DE112005001175T5

DE112005001175T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Flugzeit-Massenspektrometrie

Info

Publication number: DE112005001175T5
Application number: DE112005001175T
Authority: DE
Inventors: Takaya Akishima Sato; Michisato Ibaraki Toyoda; Morio Toyonaka Ishihara
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2007-04-26
Also published as: US8237112B2; US20110133073A1; JP2006012782A; US7910879B2; WO2005114702A1; US20070194223A1; US20090212208A1; JP4980583B2; US7504620B2

Abstract

Flugzeit-Massenspektrometer umfassend:
• eine Ionenquelle, die Ionen auf eine gepulste Weise emittieren kann,
• einen Analysator zur Verwirklichung einer schraubenförmigen Flugbahn und
• einen Detektor zur Erfassung von Ionen, wobei
der Analysator zur Verwirklichung der schraubenförmigen Flugbahn aus mehreren mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern besteht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Flugzeit-Massenspektrometrie (Time-of-Flight [TOF] Mass Spectrometry).
Hintergrund
(a) Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS)
Ein TOF-MS ermittelt das Massen-Ladungs-Verhältnis (m/z) von Probenionen, indem die Zeit gemessen wird, die die Ionen benötigen, um eine vorgegebene Strecke zurückzulegen, wobei dies auf dem Prinzip aufbaut, dass die mit einer konstanten Beschleunigungsspannung beschleunigten Probenionen eine Fluggeschwindigkeit aufweisen, die mit m/z zusammenhängt. Das Prinzip des Betriebs des TOF-MS ist in 26 dargestellt. Das dargestellte Spektrometer hat eine gepulste Ionenquelle 5, die sich aus einem Ionenerzeugungsbereich 6 und einem Generator 7 für gepulste Spannung zusammensetzt.
Die in dem elektrischen Feld enthaltenen Ionen i werden durch den Beschleunigungsspannungsgenerator 7 beschleunigt. Bei der Beschleunigungsspannung handelt es sich um eine gepulste Spannung. Die durch die Beschleunigungsspannung bedingte Beschleunigung und die von einem Ionendetektorsystem (einschließlich des Detektors 9) durchgeführte Zeitmessung sind synchronisiert. Gleichzeitig mit der durch den Beschleunigungsspannungsgenerator 7 erzeugten Beschleunigung beginnt der Ionendetektor 9 mit der Zeitzählung. Wenn die Ionen den Ionendetektor 9 erreichen, misst der Detektor 9 die Flugzeit der Ionen i. Im Allgemeinen nimmt die Flugzeit mit zunehmenden m/z zu. Ionen mit kleinen m/z-Werten erreichen den Detektor 9 früher und haben folglich kürzere Flugzeiten.
Die Massenauflösung des TOF-MS ist gegeben durch
wobei T die Gesamtflugzeit und ΔT die Signalbreite ist. Das heißt, dass es zwei Hauptfaktoren gibt, die zur Signalbreite ΔT des Spektrums führen. Ein Faktor ist die Zeitfokussierung (ΔTf), der andere Faktor ist die Ansprechzeit (ΔTd) des Detektors. Nimmt man an, dass beide Faktoren an die Gaußsche Verteilung aufweisen, so ergibt sich Gleichung (1) zu
Wird die Signalbreite ΔT konstant gehalten und kann die Gesamtflugzeit T verlängert werden, so kann die Massenauflösung verbessert werden. In der Praxis beträgt die Ansprechzeit des Detektors 9 ungefähr 1 bis 2 nS. Folglich wird die Signalbreite ΔT nicht weiter reduziert.
Ein lineares TOF-MS ist vom Aufbau her sehr einfach. Jedoch ist die Gesamtflugzeit T in der Größenordnung von mehreren 10 Mikrosekunden. Das heißt, dass keine sehr lange Gesamtflugzeit erreicht werden kann. Folglich ist die Massenauflösung nicht sehr hoch. Ein Vorteil des linearen Aufbaus besteht darin, dass während des Flugs erzeugte Fragment-Ionen eine nahezu identische Geschwindigkeit aufweisen wie Ionen, die noch nicht fragmentiert sind (Prekursor-Ionen). Dies ermöglicht es, aus den Massenspektrum Informationen ausschließlich über die Prekursor-Ionen zu erhalten.
27 ist ein Diagramm, das das Prinzip des Betriebs eines Reflektron-TOF-MS darstellt. Identische Bauteile sind in den 26 und 27 mit identischen Bezugzeichen versehen. In dem Reflektron-TOF-MS wird zwischen die gepulste Ionenquelle 5 und ein elektrisches Reflektron-Feld 8 ein Zwischenbrennpunkt angeordnet. Eine Zeitfokussierung wird einmalig durchgeführt. Die Energiefokussierung wird dann durch das elektrische Reflektron-Feld 8 und den verbleibenden freien Raum verwirklicht. Folglich kann die Gesamtflugzeit auf ungefähr 50 μS verlängert werden, ohne dass die spektrale Signalbreite ΔT vergrößert wird.
Ein Punkt, der bei einem Reflektron-TOF-MS beachtet werden muss, ist das Verhalten von während des Flugs fragmentierten Ionen. Da Fragment-Ionen im Wesentlichen die identische Geschwindigkeit wie die Prekursor-Ionen aufweisen, beträgt die kinetische Energie der Fragment-Ionen
wobei Mf die Masse der Fragment-Ionen, Mp die Masse der Prekursor-Ionen und Up die kinetische Energie der Prekursor-Ionen ist. Folglich werden abhängig von der Masse Mf Unterschiede in der kinetischen Energie erzeugt, die viel größer als die Verteilung der anfänglichen kinetischen Energie der Ionen sind. Da Fragment-Ionen eine kleinere kinetische Energie als Prekursor-Ionen aufweisen, drehen Fragment-Ionen in dem Reflektron-Feld früher als Prekursor-Ionen um und erreichen den Detektor 9 früher. Dies macht das Massenspektrum kompliziert.
(b) Mehrfachumlauf-TOF-MS
In den aus dem Stand der Technik bekannten Arten von linearen TOF-MS sowie Reflektron-TOF-MS führt eine Erhöhung der Gesamtflugzeit T (d. h. eine Erhöhung der Gesamtflugstrecke) unmittelbar zu einer Zunahme der Größe der Vorrichtung. Eine Vorrichtung, die dazu entwickelt wurde, eine Zunahme der Größe der Vorrichtung zur vermeiden und um eine hohe Massenauflösung zu erreichen, ist das Mehrfachumlauf-TOF-MS. Das Mehrfachumlauf-TOF-MS besteht aus mehreren elektrischen Sektorfeldern und die Ionen werden dazu veranlasst, mehrere Umläufe auszuführen.
Mehrfachumlauf-TOF-MS-Geräte werden grob in Mehrfachumlauf-TOF-MS, in denen Ionen wiederholt dieselbe Flugbahn durchlaufen, und Schraubenflugbahn-TOF-MS, bei denen der Ionenstrahl dazu veranlasst, wird eine schraubenförmige Flugbahn zu durchlaufen, indem die Ebene der Flugbahn bei jedem Umlauf verschoben wird, klassifiziert. Die Gesamtflugzeit T kann auf Millisekunden oder Hunderte von Millisekunden verlängert werden, was abhängig von der Flugstrecke pro Umlauf und der Anzahl der Umläufe unterschiedlich sein kann. Im Vergleich mit konventionellen linearen TOF-MS bzw. Reflektron-TOF-MS kann eine hohe Massenauflösung bei einem verbesserten Platz sparenden Aufbau erreicht werden.
