DE112005001158T5

DE112005001158T5 - Kompaktes Laufzeit-Massenspektrometer

Info

Publication number: DE112005001158T5
Application number: DE112005001158T
Authority: DE
Inventors: David R. Starkville Ermer
Original assignee: Mississippi State University; University of Mississippi
Current assignee: MISSISSIPPI STATE UNIVERSITY RESEARCH AND TECH, US
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2007-04-26
Also published as: GB2430074A; JP2007538377A; CA2567467C; US7157701B2; WO2005114699A1; GB0623545D0; GB2430074B; CA2567467A1; US20050269505A1

Abstract

Ein Verfahren zur hochauflösenden Analyse von zu analysierenden Ionen in einem Laufzeit-Massenspektrometer (TOF-MS), umfassend:
a) Anwenden von Potentialen über einen Beschleunigungsbereich und einen Ionenspiegel;
b) Ionisieren der zu analysierenden Moleküle in einem Quellen-/Extraktionsbereich;
c) Fokussieren von Ionen mit gleichem Verhältnis von Ladung zur Masse auf einen Ionendetektor durch Schritte, aufweisend:
i) Abwerten einer vorherbestimmten Verzögerungszeit, die auf die Ionisierung folgt:
ii) Erzeugen eines zeitabhängigen Extraktionspotentials über den Quellen-/Extraktionsbereich;
iii) Verringern der Stärke des zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion, um so die Energieverteilung der Ionen zu verbreitern;
iv) Herausleiten der Ionen aus dem Quellen-/Extraktionsbereich heraus;
v) Durchleiten der Ionen durch den Beschleunigungsbereichs;
vi) Durchleiten der Ionen durch einen ersten feldfreien Driftbereich;
vii) Durchleiten der Ionen durch den Ionenspiegel, um die Energieverteilung der Ionen zu kompensieren und
viii) Durchleiten der Ionen durch einen zweiten feldfreien Driftbereich;
d) Nachweisen...

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht auf Laufzeit-(TOF)-Massenspektrometer und insbesondere auf ein Verfahren und eine Konstruktion zum Verringern der physikalischen Ausdehnung und Erhöhen der Massenauflösung bei TOF-Massenspektrometern über einen weiten Bereich von Ionenmassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Massensprektroskopie ist eine wohlbekannte Analysetechnik zur genauen Bestimmung von Molekülargewichten, Identifizierung von chemischen Strukturen, Bestimmung der Zusammensetzung von Mischungen und qualitativer Elementanalyse. Ein Massenspektrometer erzeugt Ionen der zu untersuchenden Probemoleküle, trennt die Ionen gemäß ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung und misst die Menge von jedem Ion. Die Ionenmasse wird in Daltons (Da) oder atomaren Masseneinheiten ausgedrückt und die Ionenladung ist die Ladung auf dem Ion bezogen auf die Anzahl von Elektronladungen.
Laufzeit-(TOF)-Massenspektrometer trennen Ionen gemäß ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung durch Messen der Zeit, die die erzeugten Ionen brauchen, um zu einem Detektor zu laufen. Die Laufzeit eines Ions, das in einem gegebenen elektrischen Potential beschleunigt wird, ist proportional zu seinem Verhältnis von Masse zu Ladung. Demnach ist die TOF eines Ions eine Funktion seines Verhältnisses von Masse zu Ladung und ist ungefähr proportional zur Wurzel des Verhältnisses von Masse zu Ladung. TOF-Massenspektrometer sind relativ einfach, kostengünstig und haben einen praktisch unbegrenzten Bereich des Verhältnisses von Masse zu Ladung. Da andere Arten von Massen-Spektrometern nicht fähig sind, Ionen von großen organischen Molekülen nachzuweisen, sind TOF-Massenspektrometer sehr nützlich in diesem besonderen Einsatzgebiet. Jedoch hatten die ersten TOF-Massenspektrometer – siehe Stephens, W.E., Phys. Rev., vol. 69, S. 691, 1946 und U.S. Patent Nr. 2,612,607 – eine schlechte Massenauflösung (d.h. Fähigkeit, Ionen, die fast dieselbe Masse haben, durch verschiedene Laufzeiten zu unterscheiden).
Idealerweise haben alle Ionen einer bestimmten Masse dieselbe Ladung und kommen am Detektor zur selben Zeit an, wobei die leichtesten Ionen zuerst ankommen, gefolgt von den Ionen, die fortschreitend mehr Masse haben. In der Praxis kommen Ionen von gleicher Masse und Ladung wegen der anfänglichen zeitlichen Verteilung, der anfänglichen räumlichen Verteilung und der anfänglichen Verteilung der kinetischen Energie der erzeugten Ionen nicht gleichzeitig am Detektor an. Diese Verteilungen können dem Verfahren zugehörig sein, das benutzt wird, um die Ionen zu erzeugen oder sie können durch Kollisionen während der Extrahierung der Ionen aus dem Quellbereich erzeugt werden. Diese Einflüsse der anfänglichen Verteilung führen zu einem Verbreitern der spektralen Massenpeaks, was zu Grenzen der Auflösungsfähigkeit des TOF-Massen-Spektrometers führt.
TOF-Massenspektrometer wurden zuerst in den späten 1940er und Mitte 1950er Jahren konstruiert und kommerziell verwertet. Größere Verbesserungen bei TOF-Massenspektrometern wurden durch William C. Wiley und I. H. McLaren gemacht. Diese Instrumente werden typischerweise durch das Aussuchen einer Menge von Konstruktionsparametern konstruiert, die bewirken, dass die erste und/oder zweite partielle Ableitung der Laufzeit nach der anfänglichen Ionengeschwindigkeit identisch gleich Null ist. Siehe US Patent Nr. 2,685,035 und Wiley, W.C. und McLaren, I.H., Rev. Sci. Instrumen., vol 26, S. 1150-57, 1955. Diese Erfindungen resultierten in einer verbesserten Massenauflösung durch den Gebrauch eines Fokussierungsschemas für den Zeitunterschied, das die anfängli chen räumlichen Verteilungen und Verteilungen der kinetischen Energie (Geschwindigkeit) der Ionen korrigierte. Jüngere Verbesserungen an den TOF-Massenspektrometern umfassen Energiefokussierung durch den Gebrauch von Ionenreflektoren, um zeitliche und räumliche Verteilungen zu reduzieren. Siehe US Patent Nr. 4,731,532 und US Patent Nr. 6,013,913.
Bis heute haben alle Schemata zur Ionenfokussierung angenommen, dass es, um mit einer großen Brandbreite in der Verteilung der anfänglichen Ionenenergie umzugehen, der beste Weg ist, die Energiebrandbreite im Extraktionsbereich zu reduzieren. Siehe Gohl, W., et al., Int. J. Mass Sprectrom. Ion Phys., vol 48, S. 411-14, 1983. Das Hauptbeispiel davon ist die gewöhnlich verwendete Verzögerungsextraktionstechnik, die entwickelt wurde, um die Energieverteilung der Ionen spezifisch zu verkleinern. Andere Verfahren, um die anfängliche Verteilung der Ionenenergie zu verringern, schließen das monotone Vergrößern des Extraktionspotentials ein. Siehe US Patent Nr. 5,969,348. Keines dieser Verfahren hat die Entwicklung eines kompakten TOF-Massenspektrometers erlaubt, das die hohe Massenauflösung von Instrumenten voller Größe erhält.
Obwohl diese Verfahren für TOF-Massenspektrometer die Massenauflösung über einen großen Bereich von Ionen-Massen erhöht haben, werden größere Verbesserungen benötigt. Es gibt einen wachsenden Bedarf nach kompakteren Massenspektrometern mit hoher Auflösung und breitem Massenspektrum, besonders für Anwendungen wie dem Nachweis von biologisch wichtigen Molekülen in extraterrestrischen Umgebungen für Proteomik, schnelle Identifizierung von biologischen Wirkstoffen oder den Nachweis einer Kontaminierung mit einer infektiösen Krankheit in Krankenhäusern. Deswegen ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Konstruktion für ein TOF-Massenspektrometer bereitzustellen, welches eine größere Massenauflösung über einen großen Bereich von Ionenmassen hat. Eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Konstruktion zum Verringern der physikalischen Größe des TOF- Massenspektrometers bereitzustellen, bei gleichzeitigem Bereitstellen einer hohen Massenauflösung über einen weiten Bereich von Ionen-Massen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur hochauflösenden Analyse von zu analysierenden Ionen in einem Laufzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) bereit. Dieses Verfahren für eine hochauflösende Analyse umfasst das Verringern der Stärke des zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion, um so die Energieverteilungen der Ionen zu verbreitern. Das Verfahren der hochauflösenden Analyse umfasst auch, dass Ionen mit gleichem Verhältnis von Ladung zur Masse, die bei der Ionisierung erzeugt werden, am Ionendetektor zu einer Zeit ankommen, die im Wesentlichen unabhängig von der anfänglichen Ionen-Geschwindigkeit und der anfänglichen Position des Ions in der Quelle/im Extraktionsbereich am Beginn der Ionen-Extraktion ist. Außerdem umfasst das Verfahren das Erreichen einer hohen Massenauflösung über einen weiten Bereich von Massen ohne das Ändern der Größe des angelegten Potentials über den Beschleunigungsbereich und die Ionenspiegel und der Zeitabhängigkeit oder der Größe des zeitabhängigen Extraktionspotentials und ohne die physikalischen Abmessungen des TOF-MS zu ändern.
