die Analytionen in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals eingrenzt. Somit wird der erste Potenzialtopf relativ zum Gleichspannungspotenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 gebildet. Der erste Potenzialtopf wird relativ zu dem Gleichspannungspotenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 gebildet. Eine Größe des ersten Potenzialtopfs kann als die Energie definiert werden, die ein am Boden des Topfs eingefangenes Ion benötigt, um aus dem Topf zu entweichen. Eine Polarität des Potenzialtopfs kann ebenfalls basierend auf der Polarität der Ionen definiert werden, die er eingrenzen soll. Ein Potenzialtopf mit einer negativen Polarität wird beispielsweise positive Ionen eingrenzen, und ein Potenzialtopf mit einer positiven Polarität wird negative Ionen eingrenzen.
Der erste Potenzialtopf erstreckt sich in die axiale Richtung des länglichen lonenkanals der Extraktionsfalle 200, um die Analytionen axial einzugrenzen. Der erste Potenzialtopf, der um die Stiftelektrode 214 gebildet wird, kann auch in Bezug auf die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 gebildet werden. Somit kann die räumliche Verteilung der Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle reduziert werden, indem die Analytionen innerhalb eines mittigen Bereichs des länglichen lonenkanals durch die erste Potenzialtopf eingegrenzt werden. Indem die Analytionen mittels Anlegen des ersten Gleichspannungspotenzials an die Stiftelektrode 214 in einer ersten Potenzialtopfstelle eingegrenzt werden, kann die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste Endelektrode 210 und die zweite Endelektrode 212 angelegt wird, nicht mehr erforderlich sein, um die Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle 200 axial einzugrenzen. Dementsprechend können die positiv geladenen Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals der Extraktionsfalle 200 durch eine Kombination aus der anfänglichen, an die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 des ersten Gleichspannungspotenzials angelegten Gleichstrom-Vorspannung, des ersten an die Stiftelektrode(n) 214 angelegten Gleichstrompotenzials und des an die Multipol-Elektrodenanordnung 220 angelegten HF-Potenzials eingegrenzt werden (axial eingegrenzt und radial eingegrenzt).
Das Verfahren kann während einer Vorkühlzeit unterbrochen werden, nachdem die Analytionen innerhalb des ersten Potenzialtopfs eingegrenzt sind, damit die Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle gekühlt werden können. Vorzugsweise beträgt eine Vorkühlzeitdauer mindestens 0,1 ms. Bevorzugter ist eine Vorkühlzeitdauer von mindestens 0,5 ms, 1 ms oder 1,5 ms. Durch Vorkühlen der Analytionen vor dem Injizieren der Gegenionen kann die Kühlzeit, die benötigt wird, nachdem die Analytionen und die Gegenionen in der Falle gemischt wurden, verkürzt werden, was die Gelegenheit für das Auftreten unerwünschter Reaktionen verringert.
Als Nächstes wird die Steuerung so konfiguriert, dass sie veranlasst, dass eine Gegenionenquelle Gegenionen zum Injizieren die Extraktionsfalle erzeugt. Vorzugsweise haben die von der Gegenionenquelle erzeugten Gegenionen eine zweite Ladung, die der ersten Ladung der Analytionen entgegengesetzt ist. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann beispielsweise die ESI-Quelle 20, die mit entgegengesetzter Polarität arbeitet, verwendet werden, um Gegenionen einer zweiten Ladung zu erzeugen, die im vorliegenden Beispiel negativ ist. Die negativ geladenen Gegenionen können dann auf ähnliche Weise wie die positiven Analytionen durch die lonentransporteinrichtungen 25, 30, 40, 50, 60, 70 zu der Extraktionsfalle 80 transportiert werden, wobei irgendwelche auf die lonentransporteinrichtung angewendete Gleichstrom- oder Axialpolaritäten von einer Polarität umgeschaltet werden können, die dem Verfahren für den Transport der positiven Analytionen entgegensetzt ist.
In einigen alternativen Ausführungsformen können die Gegenionen eine eigene, ihnen fest zugeordnete Quelle haben. Eine Gegenionenquelle kann beispielsweise als eine zweite ESI-Quelle bereitgestellt werden, die in der Weise konfiguriert ist, dass sie Gegenionen so in die lonentransporteinrichtungen 25, 30, 40, 50, 60, 70 injiziert, dass die Gegenionen vom gleichen tatsächlichen Ende wie die Analytionen in die Ionenfalle injiziert werden. Alternativ kann die zweite ESI-Quelle so positioniert sein, dass Gegenionen von einem gegenüberliegenden axialen Ende der Extraktionsfalle in die Extraktionsfalle 80 injiziert werden. Die zweite lonenquelle könnte beispielsweise hinter der Fragmentierungskammer 100 in 1 positioniert sein, sodass die Gegenionen durch die Fragmentierungskammer 100 und in die Extraktionsfalle 80 von dem axialen Ende der Extraktionsfalle transportiert werden, das dem Ende der Extraktionsfalle gegenüberliegt, durch das die Analytionen transportiert werden. Es versteht sich, dass die Steuerung so konfiguriert sein kann, dass sie die erste und/oder die zweite ESI-Quelle und jegliche unterstützenden lonentransporteinrichtung steuert, um eine Sequenz von Analytioneninjektionen und Gegenioneninjektionen in eine Extraktionsfalle 80, 200 abhängig von der Konfiguration der lonentransportmittel gemäß den Ausführungsformen dieser Offenbarung bereitzustellen. Durch das Bereitstellen von Gegenionen aus einer zweiten separaten lonenquelle kann die zweite lonenquelle unabhängig von der ersten lonenquelle betrieben werden. Dementsprechend kann eine Umschaltzeit zwischen dem Erzeugen von Analytionen und Gegenionen verkürzt oder eliminiert werden, sodass die Dauer des Vorgangs des Injizierens der Analytionen und der Gegenionen in die Extraktionsfalle verkürzt werden kann.
Gegenionen können aus einer Vielzahl verschiedener Moleküle gebildet werden. So können beispielsweise verbundene Kohlenstoffringe mit relativ geringer Masse, wie Fluoranthen, Anthracen, Phenanthren, zur Bildung von Gegenionen verwendet werden. 9-Anthracencarbonsäure (unter anderem) kann beispielsweise durch eine ESI-Quelle ionisiert werden und kann dann einen kollisionsbedingten Zerfall in der Quelle durchlaufen, CO2 verlieren und ein Anthracen-Ion werden, das ein Beispiel für ein geeignetes Gegenion ist. Weitere Details eines solchen Vorgangs sind zu finden in Mcluckey et al.; Anal Chem. 1. November 2006; 78 (21): 7387-7391. Alternativ können Gegenionen aus einer Glimmentladungsquelle gebildet werden. Fluoranthenmoleküle können beispielsweise unter Verwendung einer Glimmentladungsquelle ionisiert werden, um eine Gegenionenquelle bereitzustellen.
Basierend auf der Anzahl der in der Ionenfalle eingegrenzten Analytionen, bestimmt durch eine der oben genannten Messtechniken, kann die Steuerung so konfiguriert werden, dass die Anzahl der in die Extraktionsfalle zu injizierenden Gegenionen eingestellt wird. Vorzugsweise ist die Steuerung so konfiguriert, dass eine Anzahl von Gegenionen in die Extraktionsfalle injiziert wird, durch die Gesamtladung der Gegenionen die Gesamtladung der Analytionen ausgeglichen wird. Als solche ist die Steuerung so konfiguriert, dass sichergestellt ist, dass die Nettoladung der Analytionen und der Gegenionen in der Extraktionsfalle ungefähr Null ist. Durch Verringern der Nettoladung der Ionen in der Extraktionsfalle 200 können die resultierenden Raumladungseffekte reduziert und/oder minimiert werden. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass die Anzahl der in die Extraktionsfalle zu injizierenden Gegenionen gesteuert wird, indem gesteuert wird, dass die Quelle der Gegenionen eine geeignete Anzahl von Gegenionen erzeugt, und/oder typischerweise, indem die Dauer der Injektionszeit der Gegenionen in die Extraktionsfalle gesteuert wird. Die Steuerung kann beispielsweise auch so konfiguriert sein, dass ein lonenstrahlstrom von Gegenionen bestimmt wird, der aus der Gegenionenquelle ausgestoßen wird, um auf diese Weise die Erzeugung einer geeigneten Anzahl von Gegenionen und/oder die Injektionsdauer der Gegenionen zu steuern.