Die Mehrfachumlauf-Bauweise ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Male auf einer geschlossenen umlaufenden Flugbahn umzulaufen. 28 stellt das Prinzip des Betriebs des Mehrfachumlauf-TOF-MS dar. In dieser Vorrichtung werden von einer gepulsten Ionenquelle 10 abgegebene Ionen zu vielen Umläufen auf einer 8-förmigen Umlaufflugbahn veranlasst, die durch 4 torusförmige elektrische Felder gebildet wird. Nach den mehreren Umläufen werden die Ionen von einem Detektor 15 (siehe beispielsweise Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, Vol. 51, Nr. 2 (Nr. 218), 2003, S. 349–353) erfasst. In dieser Vorrichtung werden 4 torusförmige elektrische Felder 12 verwendet. Jedes torusförmige elektrische Feld wird erzeugt, indem eine Matsuda-Platte mit einem zylindrischen elektrischen Feld kombiniert wird. Auf diese Weise wird die 8-förmige Umlaufflugbahn erzeugt. Ionen werden dazu veranlasst, mehrere Male auf der Flugbahn umzulaufen, wodurch die Gesamtflugzeit T erhöht wird.
Weiterhin übernimmt diese Vorrichtung ein Ionenoptik-System, das bei jedem Umlauf die räumlichen Fokussierungsbedingungen und die zeitlichen Fokussierungsbedingungen unabhängig von der Ausgangsposition, dem Ausgangswinkel oder der Ausgangsenergie vollständig erfüllen kann (siehe z.B. Japanisches Patent mit der Offenlegungsnummer H11-195398, S.3-4, 1). Folglich kann die Flugzeit verlängert werden, indem Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Umläufe durchzuführen, ohne dass dabei die zeitlichen und räumlichen Abweichungen vergrößert werden. Die Mehrfachumlauf-Bauweise ermöglicht es, Platz zu sparen sowie eine hohe Mas senauflösung zu erhalten, jedoch besteht das Problem, dass Ionen mit kleinen Massen (die hohe Geschwindigkeiten aufweisen) Ionen mit großen Massen (die geringe Geschwindigkeiten aufweisen) überholen, da die Ionen dazu veranlasst werden, wiederholt die gleiche Flugbahn zu durchlaufen. Dies führt zu dem Nachteil, dass der Massenbereich enger wird.
Das Schraubenflugbahn-TOF-MS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn bei jedem Umlauf in eine Richtung senkrecht zur Ebene der Umlaufflugbahn verschoben wird, so dass sich eine schraubenförmige Flugbahn ergibt. Gemäß eines Merkmals dieses Schraubenflugbahn-TOF-Massenspektrometers werden der Startpunkt und der Endpunkt der geschlossenen Flugbahn senkrecht zu der Ebene der Flugbahn verschoben. Um dies zu erreichen, sind mehrere Verfahren möglich. In einem Verfahren werden die Ionen von Beginn an schräg eingeführt (siehe beispielsweise Japanisches Patent mit der Offenlegungsnummer 2003-86129, S. 2-3, 1). Bei einem anderen Verfahren werden der Startpunkt und der Endpunkt der geschlossenen Flugbahn unter Verwendung eines Deflektors in vertikaler Richtung verschoben (siehe beispielsweise Japanisches Patent mit der Offenlegungsnummer 2003-86129, S. 2-3, 1). Aus einer bestimmten Richtung betrachtet entspricht das Schraubenflugbahn-TOF-MS dem Mehrfachumlauf-TOF-MS. Bei jedem Umlauf werden Ionen dazu veranlasst, abzusinken, d. h. sich nach unten zu bewegen. Insgesamt wird eine schraubenförmige Flugbahn erreicht. Diese Vorrichtung ermöglicht es, das Problem bei einem Mehrfachumlauf-TOF-MS (d. h. das Überholen) zu lösen. Jedoch ist die Anzahl der Umläufe technisch beschränkt. Folglich ist die Massenauflösung nach oben beschränkt.
Während des Flugs durch Fragment-Ionen erzeugte Fragment-Ionen können den Detektor nicht erreichen, da elektrische Sektorfelder als Filter für die kinetische Energie wirken. Folglich kann man ein Massenspektrum erhalten, das von Fragment-Ionen nicht beeinflusst ist.
(c) MALDI (matrix assisted laser desorption/ionization, Matrix unterstützte Laser-Desorption/Ionisation) und Verfahren mit verzögertem Abzug
Bei MALDI handelt es sich um ein Verfahren der Verdampfung oder Ionisation einer Probe, indem die Probe in einer Matrix (beispielsweise eine flüssige oder kristalline Verbindung oder ein Metallpulver), die bei der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts ein Absorptionsband aufweist, eingebracht wird, die Probe aufgelöst und verfestigt wird und das verfestigte Gemisch mit Laserlicht bestrahlt wird. Bei einem Ionisationsprozess unter Verwendung eines Lasers und der von MALDI verwirklicht wird, ist die anfängliche Energieverteilung bei der Erzeugung von Ionen breit. Um die Verteilung zeitlich zu fokussieren, wird in den meisten Fällen ein Verfahren mit verzögertem Abzug angewendet. Dieses Verfahren besteht darin, dass mit einer Verzögerung von mehreren 10 Nanosekunden bezüglich der Laserbestrahlung eine gepulste Spannung angelegt wird.
29 stellt konzeptionell eine allgemeine MALDI-Ionenquelle und ein Verfahren mit verzögertem Abzug dar. Bei MALDI handelt es sich um ein Verfahren zur Verdampfung oder Ionisation einer Probe 30, indem die Probe in eine Matrix, die bei der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts ein Absorptionsband aufweist, eingebracht wird, die Probe aufgelöst und verfestigt wird und das verfestigte Gemisch mit Laserlicht bestrahlt wird. Die Probe 30 haftet an der Probenplatte 20. Ein Linse 1 (auch mit dem Bezugzeichen 23 bezeichnet) nimmt das Laserlicht auf. Das Licht von der Linse 1 wird durch einen Spiegel 24 reflektiert. Das von dem Spiegel 24 reflektierte Licht wird zum Auftreffen auf die Probe 30 gebracht. Als Ergebnis wird die Probe 30 angeregt und erzeugt Ionen. Die Ionen werden durch Beschleunigungselektroden 21 und 22 beschleunigt und in einen Massenanalysatorbereich eingebracht.
Um eine Beobachtung des Zustands der Probe 30 zu ermöglichen, sind ein Spiegel 25, ein Linse 2 sowie eine CCD-Kamera 27 vorhanden.
Die Probe 30 wird gemischt und in der Matrix aufgelöst. Die Matrix wird verfestigt. Die verfestigte Matrix wird auf die Probenplatte 20 aufgebracht. Über die Linse 1 und den Spiegel 24 wird Laserlicht auf die Probe 30 geleitet, wodurch die Probe 30 verdampft oder ionisiert wird. Die erzeugten Ionen werden durch die Beschleunigungselektroden 1 und 2 (21 und 22) beschleunigt und in ein TOF-MS eingebracht. Zwischen den Beschleunigungselektroden 2 und 1 (22 und 21) wird ein elektrischer Potentialgradient angelegt, der eine Neigung aufweist, wie in (a) dargestellt. Nach einer Verzögerung von mehreren Hundert Nanosekunden nimmt der Potentialgradient die in (b) dargestellte Form an.
