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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für Photonen- und/oder Elektronenbestrahlung
von Ionen in einer Ionenzyklotronresonanz-Falle.
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Die
Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS)
hat wegen ihrer sehr hohen Massengenauigkeit und Massenauflösung einen
besonderen Platz in der Ionenfallenmassenspektrometrie. FT-ICR-MS
setzt elektromagnetische Ionenfallen ein. In einem Magnetfeld werden
alle Ionen, die eine senkrechte Bewegungskomponente zu magnetischen
Feldlinien haben, durch Lorentzkraft auf Zyklotronbahnen gezwungen.
In der Ebene senkrecht zum Magnetfeld können sie ohne zusätzliche
Energieaufnahme nicht entweichen. Eine Bewegung von Ionen parallel
zum Magnetfeld verursacht jedoch keine Lorentzkraft, aus diesem
Grund müssen
Ionen in dieser Dimension mit einem zusätzlichen elektrischen Feld
gehalten werden. Der Ionennachweis erfolgt hier durch Bestimmung
der Zyklotronfrequenzen von Ionen basierend auf Spiegelströme in der
Falle Da diese Frequenzen dem Verhältnis m/z (Masse durch Ladungszahl)
der rotierenden Ionen umgekehrt proportional sind, bedeutet diese
Frequenzbestimmung automatisch die Bestimmung von m/z. Üblicherweise
werden heutzutage in der analytischen FT-ICR-MS starke supraleitende
Magnete eingesetzt. Ein Übersichtsartikel über die
FT-ICR-Massenspektrometrie
ist Marshall, A.G.; Hendrickson, C.L.; Jackson, G.S. "Fourier Transform
Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: A Primer" Mass Spectrom. Rev.
1998, 17, 1-35.
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Elektroneneinfangdissoziation
(electron capture dissociation, ECD) ist eine relativ neue Methode um
Ionen zu fragmentieren und mit Hilfe von Fragment-Ionen-Spektren
Einsicht in die Struktur der Ionen zu gewinnen. Dieses Verfahren
wendet den Elektroneneinfangprozess auf mehrfach positiv geladene
Ionen in einer ICR-Falle an. Während
des ECD-Prozesses fangen mehrfach geladene Ionen niederenergetische
Elektronen ein und produzieren kationische Dissoziationsprodukte.
Mehrfach geladene Ionen können
zum Beispiel durch Elektrospray-Ionisierung hergestellt werden.
Durch die ECD von Peptid- oder Protein-Ionen erhält man meistens c- und z-Typ-Fragmentionen.
Diese c- und z-Fragmente, die durch Prozesse der stoßinduzierten
Dissoziation (CD) meistens nicht entstehen, bilden sich durch die
Spaltung der Bindung zwischen dem Aminostickstoffatom, die in der
Peptidbindung involviert ist, und dem benachbarten Kohlenstoffatom,
von dem die Aminogruppe ursprünglich
stammt. Die c- und z-Fragmente aus der ECD liefern komplementäre Informationssätze im Vergleich
zu denen von Fragmentierungen aus anderen Ionenfragmentierverfahren
und führen
dadurch zu einer kompletteren Sequenzaufklärung von Polypeptiden und Proteinen. Über die
Grundlagen und Anwendungen des ECD-Verfahrens sind folgende Literaturstellen
zu empfehlen: McLafferty, F. W.; Horn, D. M.; Breuker, K.; Ge, Y.;
Lewis, M. A.; Cerda, B.; Zubarev, R. A.; Carpenter, B. K. „Electron
Capture Dissociation of Gaseous Multiply Charged Ions by Fourier
Transfor Ion Cyclotron Resonance" J.
Am. Soc. Mass Spectrom. 2001, 12, 245-249. Zubarev, R. A.; Horn,
D. M.; Fridriksson, E.K.; Kelleher N.L.; Kruger N.A.; Lewis, M.
A.; Carpenter, B. K.; McLafferty, F. W. „Elektron Capture Dissociation
for Structural Characterization of Multiply Charged Protein Cations" Anal. Chem. 2000,
72, 563-573.
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Dissoziationsprozesse,
die aus Elektron-Ion-Wechselwirkungen resultieren, sind nicht begrenzt
auf die ECD. zur Charakterisierung von negativ geladenen Ionen wird
auch Elektro nen-Ablösungs-Dissoziation
(electron detachment dissociation, EDD) verwendet. In dem EDD-Prozeß wird von einem
mehrfach geladenen Ion ein Elektron entfernt, wobei sich anionische
Dissoziationsprodukte bilden (Budnik, B. A.; Haselman, K. F.; Zubarev,
R. A. „Electron
Detachment Dissociation of Peptide Di-Anions: An Electron-Hole Recombination
Phenomenon" Chem.