Außerdem stellt diese Erfindung eine Konstruktion eines Laufzeit-Massenspektrometers (TOF-MS) bereit, das in einem Vakuumgehäuse enthalten ist. Die Konstruktion des TOF-MS umfasst ein Mittel zum Anwenden eines zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion, um so die Energieverteilungen der Ionen auszubreiten, wenn sie durch den Quellen-/Extraktionsbereich laufen. Weiterhin enthält die Konstruktion des TOF-MS mit hoher Massenauflösung ein Vakuumgehäuse mit einer Gesamtlänge von ungefähr 5 cm bis 80 cm.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt die Basiskonstruktion einer Ausführungsform des Laufzeit-Massenspektrometers der vorliegenden Erfindung, die einen Ionen-Spiegel verwendet.
2 zeigt eine andere Ausführungsform des Laufzeit-Massenspektrometers, der vorliegenden Erfindung, die einen Ionen-Spiegel und ein Korrektur-Ionenoptikelement verwendet.
3 ist eine Querschnittsansicht des Korrektur-Ionenoptikelements aus 2. Das Korrektur-Ionenoptikelement ist eine symmetrische Drei-Röhren-Einzellinse.
4 zeigt die Gesamtlaufzeit versus die anfängliche Ionengeschwindigkeit bei einer Ionenmasse von 100 kDa. Die n-te partielle Ableitung dieser Funktion wird aus einem polynomialen Fit an diese Daten berechnet, wie durch Gleichung (1) bestimmt.
5 ist eine Ergebnistabelle der nicht-linearen Optimierung und der Beschränkungen, die für die Konstruktionsparameter gesetzt werden, wobei ein bevorzugtes Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6 zeigt einen Plot der ersten vier partiellen Ableitungen der Laufzeit durch das TOF-Massenspektrometer als eine Funktion der Masse für eine anfängliche Ionengeschwindigkeit von 100 m/s, die a_n aus Gleichung (7). Die totale Ableitung der Laufzeit nach der anfänglichen Ionengeschwindigkeit schließt eine Summe dieser Ableitungen ein, wie in Gleichung (3) spezifiziert. Die oszillatorische Natur dieser partiellen Ableitungen kann ausgenutzt werden, um eine hohe Massenauflösung über einen weiten Bereich von Ionenmassen bereitzustellen.
7 zeigt die Massenauflösung als eine Funktion der Masse für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Auflösung ist nahe bei oder über 10⁴ über fünf Größenordnungen ohne die Notwendigkeit, die Betriebsparameter des Instrumentes zu verändern. Die Peak-Massenauflösung ist nahezu 10⁶ bei 1000 Da.
8 zeigt die Massenauflösungsleistung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Peaks haben einen Abstand von 5 Da und sind bei 100 kDa zentriert. Die Peaks verschwinden für größere Zeiten wegen der funktionalen Form der Laufzeit versus Anfangsgeschwindigkeit des Ions, wie in 4 gezeigt.
9 zeigt die Zeitabhängigkeit des Extraktionspotentials, das im den Quell-/Extraktionsbereich angelegt wird. Es gibt eine anfängliche Verzögerung Δt₁ nach der Erzeugung der Ionen, nach welcher das Potential auf einen Wert von V₀+V_1b ansteigt, wie in Gleichung (2) definiert. Das Extraktionspotential verringert sich dann mit einer ungefähr exponentiellen Rate, die durch α₁, α₂, V_1b und V_2b bestimmt wird. Für sehr lange Zeiten erreicht das Extraktionspotential einen Wert von V₀+V_1a.
10 zeigt den Effekt des zeitabhängigen Extraktionspotentials auf die Verteilung der kinetischen Energie der Ionen. Der Effekt des zeitabhängigen Extraktionspotentials ist, dass der Peak in der Energieverteilung nahezu konstant über vier Größenordnung der Masse ist, während die Breite der Energieverteilung nahezu eine Größenordnung über den Massenbereich erhöht wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Laufzeit-(TOF)-Massenspektrometrie wird im Allgemeinen verwendet für den Nachweis und die Identifizierung von Molekülen, die einen weiten Bereich von Massen haben, von Atomen bis Doppelstrang-DNA-Fragmenten mit Massen der Größe von 500 kDa. Verschiedene Verbesserungen sind an dem grundlegenden linearen TOF-System gemacht worden. Verzögerte Extraktion, Ionen-Spiegel etc. sind eingeführt worden, um die Leistung von TOF-Massenspektrometern zu verbessern. Ionenspiegel-Konstruktionen sind fähig, eine hohe Massenauflösung über einen sehr kleinen Massenbereich bereitzustellen, und Konstruktionen mit Massen-korrelierter Beschleunigung (mass-correlated acceleration, MCA) sind vorgeschlagen worden, die eine hohe Massenauflösung über einen Massenbereich von ungefähr drei Größenordnungen liefern. Siehe Kovtoun, S.V., „An Approach to the Design of Mass-correlated Delayed Extraction in a Linear Time-of-Flight Mass Spectrometer," Rapid Comm. Mass Spectrom., vol. 11, S. 433-36, 1997; Kovtoun, S.V., „Mass-correlated Delayed Extraction in Linear Time-of-Flight Mass Spectrometers," Rapid Comm. Mass Spectrom., vol. 11, S. 810-15, 1997; und English, R.D. und Cotter, R.J., "A Miniaturized Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometer with Mass-correlated Acceleration Focusing", J. Mass Spectrom., vol. 38, S. 296-304, 2003.
Typischerweise können zwei Arten von Korrekturen für eine Spektrometer-Konstruktion gemacht werden. Wenn Ionen in einem Raumbereich erzeugt werden, müssen Korrekturen gemacht werden, um die verschiedenen Weglängen zu kompensieren, wenn die Ionen derselben Masse vom Ionenquelle-Bereich zum Detektor laufen. Dies wird Raumfokussierung genannt. Wenn die Ionen eine Anfangsvereilung von kinetischer Energie/Geschwindigkeit haben, wird Energiefokussierung verwendet, um verschiedene Anfangsenergien/Anfangsgeschwindigkeiten zu kompensieren. Jedes Konstruktionsverfahren für TOF-Massenspektrometer muss sicherstellen, dass beide dieser Arten von Korrekturen Teil der finalen Konstruktion sind.
Ein Schema einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Laufzeit-Massenspektrometers (TOF-MS) 100, welches einen Ionenspiegel 106 verwendet und für laserbasierte Massenspektrometrie konfiguriert ist, wird in 1 gezeigt. Ionen laufen durch das TOF-MS 100. Der Weg und die Richtung des Ionen- laufs durch das TOF-MS 100 werden durch die Pfeile entlang der gestrichelten Linie angezeigt, wie gezeigt. Die Ionen werden auf der Oberfläche des Probehalters 102 durch einen fokussierten Laserpuls erzeugt. Für laserbasierte Ionisierung wird der Laserstrahl von der Probe absorbiert, wobei er einen Teil der Probe sowohl verdampft als auch ionisiert. Um die räumliche Verteilung der Ionen zu minimieren, ist es bevorzugt, dass die Breite des Laserpulses kurz ist. Deswegen wird der Laserpuls vorzugsweise von einem Laser erzeugt, der bei einer Wellenlänge betrieben wird, die von einer Komponente der Probe absorbiert wird, mit einer Pulsweite von weniger 100 ns. Ein elektrisches Potential V_ext im Quell/Extraktionsbereich 103, das zeitabhängig sein kann, zieht die Ionen aus dem Laserdampf. Vorzugsweise ist die Länge des Probehalters 102 weniger als 0,5 cm, wobei jede der anderen Abmessungen des Probehalters 102 vorzugsweise kleiner als 5 cm ist. Die Länge d₁ des Quellen-/Extraktionsbereichs 103 ist vorzugsweise von der Größenordnung 0,5 cm, wobei jede der anderen Abmessungen des Quellen-/Extraktionsbereichs 103 vorzugsweise weniger als 5 cm ist. Das Potential, das über den Beschleunigungsbereich 104 angelegt wird, gibt den Ionen ihre finale kinetische Energie. Vorzugsweise ist die Länge d₂ des Beschleunigungsbereichs 104 von der Größenordnung weniger als 1,0 cm, wobei jede der anderen Abmessungen des Beschleunigungsbereichs 104 vorzugsweise kleiner als 5 cm ist. Die Länge dieser Bereiche und die Potentiale innerhalb der Bereiche liefern auch Raum- und/oder Energiefokussierung, wenn ihre Werte richtig gewählt werden. Die Ionen driften dann durch einen ersten feldfreien Bereich 105 der Länge d₃, vorzugsweise ungefähr 15 cm, und betreten den Ionenspiegel 106 der Länge d₄, vorzugsweise ungefähr 18 cm. Für sowohl den ersten feldfreien Driftbereich 105 als auch den Ionenspiegel 106 ist jede der anderen Abmessungen vorzugsweise kleiner als 10 cm. Die Laufrichtung der Ionen wird dann über den Ionenspiegel 106 vom Potential V₃ umgedreht. Ein richtig konstruierter Ionenspiegel 106 liefert weitere Fokussierung durch Korrigieren der verschiedenen Laufzeiten der Ionen mit derselben Masse, aber verschiedener kinetischer Energie. Schließlich driften die Ionen durch einen zweiten feldfreien Bereich 105 der Länge d₅, vorzugsweise ungefähr 17 cm, wobei jede der anderen Abmessungen des zweiten feldfreien Bereichs 107 vorzugsweise kleiner als 10 cm ist, bevor sie den Ionendetektor 108 treffen. Der Ionendetektor 108 hat vorzugsweise eine Länge von ungefähr 5 cm, wobei jede der anderen Abmessungen des Ionendetektors 108 vorzugsweise kleiner als 5 cm ist. Ionendetektoren, die kommerziell erhältlich sind und die für ein kompaktes TOF-MS-Instrument 100 konstruiert sind, sind bevorzugt Ionendetektoren mit einer kurzen Antwortzeit wegen der kurzen Gesamtlaufzeit in einem kompakten TOF-MS 100, zum Beispiel jene, die von Burle ElectroOptics, Inc. hergestellt sind. Die Gesamtlänge des TOF-MS 100 ist vorzugsweise kleiner als ungefähr 35 cm. Die anderen Abmessungen der verschiedenen Komponenten, die benutzt werden, um das TOF-MS 100 zu konstruieren, sollten so sein, dass das Vakuumgehäuse, welches das TOF-MS 100 enthält, etwas länger als die Gesamtlänge des TOF-MS 100 sein sollte, vorzugsweise ungefähr 40 cm, wobei jede der anderen Abmessungen vorzugsweise 10 cm oder kleiner ist. Standard-Konstruktionstechniken für ein TOF-MS und -Materialien können verwendet werden, um das TOF-MS 100 der vorliegenden Erfindung zu konstruieren. Jedoch können unter angemessenen Umständen die Längen d₁ bis d₅ und die Gesamtlänge des TOF-MS 100, Abmessungen der verschiedenen Komponenten und Bereiche wie auch die Abmessung des Vakuumgehäuses variieren wegen Konstruktionserfordernissen wie dem Massenbereich, über welchem es gewünscht wird, das TOF-MS 100 zu optimieren, dem Wunsch, ein tragbares Gerät zu bauen oder der Antwortzeit von erhältlichen Detektoren etc.
