DE10325581B4 - Verfahren und Vorrichtung für das Einspeichern von Ionen in Quadrupol-Ionenfallen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Einspeicherung von Ionen in eine Quadrupol-Ionenfalle, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einspeicherungsvorgangs eine Einfanghochfrequenzspannung verwendet wird, bei der im Vergleich zu einer sinusförmigen Hochfrequenzspannung innerhalb jeder Hochfrequenzperiode die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten verlängert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für die effektive Einspeicherung extern erzeugter Ionen in eine hochfrequenzbetriebene Quadrupol-Ionenfalle.
  • Die Erfindung besteht darin, während des Einspeichervorgangs nicht eine sinusförmige Hochfrequenzspannung anzulegen, sondern eine aus positiven und negativen Pulsen bestehende Spannung, wobei zwischen den Pulsen jeweils Einfangintervalle bestehen, in denen die Spannung gering ist.
  • Stand der Technik
  • Für die Einführung massenspektrometrischer Methoden in die Biochemie, insbesondere in die Gen- und Proteinforschung, ist ein geringer Substanzverbrauch dieser Methoden entscheidend. Um mit wenigen Attomolen einer Substanz (1 Attomol = 600 000 Moleküle) zu einer massenspektrometrischen Aussage zu kommen, ist es notwendig, die Ionenausbeute des Ionisierungsvorgangs und die Ionenverluste in allen Schritten von der Ionenerzeugung bis zur Ionen-messung auf ein Minimum zu bringen. Die Ausbeute eines jeden Schrittes muss optimiert werden.
  • Verwendet man Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen als Massenspektrometer, so zeigt der Vorgang des Einspeicherns extern erzeugter Ionen in die Ionenfalle eine völlig unzufriedenstellende Ausbeute. Es werden nur etwa drei bis fünf Prozent der kontinuierlich anfallenden Ionen eingespeichert, der Rest geht normalerweise verloren.
  • Für Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen ist die Zwischenspeicherung der Ionen in einer Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung bereits ein großer Fortschritt in bezug auf diese Optimierung. Es ist damit möglich, Ionen aus einer kontinuierlich arbeitenden Ionenquelle so zwischenzuspeichern, dass die Quadrupol-Ionenfalle nur in einer relativ kurzen Füllzeit mit Ionen beladen wird. In der langandauernden Untersuchungszeit hingegen werden die Ionen zwischengespeichert und somit gesammelt. Insbesondere können die Ionen in der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung auf thermische Energien abgebremst („thermalisiert”) werden, wodurch ihr Einfang in der Quadrupol-Ionenfalle verbessert werden kann. Die Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung besteht zumeist aus einem zylindrisch angeordneten System paralleler Stäbe, an die abwechselnd die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung angelegt werden. Dabei haben sich Quadrupol-, Hexapol- und Oktopolsysteme bewährt. Es können aber auch andere Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise hochfrequenzbeaufschlagte Doppelhelix- oder Ringsysteme ( DE 195 23 859 A1 , US 5 572 035 A ).
  • Doch auch bei dieser Zwischenspeicherung ist der Einfang der Ionen, die in die Quadrupol-Ionenfalle eingeschossenen werden, völlig unzureichend.
  • Über den Mechanismus dieses Einfangs der Ionen in der Quadrupol-Ionenfalle ist bisher immer noch relativ wenig bekannt. Eigene Arbeiten, sowohl Experimente an Ionenfallen wie auch Rechnersimulationen, haben ergeben, dass Ionen nur in einem sehr kurzen Phasenintervall von einigen wenigen Prozent der vollen Periode der Hochfrequenz eingefangen werden können. Die Länge dieses Einfangintervalls hängt stark von der Einschussenergie der Ionen und schwach vom Druck des Bremsgases in der Ionenfalle ab. In den übrigen Phasen der Hochfrequenzperiode (außerhalb des Phasenintervalls, in dem die Ionen eingefangen werden können) werden die Ionen entweder am Eingang zur Quadrupol-Ionenfalle streuend reflektiert (Reflexionsintervall), weil sie auf ein entgegenstehendes starkes Hochspannungsfeld stoßen, oder aber sie treffen auf ein beschleunigendes Saugfeld (Durchschussintervall), werden in der Ionenfalle auf die dem Eingang gegenüberliegende Endkappe hin beschleunigt, durchqueren die Ionenfalle, ohne genügend abgebremst zu werden, schlagen dort auf die Endkappe auf und werden so einer weiteren Nutzung entzogen. Je nach der Stärke des Momentansaugfeldes am Eingang kann die Durchquerung in weniger als einer Hochfrequenzperiode, aber auch in etwa zehn bis zwanzig Hochfrequenzzyklen erfolgen. Ist die Durchquerung noch langsamer, so greift die Abbremsung durch das Bremsgas. Der für den Betrieb von Quadrupol-Ionenfallen günstige Betriebsdruck mit Dämpfungsgas (meist Helium oder Stickstoff) hat freie Weglängen in der Größenordnung eines Ionenfallendurchmessers in Einschussrichtung, reicht also nicht aus, um Ionen auf ihrer ersten Durchquerung abzubremsen.
