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Die
Erfindung betrifft ein Flugzeitmassenspektrometer, das bei kleiner
Bauart sehr genaue Massenbestimmungen erlaubt.
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Die
Erfindung besteht darin, eine hohe Auflösung durch eine lange Flugstrecke
zu erzeugen, wobei der Ionenstrahl in zwei sich gegenüberstehenden Zylinderkondensatoren
von je 254,56° mehrfach
eine Achterbahn durchläuft
und die linearen Ionenstrahlstrecken zwischen den Zylinderkondensatoren
durch eine Potentialänderung
virtuell so verlängert
werden, dass eine Zeitfokussierung in Bezug auf eine Anfangsenergiestreuung
eintritt.
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Stand der Technik
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Für die massenspektrometrische
Messung der Masse großer
Moleküle,
wie sie insbesondere in der Biochemie vorkommen, eignet sich wegen
beschränkter
Massenbereiche anderer Massenspektrometer kein anderes Spektrometer
besser als ein Flugzeitmassenspektrometer. Flugzeitmassenspektrometer
werden häufig
durch TOF oder TOF-MS abgekürzt,
von englisch "Time-Of-Flight
Mass Spectrometer".
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Es
haben sich zwei verschiedene Arten von Flugzeitmassenspektrometern
entwickelt. Die erste Art umfasst Flugzeitmassenspektrometer für die Messung
pulsförmig
in einem winzigen Volumen erzeugter und axial in die Flugstrecke
hinein beschleunigter Ionen, beispielsweise mit Ionisierung durch matrix-unterstützte Laserdesorption,
abgekürzt
MALDI, einer für
die Ionisierung großer
Moleküle
geeigneten Ionisierungsmethode.
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Die
zweite Art umfasst Flugzeitmassenspektrometer für den kontinuierlichen Einschuss
eines Ionenstrahls, von dem ein Abschnitt quer zur Einschussrichtung
in einem "Pulser" ausgepulst und als zur
Flugrichtung querliegendes, linear ausgedehntes Ionenbündel durch
ein Massenspektrometer mit Reflektor fliegen gelassen wird, wie
es in 1 als Prinzipbild dargestellt ist. Es wird also
ein bandförmiger
Ionenstrahl erzeugt, in dem die Ionen einer Art, also eines Verhältnisses
von Masse zu Ladung, eine querliegende Front bilden. Diese zweite
Art von Flugzeitmassenspektrometern wird kurz als "Orthogonal-Flugzeitmassenspektrometer" (OTOF) bezeichnet;
sie wird vorzugsweise in Verbindung mit vakuumexterner Ionisierung
verwendet. Die meistverwendete Ionisierungsart für diese Art von Massenspektrometern
ist das Elektrosprühen
(ESI). Das Elektrosprühen
ESI ist ähnlich
wie MALDI für
die Ionisierung großer
Moleküle
geeignet. Es können
aber auch andere Ionisierungsarten wie beispielsweise chemische
Ionisierung bei Atmosphärendruck
(APCI), Photoionisierung bei Atmosphärendruck (APPI) oder matrixunterstützte Laserdesorption
an Atmosphärendruck
(AP-MALDI) eingesetzt werden. Auch vakuum-intern erzeugte Ionen
können
verwendet werden. Die Ionen können
vor Eintritt in das OTOF auch noch in entsprechenden Einrichtungen
selektiert und fragmentiert werden, um die Substanzen durch ihre
Fragmente besser zu charakterisieren.
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In
dieser zweiten Art von Flugzeitmassenspektrometern wird durch eine
sehr hohe Zahl an Pulsvorgängen
pro Zeiteinheit (bis zu 20000 Pulsungen pro Sekunde) eine hohe Zahl
an Spektren mit jeweils relativ geringer Anzahl an Ionen erzeugt,
um die Ionen des kontinuierlichen Ionenstrahls möglichst gut auszunutzen.
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Wie
in allen Massenspektrometern kann man in einem Flugzeitmassenspektrometer
immer nur das Verhältnis
aus Masse m des Ions zur Anzahl z von Elementarladungen bestimmen,
die das Ion trägt.
Wenn im Folgenden von „spezifischer
Masse" oder kurz
einfach nur von „Masse" gesprochen wird, so
ist damit immer das Verhältnis
m/z gemeint. Soll mit „Masse" im Folgenden ausnahmsweise
die physikalische Dimension der Masse verstanden werden, so wird
eigens von Molekularmasse gesprochen. Die Einheit der Molekularmasse
m ist die vereinheitlichte atomare Masseneinheit, abgekürzt u, meist
einfach als „Masseneinheit" oder „atomare
Masseneinheit" bezeichnet.
In der Biochemie und Molekularbiologie wird häufig die eigentlich veraltete
Einheit Dalton („Da") verwendet. Die
Einheit der spezifischen Masse m/z ist „Masseneinheit pro Elementarladung" oder „Dalton
pro Elementarladung",
wobei die Elementarladung die Ladung eines Elektrons (negativ) oder Protons
(positiv) ist.
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1 zeigt
das Prinzip eines Reflektor-Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Einschuss
der Ionen. Im Pulser werden die Ionen quer zu ihrer Einschussrichtung
(x-Richtung) beschleunigt; die Beschleunigungsrichtung nennen wir die
y-Richtung. Die Ionen verlassen den Pulser durch Schlitze in Schlitzblenden,
die auch zu einer Winkelfokussierung in einer zu x- und y-Richtung
senkrechten z-Richtung verwendet werden können. Die Ionen haben nach
ihrer Beschleunigung jedoch eine Richtung, die zwischen der y-Richtung
und der x-Richtung liegt, da sie ihre ursprüngliche Geschwindigkeit in x-Richtung
ungestört
beibehalten. Der Winkel zur y-Richtung beträgt α = arcus tangens √(Ex/Ey), wenn Ex die kinetische Energie der Ionen im Primärstrahl
in x-Richtung und Ey die Energie der Ionen
nach Beschleunigung in y-Richtung ist. Die Richtung, in der die
Ionen nach dem Auspulsen fliegen, ist unabhängig von der Masse der Ionen.