Vorzugsweise ist die Quelle von Gegenionen so konfiguriert, dass sie Gegenionen erzeugt, die ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis von höchstens 300 oder höchstens 250 oder höchstens 200 aufweisen. Die Gegenionenquelle kann so konfiguriert sein, dass Gegenionen mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis erzeugt werden, das geringer als das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen ist. Es versteht sich, dass Ionen mit einem relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnis durch einen Potenzialtopf stärker räumlich eingegrenzt werden als Ionen mit einem höheren Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Somit wird aufgrund des relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen die räumliche Eingrenzung der Gegenionen innerhalb der Extraktionsfalle relativ zur räumlichen Eingrenzung der Analytionen erhöht. Somit führt die Anziehung zwischen den Gegenionen mit einem relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses und den Analytionen mit einem relativ höheren Masse-zu-Ladung-Verhältnis innerhalb der Extraktionsfalle zu einer gesteigerten Eingrenzung der Analytionen als Folge der gesteigerten Eingrenzung der Gegenionen für einen gegebenen Potenzialtopf. Somit kommt es zu einer weiteren Reduzierung der räumlichen Eingrenzung der Analytionen aufgrund des relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen innerhalb der Extraktionsfalle. Dieser Effekt kann verbessert werden, wenn die Größe der Gegenionenladung mindestens der Größe der Analytionenladung entspricht.
Vorzugsweise beträgt das durchschnittliche Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen mindestens das Zweifache des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen. Bevorzugter kann das Masse-Ladungs-Verhältnis der Analytionen mindestens das 3-, 4- oder 5-fache des Masse-Ladungs-Verhältnisses der Gegenionen betragen. In einer Ausführungsform, in der Analytionen mit einem relativ hohen Masse-zu-Ladung-Verhältnis innerhalb des länglichen lonenkanals eingegrenzt sind, kann die Anzahl der in die Extraktionsfalle zu injizierenden Gegenionen so konfiguriert sein, dass eine Gesamtladung an Gegenionen bereitgestellt wird, die die Gesamtladung der Analytionen überschreitet. Durch Überschreiten der genannten Ladung kann die Eingrenzungskraft, die durch das relativ geringe Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Gegenionen geliefert wird, für einen zusätzlichen Effekt der Reduzierung der Raumladung sorgen.
Als Nächstes werden gemäß der beispielhaften Ausführungsform die Gegenionen in die Extraktionsfalle 200 injiziert, während die Analytionen durch den ersten Potenzialtopf zurückgehalten werden, der durch die erste Gleichstrom-Vorspannung erzeugt wird, die an die Stiftelektrode 214 angelegt wird. Die Gegenionen können durch eine der Endelektroden 210, 212 in die Extraktionsfalle 200 injiziert werden. Um die Gegenionen zu injizieren, wird die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung, die an die Endelektrode angelegt wird, durch die die Gegenionen injiziert werden, ausgeschaltet, und eine zweite Gleichstrom-Vorspannung mit einer der anfänglichen Gleichstrom-Vorspannung entgegengesetzten Polarität wird an die gegenüberliegende Endelektrode angelegt. Nachdem alle erforderlichen Gegenionen injiziert worden sind, kann die zweite Gleichstrom-Vorspannung an beide Endelektroden angelegt werden, um die darin enthaltenen Gegenionen axial einzufangen. Somit wird ein zweiter Potenzialtopf durch die zweiten Gleichstrom-Vorspannungen definiert, die an die bezogen auf die längliche Multipol-Anordnung 220 gegenüberliegenden zweiten Elektroden angelegt werden. Der zweite Potenzialtopf wird bereitgestellt, um die Gegenionen innerhalb des zweiten Potenzialtopf einzugrenzen. Somit kann der zweite Potenzialtopf die Gegenionen innerhalb eines zweiten Volumens im länglichen lonenkanal eingrenzen.
Die zweite Gleichstrom-Vorspannung, die an beide Endelektroden angelegt wird, hat die gleiche Polarität wie die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die mittige oder Stiftelektrode 214 angelegt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die erste Gleichstrom-Vorspannung -5 V sein und die zweite Gleichstrom-Vorspannung kann -10 V sein. Die erste Gleichstrom-Vorspannung kann etwa die Hälfte oder weniger der zweiten Gleichstrom-Vorspannung betragen. Bei mehrfach geladenen Analyten wird die durch die erste Potenzialtopfstelle bereitgestellte Gleichstrom-Barriere vervielfacht, sodass viel niedrigere Stiftelektrodenspannungen Analytionen einfangen können, aber wenig oder keine Behinderung der Wechselwirkung mit einfach geladenen Gegenionen verursachen.
Entweder die anfängliche Gleichstrom-Vorspannung oder die zweite Gleichstrom-Vorspannung oder beide dieser Gleichstrom-Vorspannungen, die an die Endelektroden angelegt wird bzw. werden, können mit einer an die Endelektroden angelegten einstellbaren HF-Vorspannung verstärkt werden, sodass ein axialer Pseudopotenzialtopf erzeugt werden kann, der das gleichzeitige axiale Einfangen der Analyt- und Gegenionen verbessern kann.
Es versteht sich, dass die oszillatorische Natur des HF-Potenzials, das an die Multipol-Elektrodenanordnung 220 angelegt wird, um die Analytionen radial einzugrenzen, auch zur radialen Eingrenzung der Gegenionen geeignet ist. Die Gegenionen werden axial im länglichen lonenkanal durch Anlegen einer zweiten Gleichstrom-Vorspannung an die Endelektroden 210, 212 eingegrenzt.
Die zweite Gleichstrom-Vorspannung, die an die Endelektroden 210, 212 angelegt wird, hat die gleiche Polarität wie die Gegenionen. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, in der die Gegenionen negativ sind, ist die zweite Gleichstrom-Vorspannung, die an die erste Endelektrode 210 und die zweite Endelektrode 212 angelegt wird, eine negative Vorspannung. Um die Gegenionen in Richtung des mittigen Bereichs des länglichen lonenkanals zu zwingen, ist die zweite Gleichstrom-Vorspannung größer als die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die Stiftelektrode 214 angelegt wird. Somit können sowohl die Analytionen als auch die Gegenionen in einem mittigen Bereich des länglichen Ionenkanals eingegrenzt oder dorthin getrieben werden, sodass die Gegenionen mit den Analytionen interagieren können und auf diese Weise die räumliche Verteilung der Analytionen durch eine Verringerung der Raumladung reduziert wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Gleichstromprofils entlang der axialen Länge der Extraktionsfalle, wenn Gegenionen und Analytionen in dem länglichen Ionenkanal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung gemeinsam eingefangen werden. Wie in 3 gezeigt, werden die positiv geladenen Analytionen innerhalb eines ersten Potenzialtopfs um die Stiftelektrode bei einem Gleichspannungspotenzial von -5 V eingegrenzt, während die negativ geladenen Gegenionen innerhalb eines zweiten Potenzialtopfs eingegrenzt werden, der zwischen einander axial gegenüberliegenden Endelektroden bei einem Gleichstrompotenzial von -10 V gebildet wird.
Die Extraktionsfalle 200 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform kann ein Kühlgas enthalten. Der Druck in der Extraktionsfalle 200 kann etwa 5 × 10^-3 mbar betragen. Das Kühlgas interagiert mit den Analytionen und den Gegenionen, um zu bewirken, dass die Analytionen und/oder die Gegenionen durch Wechselwirkungen mit dem Kühlgas Energie verlieren. Dementsprechend können die Analytionen und die Gegenionen durch Wechselwirkung mit dem Kühlgas Energie verlieren, sodass sie kühlen und ihre räumliche Verteilung entsprechend weiter verringert wird. Ferner können während einer Kühlzeit, in der die Ionen kühlen, die Analytionen elektrostatisch mit den Gegenionen interagieren, sodass die Raumladungsverteilung der Analytionen die Raumladungsverteilung der Gegenionen verringert und/oder ausgleicht. Dementsprechend kann die in der Ionenfalle vorhandene Nettoraumladung reduziert werden.
Vorzugsweise ist der Kühlzeitraum zum Kühlen der Analytionen und der Gegenionen innerhalb der Extraktionsfalle 200 (d. h. der Zeitraum, in dem beide Arten von Ionen gleichzeitig in der Falle vorhanden sind) nicht länger als 2 ms. Bevorzugt sollte eine Obergrenze für die Dauer des Kühlzeitraums für die Gegenionen und die Analytionen in der Ionenfalle bestimmt werden, um das Potenzial für Reaktionen zwischen den Analytionen und den Gegenionen, wie Ladungstransferreaktionen, zu begrenzen. Bevorzugter ist die Zeitspanne für das Kühlen der Analytionen und der Gegenionen innerhalb der Ionenfalle nicht länger als: 1,5 ms, 1 ms oder 0,5 ms.