Mit der Ausnahme des Potentials V₃ für den Ionenspiegel 106 werden elektrische Potentiale über die verschiedenen Bereiche des Spektrometers entlang der Achse des Bereichs in einer solchen Weise angeordnet, die bewirkt, dass das Ion in der Richtung läuft, die durch die Pfeile auf der gestrichelten Linie angezeigt wird, wie in 1 gezeigt. Zum Bespiel im Falle eines positiven Ions ist das elektrische Potential im Beschleunigungsbereich 104 am Punkt, an dem das Ion den Beschleunigungsbereich 104 betritt, größer um einen Betrag von im wesentlichen V₂ als an dem Punkt, an welchem das Ion den Beschleunigungsbereich 104 verlässt, wenn das Ion entlang des angezeigten Weges läuft, wie gezeigt. Das Potential im Ionenspiegel 106 ist derart, dass es das Ion umdreht und es zurück zum Detektor führt. Ein Fachmann für TOF-MS Konstruktion versteht, wie Potentiale in solcher Weise angewendet werden, um das Gerät so zu konfigurieren, dass es positive oder negative geladene Ionen nachweist. Im Allgemeinen werden Potentiale innerhalb von Bereichen angelegt durch das Setzen des Potentials von mindestens zwei Metallelektroden, wobei eine Elektrode im Wesentlichen am Anfang des Bereichs und eine Elektrode im Wesentlichen am Ende des Bereichs ist. Typischerweise ändert sich das Potential in einer im Wesentlichen linearen Weise über die Länge des Bereichs. Diese Elektroden können entweder flache Gitter, die über ihrer Oberfläche Löcher mit gleichmäßigem Abstand haben, damit die Ionen durchlaufen können, oder ringförmige Elektroden sein, die es den Ionen erlauben, durch das Zentrum der Elektrode durchzulaufen. Typische Ionenspiegel-Konstruktionen werden mit Elektroden, typischerweise Gittern, an beiden Enden gemacht mit einer Reihe von ringförmigen Elektroden dazwischen, deren Potentiale durch ein Widerstandsteilernetz zwischen dem beiden Endelektroden gesetzt werden. Es ist nur notwendig, dass die gewünschte Potentialdifferenz im Wesentlichen entlang der Flugbahn der Ionen angelegt wird, wie durch die gestrichelte Linie in 1 angezeigt. Die gewünschten Potentiale werden durch Stromzufuhr an die Elektroden angelegt, die eine konstante Potentialdifferenz auf zwei Leitern aufrechterhält, die der Output der Stromzufuhr sind. Die Potentialdifferenz zwischen Elektroden wird dann aufrechterhalten durch das Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen den Leitern und den Elektroden an beiden Enden des Bereichs.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Laufzeit-Massenspektrometers (TOF-MS) 200 wird in 2 gezeigt, welche einen Ionenspiegel 106 und ein Korrektur-Ionenoptikelement 202 verwendet. Das Korrektur-Ionenoptikelement 202 weist eine Ionen-Linse auf, wie gezeigt. Ein Korrektur-Ionenoptikelement 202 wird typischerweise bei einer Spektrometer-Konstruktion verwendet, wenn es eine Notwendigkeit gibt, die Ausbreitung der Ionen in radialer Richtung (senkrecht zum Weg der Ionen durch das TOF-MS) zu korrigieren. Wie gezeigt, wird das Korrektur-Ionenoptikelement 202 zwischen dem Beschleunigungsbereich 104 und dem ersten feldfreien Bereich 105 positioniert. Die Gesamtlänge des Korrektur-Ionenoptikelements 202 ist d_co. Die Länge eines Korrektur-Optikelements kann von ungefähr 1 zu 3 cm variieren, abhängig von der Art des verwendeten Korrektur-Ionenoptikelements 202. Unter angemessenen Umständen können verschiedene Arten/Konfigurationen eines Korrektur-Ionenoptikelements 202 verwendet werden wie eine Ionen-Linse in Kombination mit einem elektrostatischen Ablenkungssystem oder ein elektrostatisches Ablenkungssystem allein oder eine Ionen-Linse allein. Ein elektrostatisches Ablenkungssystem erlaubt kleine Anpassungen für den Weg der Ionen durch das TOF-MS.
Gegenwärtige Ziele für Konstrukteure und Forscher, die an der TOF-MS-Entwicklung beteiligt sind, sind es, die Massenauflösung entweder bei einer einzelnen Masse oder über einen ausgewählten Massenbereich zu erhöhen. Es gibt auch überzeugende Gründe, kompakte TOF-MS-Instrumente zu entwickeln. Das Konstruktionsverfahren für ein TOF-MS, das nur Energiefokussierung durchführt, ist folgendermaßen. Die Gesamtlaufzeit um die anfängliche Ionengeschwindigkeit wird in einer Reihe von Potenzen der Geschwindigkeit um die Durchschnittsgeschwindigkeit entwickelt unter Verwendung der folgenden Gleichung:
wobei m die Ionenmasse, v_i die Ionen-Anfangsgeschwindigkeit, z_i die Ionen-Anfangsposition, V die Menge aller Potentiale ist, die über die verschiedenen Bereiche und Elemente angelegt werden, d die Menge aller Längen der verschiedenen Bereiche und Elemente, ᾱ die Menge aller Zeitkonstanten von zeitabhän gigen Potentialen und Δt die Menge aller Zeitverzögerungen ist. Dies ist eine Taylorreihenentwicklung, so dass die Koeffizienten a_n der Entwicklung die n-ten partielle Ableitung der Laufzeit nach der Anfangsgeschwindigkeit des Ions sind, die bei der durchschnittlichen Ionengeschwindigkeit ausgewertet wird und die Funktionen der Anfangsgeschwindigkeit des Ions, der Ionenmasse, verschiedener Abmessungen, Potentiale und anderer Parameter der Spektrometer-Konstruktion sind. Für ein exaktes Fokussieren werden diese Parameter so gewählt, dass die an identisch Null sind bis zu einer bestimmten Ordnung n, typischerweise 2 (Fokussieren zweiter Ordnung) unter einer Menge von Annahmen über den Anfangszustand des Ions, zum Beispiel die Verteilung der Anfangsgeschwindigkeit des Ions, Ionen-Masse etc.
Während das Setzen von allen a_n identisch zu Null im Allgemeinen eine optimale Leistung einer Spektrometer-Konstruktion gewährleistet, kann dies nur bei speziellen Bedingungen durchgeführt werden, die nicht zu den tatsächlichen Ionen-Bedingungen korrespondieren und über ein kleinen Massenbereich. Die funktionale Form der a_n, die als eine Funktion der Masse oszillieren können, ist nicht verwendet worden, um die Konstruktion eines TOF-MS zu optimieren. Ein Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet dieses Verhalten, um die Konstruktion eines TOF-MS zu optimieren.