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Die
Ionen, die den Pulser verlassen haben, bilden jetzt ein breites
Band, wobei sich Ionen einer Sorte (einer spezifischen Masse m/z)
jeweils in einer Front befinden, die die Breite des Strahles im
Pulser hat. Leichte Ionen fliegen schneller, schwere langsamer,
jedoch alle in gleicher Richtung, abgesehen von eventuell auftretenden
leichten Richtungsunterschieden, die von leicht unterschiedlichen
kinetischen Energien Ex der Ionen beim Einschuss
in den Pulser herrühren
können.
Diese Ionen werden daher möglichst
monoenergetisch eingeschossen. Die feldfreie Flugstrecke muss ganz
vom Beschleunigungspotential umgeben sein, um die Ionen in ihrem
Flug nicht zu stören.
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Ionen
gleicher spezifischer Masse, die sich in verschiedenen Orten des
Strahlquerschnitts befinden, können
in Bezug auf ihre verschiedenen Startorte nach W. C. Wiley und I.
H. McLaren (Rev. Sci. Instrum. 26 (1955) 1150) flugzeitfokussiert
werden, indem beim Einschalten der Auspulsspannung das Feld im Pulser
gerade so gewählt
wird, dass die am weitesten entfernten Ionen eine etwas höhere Beschleunigungsenergie
mitbekommen, die sie befähigt,
die vorausfliegenden Ionen in einem Flugzeitfokuspunkt wieder einzuholen.
Die Lage des Flugzeitfokuspunkts ist durch die Auspulsfeldstärke im Pulser frei
wählbar.
Dabei wird die anfängliche
Ortsdispersion der Ionen in eine Energiedispersion umgewandelt. Die
Energiedispersion wird in bekannter Weise durch den Reflektor ausfokussiert.
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Für die Aufnahme
der Ionenströme
in Flugzeitspektrometem werden in den heutigen kommerziell erhältlichen
Geräten
so genannte Kanalplatten-Sekundärelektronenvervielfacher
eingesetzt, deren verstärkte
Ionenströme
schnellen Transientenrekorder zugeführt werden. Die schnellen Transientenrekorder
digitalisieren die verstärkten
Ionenströme
in einem Takt von ein bis vier Gigahertz in Analog-zu-Digital-Wandlern
mit einer Signalauflösung von
acht bit.
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Zur
Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens werden
die Massenspektrometer (sowohl das Axial- wie auch das Orthogonal-Flugzeitmassenspektrometer)
mit mindestens einem energiefokussierenden Reflektor ausgestattet,
der den ausgepulsten Ionenstrahl zum Ionendetektor hin reflektiert
und dabei Ionen gleicher Masse, jedoch leicht verschiedener kinetischer
Anfangsenergie in y-Richtung genau auf den breitflächigen Detektor
zeitfokussiert. Die Ionen fliegen aus dem (letzten) Reflektor auf
einen Detektor zu, der bei Orthogonal-Flugzeitmassenspektrometern ebenso breit
sein muss wie der Ionenstrahl, um alle ankommenden Ionen messen
zu können.
Auch der Detektor muss parallel zur x-Richtung ausgerichtet sein,
wie in 1 wiedergegeben, um die Front der fliegenden Ionen
einer Masse auch zeitgleich zu detektieren.
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Das
Auflösungsvermögen R und
die Massengenauigkeit eines Flugzeitmassenspektrometers sind proportional
zur Fluglänge.
Man kann also das Auflösungsvermögen erhöhen, indem
man ein sehr langes Flugrohr wählt
oder Mehrfachreflektionen durch mehrere Reflektoren einführt. Beispielsweise kann
man mit einer Flugstrecke von anderthalb Meter eine Massenauflösung von
etwa R = m/Δm
= 10000, mit etwa sechs Meter eine Massenauflösung von R = m/Δm = 40000
erreichen (Δm
ist dabei die Linienbreite des Ionensignals in halber Maximalhöhe, gemessen
in Masseneinheiten).
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Flugrohre
von mehreren Meter Länge
sind sehr unbequem, weil sie zu unhandlichen Geräten führen. Aber auch Mehrfachreflektionen
sind nicht ohne Probleme, da bisher die an sich sehr wünschenswerten
Winkelfokussierungen des divergenten Ionenstrahls noch nicht zufriedenstellend
gelöst sind.
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Es
sind aber auch Flugzeitmassenspektrometer bekannt geworden, die
Zylinderkondensatoren in die Flugstrecke einbeziehen und so kleinere Baugrößen bei
langer Flugstrecke ermöglichen.
Ein Zylinderkondensator bietet dabei Winkelfokussierungen (für den Winkel φ, der in
einer Ebene liegt, die die Zylinderachse senkrecht schneidet), Ortsfokussierungen
in Bezug auf Energiestreuungen und Flugzeitfokussierungen in Bezug
auf anfängliche
Winkelstreuungen für
Ionen einer spezifischen Masse, die für lange Flugstrecken genutzt
werden können.
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So
stellt J. M. B. Bakker ("The
Time-Focusing Design for Time-of-Flight Spectrometers", International Journal
of Mass Spectrometry and Ion Physics, Vol 6 (1971), S. 291-295;
DE 2 045 338 A1 )
ein Gerät
vor, dass zur Energiefokussierung gerade Flugstrecken mit Flugstrecken
in Zylinderkondensatoren verknüpft.
