DE102021104901A1

DE102021104901A1 - Flugzeitmassenspektrometer und Verfahren der Massenspektrometrie

Info

Publication number: DE102021104901A1
Application number: DE102021104901.6A
Authority: DE
Inventors: Hamish Stewart; Dmitry GRINFELD; Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2041-03-02
Also published as: US20210272790A1; GB202002968D0; CN113345792A; JP2021141063A; GB2592591A; DE102021104901B4; JP7069373B2; US11387094B2

Abstract

Flugzeitmassenspektrometer (Time of Flight: ToF), umfassend: einen gepulsten Ioneninjektor zum Bilden eines lonenstrahls, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt; einen Detektor zum Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten am Detektor ankommen; eine lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem Ioneninjektor und dem Detektor angeordnet ist, um den Ionenstrahl in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad zu fokussieren; und eine variable Spannungsversorgung zum Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung, die von einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist. Es wird ein entsprechendes Verfahren der Massenspektrometrie bereitgestellt. Der Ladungszustand und/oder eine lonenmenge können anhand eines Vor-Scans erfasst oder vorhergesagt werden. Die Abstimmung des Spektrometers basierend auf einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl kann im laufenden Betrieb durchgeführt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Flugzeitmassenspektrometrie. Aspekte der Offenbarung beziehen sich auf Flugzeitmassenspektrometer und Verfahren der Flugzeitmassenspektrometrie.
Hintergrund der Erfindung
Flugzeitmassenspektrometer (Time of Flight: ToF) werden häufig dazu verwendet, das Masse-/Ladung-Verhältnis (m/z) von Ionen auf der Grundlage ihrer Flugzeit entlang einer Flugbahn zu bestimmen. Bei ToF-Massenspektrometern werden kurze Ionenimpulse von einem gepulsten loneninjektor generiert, um einen Ionenstrahl zu bilden, der entlang einer vorgegebenen Ionenflugbahn durch einen evakuierten Raum geleitet wird, um zu einem Ionendetektor zu gelangen. Die Ionen in jedem Ionenpuls werden basierend auf ihrer Flugzeit entlang der Flugbahn, die vom m/z der Ionen abhängig ist, getrennt und kommen als zeitlich getrennte kurze Ionenpakete mit unterschiedlichen m/z am Detektor an. Der Detektor detektiert die Ankunftszeiten der Ionen zusammen mit der Häufigkeit der ankommenden Ionen und speichert diese Daten in einem Datenerfassungssystem. Anhand der erfassten ToF-Daten kann ein Massenspektrum generiert werden.
Eine verbesserte m/z-Auflösung (auch als Massenauflösung bezeichnet) ist ein wichtiges Attribut für ein Massenspektrometer für einen breiten Anwendungsbereich, insbesondere hinsichtlich Anwendungen in der Biowissenschaft wie der Proteomik und der Metabolomik. Die Massenauflösung in ToF-Massenspektrometern nimmt bekanntlich proportional zur Strecke der Flugbahn der Ionen zu, unter der Annahme, dass die lonenfokussiereigenschaften konstant bleiben. Daher ist eine Flugbahnverlängerung innerhalb von ToF-Massenspektrometern wünschenswert, um die Trennung der Ionen nach der Flugzeit zu erhöhen und dadurch die Fähigkeit zu verbessern, kleine m/z-Differenzen zwischen Ionen festzustellen.
Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, bei denen Einzel- oder Mehrfachreflexionen von Ionen dazu verwendet werden, die Flugbahn der Ionen innerhalb von Massenspektrometern zu verlängern, ohne die Gesamtgröße des Spektrometers stark zu erhöhen. Beispiele sind in US9136100 , SU1725289 , GB2478300 , GB2403063 , WO2008/047891 und US9136101 offenbart.
Leider können Ionenenergieverteilungen und Raumladungswechselwirkungen dazu führen, dass sich Ionen im Flug verteilen, was in langen Flugsystemen dazu führen kann, dass sie aus dem Analysator verloren gehen oder den Detektor mit einer abweichenden Flugzeit erreichen.
Zeitabhängige Linsenspannungen wurden für ToF-Massenspektrometer in US8212209 und US2016/0111271 A1 vorgeschlagen, um die stigmatische Fokussierung und Strahlverbreiterung mit der Ionenmasse anzugehen.
Kurzdarstellung
Vor dem vorstehend aufgeführten Hintergrund wird die vorliegende Offenbarung bereitgestellt.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung befassen sich mit dem Problem, dass Pakete mehrfach geladener Ionen sich im Flug weniger zerstreuen und folglich aufgrund einer höheren Ladungsdichte stärkere Raumladungseffekte erleiden können. Desgleichen können Ionenpakete, die aus einer großen Anzahl von Ionen bestehen, aufgrund einer größeren Ladungsdichte Raumladungseffekte erleiden. Solche Raumladungseffekte können die Massenauflösung des Spektrometers verringern und/oder die lonenübertragung beeinträchtigen.
Die vorliegende Offenbarung stellt in einem Aspekt ein Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 1 bereit. Die vorliegende Offenbarung stellt in einem anderen Aspekt ein Verfahren zur Flugzeitmassenspektrometrie nach Anspruch 24 bereit. Andere Aspekte der Offenbarung sind in den weiteren Ansprüchen dargelegt und nachstehend beschrieben.
Ein Flugzeitmassenspektrometer, das durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, umfasst: einen gepulsten Ioneninjektor zum Bilden eines lonenstrahls, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt; einen Detektor zum Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die den Detektor zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten erreichen; eine lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem Ioneninjektor und dem Detektor angeordnet ist, um den Ionenstrahl in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad zu fokussieren; und eine variable Spannungsversorgung zum Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung, die von einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
Ein Verfahren zur Flugzeitmassenspektrometrie, das durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, umfasst: Bilden eines lonenstrahls aus einem gepulsten loneninjektor, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt; Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten an einem Detektor ankommen; Fokussieren des lonenstrahls in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad unter Verwendung einer lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem Ioneninjektor und dem Detektor angeordnet ist; und Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung aus einer variablen Spannungsversorgung, wobei die variable Spannung von einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
Das Flugzeitmassenspektrometer der vorliegenden Offenbarung kann dazu verwendet werden, das Verfahren der vorliegenden Offenbarung durchzuführen. Die Eigenschaften des Flugzeitmassenspektrometers gelten somit sinngemäß auch für das Verfahren.
Gemäß der Offenbarung kann die an die lonenfokussierungsanordnung angelegte Spannung auf den Ladungszustand und/oder die lonenmenge von mindestens einer Ionenspezies optimiert werden, die detektiert werden soll. Somit kann die angelegte Spannung von dem Ladungszustand und/oder der lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig sein. Die Spannung kann vom Ladungszustand allein oder von der lonenmenge allein oder sowohl von dem Ladungszustand als auch von der lonenmenge mindestens einer Ionenspezies abhängig sein. Wenn zum Beispiel mehrfach geladene Ionen detektiert werden sollen, die sich im Flug weniger zerstreuen, kann die Spannung auf einen Wert eingestellt werden, der die räumliche Dispersion der Ionen in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad erhöht und dadurch die Auswirkungen der Raumladung, die Paketen mehrfach geladener Ionen inhärent sind, reduziert. Der Begriff der mehrfach geladenen Ionen bezieht sich auf Ionen mit einem Ladungszustand größer als 1, etwa 2+, 3+, 4+ ... oder 2-, 3-, 4- ... usw. Die räumliche Dispersion der mehrfach geladenen Ionen im Strahl kann durch die variable Spannung relativ zur räumlichen Dispersion der mehrfach geladenen Ionen erhöht werden, wenn die an die lonenfokussierungsanordnung angelegte Spannung für die Detektion einfach geladener Ionen optimiert wird. Desgleichen kann die Spannung zur Optimierung der Detektion von Ionenpaketen, die aus einer großen Anzahl von Ionen bestehen (d. h. mit hoher Spitzenintensität im Massenspektrum), auf ähnliche Weise zum Reduzieren der Auswirkungen der Raumladung eingestellt werden, indem die räumliche Dispersion des lonenstrahls erhöht wird. Auf diese Weise kann die Massenauflösung und/oder Ionenübertragung für eine oder mehrere Ionenspezies mit einem Mehrfachladungszustand und/oder einer großen Anzahl von Ionen verbessert werden. Die variable Spannung kann beispielsweise eingestellt werden, wenn der Ladungszustand einer Ionenspezies über einem Schwellenwert liegt, etwa mindestens 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 10 oder 20 (z. B. +2 oder +3 oder +4 oder +5 ... oder +10 oder höher als 10+). Die variable Spannung kann beispielsweise eingestellt werden, wenn die Menge einer Ionenspezies über einem Schwellenwert liegt (z. B. hat der Peak einen Signal/Rausch-(S/N)-Wert oder eine Intensität über einem Schwellenwert, die zu unerwünschten Raumladungseffekten führen kann (vorzugsweise dazu bestimmt wurde, diese hervorzurufen)).
Der Ladungszustand der Ionenspezies kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Der Ladungszustand kann ein ungefährer Wert des Ladungszustands oder ein genauer Wert sein. Der Ladungszustand kann ein vorhergesagter oder gemessener Ladungszustand sein. Der Ladungszustand der Ionen kann vorhergesagt werden, z. B. aus Vorkenntnissen über den Probentyp, der zum Generieren der Ionen verwendet wird. Ein Ladungszustand für Produktionen in MS2 kann aus gemessenen Vorläuferladungszuständen vorhergesagt werden. Der Ladungszustand der Ionen kann z. B. durch Analyse eines vom Detektor erfassten Massenspektrums gemessen werden. Routinemäßig verwendete Algorithmen wie THRASH und Advanced Peak Detection können dazu verwendet werden, Ladungszustände von Ionen aus Spektren zu bestimmen. Ladungszustände können aus dem Massenabstand unterschiedlicher Isotopenspezies oder aus dem Abstand unterschiedlicher Ladungszustände desselben Ions abgeleitet werden. Die lonenmenge einer Ionenspezies kann auf verschiedene Weise erhalten werden, z. B. aus der gemessenen Spitzenintensität der Ionenspezies in dem vom Detektor erfassten Massenspektrum. In einigen Ausführungsformen wird daher zuerst ein Vor-Scan (d. h. Massenspektrum) erfasst, um Daten über den Ladungszustand und/oder die lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl zu erhalten. Die Daten werden dann dazu verwendet, die variable Spannungsversorgung entsprechend zu steuern.
Das Flugzeitmassenspektrometer umfasst typischerweise ferner eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, Daten zu mindestens einem Ladungszustand und/oder einer Menge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl zu verwenden (hier als Ladungszustandsdaten bzw. Spitzenhäufigkeitsdaten bezeichnet), um die variable Spannungsversorgung zu steuern. Die Steuerung verwendet typischerweise Steuersignale, um die variable Spannungsversorgung zu steuern. Die Steuerung umfasst typischerweise einen Computer. Der Computer ist typischerweise dazu programmiert, die variable Spannungsversorgung gemäß Daten über mindestens einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl zu steuern. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, mindestens einen Ladungszustand von Produktionen in einer MS2-Analyse aus mindestens einem Ladungszustand von Ausgangsionen, die in einer MS1-Analyse erfasst wurden, vorherzusagen. Der Ladungszustand der Ausgangsionen kann in der MS1-Analyse aus der Analyse der Massenspektren erfasst werden, z. B. unter Verwendung von THRASH oder Advanced Peak Detection. Der Ladungszustand von Produktionen kann beispielsweise unter Verwendung von Fragmentierungswissen oder Regeln rund um das Fragmentierungsverhalten von Ausgangsionen vorhergesagt werden. Die Steuerung, beispielsweise deren Computer, kann kommunikativ mit dem Detektor gekoppelt sein, so dass Daten, die vom Detektor über mindestens einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl erfasst werden, von der Steuerung dazu verwendet werden können, die variable Spannungsversorgung zu steuern.
Die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf vom Detektor und/oder einer Ladungsmessvorrichtung zum Messen der Ladung im Ionenstrahl erfassten Ladungszustandsdaten und/oder Spitzenhäufigkeitsdaten zu variieren. Die Ladungsmessvorrichtung befindet sich vorzugsweise stromaufwärts der lonenfokussierungsanordnung und kann sich in oder neben dem Ionenpfad befinden. Die Ladungsmessvorrichtung kann beispielsweise ein im Ionenpfad angeordnetes Gitter oder eine neben dem Ionenpfad angeordnete Bildstrommessvorrichtung umfassen.
Die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung anhand eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor zu einem nachfolgenden Scan eines anderen Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren. Ein Scan umfasst die Detektion der Ionen in einem einzigen Impuls. Das heißt, die Spannung kann von Scan zu Scan variiert werden.
Die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung innerhalb eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren. Das heißt, die Spannung kann innerhalb eines einzelnen Scans variiert werden. Beispielsweise kann die Spannung synchron mit dem Eintreffen einer Ionenspezies an der lonenfokussierungsanordnung variiert werden.
Die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Ladungszustandsdaten und/oder Spitzenhäufigkeitsdaten von Ionen in dem Ionenstrahl zu variieren, die aus einem Vor-Scan eines lonenimpulses vom Ioneninjektor (d. h. einem Vor-Scan von Ionen derselben Probe) erhalten wurden.
Die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder einer Menge von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl, der von den Ionen im laufenden Betrieb während eines m/z-Scan eines lonenimpulses vom loneninjektor, beispielsweise unter Verwendung einer vorgeschalteten Ladungsmessvorrichtung, erfasst wird, zu variieren. Die mindestens eine variable Spannung kann in Abhängigkeit von der Zeit korrelierend mit den Ankunftszeiten an der Fokussierungsanordnung von Ionen mit unterschiedlichem Ladungszustand und/oder unterschiedlicher Raumladung variabel sein.
Die Spannungen, die basierend auf einem Ladungszustand und/oder einer Anzahl von Ionen mindestens einer Ionenspezies anzulegen sind, können durch ein Kalibrierungsverfahren bestimmt werden. Beispielsweise können eine oder mehrere Kalibrierungsmischungen ionisiert werden, um eine oder mehrere Kalibrierungsmischungen von Ionen bereitzustellen, die durch das Spektrometer massenanalysiert, d. h. vom Detektor gemäß m/z detektiert werden. Die Kalibrierungsmischungen enthalten typischerweise bekannte Mischungen unterschiedlicher molekularer Spezies, die Ionen bekannter m, z und m/z bilden. Ein Beispiel für eine Kalibrierungsmischung ist die Pierce™ FLEXMIX™ Calibration Solution, die eine bei Thermo Fisher Scientific™ erhältliche Mischung aus 16 hochreinen, ionisierbaren Komponenten (Massenbereiche: 50 bis 3000 m/z) ist, die sowohl für positive als auch negative lonisationskalibrierung konstruiert ist und weitgehend einfach geladene Ionen bereitstellt. Kalibrierungslösungen zum Bereitstellen mehrfach geladener Ionen können beispielsweise eine Proteinmischung enthalten; häufig verwendete Proteine in Kalibrierungslösungen umfassen Ubiquitin, Myoglobin, Cytochrom C und/oder Carboanhydrase, aber es können auch viele andere Proteine und/oder Peptide nach Bedarf in den Kalibrierungsmischungen verwendet werden. Beispielsweise enthält die Pierce™ Retention Time Calibration Mixture eine Mischung aus 15 bekannten Peptiden. Die Kalibrierungsmischungen enthalten vorzugsweise molekulare Spezies, die Ionen mit einem Bereich unterschiedlicher Massen, Ladungszustände und Häufigkeiten (Spitzenintensitäten) erzeugen, insbesondere einem Bereich, der die meisten Massen, Ladungszustände und lonenhäufigkeiten abdeckt, die in durch das Spektrometer zu analysierenden Proben erwartet werden. Somit enthalten die Kalibrierungsmischungen von Ionen mindestens unterschiedliche Ladungszustände und/oder Ionenmengen für mindestens zwei unterschiedliche Ionenspezies, vorzugsweise mindestens fünf oder mindestens 10 unterschiedliche Ionenspezies.
Das Kalibrierungsverfahren kann eine Massenanalyse (Aufzeichnung von Massenspektren) der einen oder mehreren Kalibrierungsmischungen von Ionen umfassen, die bei variierenden Spannungen durchgeführt werden, die an die lonenfokussierungsanordnung angelegt werden, um die Abhängigkeit der aufgezeichneten m/z-Werte und Spitzenintensitäten in den Spektren von der Spannungsvariation für verschiedene Ionenmassen (m), Ladungszustände (z) und Spitzenintensitäten zu bestimmen. Dadurch wird ein mehrdimensionaler Datensatz erzeugt. Dadurch können optimale Spannungen zum Anlegen an die lonenfokussierungsanordnung für Ionen mit gegebenem m, z und/oder gegebener Intensität erhalten werden. In einigen Aspekten dieser Offenbarung können zusätzliche oder alternative Kalibrierungsverfahren unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierungsmischungen durchgeführt werden, wobei eine Abhängigkeit der aufgezeichneten m/z-Werte und Spitzenintensitäten für Druck- und/oder Spannungsvariationen im Ioneninjektor (Ionenfalle) bestimmt wird. Die vorstehend genannten Abhängigkeiten können durch Funktionen (z. B. glatte Funktionen wie Splines) näherungsweise bestimmt werden. Die im Computer enthaltene Steuerung kann solche Funktionen bestimmen. Die Funktionen können dazu verwendet werden, die variable Spannung usw. in Abhängigkeit vom Ladungszustand, der Ionenzahl usw. einzustellen. Die Näherungsfunktionen können zur Korrektur erfasster Massenspektren, z. B. vor dem Speichern der Spektren, verwendet werden. Vorzugsweise können bestimmte mehrdimensionale Abhängigkeiten durch solche Funktionen (z. B. Splines) näherungsweise bestimmt und zur Online-Korrektur erfasster Massenspektren verwendet werden, bevor sie gespeichert werden.