Phys. Lett. 2001, 342, 299-302).
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Die
Effizienz und Rate der ECD hängt
von der Elektronenflussdichte ab. Die Effizienz und die Rate der
ECD kann verbessert werden, indem die Überlappung der Ionen mit dem
Elektronenstrahl maximiert wird. In der konventionellen FT-ICR-Massenspektrometrie
werden die Elektronen von einem Filament erzeugt, das außerhalb
der ICR-Falle angebracht ist. Dieses Filament ist meistens in der
Nähe der
Falle und noch in der Raumtemperaturbohrung des supraleitenden Magneten.
Die Elektronen werden parallel zum magnetischen Feld (axial) in
die Falle geleitet. Aus Wärmeleitungsgründen werden
Elektronen nur aus einer mittlere Region eines Filaments emittiert,
die eine entsprechend hohe Temperatur erreicht hat. Deshalb besteht
der Elektronenstrahl meistens aus einem dünnen Faden im Magnetfeld. Jeder
Versuch, diesen dünnen
Elektronenstrahl nachträglich
zu vergrößern scheitert,
da jede Bewegung senkrecht zum Magnetfeld eine dazu senkrechte Lorenzkraft
erzeugt, die die Elektronen zu winzigen Zyklotronbahnen erzwingen.
Der Elektronenstrahl muß also
von Anfang an breiter hergestellt werden. Neuerdings sind breitflächige Elektronenemitter zur
Herstellung von Elektronen für
die ECD-Versuche eingesetzt worden. Auf diese Weise wird die Wirkungsfläche der
produzierten Elektronen signifikant erhöht, und die Wahrscheinlichkeit
der Ion-Elektron-Wechselwirkungen,
die zu einer Dissoziation führen,
in der ICR-Falle vergrößert. Durch
Einsatz dieser neuen Emitter sind tatsächlich bessere ECD-Resultate
erhalten worden (Tsybin, Y. O.; Håkansson, P.; Budnik, B. A.;
Haselmann, K. F.; Kjeldsen, F.; Gorshkov, M.; Zubarev, R.A.; "Improved Low Energy
Electron Injection Systems for High Rate Electron Capture Dissociation
in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry" Rapid Commun. Mass
Spectrom. 2001, 15, 1840-1854, und Tsybin Y. O.; Palmblad, M. Håkansson,
P. „Large Emitting
Area Electron Gun for Electron Capture Dissociation in Fourier Transform
Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, 49th ASMS
Conference an Mass Spectrometry and Allied Topics, Chicago, USA, May
2001).
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In
der FT-ICR MS möchte
man gerne die Wechselwirkung der gespeicherten Ionen auch mit Photonen
untersuchen. Man kann Ionen mit Photonen bestrahlen und dadurch
anregen. Ionen können aufgrund
dieser Anregung auch fragmentiert werden (Photodissoziation). Die
Photonen können
vom ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Licht stammen, das
auch durch einen Laser erzeugt werden kann.
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Ein
photoinduziertes Fragmentierungsverfahren, das in der FT-ICR Massenspektrometrie
immer häufiger
angewandt wird, ist die Infrarot-Multiphoton-Dissoziation (IRMPD).
Hier wird ein Ion durch mehrere, sequentiell absorbierte Infrarotphotonen angeregt,
die von einem Infrarotlaser (z.B. CO2-Laser)
produziert werden. Anschließend
beobachtet man einen Dissoziationsprozeß, der ähnliche Resultate liefert wie
die weit verbreiterte stoßinduzierte Dissoziation
(collision induced dissociation CD). Für massenspektrometrische Verfahren
wie FT-ICR, die ein
sehr gutes Ultrahochvakuum erfordern, ist die IRMPD eine beliebte
Alternative, da hier zur Ionenfragmentierung kein Stoßgas „eingepulst" werden muß. Durch
IRMPD erhält
man z.B. von Peptid- oder Proteinionen, ähnlich wie bei der CD, meistens
die sogenanten Bund y-Typ Fragmentionen, die durch eine Spaltung
der Bindung zwischen dem Peptid-Stickstoff-
und dem (benachbarten) Carboxylkohlenstoffatom entstehen. IRMPD
wird nicht nur bei Sequenzierung von Polypeptiden und Proteinen
angewandt, sie wird auch allgemein zur Untersuchung von Biomolekülen eingesetzt.
Die Bestrahlungszeit mit dem Infrarotlaser, um ein Dissoziationsspektrum
zu erhalten, das eine Identifizierung der Substanz ermöglicht, liegt
in der FT-ICR-Massenspektrometrie allgemein unterhalb 500 Millisekunden.