In dieser Arbeit scheint sowohl die Winkelfokussierung wie auch
die Ortsfokussierung in Bezug auf Energiestreuungen in Zylinderkondensatoren
bekannt, wobei gezeigt wird, dass man für eine reine Energiefokussierung
durch Kombination von linearen und kreisförmigen Wegstrecken den Umlaufwinkel
für die
Energiefokussierung verkürzen
kann. – Kombinationen
aus linearen und kreisförmigen
Flugstrecken für
Winkelfokussierungen sind seit vielen Jahrzehnten bekannt (siehe
z.B.
US 3,863,068 A (Poschenrieder))
und in entsprechenden Lehrbüchern
nachzulesen. – A.
A. Sysoev et al. (Fresenius J. Anal. Chem. 361 (1998) 261-266) stellen
ein Gerät vor,
dass einen Zylinderkondensator von 509° enthält, dessen Energiedispersion
durch eine lineare Fortsetzung der Strecke zum Detektor wieder aufgehoben
zu werden scheint. Die 509° sind
nur einer Abbildung zu entnehmen, die genauen Bedingungen der Energiefokussierung
sind nicht angegeben. – In einer
ionenoptischen Arbeit über
Flugzeitmassenspektrometer mit elektrischen Sektorfeldern (Zylinderkondensatoren)
zeigt A. A. Sysoev (Eur. J. Mass Spectrom. 6 (2000) 501-513) Lösungen für den Einsatz
kürzerer
Kreisbahnen in Zylinderkondensatoren in Verbindung mit linearen
Flugstrecken auf. In einer anderen Veröffentlichung (Sakurai et al.: „A New
Time-of-Flight Mass
Spectrometer", International
Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, Vol. 66 (1985),
S. 283-290) werden vier Sektorfelder mit jeweils 269° eingesetzt,
wobei die linearen Wegstrecken zwischen den Sektorfeldern durch
Gehäuse
abschirmt werden. Aus der Patentschrift
US 6,300,625 B1 (Ishihara)
ist ein Flugzeitmassenspektrometer mit elektrischen Sektorfeldern
bekannt, in dem die Ionen zeitweise auf einer geschlossenen achtförmigen Flugstrecke
eingeschlossen werden. Dabei ist neben der Winkelfokussierung in
der Ebene der achtförmigen
Flugstrecke zusätzlich
eine Fokussierung der Ionen senkrecht zu dieser Ebene notwendig.
In der Druckschrift
JP
11135061 A (Ishihara et al.) wird die letztere Fokussierung
durch den Einsatz von toroidalen Sektorfeldern erreicht.
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In
einem Zylinderkondensator werden Ionen, die in einem Punkt monoenergetisch
eintreten, in Bezug auf den Eintrittswinkel φ nach 127,28° = 180°/√2 winkelfokussiert;
Ionen einer spezifischen Masse erfahren dabei aber eine Flugzeitdispersion.
Diese Fokussierung bedeutet, dass sie sich die Ionen verschiedener
Startwinkel wieder in der Flugbahn in einem Fokuspunkt treffen,
aber dass Ionen gleicher Masse nicht zum gleichen Zeitpunkt dort
eintreffen, weil die Weglängen
für die
Ionen verschiedener Winkel verschieden sind. Wir werden diese Art
der Fokussierung „Winkelfokussierung
mit Flugzeitdispersion" nennen.
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Nach
zweimaligem Durchlaufen dieses Winkels, also nach Durchlaufen eines
Winkels von 254,56° =
2 × 127,28° (360/√2), tritt
dann wiederum eine Winkelfokussierung auf, dieses Mal aber mit einer
Flugzeitfokussierung (wenn am Anfang des ersten Winkels eine Flugzeitfokussierung
vorlag), da die Flugzeitdispersion der ersten Hälfte genau kompensiert wird.
Wir werden diese Fokussierung „Winkelfokussierung
mit Flugzeitfokussierung" nennen.
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In
einem Zylinderkondensator werden Ionen, die in einem Punkt flugzeitfokussiert,
aber energiedispersiv, eintreten, nach Durchlaufen eines Winkels von
254,56° =
2 × 127,28° = 360°/√2 ortsfokussiert
in Bezug auf ihre Energiestreuung, Ionen einer spezifischen Masse
erfahren dabei aber eine Flugzeitdispersion. Diese Fokussierung
bedeutet, dass sie sich die Ionen verschiedener Eintrittsenergien
wieder in der Flugbahn in einem Fokuspunkt treffen, aber dass Ionen
gleicher Masse nicht zum gleichen Zeitpunkt dort eintreffen, weil
die Weglängen
für die
Ionen verschiedener Energien verschieden sind. Wir werden diese
Art der Fokussierung „Energiefokussierung
mit Flugzeitdispersion" nennen.
Nach diesem besonderen Winkel tritt also eine „Winkelfokussierung mit Flugzeitdispersion" und eine „Energiefokussierung mit
Flugzeitdispersion" ein.
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Nach
zweimaligem Durchlaufen dieses Winkels, also nach Durchlaufen eines
Winkels von 509,117° =
2 × 254,56° = 360° × √2, tritt
dann wiederum eine Energiefokussierung auf, leider wird aber hier
nicht, wie bei der Winkelfokussierung, auch eine Flugzeitfokussierung
erreicht. Die Flugzeitdispersionen kompensieren sich nicht, sondern
verdoppeln sich. Es ist daher für
Zylinderkondensatoren generell nicht möglich, eine „Energiefokussierung
mit Flugzeitfokussierung" zu
erreichen.