  • In US 5 739 530 A ist dargestellt, wie die Ionenausbeute beim Einspeichern durch eine geschaltete Ionenlinse durch ein Paketieren der Ionen für den Einschuss verbessert werden kann. Die Ionen werden danach nur in einzelnen Paketen in dem für den Einfang günstigen Phasenintervall eingeschossen. Bei dem üblicherweise herrschenden sehr kurzen Einfangintervall versagt diese Methode jedoch, weil wegen der massenabhängigen Fluggeschwindigkeiten in der Einschusslinse nur Ionen eines kleinen Massenbereiches im kurzen Intervall für den Einfang eingeschossen werden können. Es ist bisher nicht gelungen, die Grundidee der Patentschrift US 5 739 530 A wirklich zu nutzen. Aus US 2002/0074492 A1 ist zudem bekannt, dass Ionen in einer Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung mit einem axialen Gleichspannungsgradienten zwischengespeichert und von dort als Ionenpaket in eine Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle eingeschossen werden, wobei zum Zeitpunkt des Einschusses die Hochfrequenzspannung der Ionenfalle abgeschaltet ist und erst eingeschaltet wird, wenn sich ein Ionenpaket innerhalb der Ionenfalle befindet.
  • Aus US 6 316 769 B2 und WO 98/05039 A1 ist bekannt, dass in einer Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle während des Einschussvorgangs durch zusätzliche Spannungen an den Endkappen bzw. durch zusätzliche Elektroden in der Nähe der Endkappen elektrische Felder erzeugt wer den, die die eingeschossenen Ionen abbremsen und dadurch die Ausbeute des Einfangprozesses erhöhen. Des weiteren kann, wie in WO 98/02901 A1 gezeigt, eine Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle massenselektiv mit Ionen gefüllt werden, wobei die Amplitude der sinusförmigen Hochfrequenzspannung während des Einschussvorgangs so verändert wird, dass die Ionen jeweils eine entsprechend ihrer Masse angepasste Hochfrequenzspannung ausgesetzt sind.
  • Die Ausbeute des Einfangprozesses für Ionen, die in die Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle eingeschossen werden, ist bisher trotz großer Bemühungen über fünf bis zehn Prozent der verfügbaren Ionen nicht hinausgekommen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen Ionen in eine Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle mit hoher Ausbeute und geringen Ionenverlusten eingespeichert werden können.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Oberbegriff von Anspruch 1 wird durch den charakteristischen Teil des Anspruchs 1 wiedergegeben. Ein erfindungsgemäßes Ionenfallen massenspektrometer nach dem Oberbegriff von Anspruch 8 wird durch den charakteristischen Teil des Anspruchs 8 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 11 ergeben weitere Ausprägungen der Erfindung.
  • Ausgehend vom Wissen, dass es für eine Speicherung der Ionen in einer Hochfrequenz-Ionenfalle nicht auf die Einhaltung einer Sinusform für die Hochfrequenzspannung ankommt, ist es der Grundgedanke der Erfindung, während des Einspeichervorgangs eine besondere Form einer Hochfrequenzspannung zu verwenden, bei der im Vergleich zu einer sinusförmigen Hochfrequenzspannung innerhalb jeder Hochfrequenzperiode die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten verlängert sind, um ein gutes Eindringen energiearmer Ionen weit in die Speicherzelle hinein zu ermöglichen.
  • Die Intervalle niedriger Einfangspannung können dauernd spannungslos sein, es können aber auch leichte Spannungen herrschen, deren schwache elektrische Felder in der Ionenfalle günstig für die Abbremsung oder Beschleunigung der Ionen in Bezug auf ihren Einfang sind. So können beispielweise die Spannungen in diesem Intervall zuerst ein leichtes Gegenfeld bilden, das die Einschussgeschwindigkeit der Ionen verringert, bis sie praktisch zur Ruhe kommen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das entgegenstehende Restfeld zum Zentrum der Ionenfalle hin linear abnimmt, also mit dem weiteren Eindringen der Ionen immer schwächer wirkt. Im zeitlichen Verlauf dieses spannungsarmen Intervalls kann dann die Gegenspannung abnehmen, um den jetzt kommenden Ionen noch die Möglichkeit zu geben, ohne Bremsfeld relativ weit in die Ionenfalle einzudringen.
  • Es können aber auch die Ionen zunächst ein schwaches Beschleunigungsfeld sehen, das die Ionen weit in die Ionenfalle hineintransportiert und ihnen soviel Energie mitgibt, dass sie im darauffolgenden zurückbeschleunigenden Hochspannungspuls, der wegen des Ionenortes im Falleninneren schon nicht mehr so hoch ist wie am Fallenrand, nicht bis an die Endkappen zurüchgeschleudert werden.
  • Eine solche Einfanghochfrequenzspannung kann beispielsweise aus einzelnen, gegenüber der vollen Periode kurzen Pulsen mit abwechselnd positiver und negativer Spannung bestehen, mit gleichlangen Intervallen niedriger Spannung zwischen den Pulsen. Da die Feldstärke, die durch die Hochfrequenzspannung innerhalb der Ionenfalle erzeugt wird, linear zum Zentrum der Ionenfalle hin abnimmt, trifft ein Spannungspuls ein weit eingedrungenes Ion nur noch schwach und kann es weder zur Eingangsendkappe zurücktreiben, noch es so zur gegenüberliegenden Endkappe beschleunigen, dass es diese unbedingt erreicht. Eine solche besondere Hochfrequenzspannung aus Pulsen verlängert das Einfangintervall beträchtlich.