Die Steuerung ist so konfiguriert, dass nach dem Kühlzeitraum eine Push-Gleichstrom-Vorspannung an die längliche Push-Elektrode 222 und eine Pull-Gleichstrom-Vorspannung an die gegenüberliegende längliche Pull-Elektrode 224 angelegt wird, um die Analytionen und die Gegenionen aus der Extraktionsfalle 200 auszustoßen. Vorzugsweise wird das HF-Potenzial nicht an die längliche Multipol-Elektrodenanordnung angelegt, während die Analytionen und Gegenionen aus der Extraktionsfalle 200 ausgestoßen werden. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung so konfiguriert, dass eine negative Vorspannung (z. B. -500 Volt) an die Pull-Elektrode 224 und eine positive Gleichstrom-Vorspannung (z. B. +500 Volt) an die Push-Elektrode 222 angelegt wird. Dementsprechend werden die positiv geladenen Analytionen aus der Extraktionsfalle durch eine Öffnung 225 ausgestoßen, die in der länglichen Pull-Elektrode 224 bereitgestellt ist, während die Gegenionen durch die angelegten Vorspannungen in eine entgegengesetzte Richtung gezwungen werden. Somit können die Analytionen von den Gegenionen getrennt werden und die Analytionen können zum Massenanalysator 90 geleitet werden. Durch Reduzieren der räumlichen Verteilung der Analytionen vor dem Ausstoß aus der Extraktionsfalle 200 kann die räumliche Verteilung der Analytionen während des Ausstoßes aus der Extraktionsfalle 200 ebenfalls reduziert werden. Dies führt zu einer erhöhten Effizienz bei der Transmission der Analytionen (Analytionenpaket) von der Extraktionsfalle 80 zum Massenanalysator 90, da die Analytionen genauer fokussiert werden können.
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform werden die Analytionen aus der Extraktionsfalle 80 durch eine Reihe relativ enger Fokussierlinsen 95 und in einen Fourier-Transform-Massenanalysator 90 ausgestoßen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Fokussierlinsen 95 relativ schmale Öffnungen aufweisen, die einen relativ schmalen lonenpfad zum Massenanalysator definieren, der eine Breite von wenigen hundert Mikrometern aufweist. Somit wird durch das Verringern der räumlichen Verteilung der Analytionen in der Extraktionsfalle 80 der Anteil der Ionen erhöht, der erfolgreich entlang des relativ schmalen lonenpfads und in den Massenanalysator 90 fokussiert werden kann, was zu einer Steigerung der Transmissionseffizienz von der Extraktionsfalle 80 zum Massenanalysator 90 führt.
Unter Bezugnahme auf das obige Verfahren versteht sich, dass die erste Gleichstrom-Vorspannung, die an die längliche Stiftelektrode 214 angelegt wird, einen ersten Potenzialtopf relativ zum Gleichstrom-Potenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 bildet, um die Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals axial einzugrenzen. Ein zweiter Gleichstrom-Potenzialtopf wird durch das Anlegen der zweiten Gleichstrom-Vorspannung an die erste und zweite Endelektrode 210, 212 gebildet, durch die die Gegenionen innerhalb der Extraktionsfalle 200 axial eingegrenzt werden. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Reihenfolge der Injektion der Gegenionen und der Analytionen in die Extraktionsfalle beschränkt ist, wie oben gemäß der beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Somit können die Gegenionen zu einem ersten Zeitpunkt in die Extraktionsfalle injiziert und durch die an die Stiftelektrode 214 angelegte erste Gleichstrom-Vorspannung eingegrenzt werden, und die in einer zweiten Zeitspanne injizierten Analytionen können durch die an die erste und die zweite Endelektrode 210, 212 angelegte zweite Gleichstrom-Vorspannung eingegrenzt werden. Vorzugsweise werden Analytionen zu einem ersten Zeitpunkt in die Extraktionsfalle injiziert, um durch die an die Stiftelektrode 214 angelegte erste Gleichstrom-Vorspannung eingegrenzt zu werden, sodass sich die Analytionen in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals befinden, wodurch das nachfolgende Ausstoßen der Analytionen aus der Extraktionsfalle verbessert wird.
Aus der Darstellung in 2 wird ersichtlich, dass die Extraktionsfalle 200 mindestens 5 separate Bereiche umfasst, an die eine Gleichstrom-Vorspannung angelegt werden kann, um den ersten und den zweiten Potenzialtopf zum Eingrenzen von Ionen innerhalb der Extraktionsfalle 200 bereitzustellen. Die fünf Bereiche sind in 2 beispielsweise der durch die erste Endelektrode 210 definierte Bereich, der durch die längliche Multipol-Elektrodenanordnung zwischen der ersten Endelektrode 210 und der Stiftelektrode 214 definierte Bereich, der durch die Stiftelektrode 214 definierte Bereich, der durch die längliche Multipol-Elektrodenanordnung 220 zwischen der Stiftelektrode 214 und der zweiten Endelektrode 212 definierte Bereich und der durch die zweite Endelektrode definierte Bereich. Die Gleichstrom-Vorspannungen, die an die erste Endelektrode 210, die zweiten Endelektroden 212 und die Stiftelektrode 214 angelegt werden, können jeweils unabhängig von dem Gleichspannungspotenzial der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 220 (und unabhängig voneinander) gesteuert werden.
Somit können Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung einen ersten Potenzialtopf bereitstellen, der in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals zur Eingrenzung eines ersten Satzes von Ionen angewendet wird, und einen zweiten, relativ tieferen Potenzialtopf, der durch eine an die erste und die zweite Endelektrode an gegenüberliegenden Enden des länglichen lonenkanals angelegte Vorspannung gebildet wird, um einen zweiten Satz von Ionen mit entgegengesetzter Ladung einzugrenzen, sodass der erste und der zweite Satz von Ionen in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals miteinander interagieren, um die räumliche Verteilung der Ionen zu reduzieren.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 300, die Teil einer Extraktionsfalle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist. 5a zeigt eine schematische Darstellung der in 4 dargestellten Multipol-Elektrodenanordnung 300, wobei ein oberer Abschnitt der Multipol-Elektrodenanordnung 300 nicht gezeigt wird. 5b zeigt eine Querschnittsansicht der Multipol-Elektrodenanordnung 300 an einem Punkt entlang der axialen Länge der Multipol-Elektrodenanordnung 300. Die Multipol-Elektrodenanordnung 300, die in 4, 5a und 5b gezeigt wird, umfasst eine längliche Push-Elektrode 322 und eine gegenüberliegende längliche Pull-Elektrode 324. Die Multipol-Elektrodenanordnung 300 umfasst auch ein Paar Stiftelektroden 314, 315, die auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals, ungefähr in einem axial mittigen Bereich des länglichen lonenkanals, beabstandet sind. Die Multipol-Elektrodenanordnung 300 umfasst auch ein Paar von ersten länglichen Teilelektroden 326, 328 und ein Paar von zweiten länglichen geteilten Elektroden 330 und 332. Das Paar von Stiftelektroden 314, 315 ist jeweils zwischen dem Paar von ersten länglichen geteilten Elektroden 326, 328 und dem Paar von zweiten länglichen geteilten Elektroden 330 und 332 positioniert, d. h. die Stiftelektrode 315 ist zwischen dem Paar von ersten länglichen geteilten Elektroden 326, 328 und die Stiftelektrode 314 ist zwischen dem Paar von ersten länglichen geteilten Elektroden 330 und 332 positioniert. Somit hat die in 4, 5a und 5b gezeigte Multipol-Elektrodenanordnung 300 eine ähnliche Funktionalität wie die längliche Multipol-Elektrodenanordnung 220, die in der Ausführungsform in 2 gezeigt ist. Die in 4, 5a und 5b gezeigte Ausführungsform umfasst ein Paar Stiftelektroden 314, 315, die beide mit einer ersten Gleichstrom-Vorspannung vorgespannt werden können, um einen ersten Potenzialtopf für das axialen Eingrenzen von Ionen zu bilden. Es ist offensichtlich, dass andere Variationen von Formen der Stiftelektrode auch vorgesehen werden können, sodass ein erster Potenzialtopf in einem mittigen Bereich des länglichen lonenkanals bereitgestellt werden kann. Die Stiftelektroden können beispielsweise als Ringelektroden bereitgestellt sein, oder es können eine, zwei, drei oder vier Elektroden vorhanden sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Extraktionsfalle 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ähnlich der in 2 gezeigten Extraktionsfalle 200 umfasst die Extraktionsfalle 400 eine erste Endelektrode 410 und eine zweite Endelektrode 412 mit darin befindlichen lonenöffnungen.