Für eine
Infrarot-Multiphotondissoziation muß der IR-Laserstrahl in eine
Region eingeführt
werden, in der sich die Ionen befinden. Die Wechselwirkung von Ionen mit
dem Laserstrahl kann man am besten in einer Ionenfalle (Paulfalle,
Penningfalle, Ionenzyklotronresonanzfalle, lineare RF-Multipolfalle)
studieren. Für
die Infrarot-Multiphotondissoziations-Experimente von Ionen in einer
dieser Fallen, wird ein Infrarot-Laserstrahl meistens axial zu der
Falle und in vielen Fällen durch
die Öffnung
einer der Endplatten (Endblenden bei der linearen Multipol-Falle, Fallenplatten
oder „trapping
plates" in der FT-ICR-Falle,
Endkappen in der Paul-Falle) eingeführt. Einige Literaturstellen über IRMPD-Anwendungen
sind: Little, D. P.; Speir, J. F.; Senko, M. W.; O'Connor, P. B.; McLafferty,
F. W. „Infrared
Multiphoton Dissociation of Large Multiply-charged Ions for Biomolecule
Sequencing" Anal. Chem.
1994, 66, 2809-2815; Colorado, A.; Shen, J. X.; Vartanian, V.H.;
Brodbelt J. „Use
of Infrared Multiphoton Photodissociation with SWIFT for Electrospray
Ionization and Laser Desorption Applications in a Quadrupole Ion
Trap Mass Spectrometer" Anal. Chem.
1996, 68, 4033-4043; Hofstadler, S. A.; Sannes-Lowery, K. A.; Griffey
R. A. „Infrared
Multiphoton Dissociation in an External Ion Reservoir" Anal. Chem. 1000,
71, 2067-2070.
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Durch
die Einführung
des neuen ECD-Fragmentierverfahrens haben die Elektronenzufuhrmethoden
in die ICR-Falle besonders an Aktualität gewonnen. So können mit
niederenergetischen Elektronen ECD-Experimente durchgeführt werden.
Ionen, die in einer fallenexternen Ionenquelle hergestellt werden,
werden durch eine axiale Eintrittsöffnung in die ICR-Falle eingeführt. Der
andere axiale Zugang wird auch oft für die Infrarot-Multiphoton-Dissoziationsexperimente
verwendet.
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Da
man heutzutage ausschließlich
abgeschirmte ICR-Magnete verwendet, bereitet hier eine externe,
nicht-axiale Elektronenquelle, deren Elektronen den Magnetfeldlinien
folgen und dadurch in die ICR-Falle gelangen, Schwierigkeiten. Bei
abgeschirmten supraleitenden Magneten zeigt das Magnetfeld erst
in der unmittelbaren Nähe
der geometrischen Grenzen des Magnetgehäuses (axial) einen signifikanten
Anstieg. Um eine effiziente Elektroneninjektion in die ICR-Falle
zu erzielen, wird die Elektronenquelle in einer Region mit hohem
(und uniformem) Magnetfeld plaziert. An den Stellen, wo man üblicherweise
eine solche, nicht axiale Elektronenquelle ausserhalb des Magneten
anbringt, ist das Streufeld eines abgeschirmten Magneten nicht stark genug.
Da man die fallenexternen Ionenquellen in der FT-ICR Massenspektromerie ständig benutzt
und sehr oft von IRMPD Gebrauch macht (Laserstrahl axial von der
anderen Seite der ICR-Falle), hat man hier praktisch keine Möglichkeiten
mehr, eine zusätzliche
Elektronenquelle axial zu der Ionenfalle zu installieren.
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1 (Stand
der Technik) zeigt ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer
mit einer externen Ionenquelle (1). Die Ionenquelle (1)
ist hier nur schematisch dargestellt. Ionen (2), die in
dieser Quelle erzeugt werden, werden mit Hilfe einer speziellen
Ionentransferoptik (3) in die ICR-Falle (4) übertragen.
Diese Figur zeigt als Beispiel eine zylindrische ICR-Zelle. Der
Ionenstrahl (5) wird axial von der Quellenseite durch die Öffnung (6)
in der linken Trappingplatte (7) in die ICR-Falle eingeführt. Die
ICR-Falle befindet sich in einem Magnetfeld (gerichtet z.B. in Pfeilrichtung 8)
koaxial zum Feld, welches von einem supraleitenden Magneten (9)
erzeugt wird. Heutzutage werden in kommerziellen FT-ICR-Systemen Magnetfelder
der Induktion 3 Tesla bis 9,4 Tesla eingesetzt. Ionen werden in
der ICR-Falle aufgefangen und gespeichert, später angeregt und nachgewiesen.