Der Einfachheit halber betrachtet die folgende Diskussion nur Moleküle, die einfach geladen sind. Für eine beliebige TOF-MS-Konstruktion kann die Laufzeit als eine Funktion der Anfangsgeschwindigkeit in einer Standard-Taylorreihe um die Durchschnittsgeschwindigkeit der Ionen entwickelt werden. Die allgemeine Form der Gleichung wird in Gleichung (1) gezeigt. Obwohl die Entwicklung nur in einer Variable ist, ist die Laufzeit t_of auch eine Funktion von m der Masse des Ions, v_i der Anfangsgeschwindigkeit des Ions, V dem Beschleunigungs-, Extraktions- und Ionenspiegelpotential und d den Längen der verschiedenen Bereiche und der Länge des Ionenspiegels. Zusätzlich wird angenommen, dass das Extraktionspo tential eine Funktion der Zeit ist mit einer allgemeinen funktionalen Form, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: Vext(t)=V0 + [V1a(1 – exp(–αa(t – Δt2))) + V1bexp(–αb(t – Δt2))]Θ(t – Δt2) (2)wobei das Θ die Heavyside-Funktion ist, die den zweiten Term in Gleichung (2) zu Null setzt, wenn t < Δt₂. Exponentielle Funktionen mit Zeitkonstanten α_x ^–1 werden angenommen, da sie leicht reproduziert werden können unter Verwendung eines Hochspannungspulsgenerators, der aus einfachen RC-Schaltungen besteht. Die Zeit t ist die Zeit nach einer anfänglichen Zeitverzögerung Δt₁ und die zweite Zeitverzögerung Δt₂ ist eingeschlossen, um einen Verlauf zu erlauben, der in anderen Fokussierungsschemata gesehen wird. Siehe US Patent-Nr. 5,969,348 und US Patent Nr. 6,518,568. Die partielle Ableitung der Laufzeit bezüglich der anfänglichen Ionengeschwindigkeit kann auch als eine Entwiclung über die Durchschnittsgeschwindigkeit geschrieben werden:
Eine weitere Verbesserung bei diesem allgemeinen Verfahren kann durch die Betrachtung entwickelt werden, dass die a_n selbst in einer Reihe nach der Masse entwickelt werden können
Im Allgemeinen sind die a_n Funktionen der Konstruktionsparameter des Massenspektrommeters und der Masse des Ions und können um Null oder nahe Null als eine Funktion der Masse oszillieren. Unter Verwendung dieses Verhaltens ist es möglich, ein TOF-MS mit einer hohen Auflösung über einen breiten Massenbereich zu konstruieren.
TOF-MS-Parameter, die Gleichung (3) minimieren, werden dadurch bestimmt, dass sie bewirken, dass die a_n über einen weiten Bereich von Massen oszillieren und dass sie über diesen Bereich nicht zu weit von Null abweichen. Demnach wird exakte Raum- oder Energiefokussierung nicht verlangt. Wenn jedoch die richtigen Parameter für diesen Zugang gewählt werden, kann eine hohe Massenauflösung über einen breiten Massenbereich erhalten werden. Dies ist ein fundamental anderer Zugang als das typische Konstruktionsziel, welches verlangt, dass die a_n Null sind.
Bei Bedingungen, bei denen Raumfokussierung im Konstruktionsverfahren explizit eingeschlossen werden muss, kann die Laufzeit in einer Taylorreihe von zwei Variablen, v_i und z_i, entwickelt werden, analog zu Gleichung (1) mit Koeffizienten analog zu den an. Diese neuen Koeffizienten oszillieren auch als eine Funktion der Masse und dieses Verhalten kann auch verwendet werden in einem Verfahren, einen TOF-MS zu konstruieren, analog zu der Art, in der die a_n verwendet werden.
Dieses Konstruktionsverfahren hat einen weiteren Vorteil, indem es TOF-MS-Konstruktionen bevorzugt, die in ihrer Gesamtlänge kurz sind. Die Abweichung der an von Null resultieren in einem Isomassen-Paket von Ionen, das in der Zeit entweder räumlich expandierend oder kontrahierend ist, wenn sie den Ionen-Detektor treffen, statt Idealerweise alle zur selben Zeit zu treffen wie bei den typischen Konstruktionskriterien mit den a_n alle gleich Null. Aus diesem Grund minimieren TOF-MS-Konstruktionen von relativ kurzer Länge das Ausbreiten der Ionen-Pakete wegen der Abweichung von Null in Gleichung (3). Demnach gibt es ein Balancieren, das zwischen der Gesamtlaufzeit und der Abweichung der Ableitung von Null durchgeführt werden muss.
Konstruktionsverfahren
Ein Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet vorzugsweise die matrix assisted laser desorption/ionization (MALDI)-Technik, um Ionen zu erzeugen, siehe US Patent Nr. 5,118,937; deswegen wurden zwei Annahmen gemacht, die für diese Technik angemessen sind. Eine für diese Technik angemessene Annahme ist, dass alle Ionen im Wesentlichen bei derselben Position für t = 0 sind, eine Zeit Δt₁, nachdem der Laser feuert. Deswegen benötigt die Ionenquelle keine räumliche Fokussierung. Dies bedeutet, dass die Anforderung, dass die partielle Ableitung der Laufzeit der Ionen durch das TOF-MS nach der Ion-Anfangsposition im wesentlichen Null ist, in diesem Fall automatisch erfüllt ist und deswegen dass ein Teil dieses Konstruktionsverfahrens automatisch durch die Verwendung der MALDI-Technik, um Ionen zu erzeugen, erfüllt ist. Und schließlich, dass die Geschwindigkeitsverteilung von unseren zu analysierenden Ionen unabhängig von der Ionen-Masse ist. Da die TOF-MS-Konstruktion einen Ionen-Spiegel verwendet, sind die a_n und b_n,1 aus Gleichung (4) Funktionen von vierzehn Variablen/Konstruktionsparametern: fünf Bereichslängen aus 1 d₁ bis d₅; sechs Parametern aus Gleichung (2), die das zeitabhängige Extraktionspotential definieren; die anfängliche Verzögerung Δt₁; das Beschleunigungspotential und das Ionenspiegel-Potential. Wegen der physikalischen Beziehung sind zwei der Parameter d₄ (Ionenspiegel-Länge) und V₃ (das Ionenspiegel-Potential) keine unabhängigen Größen. Damit ein Wert von d₄ Bedeutung hat, muss der Wert von V₃ ausreichend sein, um ein Ion mit der höchstmöglichen Energie über die Länge d₄ der Ionenspiegels herumzudrehen. Deswegen ist d₄ der Parameter, der während 25 des Konstruktionsprozesses gewählt wird und darauf wird V₃ aus der maximal erwarteten Ionenenergie berechnet, was dreizehn unabhängige Parameter zum Auswählen lässt.
Wenn jedoch ein Korrektur-Ionenoptikelement 202 in einer TOF-MS-Konstruktion verwendet wird, ist es notwendig, die Laufzeit durch das Korrektur-Ionenoptikelement 202 zu bestimmen und sie zu der Gesamtlaufzeit durch den Rest des TOF-MS 200 zu addieren, welche verwendet wird, um die an aus Gleichung (3) zu berechnen.
3 ist eine Querschnittsansicht des Korrektur-Ionenoptikelements 202 aus 2. Das Korrektur-Ionenoptikelement 202 ist wie gezeigt eine symmetrische Drei-Röhren-Einzellinse 300. Die Einzellinse 300 ist ein Standard-Ionenlinsensystem, welches bei der TOF-MS-Konstruktion verwendet wird. Die Einzellinse 300 besteht aus drei leitenden Röhren, einer ersten leitenden Röhre 302, einer zentralen oder zweiten leitenden Röhre 303 und einer dritten leitenden Röhre 304, wobei die Achse der Röhren entlang des Ionenlaufwegs durch das TOF-MS 200 platziert ist. Wie in 2 gezeigt, ist das Korrektur-Ionenoptikelement vorzugsweise zwischen dem Beschleunigungsbereich 104 und dem ersten feldfreien Bereich 105 positioniert. Wenn das Korrektur-Ionenoptikelement 202 sowohl eine Einzellinse 300 als auch ein elektrostatisches Ablenkungssystem umfasst, würde die Einzellinse 300 vor dem elektrostatischen Ablenkungssystem positioniert werden, wobei das gesamte Korrektur-Ionenlinsenelement 202 zwischen dem Beschleunigungsbereich 104 und dem ersten feldfreien Bereich 105 positioniert ist. R ist der Innenradius der symmetrischen Drei-Röhren-Einzellinse 300 und auch die erste leitende Röhre 302, die zweite leitende Röhre 303 und die dritte leitende Röhre 304. Wie gezeigt ist a die Länge der zweiten leitenden Röhre 303 und g ist die Länge der Lücke zwischen der ersten leitenden Röhre 302 und der zweiten leitenden Röhre 303 und zwischen der zweiten leitenden Röhre 303 und der dritten leitenden Röhre 304.
Wenn das Korrektur-Ionenoptikelement 202 die Einzellinse 300 ist, wird die Laufzeit durch die Einzellinse 300 berechnet, indem zuerst das Potential entlang des Laufwegs des Ions bestimmt wird und dann die Beschleunigung. Das elektrische Potential entlang der Achse der symmetrischen Drei-Röhren-Einzellinse 300 ist gegeben durch:
wobei R und g in der Beschreibung von 3 beschrieben sind, ω = 1,3183 und ω' = 1,67. Siehe Gillespie, G.H. und Brown, T.A., Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference (cat nr. 97CH36167). Piscataway NJ, USA: IEEE, vol. 2, S. 2559-61, 1998. Außerdem ist das Potential V_a das Potential, das an die erste leitende Röhre 302 und die dritte leitende Röhre 304 angelegt wird und das Potential V_b wird an die zentrale oder zweite leitende Röhre 303 angelegt. Die Position entlang der Achse der Einzellinse 300 wird durch z bezeichnet, das vom Zentrum der Einzellinse 300 gemessen wird, wie in 3 gezeigt. Die Geschwindigkeit eines Ions, das durch eine Einzellinse 300 läuft, wird nicht konstant sein, aber das Ion wird dieselbe Geschwindigkeit beim Verlassen einer richtig konstruierten Einzellinse 300 haben, die es vor dem Eintreten hatte. Gegeben das Potential entlang des Ionenlaufwegs durch das TOF-MS 200, kann die Laufzeit t_e1 durch die Einzellinse 300 entweder numerisch oder analytisch berechnet werden und diese Zeit wird zur Gesamtlaufzeit des Ions durch das TOF-MS 200 addiert. Die Beschleunigung eines Ions in der Richtung entlang der Achse der Einzellinse 300 wird gegeben durch:
wobei q die Ladung des Ions ist, m die Ionenmasse und z die Länge entlang der Achse der Einzellinse 300 ist.