Die Extraktionsfalle 400 umfasst eine segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung 420. Die segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung enthält drei mehrpolige Elektrodensegmente 421a, 421b, 421c. Die drei mehrpoligen Elektrodensegmente 421a, 421b, 421c können entlang einer Achse angeordnet sein, um einen länglichen lonenkanal zu definieren. Jedes Multipol-Elektrodensegment umfasst eine segmentierte Pull-Elektrode, eine segmentierte Push-Elektrode, eine erste segmentierte längliche Elektrode und eine zweite segmentierte längliche Elektrode. Somit umfasst die segmentierte Multipol-Anordnung segmentierte Pull-Elektroden 424a, 424b und 424c, segmentierte Push-Elektroden 422a, 422b und 422c, erste segmentierte längliche Elektroden 426a, 426b, 426c und zweite segmentierte längliche Elektroden 430a, 430b, 430c.
Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass ein HF-Potenzial an die segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung 420 angelegt wird, um einen Pseudopotenzialtopf in dem länglichen lonenkanal zum radialen Eingrenzen von Ionen zu bilden. Das gleiche HF-Potenzial kann an jedes der drei mehrpoligen Elektrodensegmente 421a, 421b, 421c angelegt werden, um Ionen innerhalb des länglichen lonenkanals der Extraktionsfalle 400 radial einzugrenzen. Somit kann die segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung 420 als eine Quadrupol-Elektrodenanordnung auf eine im Wesentlichen ähnliche Weise wie die Multipol-Elektrodenanordnung 220, wie in 2 gezeigt und wie oben diskutiert, bereitgestellt werden.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform enthält die Extraktionsfalle 400 von 6 keine Gleichstrom-Stiftelektrode. Stattdessen ist die Multipol-Elektrodenanordnung 420 in drei Multipol-Elektrodensegmente 421 a, 421b, 421c segmentiert. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass die erste Gleichstrom-Vorspannung an ein mittiges Multipol-Elektrodensegment 421b relativ zu einem Gleichspannungspotenzial der zwei äußeren Multipol-Elektrodensegmente 421a, 421c angelegt wird, um eine erste Potenzialtopfstelle bereitzustellen. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass die zweite Gleichstrom-Vorspannung an die erste und die zweite Endelektrode 410, 412 angelegt wird, um auf ähnliche Weise wie bei der in 2 gezeigten beispielhaften Einbettung eine zweite Potenzialtopfstelle bereitzustellen. Somit kann eine Gleichstrom-Vorspannung unabhängig an jedes der Multipol-Elektrodensegmente 421a, 421b, 421c angelegt werden. In Kombination mit der ersten und der zweiten Endelektrode 410, 412 umfasst die Extraktionsfalle 400 gemäß dieser Ausführungsform mindestens fünf separate unabhängige Bereiche, in denen eine unabhängige Gleichstrom-Vorspannung angelegt werden kann, um Ionen innerhalb der Extraktionsfalle 400 einzugrenzen. Somit kann die Extraktionsfalle 400 gemäß dieser Ausführungsform so konfiguriert sein, dass sie dieselbe Funktionalität wie die in 2 gezeigte Extraktionsfalle 200 ausführt.
Eine weitere alternative Extraktionsfalle 500 ist in 7 gezeigt. Die Extraktionsfalle 500 umfasst eine segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung 520 mit fünf mehrpoligen Elektrodensegmenten 521a, 521b, 521c, 521d, 521e. Die Extraktionsfalle 500 ist der in 6 gezeigten Extraktionsfalle 400 insofern ähnlich, dass sie eine segmentierte Multipol-Elektrodenanordnung 520 enthält. Ein mittiger Abschnitt 521 der segmentierten Multipol-Elektrodenanordnung 520 umfasst drei mehrpolige Elektrodensegmente 521a, 521b, 521c, die im Wesentlichen die gleichen sind wie die mittigen drei Multipol-Elektrodensegmente der in 6 gezeigten segmentierten Multipol-Elektrodenanordnung 420. Ferner umfasst die Extraktionsfalle 500 zwei zusätzliche mehrpolige Elektrodensegmente 521d, 521e, die an gegenüberliegenden Enden des mittigen Abschnitts 521 bereitgestellt sind. Im Vergleich zu der in 6 gezeigten Extraktionsfalle sind die zusätzlichen mehrpoligen Elektrodensegmente 521d, 521e anstelle der gezeigten ersten und der zweiten Endelektroden 410, 412 bereitgestellt. Somit können die oben beschriebene anfängliche Gleichstrom-Vorspannung und zweite Gleichstrom-Vorspannung an die End-Multipol-Elektrodensegmente 521d, 521e in der oben beschriebenen Weise angelegt werden, um einen ähnlichen Potenzialtopf und eine ähnliche Eingrenzungswirkung wie die Ausführungsformen bereitzustellen, bei denen Endapertur-Elektroden wie 410, 412 verwendet werden.
Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass eine Gleichstrom-Vorspannung an jedes der Segmente unabhängig von den anderen Segmenten angelegt wird. Somit umfasst die Extraktionsfalle 500 mindestens 5 separate unabhängige Bereiche, in denen eine unabhängige Gleichstrom-Vorspannung angelegt werden kann, um Ionen innerhalb der Extraktionsfalle 500 einzugrenzen. Somit kann die Extraktionsfalle 500 im Wesentlichen ähnlich wie die anderen Extraktionsfallen dieser Offenbarung betrieben werden. Die Extraktionsfalle 500 gemäß dieser Ausführungsform kann ferner Endelektroden (nicht gezeigt) oder andere Fokussierlinsen aufweisen, die es ermöglichen, Ionen in die Extraktionsfalle 500 zu injizieren und/oder daraus zu extrahieren. Alternativ können die äußersten Segmente der segmentierten Multipol-Elektrodenanordnung 520 verwendet werden, um den Einlass von Ionen in die Extraktionsfalle und das anfängliche Eingrenzen der Ionen in der Extraktionsfalle 500 zu steuern.
In einer alternativen Ausführungsform dieser Offenbarung können die Analytionen und die Gegenionen innerhalb eines mittigen Bereichs des lonenkanals axial eingegrenzt werden, indem HF-Potenziale an Endelektroden, d. h. Elektroden an den axialen Enden der Ionenfalle, angelegt werde, um einen axialen HF-Pseudopotenzialtopf statt eines axialen Gleichstrom-Potenzialtopfs zu schaffen. Eine solche Anordnung wurde in US 7145139 f ür den Zweck der Erleichterung der Elektronentransfer-Dissoziationsreaktionen (ETD) zwischen Ionen mit entgegengesetzter Ladung beschrieben. Somit kann mit Bezug auf das Massenspektrometer 10 gemäß dieser Offenbarung eine Steuerung so konfiguriert sein, dass ein HF-Potenzial an Endelektroden einer Extraktionsfalle 80, 200, 300, 400 (oder an gegenüberliegende axiale End-Multipol-Elektrodensegmente 521d, 521e) angelegt wird, um Analytionen und Gegenionen in einem länglichen lonenkanal axial einzugrenzen. Ein solches axialer HF-Potenzial kann verwendet werden, um eine Gleichspannung oder Vorspannung an eine Elektrode anzulegen, die in einem mittigen Bereich des lonenkanals angeordnet ist, wie oben beschrieben. Die Analytionen können auf diese Weise durch das Gleichspannungspotenzial axial in einem mittigen Bereich des lonenkanals eingegrenzt werden. Die Gegenionen können dann in den länglichen lonenkanal injiziert werden und das axiale HF-Potenzial wird angelegt, um sowohl die Analytionen als auch die Gegenionen einzugrenzen.
8 zeigt ein durch eine Computersimulation erzeugtes graphisches Ergebnis, das die Reduzierung der Raumladung zeigt, die aus dem Verfahren zum Injizieren von Ionen in ein Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Offenbarung resultiert. Die Simulation wurde in SIMION generiert. Das erstellte Modell benutzt eine feste Anzahl von 100 positiven Ionen mit einem Ladungsfaktor, der so angepasst wurde, dass sie 1 × 10⁷ Ladungen mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis von 250 entsprechen. Die Simulation modelliert eine geradlinige Extraktionsfalle mit einem Inkreisradius von 2,5 mm und einer Länge von 12 mm. Ein HF-Potenzial von 500 V, 4 MHz wurde an die radialen Elektroden angelegt, und eine HF-Spannung von 1000 V, 1 MHz RF-Spannung wurde an die Endkappen angelegt, um ein axiales Potenzial bereitzustellen.