30 ist ein Diagramm, das einen Zeitablauf bei Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug nach dem Stand der Technik darstellt. (a) bezeichnet einen Laserstrahl. (b) bezeichnet das elektrische Potential an der Beschleunigungselektrode 1. (c) bezeichnet die Messung der Flugzeit. Zunächst werden die Beschleunigungselektrode 1 und die Probenplatte 20 äquipotential gemacht. Dann schwingt zum Zeitpunkt t0 der Laser. Zum Zeitpunkt t1, d. h. mit einer Verzögerung von mehreren Hundert Nanosekunden nach dem Empfang eines die Schwingung angebenden Signals von dem Laser, wird die Spannung an der Beschleunigungselektrode 1 mit hoher Geschwindigkeit von Vs auf V1 geändert. Zwischen der Probenplatte 20 und der Beschleunigungselektrode 1 wird ein Potentialgradient erzeugt, um die Ionen zu beschleunigen. Zum Zeitpunkt t2 kehrt das Potential an der Beschleunigungselektrode 1 von V1 auf Vs zurück. Die Messung der Flugzeit beginnt zum Zeitpunkt t1, das heißt an der Führungsflanke der gepulsten Spannung. Die Messung der Flugzeit endet zum Zeitpunkt t3.
(d) Orthogonale Beschleunigung
Bei MALDI werden Ionen auf eine gepulste Weise erzeugt und folglich weist MALDI eine sehr gute Kompatibilität mit TOF-MS auf. Jedoch gibt es auch zahlreiche Verfahren zur Ionisation bei Massenspektrometrie, bei denen kontinuierlich Ionen hergestellt werden, wie beispielsweise EI (electron ionisation, Ionisation durch Elektronen), CI (chemical ionisation, chemische Ionisation), ESI (electron spray ionisation, Ionisation mit Elekronenspray) und APCI (atmospheric pressure chemical ionisation, che mische Ionisation bei Atmosphärendruck). Zur Kombination derartiger Ionisationsverfahren und TOF-MS wurde die orthogonale Beschleunigung entwickelt.
31 ist ein konzeptionelles Diagramm eines TOF-MS unter Verwendung orthogonaler Beschleunigung. Dieses Massenspektrometer wird mit oa-TOF-MS oder oa-TOFMS abgekürzt. Ein von einer Ionenquelle 31, die kontinuierlich Ionen erzeugt, erzeugter Ionenstrahl wird kontinuierlich mit einer kinetischen Energie von mehreren 10 eV in einen Bereich 33 zur orthogonalen Beschleunigung eingebracht. In dem Bereich 33 zur orthogonalen Beschleunigung wird von einem Pulsgenerator 32 eine gepulste Spannung von mehreren 10 kV angelegt, um die Ionen in einer zu der Transportrichtung von der Ionenquelle 31 senkrechten Richtung zu beschleunigen. Die in ein Reflektron-Feld 34 eintretenden Ionen werden durch das Reflektron-Feld 34 reflektiert. Auf diese Weise erhält man für verschiedene Ionenmassen verschiedene Ankunftszeiten von dem Zeitpunkt an, an dem die gepulste Spannung angelegt wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Ionen an dem Detektor 35 ankommen. Folglich wird eine Massenseparation durchgeführt.
(e) MS/MS-Messung und TOF/TOF-Geräte
Allgemein werden bei der Massenspektrometrie Ionen, die von einer Ionenquelle erzeugt werden, mittels eines Massenspektrometers bezüglich ihrer Masse aufgeteilt, um ein Massenspektrum zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt erhält man als Information lediglich m/z-Werte. Im Gegensatz zu einer MS/MS-Messung wird diese Messung hier als MS-Messung bezeichnet. Bei einer MS/MS-Messung fragmentieren gewisse von einer Ionenquelle erzeugte Ionen (Prekursor-Ionen) spontan oder werden erzwungenermaßen fragmentiert. Die sich ergebenen Produkt-Ionen werden untersucht.
Bei dieser Messung erhält man Informationen über die Masse der Prekursor-Ionen sowie Informationen über die Massen der Produkt-Ionen, die über mehrere Wege erzeugt werden. Folglich können Informationen über die Struktur der Prekursor-Ionen erhalten werden. 32 ist ein Diagramm, das eine MS/MS-Messung darstellt. Pre kursor-Ionen zerfallen in die Produkt-Ionen 11, 12, 13 usw. Die strukturelle Analyse der Prekursor-Ionen wird durch eine Massenanalyse aller dieser Produkt-Ionen ermöglicht.
Ein System, das aus zwei in Reihe verbundenen TOF-MS-Einheiten besteht, ist im Allgemeinen als TOF/TOF-Gerät oder TOF/TOF-System bekannt und wird hauptsächlich in Geräten verwendet, die eine MALDI-Ionenquelle verwenden. Das TOF/TOF-Gerät setzt sich aus einem linearen TOF-MS und einem Reflektron-TOF-MS zusammen. 33 stellt konzeptionell ein MS/MS-Gerät dar, bei dem die TOF-MS-Einheiten in Reihe miteinander verbunden sind. In diesem Beispiel besteht das Gerät aus einem linearen TOF-MS 40 (erste TOF-MS-Einheit) und einem Reflektron-TOF-MS 45 (zweite TOF-MS-Einheit).
Von einer Ionenquelle 41 innerhalb der ersten TOF-MS-Einheit austretende Ionen durchlaufen ein Ionengatter 42 zur Auswahl von Prekursor-Ionen. Der zeitliche Fokussierungspunkt der ersten TOF-MS-Einheit wird nahe des Ionengatters 42 angeordnet. Die Prekursor-Ionen treten in eine Kollisionszelle 43 ein, in der sie fragmentiert werden. Dann treten die Fragment-Ionen in die zweite TOF-MS-Einheit ein. Die kinetischen Energien der durch die Fragmentation erzeugten Produkt-Ionen sind proportional zu den Massen der Produkt-Ionen verteilt und ergeben sich zu
wobei Up die kinetische Energie der Produkt-Ionen, Ui die kinetische Energie der Prekursor-Ionen, m die Masse der Produkt-Ionen und M die Masse der Prekursor-Ionen ist. In der ein Reflektron-Feld aufweisenden zweiten TOF-MS-Einheit variiert die Flugzeit in Abhängigkeit von der Masse und der kinetischen Energie. Folglich können Produkt-Ionen von einem Detektor 46 erfasst und bezüglich ihrer Masse analysiert werden.
Ein Merkmal der Mehrfachumlauf-TOF-MS besteht darin, dass ein optisches System bekannt ist, das die räumlichen Fokussierungsbedingungen und zeitlichen Fokussierungsbedingungen unabhängig von der Ausgangsposition, des Ausgangswinkels oder der Ausgangsenergie vollständig erfüllen kann (siehe beispielsweise Japanisches Patent mit der Offenlegungsnummer H11-195398, S. 3-4, 1).