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Die
Flugzeitdispersion der Energiefokussierung nach 254,56° ist bemerkenswert,
da hier die energieärmeren,
also langsameren, Ionen vorauseilen und die energiereicheren Ionen
später
ankommen. Es ist damit möglich,
die Energiedispersion durch eine lineare Flugstrecke wieder zu kompensieren. Diese
Flugstrecke ist allerdings verhälnismäßig lang, so
dass sich durch eine einfache Kombination von Zylinderkondensator
und linearer Flugstrecke nicht ein besonders kleines Massenspektrometer
bauen lässt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Flugzeitmassenspektrometer sehr
hohen Auflösungsvermögens mit
kleinem Raumbedarf zu bauen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Es
liegt für
die Lösung
der Aufgabe der Gedanke nahe (obwohl nicht in der Literatur beschrieben),
zwei Zylinderkondensatoren mit jeweils 254,56° einander so gegenüber zu stellen,
dass die Flugbahn durch die beiden Zylinderkondensatoren einer „8" gleicht, wie in 2 gezeigt.
Es entstehen dann zwischen den kreisförmigen Kreisbahnen in den Zylinderkondensatoren
jeweils gerade Flugstrecken mit einer durch den Radius der Zylinderkondensatoren
festgelegten Länge.
Leider sind jedoch diese geraden Flugstrecken zu kurz, um die Flugzeitdispersion,
die beim Durchlauf durch die Zylinderkondensatoren entsteht, wieder
aufzuheben. Es bleibt eine Flugzeitdispersion, die sich bei mehrfachem
Durchlaufen der „8" jeweils vergrößert, und
die nur durch eine längere
lineare Flugstrecke wieder zu beheben ist. Die längere lineare Flugstrecke verhindert
den Bau eines sehr kleinen Gerätes.
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Die
Erfindung besteht nun darin, die Längen der geraden Flugstrecken
zwischen den beiden Zylinderkondensatoren für die Ionen virtuell zu vergrößern, um
die Flugzeitdispersion des Zylinderkondensators mit 254,56° mit dieser
internen Flugstrecke wieder zu beheben. Die virtuelle Verlängerung
der linearen Flugstrecke wird durch eine Flugstrecke bewirkt, die
sich auf einem anderen Potential befindet, als es dem Mittenpotential
in den Zylinderkondensatoren entspricht. Es müssen die Ionen beim Austritt aus
dem Zylinderkondensator abgebremst werden und beim Eintreten in
den nächsten
Zylinderkondensator wieder beschleunigt werden. Die Ionen fliegen daher
in dieser Flugstrecke langsamer, und da die Energiestreunung der
Ionen gleich bleibt, können
die schnelleren Ionen die langsameren auf einer kürzeren Strecke
einholen. Durch eine einfach vorzunehmende Justierung des Potentials
der linearen Flugstrecken kann eine optimale Kompensation der Flugzeitdispersion
erreicht werden.
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Zwischen
Zylinderkondensator und geraden Flugstrecken müssen besondere Korrekturpotentiale eingefügt werden,
um einen guten Übergang
trotz Abbremsung zu erreichen. Die Korrekturpotentiale liegen an
Korrekturelektroden und bestehen aus einem Elektrodenpaar zur Kompensation
des Streupotentials des Zylinderkondensators und aus einem Elektrodenpaar,
das eine Ionenlinse bildet.
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Ionen,
die parallel und zeitfokussiert in einer der Zylinderkondensatoren
eintreten, erleben in jedem der Durchläufe durch einen Zylinderkondensator
zwei Winkelfokuspunkte und treten jeweils wieder parallel aus. (Es
sind auch andere Betriebsarten möglich,
die unten beschrieben werden). Jeweils am Ende einer der linearen
Flugstrecken (vor dem Eintreten in den nächsten Zylinderkondensator)
wird eine Flugzeitfokussierung der Ionen einer Masse erreicht.
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Wird
also eine pulsförmig
arbeitende Ionenquelle so angebracht, dass ein paralleler, zeitfokussierter
Eintritt der Ionen in den ersten Zylinderkondensator erreicht wird,
so kann am Ende der letzten durchlaufenen linearen Flugstrecke ein
Detektor ein hochaufgelöstes
Massenspektrum messen. Weiter unten werden weitere mögliche Geometrien
für den Betrieb
vorgestellt. Insbesondere lässt
sich der Ionenstrahl durch einen leicht schrägen Einschuss (mit einer Bewegungskomponente
in Richtung der Achse der Zylinderkondensatoren) in jedem Zylinderkondensator
schraubenförmig
Wendeln, so dass sich nach mehrfachem Durchlaufen Ionenquelle und
Detektor nicht im Wege stehen.
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Es
können
mit dieser Erfindung verschiedene Konfigurationen von verhältnismäßig kleinen Flugzeitmassenspektrometern
erstellt werden, wobei die Konfigurationen jeweils stark von der
Art der Ionenerzeugung und der geplanten Massenauflösung abhängen. Besonders
erwähnenswert
ist beispielsweise eine Ausführungsform
für Ionen
eines kontinuierlichen Ionenstrahls in y-Richtung parallel zur Achsenrichtung
des Zylinderkondensators, aus dem die Ionen einzelner Abschnitte
des Ionenstrahls von einem Pulser in Form eines Ionenbandes in y-Richtung tangential
in den Zylinderkondensator eingeschossen werden, wie in 5 gezeigt.
Die so beschleunigten Ionen fliegen dabei in Form eines Ionenbandes
schräg
aus dem Pulser, wobei die ursprüngliche Geschwindigkeit
der Ionen in x-Richtung beibehalten wird. Der Winkel zur y-Richtung
beträgt,
wie oben bereits beschrieben, α =
arcus tangens √(Ex/Ey), wenn Ex die kinetische Energie der Ionen im Primärstrahl
in x-Richtung und Ey die Energie der Ionen nach
Beschleunigung in y-Richtung ist. Dieser Winkel α sorgt bei richtiger Dimensioniserung
des Zylinderkondensators für
die schraubenförmige
Wendelung der Ionenbahn innerhalb eines jeden Zylinderkondensators.