Wie in 8 gezeigt, nimmt die radiale Dispersion der Analytionen ebenso wie die der gemeinsam eingefangenen Gegenionen mit einer entgegengesetzten Ladung rasch ab, wenn die Anzahl der in dem länglichen lonenkanal eingegrenzten Gegenionen zunimmt. Somit demonstrieren die in 8 gezeigten Simulationsergebnisse die Wirkung der Gegenionen auf die räumliche Verteilung der Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals zur Verringerung der räumlichen Verteilung der Analytionen.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Extraktionsfalle 600, in die eine PCB-Elektrodenanordnung 614 integriert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ähnlich der in 2 gezeigten Extraktionsfalle 200 umfasst die Extraktionsfalle 600 eine erste Endelektrode 610, eine zweite Endelektrode 612 und eine längliche Multipol-Elektrodenanordnung 620.
Die längliche Multipol-Elektrodenanordnung 620 umfasst zwei Paare von länglichen Elektroden 622, 624, 626, 628. Ein erstes Paar von länglichen Elektroden 622, 624 ist auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals beabstandet und entlang der Länge des länglichen lonenkanals im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Ein zweites Paar langgestreckter Elektroden 626, 628 ist ebenfalls auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals beabstandet und entlang der Länge des länglichen lonenkanals im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet.
Die Extraktionsfalle 600 umfasst auch eine längliche PCB-Elektrodenanordnung 614, wie in 9 gezeigt. Die längliche PCB-Elektrodenanordnung 614 wird als vier längliche Leiterplatten 615, 616, 617, 618 bereitgestellt. Die länglichen Leiterplatten 615, 616, 617, 618 sind axial an der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 620 ausgerichtet. Die länglichen Leiterplatten 615, 616, 617, 618 werden in Räumen zwischen den länglichen Elektroden der länglichen Multipol-Elektrodenanordnung 620 bereitgestellt, wie in 9 gezeigt.
Jede längliche Leiterplatte 615, 616, 617, 618 kann eine Vielzahl von Elektroden 619 umfassen, die über die Länge der an dem länglichen lonenkanal ausgerichteten länglichen Leiterplatten-Elektrode verteilt sind (die Elektroden 619 werden nur auf der Leiterplatte 615 in 9 gezeigt, sind aber auf jeder Leiterplatte 615, 616, 617, 618 vorhanden). Somit ist die Vielzahl von Elektroden 619 zumindest auf einer Seite der länglichen Leiterplatte positioniert, die an den länglichen lonenkanal der Extraktionsfalle 600 angrenzt und sich entlang diesem erstreckt. Die Vielzahl von Elektroden 619 kann eine erste Elektrode umfassen, die in einem im Wesentlichen mittigen Bereich der länglichen Leiterplatte positioniert ist, und ein Paar von zweiten Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrode positioniert sind. Die erste und die zweite Elektrode können entlang der Länge des länglichen lonenkanals beabstandet sein. Die Vielzahl von Elektroden kann weitere Elektroden umfassen, die entlang der Länge des länglichen lonenkanals auf jeder Seite der ersten und der zweiten Elektrode beabstandet sind. Wie in 9 gezeigt umfasst die längliche Leiterplattenelektrode 615 beispielsweise 27 Elektroden, die entlang der Länge der Leiterplattenelektrode 615 beabstandet sind. Jede Elektrode kann unabhängig mit einer Gleichspannung vorgespannt sein. Vorzugsweise umfasst eine Leiterplattenelektrode mindestens 3 Elektroden, mindestens 5 Elektroden, mindestens 10 Elektroden oder bevorzugter mindestens 15 Elektroden.
Jede längliche Leiterplatte 615, 616, 617, 618 kann die gleiche Konfiguration der Vielzahl der oben beschriebenen Elektroden 619 aufweisen. Die Elektroden der länglichen Leiterplatten 615, 616, 617, 618 können jede ein Gleichstrom-Vorspannungsprofil für den länglichen lonenkanal bereitstellen. Somit kann nur eine längliche Leiterplatten 615 zum Bereitstellen des Gleichstrom-Vorspannungsprofils für den länglichen lonenkanal ausreichen. Bevorzugter werden mindestens zwei längliche Leiterplatten bereitgestellt. Noch bevorzugter werden vier längliche Leiterplatten bereitgestellt, insbesondere positioniert zwischen vier länglichen Multipolstäben eines Quadrupols. Vorzugsweise werden die länglichen Leiterplatten auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen lonenkanals bereitgestellt, um ein Gleichspannungs-Vorspannungsprofil zu liefern, das rotationssymmetrisch rund um den länglichen lonenkanal ist.
Somit können sowohl das mittige axiale Potenzial und/oder das zweite umgebende axiale Potenzial durch eine oder mehrere Elektroden definiert werden, die an einer oder mehreren Leiterplatten angebracht sind, die entlang der Außenseite des lonenkanals verlaufen. Auch wenn 9 unten die Extraktionsfalle 600 mit vier auf Leiterplatten basierten Elektroden zeigt, die an den vier Ecken zwischen den Multipolstäben angebracht sind, können diese auch zwischen geteilten Elektroden angebracht sein, um als Stiftelektrode zu fungieren, beispielsweise wie in 2 gezeigt. Für die Konfiguration, bei der Leiterplatten an den Ecke angebracht sind, ist es zu bevorzugen, dass Push- und Pull-Potenziale an die PCB-Elektroden angelegt werden können, um ein homogeneres Extraktionsfeld zu erzeugen.
Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass eine Gleichstrom-Vorspannung an jede der Vielzahl von Elektroden 619 unabhängig von den anderen Elektroden der Vielzahl von Elektroden angelegt wird. Somit umfasst die Extraktionsfalle 600 mindestens 5 separate unabhängige Bereiche, in denen eine unabhängige Gleichstrom-Vorspannung angelegt werden kann, um Ionen innerhalb der Extraktionsfalle 600 einzugrenzen. Somit kann die Extraktionsfalle 600 im Wesentlichen ähnlich wie die anderen Extraktionsfallen dieser Offenbarung betrieben werden. Ein Beispiel des Gleichstrom-Vorspannungsprofils, das durch eine Vielzahl von Elektroden 619 entlang der Länge einer länglichen Leiterplatte in der Extraktionsfalle 600 bereitgestellt werden kann, wird in 10 gezeigt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform dieser Offenbarung kann ein Verfahren zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator aus einer Extraktionsfalle mit einem integrierten Laserkühlungsvorgang bereitgestellt werden. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein Laserkühlungsvorgang verwendet, um Gegenionen schnell abzukühlen. Die schnell gekühlten Gegenionen werden dann verwendet, um die kinetische Energie der Analytionen zu reduzieren (kühlen) und damit Raumladungseffekte zu verringern, die die Analytionen erfahren. Somit nutzt das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform eine Raumladungswechselwirkung zwischen den kinetischen Energien von Analytionen und Gegenionen aus, gemäß der sich die kinetischen Energien der Gegenionen und der Analytionen infolge der Coulomb-Wechselwirkung ausgleichen. Wenn ein gemeinsam eingefangenes Ion effizienter gekühlt wird, bewirkt dies wiederum, dass auch ein begleitendes Analytion schneller kühlt, als dies allein durch eine Wechselwirkung mit einem umgebenden Puffergas erwartet würde.
Die Gegenionen können ein geringeres Masse-zu-Ladung-Verhältnis als die Analytionen aufweisen. Gegenionen mit einem relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnis können leichter durch einen HF-Pseudopotenzialtopf eingegrenzt werden; dies kann es den Gegenionen ermöglichen, die gemeinsam mit ihnen eingefangenen Analytionen über den Laserkühlungsvorgang effizienter zu kühlen.