  • Für den weiteren Betrieb der Quadrupol-Ionenfalle wird auf die normalerweise sinusförmige Hochspannung umgeschaltet. Dazu kann beispielsweise ein hochspannungsfestes Vakuumrelais verwendet werden, wobei das Vakuumrelais zwischen zwei getrennten Spannungsgebern umschaltet. Es können aber auch, wie unten näher beschrieben, die beiden Hochfrequenzspannungen anders zusammengeführt werden, wobei für das Umschalten dann die eine Spannung raufgeregelt, die andere runtergeregelt wird.
  • Zur Unterscheidung dieser beiden Hochfrequenzspannungen wird im weiteren von der „Einfanghochfrequenzspannung", die während des Einspeichervorgangs anliegt, und der „Betriebshochfrequenzspannung", die während der übrigen Zeit des Ionenfallenbetriebes anliegt, gesprochen.
  • Die Einfanghochfrequenzspannung kann insbesondere eine andere Frequenz haben als die Betriebshochfrequenzspannung. Eine geringere Einfanghochfrequenz mit gleichzeitig erniedrigter Einschussenergie der Ionen erhöht die Chancen ihres Einfangs.
  • Es ist dabei, wie schon bekannt, günstig und substanzsparsam, die Ionen in einer Ionenleitvorrichtung vorzuspeichern und sie durch eine entsprechend gesteuerte Einschusslinse nur im Einfangintervall in die Quadrupol-Ionenfalle einzuschießen. Dabei kann die Schaltlinse für die gesamte Zeitdauer des Einspeichervorgangs bis zur vollständigen Befüllung eingeschaltet bleiben, es kann die Schaltlinse aber auch so gesteuert werden, dass die Ionen in einzelnen kurzen Paketen nur in den günstigen Einfangintervallen eingeschossen werden. Letzteres wird insbesondere dann möglich, wenn die Frequenz der Einfanghochfrequenzspannung während des Einspeichern verringert und das Einfangintervall gegenüber der Hochfrequenzperiode verlängert ist, weil in dem so stark absolut verlängerten Einfangintervall die Massendiskriminierung der Einschusslinse vermindert wird. Die Öffnung dieser Schaltlinse kann bei diesen Betriebsbedingungen in jeder Periode der Einfanghochfrequenzspannung einmal oder, bei zwei Einfangintervallen pro Periode, sogar zweimal wiederholt werden, oder aber, wenn eine langsamere Befüllung wünschenswert ist, auf jede n-te Einfanghochfrequenzperiode beschränkt werden. Dadurch kann die Befüllungsgeschwindigkeit herabgesetzt werden. Bei Nutzung jeder Hochfrequenzperiode wird die Quadrupol-Ionenfalle mindestens mit gleicher Geschwindigkeit gefüllt wie ohne Schaltlinse, da die Befüllung nur in den Zeiten unterbrochen wird, in denen sonst die Ionen verloren gehen. Betrieb und Ausführungsform einer solchen Schaltlinse ist in US 5 739 530 A beschrieben.
  • Auch ein pulsförmig zugeführter Schwall an Bremsgas kann den Einfang verbessern. Diese Methode ist technisch einfach und lasst sich leicht verwirklichen. Der Druck in der Ionenfalle muss dazu so weit erhöht werden, dass schon in einer einzigen Durchquerung der Ionenfalle eine merkliche Bremsung eintritt. Der Druck des Bremsgases muss für den optimalen Betrieb der Quadrupol-Ionenfalle als Massenspektrometer nach der Befüllung wieder abklingen, da sonst das Auflösungsvermögen leidet.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometers, wie es für diese Erfindung Verwendung finden kann, mit vakuum-externer Elektrosprüh-Ionenquelle, schaltbarer Ionenlinse, und Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle.
  • 2 zeigt die schaltbare, dreiteilige Ionenlinse (10) zwischen der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8) und der Quadrupol-Ionenfalle, die aus erster Endkappe (12), Ringelektrode (13) und zweiter Endkappe (14) besteht, in mehr Detail. Es wird außerdem die Zuführung des Bremsgases gezeigt.
  • 3 zeigt das Fenster des Ioneneinfangs innerhalb der Hochfrequenzperiode nach bisherigem Stand der Technik. Im oberen Teil der Abbildung ist der Ioneneinfang gezeigt, aufgetragen über der Phase der Hochfrequenz; unten ist der Spannungsverlauf der Hochfrequenz dargestellt. Das Einfangintervall für Ionen beträgt nur wenige Winkelgrade der vollen Periode.