Es wohlbekannt, dass andere Einzellinsen-Konfigurationen möglich sind. Siehe Gillespie, G.H. und Brown T.A., Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference (cat nr. 97CH36167). Piscataway NJ, USA: IEEE, vol. 2, S. 2559-61, 1998 für ähnliche Gleichungen für zwei zusätzliche Standard-Einzellinsen-Konfigurationen, die Drei-Öffnung-Linse (three-aperture lens) und die Linse mit zentraler Röhre (center-tube-lens). V_a würde auf das Potential des ersten feldfreien Bereichs gesetzt werden, und V_b würde auf einen Wert gesetzt werden, der ausreicht, um die radiale Verbreiterung der Ionen zu korrigieren.
Außerdem: wenn ein elektrostatisches Ablenkungssystem in einem Korrektur-Ionenoptikelement 202 verwendet wird, muss die Laufzeit durch das Ablenkungssystem zur Gesamtlaufzeit durch das TOF-MS 200 addiert werden, die verwendet wird, um die a_n aus Gleichung (3) zu berechnen. Ein richtig konstruiertes elektrostatisches Ablenkungssystem verändert die Geschwindigkeit eines Ions nicht, das durch es hindurch läuft. Siehe Dahl, P., Introduction to Electron and Ion Optics, Academic Press, 1973. Die Zeit, die es für ein Ion braucht, um durch das elektrostatische Ablenkungssystem hindurch zulaufen, ist t_d = d_d/v_d, wobei d_d die Länge des elektrostatischen Ablenkungssystems und v_d die Geschwindigkeit des Ions ist, wenn es in das elektrostatische Ablenkungssystem eintritt.
Deswegen: um das Korrektur-Ionenoptikelement 202 in ein Konstruktionsverfahren einzubeziehen, wird nur verlangt, dass die Laufzeit durch das Korrektur-Ionenoptikelement 202, wenn vorliegend, einschließlich der Laufzeit durch das elektrostatische Ablenkungssystem, wenn vorliegend, zur Gesamtlaufzeit durch den Rest des TOF-MS 200 addiert wird, welche verwendet wird, um die a_n aus Gleichung (3) zu berechnen. Der Rest des Verfahrens ist identisch zu jenem, das für die bevorzugte Ausführungsform TOF-MS 100 beschrieben wurde.
Ein Fachmann für TOF-MS-Konstruktion kann erkennen, dass das Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von anderen Ionisierungstechniken funktionieren würde. Diese Techniken schließen ein, aber sind nicht darauf begrenzt Elektro-spray (ESI), Ionisierung durch Aufprallen von Elektronen (EI), chemische Ionisierung (CI), chemische Ionisierung mit Desorption (DCI), Felddesorption (FD), Feldionisierung (FI), Bombardierung mit schnellen Atomen (FAB), surface-assisted laser desorption ionization (SALDI), secondary ion mass spectrometry (SIMS); thermische Ionisierung (TIMS), Resonanz-Ionisierung (RIMS), plasma-desorption ionization (PD), Multiphoton-Ionisierung (MPI) und atmospheric pressure chemical ionization (APCI). Außer für die atmosphärischen Ionisierungstechniken (ESI und APCI) ist alles, was benötigt wird, die Kenntnis der Verteilungen der Ion-Anfangsgeschwindigkeit und der Ion-Anfangsposition (innerhalb des Quellen-/Extraktionsbereichs). Für atmosphärische Ionisierungstechniken würde eine verschiedene Menge von Annahmen benötigt werden, zum Beispiel würde das Potential in dem Bereich der atmosphärischen Ionisierung konstant sein und das Potential im Beschleunigungsbereich wäre zeitabhängig.
Alle der oben erwähnten Ionisierungstechniken werden verwendet, um Ionen zu erzeugen, die nachfolgend in eine Ionenfalle gelenkt werden, ein Bereich, in dem die Ionen durch elektrische und magnetische Felder eingesperrt sind. Ein TOF-MS basierend auf einer Falle, sammelt Ionen in der Falle an, wodurch die Empfindlichkeit des Instruments erhöht wird und stößt sie dann durch das Verändern der elektrischen und/oder magnetischen Felder aus in die Flugbahn des TOF-MS. In dieser Art von Konstruktion ist die Falle der Bereich der Ionenquelle und unser Konstruktionsverfahren könnte verwendet werden. Noch einmal: alles was benötigt ist, ist die Kenntnis der Verteilung der Ion-Geschwindigkeit und der Ion-Position innerhalb der Falle.
Ein Minimierungsverfahren wird verwendet, um Werte den dreizehn verbleibenden Konstruktionsparametern zuzuweisen. Das Levenburg-Marquardt-(LM)- Verfahren des nichtlinearen Fittens wird als ein Minimierungsalgorithmus verwendet, der eine gutartige Fehlerfunktion annimmt. Für dieses Konstruktionsverfahren wird die Ableitung der Gesamtlaufzeit nach der Anfangsgeschwindigkeit als eine Funktion der Masse minimiert. Die verwendete Fehlerfunktion ist:
wobei T die Gammafunktion ist und σ die Standardabweichung der Ion-Anfangsverteilung ist. Diese Funktion wird für einen Massenbereich ausgewertet, gegeben die Fitparameter, die von dem nichtlinearen Fit-Algorithmus geliefert werden. Die γ_n sind Skalierungsfaktoren, die das Gewicht, das jedem der a_n gegeben wird, modifizieren und sind hauptsächlich Funktionen der Standardabweichungen σ der anfänglichen Ion-Geschwindigkeitsverteilung. Die Summe der gewichteten an wird durch die Gesamtlaufzeit t_of geteilt, damit die Masse m die Tatsache kompensiert, dass ein größeres γ_na_n erlaubt ist, wenn t_of sich vergrößert, d.h. je länger die Laufzeit, desto weiter kann der nachgewiesene Peak sein und nicht die Anforderungen einer hohen Massenauflösung bewirken. Es ist Standard, die Fehlerfunktion zu quadrieren, so dass der niedrigstmögliche Wert der Funktion null ist. Obwohl die totale Ableitung der Laufzeit nach der Anfangsgeschwindigkeit des Ions das ist, was interessiert, tragen für praktische Zwecke Terme in Gleichung (7) mit n > 4 nicht signifikant zum Wert der Fehlerfunktion bei. Die Fehlerfunktion erfordert nicht, dass die Ableitung Gleichung (3) oszilliert, aber die Natur der an macht Oszillation der Gleichung (3) zur wahrscheinlichsten Weise, in der die Fehlerfunktion während des Optimierungsprozesses minimiert wird. Ein Fachmann wird verstehen, dass Verbesserungen an der Fehlerfunktion wünschenswert sind und dass der Verbesserungsprozess Teil des Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung ist. Obwohl wegen der Annahmen, die für MALDI-Ionerzeugung angemessen sind, die partielle Ableitung der Gesamtlaufzeit durch das TOF-MS nach der Ion-Anfangsposition in Wesentlichen Null ist und dieser Teil des Konstruktionsverfahren automatisch erfüllt ist, wäre es einfach, das bevorzugte Verfahren auf einen Fall anzuwenden, bei dem der Effekt der Ion-Anfangsposition bedeutend ist, zum Beispiel bei Ionisierung durch Elektronenaufprall. Die Gesamtlaufzeit Gleichung (1) kann in einer Taylorreihe von zwei Variablen entwickelt werden, was eine neue Menge von Koeffizienten analog zu den a_n produziert. Diese neuen Koeffizienten würden dann in eine Fehlerfunktion ähnlich zu Gleichung (7) einbezogen werden und der bevorzugte Konstruktionsprozess könnte dann unter Verwendung der neuen Fehlerfunktion angewendet werden.
Nichtlineare Optimierungsalgorithmen sind typischerweise unbeschränkt, d.h. die Werte der Parameter können jeden Wert annehmen. Aber für diese Konstruktion müssen die Parameter auf physikalisch realisierbare/erwünschte Werte beschränkt werden. Um zu gewährleisten dass die Werte im benötigten Bereich bleiben, werden die Parameter beschränkt unter Verwendung einer modifizierten Log-Sigmoide-Transformation, siehe Polyak, R.A., „Log-Sigmoid Multipliers Method in Constrained Optimization,"Annals of Operations Research, vol. 101, S. 427-60, 2001, wobei der beschränkte Parameter p in eine nicht beschränkte Variable p' durch die folgende Gleichung transformiert wird:
Der Parameter p ist dann zwischen p_min und p_max beschränkt, während der Fitparameter p' jeden Wert zwischen –∞ und +∞ annehmen kann.
Diese spezielle Optimierungstechnik kann die Fehlerfunktion minimieren, aber sie ist nicht die einzige Technik, mit der das Konstruktionsverfahren durchgeführt werden kann. Andere Optimierungstechniken, die verwendet werden könnten, enthalten, aber sind nicht darauf beschränkt Branch-and-bound-Techniken, siehe Pinter, J.D., Global Optimization in Action. Dordrecht, Netherlands: Kluwer, 1996; dynamic programming, siehe Adjiman, C.S. et al., „ A Global Optimization Method, aBB, for General Twice-Differentiable Constrained NLPs – I. Theoretical Advances, "Comp. Chem. Engng., vol. 22, S. 1137-58, 1998; simulated annealing, Ph.D. Thesis, Dept. of Computer Science, Univ. of Illinois, Urbana, IL, December 2000; and evolutionary algorithms, siehe Yuret, D., From Genetic Algorithms to Efficient Optimization, Massachusetts Institute of Technology A.I. Technical Report Nr. 1569, 1994. Es wäre auch möglich, analytische Techniken zu verwenden, um unsere Konstruktionsziele zu erreichen. Ein Fachmann wird die große Anzahl von Optimierungstechniken erkennen, die auf das Konstruktionsverfahren angewendet werden könnten.