Eines der typischen Experimente mit gespeicherten Ionen ist das
Infrarot-Multiphoton-Dissoziation. Ein hinter dem Magneten angebrachter
Infrarotlaser (CO2-Laser) (10)
strahlt in die ICR-Falle durch ein Laserfenster (11) und
durch die Öffnung
der Trappingplatte rechts (12). In dieser speziellen Ausführung wird
der Laserstrahl (13) durch einen Spiegel (14)
um 90° umgelenkt.
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Ionen
in der ICR-Falle absorbieren sequentiell eine Mehrzahl von IR-Photonen,
werden angeregt und dissoziieren. Die Infrarot-Multiphoton-Dissoziation
(IRMPD) produziert Fragment-Ionen,
deren Entstehung mit der Struktur des Ausgangs-Ions und dessen chemischen
Bindungsverhältnissen
eng zusammenhängt.
Deshalb wird diese Methode in der Massenspektrometrie zur Ionenstrukturbestimmung
eingesetzt. Einige Details in der Figur sind die Vakuumstufentrennungen
(15) und (16) und die drei Pumpstutzen (17),
(18) und (19). Diese Figur zeigt deutlich, daß die beide
axialen Eintrittsöffnungen
der Ionenzyklotronresonanzfalle belegt sind. Auf der einen Seite werden
die fallenextern erzeugten Ionen in die Falle eingeführt, auf
der anderen Seite wird die Falle den Infrarot-Laserstrahlen ausgesetzt.
Da die eine Seite (linke Seite in 1) mit der
Einführung
extern erzeugter Ionen fast immer belegt ist, versucht man die andere
Seite (rechte Seite in 1) für die Einführung von Strahlen oder Teilchen
zu verwenden. Dem Stand der Technik entsprechend wird das durch
ständiges
Austauschen von Laserfenster gegen z.B. Elektronenquellen durchgeführt, dadurch
wird eine Belüftung
des Vakuums notwendig. Deswegen schließt der Stand der Technik eine
Verwendung der Untersuchungsmethoden aus, die eine gleichzeitige Photonenzufuhr
und Elektronenzufuhr in die ICR-Falle erfordern. Der Stand der Technik
erlaubt ebenfalls nicht, diese Techniken sequentiell auf ein und
dieselbe gespeicherte Ionenmenge (in der ICR-Falle) anzuwenden.
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Die
Verwendung von Schiebe- oder Drehdurchführungen zum Bewegen von Ionenquellen
und Elektronenquellen stellt eine sehr begrenzte Lösung dar,
da diese Verfahren im Allgemeinen aufwendig und langsam sind. Im
Ultrahochvakuumsystem der Fourier-Transform-Massenspektrometrie – im Bereich von 10–10 mbar – ist die
Anbringung einer Schiebe- oder Drehdurchführung mit entsprechenden Vakuumschleusen
sehr aufwendig.
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Für Experimente,
die eine simultane Bestrahlung von Ionen mit Photonen und niederenergetischen
Elektronen erfordert, sind diese langsamen und umständlichen
Umstellungsmethoden vom Elektronenstrahl auf Photonenstrahl (und
zurück)
im Grunde unbrauchbar. Sequentielle ECD- und IRMPD-Experimente zur
kinetischen Untersuchung derselben in der ICR-Falle gespeicherten
Ionenensemble erfordert schnellere Wechselmöglichkeiten. Neuerdings haben
Untersuchungen von Proteinionen in der ICR-Falle mit Hilfe von ECD
und IRMPD auf schnelle strukturelle Änderungen von Proteinionen
(z.B. Faltungen und Entfaltungen) hingewiesen (Horn, D. M.; Breuker,
K.; Frank, A. J.; McLafferty, F. W. „Kinetic Intermediates in
the Folding of Gaseous Protein Ions Characterized by Electron Capture
Dissociation Mass Spectrometry" J.
Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9792-9799).
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Da
die Elektroneneinfangdissoziation wichtige komplementäre Resultate
zur Infrarot-Multiphotonendissoziation liefert, ist es für den Benutzer
der FT-ICR-Massenspektrometer vorteilhaft, ECD und IRMPD auf die
zu untersuchende Substanzen simultan anzuwenden. Deshalb ist es
wichtig, daß das Fragmentierungsverfahren
ohne langwierige mechanische Operationen gewechselt werden kann.
Zusätzlich
möchte
man auch ECD und IRMPD auf dieselbe Ionenensemble anwenden, wenn
möglich
in derselben Experimentsequenz. Da jedoch Filamente oder breitflächige Kathoden
(z.B. Dispenser-Kathoden oder andere indirekt beheizte Kathoden)
für Elektroneneinfangdissoziation
eingesetzt werden, blockieren diese den Weg in die ICR-Falle, so
daß z.B.
kein Laserstrahl mehr gleichzeitig eingeführt werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestrahlung
von Ionen in einer ICR-Falle entweder mit Elektronen oder mit Photonen,
oder aber simultan mit Elektronen und Photonen.