Dementsprechend stellt die Offenbarung in einem Aspekt ein Verfahren der Massenspektrometrie wie beschrieben bereit, wobei die Abhängigkeit der mindestens einen variablen Spannung vom Ladungszustand und/oder der lonenmenge der mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl aus einer Kalibrierung bestimmt wurde, wobei die Kalibrierung das Detektieren einer oder mehrerer Kalibrierungsmischungen von Ionen mit variierenden Spannungen umfasst, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführt werden, um eine Abhängigkeit von detektierten m/z-Werten und/oder Spitzenintensitäten von der variablen Spannung für verschiedene Ladungszustände und/oder Ionenmengen zu bestimmen.
Der Ladungszustand der mindestens einen Ionenspezies kann einen mehrfach geladenen Zustand umfassen, und die Spannungsversorgung kann dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung zu variieren, um eine räumliche Dispersion der Ionen des mehrfach geladenen Zustands auf eine räumliche Dispersion einfach geladener Ionen zu normieren. Mit anderen Worten kann die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung derart eingestellt werden, dass die räumliche Dispersion der mehrfach geladenen Ionenspezies im Wesentlichen der durchschnittlichen räumlichen Dispersion für einfach geladene Ionen entspricht.
In einigen Ausführungsformen kann der mindestens eine Ladungszustand ein Ladungszustand einer einzelnen Ionenspezies sein. In einigen anderen Ausführungsformen kann der mindestens eine Ladungszustand eine Mehrzahl von Ladungszuständen unterschiedlicher Ionenspezies sein. Der mindestens eine Ladungszustand kann einen repräsentativen Ladungszustand einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies umfassen. Beispielsweise kann der repräsentative Ladungszustand ein durchschnittlicher Ladungszustand einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ladungszuständen sein. Auf diese Weise kann die angelegte Spannung ein Kompromiss zwischen optimalen Spannungen für eine Anzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ladungszuständen sein. Desgleichen kann in bestimmten Ausführungsformen die mindestens eine lonenmenge eine lonenmenge einer einzelnen Ionenspezies sein. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann die mindestens eine lonenmenge eine Mehrzahl von Ionen unterschiedlicher Ionenspezies sein. Die mindestens eine lonenmenge kann eine repräsentative lonenmenge einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies umfassen. Beispielsweise kann die repräsentative lonenmenge eine durchschnittliche lonenmenge einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ionenmengen sein, die im Ionenstrahl vorhanden sind (unterschiedliche Häufigkeiten). Auf diese Weise kann die angelegte Spannung ein Kompromiss zwischen optimalen Spannungen für eine Anzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Häufigkeiten sein.
Der Ionenstrahl kann eine oder mehrere Reflexionen erfahren, vorzugsweise mehrere Reflexionen entlang des Ionenpfades. Der Ionenstrahlengang kann in einigen Mehrfachreflexionsausführungsformen einem Zickzackpfad folgen. Der Ionenpfad kann in einer Ebene liegen, und die Fokussierungsanordnung kann den Ionenstrahl in einer Richtung (orthogonal zum Ionenpfad) fokussieren, die innerhalb der Ebene und/oder in einer Richtung außerhalb der Ebene liegt. Das Flugzeitmassenspektrometer umfasst dementsprechend vorzugsweise ferner mindestens einen Ionenspiegel, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl entlang des Ionenpfades zu reflektieren. Das Flugzeitmassenspektrometer umfasst vorzugsweise ferner auch eine Mehrzahl von Ionenspiegeln, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrmals entlang des Ionenpfades zu reflektieren. Somit kann das Flugzeitmassenspektrometer ein Einzelreflexions- oder Mehrfachreflexionsflugzeitmassenspektrometer sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Flugzeitmassenspektrometer zwei Ionenspiegel umfassen, die voneinander beabstandet sind und in einer Richtung X einander gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y, wobei die Driftrichtung Y orthogonal zur Richtung X ist, verlängert und zum Bereitstellen eines Zickzack-Ionenpfades durch mehrfaches Reflektieren des lonenstrahls zwischen den Ionenspiegeln in Richtung X, während der Ionenstrahl in Driftrichtung Y driftet, konfiguriert ist. Derlei beabstandete Spiegel können zueinander parallel oder nicht parallel (d. h. geneigt) sein. Der Ionenpfad kann in der X-Y-Ebene liegen, und die Fokussierungsanordnung kann zum Fokussieren des lonenstrahls in einer Richtung dienen, die innerhalb der X-Y-Ebene und/oder in einer Richtung außerhalb der Ebene liegt. Der gepulste Ioneninjektor kann Ionenimpulse in den Raum zwischen den Ionenspiegeln unter einem von Null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung X injizieren, wobei die Ionen dadurch einen Ionenstrahl bilden, der einem Zickzack-Ionenpfad folgt und N Reflexionen zwischen den Ionenspiegeln in der Richtung X erfährt, während er entlang der Driftrichtung Y driftet. N ist ein ganzzahliger Wert von mindestens 2. Somit erfährt der Ionenstrahl mindestens 2 Reflexionen zwischen den Ionenspiegeln in der Richtung X, während er entlang der Driftrichtung Y driftet. Vorzugsweise beträgt die Anzahl N der Ionenreflexionen in den Ionenspiegeln entlang des Ionenpfades vom Ioneninjektor zum Detektor mindestens 3 oder mindestens 10 oder mindestens 30, oder mindestens 50 oder mindestens 100. Vorzugsweise beträgt die Anzahl N von Ionenreflexionen in den Ionenspiegeln entlang des Ionenpfades vom Ioneninjektor zum Detektor 2 bis 100, 3 bis 100 oder 10 bis 100 oder über 100, z. B. eine der Gruppen: (i) von 3 bis 10; (ii) von 10 bis 30; (iii) von 30 bis 100; (iv) über 100. In das Spektrometer injizierte Ionen werden vorzugsweise wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, während sie in der Richtung Y der Spiegelverlängerung (in der Richtung +Y) hinunter driften. In bestimmten Ausführungsformen können die Ionen nach einer Anzahl von Reflexionen (typischerweise N/2) in ihrer Driftgeschwindigkeit entlang Y umgekehrt werden, so dass sie wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden, während sie vor der Detektion durch den Detektor wieder entlang der Richtung Y (in der Richtung -Y) zurückdriften. Derlei Anordnungen von Ionenspiegeln sind in US9136101 offenbart, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit hierin enthalten ist.
Die lonenfokussierungsanordnung umfasst typischerweise mindestens eine lonenfokussierlinse oder ist eine solche. Dementsprechend dient die Spannungsversorgung dazu, der mindestens einen lonenfokussierlinse mindestens eine variable Spannung zuzuführen. Die mindestens eine lonenfokussierlinse kann aus den folgenden Arten von Linsen ausgewählt sein: einer transaxialen Linse, einer Einzellinse und einer Multipollinse. Die mindestens eine lonenfokussierlinse kann vor einer ersten Reflexion in dem/den lonenspiegel(n) angeordnet sein. In derlei Ausführungsformen weist das Flugzeitmassenspektrometer unter Umständen nur einen einzigen Ionenspiegel auf. Allgemeiner kann das Spektrometer in derlei Ausführungsformen mindestens einen Ionenspiegel entlang des Ionenpfades umfassen, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl zu reflektieren, wobei die mindestens eine lonenfokussierlinse vor einer ersten Reflexion in dem mindestens einen Ionenspiegel angeordnet ist. Die mindestens eine lonenfokussierlinse kann nach einer ersten Reflexion und vor einer fünften Reflexion in den Ionenspiegeln angeordnet sein. In derlei Ausführungsformen weist das Flugzeitmassenspektrometer eine Mehrzahl von Ionenspiegeln (z. B. zwei einander gegenüberliegende Ionenspiegel) auf, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrere Male zu reflektieren, so dass der Strahl mehrere, vorzugsweise fünf oder mehr, Reflexionen in den Ionenspiegeln erfährt.
Vorzugsweise umfasst die lonenfokussierlinse oder umfassen in den Fällen, in denen mehr als eine Fokussierlinse vorhanden ist, die -linsen eine transaxiale Linse, wobei die transaxiale Linse ein Paar einander gegenüberliegenden Linsenelektroden umfasst, die beidseitig des Strahls positioniert sind, beispielsweise beidseitig des Strahls in einer Richtung Z, wobei Z senkrecht zu den Richtungen X und Y ist, die die Ebene des Ionenpfades definieren. Vorzugsweise kann das Paar von gegenüberliegenden Linsenelektroden kreisförmige, elliptische, quasielliptische oder bogenförmige Elektroden umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst jede der beiden gegenüberliegenden Linsenelektroden eine Anordnung von Elektroden, die durch eine Widerstandskette getrennt sind, um eine Feldkrümmung nachzuahmen, die durch eine Elektrode mit einer gekrümmten Kante erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen sind die einander gegenüberliegenden Linsenelektroden jeweils innerhalb einer elektrisch geerdeten Anordnung angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind die Linsenelektroden jeweils innerhalb einer Deflektorelektrode angeordnet, jedoch davon isoliert. Jede Deflektorelektrode kann innerhalb einer elektrisch geerdeten Anordnung platziert sein. Die Deflektorelektroden können vorzugsweise eine äußere trapezförmige Form aufweisen, die als Deflektor des lonenstrahls wirkt. In einigen Ausführungsformen umfasst die lonenfokussierlinse eine mehrpolige Stabanordnung. In einigen Ausführungsformen umfasst die lonenfokussierlinse eine Einzellinse (eine Reihe von elektrisch vorgespannten Blenden).
In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann die lonenfokussierungsanordnung mehr als eine Fokussierlinse umfassen. Beispielsweise kann die lonenfokussierungsanordnung eine erste Fokussierlinse und eine von der ersten Fokussierlinse beabstandete zweite Fokussierlinse umfassen. Die erste und die zweite Fokussierlinse können unterschiedliche variable Spannungen aufweisen, die von der variablen Spannungsversorgung an sie angelegt werden. Beispielsweise kann die erste Fokussierlinse eine divergierende Linse in einer Richtung sein, die orthogonal zum Ionenpfad ist, und kann die zweite Fokussierlinse eine konvergierende Linse in der Richtung orthogonal zum Ionenpfad sein, wobei die zweite Fokussierlinse stromabwärts der ersten Fokussierlinse liegt. In einigen Ausführungsformen umfasst die lonenfokussierungsanordnung eine erste Fokussierlinse, die vor einer ersten Reflexion in den Ionenspiegeln positioniert ist, wobei insbesondere die erste Fokussierlinse eine divergierende Linse ist, und eine zweite Fokussierlinse, die nach der ersten Reflexion in den Ionenspiegeln positioniert ist, um den Ionenstrahl zu fokussieren, wobei die zweite Fokussierlinse eine konvergierende Linse ist (d. h. einen konvergierenden Effekt auf die Ionenstrahlbreite, orthogonal zum Ionenpfad, hat).
Das Flugzeitmassenspektrometer kann ferner eine lonenfragmentierungsvorrichtung umfassen, z. B. eine kollisionsinduzierte Dissoziationszelle (CID-Zelle) oder eine Elektronentransferdissoziationszelle (ETD-Zelle) oder eine andere Dissoziationszelle, die stromaufwärts des loneninjektors angeordnet ist, um eine MS2-Analyse von Ionen durchzuführen, wobei die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die Spannung, die der lonenfokussierungsanordnung in einer MS2-Analyse zugeführt wird, basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder einer Menge von mindestens einer Spezies von Produktionen, die aus der MS1-Analyse von Ionen, die vor der MS2-Analyse durchgeführt wurde, abgeleitet sind, zu variieren. Auf diese Weise kann die Einstellung der Fokussierung und der Ionenstrahldispersion in einem MS2-Scan (Produktionen-Scan) auf Ladungszustands- oder Häufigkeitsdaten basieren, die aus einem früheren MS1-Scan (Vorläuferionen-Scan) erfasst wurden.
Der gepulste Ioneninjektor kann eine Ionenfalle mit gepulstem Ionenausstoß, einen orthogonalen Beschleuniger, eine MALDI-Quelle, eine sekundäre Ionenquelle (SIMS-Quelle) oder einen anderen bekannten gepulsten loneninjektor für ein ToF-Massenspektrometer umfassen. Vorzugsweise umfasst der Ioneninjektor eine gepulste Ionenfalle, bevorzugter eine lineare Ionenfalle, etwa eine geradlinige Ionenfalle oder eine gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle).
Der gepulste Ioneninjektor empfängt Ionen im Allgemeinen von einer Ionenquelle, sei es direkt oder indirekt über eine oder mehrere optische Vorrichtungen (z. B. eine oder mehrere von einer Ionenführung, einer Ionenlinse, einem Massenfilter, einer Kollisionszelle usw.). Die Ionenquelle ionisiert eine Probe, um die Ionen zu bilden. Geeignete Ionenquellen sind hinlänglich fachbekannt. In einigen Ausführungsformen kann der Ioneninjektor selbst die Ionenquelle sein (z. B. eine MALDI-Quelle). Die Ionenquelle kann mehrere Probenspezies, z. B. aus einem Chromatografen, ionisieren, um die Ionen zu bilden. Die Ionen können aus einer Probe durch eine aus der folgenden nicht vollständigen Liste von Ionenquellen generiert werden: Elektrospray-Ionisation (ESI), chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI), Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI), Gaschromatografie bei Atmosphärendruck (APGC) mit Glimmentladung, AP-MALDI, Laserdesorption (LD), Einlass-Ionisation, DESI, Laserablation-Elektrospray-Ionisation (LAESI), induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), Laserablation mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP) usw. Jede dieser Ionenquellen kann an eine der folgenden Probentrennungen stromaufwärts der Ionenquelle aus der folgenden nicht vollständigen Liste angeschaltet sein: Flüssigchromatografie (LC), Ionenchromatografie (IC), Gaschromatografie (GC), Kapillarzonenelektrophorese (CZE), zweidimensionale GC (GCxGC), zweidimensionale LC (LCxLC) usw.
Der gepulste Ioneninjektor erzeugt diskrete Ionenimpulse, d. h. er injiziert nicht kontinuierliche Ionenimpulse und nicht einen kontinuierlichen Ionenstrom. Wie in der Technik der ToF-Massenspektrometrie bekannt, bildet der gepulste Ioneninjektor kurze Ionenimpulse, die mindestens einen Abschnitt der Ionen aus der Proben-/Ionenquelle umfassen. Typischerweise wird an den Ioneninjektor eine Beschleunigungsspannung angelegt, um die Ionen in die Spiegel zu injizieren, wobei die Spannung mehrere kV betragen kann, wie z. B. 1 kV, 2 kV, 3 kV, 4 kV oder 5 kV, oder mehr.
Die lonenfokussierungsanordnung kann zumindest teilweise zwischen den einander gegenüberliegenden Ionenspiegeln angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist die lonenfokussierungsanordnung vollständig zwischen den Spiegeln (d. h. im Raum zwischen den Spiegeln) angeordnet, und in anderen Ausführungsformen ist die lonenfokussierungsanordnung teilweise zwischen den Spiegeln und teilweise außerhalb des Raums zwischen den Spiegeln angeordnet. So kann beispielsweise eine Linse der lonenfokussierungsanordnung außerhalb des Raumes zwischen den Ionenspiegeln angeordnet sein, während eine andere Linse der lonenfokussierungsanordnung zwischen den Ionenspiegeln angeordnet ist.
Der Detektor kann einen geeigneten Ionendetektor umfassen, der auf dem Fachgebiet der ToF-Massenspektrometrie bekannt ist. Beispiele beinhalten Sekundärelektronenvervielfacherdetektoren (SEM-Detektoren) oder Mikrokanalplattendetektoren (MCP-Detektoren) oder Detektoren mit SEM oder MCP in Kombination mit einem Szintillator/Fotodetektor.