Implementierung
Eine graphische Benutzeroberfläche wurde entwickelt unter Verwendung von LabView^®, um Berechnungen zu konfigurieren und zu überwachen und Unterprogramme wurden geschrieben, um die benötigten Berechnungen durchzuführen. Ein Unterprogramm wurde verwendet, um die Gesamtlaufzeit für ein einzelnes Ion mit Anfangsgeschwindigkeit v_i und einer Masse m zu berechnen, das sich durch ein TOF-MS bewegt, welches einen Ionenspiegel verwendet, welches die vierzehn oben diskutierten Parameter hat. Das Programm berechnete die Zeit für jedes Ion, um jeden Bereich des TOF-MS zu durchqueren, unter Verwendung der Standard-Kinematikgleichungen der grundlegenden Mechanik. Die Beschleunigung wurde aus der Gleichung berechnet:
wobei z × e die Ladung des Ions in Einheiten der Elektronladung e ist, V ist das Potential in dem Bereich, m ist die Masse des Ions und d ist die Länge des Bereichs. Dies nimmt eine lineare Änderung des Potentials über die Länge des Bereichs an. Im Fall, in dem die Änderung des Potentials nichtlinear ist, würde die Beschleunigung des Ions aus dem Gradienten des Potentials zu berechnen sein. Eine Ansammlung von Isomassen-Ionen, die eine Gaußsche Geschwindigkeitsverteilung haben, die durch eine Durchschnittsgeschwindigkeit v_avg mit einer Standardabweichung von σ definiert ist, wird durch das Spektrometer ausgebreitet und die Gesamtlaufzeit wird für jedes Ion aufgezeichnet. Die Halbwertsbreite (full width half maximum, FWHM), Δt, dieses Pakets, wenn es die Position des Detektors erreicht, wurde durch ein anderes Unterprogramm berechnet und demnach die Auflösung bei jener Masse:
Die Halbwertsbreite ist die Breite eines Peaks bei der Hälfte seines maximalen Werts.
Die an aus Gleichung (2) werden vorzugsweise numerisch aus einem polynomialen Fit an einen Graph der Gesamtlaufzeit (t_of) versus der Anfangsgeschwindigkeit (v_i) berechnet. 4 zeigt einen Graphen von t_of versus v_i bei einer Masse von 100 kDa. Die ersten vier Terme aus Gleichung (2) werden unter Verwendung der berechneten an ebenfalls graphisch dargestellt. Obwohl der Plot von t_of so er scheint, dass er von dem n=2-Term aus 4 dominiert wird, tragen andere Terme n=1, n=3 und n=4 ebenfalls signifikant zur Gesamtlaufzeit bei, wie gezeigt.
Für Optimierungsprobleme, die so viele Parameter einbeziehen, gibt es die Tendenz zu lokalen Minima und das Auswählen von guten Anfangsparametern ist wichtig. Das Unterprogramm, das die Laufzeit berechnet, ist schnell genug, um die Leistung des TOF-MS, welches durch zufällig ausgewählte Parameter definiert ist, innerhalb einer kurzen Zeitdauer auszuwerten. Diese Zufallswerte werden durch die Schrankenwerte, die in 5 gezeigt werden, beschränkt. Ein mittlerer quadratischer Fehler (MSE) wird mit Bezug auf eine beliebig gewählte Funktion von Δm versus Masse berechnet. Die Konfiguration mit dem niedrigsten mittleren quadratischen Fehler wird dann als Anfangsparameter für den Optimierungsalgorithmus ausgewählt. Für Fachleute versteht es sich, dass kein Optimierungsalgorithmus garantiert, dass die optimale Lösung, d.h. die Fehlerfunktion Gleichung (7) hat den absolut niedrigsten möglichen Wert über den gewünschten Massenbereich, gefunden werden wird oder kann und dass nicht jede Menge von gefundenen Parametern für den Gebrauch geeignet sein wird. Es ist gewöhnlich notwendig, viele Durchläufe zu machen, startend von verschiedenen Anfangsparametern, um eine akzeptable Konstruktion zu bekommen.
Ein TOF-MS unter Verwendung des Konstruktionsverfahrens
Dieser Abschnitt diskutiert die Anwendung des Konstruktionsverfahrens der vorliegenden Erfindung auf die TOF-MS-Ausführungsform 100 die in 1 gezeigt wird. Die Tabelle in 5 enthält die Konstruktionsparameter für eine TOF-MS-100-Konstruktion, die einen Ionenspiegel und ein Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. Die letzte Zeile in der Tabelle zeigt an, ob jener besonderer Parameter während des Fit-Prozesses beschränkt wurde. Als eine allgemeine Regel gilt, dass nur Parameter, die gegen unendlich oder null tendieren, während des Fittens beschränkt werden. Das Ziel für diese Konstruktion war eine Gesamtlänge des TOF-MS 100 von vorzugsweise weniger als 40 cm mit einer Massenauflösung von ungefähr 10⁴ oder höher für Massen kleiner als 100 kDa. Alle der finalen Fitparameter sind physikalisch realisierbar und wie erwartet ist die Gesamtlänge des Spektrometers kürzer als jene von konventionellen Konstruktionen. Die Beschränkungen für die Potentiale V₀, V_1a und V_1b aus Gleichung (2) wurden ausgewählt, so dass kommerziell erhältliche Hochspannung-Festkörper-Schalter verwendet werden konnten. Es wurden keine Beschränkungen für die exponentiellen Zeitkonstanten α_a ^-1 und α_b ^-1 gesetzt. Die zwei Zeitverzögerungen Δt₁ und Δt₂ wurden auf minimale Werte von 15 ns bzw. 0,1 ns beschränkt. In beiden Fällen tendieren die Verzögerungen dazu, zu dem kleinsten erlaubten Wert zu gehen; die untere Grenze für Δt₂ ist praktisch eine Verzögerung von Null. Das Minimum von Δt₁ wurde gesetzt, um die Verzögerung länger als die Breite des Laserpulses zu halten. Die Beschränkungen für das Beschleunigungspotential V₂ wurden auf ein Maximum von ungefähr 20 kV gesetzt, die maximale Spannung, die von den verwendeten Stromerzeugern erhältlich ist, und auf ein Minimum von 0,1 mV, um ein Beschleunigungspotential von im wesentlichen Null zu erlauben. Das Ionenspiegel-Potential V₃ wird aus der Länge d₄ des Ionenspiegels 106 und der höchsten erwarteten Ionenenergie berechnet, wie oben diskutiert. Die Länge d₁ des Quellen-Extraktionsbereichs 103 wurde auf eine minimale Größe von 5 mm beschränkt, um Feld-Streuverluste zu minimieren und um einen Abstand, um den Laser auf die Oberfläche des Probehalters 102 zu lenken, zu erlauben. Der Wert von d₂, der Länge des Beschleunigungsbereichs 104, tendiert während des Fittens dazu, nach Null zu gehen, was verursacht, dass die Zeit durch den Beschleunigungsbereich zu Null geht und jenen Beitrag zur Fehlerfunktion minimiert; ein minimaler Wert von 0,1 mm wurde für diese Schranke verwendet. Die maximalen Schranken für diese Werte wurden beliebig gewählt. Es ist möglich, d₂ zu Null gehen zu lassen, aber vernünftige elektrische Feldwerte aufrechtzuerhalten; das Potential über den Beschleunigungsbereich 104 muss ebenfalls Null sein, wenn d₂ Null ist. Die Länge d₃, die Länge des ersten feldfreien Driftbereichs 105, wurde auf ein Minimum von 1 cm beschränkt, um die Gesamtlaufzeit bei einem vernünftigen Wert zu halten, um Probleme mit der Antwortzeit des Ionendetektors 108 zu minimieren; die maximale Grenze wurde auf 20 cm gesetzt, um die Kon struktion kompakt zu halten. Die obere Schranke für die Länge d₅, die Länge des zweiten feldfreien Driftbereichs 107 wurde aus ähnlichen Gründen gesetzt, aber der minimale Wert wurde auf 1 mm gesetzt, um eine Konstruktion zu erlauben, bei der der Ionendetektor 108 im Wesentlichen bei der Position platziert ist, bei die Ionen den Ionenspiegel 106 verlassen.
6 zeigt einen Plot der ersten vier a_n aus Gleichung (3), der durch die γ_n skaliert wird, am Anfang des Optimierungsprozesses mit zufällig gewählten Parametern, wie oben diskutiert. Alle vier Terme tragen signifikant zur Fehlerfunktion Gleichung (4) bei und oszillieren als eine Funktion der Masse. Unterhalb von 20 kDa sind die a₁- und a₂-Terme die Hauptbeiträge zur Fehlerfunktion. Wie in 6 gezeigt, liefern oberhalb von 20 kDa die a₃- und a₄-Terme ebenfalls einen signifikanten Beitrag.
Die Optimierungsroutine minimierte die Fehlerfunktion durch algorithmisches Auswählen der Werte in der zweiten Spalte der Tabelle aus 5. Um die Resultate des Optimierungsalgorithmus zu verifizieren, werden die Trajektorie des Isomassen-Ionenpakets und die Massenauflösung berechnet. 7 zeigt grafisch die Resultate dieser Rechnung. Die Auflösung m/Δm ist ungefähr 10⁴ oder höher über einem Massenbereich von fünf Größenordnungen. Dies wird erreicht, ohne irgendeines der Potentiale, Zeitverzögerungen oder Längen der verschiedenen Bereiche des TOF-MS 100 zu ändern. Für eine typische TOF-MS-Konstruktion müsste das Instrument neu eingestellt werden, um die maximale Massenauflösung über diesen breiten Massenbereich zu erhalten. Das Neueinstellen würde typischerweise das Anpassen von Potentialen und Zeitverzögerungen beinhalten.