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Pulser
und Detektor brauchen nicht zwischen den Zylinderkondensatoren angebracht
sein. Durch eine axiale Verschiebung der beiden Zylinderkondensatoren
gegeneinander können
Pulser oder Detektor auch weiter vom Eingang in den Zylinderkondensator
entfernt sein, als es der geraden Wegstrecke zwischen den beiden
Zylinderkondensatoren entspricht, wobei der Ionenstrahl jeweils
an den Stirnseiten der Zylinderkondensatoren vorbei geführt wird.
Die Überkompensation
der Flugzeitdispersion durch die längere Wegstrecke kann dabei
durch eine Justierung des Potentials der geraden Flugstrecken aufgehoben
werden, da die Flugzeitkompensation in ihrer Summe wirkt und es
auf die Flugzeitkompensationen der einzelnen Strecken nicht ankommt.
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Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt
ein Prinzipschema eines herkömmlichen
Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss. Durch
eine Öffnung
(1) einer Vakuumkammer (2) tritt ein Bündel (3)
von Ionen verschiedener Anfangsenergien und Anfangsrichtungen in
ein Ionenleitsystem (4) ein, das sich in einer gasdichten
Hülle befindet.
Gleichzeitig tritt auch Dämpfungsgas
mit in das Ionenleitsystem ein. Im Gas werden die eintretenden Ionen
durch Stöße abgebremst.
Da im Ionenleitsystem ein Pseudopotential für die Ionen herrscht, das in
der Achse (5) am geringsten ist, sammeln sich die Ionen
in der Achse (5). Die Ionen breiten sich in der Achse (5)
bis zum Ende des Ionenleitsystems (4) aus. Das Gas aus
dem Ionenleitsystem wird durch die Vakuumpumpe (6) an der
Vakuumkammer (2) abgepumpt.
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Am
Ende des Ionenleitsystems (4) befindet sich das Ziehlinsensystem
(7). Eine Lochblende dieses Ziehlinsensystems ist in die
Wand (8) zwischen Vakuumkammer (2) für das Ionenleitsystem
(4) und Vakuumkammer (9) für das Flugzeitmassenspektrometer
integriert. Letztere wird durch eine Vakuumpumpe (10) bepumpt.
Das Ziehlinsensystem (7) besteht in diesem Prinzipbild
aus fünf
Lochblenden; es zieht die Ionen aus dem Ionenleitsystem (4)
heraus und formt einen feinen Ionenstrahl mit geringem Phasenvolumen,
der in den Pulser (12) fokussiert wird. Der Ionenstrahl
wird in x-Richtung in den Pulser eingeschossen. Ist der Pulser mit
durchfliegenden Ionen der bevorzugt untersuchten Masse gefüllt, so
beschleunigt ein kurzer Spannungspuls ein breites Paket an Ionen
quer zur bisherigen Flugrichtung in y-Richtung und bildet einen breiten Ionenstrahl,
der in einem Reflektor (13) reflektiert und von einem Ionendetektor
(14) zeitlich hochaufgelöst gemessen wird. Im Ionendetektor
(14) wird das Ionensignal, das in einem Sekundärelektronenverstärker in
Form einer doppelten Vielkanalplatte verstärkt wird, kapazitiv auf einen
50-Ω-Konus übertragen,
Das so bereits verstärkte
Signal wird über
ein 50-Ω-Kabel
an einen Verstärker
weitergegeben. Der 50-Ω-Konus
dient dazu, das Kabel eingangsseitig abzuschließen, so dass hier keine Signalreflektionen
stattfinden können.
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Reflektor
(13) und Detektor (14) sind in diesem Prinzipbild
exakt parallel zur x-Richtung
der in den Pulser eingeschossenen Ionen ausgerichtet. Der Abstand
zwischen Detektor (14) und Pulser (12) bestimmt
den maximalen Ausnutzungsgrad für
Ionen aus dem feinen Ionenstrahl.
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2 zeigt
dagegen das Grundprinzip der Erfindung. Einem ersten Zylinderkondensator
von 254° mit
der Außenschale
(21) und der Innenschale (22) steht ein zweiter
Zylinderkonsator gleichen Ablenkwinkels mit der Außenschale
(23) und der Innenschale (24) gegenüber. Ein
Ionenstrahl (26) läuft
in den beiden Kondensatoren und dem Zwischenraum in Form einer „8" um. Erfindungsgemäß müssen nun die
geraden Stücke
der Ionenbahn auf einem anderen Potential laufen, daher sind die
linearen Bahnstücke
hier in einem Gehäuse
(25) eingeschlossen, dessen Potential sich verändern lässt. 2 zeigt
nicht, wie der Ionenstrahl ein- und wieder ausgefädelt wird.
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3 ist
eine Verfeinerung des Grundprinzips durch die Einfügung eines
Korrekturelektrodenpaares (34) und einer Linsenelektrodenpaares
(35). Diese Elektrodenpaare sind notwendig, um bei verstelltem
Potential am Gehäuse
(25) auch die Randstrahlen trotz Abbremsung und Beschleunigung
der Ionen sauber durch die Apparatur zu führen. Es ist hier ein Modus
gezeigt, bei dem die Ionenstrahlen (27) und (28)
im Gehäuse
(25) parallel zu einander verlaufen. In den beiden Zylinderkondensatoren
ergeben sich je zwei Winkelfokuspunkte (30), (31),
(32) und (33).
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4 zeigt
einen Modus, bei dem durch die Linsenelektroden (35) ein
Fokuspunkt (29) im Zentrum der Apparatur erzeugt wird.
Die Ionenstrahlen laufen aber wie in 3 parallel
in die Zylinderkondensatoren ein, und haben daher die gleichen Winkelfokuspunkte.
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5 zeigt
das Ionenstrahl-Schema eines Flugzeitmassenspektrometers für orthogonalen
Ioneneinschuss nach dieser Erfindung. Es ist für eine Ionenquelle gebaut,
die einen kontinuierlichen Ionenstrahl liefert, wie zum Beispiel
eine Elektrosprüh-Ionenquelle.