Der/die Ionenspiegel kann/können verlängerte Ionenspiegel jedes bekannten Typs umfassen. Der/die Ionenspiegel ist/sind typischerweise elektrostatische Ionenspiegel. Der/die Spiegel kann/können Gitterspiegel sein, oder der/die Spiegel kann/können gitterlos sein. Vorzugsweise ist/sind der/die Spiegel gitterlos. Der/die Ionenspiegel ist/sind typischerweise (ein) planare(r) Ionenspiegel, insbesondere (ein) elektrostatische(r) planare(r) Ionenspiegel. In einigen Ausführungsformen sind die zwei planaren Ionenspiegel parallel zueinander, zum Beispiel über den größten Teil oder die gesamte Strecke in Driftrichtung Y. In einigen Ausführungsformen sind die Ionenspiegel über eine kurze Strecke in der Driftrichtung Y eventuell nicht parallel (z. B. an ihrem dem Ioneninjektor am nächsten liegenden Eingangsende wie in US 2018-0138026 A ). Die Spiegel sind in der Driftrichtung Y typischerweise im Wesentlichen gleich lang. Die Ionenspiegel werden vorzugsweise durch einen Bereich eines von elektrischen Feldern freien Raums getrennt. Die ionenoptischen Spiegel liegen einander gegenüber. „Einander gegenüberliegende Spiegel“ bedeutet, dass die Spiegel derart ausgerichtet sind, dass die in einen ersten Spiegel gerichteten Ionen aus dem ersten Spiegel zu einem zweiten Spiegel reflektiert werden und die in den zweiten Spiegel eintretenden Ionen aus dem zweiten Spiegel zum ersten Spiegel reflektiert werden. Somit weisen die einander gegenüberliegenden Spiegel elektrische Feldkomponenten auf, die im Allgemeinen in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und einander zugewandt sind. Jeder planare Spiegel besteht vorzugsweise aus mehreren verlängerten parallelen Stabelektroden, wobei die Elektroden im Allgemeinen in der Richtung Y verlängert sind. Derartige Spiegelstrukturen sind nach dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise wie in SU172528 oder US2015/0028197 beschrieben. Die verlängerten Elektroden der Ionenspiegel können als montierte Metallstäbe oder als Metallspuren auf einer Leiterplattenbasis bereitgestellt werden. Die verlängerten Elektroden können aus einem Metall hergestellt sein, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, etwa Invar, so dass die Flugzeit Temperaturänderungen im Instrument standhält. Die Elektrodenform der Ionenspiegel kann durch Herstellung mittels Drahterodieren genau bearbeitet oder erhalten werden. Die Spiegellänge (Gesamtlänge der ersten und der zweiten Stufe) ist in der Erfindung nicht spezifisch begrenzt, aber bevorzugte praktische Ausführungsformen weisen eine Gesamtlänge im Bereich von 300-500 mm, bevorzugter 350-450 mm, auf.
Die zwei Ionenspiegel können jeweils vor allem in einer Richtung Y verlängert sein. Die Verlängerung kann linear (d. h. gerade) sein, oder die Verlängerung ist unter Umständen nicht linear (z. B. gekrümmt, oder eine Reihe von kleinen Stufen umfassend, um näherungsweise eine Kurve darzustellen), wie im Folgenden beschrieben wird. Die Verlängerungsform eines jeden Spiegels kann gleich oder unterschiedlich sein. Vorzugsweise ist die Verlängerungsform eines jeden Spiegels gleich. Vorzugsweise sind die Spiegel ein symmetrisches Spiegelpaar. Wenn die Verlängerung linear ist, können die Spiegel parallel zueinander sein, obwohl die Spiegel in einigen Ausführungsformen unter Umständen nicht parallel zueinander sind.
Wie in diesem Schriftstück beschrieben, sind die beiden Spiegel zueinander derart ausgerichtet, dass sie in der X-Y-Ebene liegen und derart, dass die Längsabmessungen beider Spiegel im Allgemeinen in der Driftrichtung Y liegen. Die Spiegel sind voneinander beabstandet und liegen in der Richtung X einander gegenüber. Die Entfernung oder Lücke zwischen den Ionenspiegeln kann praktischerweise so angeordnet werden, dass sie konstant in Abhängigkeit von der Driftentfernung, d. h. in Abhängigkeit von Y, der Längsabmessung der Spiegel, ist. Auf diese Weise sind die Spiegel parallel zueinander angeordnet. Allerdings kann bei einigen Ausführungsformen die Entfernung oder Lücke zwischen den Spiegeln dazu angeordnet sein, sich in Abhängigkeit von der Driftentfernung zu verändern, d. h. in Abhängigkeit von Y, die Längsabmessungen beider Spiegel liegen nicht genau in der Richtung Y, und deshalb werden die Spiegel als im Allgemeinen entlang der Driftrichtung Y verlängert beschrieben. Somit kann „im Allgemeinen entlang der Driftrichtung Y verlängert“ auch als „hauptsächlich oder im Wesentlichen entlang der Driftrichtung Y verlängert“ verstanden werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Längsabmessung von mindestens einem Spiegel in einem Winkel zur Richtung Y für mindestens einen Abschnitt seiner Strecke sein.
Die mechanische Konstruktion der Spiegel kann selbst bei oberflächlicher Überprüfung derart erscheinen, dass sie eine konstante Entfernung voneinander in X in Abhängigkeit von Y beibehalten, während die mittleren Reflexionsflächen tatsächlich in Abhängigkeit von Y unterschiedliche Entfernungen voneinander in X aufweisen können. Beispielsweise können einer oder mehrere der einander gegenüberliegenden Ionenspiegel aus Leiterbahnen gebildet sein, die auf einer isolierenden Aufbauscheibe (etwa einer Leiterplatte) aufgebracht sind, und die Aufbauscheibe eines derartigen Spiegels kann in einer konstanten Entfernung von einem gegenüberliegenden Spiegel entlang der gesamten Driftstrecke angeordnet sein, während die Leiterbahnen, die auf der Aufbauscheibe aufgebracht sind, sich in einer nicht konstanten Entfernung von den Elektroden in dem gegenüberliegenden Spiegel befinden können. Selbst wenn Elektroden beider Spiegel in einer konstanten Entfernung voneinander entlang der gesamten Driftstrecke angeordnet sind, können unterschiedliche Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen innerhalb des einen oder beider Spiegel entlang der Driftstrecke vorgespannt sein, was bewirkt, dass die Entfernung zwischen den einander gegenüberliegenden mittleren Reflexionsflächen der Spiegel entlang der Driftstrecke variiert. Somit variiert die Entfernung zwischen den einander gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X entlang mindestens eines Abschnitts der Strecke der Spiegel in der Driftrichtung.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Massenspektrometer der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Kompensationselektroden im Raum zwischen den Spiegeln, um die Auswirkungen von Flugzeitaberrationen, die beispielsweise durch eine Fehlausrichtung des Spiegels verursacht werden, zu minimieren, wie in US9136102 beschrieben, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit in dieses Dokument aufgenommen ist. Die Kompensationselektroden erstrecken sich entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln. In einigen Ausführungsformen erzeugen die Kompensationselektroden Komponenten eines elektrischen Felds, die der Ionenbewegung entlang der Richtung +Y entlang mindestens eines Streckenabschnitts der ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung entgegenwirken. Diese elektrischen Feldkomponenten stellen vorzugsweise eine Rückführungskraft auf die Ionen bei ihrer Bewegung entlang der Driftrichtung bereit oder tragen zu dieser bei. Die eine oder die mehreren Kompensationselektroden können jede beliebige Form und Größe relativ zu den Spiegeln des Multireflexionsmassenspektrometers aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren Kompensationselektroden erweiterte Oberflächen parallel zu der X-Y-Ebene, die dem Ionenstrahl zugewandt sind, wobei die Elektroden in Richtung +/-Z aus der Ionenstrahlflugbahn verlagert sind, d. h. jede der einen oder mehreren Elektroden weist vorzugsweise eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und die, wenn zwei solcher Elektroden vorhanden sind, vorzugsweise auf beiden Seiten eines Raums angeordnet sind, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts der Driftstrecke verlängert, wobei jede Elektrode auf einer Seite des Raums, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist bzw. sind vorzugsweise die eine oder die mehreren Kompensationselektroden in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts verlängert, wobei der wesentliche Abschnitt mindestens eines oder mehrere von 1/10; 1/5; 1/4; 1/3; 1/2; 3/4 der gesamten Driftstrecke sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die ein oder mehreren Kompensationselektroden zwei in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts der Driftstrecke verlängerte Kompensationselektroden, wobei der wesentliche Abschnitt mindestens eines oder mehrere von: 1/10; 1/5; 1/4; 1/3; 1/2; 3/4 der gesamten Driftstrecke ist, wobei eine Elektrode in der Richtung +Z aus der Ionenstrahlflugbahn verlagert ist, die andere Elektrode in der Richtung -Z aus der Ionenstrahlflugbahn verlagert ist und die zwei Elektroden dadurch auf beiden Seiten eines Raums angeordnet sind, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt. Es sind jedoch auch andere Geometrien möglich. Vorzugsweise sind die Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, so dass die gesamte Flugzeit der Ionen im Wesentlichen unabhängig von dem Einfallswinkel der Ionen ist. Da die gesamte Driftstrecke, die von den Ionen zurückgelegt wird, von dem Einfallswinkel der Ionen abhängig ist, ist die gesamte Flugzeit der Ionen im Wesentlichen unabhängig von der zurückgelegten Driftstrecke.
Kompensationselektroden können mit einem elektrischen Potenzial vorgespannt sein. Wenn ein Paar von Kompensationselektroden verwendet wird, kann an jede Elektrode des Paars das gleiche elektrische Potenzial angelegt sein oder können an die zwei Elektroden unterschiedliche Potenziale angelegt sein. Wenn zwei Elektroden vorhanden sind, sind die Elektroden vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten eines Raums, der sich zwischen den einander gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, angeordnet und sind beide Elektroden mit im Wesentlichen gleichen Potenzialen elektrisch vorgespannt. In einigen Ausführungsformen können bei einem oder mehreren Paaren von Kompensationselektroden jeweils die einzelnen Elektroden in dem Paar mit dem gleichen elektrischen Potenzial vorgespannt sein und kann dieses elektrische Potenzial null Volt in Bezug auf das Potenzial betragen, das hier als ein Analysator-Referenzpotenzial bezeichnet wird. Typischerweise wird das Analysator-Referenzpotenzial Massepotenzial sein, es versteht sich jedoch, dass das Potenzial des Analysators beliebig angehoben werden kann, d. h. das gesamte Potenzial des Analysators in Bezug auf die Erde nach oben oder unten verlagert werden kann. Wie hier verwendet, wird Nullpotenzial oder werden Null Volt dazu verwendet, eine Nullpotenzialdifferenz in Bezug auf das Analysator-Referenzpotenzial zu bezeichnen, und wird der Begriff Nicht-Nullpotenzial dazu verwendet, eine Nicht-Nullpotenzialdifferenz in Bezug auf das Analysator-Referenzpotenzial zu bezeichnen. Typischerweise wird das Analysator-Referenzpotenzial beispielsweise an eine Abschirmung etwa Elektroden, die dazu verwendet werden, Spiegel zu begrenzen, angelegt, und wie in diesem Schriftstück definiert, handelt es sich um das Potenzial in dem Driftraum zwischen den einander gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in Abwesenheit aller anderen Elektroden außer jenen, die die Spiegel umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen sind zwei oder mehrere Paare von einander gegenüberliegenden Kompensationselektroden bereitgestellt. In derlei Ausführungsformen werden Paare von Kompensationselektroden, in denen jede Elektrode mit Null Volt vorgespannt ist, im Weiteren als nicht vorgespannte Kompensationselektroden bezeichnet und werden andere Paare von Kompensationselektroden, an die elektrische Nicht-Nullpotenziale angelegt sind, des Weiteren als vorgespannte Kompensationselektroden bezeichnet. Typischerweise begrenzen die nicht vorgespannten Kompensationselektroden die Felder von vorgespannten Kompensationselektroden. In einer Ausführungsform weisen Oberflächen mindestens eines Paars von Kompensationselektroden ein Profil in der X-Y-Ebene auf, sodass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Enden der Spiegel in einer größeren Entfernung verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden. In einer anderen Ausführungsform weisen mindestens ein Paar von Kompensationselektroden Oberflächen mit einem Profil in der X-Y-Ebene auf, sodass sich die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Enden der Spiegel in einer kleineren Entfernung erstrecken als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden. In derlei Ausführungsformen verlaufen vorzugsweise das Paar (die Paare) von Kompensationselektroden entlang der Driftrichtung Y von einem Bereich, der an einen loneninjektor angrenzt, an einem Ende der verlängerten Spiegel und weisen die Kompensationselektroden im Wesentlichen in der Driftrichtung dieselbe Strecke auf wie die verlängerten Spiegel und sind auf beiden Seiten eines Raums zwischen den Spiegeln angeordnet. In alternativen Ausführungsformen können die Kompensationselektrodenoberflächen wie eben beschrieben aus mehreren diskreten Elektroden zusammengesetzt sein.
Vorzugsweise umfassen die Kompensationselektroden in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine ionenoptischen Spiegel, in denen der Ionenstrahl auf eine Potenzialbarriere trifft, die mindestens so groß ist wie die kinetische Energie der Ionen in der Driftrichtung. Allerdings erzeugen sie, wie bereits festgestellt wurde und im Weiteren beschrieben wird, vorzugsweise Komponenten eines elektrischen Felds, die der lonenbewegung entlang der Richtung +Y entlang mindestens eines Streckenabschnitts der ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung entgegenwirken.
Vorzugsweise sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, um mindestens einen Teil der Flugzeitaberrationen, die durch die einander gegenüberliegenden Spiegel generiert werden, zu kompensieren. Wenn mehr als eine Kompensationselektrode vorhanden ist, können die Kompensationselektroden mit dem gleichen elektrischen Potenzial vorgespannt sein, oder sie können mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen vorgespannt sein. Wenn mehr als eine Kompensationselektrode vorhanden ist, können eine oder mehrere der Kompensationselektroden mit einem elektrischen Nicht-Nullpotenzial vorgespannt sein, während andere Kompensationselektroden auf einem weiteren elektrischen Potenzial gehalten werden können, das ein Nullpotenzial sein kann. Im Gebrauch können einige Kompensationselektroden dem Zweck dienen, die räumliche Ausdehnung des elektrischen Felds der anderen Kompensationselektroden zu begrenzen.
In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Kompensationselektroden eine Platte enthalten, die mit einem Material, das einen elektrischen Widerstand aufweist, beschichtet ist, und an die an verschiedenen Enden der Platte in der Richtung Y ein unterschiedliches elektrisches Potenzial angelegt ist, wodurch eine Elektrode erzeugt wird, deren Oberfläche ein darüber in Abhängigkeit von der Driftrichtung Y variierendes elektrisches Potenzial aufweist. Dementsprechend werden elektrisch vorgespannte Kompensationselektroden unter Umständen nicht auf einem einzigen Potenzial gehalten. Vorzugsweise sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, um eine Flugzeitverschiebung in der Driftrichtung, die durch eine Fehlausrichtung oder Herstellungstoleranzen der einander gegenüberliegenden Spiegel generiert wird, zu kompensieren, und um die gesamte Flugzeitverschiebung des Systems im Wesentlichen unabhängig von einer derartigen Fehlausrichtung oder Herstellung zu machen.
Die an die Kompensationselektroden angelegten elektrischen Potenziale können konstant gehalten oder zeitlich variiert werden. Vorzugsweise werden die an die Kompensationselektroden angelegten Potenziale zeitlich konstant gehalten, während Ionen das Mehrfachreflexionsmassenspektrometer durchlaufen. Die an die Kompensationselektroden angelegte elektrische Vorspannung kann derart sein, dass sie bewirkt, dass Ionen, die in der Nähe einer somit vorgespannten Kompensationselektrode vorbei fliegen, abbremsen oder beschleunigen, wobei sich die Formen der Kompensationselektroden entsprechend unterscheiden, und Beispiele dafür werden im Weiteren beschrieben. Wie in diesem Schriftstück beschrieben, bezieht sich der Begriff „Breite“, wie er auf Kompensationselektroden angewendet wird, auf die physische Ausdehnung der vorgespannten Kompensationselektrode in der Richtung +/-X. Es versteht sich, dass Potenziale (d. h. elektrische Potenziale) und elektrische Felder, die von den Ionenspiegeln bereitgestellt werden, und/oder Potenziale und elektrische Felder, die von den Kompensationselektroden bereitgestellt werden, vorhanden sind, wenn die Ionenspiegel bzw. Kompensationselektroden elektrisch vorgespannt sind.
Die angrenzend an den oder im Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordneten vorgespannten Kompensationselektroden können zwischen zwei oder mehr nicht vorgespannten (geerdeten) Elektroden in der X-Y-Ebene positioniert werden, die ebenfalls angrenzend an den Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordnet sind. Die Formen der nicht vorgespannten Elektroden können komplementär zur Form der vorgespannten Kompensationselektroden sein.
In einigen Ausführungsformen ist der Raum zwischen den einander gegenüberliegenden optischen Spiegeln in der X-Z-Ebene an beiden Enden der Driftstrecke offen. „Offen“ in der X-Z-Ebene bedeutet, dass die Spiegel nicht durch Elektroden in der X-Z-Ebene begrenzt sind, die die Lücke zwischen den Spiegeln ganz oder im Wesentlichen überbrücken.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Flugzeitmassenspektrometer nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Ioneninjektors in Form einer Extraktionsionenfalle.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Layouts der Ioneninjektionsoptik.
4 zeigt schematisch eine Ionenspiegelelektrodenkonfiguration und angelegte Spannungen.
5 zeigt schematisch geformte lonenfokussierlinsen mit kreisförmigen (A) und elliptischen (B) Formen und einer in einen prismenförmigen Deflektor (C) integrierten Linse.
6 zeigt schematisch alternative Strukturen für lonenfokussierlinsen.
7 zeigt eine Variation von Spannung einer lonenfokussierlinse für einen Bereich unterschiedlicher Dispersionsenergien.
8 zeigt eine Variation der optimalen Linsenspannung für verschiedene Ionenladungszustände.
9A zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren der Massenspektrometrie darstellt, bei dem vorhergesagte oder gemessene Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Anzahl von Ionen mindestens einer Ionenspezies dazu verwendet werden, eine lonenfokussierlinsenspannung einzustellen.