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Es
ist der Erfindungsgedanke, einen innen hohlen, schlauchförmigen Elektronenstrahl
und Lichtstrahlen gleichzeitig benutzen zu können. Dieser schlauchförmige Elektronenstrahl
wird von einem Elektroneninjektionssystem zur Verfügung gestellt, das
einen innen durchgehend hohl gebauten Elektronenemitter enthält. Das
Elektroneninjektionssystem ermöglicht
daher den Durchgang von Lichtstrahlen parallel zum Magnetfeld, in
der sich die ICR-Falle befindet. Die Lichtstrahlen (auch Laserlicht)
können
im ultravioletten (UV), sichtbaren (VIS) oder infraroten (IR) Bereich
liegen.
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Ein
an einem Ende der ICR-Falle angebrachter hohler Elektronenemitter
(Hohlkathode) erzeugt eine ringförmige
Elektronenwolke, die entlang der Magnetfeldlinien in Richtung der
ICR-Falle extrahiert werden kann. Durch eine gepulste oder kontinuierliche
Extraktion dieser Elektronenwolke bildet sich ein hohler, schlauchförmiger Elektronenstrahl.
Mit Hilfe von geeigneten Vorrichtungen (Gitter, Lochblende, Ringelektrode)
kann die kinetische Energie der Elektronen im schlauchförmigen Elektronenstrahl
auch kontrolliert werden. So können
mehrfach geladene Ionen in der ICR-Falle durch Einfang von niederenergetischen
Elektronen dissoziieren (Elektroneneinfangdissoziation). Mit niederenergetischen
Elektronen sind Elektronen gemeint, die eine kinetische Energie
Ek ≤ 30eV
und insbesondere Ek ≤ 1 eV besitzen.
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Für ein IRMPD-Experiment
in der ICR-Falle wird ein Infrarot-Laserstrahl (üblicherweise unfokussiert etwa
2mm im Durchmesser) gebraucht, der in die ICR-Falle gelangt. Da
die vorliegende Erfindung zur Erzeugung von Elektronen einen hohlen
Elektronenemitter (Hohlkathode) verwendet, ermöglicht diese Öffnung des
Emitters die Einführung
der Infrarot-Laserstrahlen auch während des Betriebs des hohlen
Elektronenemitters. Diese Kombination bietet die Möglichkeit,
den Elektronenemitter allein zu betreiben, um Elektronen-Ionen Wechselwirkung
zu studieren (z.B. Elektroneneinfang-Dissoziation), oder aber den
Lichtstrahl einschalten und Ionen-Photonen-Wechselwirkung zu studieren
(z.B. Beispiel Photodissoziation von Ionen). Eine simultane Bestrahlung
mit Elektronen und mit Photonen ist durch die vorliegende Erfindung
auch möglich.
Man kann natürlich
sowohl durch Elektronen als auch durch Photonen neutrale Moleküle in der
ICR-Falle ionisieren.
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Positive
Ionen, die sich in der ICR-Falle befinden, können durch eine Wechselwirkung
mit einem Elektronenstrahl weiter-ionisiert werden – analog
zur Elektronenstoßionisation – wobei
eine Änderung
der Ladungszahl auftritt. Dazu sind allerdings Elektronen mit höherer kinetischer
Energie notwendig, um ein weiteres Elektron vom betreffenden Ion
entfernen zu können.
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Eine
weitere Anwendung der Erfindung ist die Elektron-Detachment-Dissoziation
(EDD) für
die mehrfach negativ geladenen Ionen in der ICR Falle. In diesem
Fall führt
die Wechselwirkung des betreffenden Ions mit einem Elektron, zur
Ablösung
eines weiteren Elektrons und damit zur Dissoziation des Ions.
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1 zeigt
ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer
nach Stand der Technik mit externer Ionenquelle.
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2 zeigt einen Elektronen-Emitter in Form eines
Hohlzylinders. Dieser Emitter ist vor eine ICR-Falle angebracht.
In 2a ist der Elektronenemitter im Betrieb, in 2b ist
der Emitter nicht aktiv. Es wird ein Laserstrahl durch die Öffnung der
Hohlkathode hindurchgeschickt. In 2c ist
sowohl der Emitter im Betrieb, als auch der Laser.
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3 zeigt
die Zyklotronanregung der Ionen, die anfangs in der Nähe der Fallenachse
mit niedriger Energie rotieren (3a).