Der fein fokussierte Ionenstrahl (40) mit möglichst
monoenergetischen Ionen von einstellbar zwanzig bis vierzig Elektronenvolt
kinetischer Energie tritt in einen Pulser (41) ein, in
dem die Ionen periodisch quer mit hoher Beschleunigung von etwa acht
Kilovolt ausgepulst werden. Der so entstehende bandförmige Ionenstrahl
(42) durchläuft
fünfmal
eine „8" des Massenspektrometers,
wobei die Zylinderkondensatoren mit etwa 11,5 Kilovolt und die geraden
Bahnstücke
mit acht Kilovolt durchlaufen werden, und trifft schließlich auf
den hier ebenfalls nur symbolisch dargestellten Detektor (43),
der üblicherweise
aus zwei sekundärelektronenverstärkenden Vielkanalplatten
mit anschließendem
Dämpfungskonus
für eine
50-Ω-Leitung
besteht. Bei einem Radius von neun Zentimeter für die Ionenbahn in den beiden hier
nicht gezeigten Zylinderkondensatoren kann das Gerät in einem
relativ kleinen Vakuum gehäuse
von 50 Zentimeter Breite, 50 Zentimeter Tiefe und 25 Zentimeter
Höhe untergebracht
werden und bietet bei einer Flugweglänge von sechs Meter eine Massenauflösung von
etwa R = 40 000. Das Gerät
kann leicht als Tischgerät
gebaut werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Es
wird hier zunächst
eine besonders günstige
Ausführungsform
besprochen, die als Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem
Ioneneinschuss eines kontinuierlichen Ionenstrahls arbeitet, beispielsweise
für einen
Ionenstrahl aus einer Ionisierung durch Elektrosprühen (ESI).
Das Prinzip kann von jedem Fachmann auch auf andere Ionenquellen
mit anderen Ionisierungsarten umgesetzt werden.
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Das
Prinzip der Ionenstrahlführung
ist in 5 wiedergegeben, die Details der Ionenstrahlfokussierung
in Bezug auf den Einschusswinkel kann aus 4 entnommen
werden. Die Platten der Zylinderkondensatoren (21), (22),
(23) und (24) sowie das Gehäuse (25) erstrecken
sich dabei über
die ganze Tiefe der Flugbahn in x-Richtung, der Richtung des primären Ionenstrahls
(40), vom Pulser (41) bis zum Detektor (43)
in 5.
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Ähnlich wie
bei einem herkömmlichen
Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss, wie
es in 1 gezeigt wird, wird der primäre Ionenstrahl zunächst in
einem Hochfrequenz-Ionenleitsystem, das mit Stoßgas eines Drucks von etwa
10-2 Pascal gefüllt ist, so gedämpft, dass
praktisch monoenergetische Ionen entstehen. Aus diesen wird durch
eine Beschleunigungslinse ein feiner Ionenstrahl (40) geformt,
der in den Pulser (41) des Massenspektrometers eingefädelt wird.
Die Ionen haben dabei eine einstellbare kinetische Energie Ex zwischen etwa 20 und 40 Elektronenvolt.
Die Richtung dieses primären
Ionenstrahls nennen wir die x-Richtung. Dieser Pulser ist aus einer
Reihe von Schlitzblenden aufgebaut, die es erlauben, den Ionenstrahl
pulsartig in y-Richtung, die senkrecht zur primären x-Richtung liegt, zu beschleunigen. Die Schlitzblenden
wirken besser als die Gitter des Pulsers (12) aus 1,
sie erlauben die Formung eines bandförmigen Strahles von etwa zwei
Zentimeter Breite, der nur eine sehr leichte Divergenz hat und von
einem sehr kleinen, linear ausgedehnten Ursprungsort zu stammen
scheint. Die kinetische Energie Ey der Ionen
quer zur primären
Richtung beträgt etwa
acht Kilovolt.
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Das
Band des Ionenstrahls hat nach der Beschleunigung in y-Richtung
eine Richtung, die zwischen der y-Richtung und der x-Richtung liegt,
da die Ionen ihre ursprüngliche
Geschwindigkeit in x-Richtung ungestört beibehalten. Der Winkel
zur y-Richtung beträgt α = arcus
tangens √(Ex/Ey), wenn Ex die kinetische Energie der Ionen im Primärstrahl
in x-Richtung und Ey die Energie der Ionen
nach Beschleunigung in y-Richtung ist. Die Richtung, in der die
Ionen nach dem Auspulsen fliegen, ist unabhängig von der Masse der Ionen.
Der Winkel α kann durch
die Wahl der Primärenergie
Ex eingestellt werden. Der Winkel α bewirkt,
dass der bandförmige
Ionenstrahl in den Durchflügen
durch einen der Zylinderkondensatoren jeweils schraubenförmig gewendelt
ist, auch die linearen Strecken des Ionen strahls haben jeweils einen
Vortrieb in der x-Richtung, also der Achsenrichtung der Zylinderkondensatoren.
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Wird
dieser Pulser im Massenspektrometer so angeordnet, dass er den Ursprungsort
an die Überkreuzungsstelle
(29) der 4 legt, so lässt sich der bandförmige Ionenstrahl
als leicht divergenter Ionenstrahl (36) der 4 in
den Zylinderkondensator (21, 22) einschießen. Da
er hier als Parallelstrahl eintreten muss, wird die Linse (35)
so eingestellt, dass aus dem leicht divergenten Strahl ein Parallelstrahl
entsteht. Das Elektrodenpaar (34) wird mit einem leicht
unsymmetrischen Potential versorgt, es dient lediglich der Kompensation
des Streufeldes des Zylinderkondensators (21, 22)
außerhalb
des Randes. Dieser ionenoptische Trick ist jedem Fachmann bekannt.