  • 4 zeigt einen nach dieser Erfindung verbesserten Ioneneinfang mit einem verlängerten Intervall für den Ioneneinfang durch eine Verzerrung der Verlaufsform der Hochfrequenzspannung, die nun nicht mehr eine sinusförmige Spannung ist. Es kann innerhalb der Hochfrequenzperiode sogar ein zweites Einfangintervall geöffnet werden, in dem die eindringenden Ionen zunächst etwas in die Ionenfalle hinein beschleunigt werden, bevor sie auf den rücktreibenden Puls treffen.
  • 5 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung mit einer pulsförmigen Hochfrequenzspannung dar, die zwischen den positiven und negativen Spannungspulsen noch abbremsende bzw. beschleunigende Restspannungen aufweist.
  • 6 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des Ioneneinfangs nach dieser Erfindung, mit positiven und negativen Hochspannungspulsen, zwischen denen die Ionenfalle in ihrem Inneren für einige Zeit spannungslos ist.
  • 7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der die positiven und negativen Pulse durch die Sekundärspule des Hochfrequenztransformators hindurch erzeugt werden, wobei sie durch die Induktivität der Spule verschliffen werden und automatisch einen günstigen Einfangspannungsverlauf im Einfangintervall ausbilden.
  • Besonders günstige Ausführungsformen
  • Zunächst werden anhand der 1 und 2 die Ionenfallen-Massenspektrometer beschrieben, wie sie nach dem Stand der Technik und auch für diese Erfindung Verwendung finden. Dann wird mit 3 der bisherige Stand der Technik des Ioneneinfangs näher erläutert, bevor in 4 bis 6 der verbesserte Ioneneinfang nach dieser Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen dargelegt wird.
  • 1 zeigt das Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer mit vakuum-externer Elektrosprüh-Ionenquelle, schaltbarer Ionenlinse, und Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle. Die Erfindung soll jedoch nicht auf Elektrosprüh-Ionenquellen beschränkt sein, es können beispielsweise auch Ionenerzeugungen durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) verwendet werden. Der Vorratsbehälter (1) enthält eine Flüssigkeit, die durch eine elektrische Spannung zwischen der feinen Sprühkapillare (2) und der Stirnfläche der Eintrittskapillare (3) versprüht wird. Die Ionen treten durch die Eintrittskapillare (3) zusammen mit Umgebungsluft in die differentiell bepumpte erste Pumpkammer (4) ein, die über den Stutzen (15) an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist. Die Ionen werden auf den Abstreifer (5) zu beschleunigt und treten durch die Öffnung im Abstreifer (5), der sich in der Trennwand (6) befindet, in die zweite Kammer (7) der differentiellen Bepumpung ein. Diese Kammer (7) ist durch den Pumpstutzen (16) mit einer Hochvakuumpumpe verbunden. Die Ionen werden von der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8) aufgenommen, und durch den Wanddurchbruch (9) und die Hauptvakuumkammer (11) zur Endkappe (12) der Ionenfalle geführt. Die Ionenfalle besteht aus zwei Endkappen (12, 14) und der Ringelektrode (13). Die Hauptvakuumkammer wird über den Pumpstutzen (17) an eine Hochvakuumpumpe angeschlossen.
  • 2 zeigt die schaltbare, dreiteilige Ionenlinse (10) zwischen der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8), die hier für die Paketierung der Ionen für den Ioneneinschuss eingerichtet ist, und der Quadrupol-Ionenfalle.
  • Die Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8) ist anfangs durch eine Apertur (20), und am Ende durch die Linse (10) für die eingeschlossenen Ionen reflektierend abgeschlossen. Die Ionenlinse (10) besteht aus zwei Aperturblenden und der Endkappe (12) der Ionenfalle, die die dritte Apertur einer Einzellinse bildet. Durch eine Spannung an der Mittelelektrode der Ionenlinse (10) kann die Linse auf Durchgang oder auf Reflexion geschaltet werden. Das Potential der ersten Apertur der Ionenlinse (10) ist ebenfalls einstellbar, dieses Potential ist für die Reflexion der Ionen verantwortlich. Das Mittenpotential der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8) liegt auf einem Wert, der um einige Zehntel Volt bis einige Volt über dem der Endkappe (12) liegt, damit die Ionen bei Linsendurchgang überhaupt in die Ionenfalle gelangen können.
  • Durch pulsartige Zuführung eines Bremsgases in die Quadrupol-Ionenfalle (12, 13, 14) kann der Einfang nochmals verbessert werden. Das Einfangintervall wird dann breiter, die Ionenlinse muss also auch entsprechend länger auf Durchgang geschaltet werden.
  • 3 zeigt das Intervall des Ioneneinfangs, das nach bisherigem Stand der Technik erreicht wird. Es ist oben der Ioneneinfang gezeigt, aufgetragen über der Phase der Hochfrequenzspannung; unten ist die Spannungsverlauf der Hochfrequenzspannung gezeigt. Das Einfangintervall für Ionen beträgt nur wenige Winkelgrade der vollen Periode: Die Hochfrequenzspannung ist so eingezeichnet, dass sie dem elektrischen Feld an der Endkappenelektrode entspricht. In der ersten Halbperiode von 0 bis π herrscht in der Ionenfalle am Ort des Einschusses für positive Ionen ein entgegengerichtetes Feld. Ionen, die mit einer kleinen Anfangsenergie in die Quadrupol-Ionenfalle eingeschossen werden, werden am besten eingefangen, wenn sie nach Eintritt in die Ionenfalle ein nur noch sehr schwaches, weiter abnehmendes Gegenfeld erleben, das sie abbremst. Die Abbremsung ist am günstigsten, wenn das Ion genau dann zur Ruhe kommt, wenn die Hochfrequenzspannung, und damit auch das Feld, ihren Nulldurchgang haben. Die Ionen müssen also etwas vor dem Nulldurchgang eingeschossen werden. Sie werden in diesem Fall ohne die Anwesenheit eines Bremsgases eingefangen, schwingen aber dann dauernd mit einer sehr großen Amplitude ihrer sekularen Schwingung.