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Schraubenflugbahn-TOF-MS nach dem Stand der Technik hat die folgenden Probleme. Das in dem Japanischen Patent mit der Offenlegungsnummer 2000-243345 beschriebene Gerät weist keine Funktionalität zur Fokussierung der Ionen in der orthogonalen Richtung auf, so dass die Ionen in der orthogonalen Richtung aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung der umlaufenden Ionen in der orthogonalen Richtung weder räumlich, noch zeitlich fokussiert werden. Dies führt zu Verschlechterungen der Sensitivität und der Massenauflösung. Falls weiterhin die Geschwindigkeiten in der orthogonalen Richtung eine breite Verteilung aufweisen, besteht die Möglichkeit, dass die Umlaufzahl an der erfassten Oberfläche von der korrekten Zahl abweicht. Andererseits wird bei dem in der Japanischen Patentschrift mit der Offenlegungsnummer 2000-243345 beschriebenen Verfahren die Aufweitung in der orthogonalen Richtung mit Deflektoren unterdrückt. Um die Fokussierung in der orthogonalen Richtung zu verbessern, ist es notwendig, die Anzahl der Deflektoren auf die Ionenflugbahn zu erhöhen. Wird die Anzahl der Deflektoren jedoch erhöht, so müssen mehr Bauteile eingestellt werden, was das Gerät kompliziert macht.
Demzufolge ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein TOF-MS zu schaffen, das die Fokussierung der umlaufenden Ionen in der orthogonalen Richtung verbessert und das zur Verbesserung der Sensitivität einen Anschluss an eine Ionenquelle mit orthogonaler Beschleunigung ermöglicht.
MALDI unter Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug hat die folgenden Nachteile. 1) Nimmt die Entfernung zum zeitlichen Brennpunkt zu, so nimmt die Abhängigkeit der Massenauflösung von m/z zu. 2) Die Massengenauigkeit ver schlechtert sich über einen weiten Bereich von m/z-Werten. 3) Es werden hohe und genau gepulste Spannungen mit einer hohen zeitlichen Genauigkeit benötigt.
Die Massenauflösung eines TOF-MS ist in Gleichung (2) oben angegeben. Im Fall eines linearen TOF-MS wird in dem zeitlichen Brennpunkt ein Detektor angeordnet. Falls folglich die Strecke bis zum zeitlichen Brennpunkt verkürzt wird, wird die Gesamtflugzeit T verkürzt. Die Massenauflösung verschlechtert sich. Folglich können die zuvor genannten Probleme nicht gelöst werden.
Im Fall eines Reflektron-TOF-MS wird ein zeitlicher Brennpunkt einmalig nahe der Ionenquelle erzeugt. Falls eine Fokussierung bezüglich der kinetischen Energie in dem Reflektron-Feld realisiert wird, kann die Entfernung zum zeitlichen Brennpunkt verkürzt werden. Folglich können die Probleme der Abhängigkeit der Massenauflösung von der Masse und der Massengenauigkeit in einem gewissen Ausmaß gelöst werden. Jedoch kann die Gesamtflugzeit T nicht groß gemacht werden, es sei denn, man verwendet ein großes Gerät. Aus diesem Grund ist zur Verbesserung der Massenauflösung ein gewisses Maß an zeitlicher Fokussierung (ein Annähern des Wertes ΔTf an 0) an der Detektionsfläche notwendig. Wird kein Verfahren mit verzögertem Abzug verwendet, so weisen Ionen mit hohen Massen eine breite Verteilung an anfänglichen Energien auf. Falls folglich der Abstand von der Ionenquelle an den Zwischenbrennpunkt verkürzt wird, so wird ΔTf gleich oder größer als ΔTd. Folglich ist die gegenwärtige Situation die, dass in der Praxis ein Verfahren mit verzögertem Abzug verwendet werden muss.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das ein MALDI-TOF-MS Gerät mit geringer Größe und von hoher Massenauflösung realisiert, ohne ein Verfahren mit verzögertem Abzug zu verwenden, indem als Ionisationsverfahren MALDI verwendet wird und als Massenanalysator-Bereich ein Mehrfachumlauf-TOF-MS verwendet wird.
Das Mehrfachumlauf-TOF-MS ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ionenoptik-System übernehmen kann, das die räumlichen Fokussierungsbedingungen und zeit lichen Fokussierungsbedingungen vollständig erfüllen kann, ohne von der Ausgangsposition, dem Ausgangwinkel oder der Ausgangsenergie abhängig zu sein (siehe beispielsweise Japanisches Patent mit der Offenlegungsnummer H11-195398). Das heißt, dass die anfängliche zeitliche Breite, die beim Eintritt der Ionen in die Mehrfachumlauf-Flugbahn angenommen wird, selbst nach mehreren Umläufen nahezu vollständig aufrechterhalten werden kann. Weiterhin kann die Gesamtflugzeit T proportional zur Anzahl der Umläufe erhöht werden (ein Faktor von 10 bis zu mehreren Hundert gegenüber dem Reflektron-TOF-MS).
Folglich kann ohne Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug eine hohe Massenauflösung erreicht werden, selbst wenn ΔTf zu einem gewissen Ausmaß einer Verteilung aufweist, indem der Abstand von der Ionenquelle zu der Mehrfachumlauf-TOF-MS-Einheit minimiert wird. Weiterhin ist es nicht notwendig, gepulste Spannungen zu verwenden, da kein Verfahren mit verzögertem Abzug verwendet wird. Weiterhin verwendet das Mehrfachumlauf-TOF-MS elektrische Sektorfelder. Dies ermöglicht Messungen, die nicht durch Fragment-Ionen beeinflusst sind.
Im Folgenden werden nachteilige Effekte beschrieben, die erzeugt werden, wenn in einem TOF-TOF-Gerät mehrere Isotopen-Peaks ausgewählt werden. Da Ionen aus einer Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff enthaltenden Probe ihre entsprechenden Isotope haben, sind abhängig von ihren Kombinationen mehrere Massenspezien von Probenionen vorhanden. Peaks, die in dem Massenspektrum auftreten, von den selben Molekülen stammen und unterschiedliche Massen aufweisen, sind im Allgemeinen als „Isotopen-Peaks" bekannt.
43 stellt Isotopen-Peaks dar und zeigt ein Bespiel von Angiotensin I (C₆₂H₉₀N₁₇O₁₄). Der Peakwert ist auf der vertikalen Achse angetragen, während der m/z-Werte auf horizontaler Achse angetragen ist. Wie man in 43 sieht, sind mehrere Peaks in Abständen von Units (Unit ist eine Masseneinheit, die derart definiert ist, dass die Masse von ¹²C 12 Unit beträgt) vorhanden sind. Unter diesen sind die Peaks mit den geringsten Massen, die jeweils nur aus einem einzigen Isotop wie beispielsweise ¹²C, ¹⁶O, ¹⁴N oder ¹H bestehen, als „monoisotopische Peaks" bekannt.
Wird wie im Stand der Technik die lineare TOF-MS-Einheit als erste TOF-MS-Einheit übernommen, so können die Flugstrecken nur bis zu mehreren Hundert mm erhöht werden. Bei diesen Flugstrecken beträgt der Flugzeitunterschied zwischen benachbarten Isotopen-Peaks weniger als 10 nS. Wenn man die Geschwindigkeit berücksichtigt, mit der das Ionengatter geschaltet wird, so ist es unmöglich, eine hohe Selektivität zu erwarten. Daraus folgt, dass mehrere Isotopen-Peaks durchgelassen werden. Falls mehrere Isotopen-Peaks ausgewählt werden, tritt, wie unten beschrieben, ein großes Problem auf.