Während
der Achterbahn durch die Zylinderkondensatoren bleibt der Vortrieb
in x-Richtung erhalten, so dass es die Bahn ergibt, die in 5 dargestellt
ist.
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Der
Pulser kann dabei so betrieben werden, dass er Ionen verschiedener
Anfangsorte quer zum primären
Ionenstrahl so ausfokussiert, dass diese Ionen zu exakt gleicher
Zeit in den ersten Zylinderkondensator eintreten, allerdings unter
leichter Energiedispersion: es wird dabei die Ortsverteilung in
eine Energieverteilung umgewandelt. Dieses Verfahren ist in der
Arbeit W. C. Wiley and I. H. McLaren, „Time-of-Flight Mass Spectrometer
with Improved Resolution",
Rev. Scient. Instr. 26, 1150, 1955 veröffentlicht worden. Die resultierende
Energieverteilung bewirkt in jedem Durchlauf durch einen der beiden
Zylinderkondensatoren wieder eine Flugzeitdispersion, die durch
eine entsprechende gerade Bahnstrecke ausgeglichen werden muss.
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Der
Ionenstrahl folgt jetzt dem Verlauf, den er in 4 hat.
In jedem Durchlauf durch einen der beiden Zylinderkondensatoren
erleidet er zwei Winkelfokussierungen. In jedem der Zylinderkondensatoren
findet insgesamt eine Winkelfokussierung mit Flugzeitfokussierung
statt, die sich darin äußert, dass der
parallel eintretende Strahl auch parallel wieder austritt, und dass
dabei keine Flugzeitdispersion für Ionen
verschiedenen Eintrittswinkels auftritt, sofern diese Ionen gleiche
Masse und gleiche Anfangsenergie haben. In jedem Durchlauf durch
einen der beiden Zylinderkondensatoren erlebt der Ionenstrahl aber
auch eine Ortsfokussierung in Bezug auf eine Streuung der Anfangsenergien,
also eine Energiefokussierung mit Flugzeitdispersion. Diese äußert sich darin,
dass Ionen verschiedener Anfangsenergie, die parallel eintreten,
auch genau parallel wieder austreten, doch zu leicht unterschiedlichen
Zeiten.
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Diese
Flugzeitdispersion wird nun erfindungsgemäß auf den linearen Flugstrecken
wieder beseitigt, und zwar dadurch, dass die linearen Strecken mit
einer anderen kinetischen Energie durchflogen werden als die kreisförmigen Strecken
in den Zylinderkondensatoren. Das entspricht einer virtuellen Verlängerung
dieser Strecke.
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Im
Pulser erhalten die Ionen eine kinetische Energie von beispielsweise
acht Kilovolt. Beim Eintritt in den Zylinderkondensator wird ihnen
im Bereich der Linse und der Korrektur elektroden eine Beschleunigung
von etwa 2,5 Kilovolt erteilt. Diese Zusatzbeschleunigung ist durch
die Potentiale am Gehäuse
(25) und den Potentialen an den Zylinderkondensatorplatte
(21), (22), (23) und (24) fein
einstellbar. Beim Austritt aus dem Zylinderkondensator werden die
Ionen entsprechend wieder auf acht Kilovolt abgebremst. Beschleunigung
und Abbremsen findet in gleicher Weise bei jedem Eintritt und Austritt
statt.
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Bei
jedem Eintritt und Austritt bewirkt außerdem die Linse (35)
einen Übergang
vom Parallelstrahl in einen leicht divergenten Strahl und umgekehrt,
wie in 4 sichtbar. Die Linse ist am besten als lange
Schlitzlinse (Zylinderlinse) ausgebildet, die sich über die
gesamte Tiefe der Zylinderkondensatoren erstrecken. Auch die Korrekturelektroden
sind als lange Elektroden ausgebildet. Es können aber auch für jeden
Abschnitt individuelle Linsen- und
Korrekturblenden verwendet werden.
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Der
Detektor (43) kann ebenfalls, wie der Pulser, im Zentrum
der Apparatur angebracht sein, doch ist diese Anordnung weder zwingend
noch durch Kompensation der Flugzeitdispersionen nahegelegt. Wird
die Anordnung so betrieben, dass jeweils durch eine gerade Strecke
die Flugzeitdispersion des vorhergehenden Flugabschnittes im Zylinderkondensator
genau ausgeglichen wird, so herrscht an dieser zentralen Stelle
für den
Detektor noch keine Flugzeitfokussierung, da vom letzten Austritt
aus einem Zylinderkondensator nur die halbe Strecke durchlaufen
wurde. Die Flugzeitfokussierung kann aber leicht durch eine Feinjustierung
des Potentials zwischen Gehäuse
(25) und den Zylinderkondensatoren hergestellt werden,
da es nicht erforderlich ist, die Kompensationen auf den geraden
Strecken den jeweils durchlaufenen Flugzeitbahnen in einem der Zylinderkondensatoren
zuzuordnen. Die Kompensationen müssen
nur in ihrer Summe stimmen.
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Pulser
und Detektor können
auch außerhalb des
Gehäuses
(25) liegen, wenn der Strahl jeweils an der Stirnseite
einer der Zylinderkondensatoren vorbeigeführt wird. Der Detektor kann
also an einer beliebigen Stelle der geraden Flugstrecke außerhalb der
Zylinderkondensatoren angebracht sein, die Flugzeitfokussierung
lässt sich
durch die Potentialdifferenz zwischen Flugpotential im Zylinderkondensator
und im Gehäuse
einstellen.