  • Für Ionen mit etwas höherer Anfangsenergie ist das Einfangintervall zu etwas früheren Phasenwerten verschoben, ist aber auch schmaler. Das Einfangsintervall kann also künstlich verbreitert werden, indem zuerst Ionen mit etwas höherer kinetischer Energie, dann solche niedrigerer Energie eingeschossen werden. Das ist bei Frequenzen von etwa einem Megahertz jedoch technisch nur sehr schwierig zu erreichen.
  • Auch ein erhöhter Bremsgasdruck verbreitert das Einfangintervall etwas, es wird dabei das Ende des Intervalls über den Wert π hinaus verschoben. Das gezeichnete Einfangintervall von 0,95π bis 1,01π gilt für Ionen mit einer Energie von etwa 0,5 bis 1 eV und für einen normalen Druck des Bremsgases, wie er zum Betrieb einer Quadrupol-Ionenfalle als Massenspektrometer notwendig ist.
  • 4 zeigt einen bereits verbesserten Ioneneinfang nach dieser Erfindung mit einem verlängerten Intervall für den Ioneneinfang durch eine relativ leichte Verzerrung der Verlaufsform der Hochfrequenzspannung, die nun nicht mehr sinusförmig ist. Die Periode mit verringerter Gegenspannung für die Ionen ist hier willkürlich etwas verlängert. Es kann innerhalb der Hochfrequenzperiode sogar ein zweites Einfangintervall geöffnet werden. Dazu ist es günstig, wenn die eindringenden Ionen zunächst etwas in die Ionenfalle hinein beschleunigt werden, bevor sie auf den rücktreibenden Puls treffen. Diese leichte Beschleunigung der Ionen in die Falle hinein kann auch zeitlich zunehmen, damit auch spät eindringende Ionen die Chance haben, vom anschließenden rücktreibenden Spannungspuls nicht zur Eingangsendkappe zurückgezwungen zu werden. Die beiden spannungsarmen Einfangperioden machen hier bereits etwa ein Viertel der gesamten Hochspannungsperiode aus, die Spannungen in diesen Einfangperioden ist deutlich kleiner als ein Fünftel der Spitzenspannung.
  • 5 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung mit einer pulsförmigen Hochfrequenzspannung dar, die zwischen den positiven und negativen Spannungspulsen noch abbremsende bzw. beschleunigende Restspannungen aufweist. Hier machen die Einfangintervalle etwa drei Viertel der vollen Hochfrequenzperiode aus. Es ist dabei zu bemerken, dass nicht alle Ionen, die während der Einfangintervalle eingeschossen werden, auch wirklich eingefangen werden. Es lässt sich aber schon für einen kontinuierlichen Einschuss der Ionen der Einfang auf etwa 50 Prozent der eingeschossenen Ionen erhöhen, zumal wenn auch noch mit einem Bremsgaspuls gearbeitet wird. Die Ausbeute kann mit einer geschalteten Einschusslinse nochmals etwas gesteigert werden, zumal, wenn auch die Frequenz der Einfanghochfrequenzspannung gegenüber einer normalerweise verwendeten Betriebshochfrequenzspannung, die in der Nähe von einem Megahertz liegt, herabgesetzt wird. Die Einfangspannung kann sehr niedrig sein, in der Regel beträgt eine günstige Einfangspannung weniger als fünf Prozent der Einfanghochfrequenz-Spitzenspannung.
  • 6 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des Ioneneinfangs nach dieser Erfindung, mit positiven und negativen Hochspannungspulsen, zwischen denen die Ionenfalle in ihrem Inneren für einige Zeit spannungslos ist. Diese Form der Einfanghochfrequenz ist elektronisch einfacher herzustellen und liefert immer noch relativ gute Einfangergebnisse, zumal wenn mit einer geschalteten Einschusslinse gearbeitet wird.