Um die Massenauflösungsleistung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu einem Verfahren der Spektrometerkonstruktion zu demonstrieren, werden die TOF-Peaks für fünf Massen im Abstand von 5 Da und zentriert bei einer Masse von 100 kDa in 8 gezeigt. Die Breite dieser Peaks korrespondiert zu einer Massenauflösung von größer als 20.000, was größer ist als von den Rechnungen, die in 7 grafisch dargestellt sind, erwartet werden würde. Dies liegt daran, dass die Massenauflösung, die in 7 gezeigt wird, aus Fits an eine Gaußsche Form berechnet wird. Die Peaks in 8 sind nicht gaußförmig und Fits von Gaußschen Funktionen an Peaks jener Form unterschätzen immer die tatsächlich erreichbare Massenauflösung. Die Form der Peaks in 8 kann durch Betrachtung von 4 erklärt werden. Wie in 4 gezeigt, hat der Peak des Ionensignals ein Maximum nahe der durchschnittlichen Ionengeschwindigkeit; Ionen mit höherer oder niedrigerer Anfangsgeschwindigkeit haben alle längere Laufzeiten, was bewirkt, dass der Peak einen Schwanz hat, der für längere Zeiten in der Intensität abnimmt.
Die Zeitabhängigkeit des Extraktionspotentials, das in Gleichung (2) gezeigt wird, kann im Allgemeinen ganz kompliziert sein. Der Laser feuert zu einer Zeit t = -Δt₁. Es gibt einen Term, der zu einem konstanten Potential gehört, das bei t = 0 angeschaltet wird, Δt₁, nachdem der Laser feuert, was Lösungen erlaubt, die dem MCA-Schema des US-Patents Nr. 6,518,568 und dem separaten Schema des US-Patents Nr. 5,969,348 ähneln. Und ebenfalls Terme für exponentiell ansteigende und abfallende Potentiale mit RC-Zeitkonstanten von α_a ^-1 bzw. α_b ^-1, die bei t = Δt₂ eingeschaltet werden. Ein zeitabhängiges Potential mit dieser funktionalen Form, vorzugsweise durch einen Hochspannungspulsgenerator erzeugt, ist einfach zu verwirklichen unter Verwendung von schnellen Hochspannungsfestkörperschaltern und Schaltkreisen, die aus Widerständen und Kondensatoren bestehen. Vorzugsweise sollen die Hochspannungsschalter Anstiegszeiten von 10 ns haben, fähig sein, Ströme von ungefähr 10 amps zu tragen und Spannungen von der Höhe 20 kV zu schalten, zum Beispiel jene, die von der Behlke^® Electronics GmbH hergestellt sind.
Die Zeitabhängigkeit des optimierten Extraktionspotentials wird in 9 gezeigt. In diesem Fall ist Δt₁ = 19,1 ns. Für diese Ausführungsform wurde Δt₂ durch den Optimierungsalgorithmus auf 0,1 ns gesetzt. Für praktische Zwecke ist dies eine Zeitverzögerung von null und die Schemen, die solch eine zweite Verzöge rung verwenden, erscheinen nicht optimal für die genannten Konstruktionsziele zu sein. Die relativen Werte von V_1a, α_a, V_1b und α_b sind so, dass es eine Extraktionsverzögerung von Δt₁ gibt, bei t = 0 das Potential V₀ ist, bei t = Δt₂ das Potential zu V₀ + V_1b schaltet, nach welchem das Extraktionspotential während der Zeit monoton abfällt, in welcher die Ionen im Extraktionsbereich 103 anwesend sind. Da Δt₂ klein ist, praktisch null, ist der Anteil des Graphs, der V₀ für 0,1 ns ist, zu kurz, um auf dem Graph dargestellt zu werden. Für sehr lange Zeiten nähert sich das Extraktionspotential V₀ + V_1a an. Demnach resultiert der Optimierungsprozess in einem zeitabhängigen Extraktionspotential, welches durch einen exponentiell zerfallenden Term in Gleichung (2) dominiert wird.
Ein Fachmann für das Konstruieren und/oder Bauen von TOF-MS-Instrumenten kann erkennen, dass andere Konstruktionsziele die Schranken für die Konstruktionsparameter ändern würden und demnach die Parameter der finalen optimierten TOF-MS-Konstruktion. Um über einen ausgewählten Massenbereich zu optimieren, würde die Fehlerfunktion Gleichung (7) während des Optimierungsprozesses nur über jenen Massenbereich berechnet werden. Eine Konstruktion, die für große Massen optimiert ist, sagen wir mehr als 10 kDa, d. h. ideal zum Suchen nach biologischen Markierern, würde eine Gesamtlänge haben, die tendenziell kleiner wäre als für eine Konstruktion, die für einen Bereich von Massen zwischen 1.000 kDa und 10 kDa optimiert ist, d. h. ideal für das Sequenzieren von Protein-Auszügen oder für das Suchen nach biologischen Fingerabdrücken. Dies kommt daher, dass die breitere Geschwindigkeitsverteilung der höheren Massen, siehe 10, es einfacher macht, eine hohe Masse mit einer kürzeren Gesamtlänge des TOF-MS zu erreichen. Die Antwortzeit des Detektors ist auch zu beachten in der Auswahl der Schranken für die Konstruktionsparameter. Typische Elektronenvervielfacher-Detektoren haben minimale Pulsbreiten Δt zwischen 10 ns und 350 ps. Die Gesamtlänge des TOF-MS und die Größe der Potentiale bestimmen die Laufzeit eines Ions, kürzere Längen und höhere Potentiale resultieren in kürzeren Laufzeiten. Die Konstruktionsbeschränkungen für eine Konstruktion, die einen bestimmten Detektor verwenden soll, würden dann teilweise bestimmt durch die Antwortzeit des Detektors und die gewünschte Massenauflösung des gewünschten Massenbereichs. Bei anderen Anwendungen wie bei tragbaren Geräten oder Geräten für Raumfahrt-basierten Anwendungen würde der Wunsch nach einem kleineren Gesamtvolumen und geringem Gewicht die Wahl der Beschränkungen der Konstruktionsparameter beeinflussen.
Physik der Erfindung
Obwohl das Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung in einer kompakten TOF-MS-Konstruktion resultiert, die eine hohe Massenauflösung über einen weiten Massenbereich liefert, ohne das Instrument neu einzustellen, liefert es keine Einsicht, wie die bemerkenswerte Steigerung der Leistung gegenüber anderen Konstruktionen erreicht wird. Der Graph in 10 stellt die anfängliche und finale (nach dem Durchlaufen durch den Quellen-/Extraktionsbereich 102) Verteilung der kinetischen Energie der Ionen als eine Funktion der Masse dar durch graphische Darstellung der Peaks in den Verteilungen der kinetischen Energie E_avgi und E_avgf und der Standardabweichungen jener Verteilungen σ_Ei und σ_Ef. Da eine konstante Ion-Geschwindigkeitsverteilung verwendet wird, erhöht sich der anfängliche Peak in der Energieverteilung E_avgi linear mit der Masse wie auch die anfängliche Standardabweichung σ_Ei. Jedoch nach dem Durchlaufen durch den Quellen-/Extraktionsbereich 103 ist der Peak in der Verteilung der kinetischen Energie der Ionen E_avgf nahezu konstant als eine Funktion der Masse, und die Breite der Energieverteilung σ_Ef hat sich in der Stärke einer Größenordnung erhöht. Vorher haben alle Ion-Fokussierungsschemata angenommen, dass es die beste Art ist, um mit einer großen Breite in der Verteilung der anfänglichen Ionenergie umzugehen, die Energie-Bandbreite im Extraktionsbereich zu reduzieren. Das Hauptbeispiel davon ist die gewöhnlich verwendete Verzögerungsextraktionstechnik (delay extraction technique), die spezifisch entwickelt wurde, um die Energieverteilung der Ionen zu verengen. Siehe US-Patent Nr. 5,969,348.
Da das zeitabhängige Extraktionspotential in Konstruktionsverfahren der vorliegenden Erfindung als eine Funktion der Zeit nach Δt₂ abnimmt, verbreitert es die Energieverteilung der Ionen. Obwohl dies contraintuitiv erscheint, können die Vorteile dieser revolutionären Konstruktion durch eine Analogie zu der Physik von ultrakurzen Laserpulsen verstanden werden. Um einen ultrakurzen Laserpuls zu produzieren, wird eine sehr große Bandbreite benötigt, d. h. Photonen, die diesen Puls formen, haben eine große Energie-Bandbreite. Je kürzer der Puls, desto breiter muss die Energiebandbreite sein. Das vorliegende Konstruktionsverfahren arbeitet in einer analogen Weise; der Extraktionspuls verbreitert die Energiebandbreite der Ionen, während eine konstante wahrscheinlichste Energie erzeugt wird als eine Funktion der Masse. Der Ionenspiegel ist optimiert, um eine breite Energieverteilung bei einer festen Energie über eine kurze Länge auf den Detektor zu fokussieren, was eine sehr hohe Massenauflösung über einen breiten Massenbereich liefert. Der kurze Gesamtlaufweg der Ionen vermeidet außerdem die Notwendigkeit zur perfekten Fokussierung am Ionendetektor, wie oben diskutiert.