9B zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren der Tandemmassenspektrometrie (MS2-Massenspektrometrie) darstellt, bei dem Ladungszustände von Produktionen aus Ladungszuständen von Ausgangsionen aus MS1-Scans vorhergesagt und Linsenspannungen in MS2 für Ladungszustände von Produktionen eingestellt werden.
10 zeigt Beziehungen zwischen den modalen Ladungszuständen von Produktionen und den Ladungszuständen von Vorläuferionen für eine Anzahl verschiedener Proteine.
11 zeigt schematisch einEinzelreflexionsflugzeitmassenspektrometer mit Zwischenionenfokussierlinsen.
12 zeigt die simulierte Kollisionskühlung von Ionen mit unterschiedlichem m/z über die Zeit in 1×10^-3 mbar N₂-Puffergas.
13 zeigt eine optimale Spannungsvariation der Fokussierlinse über die Zeit ab der Ioneninjektion.
14 zeigt eine simulierte m/z-Abhängigkeit für optimale Spannungen einer Linse außerhalb der Ebene.
15 zeigt eine Spannung, die an eine Linse außerhalb der Ebene in Abhängigkeit von der Zeit ab der Ioneninjektion angelegt wird.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Ausführungsformen von Massenspektrometern und Verfahren der Massenspektrometrie gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Ausführungsformen sollen verschiedene Merkmale der Erfindung veranschaulichen und dabei den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Es versteht sich, dass an den Ausführungsformen Variationen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Es besteht ein kommerzieller Bedarf an einer erweiterten Flugbahn in einem Flugzeitanalysator, um eine hohe Massenauflösung (z. B. >50K) unter Beibehaltung einer hohen Ionenübertragung, eines hohen Massenbereichs und einer Toleranz gegenüber Raumladung bereitzustellen. Ein Problem beim Erreichen der Raumladungstoleranz ist die Steuerung der Ionenstrahldivergenz innerhalb des Analysators, die in Abhängigkeit von der Ionenzahl (lonenmenge) sowie des Ionenladungszustands variiert, da schwere mehrfach geladene Ionen in Richtungen orthogonal zur Strahlrichtung unter Wärmeenergie eine niedrigere Geschwindigkeit aufweisen als leichte einfach geladene Ionen mit dem gleichen Masse-/Ladung-Verhältnis. Somit ist die Geschwindigkeitsausbreitung in der orthogonalen Driftdimension für mehrfach geladene Ionen geringer als für leichte einfach geladene Ionen mit dem gleichen m/z. Es besteht auch ein Unterschied bei der Geschwindigkeitsdispersion außerhalb der Ebene. Letzteres kann zumindest teilweise durch Linsen außerhalb der Ebene gesteuert werden. Die Strahldispersion kann auch abhängig von m/z variieren, wobei ein spezifischer Einfluss durch die Bedingungen der HF-Ionenquelle und durch Einschränkungen der Ionenkühlung verursacht wird, insbesondere wenn begrenzte Zeit oder begrenzter Gasdruck in der Ionenquelle verfügbar ist, um Ionen mit höherer Masse zu thermisieren.
Die vorliegende Offenbarung stellt in einem Aspekt eine Ladungszustandskorrektur der Ionenstrahleigenschaften vor. Ein Element der Offenbarung ist ein Massenspektrometer, das eine lonenfokussierungsanordnung enthält, um Variationen in den Ionenstrahleigenschaften zu korrigieren, die durch Unterschiede im Ladungszustand verursacht werden. Dies kann durch Anlegen variierender Spannungen an die lonenfokussierungsanordnung oder die Ionenquelle implementiert werden. Ein weiteres Element ist das Verfahren, mit dem die lonenfokussierungsanordnung gesteuert wird, um für die unterschiedlichen Ladungszustandsverteilungen, die sich für das Massenspektrometer ergeben können, optimiert zu werden. Informationen zur Ladungszustandsverteilung von Probenionen sind erforderlich, um die Spannungseinstellungen vor der Ionenanalyse zu optimieren. In einigen Fällen können diese Informationen leicht durch Kenntnis der Probe und/oder der Anwendung hergeleitet werden, beispielsweise wenn das Spektrometer mit einem oder mehreren Ladungszustandsfiltern wie einem lonenmobilitätsseparator eingesetzt wird, so dass nur Ionen mit bekannten Ladungszuständen an das Massenspektrometer geliefert werden. In einigen Fällen kann ein Vor-Scan durch das Massenspektrometer durchgeführt werden, um Ionenladungszustände zu bestimmen, bevor eine optimierte Analyse unter Verwendung von Ladungszustandsinformationen durchgeführt wird, um die Fokussierungsspannung auf einen oder mehrere optimale Werte zu variieren, um Massenspektren unter für einen oder mehrere verschiedene Ladungszustände optimierten Bedingungen zu erfassen.
Ein Problem, das bei mehrfach geladenen Ionen auftritt, besteht darin, dass thermische Energien viel niedrigere Ionengeschwindigkeiten ergeben als bei einfach geladenen Ionen. Dies führt natürlich zu einer geringeren Ionenstrahldivergenz in einem Flugzeitanalysator, was zwar oberflächlich gesehen eine attraktive Eigenschaft darstellt, jedoch bedeutet, dass Raumladungseffekte für mehrfach geladene Ionen weitaus gravierender sein können. Der Einfluss der geringen Strahldivergenz verstärkt die negativen Raumladungseffekte, die bei der größeren Anzahl von Ladungen pro Ion auftreten.
Für den Flugzeitmassenanalysator mit konvergierendem Spiegel, der von Grinfeld et al. in US9136101B2 offenbart wird, ist die Strahldivergenz am kritischsten in der Driftrichtung, die entlang der Strecke der einander gegenüberliegenden lonenspiegel liegt. Hierin wird in einer Ausführungsform vorgeschlagen, eine lonenfokussierungsanordnung hinzuzufügen, die eine lonenfokussierlinse umfasst, die auch als Driftfokussierlinse bezeichnet wird, um die Strahldivergenz in dieser Dimension zu steuern.
Ein Multireflexionsmassenspektrometer 2 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist schematisch in 1 dargestellt. Eine lonenmenge, die von einer Ionenquelle (z. B. einer Elektrospray-Ionenquelle oder einer anderen Ionenquelle) generiert wird, die nicht dargestellt ist, wird in einen gepulsten Ioneninjektor 4 geführt und in diesem eingeschlossen. In einigen Ausführungsformen können die Ionen vor dem gepulsten Ioneninjektor 4 nach ihrer Masse ausgewählt werden, z. B. unter Verwendung eines vorgelagerten Quadrupolmassenfilters. Ein Ionenstrahl, der einer Bahn 5 folgt, wird durch Extrahieren eines Impulses von eingefangenen, thermisierten Ionen aus dem gepulsten Ioneninjektor 4 gebildet. Der Strahl hat beispielsweise in Richtung Y (der sogenannten Driftrichtung) eine Breite von weniger als 0,5 mm. Der Ionenimpuls wird mit hoher Energie (z. B. in dieser Ausführungsform 4 kV) in den Raum zwischen zwei einander gegenüberliegenden verlängerten Spiegeln 6, 8 injiziert, indem eine geeignete Extraktionsspannung an die Elektroden des Ioneninjektors 4 angelegt wird (z. B. Pull-/Push-Elektroden), um die Ionen aus der Ionenfalle heraus zu beschleunigen.
In dieser Ausführungsform ist der gepulste Ioneninjektor 4 eine Ionenfalle. Insbesondere ist die Ionenfalle eine lineare Ionenfalle, etwa eine geradlinige Ionenfalle (R-Falle) oder eine gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle). Die Ionenfalle ist auch eine Quadrupolionenfalle. Eine Ausführungsform einer geradlinigen Ionenfalle, die zur Verwendung als Ioneninjektor 4 geeignet ist, ist in 2 dargestellt. Die Ionenfalle ist eine lineare Quadrupolionenfalle, die Ionen aufnehmen kann, die von einer Ionenquelle (nicht dargestellt) generiert und von einer ionenoptischen Anordnung (z. B. bestehend aus einem oder mehreren Ionenleitern und dergleichen), wie ebenfalls auf dem Fachgebiet hinlänglich verstanden wird, geliefert werden. Die Ionenfalle besteht aus einem vierfachen Elektrodensatz. Der einbeschriebene Radius beträgt 2 mm. Ionen werden radial eingeschränkt durch entgegengesetzte HF-Spannungen (1000 V bei 4 MHz), die an die jeweiligen entgegengesetzten Paare 41, 42 und 44, 44^/ der verlängerten Quadrupol-Elektroden angelegt werden; und axial eingeschränkt durch eine kleine Gleichspannung (+5 V) an jeder der Elektroden (46, 48) mit Gleichstromblende, die sich an einander gegenüberliegenden Enden der Ionenfalle befinden. Die Ionen werden in die Ionenfalle durch die Blende in der Elektrode 46 mit Gleichstromblende eingebracht und durch Kollisionskühlung mit dem in der Ionenfalle vorhandenen Hintergrundgas (< 5 × 10^-3 mbar) thermisiert. Vor der Extraktion der gekühlten Ionen in die Ionenspiegel des Massenanalysators wird das Fallenpotenzial auf 4 kV angehoben und dann ein Extraktionsfeld angelegt, indem -1000 V an die Pull-Elektrode 42 und +1000 V an die Push-Elektrode (41) angelegt werden, wodurch positive Ionen durch einen Schlitz (47) in der Pull-Elektrode in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung in den Analysator ausgestoßen werden. Alternativ dazu könnte die dargestellte geradlinige Quadrupolionenfalle durch eine gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle) ersetzt werden, wie fachbekannt ist.
Neben dem Ioneninjektor 4 werden vorzugsweise mehrere weitere ionenoptische Elemente („Injektionsoptik“) zur Steuerung der Ioneninjektion in die Ionenspiegel 6, 8 eingesetzt. Diese Ioneninjektionsoptik kann als Teil der lonenfokussierungsanordnung betrachtet werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform befinden sich außerhalb der Ebene fokussierende Linsen 54, 58 (d. h. die in einer Richtung außerhalb der X-Y-Ebene, mit anderen Worten in Richtung Z, fokussieren) entlang des Ionenpfades zwischen dem Ioneninjektor 4 und dem ersten Spiegel 6. Solche außerhalb der Ebene fokussierenden Linsen können verlängerte Blenden aufweisen und die Übertragung von Ionen in den Spiegel verbessern. Zweitens kann ein Abschnitt, z. B. die Hälfte, des Injektionswinkels des lonenstrahls zur Richtung X, wenn er in den Spiegel eintritt, durch den Winkel der Ionenfalle zur Richtung X bereitgestellt werden und kann der Rest, z. B. die andere Hälfte, durch eine Ablenkung bereitgestellt werden, die durch mindestens einen vor dem Ioneninjektor 4 angeordneten Deflektor 56 (einem so genannten Injektionsdeflektor) verursacht wird. Die außerhalb der Ebene liegenden Fokussierlinsen 54, 58 in dieser Ausführungsform sind vor und nach dem Injektionsdeflektor 56 angeordnet. Der Injektionsdeflektor ist im Allgemeinen vor der ersten Reflexion in den Ionenspiegeln positioniert. Der Injektionsdeflektor kann mindestens eine Injektionsdeflektorelektrode (z. B. ein Elektrodenpaar, das oberhalb und unterhalb des lonenstrahls positioniert ist) umfassen. Auf diese Weise wird die isochrone Ebene der Ionen korrekt auf den Analysator ausgerichtet, anstatt z. B. um 2 Grad, mit entsprechenden Flugzeitfehlern, versetzt zu sein. Ein solches Verfahren ist in US 9,136,101 beschrieben. Der Injektionsdeflektor 56 kann ein Deflektor vom Prismentyp der in 5C dargestellten Typen mit oder ohne Einbau einer Driftfokussierlinse sein.
In einigen Ausführungsformen kann der gesamte oder ein großer Teil des Injektionswinkels durch den Injektionsdeflektor 56 bereitgestellt werden. Darüber hinaus versteht es sich, dass mehr als ein Injektionsdeflektor (z. B. in Reihe) dazu verwendet werden kann, einen erforderlichen Injektionswinkel zu erreichen (d. h. es ist ersichtlich, dass das System mindestens einen Injektionsdeflektor, optional zwei oder mehr Injektionsdeflektoren, beinhalten kann). Eine exemplarische Ausführungsform eines Injektionsoptikschemas ist in 3 zusammen mit geeigneten angelegten Spannungen schematisch dargestellt. Der Ioneninjektor 4 ist eine lineare Ionenfalle, an die die vorstehend beschriebenen +1000 V Push- und -1000 V Pull-Spannungen an die 4 kV-Falle angelegt werden, um den Ionenstrahl zu extrahieren. Der durch den Pfeil gezeigte Ionenstrahl durchläuft dann nacheinander eine Ionenoptik, die eine erste Masseelektrode 52, eine erste Linse 54 bei +1800 V, einen lonenabweiser 56 (+70 V) vom Prismentyp, eine zweite Linse 58 bei +1200 V und schließlich eine Masseelektrode 60 umfasst. Die ersten und zweiten Linsen 54, 58 sind mit Blenden versehene Linsen (rechteckige Einzellinsen) zum Bereitstellen einer Fokussierung außerhalb der Ebene. Der Deflektor 56 stellt den Neigungswinkel des lonenstrahls zur X-Achse bereit.
Die zwei Ionenspiegel 6, 8 sind in der Richtung X voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang der Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Driftrichtung Y orthogonal zur Richtung X ist. Wie vorstehend beschrieben, wird der gepulste Ionenstrahl in den Raum zwischen den einander gegenüberliegenden Ionenspiegeln 6, 8 unter einem Neigungswinkel zur Richtung X injiziert, so dass die Ionen eine Geschwindigkeitskomponente in der Richtung Y aufweisen. Dabei folgt der Ionenstrahl einem Ionenpfad 5, der im Zickzack verläuft, indem er mehrfach zwischen den Ionenspiegeln in Richtung X reflektiert, während der Ionenstrahl in Driftrichtung Y (Richtung +Y) driftet. Die Ionenspiegel 6, 8 sind nicht absolut parallel, sondern leicht gegeneinander abgewinkelt (d. h. sie konvergieren entlang der Driftrichtung Y), so dass die Ionen nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen (typischerweise N/2, wobei N die Gesamtzahl der Reflexionen zwischen Injektion und Detektion der Ionen ist) in ihrer Driftgeschwindigkeit entlang Y umgekehrt werden und in die Richtung Y (in der Richtung -Y) zurückdriften, während sie weiterhin in der Richtung X, vor der Detektion durch einen Detektor 14, der sich in der Nähe des loneninjektors 4 befindet, zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden. Solche Anordnungen von konvergierenden Ionenspiegeln sind in US9136101 offenbart, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit hierin enthalten ist. Mit diesem Massenspektrometertyp können praktisch Gesamtflugbahnen von 10 Metern oder mehr erhalten werden. Die so genannten Kompensationselektroden, die in US9136101 zum Kompensieren von Flugzeitaberrationen beschrieben sind, werden vorzugsweise bei der in 1 gezeigten Ausführungsform verwendet (sind jedoch aus Gründen der Deutlichkeit in der Figur nicht dargestellt).
Vorzugsweise ist das ToF-Massenspektrometer ein hochauflösendes Massenspektrometer. Ein hochauflösendes Massenspektrometer kann bei m/z 400 beispielsweise eine Massenauflösung von mehr als 50.000 oder 70.000 oder 100.000 aufweisen. Das ToF-Massenspektrometer weist vorzugsweise eine hohe Massengenauigkeit auf, beispielsweise mit einer Genauigkeit von weniger als 5 ppm oder 3 ppm bei externer Kalibrierung.
Die unterschiedlichen Ionenspezies im Ionenstrahl werden entsprechend ihrem m/z getrennt, wenn sie vom Ioneninjektor 4 zum Ionendetektor 14 wandern, so dass sie in aufsteigender Reihenfolge ihres m/z zum Detektor gelangen. Der Detektor ist vorzugsweise ein Detektor mit einer schnellen Zeitantwort, etwa ein Mehrkanalplatten-(MCP-) oder Dynodenelektronenvervielfacher mit magnetischen und elektrischen Feldern zur Elektronenfokussierung. Der Ionendetektor 14 detektiert das Eintreffen der Ionenspezies mit unterschiedlichen m/z und stellt Signale bereit, die proportional zur Anzahl der Ionen jeder Spezies sind. Ein Datenerfassungssystem (DAQ) 30, das einen Computer mit mindestens einem Prozessor (nicht dargestellt) umfasst, ist mit dem Detektor 14 zum Empfangen von Signalen vom Detektor verbunden und ermöglicht die Bestimmung der Flugzeit der Ionen und damit eines zu erzeugenden Massenspektrums. Das DAQ 30 kann eine Datenspeichereinheit (Speicher) zum Speichern von Daten vom Detektor, von Massenspektren usw. umfassen.