  • 7 zeigt eine stark bevorzugte Ausführungsform, bei der die Einfanghochfrequenzschaltung nicht nach Umschaltung von der Betriebshochfrequenzspannung durch einen elektrisch abgetrennten Spannungsgenerator erzeugt wird, sondern zusätzlich in den Stromkreis der Sekundärspule eingespeist wird. Es kann im geerdeten Ende der Sekundärspule des Hochfrequenztransformators ein Spannungsgeber für Rechteckpulse in einer Größenordnung von etwa plus/minus 1000 bis 2000 Volt eingebaut werden. Die Spannungspulse werden dabei direkt von kommerziellen Hochspannungstransistoren erzeugt. Wird über die Primärspule keine Betriebshochfrequenz eingesteuert, so kann dieser Pulsgeber arbeiten. Die Pulse werden allerdings durch die Induktivität der Sekundärspule stark verschliffen, wobei jeweils ein exponentielles Einlaufen in den gewünschten Zustand, entweder Spannung oder Spannungslosigkeit, auftritt. Dieses Einlaufen erzeugt automatisch ein günstiges Einfangverhalten dieser Spannung, wie durch den Vergleich von 5 und 7 festgestellt werden kann. Diese Pulsfolge kann für den Einfang eine geringere Frequenz besitzen, die dann beim Übergang auf die Betriebshochfrequenz zunächst dieser nach Frequenz und Phase angeglichen wird, wonach dann die Pulsspannung runtergeregelt und die Betriebshochfrequenzspannung raufgeregelt wird.
  • Ein Ionenfallen-Massenspektrometer wird in der Regel nur über eine Zeit von 10 Mikrosekunden bis maximal 100 Millisekunden mit Ionen befüllt. Dann folgt eine Dämpfungszeit von einigen Millisekunden, in der die Ionen durch Abbremsung ihrer Schwingungen in einer kleinen Wolke im Zentrum der Ionenfalle gesammelt werden. Soll ein normales Massenspektrum aufgenommen werden, so folgt eine Betriebszeit, in der die Ionen Masse für Masse aus der Ionenfalle ausgeworfen und mit einer Messeinrichtung gemessen werden. Das Auswerfen geschieht in der Regel durch die Endkappe (14) der Ionenfalle, die der Einschuss-Endkappe (12) gegenüberliegt. Für andere Betriebsarten, beispielsweise MS/MS, werden weitere Betriebszeiten der Ionen-Isolierung und -Fragmentierung eingeschoben. Die Befüllzeit ist daher in der Regel kurz gegenüber der Summe der anderen Betriebszeiten. Die in diesen Betriebszeiten in der Ionenquelle erzeugten Ionen können in dem Zwischenspeicher gesammelt werden. Nach dem Stand der Technik gingen aber während der Befüllung der Quadrupol-Ionenfalle die überwiegende Anzahl von Ionen verloren, weil die Einfangperiode sehr kurz war gegenüber der gesamten Hochfrequenzperiode. Durch diese Erfindung wird es möglich, diese Ionen weitgehend vor Vernichtung zu retten und für die Analyse zu nutzen.
  • Die hier beschriebene Ausführungsform wird in 1 mit einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1, 2) außerhalb des Vakuumgehäuses des Massenspektrometers dargestellt. Die Erfindung soll jedoch ausdrücklich nicht auf diese Art der Ionenerzeugung beschränkt sein. Die Ionen werden in einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1) durch das Versprühen von feinen Tröpfchen einer Flüssigkeit in Luft (oder Stickstoff) aus einer feinen Kapillare (2) unter der Einwirkung eines starken elektrischen Feldes gewonnen, wobei die Tröpfchen verdampfen und ihre Ladung auf den gelösten Moleküllen der Untersuchungssubstanz zurücklassen. Auf diese Weise lassen sich leicht sehr große Moleküle ionisieren.
  • Die Ionen aus dieser Ionenquelle werden gewöhnlich durch eine Kapillare (3) mit einem Innendurchmesser von etwa 0,5 Millimeter und einer Länge von etwa 100 Millimeter in das Vakuum des Massenspektrometers eingeführt. Sie werden durch die gleichzeitig einströmende Luft (oder durch ein anderes Gas, das der Umgebung des Eintritts zugeleitet wird) durch Gasreibung mitgenommen. Eine Differenzpumpeinrichtung mit zwei Zwischenstufen (4 und 7) übernimmt das Abpumpen des anfallenden Gases. Die durch die Kapillare eintretenden Ionen werden in der ersten Kammer (4) der Differenzpumpeinrichtung im adiabatisch expandierenden Gasstrahl beschleunigt und durch ein elektrisches Feld zur gegenüberliegenden Öffnung eines Gasabstreifers (5) gezogen. Der Gasabstreifer (5) ist eine konische Spitze mit einem zentralen Loch, wobei die äußere Konuswand das anströmende Gas nach außen zu ablenkt. Die Öffnung des Gasabstreifers führt die Ionen, nunmehr mit weit weniger begleitendem Gas, in die zweite Kammer (7) der Differenzpumpeinrichtung.
  • Direkt hinter der Öffnung des Abstreifers (5) beginnt die Ionenleitvorrichtung (8). Diese besteht vorzugsweise aus einer linearen Hexapolanordnung, die aus sechs dünnen, geraden Stäben besteht, die gleichmäßig auf dem Umfang eines Zylinders angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, eine gekrümmte Ionenleitvorrichtung mit gebogenen Polstäben zu verwenden, beispielsweise um Neutralgas besonders gut zu eliminieren. Die Stäbe werden mit einer Hochfrequenzspannung versorgt, wobei die Phase zwischen benachbarten Stäben jeweils wechselt. Die Stäbe werden an mehreren Stellen von isolierenden Einrichtungen gehaltert.