Während eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen daran gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die Erfindung liefert ein Konstruktionsverfahren für ein Laufzeit-Massenspektrometer, das kompakt ist und eine hohe Massenauflösung über einen breiten Ionen-Massenbereich hat. Dieses Konstruktionsverfahren umfasst zur hochauflösenden Analyse der zu analysierenden Ionen im Laufzeit-Massenspektrometer das Verringern der Stärke des zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion, um so die Energieverteilung der Ion zu verbreitern und eine hohe Massenauflösung über einen breiten Massenbereich zu erreichen, ohne die Zeitabhängigkeit oder Größe der angewendeten Potentiale über dem Beschleunigungsbereich und dem Ionenspiegel und das zeitabhängige Extraktionspotential zu ändern und ohne die physikalische Abmessung des Spektrometers zu verändern. Unter Verwendung dieses Konstruktionsverfahrens kann eine Massenauflösung von ungefähr oder größer als 10.000 erreicht werden über ungefähr fünf Masse-Größenordnungen für ein Laufzeit-Massenspektrometer, das eine Gesamtlänge von weniger als 46 cm hat.

Claims

Ein Verfahren zur hochauflösenden Analyse von zu analysierenden Ionen in einem Laufzeit-Massenspektrometer (TOF-MS), umfassend: a) Anwenden von Potentialen über einen Beschleunigungsbereich und einen Ionenspiegel; b) Ionisieren der zu analysierenden Moleküle in einem Quellen-/Extraktionsbereich; c) Fokussieren von Ionen mit gleichem Verhältnis von Ladung zur Masse auf einen Ionendetektor durch Schritte, aufweisend: i) Abwerten einer vorherbestimmten Verzögerungszeit, die auf die Ionisierung folgt: ii) Erzeugen eines zeitabhängigen Extraktionspotentials über den Quellen-/Extraktionsbereich; iii) Verringern der Stärke des zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion, um so die Energieverteilung der Ionen zu verbreitern; iv) Herausleiten der Ionen aus dem Quellen-/Extraktionsbereich heraus; v) Durchleiten der Ionen durch den Beschleunigungsbereichs; vi) Durchleiten der Ionen durch einen ersten feldfreien Driftbereich; vii) Durchleiten der Ionen durch den Ionenspiegel, um die Energieverteilung der Ionen zu kompensieren und viii) Durchleiten der Ionen durch einen zweiten feldfreien Driftbereich; d) Nachweisen der Ionen, wenn sie den Ionendetektor treffen; e) dafür Sorgen, dass Ionen mit gleichem Verhältnis von Ladung zur Masse, die im Ionisierungsschritt b) erzeugt werden, am Ionendetektor zu einer Zeit ankommen, die im Wesentlichen unabhängig ist von: i) der Ionen-Anfangsgeschwindigkeit am Beginn der Ionenextraktion und ii) der Ionen-Anfangsposition im Quellen-/Extraktionsbereich am Beginn der Ionenextraktion und f) Erreichen einer hohen Massenauflösung über einen breiten Massenbereich, ohne die Größe der angelegten Potentiale über den Beschleunigungsbereich und den Ionenspiegel und die Zeitabhängigkeit oder Größe des zeitabhängigen Extraktionspotentials zu ändern, und ohne die physikalischen Abmessungen des TOF-MS zu verändern.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorherbestimmte stetige Funktion der exponentiellen Funktion V_ext (t) = V₀ + [V_1a(1 – exp(– α_at)) + V_1b exp(– α_bt)] folgt, wobei V_ext (t) das zeitabhängige Extraktionspotential ist, V_1b exp(– α_bt) ein mit der Zeit exponentiell abnehmender Term ist, α_b bestimmt, wie schnell der exponentiell abnehmende Term abnimmt, V₀ + V_1b ist das zeitabhängige Extraktionspotential bei t=0, V_1a [1 – exp(– α_at)] ist ein mit der Zeit exponentiell ansteigender Term, α_a bestimmt, wie schnell der exponentiell ansteigende Term ansteigt, V₀ + V_1a ist das zeitabhängige Extraktionspotential bei t = ∞, der exponentiell abnehmende Term dominiert die Zeitabhängigkeit der Funktion und t ist die Zeit nach einer anfänglichen Extraktionsverzögerungszeit.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die hohe Massenauflösung über einen breiten Massenbereich durch das Setzen von Konstruktionsparametern des TOF-MS in einer solchen Weise erreicht wird, dass die partielle Ableitung der Gesamtlaufzeit nach der Ionen-Anfangsgeschwindigkeit um oder nahe null über einen breiten Massenbereich oszilliert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine hohe Massenauflösung über einen breiten Bereich von Massen erreicht wird durch das Setzen von Konstruktionsparametern des TOF-MS in solcher Weise, dass die partielle Ableitung der Gesamtlaufzeit nach der Ionen-Anfangsposition um oder nahe null über einen breiten Massenbereich oszilliert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend das Durchlaufen der Ionen durch die Korrektur-Ionenoptik.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zu analysierenden Moleküle durch den Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-(MALDI)-Prozess ionisiert werden (Schritt b).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zu analysierenden Moleküle durch einen Energiepuls aus einem Laser ionisiert werden (Schritt b).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Ionen in einer Zeit von weniger als 100 ns erzeugt werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorherbestimmte Zeitverzögerung null ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das über dem Beschleunigungsbereich angelegte Potential null ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Länge des Beschleunigungsbereichs null ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Länge des zweiten feldfreien Driftbereichs null ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste feldfreie Driftbereich im Wesentlichen derselbe Bereich wie der zweite feldfreie Driftbereich ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das TOF-MS mit im Wesentlichen denselben angewendeten Potentialen arbeitet über dem Beschleunigungsbereich und dem Ionen-Spiegel und dem zeitabhängigen Extraktionspotential über einen Bereich des Verhältnisses von Masse zu Ladung des Analyts (m/z) von ungefähr bis zu sechs Größenordnungen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Ableitung der Ionen-Ankunftszeit am Ionen-Detektor nach der Ion-Anfangsgeschwindigkeit im Wesentlichen null ist über einen Bereich von Verhältnissen von Masse zu Ladung des Analyts (m/z) von ungefähr bis zu sechs Größenordnungen mit im Wesentlichen denselben angelegten Potentialen über dem Beschleunigungsbereich und dem Ionen-Spiegel und dem zeitabhängigen Extraktionspotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Ableitungen der Ionen-Ankunftszeit am Ionen-Detektor nach der Ion-Anfangsposition im Wesentlichen null ist über einen Bereich des Verhältnisses von Masse zu Ladung des Analyts (m/z) von ungefähr bis zu sechs Größenordnungen mit im Wesentlichen denselben angelegten Potentialen über dem Beschleunigungsbereich und dem Ionenspiegel und dem zeitabhängigen Extraktionspotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das zeitabhängige Extraktionspotential erzeugt wird durch: a) einen Hochspannungspulsgenerator, aufweisend: i) mindestens einen Hochspannungsschalter, ii) mindestens einen Widerstand und iii) mindestens einen Kondensator und b) Anwenden des Outputs des Hochspannungspulsgenerators über den Quellen-/Extraktionsbereich.
Ein Laufzeit-Massenspektrometer (TOF-MS), welches in einem Vakuumgehäuse enthalten ist, aufweisend: a) Probehalter; b) Quellen-/Extraktionsbereich; c) Beschleunigungsbereich; d) ersten feldfreien Driftbereich; e) Ionen-Spiegel; f) zweiten feldfreien Driftbereich; g) Ionen-Detektor und h) Mittel zum Anwenden eines zeitabhängigen Extraktionspotentials gemäß einer vorherbestimmten stetigen Funktion in einer solchen Weise, um die Energieverteilung der Ionen zu verbreitern, wenn sie durch den Quellen-/Extraktionsbereich laufen.
Das TOF-MS gemäß Anspruch 18, wobei die vorherbestimmte stetige Funktion der exponentiellen Funktion V_ext (t) = V₀ + [V_1a(1 – exp(-α_at)) + V_1b exp(–α_bt)] folgt, wobei V_ext (t) das zeitabhängige Extraktionspotential, V_1b exp(–α_bt) ein mit der Zeit exponentiell abnehmender Term ist, α_b bestimmt, wie schnell der exponentiell abnehmende Term abnimmt, V₀ + V_1b ist das zeitabhängige Extraktionspotential bei t = 0, V_1a [1 – exp(–α_at)] ist ein mit der Zeit exponentiell ansteigender Term, α_a bestimmt, wie schnell der exponentiell ansteigende Term ansteigt, V₀ + V_1a ist das zeitabhängige Extraktionspotential bei t = ∞, der exponentiell abnehmende Term dominiert die Zeitabhängigkeit der Funktion, und t ist die Zeit nach einer anfänglichen Extraktionsverzögerungszeit.
Das TOF-MS gemäß Anspruch 18, wobei das TOF-MS weiter eine Korrektur-Ionenoptik umfasst.
Das TOF-MS gemäß Anspruch 18, wobei die Gesamtlänge des Vakuumgehäuses ungefähr zwischen 5 cm und 80 cm ist.
Das TOF-MS gemäß Anspruch 18, wobei die Mittel zum Anwenden des zeitabhängigen Extraktionspotentials umfassen: a) einen Hochspannungspulsgenerator, aufweisend: i) mindestens einen Hochspannungsschalter, ii) mindestens einen Widerstand, und iii) mindestens einen Kondensator; und b) Mittel zum Anwenden des Outputs des Hochspannungspulsgenerators über den Quellen-/Extraktionsbereich.