Geeignete Ionenspiegel wie 6 und 8 werden aufgrund des Standes der Technik (z. B. US 9136101 ) gut verstanden. Ein Beispiel für eine Konfiguration eines Ionenspiegels ist schematisch in 4 dargestellt, wobei ein Ionenspiegel 6 eine Mehrzahl von einander gegenüberliegenden verlängerten Elektroden umfasst, die in Richtung X beabstandet sind, etwa fünf Paare von verlängerten Elektroden, wobei das erste Elektrodenpaar 6a des Spiegels auf Massepotenzial eingestellt ist. In jedem Paar ist eine Elektrode über dem Ionenstrahl und eine Elektrode unter dem Strahl positioniert (d. h. in Richtung Z, so dass in der Figur nur eine Elektrode jedes Paares sichtbar ist). Ein Beispiel für Spannungen für den Elektrodensatz (6a-6e), um ein Reflexionspotenzial mit einem Zeitfokus bereitzustellen, ist in 4 dargestellt, wobei die angelegten Spannungen zum Fokussieren von 4 keV positiven Ionen geeignet sind. Bei negativen Ionen können die Polaritäten umgekehrt sein. Wenn der Ionenstrahl in den ersten Spiegel 6 eintritt, wird er in der außerhalb der Ebene liegenden Abmessung durch eine vom ersten Elektrodenpaar 6a des Spiegels 6 ausgeführte Linse fokussiert und von den übrigen Elektroden 6b-6e des Spiegels zu einem Zeitfokus reflektiert. Beispielsweise beträgt der verfügbare Raum zwischen den Spiegeln (d. h. die Entfernung in Richtung X zwischen den ersten Elektroden (6a, 8a) jedes Spiegels) 300 mm und die gesamte effektive Breite des Analysators (d. h. die effektive Entfernung in Richtung X zwischen den durchschnittlichen Umkehrpunkten der Ionen innerhalb der Spiegel) ~650 mm. Die Gesamtlänge (d. h. in Richtung Y) beträgt 550 mm, um einen relativ kompakten Analysator zu bilden.
Nach der ersten Reflexion in dem ersten Ionenspiegel 6 erreicht der Ionenstrahl eine lonenfokussierungsanordnung in Form einer Fokussierlinse 12, die den Ionenstrahl in der Driftrichtung Y fokussiert, d. h. im Wesentlichen orthogonal zum Ionenpfad. Die Fokussierlinse 12 kann daher in dieser Ausführungsform als Driftfokussierlinse bezeichnet werden. Die Fokussierlinse 12 befindet sich mittig in dem Raum zwischen den Spiegeln, d. h. auf halbem Weg zwischen den Spiegeln in Richtung X, vorzugsweise an einem Zeitfokus. Die Fokussierlinse 12 in dieser Ausführungsform ist eine transaxiale Linse, die ein Paar einander gegenüberliegender Linsenelektroden umfasst, die beidseitig des Strahls in einer Richtung Z (senkrecht zu den Richtungen X und Y) positioniert sind. Insbesondere umfasst die Fokussierlinse 12 ein Paar quasielliptischer Platten 12a, 12b, die oberhalb und unterhalb des lonenstrahls angeordnet sind. Die Linse kann eine knopfförmige Linse sein. In dieser Ausführungsform sind die Platten 7 mm breit (in X) und 24 mm lang (in Y). In verschiedenen Ausführungsformen kann das Paar von einander gegenüberliegenden Linsenelektroden kreisförmige, elliptische, quasielliptische oder bogenförmige Elektroden umfassen. Die Fokussierlinse 12 kann in Abhängigkeit von der an sie angelegten Spannung, d. h. der an den Linsenelektroden 12a, 12b angelegten Spannung, eine konvergierende oder divergierende Wirkung auf die räumliche Dispersion des lonenstrahls aufweisen. Eine Spannung wird an die Fokussierlinse 12, d. h. an das Elektrodenpaar, das die Fokussierlinse 12 bildet, durch eine variable Gleichspannungsversorgung 32 angelegt, die durch eine Steuerung 34 gesteuert wird. Die Steuerung 34 umfasst einen Computer und eine zugeordnete Steuerelektronik. Derselbe Computer kann für den Computer des DAQ 30 und den Computer der Steuerung 34 verwendet werden, oder es können verschiedene Computer verwendet werden. Der Computer der Steuerung 34 führt ein Computerprogramm aus, das, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren des Computers ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer (und die zugehörige Steuerelektronik) das Massenspektrometer steuert, um ein Verfahren gemäß der Offenbarung auszuführen. Das Computerprogramm ist auf einem computerlesbaren Medium gespeichert. Die Steuerung 34 (z. B. deren Computer) ist ferner mit dem Datenerfassungssystem 30 kommunikativ verbunden. Wie vorstehend erwähnt, kann derselbe Computer für den Computer des Datenerfassungssystems 30 und den Computer der Steuerung 34 verwendet werden.
Das Konzept, knopfförmige Elektroden (z. B. kreisförmige, ovale, elliptische oder quasielliptische) oberhalb und unterhalb des lonenstrahls anzuordnen, um in einem Multi-Turn-ToF-Instrument eine Driftfokussierung zu generieren, wenn auch periodisch und innerhalb einer Orbitalgeometrie konstruiert, ist in US 2014/175274 A beschrieben, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen ist. Solche Linsen sind eine Form der „transaxialen Linse“ (siehe P.W. Hawkes und E. Kasper, Principles of Electron Optics Volume 2, Academic Press, London, 1989, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen ist). Solche Linsen haben den Vorteil einer breiten räumlichen Akzeptanz, was wichtig ist, um einen verlängerten Ionenstrahl zu steuern.
Die Linsen müssen breit genug sein, um sowohl den Ionenstrahl aufzunehmen als auch die Fokussiereigenschaften nicht durch die 3D-Feldstörung von den Seiten der Linse zu beeinträchtigen. Der Abstand zwischen den Elektroden der transaxialen Linse sollte ebenfalls ein Kompromiss zwischen einer Minimierung dieser 3D-Störungen und der Aufnahme der Strahlhöhe sein. In der Praxis kann ein Abstand von 4-8 mm zwischen den Linsenelektroden ausreichend sein. Eine Variation der Linsenkrümmung von einer kreisförmigen (Knopf-)Linse zu einer schmalen ellipsenförmigen Linse ist möglich. Eine quasielliptische Struktur mit einem kurzen Bogen reduziert die Flugzeitaberrationen im Vergleich zu einem breiteren Bogen oder Vollkreis, da der Pfad durch sie hindurch kürzer ist, erfordert aber stärkere Spannungen und beginnt bei Extremwerten, einen beträchtlichen Linseneffekt außerhalb der Ebene zu induzieren. Dieser Effekt kann für eine Kombination von Driftkontrolle und Dispersion außerhalb der Ebene in einer einzigen Linse nutzbar gemacht werden, begrenzt aber den Steuerungsbereich über jede Eigenschaft. Ergänzend können Bereiche, in denen bereits starke Felder angelegt sind, etwa der Bereich der Ionenextraktion an der Ionenfalle 4, über die Krümmung der lonenfallen-Pull-/Push-Elektroden genutzt werden, um die Driftdivergenz des lonenstrahls entweder zu induzieren oder zu begrenzen. Ein Beispiel dafür ist die handelsübliche gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle), die im Dokument US 2011-284737 A beschrieben ist, dessen Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen ist, wobei ein verlängerter Ionenstrahl auf einen Punkt fokussiert wird, um die Injektion in einen Orbitrap™-Massenanalysator zu erleichtern.
5 zeigt verschiedene Ausführungsformen (A, B) von Driftfokussierlinsen, die kreisförmige 20 und quasielliptische 22 Linsenplatten (Elektroden) sowie geerdete umschließende Elektroden 24 für jede Platte umfassen. Die Linsenelektroden 20, 22 sind von den geerdeten umschließenden Elektroden 24 isoliert. Ebenfalls dargestellt (C) ist die Integration einer Linse 22 (in diesem Fall der quasielliptischen (elliptischen oder nahezu elliptischen) Form, die aber auch kreisförmig usw. sein könnte) in einen Deflektor, der in dieser Ausführungsform eine trapezförmige, prismenförmige Elektrodenstruktur 26 umfasst, die oberhalb und unterhalb des lonenstrahls angeordnet ist, der als Deflektor dient, indem er den ankommenden Ionen einen konstanten Feldwinkel anstatt einer Kurve präsentiert. Die Deflektorstruktur umfasst eine trapezförmige oder prismenförmige Elektrode, die oberhalb des lonenstrahls angeordnet ist, und eine weitere trapezförmige oder prismenförmige Elektrode, die unterhalb des lonenstrahls angeordnet ist. Die Linsenelektroden 22 sind vom Deflektor isoliert, d. h. trapezförmige, prismenförmige Elektroden, in denen sie angeordnet sind, die wiederum von den geerdeten umschließenden Elektroden 24 isoliert sind. Die Platzierung der Linse innerhalb einer Deflektorstruktur mit breiter räumlicher Akzeptanz ist eine platzsparende Konstruktion.
Andere mögliche Ausführungsformen einer geeigneten Linse sind in 6 dargestellt, beispielsweise: eine Anordnung (A) von montierten Elektroden 30 (z. B. montiert auf einer Leiterplatte (PCB) 32), die durch eine Widerstandskette getrennt sind, um die durch geformte Elektroden erzeugte Feldkrümmung nachzubilden; eine mehrpolige Stabanordnung (B) zum Erzeugen eines Quadrupol- oder Pseudoquadrupolfeldes, etwa eine Linse auf der Basis von 12 dargestellten Stäben mit Pseudoquadrupolkonfiguration mit relativen Stabspannungen (V), und eine blendenbasierte Linse, etwa eine Einzellinsenstruktur mit normaler Blende (C). Solche Ausführungsformen der Fokussierlinse, z. B. wie in den 5 und 6 dargestellt, können auf alle Ausführungsformen des ToF-Massenspektrometers anwendbar sein.
Die optimale Position für die Fokussierlinse 12 kann nach der ersten, aber vor der vierten oder fünften Reflexion in dem Ionenreflexionssystem liegen, d. h. sie ist relativ früh in dem System positioniert, das >20 Reflexionen aufweist. Die optimale Position für die Fokussierlinse kann vorzugsweise nach der ersten Reflexion, aber vor der zweiten oder dritten (insbesondere vor der zweiten) Reflexion sein.
1 zeigt die Konfiguration des ToF-Spektrometers mit konvergierendem Spiegel, wobei die Fokussierlinse 12 nach der ersten Ionenreflexion positioniert ist, in diesem Fall in einem Driftenergie reduzierenden Deflektor 16 eingebaut. Unter Umständen sollte vorzugsweise in die nach der ersten Reflexion montierte Fokussierlinse 12 auch der Ionendeflektor 16, z. B. vom in 5 dargestellten Prismentyp (Ausführungsform C), eingebaut sein. Dieser Deflektor kann dazu abgestimmt werden, den Injektionswinkel auf ein gewünschtes Niveau einzustellen und/oder die durch mechanische Abweichungen in den Spiegeln verursachte Strahlablenkung zu korrigieren. Darüber hinaus können Fehler in der Spiegelherstellung oder -montage bei jeder Reflexion einen kleinen Flugzeitfehler verursachen, da Ionen auf der einen Seite des Strahls eine kürzere Flugbahn nehmen als auf der anderen, und diese können vorzugsweise durch Hinzufügen von zwei Kompensationselektroden im Raum zwischen den Spiegeln, wie vorstehend beschrieben, korrigiert werden.
In einigen Ausführungsformen wurde festgestellt, dass eine zusätzliche Fokussierlinse (Fokussierung in der gleichen Driftrichtung (Y) wie die Fokussierlinse 12), die zwischen dem Ioneninjektor 4 und der ersten Reflexion montiert und divergierend betrieben wird, verwendet werden kann, da dies eine gewisse Kontrolle der Ionenstrahldivergenz ermöglichen kann, bevor der Strahl die Fokussierlinse 12 erreicht. Eine solche zusätzliche Fokussierlinse kann in dem Ioneninjektionsdeflektor 56 montiert sein, wie vorstehend beschrieben und in dem Injektionsoptikschema der 3 dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen kann die lonenfokussierungsanordnung daher eine erste Fokussierlinse, die vor der ersten Reflexion in den Ionenspiegeln positioniert ist, um den Ionenstrahl in der Driftrichtung Y zu fokussieren, wobei die erste Fokussierlinse vorzugsweise eine divergierende Linse ist, und eine zweite Fokussierlinse 12 umfassen, die nach der ersten Reflexion in den Ionenspiegeln positioniert ist, um den Ionenstrahl in der Driftrichtung Y zu fokussieren, die weniger divergierend auf den Strahl wirkt als die erste Fokussierlinse oder konvergierend wirken kann. Die zusätzliche Fokussierlinse kann wie die Fokussierlinse 12 aufgebaut sein, z. B. als transaxiale Linse mit kreisförmiger, elliptischer oder quasielliptischer Form, wie in 5 dargestellt, oder als eine der anderen in 6 dargestellten Linsenarten. An die zusätzliche Fokussierlinse wird jedoch typischerweise eine andere Spannung angelegt als an die Fokussierlinse 12, da sie auf eine unterschiedliche Breite des lonenstrahls einwirkt und unterschiedliche Fokussiereigenschaften bietet.
Der Ionenstrahl wird durch das Linsenpaar 54, 58 in der Dimension außerhalb der Ebene (außerhalb der X-Y-Ebene) fokussiert und in den ersten Ionenspiegel 6 von zwei einander gegenüberliegenden Ionenspiegeln 6, 8 gerichtet. Nach der ersten Reflexion treffen die Ionen auf die Kombination von Deflektor/Fokussierlinse 12, 16, wobei der Deflektor 16 den Injektionswinkel minimiert (um die Anzahl der Ionenreflexionen innerhalb der Spiegellänge zu maximieren) und die Linse 12 den Ionenstrahl in (Drift-)Richtung Y fokussiert. Die Linse 12 kann die Fokussierung des lonenstrahls in Abhängigkeit von einem Ladungszustand mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl einstellen, der genau detektiert werden soll. Die Linse 12 normiert vorzugsweise die räumliche Strahldispersion für mehrfach geladene Ionen auf jene von einfach geladenen Ionen. Nach dem Passieren der Fokussierlinse 12 tritt der Strahl dann in den zweiten Ionenspiegel 8 ein und danach wandern Ionen zwischen den beiden Spiegeln über eine Anzahl von Reflexionen hin und her, wenn sie die Driftstrecke hinunterwandern. Schließlich reflektieren die konvergierenden Spiegel (und zusätzliche ToF-Kompensationselektroden (nicht dargestellt) in 1) die Ionen zurück entlang der Driftrichtung, wo sie schließlich auf den Ionendetektor 14 fokussiert werden, der in der Nähe des Ioneninjektors 4 angeordnet ist.
Eine Simulation des in 1 gezeigten Systems deutete darauf hin, dass am Punkt der maximalen Strahlbreitendivergenz, d. h. am Reflexionspunkt in Driftrichtung Y, einfach geladene Ionen eine Breite in Driftrichtung Y von 28 mm voller Breite bei halbem Maximum (FWHM) erreichen, aber 10+ Ionen eine Breite von nur 7 mm erreichen; dies führt zu einer enormen Verringerung der Raumladungstoleranz. Durch Anlegen von +70 V an die Elektroden der Fokussierlinse 12 verglichen mit 0 V für einfach geladene Ionen kann dies unter der Annahme korrigiert werden, dass die Eigenschaften des Analysators ohne Linse konstruktionsbedingt auf eine Wärmeverteilung von Ionen mit Einfachladung abgestimmt sind und somit die Raumladungstoleranz erhalten bleiben kann.
Somit stellt die Offenbarung das Abstimmen der Spannung der Fokussierlinse 12 in einer Weise bereit, die von den Ladungszuständen der Analyten abhängig ist. Beispielsweise kann die Größe einer an eine konvergierende Fokussierlinse angelegten Spannung (konvergierende Spannung) für relativ höhere Ladungszustände (mehrfach geladene Zustände) verringert werden oder kann eine Spannung an einer divergierenden Fokussierlinse (divergierende Spannung) für relativ höhere Ladungszustände im Vergleich zu relativ niedrigeren Ladungszuständen (z. B. einfach geladener Zustand) erhöht werden, so dass der Strahl für Ionen mit höheren Ladungszuständen optimal oder nahezu optimal divergiert bleibt. Eine Variation der an die Fokussierlinsen 54, 58 außerhalb der Ebene angelegten Spannungen hat auch einen Wert für die Aufrechterhaltung einer optimalen Ionenstrahldispersion orthogonal zur Driftrichtung. Die Fokussierung in dieser Dimension ist jedoch für das in 1 dargestellte System weniger kritisch, wobei die Dispersion in dieser Ebene relativ eng ist, aber dennoch potenziell signifikant sein kann. Somit kann die variable Spannung an eine lonenfokussierungsanordnung angelegt werden, die den Ionenstrahl in einer oder beiden Richtungen orthogonal zum Ionenpfad fokussiert. Da die Ionenstrahldispersion im Flugzeitspektrometer durch Linsen gesteuert wird (z. B. die Driftsteuerlinse 12 und die Linsen 54, 58 außerhalb der Ebene in 1), ist es vorteilhaft, die Spannungen an diesen Linsen zu variieren, um sie hinsichtlich Variationen in diesen Eigenschaften am besten zu korrigieren.