Einige Element-Ionen und Kleinmolekül-Ionen sind für Laserkühlungsvorgänge zugänglich. Ein Typ von Laserkühlungsvorgang, der für die vorliegende Ausführungsform geeignet ist, ist ein Doppler-Kühlungsvorgang, bei dem die gemeinsam eingefangenen Gegenionen mit Laserenergie mit einer Frequenz bestrahlt werden, die so feinabgestimmt werden kann, dass sie geringfügig unterhalb des Absorptionspeaks des Gegenions liegt. Der DopplerEffekt verursacht eine Variation der Wahrscheinlichkeit der Photonenabsorption in Abhängigkeit von der Richtung der Ionenbewegung, was dazu führt, dass Photonen mehr Impuls an Ionen übertragen, wenn sich Ionen gegen die Strahlrichtung bewegen, wodurch ein Netto-Kühleffekt erzeugt wird. Ein Laser kann betrieben werden, um einen DopplerEffekt zu liefern, der es ermöglicht, niedrige Kelvin-Temperaturen zu erreichen. Somit können Ionen (Gegenionen) weit unter die Raumtemperatur gekühlt werden, während sie in einer Extraktionsfalle gemeinsam mit Analytionen eingefangen sind, um so die Kühlgeschwindigkeit der Analytionen zu verbessern. Durch Erhöhen der Kühlgeschwindigkeit der Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle kann die Raumladung/räumliche Verteilung der Analytionen weiter reduziert werden. Eine solche Reduzierung der räumlichen Verteilung der Analytionen kann sehr vorteilhaft sein, um die Transmission von Analytionen in einen Massenanalysator zu verbessern und/oder um das Massenauflösungsvermögen eines Massenanalysators zu verbessern. Der Vorteil kann beispielsweise besonders nützlich sein, um die Transmission von Analytionen und/oder das Massenauflösungsvermögen eines Fourier-Transform-Massenanalysators oder eines TOF-Massenanalysators zu verbessern.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Massenspektrometers 700 mit einer integrierten Laserkühlungsvorrichtung 705. Wie in 11 gezeigt, umfasst das Massenspektrometer 700 einen ESI-Sprayer 720, der als Analytionen-Quelle fungiert, eine Gegenionen-Quelle 710 und lonentransporteinrichtungen 725, 730, 740, 750, 760, 770 zum Transportieren von Analytionen und Gegenionen zu einer Extraktionsfalle 780 in ähnlicher Weise wie das Massenspektrometer 10, das in 1 gezeigt ist. Als solche umfasst die lonentransportmittelmasse eine Kapillare 725, eine Nur-HF-S-Linse 730, einen Injektions-Flatapol 740, einen gebogenen Flatapol 750, ein lonengatter 760, und einen Transport-Oktopol 770. Die Extraktionsfalle 780 ist so konfiguriert, dass Ionen in einen Fourier-Transform-Massenanalysator 790 auf ähnliche Weise ausgestoßen werden wie in der Konfiguration der Extraktionsfalle 80, die in 1 gezeigt und oben diskutiert wird. Das Massenspektrometer 700 kann durch eine Steuerung (nicht gezeigt) in einer Weise gesteuert werden, die im Wesentlichen gleich der Weise der anderen oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen ist. Es versteht sich somit, dass das Massenspektrometer 700 betrieben werden kann, um Analytionen vom ESI-Sprayer 720 zu der Extraktionsfalle 780 auf ähnliche Weise wie das Massenspektrometer 10 zu transportieren, wie zuvor beschrieben.
Wie ferner in 11 gezeigt, enthält das Massenspektrometer 700 auch eine Gegenionen-Quelle 710. Zum Beispiel kann die Gegenionenquelle 710 eine Quelle von Strontiumionen sein, die von einer mit Strontium beladenen Fusionszelle bereitgestellt werden. Die Strontiumionenquelle kann einzelne positiv geladene Strontiumionen (Sr⁺-Ionen) für die lonentransporteinrichtungen des Massenspektrometers 700 bereitstellen, sodass die Strontiumionen zu der Extraktionsfalle 780 auf ähnliche Weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen transportiert werden können. Es versteht sich, dass Strontiumionen, insbesondere Sr⁺-Strontiumionen, gut geeignet für die Doppler-Kühlung durch Anwendung einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 422 Nanometern sind.
Das Massenspektrometer 700 umfasst auch eine Laserkühlungsvorrichtung 705, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung durch die Extraktionsfalle 780 sendet, um die innerhalb des länglichen lonenkanals eingegrenzten Gegenionen mittels Doppler-Kühlung zu kühlen. Gemäß der in 11 gezeigten Ausführungsform kann die Laserkühlungsvorrichtung 705 beispielsweise einen Diodenlaser umfassen, der so konfiguriert ist, dass er Strahlung mit einer Wellenlänge von 422 Nanometern emittiert, die geeignet für das Kühlen von Sr⁺-Ionen mittels Doppler-Kühlung ist. Vorzugsweise umfasst die Laserkühlungsvorrichtung 705 auch einen weiteren stabilisierenden Laser. Der stabilisierende Laser kann so konfiguriert sein, dass er metastabile elektronische Zustände löscht, die in den Gegenionen infolge des Doppler-Kühlungsvorgangs gebildet werden. Die in 11 gezeigte Laserkühlungsvorrichtung 705 umfasst beispielsweise auch einen Laser auf Neodymbasis, der zum Emittieren von Strahlung mit einer Wellenlänge von 1092 Nanometern zum Löschen eines metastabilen elektronischen Zustands der Strontiumionen konfiguriert ist, der sich in einem geringen Anteil als Strontium bildet, wenn die Strontiumionen durch die 422-Nanometer-Strahlung im Rahmen des Doppler-Kühlungsvorgangs bestrahlt werden.
Als Nächstes wird eine Extraktionsfalle 800 detaillierter beschrieben, die zur Verwendung mit dem Laserkühlungsvorgang wie in 11 beschrieben geeignet ist. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Extraktionsfalle 800 zur Verwendung mit dem Massenspektrometer 700 als Teil eines Verfahrens zur Injektion von Ionen in ein Massenspektrometer mit einem integrierten Laserkühlungsvorgang.
Wie in 12 gezeigt, umfasst die Extraktionsfalle 800 eine erste Endelektrode 810 und eine zweite Endelektrode 812 am gegenüberliegenden Ende sowie eine Multipol-Elektrodenanordnung 820. Die Multipol-Elektrodenanordnung 820 umfasst eine längliche Pull-Elektrode 824 und eine längliche Push-Elektrode 822 sowie erste längliche geteilte Elektroden 826, 828 und zweite längliche geteilte Elektroden 830, 832. Die Extraktionsfalle 800 umfasst auch eine Stiftelektrode 814, die im Wesentlichen im mittigen Bereich des länglichen lonenkanals angeordnet ist, der durch die Multipol-Elektrodenanordnung 820 definiert ist. Somit kann die Konstruktion der Extraktionsfalle 800 im Wesentlichen der in 2 gezeigten Extraktionsfalle ähnlich sein, die vorstehend beschrieben ist.
Wie in 12 gezeigt, sind die zweiten länglichen geteilten Elektroden 830, 832 ebenfalls voneinander beabstandet, um zu ermöglichen, dass Strahlung von einem oder mehreren Lasern in den mittigen Bereich des länglichen lonenkanals gelangt. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine Öffnung in der zweiten Endelektrode 820 vorgesehen sein, um zu ermöglichen, dass Strahlung von einem oder mehreren Lasern in den zentralen Bereich des länglichen lonenkanals gelangt. Es versteht sich, dass die Extraktionsfalle in einer Anzahl von Anordnungen konfiguriert sein kann, um eine Bestrahlung des mittigen Bereichs des länglichen lonenkanals durch Laserstrahlung zu ermöglichen, indem die Laserquellen, die die Strahlung bereitstellen, in einer Anzahl von verschiedenen Positionen positioniert werden, die für den Fachmann ohne Weiteres ersichtlich sind. Es versteht sich daher, dass Laserstrahlung in jeder Richtung bereitgestellt werden kann, in der eine Sichtlinie zum mittigen Bereich des länglichen lonenkanals vorhanden ist.
Ein Verfahren zum Injizieren von Analytionen in einen Massenanalysator einschließlich eines Laserkühlungsvorgangs unter Bezugnahme auf das in 11 gezeigte Massenspektrometer 700 und die in 12 gezeigte Extraktionsfalle 800 wird nun beschrieben.
Eine Steuerung (nicht gezeigt) kann so konfiguriert sein, dass sie die ESI-Quelle 720, die Gegenionenquelle 710 und die lonentransporteinrichtungen so steuert, dass diese sowohl Gegenionen als auch Analytionen in eine Extraktionsfalle 780 im Wesentlichen in der gleichen Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen injizieren. Sobald sowohl die Analytionen als auch die Gegenionen innerhalb der Extraktionsfalle 780, 800 eingegrenzt sind, kann die Steuerung so konfiguriert sein, dass sie veranlasst, dass die Laserkühlungsvorrichtung 705 den länglichen lonenkanal der Extraktionsfalle 780, 800 mit einem oder mehreren Lasern bestrahlt, um die Gegenionen schnell abzukühlen. Dieser Vorgang führt wiederum zu einer schnellen Kühlung der Analytionen infolge der Transmission kinetischer Energie von den Analytionen auf die Gegenionen. Vorzugsweise ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie veranlasst, dass die Laserkühlungsvorrichtung 705 einen Laserkühlungsprozess während mindestens 0,1 ms oder bevorzugter mindestens 0,5 ms oder bevorzugter mindestens 1 ms durchführt. Eine Mindestgrenzwert für die Dauer der Laserkühlzeit kann vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Transmission kinetischer Energie von den Analytionen erfolgt. Vorzugsweise dauert der Laserkühlungsvorgang nicht länger als 1000 ms oder bevorzugter nicht länger als 500, 400, 200 oder 100 ms. Es kann eine Obergrenze für die Dauer des Laserkühlungsvorgangs erzwungen werden, um Wechselwirkungen zwischen den Gegenionen und den Analytionen (zum Beispiel chemische Reaktionen) zu vermindern und/oder zu verhindern. Nach Beendigung des Laserkühlungsvorgangs kann die Steuerung so konfiguriert sein, dass sie veranlasst, dass die Analytionen zur Analyse in einer im Wesentlichen wie oben beschriebenen Weise in den Massenanalysator injiziert werden. Aufgrund der verringerten räumlichen Verteilung der Analytionen kann die Injektionseffizienz/Transmissionseffizienz der Analytionen in den Massenanalysator verbessert werden.