Falls die zweite TOF-MS-Einheit (siehe 33), die ein Reflektron-Feld umfasst, die Energiefokussierungsbedingungen vollständig erfüllt (d. h. dass die Flugzeit nicht von den kinetischen Energie der Produkt-Ionen beeinflusst wird), so hängt die für das Durchlaufen der ersten TOF-MS-Einheit benötigte Zeit von den m/z-Werten der Prekursor-Ionen ab. Die zum Durchlaufen der zweiten TOF-MS-Einheit benötigte Zeit hängt von den m/z-Werten der Produkt-Ionen ab. Aus Gründen der Einfachheit wird angenommen, dass einige einwertige Prekursor-Ionen in einfach geladene Produkt-Ionen und neutrale Partikeln zerfallen, von denen jede zwei Isotopen-Arten aufweist.
35 stellt die Isotopen-Peaks der Produkt-Ionen dar. 36 stellt die Isotopen-Peaks der neutralen Partikel dar. In 35 wird die Beziehung zwischen der Masse und dem Intensitätsverhältnis jedes Produkt-Ions dargestellt. In 36 wird die Beziehung zwischen der Masse und dem Intensitätsverhältnis jedes neutralen Partikels dargestellt.
Vor der Fragmentation waren die Produkt-Ionen und die neutralen Partikeln miteinander verbunden, so dass vier Kombinationen von Prekursor-Ionen existieren. 37 stellt die Isotopen-Peaks der Prekursor-Ionen dar. Es ist ersichtlich, dass die vier Kombinationen 1)–4) existieren. In 37 sind die Massen der Prekursor-Ionen, die Kombinationen, die Flugzeit durch das TOF 1 (TOF-MS-Einheit 1), die Flugzeit durch das TOF2 (TOF-MS-Einheit 2) und die Intensitätsverhältnisse dargestellt.
Obwohl es vier Kombinationen von Prekursor-Ionen gibt, sind drei Massen vorhanden, das heißt M, M+1 und M+2 (es wird angemerkt, dass M = m + n). Die Ankunftszeit an dem Detektor durch den jeweiligen Fragmentationspfad ist die Summe der Flugzeit T1X der Prekursor-Ionen mit Masse X durch die erste TOF-MS-Einheit und die Flugzeit T2Y der Produkt-Ionen mit der Masse Y durch die zweite TOF-MS-Einheit. Das Intensitätsverhältnis ist jeweils das Produkt des Intensitätsverhältnisses des Produkt-Ions und des Intensitätsverhältnisses des neutralen Partikels.
38 stellt dar, wie diese Ionen in einem Spektrum erscheinen. 38 zeigt den nachteiligen Effekt, der durch die Auswahl mehrerer Isotopen-Peaks in einem TOF/TOF-Gerät erzeugt wird. In der Figur bezeichnet ΔT1 den Unterschied der Flugzeit zwischen Isotopen-Peaks der Prekursor-Ionen. ΔT2 bezeichnet den Unterschied der Flugzeit zwischen den Isotopen-Peaks der Produkt-Ionen. Der Flugzeitunterschied zwischen den Produkt-Ionen k1 und k2 und der Flugzeitunterschied zwischen den Produkt-Ionen k3 und k4 wird uneinheitlich. In der Wirklichkeit weist jeder Peak eine bestimmte Breite auf und demzufolge kann in manchen Fällen der Peak k2 an der abfallenden Flanke des Peaks k1 liegen. In anderen Fällen kann der Peak einen angehobenen Bereich der Grundlinie zwischen den Peaks k1 und k3 ausbilden. Auf jeden Fall können Produkt-Ionen nicht mit einer hohen Massengenauigkeit erfasst werden.
Als nächstes wird das mit der in einem TOF/TOF-Gerät getroffenen Auswahl in Zusammenhang stehende Probleme beschrieben. In dem TOF/FOF-Gerät nach dem Stand der Technik werden Prekursor-Ionen ausgewählt, nach dem die Flugzeit durch das Ionengatter aus der Ankunftszeit an dem Detektor abgeschätzt wird. Falls jedoch die Flugstrecke, wie in einem linearen TOF-MS, kurz ist, sind die durch einen Massenunterschied erzeugten Flugzeitunterschiede klein. Folglich ist es sehr schwer, die Flugzeit abzuschätzen. Insbesondere bei Anwendung von MALDI und einem Verfahren mit verzögertem Abzug weicht die Flugzeit durch das Ionengatter ab, falls die Verzögerungszeit eingestellt wird. Aus diesem Grund muss bei dem Gerät nach dem Stand der Technik eine lange zum Durchlaufen des Ionengatters benötigte Zeit eingestellt werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Selektivität.
Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden Probleme zu lösen, indem als erste TOF-MS-Einheit eine Schraubenflugbahn-TOF-MS-Einheit verwendet wird. Die effektivste Methode zur Lösung des durch die Auswahl mehrerer Isotopen-Peaks in einem TOF/TOF-Gerät erzeugten ersten Problems besteht darin, nur monoisotopische Ionen auszuwählen. Falls als Prekursor-Ionen monoisotopische Ionen ausgewählt werden, so sind auch die durch Fragmentation aus den Prekursor-Ionen entstehenden Ionen ausschließlich monoisotopische Ionen. Somit können die Effekte der Isotopen-Peaks eliminiert werden. Folglich ist es einfacher, dass Spektrum zu interpretieren. Darüber hinaus kann die Massengenauigkeit verbessert werden.
Ein Schraubenflugbahn-TOF-MS zeigt bei jedem Umlauf eine zeitliche und räumliche Fokussierung. Folglich wird bei einer Verwendung von MALDI oder einer orthogonalen Beschleunigung einmalig einen Zwischenbrennpunkt auf der Flugbahn des Schraubenflugbahn-TOF-MS erzeugt. Der Abstand ist geringer als der Abstand zum Zwischenbrennpunkt in einem linearen TOF-MS. Faktoren, die von der Ionenquelle ausgehen und die die zeitliche Fokussierung an dem Zwischenbrennpunkt beeinflussen, wie beispielsweise die Verzögerungszeit bei MALDI, können auf ein gleiches oder niedrigeres Niveau unterdrückt werden.
Da der Zustand an dem Zwischenbrennpunkt bei einer Erhöhung der Anzahl der Umläufe aufrechterhalten werden kann, kann die Flugstrecke durch die erste TOF-MS-Einheit um einen Faktor von ungefähr 50 bis 100 erhöht werden, während die Eigenschaften der Zeitfokussierung aufrechterhalten werden. Das heißt, dass die Flugzeitunterschiede zwischen den Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen um einen Faktor von ungefähr 50 bis 100 erhöht werden können. Monoisotopische Ionen können ausgewählt werden.
Bezüglich des die Auswahl in TOF/TOF-Geräten betreffenden Problems kann die Flugzeit durch das Ionengatter präziser abgeschätzt werden, da der Abstand zwischen den Isotopen-Peaks sich erhöht und da der in MS-Messungen verwendete Detektor nahe an dem Ionengatter angeordnet werden kann. Folglich kann eine genauere Massenanalyse durchgeführt werden.
Es ist eine vierte Aufgabe der Erfindung, ein Massenspektrometer zu schaffen, das Messungen unter Verwendung der Vorteile einer linearen TOF-MS-Einheit sowie der Vorteile einer Schraubenflugbahn-TOF-MS-Einheit ermöglicht, indem diese beiden Einheiten kombiniert werden.