Das in 1 gezeigte Massenspektrometer wurde modelliert (unter Verwendung der 3D-Simulationssoftware MASIM), und es wurden Ionenbahnen mit unterschiedlichen Dispersionsenergien simuliert. Die Spannung der lonendriftfokussierlinse 12 wurde auf einen optimalen Wert für einen Bereich verschiedener Dispersionsenergien eingestellt, und der resultierende Trend ist in 7 dargestellt (optimale Linsenspannung auf der vertikalen Achse, aufgetragen gegen die Dispersionsgeschwindigkeit auf der horizontalen Achse relativ zu thermisierten, einfach geladenen positiven Ionen). In diesem Modell war ein Bereich bis auf die ungefähr 2-fache Geschwindigkeit korrigierbar (4-fache Wärmeenergie), aber es gibt eine Grenze, wenn die Breite eines stark dispergierten Strahls an der Linse die räumliche Akzeptanz der Linse überschreitet. Da der Ladungszustand der Ionen direkt mit der Dispersionsgeschwindigkeit abgebildet wird, kann die Variation der optimalen Linsenspannung für unterschiedliche Ladungszustände näherungsweise bestimmt werden, und diese Variation der Linsenspannung (vertikale Achse) mit dem Ionenladungszustand (horizontale Achse) ist in 8 dargestellt. In der Praxis wäre die Kalibrierung der Linsenspannungen am Spektrometer selbst der Verwendung von durch Simulation abgeleiteten Werten vorzuziehen.
Die Offenbarung ermöglicht die Steuerung und Optimierung der lonenfokussierung für die verschiedenen Ladungszustände, die in den Ladungszustandsverteilungen vorhanden sein können, denen der Analysator begegnen kann. Um die Ionenfokussierungseinstellungen zu optimieren, ist ein gewisses Verständnis der Verteilungen der Ionenladungszustände der Probe vor der Ionenanalyse erforderlich. In einigen Fällen kann dies aus der Kenntnis des Probentyps und/oder der Anwendung oder des Massenspektrometers hergeleitet oder vorhergesagt werden, wenn es ein Ladungszustandsfilter wie eine lonenmobilitätsvorrichtung stromaufwärts des gepulsten loneninjektors umfasst, so dass nur Ionen mit bekannten Ladungszuständen an das ToF-Spektrometer geliefert werden oder ein Vor-Scan durchgeführt wird, um die Ionenladungszustände vor der Analyse in einem oder mehreren analytischen Scans zu bestimmen.
Ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Offenbarung ist in 9A dargestellt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform des Massenspektrometers verwendet die Steuerung 34 Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl dazu, die variable Spannungsversorgung 32 zu steuern und eine Spannung auszuwählen, die an die lonenfokussierlinse 12 angelegt werden soll. Der Ladungszustand der Ionenspezies kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Der Ladungszustand kann ein ungefährer Wert des Ladungszustands oder ein genauer Wert sein. Der Ladungszustand der Ionen kann vorhergesagt werden, z. B. aus Vorkenntnissen über den Probentyp, der zum Generieren der Ionen verwendet wird. Ein Benutzer kann daher der Steuerung (d. h. dem Steuerungscomputer über eine Benutzeroberfläche) Informationen über einen oder mehrere Ladungszustände von Ionen eingeben, die aus einer bestimmten Probe generiert werden sollen, oder über den Probentyp (z. B. Herkunft der Probe (z. B. Blut), molekulare Spezies (z. B. ein Metabolit), molekulare Klasse (z. B. Proteine) usw.), so dass die Steuerung den erwarteten Ladungszustand (die erwarteten Ladungszustände) aus dem Probentyp vorhersagt. Die vorhergesagten Ladungszustandsdaten werden somit von der Steuerung in einem in 9A dargestellten Schritt 90 erhalten. Alternativ dazu können der eine oder die mehreren Ladungszustände der Ionen in einem Vor-Scan gemessen werden, z. B. aus der Analyse eines oder mehrerer Massenspektren, die von dem Detektor und dem Datenerfassungssystem 30 erfasst wurden. Routinemäßig verwendete Algorithmen wie THRASH und Advanced Peak Detection können vom Datenerfassungssystem 30 dazu verwendet werden, Ladungszustände von Ionen aus Massenspektren zu bestimmen, die anhand von durch den Detektor erfassten Daten generiert werden. Gemessene Ladungszustandsdaten werden somit von der Steuerung in einem Schritt 92 erhalten. Die gemessenen Ladungszustandsdaten können alternativ oder zusätzlich zu vorhergesagten Ladungszustandsdaten erhalten werden, z. B. um vorhergesagte Ladungszustandsdaten zu verifizieren oder zu modifizieren. Die lonenmenge einer Ionenspezies kann auf verschiedene Arten erhalten werden, z. B. durch das Datenerfassungssystem 30 anhand der gemessenen Spitzenintensität von Ionenspezies in einem oder mehreren Massenspektren, die vom Detektor in einem Vor-Scan erfasst wurden. In einigen Ausführungsformen wird daher zuerst ein Vor-Scan (d. h. ein vorläufiges Massenspektrum) durch den Detektor und das Datenerfassungssystem erfasst, um Daten über den Ladungszustand und/oder die lonenmenge von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl in einem Schritt 92 zu erhalten.
Die Steuerung 34 ist mit dem Datenerfassungssystem 30 kommunikativ verbunden, so dass die erfassten Daten zu Ladungszuständen und/oder Ionenhäufigkeit von der Steuerung dazu verwendet werden können, die variable Spannungsversorgung 32 in Schritt 94 entsprechend zu steuern. Zusätzlich oder alternativ dazu können Benutzereingabedaten zu Ladungszuständen und/oder Ionenhäufigkeit von der Steuerung dazu verwendet werden, die variable Spannungsversorgung 32 in diesem Schritt zu steuern. Die Steuerung 34 verwendet Steuersignale dazu, die variable Spannungsversorgung 32 zu steuern. Die Steuerung umfasst einen Computer, der mit einem Programm dazu programmiert ist, die variable Spannungsversorgung gemäß den Daten über mindestens einen Ladungszustand und/oder die Menge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl zu steuern. Wenn beispielsweise in einigen Ausführungsformen die Daten zum Ladungszustand angeben, dass nur einfach geladene Ionen vorhanden sind und/oder dass ein Massenspektrum unter Verwendung eines für die einfach geladenen Ionen optimierten Ionenstrahlzustands erfasst werden sollte, steuert die Steuerung 34 gemäß dem Programm die variable Spannungsversorgung 32 dahingehend, dass diese eine erste Spannung (V₁) an die lonenfokussierlinse 12 anlegt. Wenn die Daten zum Ladungszustand angeben, dass mehrfach geladene Ionen vorhanden sind und/oder dass ein Massenspektrum unter Verwendung von Ionenstrahlbedingungen erfasst werden sollte, die für die mehrfach geladenen Ionen optimiert sind, steuert die Steuerung 34 die variable Spannungsversorgung 32 dahingehend, dass diese die auf die Fokussierlinse 12 angelegte Spannung von der ersten Spannung (V₁) in eine zweite Spannung (V₂), die sich von V₁ unterscheidet, ändert.
Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von verschiedenen Spannungen von der variablen Spannungsversorgung 32 in Abhängigkeit vom Ladungszustand (von den Ladungszuständen) der Ionen im Ionenstrahl an die Fokussierlinse angelegt werden. Beispielsweise kann eine erste Spannung (V₁) an die Fokussierlinse 12 für einfach geladene Ionen, eine zweite Spannung (V₂) für mehrfach geladene Ladungsionen +2 bis +5, eine dritte Spannung (V₃) für mehrfach geladene Ladungsionen +6 bis +10, ... und so weiter angelegt werden. In einigen Ausführungsformen könnte eine unterschiedliche Spannung für jeden unterschiedlichen Ladungszustand angelegt werden, z. B. Spannung V₁ für Ladung +1, Spannung V₂ für Ladung +2, Spannung V₃ für Ladung +3 usw. In einigen Ausführungsformen könnte eine unterschiedliche Spannung für unterschiedliche Bereiche von Ladungszuständen angelegt werden, z. B. Spannung V₁ für Ladungszustand +1, Spannung V₂ für Ladungen +2 bis +4, Spannung V₃ für Ladungen +5 bis +7, ... und so weiter.
Neben Effekten, die durch höhere Ladungszustände verursacht werden, können Raumladungseffekte innerhalb des Spektrometers durch intensive Ionenspitzen oder benachbarte intensive Ionenspitzen verursacht werden und die Ionenstrahldispersion erhöhen und können daher auch zumindest teilweise durch Variation der Spannung(en) auf der/den lonenfokussierlinse(n), insbesondere der Driftfokussierlinse, korrigiert werden. Wie bei der Variation der Spannung mit dem Ladungszustand ist es erforderlich, die intensiven Ionenspitzen (Pakete) oder Cluster von Spitzen vorher zu kennen, wenn sie sich der relevanten Fokussierlinse nähern, damit die Spannung eingestellt werden kann. Dies kann mit einem Vor-Scan geschehen, wie vorstehend beschrieben, oder in einigen Ausführungsformen unter Verwendung einer induktiven Ladungs- oder Stromdetektionsvorrichtung mit einer Elektrode, die vorzugsweise nahe dem Ionenstrahl stromaufwärts der Fokussierlinse, vorzugsweise nahe der Ionenquelle beim ersten Fokus der Ionen positioniert ist, da dies die Auflösung und Signalintensität von der Detektionsvorrichtung maximiert. In dem in 1 beschriebenen Spektrometer würde diese Elektrode am besten zwischen dem Ioneninjektor 4 und der ersten Linse 54 außerhalb der Ebene positioniert, da hier der erste Fokus liegt und die für die Detektion und die Spannungsantwort verfügbare Zeit maximiert ist. Beispielsweise würden intensive Ionenspitzen oder -pakete (z. B. etwa von 100-1000 Ionen) einen detektierbaren Strom auf einem Ladungsdetektor induzieren, was zu einem Signal führen würde, das eine Änderung der Linsenspannung auslösen könnte, um sie hinsichtlich der Raumladung des Ionenpakets zu korrigieren.
Wenn dementsprechend in einigen Ausführungsformen die Daten über die Anzahl der Ionen einer Ionenspezies angeben, dass die Anzahl unter einem ersten vom Computerprogramm festgelegten Schwellenwert liegt und/oder ein Massenspektrum unter Verwendung eines für Ionen dieser Ionenspezies optimierten Ionenstrahlzustands erfasst werden sollte, steuert die Steuerung 34 gemäß dem Programm die variable Spannungsversorgung 32 zum Anlegen einer ersten Spannung (V₁) an die lonenfokussierlinse 12. Wenn die Daten über die Anzahl der Ionen einer Ionenspezies angeben, dass die Anzahl über dem ersten Schwellenwert liegt und/oder dass ein Massenspektrum unter Verwendung von Ionenstrahlbedingungen erfasst werden sollte, die für Ionen dieser Ionenspezies optimiert sind, steuert die Steuerung 34 die variable Spannungsversorgung 32 dahingehend, dass diese die auf die Fokussierlinse 12 von der ersten Spannung (V₁) angelegte Spannung in eine zweite Spannung (V₂) ändert, die sich von V₁ unterscheidet. Wenn die Daten über die Anzahl der Ionen einer Ionenspezies angeben, dass die Anzahl über dem ersten Schwellenwert liegt und/oder dass ein Massenspektrum unter Verwendung von Ionenstrahlbedingungen erfasst werden sollte, die für Ionen dieser Ionenspezies optimiert sind, steuert die Steuerung 34 die variable Spannungsversorgung 32 dahingehend, dass diese die auf die Fokussierlinse 12 von der ersten Spannung (V₁) angelegte Spannung in eine zweite Spannung (V₂) ändert, die sich von V₁ unterscheidet. In einigen Ausführungsformen könnte eine unterschiedliche Spannung für unterschiedliche Bereiche von Ionenzahlen angelegt werden, z. B. Spannung V₁ für Ionenzahlen in einem Bereich I₁ bis I₂, Spannung V₂ für Ionenzahlen über I₂ bis I₃, Spannung V₃ für Ionenzahlen über I₃ bis I₄ ,... und so weiter.
Die durch die variable Spannungsversorgung 32 an die lonenfokussierlinse angelegte Spannung kann sowohl von einem Ladungszustand als auch einer lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig sein. Somit kann die an die Linse angelegte Spannung V durch V = f(z,l) gegeben sein, wobei f(z,l) eine Funktion ist, die von den Termen z und l abhängig ist, die einen Ladungszustand (z) bzw. eine lonenmenge (I) darstellen.
Die Werte der basierend auf dem Ladungszustand und/oder der Anzahl der Ionen mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl anzulegenden Spannungen können durch ein Kalibrierungsverfahren bestimmt werden. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Kalibrierungsmischungen ionisiert werden, um eine oder mehrere Kalibrierungsmischungen von Ionen bereitzustellen, die durch das Spektrometer massenanalysiert werden. Die Kalibrierungsmischungen enthalten Moleküle, die Ionen mit typischerweise bekanntem m/z bilden. Ein Beispiel für eine Kalibrierungsmischung ist die Pierce™ FLEXMIX™ Calibration Solution, die bei Thermo Fisher Scientific™ erhältlich ist, die eine Mischung aus 16 hochreinen, ionisierbaren Komponenten (Massenbereiche: 50 bis 3000 m/z) ist, die sowohl für positive als auch negative lonisationskalibrierung konstruiert ist und weitgehend einfach geladene Ionen bereitstellt. Kalibrierungslösungen zum Bereitstellen mehrfach geladener Ionen können beispielsweise eine Proteinmischung enthalten; häufig verwendete Proteine in Kalibrierungslösungen umfassen Ubiquitin, Myoglobin, Cytochrom C und/oder Carboanhydrase, aber es können auch viele andere Proteine und/oder Peptide nach Bedarf in den Kalibrierungsmischungen verwendet werden. Beispielsweise enthält die Pierce™ Retention Time Calibration Mixture eine Mischung aus 15 bekannten Peptiden. Während des Kalibrierungsvorgangs wird eine Massenanalyse der einen oder mehreren Kalibrierungsmischungen von Ionen (Aufzeichnungsmassenspektren) bei variierenden Spannungen durchgeführt, die an die lonenfokussierungsanordnung 12 angelegt werden, um die Abhängigkeit der aufgezeichneten m/z-Werte und Spitzenintensitäten von der Spannungsvariation für verschiedene Ionenmassen (m), Ladungszustände (z) und Spitzenintensitäten zu bestimmen. Die optimierte Spannung, die an die lonenfokussierungsanordnung 12 angelegt werden soll, kann somit für gegebene m-, z- und/oder Spitzenintensitäten (Ionenzahlen) bestimmt werden. In einigen Aspekten dieser Offenbarung können zusätzliche oder alternative Kalibrierungsverfahren unter Verwendung einer oder mehrerer Kalibrierungsmischungen durchgeführt werden, wobei eine Abhängigkeit der aufgezeichneten m/z-Werte und Spitzenintensitäten für Druck- und/oder Spannungsvariationen im Ioneninjektor (Ionenfalle) 4 bestimmt wird. Derlei Abhängigkeiten von aufgezeichneten m/z-Werten und Spitzenintensitäten (von der Spannung der lonenfokussierungsanordnung, dem Injektordruck und/oder der Injektorspannung) können durch Funktionen (z. B. glatte Funktionen wie Splines) näherungsweise bestimmt werden. Die Näherungsfunktionen können auch zur Korrektur der erfassten Massenspektren nach der Erfassung verwendet werden, z. B. vor dem Speichern der Spektren. Vorzugsweise können bestimmte mehrdimensionale Abhängigkeiten durch solche Funktionen (z. B. Splines) näherungsweise bestimmt und zur Online-Korrektur erfasster Massenspektren verwendet werden, bevor sie gespeichert werden.
Unter Verwendung einer eingestellten, optimierten Spannung an der lonenfokussierlinse kann ein Massenspektrum unter optimalen Ionenstrahlbedingungen für den bestimmten Ladungszustand und/oder die Anzahl von Ionen der mindestens einen Spezies, die zum Einstellen der Spannung verwendet wird, wie in Schritt 96 in 9A dargestellt, erfasst werden. Wenn nach dem Erfassen der gewünschten Anzahl von Massenspektren unter Verwendung der optimierten Spannung weitere Massenspektren erfasst werden müssen, die stattdessen für einen weiteren Ladungszustand und/oder eine weitere Anzahl von Ionen mindestens einer Spezies im Ionenstrahl optimiert sind, kann die Steuerung zu Schritt 94 zum Einstellen der an die lonenfokussierlinse angelegten Spannung auf einen anderen Wert zurückkehren, um die Ionenstrahlbedingungen für den bestimmten weiteren Ladungszustand und/oder die weitere Anzahl von Ionen zu optimieren, und können ein weiteres Massenspektrum oder weitere Spektren erfasst werden, und so weiter. Das Verfahren endet, wenn keine weiteren Spektren erforderlich sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Massenspektrometer, wie es allgemein in 1 dargestellt ist, ferner eine lonenfragmentierungsvorrichtung, wie eine kollisionsinduzierte Dissoziationszelle (CID-Zelle) oder eine andere Dissoziationszelle, die stromaufwärts des loneninjektors 4 angeordnet ist, um die Durchführung einer MS2-Analyse von Ionen zu ermöglichen. Ein Massenfilter, etwa ein Quadrupolmassenfilter, ist ebenfalls stromaufwärts der lonenfragmentierungsvorrichtung zur Auswahl von zu fragmentierenden Ionen mit bestimmten m/z angeordnet. In MS2 kann die Steuerung 34 dazu konfiguriert sein, die Spannungsversorgung zu steuern, um die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer Spezies von Produktionen zu variieren, die aus der vor der MS2-Analyse durchgeführten MS1-Analyse von Ionen abgeleitet sind. Auf diese Weise kann die Einstellung der Fokussierung und der Ionenstrahldispersion in einem MS2-Scan (Produktionen-Scan) auf Ladungszustands- und/oder Häufigkeitsdaten basieren, die aus einem früheren MS1-Scan (Vorläuferionen-Scan) erfasst wurden. Der Steuerungscomputer kann dazu konfiguriert sein, mindestens einen Ladungszustand von Produktionen in einer MS2-Analyse anhand mindestens eines Ladungszustands von Ausgangsionen vorherzusagen, die in einer MS1-Analyse erfasst wurden, beispielsweise unter Verwendung von Fragmentierungswissen oder Regeln rund um das Fragmentierungsverhalten von Ausgangsionen.