  • Eine günstige Ausführungsform hat 100 Millimeter lange Stäbe von je einem Millimeter Durchmesser, der umschlossene zylindrische Führungsraum hat einen Durchmesser von 2,5 Millimeter. Die Ionenleitvorrichtung ist daher sehr schlank. Die Erfahrung zeigt, dass die Ionen, die durch ein Abstreiferloch mit 1,2 Millimeter Durchmesser eintreten, praktisch verlustfrei von dieser Ionenleitvorrichtung aufgenommen werden, wenn ihre Masse oberhalb der Abschneide grenze liegt. Diese ungewöhnlich gute Aufnahmerate ist wesentlich auf die gasdynamischen Verhältnisse an der Eingangsöffnung zurückzuführen.
  • Mit einer Frequenz von etwa 4 Megahertz und einer Spannung von etwa 300 Volt werden in der Ionenleitvorrichtung alle einfach geladenen Ionen mit Massen oberhalb von 30 atomaren Masseneinheiten fokussiert. Leichtere Ionen verlassen die Ionenleitvorrichtung.
  • Durch höhere Spannungen oder geringere Frequenzen kann die Abschneidegrenze für die Ionenmassen auf beliebige Werte erhöht werden.
  • Die Ionenleitvorrichtung (8) führt von der Öffnung im Gasabstreifer (5), der als Teil der Wand (6) zwischen erster (4) und zweiter Kammer (7) angeordnet ist, durch diese zweite Kammer (7) der Differenzpumpeinrichtung, dann durch einen Wanddurchbruch (9) in die Vakuumkammer (11) des Massenspektrometers bis zur Ionenschaltlinse (10), die sich vor dem Eingang der Ionenfalle in der Endkappe (12) befindet. Durch die schlanke Ausführung der Ionenleitvorrichtung kann der Wanddurchbruch (9) sehr klein gehalten werden, damit läßt sich die Druckdifferenz günstig groß halten. Die erste Apertur der Ionenschaltlinse (10) dient dabei als erster Ionenreflektor, der andere Ionenreflektor wird vom Gasabstreifer (5) mit seinem Durchgangsloch von 1,2 Millimeter Durchmesser gebildet.
  • Durch ein Verändern des Achsen- oder Mittenpotentials der Ionenleitvorrichtung (8) gegenüber den Potentialen des Abstreifers (5) und der ersten Apertur der Ionenschaltlinse (10) kann die Ionenleiteinrichtung (8) als Speicher für Ionen einer Polarität, also entweder für positive oder für negative Ionen, verwendet werden. Das Achsenpotential ist identisch ist mit dem Nullpotential der Hochfrequenzspannung an der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung. Die gespeicherten Ionen laufen in der Ionenleitvorrichtung (8) ständig hin und her. Da sie in der adiabatischen Beschleunigungsphase der Gasausdehnung eine Geschwindigkeit von etwa 500 bis 1000 Meter pro Sekunde oder mehr erhalten, durchlaufen sie zunächst die Länge der Ionenleitvorrichtung mehrfach pro Millisekunde. Ihre radiale Oszillation in der Ionenleitvorrichtung hängt vom Einschußwinkel ab.
  • Da die Ionen jedoch periodisch in die zweite Kammer (7) der Differenzpumpeinrichtung zurückkehren, in der ein Druck von etwa 10–3 Millibar herrscht, werden die radialen Oszillationen sehr schnell gedämpft, die Ionen sammeln sich in der Achse der Ionenleitvorrichtung. Auch ihre longitudinale Bewegung wird auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst. Die Ionen besitzen daher nach kurzer Zeit eine thermische Geschwindigkeitsverteilung, der allerdings eine gemeinsame Geschwindigkeitskomponente in Richtung auf die Ionenfalle (12, 13, 14) eingeprägt ist, die von der Gasströmung herrührt.
  • Die auf thermische Energien abgebremsten Ionen erfüllen ein feines, fadenförmiges Gebiet in der Achse des Stabsystems der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8). Sie werden im Normalfall an beiden Seiten reflektiert, an der Seite zur Quadrupol-Ionenfalle hin durch die Ionenlinse (10). Für die Befüllung der Ionenfalle wird die Ionenlinse auf Durchgang geschaltet, eine Veränderung des Mittenpotentials der Ionenleitvorrichtung ist daher nicht notwendig.
  • Vor der Befüllung der Quadrupol-Ionenfalle wird das Potential der mittleren Linsenapertur so eingestellt, dass die Ionen zwar reflektiert werden, dabei aber schon möglichst weit in die Ionenziehlinse eindringen. Dadurch wird der Überführungsabstand verringert. Zu einer berechneten Zeit vor Beginn des Einfangintervalls wird die mittlere Apertur der Ionenlinse dann auf ein hohes Saugpotential von mehreren hundert Volt geschaltet. Dieses erfaßt die Ionen, die in die Linse eingedrungen sind, und beschleunigt sie auf die Öffnung der Ionenfalle zu. Die Überführungsstrecke in die Ionenfalle hinein sollte möglichst kurz sein, möglichst nur etwa einen Millimeter. Trotzdem brauchen die Ionen eine endliche Zeit in der Größenordnung von 100 Nanosekunden, um die Strecke zu durchqueren. Diese Zeitdauer ist darüberhinaus massenabhängig. Die Öffnung der Linse muss also um diese Zeit vor dem Beginn des Einfangsintervalls liegen. Es ist daher günstig, das Einfangintervall möglichst langdauernd zu machen.