Im Prinzip kann ein lineares TOF-MS Fragment-Ionen und Prekursor-Ionen nicht voneinander trennen. Folglich kann der Zustand der eben aus der Ionenquelle herausbeschleunigten Ionen mit einer hohen Sensitivität gemessen werden. Jedoch kann keine hohe Auflösung erreicht werden. Ein Reflektron-TOF-MS kann eine Auflösung erreichen, die mehrere Male so hoch ist, wie die Auflösung eines linearen TOF-MS. Jedoch ist das sich ergebende Spektrum kompliziert, da die von den Ionen für den Durchlauf durch das Reflektron-Feld benötigte Zeit für Produkt-Ionen und Prekursor-Ionen unterschiedlich ist. Falls das Verhältnis von fragmentierten Ionen hoch ist, verschlechtert sich die Sensitivität bezüglich der Prekursor-Ionen. Geräte nach dem Stand der Technik bestehen hauptsächlich aus einer Kombination einer linearen TOF-MS-Einheit und einer Reflektron-TOF-MS-Einheit.
Ein Schraubenflugbahn-TOF-MS ermöglicht eine Auflösung, die mehr als zehnmal so hoch ist wie die Auflösung, die von einem linearen TOF-MS erreicht wird. Darüber hinaus übernimmt das als Bauteil verwendete elektrische Sektorfeld die Rolle eines Energiefilters. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass Fragment-Ionen den Detektor erreichen. Demzufolge können nur Ionen untersucht werden, die in der Ionenquelle erzeugt werden und an dem Detektor ankommen.
Probleme mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik werden im Zusammenhang mit einem Schraubenflugbahn-TOF-MS unter Verwendung einer umlaufenden Flugbahn (wie in Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, Vol. 51, Nr. 2 (Nr. 218), 2003, S. 349–353 offenbart ist) beschrieben. In dieser Beschreibung verwirklicht ein Mehrfachumlauf-TOF-MS eine 8-förmige umlaufende Flugbahn mittels 4 torusförmiger elektrischer Felder. Jedes torusförmige elektrische Feld wird durch eine Kombination eines zylindrischen elektrischen Felds mit einer zentralen Flugbahn von 50 mm (mit einer inneren Elektrode mit einem Radius vom 45,25 mm, eine außen liegende Elektrodenoberfläche mit einem Radius von 55,25 mm und einem Rotationswinkel von 157,1°) und zwei Matsuda-Platten erzeugt. Der Abstand zwischen den Matsuda-Platten beträgt 40 mm. Die Flugbahn bei einem Umlauf beträgt 1,308 m. Der die Krümmung des torusförmigen elektrischen Felds angebende c-Wert (Radius der Rotation der zentralen Flugbahn der Ionen geteilt durch den Radius der Krümmung des Potentiales in der Längsrichtung der Matsuda-Platten) beträgt für alle der torusförmigen elektrischen Felder 0,0337.
Jedoch leidet dieses Gerät, wie zuvor beschrieben, an dem Problem des Überholens. Folglich ist ein Verfahren zum Verwirklichen eines Schraubenflugbahn-TOF-MS denkbar, indem basierend auf der Flugbahn in dem Mehrfachumlauf-TOF-MS der Anfangspunkt und der Endpunkt der umlaufenden Flugbahn bei jedem Umlauf in einer zu der Ebene der umlaufenden Flugbahn senkrechten Richtung verschoben werden.
39 zeigt ein Beispiel des gesamten Aufbaus eines Schraubenflugbahn-TOF-MS. In den 28 und 39 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Das Spektrometer weist eine gepulste Ionenquelle 10, einen Detektor 15, ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld 1 (50), ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld 2 (51), ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld 3 (52) sowie ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld 4 (53) auf. Das Spektrometer hat eine Ebene 54 der umlaufenden Flugbahn. Die Richtung der senkrechten Bewegung ist entlang der Y-Achse.
In diesem Fall treten Ionen mit einem Einfallswinkel bezüglich der Ebene in die Ebene der umlaufenden Flugbahn ein und bewegen sich mit einer konstanten Rate in Richtung der orthogonalen Bewegung. Der Eintrittswinkel θ kann durch
dargestellt werden, wobei Lt die Länge der auf die Ebene der umlaufenden Flugbahn projektierten Flugbahn eines Umlaufs und Lv die pro Schicht in der orthogonalen Richtung zurückgelegte Strecke ist.
Ein torusförmiges elektrisches Feld kann aus einem zylindrischen elektrischen Feld bestehen, in das in Abständen von Lv mehrere Matsuda-Platten eingebracht sind. Diese Kombination des zylindrischen elektrischen Felds und der Matsuda-Platten wird als mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld bezeichnet. 40 zeigt ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld. Dies entspricht dem mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feld 1 aus 39. Auch sind äußere Elektroden 55, 56, innere Elektroden 57, 58, ein Shunt 59 und Matsuda-Platten 60 dargestellt. Die Anzahl der Matsuda-Platten entspricht für jedes mehrschichtige torusförmige elektrische Feld der Anzahl der Umläufe (Anzahl der Schichten) auf der schraubenförmigen Flugbahn plus 1. In den Fällen der 39 und 40 beträgt die Anzahl der Umläufe (Anzahl der Schichten) 15. Jedes mehrschichtige torusförmige elektrische Feld ist aus einem zylindrischen elektrischen Feld und 16 Matsuda-Platten zusammengesetzt.
Im Fall eines Mehrfachumlauf-TOF-MS umfasst jedes torusförmige elektrische Feld eine zentrale Flugbahn und ist an der zu den Ebenen der inneren und äußeren Elektroden senkrechten Ebene vertikal symmetrisch. Um diese Situation mit mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern zu realisieren, müssen die Matsuda-Platten zueinander parallel und vertikal symmetrisch bezüglich einer Ebene, die die zentrale Ionenflugbahn beinhaltet und die die inneren und äußeren Elektroden bei jedem Rotationswinkel an Schnittpunkten senkrecht schneidet, angeordnet sein. Zu diesem Zweck müssen die Matsuda-Platten anstelle eines einfachen bogenförmigen oder elliptischen Aufbaus einen schraubenförmigen Aufbau annehmen.
Falls die Matsuda-Platten einen schraubenförmigen Aufbau aufweisen, sind die Querschnitte an jedem Rotationswinkel in dem torusförmigen elektrischen Feld wie in 41 dargestellt. Dieses Modell ist bezüglich der Mittelachse durch jede Matsuda-Platte vertikal symmetrisch. In dem Modell aus 41 weist ein zylindrisches elektri sches Feld eine zentrale Flugbahn von 80 mm auf. Die Ebene der inneren Elektrode hat einen Radius von 72,4 mm und eine Ebene der äußeren Elektrode hat ein Radius von 88,4 mm. Der Rotationswinkel beträgt 157,1°. Die Ebene der umlaufenden Flugbahn eines MULTUM II ist um einen Faktor von 1,6 vergrößert. Der Abstand zwischen den Oberflächen der Matsuda-Platten beträgt 54 mm. Es wird angenommen, dass jede Matsuda-Platte eine Dicke von 6 mm aufweist. In 41 ist die innere Elektrode mit 55 bezeichnet. Die äußere Elektrode ist mit 56 bezeichnet. Die Matsuda-Platten sind mit 60 bezeichnet. Unter Verwendung von Gleichung (4) ergibt sich der Eintrittswinkel θ dieses Modells zu
Eine Analyse des elektrischen Potentials und des elektrischen Felds dieses Modells im Rahmen eines zweidimensionalen, axialsymmetrischen Systems führt zu den in 42 dargestellten Ergebnissen. Falls eine Spannung von –4000 kV an die innere Elektrode und eine Spannung von +4000 kV an die äußere Elektrode angelegt wurde, so beträgt die Matsuda-Platten-Spannung +630 V bei einem c-Wert von 0,0337. Das Feld ist bezüglich der zentralen Ebene der Matsuda-Platte mit der zentralen Flugbahn der Ionen symmetrisch.