Somit stellt diese Offenbarung in einer besonderen Ausführungsform ein Verfahren zur Tandemmassenspektrometrie (MS2-Massenspektrometrie) bereit, wobei die Ladungszustände der Ausgangsionen während MS1-Scans bestimmt werden, wie dies routinemäßig durch Algorithmen wie THRASH und Advanced Peak Detection durchgeführt wird. Bei den MS2-Scans ist der Ladungszustand der Produktionen vom Ladungszustand der Ausgangsionen sowie von anderen Faktoren wie Dissoziationsverfahren und den Bedingungen (normierte Kollisionsenergie, Wahl des Gases usw.) abhängig. Die weitgefasste Beziehung kann dazu verwendet werden, wahrscheinliche Produktionenladungszustände herzuleiten und die Spannung der Fokussierlinse entsprechend einzustellen, um eine Korrektur hinsichtlich des Ladungszustands vorzunehmen. Ein einfaches Flussdiagramm eines solchen Verfahrens ist in 9B dargestellt. In einem Schritt 110 wird ein MS1-Scan von Vorläuferionen durchgeführt. Der MS1-Scan wird unter Verwendung eines Ladungszustandsdetektionsalgorithmus analysiert, um die Verteilung von Ladungszuständen zu bestimmen, die unter den Vorläuferionen vorhanden sind. In Schritt 120 wählt das Massenspektrometer dann unter Verwendung des Massenfilters eine bestimmte Vorläuferionenspezies für die MS2-Analyse aus. Anhand des bestimmten Ladungszustands des Vorläuferions sagt der Computer der Steuerung in Schritt 130 den Ladungszustand (die Ladungszustände), d. h. die Ladungszustandsverteilung, der Produktionen voraus, und in Schritt 140 stellt die Steuerung die von der variablen Spannung angelegte Spannungsversorgung der lonenfokussierungsanordnung (Ladungszustandskorrekturvorrichtung) mit einem Wert ein, der ein für die Ladungszustandsverteilung der Produktionen bestimmtes Optimum ist. In Schritt 150 wird der MS2-Scan durch das Spektrometer unter Verwendung der Spannungseinstellung für die im vorhergehenden Schritt 140 eingestellte lonenfokussierungsanordnung erfasst. Dann wird vom Computer der Steuerung in Schritt 160 eine Entscheidung getroffen, so dass, wenn noch weitere Vorläufer durch MS2-Analyse zu analysieren sind, ein anderer Vorläufer ausgewählt und das Verfahren ab Schritt 120 fortgesetzt wird und, wenn keine weiteren Vorläufer durch MS2 zu analysieren sind, das Verfahren beendet wird oder zu Schritt 110 zurückkehrt, um ein neues MS1-Spektrum zu erfassen.
Das Vorhersagen der Ladungszustandsbeziehung zwischen Vorläufer- und Produktionen (Fragmentionen) ist nicht immer einfach. Es ist offensichtlich, dass nur hoch geladene Vorläufer hoch geladene Fragmentionen produzieren können, und intuitiv verständlich, dass sich die Verteilung des Fragmentionenladungszustands umso mehr nach oben verschiebt, je höher die Vorläuferladung ist. Madsen et al (Anal. Chem., 2009, 81 (21), S. 8677-8686) haben gezeigt, dass die Produktionen mit zunehmendem Vorläuferladungszustand sowohl im modalen Ladungszustand zunehmen als auch sich in der Ladungszustandsverteilung ausweiten. Es wird jedoch beobachtet, dass der Trend mit verschiedenen Proteinionen variiert, wie in 10 für Ubiquitin, Myoglobin, Cytochrom C und Carb.anhy. (Carboanhydrase) gezeigt. Trotzdem kann es vorteilhaft sein, die lonenfokussierungsanordnung einfach gemäß einer einfachen Funktion des Ladungszustands der Vorläuferionen abzustimmen. Beispielsweise würde ein linearer Trend von 0,45x basierend auf den Daten in 10 passen. Es wäre jedoch ideal, eine Funktion für bestimmte Proben und Bedingungen zu optimieren.
Die variable Spannungsversorgung kann in Verbindung mit der Steuerung dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung von einem m/z-Scan zu einem nachfolgenden m/z-Scan (d. h. zwischen einem Scan eines lonenimpulses und einem nachfolgenden Scan eines anderen Ionenimpulses) zu variieren. Auf diese Weise kann ein früherer Scan dazu verwendet werden, Ladungszustands- und/oder Häufigkeitsdaten von mindestens einer Ionenspezies abzuleiten, die dazu verwendet werden, die an die lonenfokussierungsanordnung in einem späteren Scan angelegte Spannung zu steuern. Der frühere Scan kann der dem späteren Scan unmittelbar vorhergehende Scan sein oder zwei, drei oder mehr Scans früher erfolgen. In einem Verfahren ist die Spannungsversorgung dazu konfiguriert, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Ladungszustandsdaten und/oder Raumladungsdaten (Daten über die Anzahl von Ionen unterschiedlicher Spezies) von Ionen in dem von einem Vor-Scan erfassten Ionenstrahl eines Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren.
Die variable Spannungsversorgung kann in Verbindung mit der Steuerung dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer Ionenspezies in dem durch den Detektor erfassten Ionenstrahl und/oder in einigen Ausführungsformen unter Verwendung einer Ladungsmessvorrichtung zum Messen der Ladung im Ionenstrahl zu variieren. Die Ladungsmessvorrichtung kann stromaufwärts der lonenfokussierungsanordnung angeordnet sein und kann in oder neben dem Ionenpfad angeordnet sein. Die Ladungsmessvorrichtung kann beispielsweise ein im Ionenpfad angeordnetes Gitter oder eine neben dem Ionenpfad angeordnete Bildstrommessvorrichtung umfassen. Somit ist es möglich, dass die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung innerhalb eines m/z-Scans eines einzelnen Ionenimpulses aus dem Ioneninjektor zu variieren. Mit anderen Worten kann die Spannungsversorgung dazu konfiguriert sein, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl, der von den Ionen im laufenden Betrieb während eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor erfasst wird, zu variieren. Die Daten werden für eine gegebene Ionenspezies im Ionenstrahl durch die vorgeschaltete Ladungsmessung erfasst und der Steuerung bereitgestellt, um die von der variablen Spannungsversorgung an die lonenfokussierungsanordnung angelegte Spannung bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Ionen der gegebenen Ionenspezies die lonenfokussierungsanordnung erreichen, anzupassen. Somit kann die mindestens eine variable Spannung in Abhängigkeit von der Zeit korrelierend mit den Ankunftszeiten an der Fokussierungsanordnung von Ionen mit unterschiedlichem Ladungszustand und/oder unterschiedlicher Raumladung variabel sein, d. h. synchron mit dem Eintreffen unterschiedlicher Ionenspezies an der lonenfokussierungsanordnung variiert werden.
Die an die lonenfokussierungsanordnung angelegte Spannung für mindestens eine Spezies, die einen mehrfach geladenen Zustand aufweist, kann dergestalt sein, dass eine räumliche Dispersion der Ionen mit mehrfach geladenem Zustand auf eine räumliche Dispersion einfach geladener Ionen normiert wird. Mit anderen Worten kann die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung derart eingestellt werden, dass die räumliche Dispersion der mehrfach geladenen Ionenspezies im Wesentlichen der durchschnittlichen räumlichen Dispersion für einfach geladene Ionen entspricht.
Die variable Spannungsversorgung kann in Verbindung mit der Steuerung dazu konfiguriert sein, die Spannung basierend auf einem Ladungszustand einer einzelnen Ionenspezies im Ionenstrahl an die lonenfokussierungsanordnung anzulegen. In einigen anderen Ausführungsformen kann die variable Spannungsversorgung in Verbindung mit der Steuerung dazu konfiguriert sein, die Spannung basierend auf einer Mehrzahl von Ladungszuständen unterschiedlicher Ionenspezies im Ionenstrahl anzulegen, beispielsweise basierend auf einem repräsentativen Ladungszustandswert einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ladungszuständen. Beispielsweise kann der repräsentative Ladungszustand ein durchschnittlicher Ladungszustand einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ladungszuständen sein. Auf diese Weise kann die angelegte Spannung ein Kompromiss zwischen optimalen Spannungen für eine Anzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ladungszuständen sein. Desgleichen kann in bestimmten Ausführungsformen, in denen die variable Spannungsversorgung in Verbindung mit der Steuerung dazu konfiguriert ist, die Spannung basierend auf mindestens einer lonenmenge an die lonenfokussierungsanordnung anzulegen, die mindestens eine lonenmenge eine lonenmenge einer einzelnen Ionenspezies sein. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann die mindestens eine lonenmenge eine Mehrzahl von Ionen unterschiedlicher Ionenspezies sein. Die mindestens eine lonenmenge kann eine repräsentative lonenmenge einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies umfassen. Beispielsweise kann die repräsentative lonenmenge eine durchschnittliche lonenmenge einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Ionenmengen sein, die im Ionenstrahl vorhanden sind (unterschiedliche Häufigkeiten). Auf diese Weise kann die angelegte Spannung ein Kompromiss zwischen optimalen Spannungen für eine Anzahl unterschiedlicher Ionenspezies mit unterschiedlichen Häufigkeiten sein.
Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte Massenspektrometerkonstruktion nur ein Beispiel für ein Flugzeitmassenspektrometer ist, mit dem die Lehre der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Im Allgemeinen findet die vorliegende Offenbarung breitere Anwendung auf andere Typen, einschließlich üblicherer oder einfacherer Typen von Flugzeitinstrumenten, solange sie mindestens eine lonenfokussierlinse umfassen. Beispielsweise ist die Offenbarung auf ein Einzelreflexionsflugzeitmassenspektrometer anwendbar, wie es schematisch in 11 dargestellt und in US9136100 offenbart ist. Eine gepulste Ionenquelle 200 generiert Ionen, und der Ionenstrahl passiert zwei Zwischenlinsen 202 (zusätzlich zu Linsen nahe der Quelle), die zwischen der Ionenquelle 200 und dem Ionenspiegel 204 angeordnet sind, um die Ionenstrahldispersion in der y- und der z-Richtung orthogonal zum Ionenstrahlengang zu steuern. Nach der Reflexion im Ionenspiegel werden die Ionen vom Ionendetektor 206 detektiert. Die Spannungen der Linsen 202 könnten von einer variablen Spannungsversorgung zugeführt werden, so dass sie wie hierin beschrieben eingestellt werden können, um die Ionenstrahleigenschaften basierend auf dem Ladungszustand und/oder der Anzahl von Ionen mindestens einer Ionenspezies oder tatsächlich allgemein basierend auf Raumladung, Temperatur, m/z usw. zu optimieren. Der hier beschriebene transaxiale Typ einer Fokussierlinse ist insbesondere zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Konvergenzspiegelmassenspektrometer geeignet. Für ein übliches Single-Turn-Flugzeitmassenspektrometer könnte eine einzelne Linse (wie eine Einzellinse) wie in US9136100 beschrieben dazu verwendet werden, eine Einstellung der Strahldispersion in Abhängigkeit von einem Ladungszustand und/oder der Anzahl von Ionen einer Ionenspezies bereitzustellen.
Bei bestimmten Massenspektrometern kann die Gesamtstrahldivergenz zumindest teilweise durch die anfängliche räumliche Verteilung der Ionen im Ioneninjektor bestimmt werden, die normalerweise auch abhängig ist vom Ladungszustand und beispielsweise durch Ändern der Einfangbedingungen gesteuert werden könnte, etwa das Einstellen der Einfangspannungen, um den axialen Potenzialtopf in Abhängigkeit von einem oder mehreren Ladungszuständen der vorhandenen Ionen zu ändern. Beispielsweise könnten die eine oder die mehreren Einfangspannungen auf eine von unterschiedlichen Ladungszuständen abhängige Weise geändert werden. Somit basiert eine Variation der vorstehend beschriebenen Anwendung auf der Erkenntnis, dass Raumladungseffekte innerhalb einer als Ioneninjektor verwendeten HF-Ionenfalle auch ein Faktor sein können, der möglicherweise die Steuerung einer Fokussierungsspannung erfordert, um optimale Strahleigenschaften zu erzielen, da die Größe und die effektive Temperatur der anfänglichen Ionenwolke in der Ionenfalle variiert. Für Flugzeitmassenanalysatoren sollte dies jedoch im Allgemeinen vorzugsweise kein Faktor sein, da das Zulassen der Expansion der Ionenwolke die Auflösung durch Erhöhen der Umkehrzeit in der Ionenfalle beeinflusst. Die anfängliche axiale Verteilung von Ionen in einer linearen Falle ist abhängig vom axialen DC-Potenzialtopf. Für die in 2 dargestellte lineare Ionenfalle wird dies durch die an die Abschlussblenden angelegte Gleichspannung gesteuert. Da mehrfach geladene Ionen von DC-Potenzialtöpfen stärker beeinflusst werden als einfach geladene Ionen, werden sie stärker komprimiert und erleiden somit noch mehr Raumladungseffekte in der Ionenfalle. Dementsprechend ist der Ioneninjektor zum Bilden des lonenstrahls in einem anderen Aspekt der Offenbarung eine HF-Ionenfalle mit einem DC-Potenzialtopf zum Einfangen von Ionen, die von einer oder mehreren Elektroden bereitgestellt wird, und kann eine variable Spannungsversorgung mindestens eine Spannung an die eine oder die mehreren Elektroden bereitstellen, die von einem Ladungszustand mindestens einer Ionenspezies in der Ionenfalle abhängig sind, um dadurch den DC-Potenzialtopf auf der Basis des erwarteten Ionenladungszustands einzustellen.
Eine weitere Variation der vorstehend beschriebenen Anwendung der lonenfokussierlinse besteht darin, die an die Linse angelegte Spannung zu steuern, um Variationen der Ionenenergie zu kompensieren, die dadurch verursacht werden, dass Ionen mit höherer Masse im Ionenfalleninjektor 4 im Vergleich zu Ionen mit niedrigerer Masse nicht ordnungsgemäß gekühlt werden. Im Allgemeinen werden Ionen in einer Ionenfalle, die als Ioneninjektor verwendet wird, durch Kollisionskühlung in der Ionenfalle vor der Extraktion in den Massenanalysator thermisiert. Eine effiziente Kühlung von Ionen mit höherem m/z erfordert jedoch einen hohen Hintergrundgasdruck, der sowohl einen übermäßigen Druck im Analysator selbst erzeugen kann, der die Ionenübertragung behindert, als auch eine Fragmentierung der Analytionen durch Kollisionen mit hoher Energie verursachen kann, wenn sie aus der Falle extrahiert werden. Ionen mit höherem m/z können eine weitere Schwierigkeit beinhalten, da durch ihre größere Größe die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Kollisionen im Flug zunimmt. Die langen Abkühlzeiten, die idealerweise erforderlich sind, um derlei Ionen bei niedrigem Druck zu thermisieren, sind in Instrumenten, die bei Abtastfrequenzen >100 Hz arbeiten, praktisch nicht verfügbar. Wenn nicht genügend Zeit oder Druck vorhanden ist, um Ionen über den gewünschten Massenbereich zu thermisieren, findet eine Variation der Ionendispersion über diesen Massenbereich statt. Durch die Möglichkeit, eine Spannung der Fokussierlinse zu variieren, ist es jedoch zweckmäßig, die Variation der Dispersion zu kompensieren, um die Leistung über den gewünschten Massenbereich aufrechtzuerhalten. Eine Steuerung der Fokussierlinsenspannung mit Ionenmasse kann auch die Verwendung kürzerer Abkühlzeiten und damit einen schnelleren Instrumentenbetrieb ermöglichen. Die von der variablen Spannungsversorgung an die lonenfokussierungsanordnung angelegte Spannung könnte somit auf eine zeitabhängige Weise variiert werden, die mit der Ankunftszeit von Ionen mit variierenden m/z korreliert. Eine derartige Einstellung der Fokussierlinsenspannung kann zusätzlich zu der vorgeschlagenen Einstellung der Fokussierungsspannung für die Ladungszustandsverteilung und/oder die Anzahl der Ionen mindestens einer Ionenspezies im Strahl angewendet werden. Somit kann die Einstellung der Fokussierungsspannung abhängig vom Ladungszustand und/oder der Anzahl von Ionen mindestens einer Ionenspezies und der Ionenmasse (Ankunftszeit an der lonenfokussierungsanordnung) sein.