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Ein
Gerät mit
einer Flugbahn, wie sie in 5 gezeigt
ist, kann leicht als Tischgerät
gebaut werden. Bei einem Radius von neun Zentimeter für die Ionenbahn
in den beiden Zylinderkondensatoren kann das Gerät in einem relativ kleinen
Vakuumgehäuse
von 50 Zentimeter Breite, 50 Zentimeter Tiefe und 25 Zentimeter
Höhe untergebracht
werden und bietet voraussichtlich bei einer gesamten Flugweglänge von
etwa sechs Meter eine Massenauflösung von
mehr als R = 40 000. Erfahrungsgemäß lässt sich die Masse auf 1/10
bis 1/20 der Signalbreite bestimmen. Es ist daher zu erwarten, dass
sich eine Genauigkeit der Massenbestimmung von ein bis drei Millionsteln
der Masse erreichen lässt
(1-2 ppm). Damit würde
dieses relativ einfache Tischgerät
zum genauesten der bisher gebauten Massenspektrometer, wenn man
von Fourier-Transform Ionencyclotronmassenspektrometern absieht,
die aber wegen der Verwendung von Supraleitfähigen Magneten zu den größten und
teuersten Geräten
gehören.
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Für die Flugbahn
durch die Apparatur gibt es noch andere Möglichkeiten als die in den 3 und 4 gezeigten.
So können
beispielsweise die Winkelfokuspunkte auch eingangs, mittig und ausgangs
der Zylinderkondensatoren liegen. Es sind dann im Gehäuse weitere
Linsen erforderlich, um die ausgangsseitigen Fokuspunkte wieder
auf die Eingänge
zu fokussieren.
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Die
Verwendung eines solchen Massenspektrometers ist aber nicht auf
Ionenquellen beschränkt,
die einen kontinuierlichen Ionenstrahl liefern. Auch Ionenquellen
mit Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption können verwendet
werden, ergeben allerdings einen etwas anderen Aufbau.
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Zur
Ionisierung durch matrixunterstützte
Laserdesorption werden Analytmoleküle auf einer Probenträgerplatte
in kleine Kriställchen
einer Matrixsubstanz eingebettet. Durch den Beschuss des Kristallkonglomerats
mit einem Laserlichtpuls wird etwas Matrixmaterial verdampft und
bildet eine kleine Plasmawolke, dabei werden auch Analytmoleküle in die Plasmawolke
geblasen und ionisiert. Diese Ionisierung kann außerhalb
des Vakuumsystems erfolgen, hier wird aber eine Ionisierung im Vakuumsystem
betrachtet. Im Vakuum dehnt sich die Plasmawolke sehr schnell aus,
in einigen Zehn Nanosekunden, dabei werden die Ionen durch Reibungsmitnahme
unterschiedlich beschleunigt. Nach einer kleinen Wartezeit befinden
sich die schnelleren Ionen weiter von der Probenträgerplatte
entfernt, wird jetzt ein Beschleunigungsfeld mit einem Potentialgradienten
eingeschaltet, so können
langsamere Ionen – näher an der
Probenträgerplatte – eine leicht
höhere
zusätzliche
Energie erhalten als die schnelleren. Die ursprünglich langsameren Ionen können die
ursprünglich
schnelleren Ionen in einem Zeitfokus einholen. Es lässt sich somit über den
Potentialgradienten und die Wartezeit eine Energiefokussierung mit
Zeitfokussierung erreichen, deren Fokuspunkt sich auf eine Entfernung
von 5 bis 30 Zentimeter von der Probenträgerplatte hinweg einstellen
lässt.
Dieses Fokussierungsverfahren wird SVCF (space velocity correlation
focusing), DE (delayed extraction) oder PIE (pulsed ion extraction) genannt.
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Die
Erzeugung der Ionen kann wiederum im Zentrum (29) der Ionenstrahlbahn
vorgenommen werden, wobei allerdings kein bandförmiger Ionenstrahl erzeugt
wird, sondern ein mehr fadenförmiger. Die
Erzeugung der Ionen kann aber auch an anderem Ort geschehen, wobei
die Ionen in Richtung des primären
Ionenstrahls (40) in die Apparatur eingeschossen, und statt
durch einen Pulser (41) durch einen Ionenspiegel in den
ersten Zylinderkondensator gelenkt werden.
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Die
Beschleunigungsoptik der MALDI-Ionenquelle kann dabei auch eine
Linse für
eine Winkelfokussierung des durch die explosionsartige Ausdehnung
der Plasmawolke leicht divergenten Ionenstrahls enthalten; durch
zwei gekreuzte Zylinderlinsen kann sogar die Fokuslänge in zwei
zueinander senkrecht stehenden Divergenzebenen verschieden lang
gemacht werden. So kann beispielsweise in der Ebene quer zur Achse
des Zylinderkondensators die Fokussierung auf den Eingangspunkt
in den Zylinderkondensator vorgenommen werden, während in der anderen Richtung
ein möglichst
guter Parallelstrahl zu erzeugen gesucht wird, der am Austrittsort einen
möglichst
schmalen Ionenstrahl bildet.
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Dieser
so erzeugte Ionenstrahl folgt dann im Prinzip der Bahn (42)
in 5, wobei allerdings kein band- sondern ein fadenförmiger Ionenstrahl
vorliegt.
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Bei
einer Beschleunigungsspannung von 25 Kilovolt haben MALDI-Ionen
einer spezifischen Masse von 5000 Dalton pro Elementarladung eine
Flugzeit von knapp unter 200 Mikrosekunden. Es könnte also hier einer Pulsrate
des Lasers von 50 000 Pulse pro Sekunde angewandt werden, bevor
eine Überlappung
der Spektren eintritt. In der Praxis werden aber hier maximal 200
Pulse pro Sekunde benutzt, es ist also durch die lange Flugstrecke
keinerlei Abweichung der Betriebsweise zu erwarten.
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Sollte
die Fluglänge
dieses Spektrometers nicht ausreichen, so kann man durch mehr Durchläufe oder
durch Erhöhung
des Durchmessers des Zylinderkondensators leicht eine längere Flugstrecke
installieren. So ergibt ein doppelter Durchmesser von 36 Zentimetern
eine vierfache Fluglänge
im Zylinderkondensator.