Jedoch ist es schwer, einen derartigen schraubenförmigen Aufbau mit einer hohen Arbeitsgenauigkeit herzustellen. Auch ist dessen Herstellung relativ teuer. Demzufolge ist es eine fünfte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem man eine Leistungsfähigkeit erreicht, die zu der einer Elektrode mit einem schraubenförmigen Aufbau vergleichbar ist, wobei eine bogenförmige Elektrode verwendet wird, die preiswert mit einer hohen Arbeitsgenauigkeit in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Um diese Aufgaben zu lösen ist die vorliegende Erfindung folgendermaßen aufgebaut.

(1) Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein TOF-MS mit einer Ionenquelle, die Ionen auf eine gepulste Weise emittieren kann, einem Analysator zur Verwirklichung einer schraubenförmigen Flugbahn und einem Detektor zur Erfassung von Ionen. Zur Verwirklichung der schraubenförmigen Flugbahn besteht der Analysator aus mehreren mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern.
(2) Eine zweite Ausführungsform der Erfindung basiert auf der ersten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder verwirklicht werden, indem mehrere Elektroden in ein zylindrisches elektrisches Feld eingebracht werden.
(3) Eine dritte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der ersten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder verwirklicht werden, indem auf jede Elektrode eine Krümmung aufgebracht wird.
(4) Eine vierte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der ersten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder verwirklicht werden, indem mehrere Mehrfachelektroden-Platten in ein zylindrisches elektrisches Feld eingebracht werden.
(5) Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung basiert auf einer beliebigen der ersten bis vierten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der die schraubenförmige Flugbahn verwirklichende Analysator als Analysatorbereich in einem oa-TOF-MS verwendet wird.
(6) Eine sechste Ausführungsform der Erfindung basiert auf einer beliebigen der ersten bis fünften Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein Deflektor vorhanden ist, um den Winkel der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder und den Winkel der einfallenden Ionen einzustellen.
(7) Eine siebte Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS mit einer leitenden Probenplatte, Mitteln zur Bestrahlung einer auf der Probenplatte angeordneten Probe mit Laserlicht, Mitteln zur Beschleunigung von Ionen durch eine konstante Spannung, einem aus mehreren elektrischen Sektorfeldern zusammengesetzten Analysator und einem Detektor zur Erfassung von Ionen. Die auf der Probenplatte angeordnete Probe wird mit Laserlicht bestrahlt, wodurch die Probe ionisiert wird. Die erzeugten Ionen werden durch die konstante Spannung beschleunigt. Die Ionen werden dazu veranlasst, mehrere Umläufe auf der durch die mehreren elektrischen Sektorfelder zusammengesetzten Ionenflugbahn zu durchlaufen und es werden Flugzeit-Messungen durchgeführt. Folglich wird eine Massenseparation durchgeführt.
(8) Eine achte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der siebten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Umläufe auf derselben Flugbahn durchzuführen.
(9) Eine neunte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der siebten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen.
(10) Eine zehnte Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS mit einer Ionenquelle zur Ionisation einer Probe, Mitteln zur Beschleunigung der Ionen auf eine gepulste Weise, einem Schraubenflugbahn-TOF-MS, einem Ionengatter zur Auswahl von Ionen mit einer bestimmten Masse aus den Ionen, die den Massenanalysator durchlaufen haben, Mitteln zur Fragmentation der ausgewählten Ionen, einem Reflektron-TOF-MS mit einem elektrischen Reflektron-Feld und einem Detektor zur Erfassung von Ionen, die den Reflektron-TOF-Massenanalysator durchlaufen haben. Der Schraubenflugbahn-TOF-Massenanalysator besteht aus mehreren elektrischen Sektorfeldern. In dem Schraubenflugbahn-TOF-Massenanalysator werden Ionen dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen.
(11) Eine elfte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Detektor vorgesehen ist, der zwischen den Schraubenflugbahn-TOF-Massenanalysator und dem elektrischen Reflektron-Feld angeordnet ist und der in und aus der Ionenflugbahn bewegt werden kann.
(12) Eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zehnten oder elften Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die in der Ionenquelle durchgeführte Ionisation aus einer Bestrahlung der auf einer leitenden Probenplatte befindlichen Probe mit Laserlicht besteht.
(13) Eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zwölften Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die in der Ionenquelle durchgeführte Ionisation auf MALDI beruht.
(14) Eine vierzehnte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zwölften oder dreizehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen durch ein Verfahren mit verzögertem Abzug beschleunigt werden.
(15) Eine fünfzehnte Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS mit einer Ionenquelle zur Ionisation einer Probe, Mitteln zum Transport der Ionen, Mitteln zum Beschleunigen der Ionen auf eine gepulste Weise in eine Richtung, die zu der Richtung, in der die Ionen transportiert werden, orthogonal ist, einem Schraubenflugbahn-TOF-MS, einem Ionengatter zur Auswahl von Ionen mit einer bestimmten Masse aus den Ionen, die den Massenanalysator durchlaufen haben, Mitteln zur Fragmentation der ausgewählten Ionen, einem Reflekron-TOF-MS mit einem elektrischen Reflektron-Feld und Detektor-Mitteln zur Erfassung von Ionen, die den Reflektron-TOF-MS-Massenanalysator durchlaufen haben. Das Schraubenflugbahn-TOF-MS besteht aus mehreren elektrischen Sektorfeldern. In dem Schraubenflugbahn-TOF-MS werden Ionen dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen.
(16) Eine sechzehnte Ausführungsform der Erfindung basiert auf der fünfzehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Detektor vorgesehen ist, der zwischen dem Schraubenflugbahn-TOF-Massenanalysator und dem elektrischen Reflektron-Feld angeordnet ist und der in und aus der Ionenflugbahn bewegt werden kann.
(17) Eine siebzehnte Ausführungsform der Erfindung basiert auf einer beliebigen der zehnten bis sechzehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass Ablenkmittel vorgesehen sind, die die Ionen ablenken können, wobei die Ablenkmittel zwischen den Mitteln zur Beschleunigung der Ionen auf eine gepulste Weise und dem Schraubenflugbahn-TOF-MS angeordnet sind, um den Eintrittswinkel der in das Schraubenflugbahn-TOF-MS eintretenden Ionen einzustellen.
(18) Eine achtzehnte Ausführungsform der Erfindung basiert auf einer beliebigen der zehnten bis siebzehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fragmentation aus Kollision induzierter Dissoziation bestehen, die in einer mit Gas gefüllten Kollisionszelle durchgeführt wird.
(19) Eine neunzehnte Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zur TOF-Massenspektrometrie unter Verwendung eines TOF-MS gemäß einer beliebigen der zehnten bis achtzehnten Ausführungsform. Mittels eines Schraubenflugbahn-TOF-MS werden nur bestimmte Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen ausgewählt.
(20) Eine zwanzigste Ausführungsform der Erfindung basiert auf der neunzehnten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den bestimmten Isotopen-Peaks um monoisotopische Ionen von Prekursor-Ionen handelt.