Ausführungsformen dieser Offenbarung, die einen Laserkühlungsvorgang zur Verringerung der Raumladung umfassen, können Gegenionen mit einer entgegengesetzten Ladung wie die Analytionen oder alternativ mit der gleichen Ladung wie die Analytionen verwenden.
In einer Ausführungsform können Gegenionen der gleichen Ladung wie die Analytionen in der Extraktionsfalle 780, 800 gemeinsam gefangen werden. In dieser alternativen Ausführungsform können die Gegenionen im länglichen lonenkanal der Extraktionsfalle 780 durch das erste und/oder zweite Gleichstrompotenzial eingegrenzt werden. Da die Gegenionen die gleiche Ladung wie die Analytionen aufweisen, können die Gegenionen gleichzeitig mit den Analytionen unter Verwendung der gleichen loneninjektionsoptik in die Extraktionsfalle injiziert werden. In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass die Gegenionen mit der gleichen Ladung wie die Analytionen ein geringeres Masse-zu-Ladung-Verhältnis als die Analytionen aufweisen. Vorzugsweise haben die Gegenionen ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis von nicht mehr als 30 % oder nicht mehr als 25 % oder nicht mehr als 20 % des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Analytionen. In dieser Ausführungsform können beispielsweise Sr⁺-Ionen als Gegenion verwendet werden. Durch Verwendung von Gegenionen mit einem relativ geringen Masse-zu-Ladung-Verhältnis können die Gegenionen durch den Laserkühlungsvorgang relativ schnell gekühlt werden, sodass kinetische Energie schnell von den Analytionen auf die Gegenionen übertragen wird. Demgemäß können die Analytionen schneller gekühlt werden, als dies allein durch Wechselwirkungen mit einem Kühlgas möglich wäre. Somit kann die Kühlung der Gegenionen dazu genutzt werden, die Energiedichte der Analytionen innerhalb der Extraktionsfalle zu reduzieren und dadurch eine Verringerung der räumlichen Verteilung der Analytionen zu bewirken.
In dem Fall, in dem die Analytionen und die Gegenionen die gleiche Ladung aufweisen, ist anzumerken, dass das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Gegenionen bevorzugterweise niedriger als das der Analytionen sein sollte. Dementsprechend können die Gegenionen beim Ausstoßen der Analytionen aus der Extraktionsfalle zusammen mit den Analytionen ausgestoßen werden. Somit kann das Massenspektrometer 700 einen weiteren Massenfilter (nicht gezeigt) zwischen der Extraktionsfalle 780 und dem Massenanalysator 790 zum Filtern der Gegenionen enthalten. Alternativ dazu kann die Masse der Gegenionen in den von dem Massenanalysator durchgeführten Massenanalyse-Messungen unberücksichtigt bleiben, da die Masse der Gegenionen vor der Massenanalyse bekannt sein kann.
Die Extraktionsfalle kann mit einem Kollisionsgas innerhalb der Vakuumkammer der Extraktionsfalle bereitgestellt werden. Alternativ kann die Extraktionsfalle ohne ein Kollisionsgas und/oder eine Einrichtung zum Entfernen eines Kollisionsgases für die Durchführung eines Laserkühlungsvorgangs bereitgestellt werden. Die Extraktionsfalle kann beispielsweise mit einem Magnet-Impulsventil versehen sein, um das Eintreten von Kollisionsgas in die Extraktionsfalle zu steuern. Kühlgas kann durch eine oder mehrere Vakuumpumpen aus der Extraktionsfalle entfernt werden. Somit können eine oder mehrere Vakuumpumpen des Massenspektrometers 700 den Druck innerhalb der Extraktionsfalle unter einen typischen Kollisionsgasdruck reduzieren, indem sie das Eintreten von Kollisionsgas in die Extraktionsfalle durch Betätigen eines Magnet-Impulsventils verhindern. Vorzugsweise soll der Druck in der Extraktionsfalle während eines Laserkühlungsvorgangs weniger als 1 × 10^-3 mbar betragen. Bevorzugter soll der Druck in der Extraktionsfalle während eines Laserkühlungsvorgangs nicht größer als 1 × 10^-4 mbar, 5 × 10^-5 mbar oder 2 × 10^-5 mbar sein. Durch Reduzieren des Drucks in der Extraktionsfalle kann die Anzahl der Kollisionen zwischen den Analytionen, den Gegenionen und dem Kühlgas verringert werden. Durch Reduzieren der Anzahl von Kollisionen zwischen dem Kollisionsgas und den Ionen innerhalb der Kammer können Erwärmungseffekte, die als Folge von Wechselwirkungen zwischen dem Kollisionsgas und den Ionen auftreten, vermieden werden, wodurch die Effizienz der Kühlung der Gegenionen gesteigert wird. Dadurch kann das Verfahren zum Reduzieren der räumlichen Energieverteilung der Analytionen effizienter sein.
Aus den schematischen Darstellungen, die in 11 und 12 gezeigt sind, ist ersichtlich, dass der Laserkühlungsvorgang in irgendeine der Ausführungsformen der Extraktionsfallen integriert werden kann, die als Teil dieser Offenbarung beschrieben sind. Somit kann der Laserkühlungsvorgang, der gemäß dieser Ausführungsform beschrieben wird, verwendet werden, um die Raumladungsreduktionseffekte der anderen Extraktionsfallen weiter zu verbessern. Alternativ kann der Laserkühlungsvorgang wie in dieser Ausführungsform beschrieben ohne Eingrenzung von Analytionen und Gegenionen in einer Vielzahl von Potenzialtöpfen verwendet werden. Es versteht sich als solches, dass die Verringerung der kinetischen Energie der Analytionen auch eine Verringerung der Raumladung der in einer Extraktionsfalle eingegrenzten Analytionen bewirkt, was zu einer verbesserten Injektion in einen Massenanalysator 790 führt.
13 zeigt eine Simulation des Verhaltens einer Vielzahl von relativ energiereichen negativ geladenen Analytionen, die in einer linearen Extraktionsfalle mit 2 mm Radius in Gegenwart der fünffachen Anzahl von positiv geladenen Gegenionen gekühlt werden. Gemäß der Simulation haben die Gegenionen eine signifikant niedrigere Energie als die Analytionen, sodass die Simulation repräsentativ für einen Laserkühlungsvorgang gemäß dieser Offenbarung ist. Wie in der Simulation gezeigt, sind die Analytionen anfänglich von relativ hoher Energie und radialer (räumlicher) Verteilung. Während eines kurzen Zeitraums wird die Energie von den Analytionen auf die Gegenionen übertragen und die räumliche Verteilung der Analytionen wird reduziert. Gemäß der Simulation kann beispielsweise gesehen werden, dass die lonenenergie in etwa 1 ms ausgeglichen wird, was für eine Extraktion zu angemessen schnellen Analysatoren geeignet ist (<1 kHz Wiederholungsrate).
Vorteilhafterweise kann die vorliegende Offenbarung verwendet werden, um ein Verfahren zum Injizieren von Analytionen in ein Massenspektrometer bereitzustellen, das den Effekt der Raumladung auf die Analytionen reduziert. Durch Reduzieren von Raumladungseffekten kann es möglich sein, die Gesamtgröße der Extraktionsfalle so zu reduzieren, dass ein kleinerer länglicher lonenkanal bereitgestellt werden kann. Somit kann ein kleineres Massenspektrometer bereitgestellt werden. Alternativ kann die Verringerung der Raumladung genutzt werden, um die Eingrenzung einer höheren Dichte von Ionen in einer Extraktionsfalle einer gegebenen Größe zu ermöglichen, damit so die Anzahl der in einen Time-of-Flight-Massenanalysator injizierten Ionen erhöht und damit die Auflösung verbessert werden kann. Die vorliegende Offenbarung deckt ebenfalls Massenspektrometer und eine Steuerung für ein Massenspektrometer ab, mit der die Ioneninjektion in einen Massenanalysator verbessert werden kann.
Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und dass Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsformen für den Fachmann leicht ersichtlich sind. Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können in jeder geeigneten Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsformen kombiniert werden, wie für den Fachmann leicht ersichtlich ist, und die spezifischen Kombinationen von Merkmalen, die in den obigen Ausführungsformen beschrieben sind, sollten nicht als einschränkend verstanden werden.
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 7425699 [0004]
US 9312114 [0004]
US 7145139 f [0015, 0097]
WO 2013/171313 [0041]
US 20140061460 A1 [0063]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Mcluckey et al.; Anal Chem. 1. November 2006; 78 (21): 7387-7391 [0073]

Claims

Verfahren der Injektion von Analytionen in einem Massenanalysator, umfassend: das Injizieren von Analytionen einer ersten Ladung in eine lonenfalle; das Injizieren von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle; das gleichzeitige Kühlen der Analytionen und der Gegenionen in der lonenfalle derart, dass eine räumliche Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle reduziert wird; und das Injizieren der Analytionen als lonenpaket aus der Ionenfalle in den Massenanalysator.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die zweite Ladung eine entgegengesetzte Polarität zur ersten Ladung hat.
Verfahren nach Anspruch 2, die Ionenfalle umfassend: eine längliche Multipol-Elektrodenanordnung, die längliche Multipol-Elektroden umfasst, die so angeordnet sind, dass darin ein länglicher lonenkanal definiert wird, in den die Analytionen und die Gegenionen injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: die Analytionen und die Gegenionen radial innerhalb des länglichen lonenkanals durch einen Pseudopotenzialtopf eingegrenzt werden, der durch Anlegen eines HF-Potenzials an die länglichen Multipol-Elektroden gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei: die Analytionen durch einen ersten Potenzialtopf axial innerhalb des länglichen lonenkanals eingegrenzt sind; und die Gegenionen axial durch einen zweiten Potenzialtopf in dem länglichen lonenkanal eingegrenzt sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: der erste Potenzialtopf durch eine erste Gleichstrom-Vorspannung definiert ist, die an mindestens eine erste Elektrode angelegt wird, welche zwischen den länglichen Multipol-Elektroden und angrenzend an einen mittigen Bereich des länglichen lonenkanals positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei: der zweite Potenzialtopf durch eine zweite Gleichstrom-Vorspannung definiert ist, die an gegenüberliegenden Enden des länglichen lonenkanals in Bezug auf die länglichen Multipol-Elektroden angelegt wird, wobei die zweite Gleichstrom-Vorspannung die gleiche Polarität wie die erste Gleichstrom-Vorspannung hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei: eine Größe des zweiten Potenzialtopfs größer ist als eine Größe des ersten Potenzialtopfs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Analytionen in der Ionenfalle vor der Injektion der Gegenionen gekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend: Bestimmung der Anzahl der in die lonenfalle injizierten Analytionen; wobei die Anzahl der in die Ionenfalle zu injizierenden Gegenionen basierend auf der bestimmten Anzahl von Analytionen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: die in die Ionenfalle injizierten Gegenionen ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von nicht mehr als 300 oder 250 oder 200 amu haben.
Verfahren nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend: Bestimmen eines durchschnittlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Analytionen, die in die Ionenfalle injiziert werden sollen; und wenn das durchschnittliche Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Analytionen mindestens das Zweifache des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses der Gegenionen beträgt, wird die Anzahl der in die Ionenfalle zu injizierenden Gegenionen so bestimmt, dass eine Gesamtladung der Gegenionen die Gesamtladung der Analytionen übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: eine Anzahl der in die lonenfalle zu injizierenden Gegenionen so bestimmt wird, dass eine Gesamtladung der Gegenionen nicht größer ist als eine Gesamtladung der Analytionen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: eine Zeitspanne zum Kühlen der Analytionen und der Gegenionen in der lonenfalle nicht mehr als 2 ms betragen darf.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Analytionen vom einen axialen Ende der Ionenfalle in die Ionenfalle injiziert werden; und die Gegenionen vom anderen axialen Ende der Ionenfalle in die Ionenfalle injiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Analytionen vor der Injektion in die Ionenfalle durch eine erste lonenquelle erzeugt werden; und die Gegenionen vor der Injektion in die lonenfalle durch eine zweite lonenquelle erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Gegenionen in der Extraktionsfalle durch eine Laserkühlungsvorrichtung gekühlt werden, was wiederum die Analytionen durch eine Transmission kinetischer Energie kühlt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei: die Gegenionen gleichzeitig mit den Analytionen in die Extraktionsfalle injiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der Massenanalysator ein Fourier-Transform-Massenanalysator oder ein Time-of-Flight-Massenanalysator ist.
Massenspektrometer-Steuerung zum Steuern einer Ionenfalle zur Injektion eines Analytionenpakets aus der Ionenfalle in einen Massenanalysator, wobei die Steuerung so konfiguriert ist: dass sie veranlasst, dass mindestens eine lonenquelle eine Menge an Analytionen einer ersten Ladung in die Ionenfalle injiziert und eine Menge von Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle injiziert; dass sie veranlasst, dass die Ionenfalle die Analytionen und die Gegenionen in der lonenfalle gleichzeitig kühlt, um die räumliche Verteilung der Analytionen in der Ionenfalle zu verringern; und dass sie veranlasst, dass die Ionenfalle die Analytionen aus der Ionenfalle in den Massenanalysator injiziert.
Massenspektrometer-Steuerung nach Anspruch 20, wobei: die zweite Ladung eine der ersten Ladung entgegengesetzte Ladung ist.
Massenspektrometer-Steuerung nach Anspruch 21, wobei die Massenspektrometer-Steuerung des Weiteren so konfiguriert ist, dass die Ionenfalle so gesteuert wird, dass: ein HF-Potenzial an längliche Multipol-Elektroden angelegt wird, die sich in eine axiale Richtung erstrecken, um Analytionen und Gegenionen in einem länglichen lonenkanal radial einzugrenzen; und eine erste Gleichstrom-Vorspannung an mindestens eine erste Elektrode innerhalb des länglichen lonenkanals angelegt wird, um die Analytionen innerhalb des länglichen lonenkanals durch einen ersten Potenzialtopf einzugrenzen; und eine zweite Gleichstrom-Vorspannung an gegenüberliegenden Enden der Ionenfalle angelegt wird, um die Gegenionen innerhalb des länglichen lonenkanals durch einen zweiten Potenzialtopf einzugrenzen.
Massenspektrometer-Steuerung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei: die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie veranlasst, dass die Ionenfalle die Analytionen in der Ionenfalle vor dem Injizieren der Gegenionen kühlt.
Massenspektrometer-Steuerung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei: die Steuerung so konfiguriert ist, dass die Ionenfalle die Analytionen und die Gegenionen über einen Zeitraum von nicht mehr als 2 ms hinweg kühlt.
Massenspektrometer-Steuerung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei: die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie eine Laserkühlungsvorrichtung veranlasst, die Gegenionen in der Extraktionsfalle abzukühlen, die wiederum die Analytionen durch eine Transmission kinetischer Energie kühlen.
Massenspektrometer, umfassend: einen Massenanalysator; eine lonenfalle; mindestens eine lonenquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Analytionen einer ersten Ladung in die Ionenfalle injiziert und Gegenionen einer zweiten Ladung in die lonenfalle injiziert; und eine Massenspektrometer-Steuerung nach einem der Ansprüche 20 bis 25.
Massenspektrometer nach Anspruch 26, wobei: der Massenanalysator ein Fourier-Transform-Massenanalysator oder ein Time-of-Flight-Massenanalysator ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei: die länglichen Multipol-Elektroden mindestens eine Multipol-Elektrodenanordnung umfassen, die aus einem Quadrupol, einem Hexapol oder einem Oktopol ausgewählt wird.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei: eine lonenquelle so konfiguriert ist, dass Analytionen einer ersten Ladung in die lonenfalle injiziert werden; und eine zweite lonenquelle so konfiguriert ist, dass Gegenionen einer zweiten Ladung in die Ionenfalle injiziert werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 29, wobei: die erste und die zweite lonenquelle so konfiguriert sind, dass die Analytionen und Gegenionen von gegenüberliegenden Enden der Ionenfalle in die Ionenfalle injiziert werden.
Computerprogramm, Anweisungen umfassend, die die Massenspektrometer-Steuerung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25 oder die Massenspektrometrievorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30 veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 auszuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gemäß Anspruch 31 gespeichert ist.