Durch Anregung kommen sie in einen Bereich, wo sie mit den Elektronen
Wechselwirken können
(3b).
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4 zeigt
Magnetronanregung eines Ions in der ICR-Falle auf eine höhere Magnetronbahn,
um dieses Ion mit dem hohlen Elektronenstrahl in Wechselwirkung
zu bringen.
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5 zeigt
einen hohlen Elektronenemitter vor einer offenen zylindrischen ICR-Falle,
mit zylindrischen, hohlen Trappingplatten an den beiden Ende
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6 zeigt
einen Elektronen-Emitter in Form eines Hohlzylinders vor einer ICR-Falle.
Zwischen dem Emitter und der ICR-Falle ist ein Ring angebracht,
der zur Extraktion der Elektronen und zur Kontrolle der kinetischen
Energie der Elektronen dient. Der Laserstrahl, der in der Figur
nicht abgebildet ist, paßt
natürlich
auch durch die Öffnung
dieses Rings.
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7 zeigt
die Verwendung eines divergenten Laserstrahls in einer ICR-Falle
um eine Überlappung
der Photonen und der Elektronen im schlauchförmigen Elektronenstrahl zu
erzeugen.
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2 zeigt einen hohlkathodenförmigen Emitter
(20), der gemäß der Erfindung
als Elektronenquelle in der FT-ICR-Massenspektrometrie eingesetzt
wird. Der Emitter erzeugt einen schlauchförmigen Elektronenstrahl (21),
der entlang der Fallenachse in der zylindrischen ICR-Falle (22)
läuft.
Bier sind (23) und (24) die Trappingplatten der
ICR Falle, die die Ionen in axialer Richtung in der Falle halten,
(25) eine der Anregeplatten und (26) eine der
Detektionsplatten der ICR-Falle. Die ICR-Falle ist koaxial mit der magnetischen
Feldrichtung angebracht. Die Magnetfeldrichtung ist hier durch den
Pfeil (27) dargestellt. Die Öffnung (28) der Hohlkathode
(20) erlaubt die Einführung
von Photonen, z.B. eines Laserstrahls. Während der Experimente in 2a werden
Ionen in der ICR-Falle mit Elektronen Wechselwirkung gebracht. Die
in der Hohlkathode erzeugten Elektronen werden extrahiert und bilden
einen innen hohlen, also schlauchförmigen, Elektronenstrahl, der
entlang der Fallenachse in der ICR-Falle läuft. Durch die Wechselwirkung
der niederenergetischen Elektronen mit den in der ICR-Falle gespeicherten,
mehrfach geladenen Ionen können
die ECD-Experimente durchgeführt
werden. Beim Einsatz des hohlen Elektronenemitters ist die Eintrittsöffnung der
ICR-Falle (28)
immer frei für
die Einführung
von Photonen. 2b zeigt die Einführung eines
Laserstrahls (29) in die ICR-Falle. Im Gegensatz zu der
Stand der Technik, kann man hier den Laserstrahl (29) in
die ICR-Falle einführen,
obwohl der Elektronenemitter in der Einsatzposition montiert ist. 2c zeigt
den Fall, daß sowohl
der Laserstrahl als auch der Elektronenstrahl eingeschaltet sind
und die Wechselwirkung derselben gespeicherten Ionenensemble in
der ICR-Falle studiert werden kann.
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Eine
Eigenschaft der Erfindung ist, daß die Elektronenbestrahlung
diejenigen Ionen gar nicht trifft, die in der Mitte der ICR-Falle
auf kleineren Radien als der innere Durchmesser der Hohlkathode umlaufen.
Niederenergetische Ionen in der Mitte der Falle müssen also
durch z.B. eine Zyklotronanregung oder aber auch durch eine Magnetronanregung
auf größere Umlaufbahnen
gebracht werden, um eine Ion-Elektron-Wechselwirkung zu studieren.
Sowohl eine Zyklotronanregung als auch eine Magnetronanregung der
Ionen kann durch eine Resonanzabsorption aus einem RF-Feld durchgeführt werden.
Wenn dadurch diese Ionen in den schlauchförmigen Elektronenstrahl geraten
(3a), können sie mit Elektronen Wechselwirken
(3b). Die zuzuführende Energie bzw. die Anregungszeit
mit einer vorgegebenen RF-Amplitude kann aus dem Endradius der angeregten
Zyklotronbahnen errechnet werden, natürlich in Abhängigkeit
vom Magnetfeld (der Induktion B) und von der Masse m der Ionen.