  • Beim Durchtritt der Ionen durch die Öffnung der Endkappe (12) werden sie durch das Potential der Endkappe (12) abgebremst. Ihre Energie nach dem Eintritt entspricht der Potentialdifferenz zwischen dem Mittenpotential der Hochfrequenz-Ionenleitvorrichtung (8) und dem der Endkappe (12).
  • Das Einfangintervall für die Ionen beginnt, wenn die Spannung des rücktreibenden Spannungspulses auf einige Volt Bremsspannung oder die Spannung des vortreibenden Pulses auf einige Volt Beschleunigungsspannung reduziert ist. Die Ionen werden dann nach einem rücktreibenden Spannungspuls abgebremst, und sind beim Beginn des nächsten Pulses in etwa in Ruhe. Damit sind sie eingefangen. Nach einem vortreibenden Puls werden sie zunächst in die Falle hinein beschleunigt und erleben dann einen rücktreibenden Puls, der sie nahezu zum Stillstand bringt. Damit sind sie ebenfalls eingefangen. Die bremsenden oder beschleunigenden Restspannungen betragen jeweils nur wenige Volt, sie betragen jedenfalls weniger als 20 Prozent, in der Regel sogar weniger als ein Prozent der Spitzenspannung der Pulse. Die Pulsbreiten sollten zusammengenommen weniger als drei Viertel, günstigerweise weniger als ein Viertel der gesamten Hochfrequenzperiode betragen.
  • Die hier geschilderte Ausführungsform ist von vakuum-extern gebildeten Ionen ausgegangen. Selbstverständlich können aber auch Ionenquellen, die sich innerhalb des Vakuumgehäuses des Massenspektrometers befinden, über speichernde Ionenleitvorrichtungen mit Ionenfallen verbunden werden.
  • Die Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen müssen nicht unbedingt selbst als Massenspektrometer ausgebildet sein. Sie können beispielsweise dazu dienen, Ionen für Flugzeitspektrometer zu sammeln, zu einer dichten Wolke zu konzentrieren, und dann in die Flugstrecke des Flugzeitspektrometers auszupulsen. Dabei ist es auch möglich, vor dem Auspulsen der Ionen bestimmte erwünschte Ionen in der Ionenfalle zunächst in üblicher Weise zu isolieren oder auch zu fragmentieren, man erreicht dadurch MS/MS-Messungen in Flugzeitspektrometern.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Einspeicherung von Ionen in eine Quadrupol-Ionenfalle, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einspeicherungsvorgangs eine Einfanghochfrequenzspannung verwendet wird, bei der im Vergleich zu einer sinusförmigen Hochfrequenzspannung innerhalb jeder Hochfrequenzperiode die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten verlängert sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten zusammen mindestens ein Viertel der Hochfrequenzperiode der Einfanghochfrequenzspannung umfassen, und dass die niedrigen Spannungswerte maximal ein Fünftel der Spitzenspannung der Einfanghochfrequenzspannung betragen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten zusammen mindestens drei Viertel der Hochfrequenzperiode der Einfanghochfrequenzspannung umfassen, und dass die niedrigen Spannungswerte maximal fünf Prozent der Spitzenspannung der Einfanghochfrequenzspannung betragen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfanghochfrequenzspannung während der Zeit des Einspeichervorgangs eine andere Frequenz hat als eine Betriebshochfrequenzspannung während der übrigen Betriebszeiten der Quadrupol-Ionenfalle.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfanghochfrequenzspannung aus Rechteckpulsen oder induktiv verschliffenen Rechteckpulsen besteht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaltbare Ionenlinse die Ionen in die Ionenfalle einschießt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ioneneinfang durch die gepulste Zuführung von Bremsgas verbessert wird.
  8. Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer mit Endkappen- und Ringelektroden und mit einer Spannungsversorgung für den Betrieb der Ionenfalle, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspannung an der Ringelektrode umgeschaltet wird zwischen einer sinusförmigen Betriebshochfrequenzspannung und einer Einfanghochfrequenzspannung, bei der im Vergleich zu einer sinusförmigen Hochfrequenzspannung innerhalb jeder Hochfrequenzperiode die Einfangintervalle mit niedrigen Spannungswerten verlängert sind.
  9. Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es vor einer Einschussöffnung der Ionenfalle eine schaltbare Ionenlinse gibt, und dass eine Spannungsversorgung für die Ionenlinse die Spannung synchron mit der Einfanghochfrequenzspannung schaltet.
  10. Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung für die Ionenlinse eine Anstiegszeit von mindestens 1000 Volt pro Mikrosekunde aufweist.
  11. Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Spannungsversorgung der Ionenlinse die Schaltfrequenz, die Schaltdauer und der Schaltzeitpunkt relativ zu den Einfangintervallen eingestellt wird.
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