In einem simulierten Beispiel wurde eine Ionenfalle mit 1 × 10^-3 mbar Stickstoffpuffergas angeordnet und wurden Ionen mit 1 eV Energie injiziert. Die Energien mit eine Abkühlzeit über 1 ms sind in 12 dargestellt. Wenn Ionen anschließend nach 1 ms Abkühlen aus der Falle extrahiert würden, würde der m/z-Massenbereich von 100-2000 die Driftsteuerlinse über 7-30 µs erreichen. Das Anwenden der simulierten Driftlinsenoptima gegenüber Energie mit den Ionenankunftszeiten ergibt die in 13 dargestellte zeitabhängige Spannung. In praktischen Fällen ist es sinnvoll, eine ungefähre Spannung mit einem linearen Trend zu verwenden, da der effizienteste Weg zum Generieren einer derart schnellen Spannungsänderung darin besteht, mit einem transistorbasierten Schalter und einem geeigneten Widerstand und einer geeigneten Kapazität zwischen 2 Spannungspegeln (in diesem Fall 0 bis -50 V) umzuschalten, um die Anstiegszeit auf etwa 25 µs zu steuern. Alternativ dazu kann ein Funktionsgenerator dazu verwendet werden, eine bessere kalibrierte Anpassung zu erzielen. Die Zeitsteuerung und der Gradient dieser dynamischen Spannung können ebenfalls geändert werden, um der erwarteten Verteilung des Ionenladungszustands zu entsprechen.
Innerhalb von HF-Ionenfallen nehmen Ionen am unteren m/z-Ende des stabilen m/z-Bereichs ein kleineres Volumen ein als Ionen mit hohem m/z. Folglich weist die optimale Spannung, die an Fokussierlinsen des Massenspektrometers angelegt wird, idealerweise eine gewisse m/z-Abhängigkeit in Bezug auf diese anfängliche räumliche Verteilung auf, wie beschrieben. In dem in 1 dargestellten ToF-Massenspektrometer ist der Ioneninjektor 4 eine lineare HF-Ionenfalle, wobei die Ionen entlang der Längsachse durch einen DC-Potenzialtopf eingefangen werden, der an der Driftrichtung Y im Spektrometer ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass es entlang dieser Driftrichtung nur geringe m/z-bezogene anfängliche räumliche Differenzen (über kleine Differenzen bezogen auf die Ladungszustandsverteilung mit m/z hinaus) geben sollte und dass das Anlegen einer Korrekturspannung an die Driftsteuerelektrode aus diesem Grund nur wenig vorteilhaft wäre. Die Linsen 54, 58 außerhalb der Ebene weisen jedoch in ihren optimalen Spannungen eine beträchtliche m/z-Abhängigkeit von der Ionenfallenquelle auf, und die Simulationsergebnisse zeigen dies in 14. Die Spannungsfunktion, die auf dieser Grundlage an die zweite Linse 58 außerhalb der Ebene angelegt werden soll, ist in 15 dargestellt. Auch wird diese aus Gründen der praktischen elektronischen Konstruktion vorzugsweise ungefähr linear gehalten, wobei eine Spannung zwischen zwei Pegeln mit einer geeigneten Zeitkonstante umgeschaltet wird.
Die folgenden nummerierten Absätze definieren verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

1. Flugzeitmassenspektrometer, umfassend:
- einen gepulsten loneninjektor zum Bilden eines lonenstrahls, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt;
- einen Detektor zum Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten am Detektor ankommen;
- eine lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem loneninjektor und dem Detektor angeordnet ist, um den Ionenstrahl in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad zu fokussieren; und
- eine variable Spannungsversorgung zum Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung, die von einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
2. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 2, wobei die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf durch den Detektor und/oder eine Ladungsmessvorrichtung zum Messen der Ladung im Ionenstrahl erfassten Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl zu variieren.
3. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 1 oder 2, ferner umfassend eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, Daten über einen Ladungszustand und/oder eine lonenmenge mindestens einer Spezies im Ionenstrahl zum Steuern der Spannungsversorgung zu verwenden.
4. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 3, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, mindestens einen Ladungszustand von Produktionen in einer MS2-Analyse aus mindestens einem Ladungszustand von Ausgangsionen, die in einer MS1-Analyse erfasst wurden, vorherzusagen.
5. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung anhand eines m/z-Scans eines Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu einem nachfolgenden Scan eines anderen Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren.
6. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung basierend auf Ladungszustandsdaten und/oder Daten über die lonenmenge in dem von einem Vor-Scan erfassten Ionenstrahl eines lonenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren.
7. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die variable Spannung zu variieren, die der lonenfokussierungsanordnung innerhalb eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor zugeführt wird.
8. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 7, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand und/oder eine Menge von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl, der von den Ionen im laufenden Betrieb während eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor erfasst wird, zu variieren.
9. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 7 oder 8, wobei die mindestens eine variable Spannung variabel in Abhängigkeit von der Zeit ist, korrelierend mit den Ankunftszeiten an der Fokussierungsanordnung von Ionen mit unterschiedlichem Ladungszustand und/oder unterschiedlicher Raumladung.
10. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei der Ladungszustand der Ionen einen mehrfach geladenen Zustand umfasst und die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung zu variieren, um eine räumliche Dispersion der Ionen des mehrfach geladenen Zustands auf eine räumliche Dispersion einfach geladener Ionen zu normieren.
11. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei der mindestens eine Ladungszustand ein Ladungszustand einer einzelnen Ionenspezies ist.
12. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der Absätze 1 bis 10, wobei der mindestens eine Ladungszustand eine Mehrzahl von Ladungszuständen unterschiedlicher Ionenspezies ist.
13. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei der mindestens eine Ladungszustand ein repräsentativer Ladungszustand einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies ist.
14. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 13, wobei der repräsentative Ladungszustand ein durchschnittlicher Ladungszustand der Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies ist.
15. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, ferner umfassend mindestens einen Ionenspiegel, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl entlang des Ionenpfades zu reflektieren.
16. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 15, ferner umfassend eine Mehrzahl von Ionenspiegeln, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrere Male entlang des Ionenpfades zu reflektieren.
17. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 16, ferner umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und in einer Richtung X einander gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y, wobei die Driftrichtung Y orthogonal zur Richtung X ist, verlängert und zum Bereitstellen eines Zickzack-Ionenpfades durch mehrfaches Reflektieren des lonenstrahls zwischen den Ionenspiegeln in Richtung X, während der Ionenstrahl in Driftrichtung Y driftet, konfiguriert ist.
18. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei der Ionenpfad in einer Ebene liegt und die lonenfokussierungsanordnung zum Fokussieren des lonenstrahls in einer Richtung innerhalb der Ebene dient.
19. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei der Ionenpfad in einer Ebene liegt und die lonenfokussierungsanordnung zum Fokussieren des lonenstrahls in einer Richtung außerhalb der Ebene dient.
20. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, wobei die lonenfokussierungsanordnung mindestens eine lonenfokussierlinse umfasst und die Spannungsversorgung dazu dient, der mindestens einen lonenfokussierlinse mindestens eine variable Spannung zuzuführen, wobei die mindestens eine lonenfokussierlinse aus Folgendem ausgewählt ist: einer transaxialen Linse, einer Einzellinse und einer Multipollinse.
21. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, umfassend mindestens einen Ionenspiegel entlang des Ionenpfades, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl zu reflektieren, wobei die mindestens eine lonenfokussierlinse vor einer ersten Reflexion in dem mindestens einen Ionenspiegel angeordnet ist.
22. Flugzeitmassenspektrometer gemäß Absatz 21, umfassend eine Mehrzahl von Ionenspiegeln, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrere Male zu reflektieren, wobei mindestens eine lonenfokussierlinse der lonenfokussierungsanordnung nach einer ersten Reflexion und vor einer fünften Reflexion in den Ionenspiegeln angeordnet ist.
23. Flugzeitmassenspektrometer gemäß einem der vorhergehenden Absätze, ferner umfassend eine lonenfragmentierungsvorrichtung, die sich stromaufwärts des Ioneninjektors befindet, um eine MS2-Analyse von Ionen durchzuführen, wobei die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die Spannung, die der lonenfokussierungsanordnung in einer MS2-Analyse zugeführt wird, basierend auf Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Spezies von Produktionen, die aus der MS1-Analyse von Ionen, die vor der MS2-Analyse durchgeführt wurde, abgeleitet sind, zu variieren.
24. Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend:
- Bilden eines lonenstrahls aus einem gepulsten Ioneninjektor, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt;
- Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten an einem Detektor ankommen;
- Fokussieren des lonenstrahls in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad unter Verwendung einer lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem Ioneninjektor und dem Detektor angeordnet ist; und
- Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung aus einer variablen Spannungsversorgung, wobei die variable Spannung von einem Ladungszustand und/oder einer lonenmenge von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
25. Verfahren der Massenspektrometrie gemäß Absatz 24, wobei die Abhängigkeit der mindestens einen variablen Spannung vom Ladungszustand und/oder der lonenmenge mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl anhand einer Kalibrierung bestimmt wurde, wobei die Kalibrierung das Detektieren eines oder mehrerer Kalibrierungsmischungen von Ionen mit variierenden Spannungen umfasst, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführt werden, um eine Abhängigkeit der detektierten m/z-Werte und/oder Spitzenintensitäten von der variablen Spannung für verschiedene Ladungszustände und/oder lonenmengen zu bestimmen.

Die Begriffe Masse und m/z werden hier austauschbar verwendet, und dementsprechend schließt eine Bezugnahme auf das eine eine Bezugnahme auf das andere ein.
Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind Singularformen der Begriffe in diesem Schriftstück derart auszulegen, dass sie auch die Pluralform einschließen und umgekehrt, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt. Sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt, bedeutet zum Beispiel ein Singularbezug in diesem Schriftstück, einschließlich in den Ansprüchen, wie z.B. „ein“ oder „eine“, „ein/eine/eines oder mehrere“.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Patentschrift bedeuten die Worte „umfassen“, „einschließlich“, „aufweisend“ und „enthalten“ und die Varianten der Worte, beispielsweise „umfassend“ und „umfasst“ usw., „einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein“, und sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und schließen sie auch nicht aus).
Es versteht sich, dass an den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung Änderungen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Schutzumfang der Erfindung wie durch die Ansprüche definiert fallen. Jedes in dieser Patentschrift offenbarte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel für eine generische Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Die Verwendung von einem und allen hier bereitgestellten Beispielen, oder von beispielhafter Sprache („zum Beispiel“, „etwa“, „beispielsweise“ und dergleichen) soll lediglich der besseren Veranschaulichung der Erfindung dienen und stellt keine Einschränkung in Bezug auf den Umfang der Erfindung dar, sofern nichts anderes beansprucht wird. Keine sprachliche Formulierung in der Beschreibung soll derart ausgelegt werden, dass sie ein beliebiges nicht beanspruchtes Element als für die Praxis der Erfindung wesentlich angibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9136100 [0004, 0091]
SU 1725289 [0004]
GB 2478300 [0004]
GB 2403063 [0004]
WO 2008/047891 [0004]
US 9136101 [0004, 0027, 0057, 0059, 0062]
US 8212209 [0006]
US 2016/0111271 A1 [0006]
US 20180138026 A [0037]
SU 172528 [0037]
US 2015/0028197 [0037]
US 9136102 [0041]
US 9136101 B2 [0054]
US 2014175274 A [0064]
US 2011284737 A [0065]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P.W. Hawkes und E. Kasper, Principles of Electron Optics Volume 2, Academic Press, London, 1989 [0064]
Anal. Chem., 2009, 81 (21), S. 8677-8686 [0086]

Claims

Flugzeitmassenspektrometer, umfassend: einen gepulsten loneninjektor zum Bilden eines lonenstrahls, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt; einen Detektor zum Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten am Detektor ankommen; eine lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem loneninjektor und dem Detektor angeordnet ist, um den Ionenstrahl in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad zu fokussieren; und eine variable Spannungsversorgung zum Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung, die von einem Ladungszustand von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf durch den Detektor und/oder eine Ladungsmessvorrichtung zum Messen der Ladung im Ionenstrahl erfassten Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl zu variieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Spezies im Ionenstrahl zum Steuern der Spannungsversorgung zu verwenden.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 3, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, mindestens einen Ladungszustand von Produktionen in einer MS2-Analyse anhand mindestens eines Ladungszustands von Ausgangsionen vorherzusagen, der in einer MS1-Analyse erfasst wurde.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung anhand eines m/z-Scans eines Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu einem nachfolgenden Scan eines anderen Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung basierend auf Ladungszustandsdaten von Ionen in dem von einem Vor-Scan erfassten Ionenstrahl eines Ionenimpulses vom Ioneninjektor zu variieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die variable Spannung zu variieren, die der lonenfokussierungsanordnung innerhalb eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor zugeführt wird.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 7, wobei die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte Spannung basierend auf Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Ionenspezies in dem Ionenstrahl, der von den Ionen im laufenden Betrieb während eines m/z-Scans eines lonenimpulses vom Ioneninjektor erfasst wird, zu variieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mindestens eine variable Spannung in Abhängigkeit von der Zeit korrelierend mit den Ankunftszeiten an der Fokussierungsanordnung von Ionen mit unterschiedlichem Ladungszustand variabel ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladungszustand der Ionen einen mehrfach geladenen Zustand umfasst und die variable Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführte variable Spannung zu variieren, um eine räumliche Dispersion der Ionen des mehrfach geladenen Zustands auf eine räumliche Dispersion einfach geladener Ionen zu normieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ladungszustand ein Ladungszustand einer einzelnen Ionenspezies ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der mindestens eine Ladungszustand eine Mehrzahl von Ladungszuständen unterschiedlicher Ionenspezies ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ladungszustand ein repräsentativer Ladungszustand einer Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 13, wobei der repräsentative Ladungszustand ein durchschnittlicher Ladungszustand der Mehrzahl unterschiedlicher Ionenspezies ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Ionenspiegel, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl entlang des Ionenpfades zu reflektieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Mehrzahl von Ionenspiegeln, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrere Male entlang des Ionenpfades zu reflektieren.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 16, ferner umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und in einer Richtung X einander gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y, wobei die Driftrichtung Y orthogonal zur Richtung X ist, verlängert und zum Bereitstellen eines Zickzack-Ionenpfades durch mehrfaches Reflektieren des lonenstrahls zwischen den Ionenspiegeln in Richtung X, während der Ionenstrahl in Driftrichtung Y driftet, konfiguriert ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ionenpfad in einer Ebene liegt und die lonenfokussierungsanordnung zum Fokussieren des lonenstrahls in einer Richtung innerhalb der Ebene dient.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ionenpfad in einer Ebene liegt und die lonenfokussierungsanordnung zum Fokussieren des lonenstrahls in einer Richtung außerhalb der Ebene dient.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lonenfokussierungsanordnung mindestens eine lonenfokussierlinse umfasst und die Spannungsversorgung dazu dient, der mindestens einen lonenfokussierlinse mindestens eine variable Spannung zuzuführen, wobei die mindestens eine lonenfokussierlinse aus den Folgenden ausgewählt ist: einer transaxialen Linse, einer Einzellinse und einer Multipollinse.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens einen Ionenspiegel entlang des Ionenpfades, der dazu konfiguriert ist, den Ionenstrahl zu reflektieren, wobei die mindestens eine lonenfokussierlinse vor einer ersten Reflexion in dem mindestens einen Ionenspiegel angeordnet ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 21, umfassend eine Mehrzahl von Ionenspiegeln, die dazu konfiguriert sind, den Ionenstrahl mehrere Male zu reflektieren, wobei mindestens eine lonenfokussierlinse der lonenfokussierungsanordnung nach einer ersten Reflexion und vor einer fünften Reflexion in den Ionenspiegeln angeordnet ist.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ionenfragmentierungsvorrichtung, die sich stromaufwärts des loneninjektors befindet, um eine MS2-Analyse von Ionen durchzuführen, wobei die Spannungsversorgung dazu konfiguriert ist, die Spannung, die der lonenfokussierungsanordnung in einer MS2-Analyse zugeführt wird, basierend auf Daten über einen Ladungszustand von mindestens einer Spezies von Produktionen, die aus der MS1-Analyse von Ionen, die vor der MS2-Analyse durchgeführt wurde, abgeleitet sind, zu variieren.
Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend: Bilden eines lonenstrahls aus einem gepulsten loneninjektor, der sich entlang eines Ionenpfades bewegt; Detektieren von Ionen im Ionenstrahl, die zeitlich entsprechend ihren m/z-Werten an einem Detektor ankommen; Fokussieren des lonenstrahls in mindestens einer Richtung orthogonal zum Ionenpfad unter Verwendung einer lonenfokussierungsanordnung, die zwischen dem loneninjektor und dem Detektor angeordnet ist; und Versorgen der lonenfokussierungsanordnung mit mindestens einer variablen Spannung aus einer variablen Spannungsversorgung, wobei die variable Spannung von einem Ladungszustand von mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl abhängig ist.
Massenspektrometrieverfahren nach Anspruch 24, wobei die Abhängigkeit der mindestens einen variablen Spannung vom Ladungszustand der mindestens einer lonenspezies im Ionenstrahl anhand einer Kalibrierung bestimmt wurde, wobei die Kalibrierung das Detektieren einer oder mehrerer Kalibrierungsmischungen von Ionen mit variierenden Spannungen umfasst, die der lonenfokussierungsanordnung zugeführt werden, um eine Abhängigkeit von detektierten m/z-Werten und/oder Spitzenintensitäten von der variablen Spannung für verschiedene Ladungszustände zu bestimmen.