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E0 sei die anfängliche kinetische Energie
des Ions. Durch eine Resonanzabsorption der Energie qERF aus
dem oszillierenden RF-Feldes wird der Radius rC der
Zyklotronbewegung des Ions auf einen mittleren Radius rH der
Hohlkathode angeregt: mv2/rC = qvB oder rC =
mv/(qB) mit v = √[2(E0 +
qERF)/m] rC = r H = √[2m(E0 + qERF)]/(qB)und
wenn die Ionen vor dem Beginn der Anregung thermische Energien haben,
wird die anfängliche
kinetische Energie E0 gleich der thermischen
Energie kT: rC = r H = √[2m(kT
+ qERF)]/(qB),mit r H als der mittlere
Radius der Hohlkathode. Dabei sind k die Boltzmannkonstante, T die
absolute Temperatur, ERF das elektrische
RF-Feld, v die Geschwindigkeit des Ions (senkrecht zum Magnetfeld).
Allerdings ist hier zu bemerken, daß der mittlere Radius der Hohlkathode
normalerweise viel größer ist
als der thermische Zyklotronradius rC,kT = √[2mkT]/(qB), wenn
auch ein nichtfokussiertes Laserlicht durch die Hohlkathode passen
soll. Ein einfach geladenes thermisches Ion der Masse 1000u hat
in einem Magnetfeld der Induktion B = 7 Tesla einen Zyklotronradius von
etwa 100μm.
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Unter
Verwendung der Zyklotronanregungsmethode kann z.B. eine Ionenart
mit der Masse m durch Einstrahlung der festen Frequenz ω = qB/m, angeregt
werden. Entsprechend kann man eine Gruppe von Ionen im Massenbereich
m1 bis m2 durch einen
schnellen Frequenzscan von der Zyklotronfrequenz ω1 = qB/m1 bis ω2 = qB/m2 anregen.
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Die
infrarote Laserstrahlung trifft axial in die Mitte der ICR-Falle
und wechselwirkt mit den niederenergetischen Ionen in diesem Bereich.
Diese Ionen können
dann auf höhere
Zyklotronradien angeregt werden, und dadurch in den Wechselwirkungsbereich
mit den Elektronen kommen wo sie durch ECD fragmentiert werden.
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In 3 wird
eine ICR-Falle (30) im Querschnitt dargestellt. (31)
und (32) sind die Anregeplatten, (33) und (34)
sind die Detektorplatten. Ionen die am Anfang in der Mitte der Falle
rotieren (35) im Hohlraum (36) des hohlen Elektronenstrahls
(37), werden durch die Zyklotronresonanzanregung auf höhere Radien
(38) angeregt (3a). Wenn
angeregt (3b) Wechselwirken die Ionen
im Gegenwart des schlauchförmigen
Elektronenstrahls (37) mit diesen Elektronen, und Experimente
wie z.B. Elektroneneinfangdissoziation können durchgeführt werden. Ionen,
die sich anfänglich
außerhalb
des Elektronenschlauchs (37) im Bereich (39) befinden,
werden vom Elektronenstrahl angezogen.
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4 zeigt
eine ICR-Falle im Querschnitt, wobei durch Einstrahlung der Magnetronfrequenz
die Magnetronradien der Ionen vergrößert werden können. Die
epizykloidalen Bahnen (40) und (41) zeigen eigentlich
die Zyklotronbewegung „aufgewickelt" auf eine Magnetronbahn.
Die Magnetronbahn (40) in 4a hat
einen kleinen Radius bleibt noch innerhalb des Hohlraums des Elektronenstrahls.
In 4b ist diese Bahn angeregt (41)
und überlappt
mit dem Elektronenstrahl (37).
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Die
Experimente können
natürlich
auch in der entgegengesetzten Reihenfolge stattfinden. Die Ionen
können
erst auf die Ion-Elektron-Wechselwirkungsradius angeregt werden.
Nach einem Elektroneneinfangprozeß kann die kinetische Energie
der Ionen durch Stöße mit Inertgasmolekülen reduziert werden.
Obwohl die Zyklotronradien der Ionen durch Stöße reduziert werden, bleiben
sie nicht unbedingt in der Mitte der Zelle. Eine Axialisation der
Ionen kann nur unter Anwendung quadrupolarer Anregung (Schweikhard,
L.; Marshall, A. G. „Excitation
Modes for Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry" J. Am. Soc. Mass
Spectrom. 1993, 4, 433-452) bewerkstelligt werden. Während der
quadrupolaren Anregung befinden sich die Magnetronbewegung und die
Zyklotronbewegung der Ionen in der ICR-Falle im dynamischen Gleichgewicht. Die
Bewegungen werden periodisch ineinander konvertiert. Durch pulsweise
Einführen
eines Stoßgases können die
Ionen dann abgekühlt
werden und das bringt sie auf die zentrale Achse der ICR-Falle.
Durch Anwendung einer solchen „quadrupolaren
Anregungs-Axialisierung" (quadrupolar
excitation axialization, QEA) kann man Ionen in die Mitte der ICR-Falle
bringen, wo diese z.B. mit Photonen von einem Lasertrahl Wechselwirken
können.
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In
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
die bessere Überlappung
des hohlen Elektronenstrahls mit den Bahnen der umlaufenden Ionen
den Einsatz der ECD-Technik auch bei zeitkritischen Experimenten.
So wird ECD in der gleichen Zeitskala durchgeführt wie die IRMPD-Technik.
Die Wechselwirkung von Photonen und Elektronen kann dann mit der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie
(HPLC) kombiniert werden. In der HPLC/FT-ICR-Massenspektrometrie (Elektrospray
als Schnittstelle) kommt es darauf, möglichst viele massenspektrometrische Abtastpunkte
auf einem einige Sekunden breiten chromatographischen Peak zu haben.
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Im
Gegensatz zu einer Potentialmulde (Potentialdepression) erzeugt
von einem ausgedehnten Elektronenstrahl (Tsybin, Y. O. et al. die
gleicher Referenz wie auf Seite 2, Zeilen 23-26 und Hendrickson, C.
L.; Hadjarab, F.; Laude, Jr., D. A. Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc.
1995, 141, 161-170), die zum Einfangen (Trapping) von Ionen führt, ist
die Potentialverteilung des hohlen Elektronenstrahls der vorliegenden
Erfindung anders. Wenn die niederenergetischen Ionen sich im zentralen
Bereich der ICR-Falle befinden (Region 38 in 3b und 4b),
sind diese innerhalb des mittleren hohlen Bereiches des schlauchförmigen Elektronenstrahls.
Der Ionenauffangeffekt ist in der feldfreien Zone innerhalb des Hohlraums
im Elektronenstrahl nicht vorhanden. Nur Ionen, die auf Bahnen mit
einem größeren Durchmesser
als der Durchmesser des hohlen Elektronenemitters rotieren, können durch
die Potentialdepression des Elektronenstrahls eingefangen werden.
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Eine
größere Ausführung der
hohlen ringförmigen
oder zylinderförmigen
Kathode (42) ist in 5 im Einsatz
vor einer „offenen" ICR-Falle (43) dargestellt.
In dem auf Seite 1 erwähnten Übersichtsartikel
von Marshall, Hendrickson und Jackson sind auch offene ICR-Fallen
beschrieben. Offene ICR-Fallen haben keine Endplatten (Trappingplatten)
senkrecht zum Magnetfeld. Die elektrostatische Fallenfunktion der
flachen Endplatten werden von den zylindrischen (hohlen) Trappingelektroden
ausgeführt. In 5 sind
(44) und (45) die beiden geteilten zylindrischen
Trappingelektroden der ICR-Falle. (46) und (47)
sind je eine der Anrege- und
Detektionsplatten. Wenn die zylinderförmige Kathode im Betrieb ist,
wird ein schlauchförmiger
Elektronenstrahl (48) erzeugt. Man kann jederzeit Photonen
durch den hohlen Emitter und durch den hohlen Elektronenstrahl in
die ICR-Falle senden.
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6 zeigt
einen Elektronen-Emitter (20) in Form eines Hohlzylinders
vor einer ICR-Falle (22). Zwischen dem Emitter (20)
und der ICR-Falle (22) ist ein Potentialkontrollring (50)
angebracht, der zur Extraktion der Elektronen und zur Kontrolle
der kinetischen Energie der Elektronen des hohlen Elektronenstrahls
dient. Diese Elektrode, die in 6 als ein Ring
(50) abgebildet ist, kann natürlich auch die Form einer Lochblende
oder die Form eines Gitters haben. Der Laserstrahl, der in 6 nicht
abgebildet ist, paßt
natürlich
auch durch die Öffnung
dieser Elektrode.
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7 zeigt
die Verwendung eines divergenten Laserstrahls (51) um eine Überlappung
der Photonen und der Elektronen im schlauchförmigen Elektronenstrahl (21)
in der ICR-Falle (22) zu erzeugen. Eine Divergenz des Laserstrahls
kann z.B. durch eine konkave Linse erzeugt werden. Beispielsweise können Ionen,
die sich anfänglich
in der Nahe der Fallenachse befinden, und mit dem Laserstrahl Wechselwirken,
anschließend
auf größere Umlaufbahnen
angeregt werden, um mit den Elektronen zu Wechselwirken. Dabei sind
sie immer noch im Feld des divergenten Laserstrahls, und Wechselwirken deswegen
gleichzeitig immer noch mit den Photonen.