(21) Eine einundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS mit einer einzigen Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen, Mitteln zur Beschleuni gung der Ionen auf eine gepulste Weise, einem TOF-MS und wenigstens zwei Detektoren. Das TOF-MS besteht aus mehreren elektrischen Sektorfeldern. In diesem Massenanalysator werden die Ionen dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen. Die von der Ionenquelle erzeugten und beschleunigten Ionen werden dazu veranlasst, sich geradlinig zu bewegen und die Flugzeiten der Ionen werden von einem der Detektoren gemessen. Die Ionen werden durch die mehreren elektrischen Sektorfelder dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen und die Flugzeiten dieser Ionen werden durch den anderen Detektor bzw. die anderen Detektoren gemessen.
(22) Eine zweiundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung basiert auf der einundzwanzigsten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die in der Ionenquelle durchgeführte Ionisation aus einer Bestrahlung der auf einer leitenden Probenplatte befindlichen Probe mit Laserlicht besteht.
(23) Eine dreiundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zweiundzwanzigsten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die in der Ionenquelle durchgeführte Ionisation auf MALDI beruht.
(24) Eine vierundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung basiert auf der zweiundzwanzigsten oder dreiundzwanzigsten Ausführungsform und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen durch ein Verfahren mit verzögertem Abzug beschleunigt werden.
(25) In einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung wird dieselbe Probe abwechselnd mit einem linearen TOF-MS und einem Schraubenflugbahn-TOF-MS untersucht, wobei ein TOF-MS gemäß einer beliebigen der einundzwanzigsten bis vierundzwanzigsten Ausführungsform verwendet wird.
(26) Eine sechsundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zur TOF-Massenspektrometrie unter Verwendung eines Massenspektrometers gemäß einer beliebigen der einundzwanzigsten bis vierundzwanzigsten Ausführungsform. Dieselbe Probe wird gleichzeitig von einem linearen TOF-Massenanalysator und einem Schraubenflugbahn-TOF-MS untersucht.
(27) Eine siebenundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung schafft ein Schraubenflugbahn-TOF-MS unter Verwendung mehrerer Sätze mehrschichtiger torusförmiger elektrischer Felder um die Ionen dazu zu veranlassen, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen. Die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder werden durch eine Kombination einer zylindrischen Elektrode und mehrerer Matsuda-Platten in mehreren Schichten erzeugt. Die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder haben die folgenden Eigenschaften. 1) Jede Matsuda-Platte besteht aus bogenförmigen Elektroden. 2) Jede bogenförmige Elektrode ist um eine Rotationsachse, die durch den Schnitt der Mittelebene des Rotationswinkels und der Mittelebene in Richtung der Dicke definiert ist, verkippt. 3) Die Position der zentralen Ionenflugbahn unterscheidet sich an der Stirnfläche des zylindrischen elektrischen Felds in der Ebene des Radius der Rotation der zentralen Ionenflugbahn von der mittleren Position der jeweiligen Matsuda-Platte.
(28) Eine achtundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS, das die Anforderungen der siebenundzwanzigsten Ausführungsform erfüllt. Der Eintrittswinkel der Ionen beträgt von 1,0° bis 2,5°.
(29) Eine neunundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung schafft ein TOF-MS der Mehrfachumlauf-Art oder der Schraubenflugbahn-Art gemäß einer beliebigen der ersten bis achtundzwanzigsten Ausführungsformen. Es wird ein Ionenoptik-System übernommen, das bei jedem Umlauf die räumlichen Fokussierungsbedingungen und zeitlichen Fokussierungsbedingungen vollkommen erfüllen kann.

Die vorliegende Erfindung mit den bisher beschriebenen Aufbauten weist die folgenden Vorteile auf.

(1) Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung werden mehrschichtige torusförmige elektrische Felder verwendet. Die Ionen werden dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen. Dies erhöht die Flugstrecke der Ionen. Folglich kann einer genauen Massenanalyse durchgeführt werden.
(2) Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Schraubenflugbahn durch die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder verwirklicht, indem in die zylindrischen elektrischen Felder mehrere Elektroden eingebracht werden. Das Durchlassvermögen kann verbessert werden. Das Durchlassvermögen ist das Verhältnis der von dem Detektor erfassten Ionen zu den von der Ionenquelle emittierten Ionen. Falls beispielsweise das Durchlassvermögen 1 beträgt (100%), so können alle von der Ionenquelle emittierten Ionen von dem Detektor erfasst werden.
(3) Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Schraubenflugbahn durch die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder verwirklicht, indem auf die Oberfläche des zylindrischen elektrischen Felds eine Krümmung aufgebracht wird. Folglich kann das Durchlassvermögen verbessert werden.
(4) Gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung wird die Schraubenflugbahn durch die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder erreicht, indem mehrere Multielektroden-Platten in die Oberfläche des zylindrischen elektrischen Felds eingebracht werden. Das Durchlassvermögen kann verbessert werden.
(5) Gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung kann ein Massenspektrometer gemäß einer beliebigen der ersten bis vierten Ausführungsform als ein TOF-MS mit einer orthogonalen Beschleunigung verwendet werden. Die Sensitivität kann verbessert werden.
(6) Gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung kann die Flugbahn der in die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder gemäß einer beliebigen der ersten bis fünften Ausführungsform eintretenden Ionen genau eingestellt werden, indem ein Deflektor verwendet wird.
(7) Gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung kann durch die Verwendung eines Mehrfachumlauf-TOF-MS ohne Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug ein MALDI-TOF-MS von geringer Größe mit einer hohen Massenauflösung erreicht werden.
(8) Gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung kann die Flugstrecke der Ionen verlängert werden, indem die Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Umläufe auf derselben Flugbahn durchzuführen.
(9) Gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung kann die Flugstrecke der Ionen verlängert werden, indem die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen. Darüber hinaus wird ein Überholen der Ionen vermieden.
(10) Gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung kann die Selektivität bezüglich Prekursor-Ionen in TOF-TOF-Geräten verbessert werden. Folglich kann eine Massenanalyse der Produkt-Ionen einfacher und genauer durchgeführt werden.
(11) Gemäß der elften Ausführungsform der Erfindung kann die Selektivität verbessert werden.
(12) Gemäß der zwölften Ausführungsform der Erfindung werden Ionen durch Bestrahlung der auf der Probenplatte befindlichen Probe mit Laserlicht ionisiert und diese Ionen können mit einem TOF/TOF-Gerät analysiert werden.
(13) Gemäß der dreizehnten Ausführungsform der Erfindung können durch MALDI erzeugte Ionen mit einem TOF/TOF-Gerät analysiert werden.
(14) Gemäß der vierzehnten Ausführungsform der Erfindung kann die Zeitfokussierung an einem Zwischenbrennpunkt verbessert werden.
(15) Gemäß der fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung können von einer kontinuierlichen Ionenquelle erzeugte Prekursor-Ionen mit einem TOF/TOF-Gerät analysiert werden. Die Selektivität kann durch Verwendung eines Schraubenflugbahn-TOF-MS verbessert werden. Eine Massenanalyse der Produkt-Ionen kann einfacher und genauer durchgeführt werden.
(16) Gemäß der sechzehnten Ausführungsform der Erfindung kann die Selektivität verbessert werden.
(17) Gemäß der siebzehnten Ausführungsform der Erfindung kann der Eintrittswinkel der in das Schraubenflugbahn -TOF-MS eintretenden Ionen besser eingestellt werden.
(18) Gemäß der achtzehnten Ausführungsform der Erfindung kann die Fragmentation der Ionen effizient durchgeführt werden.
(19) Gemäß der neunzehnten Ausführungsform der Erfindung können nur bestimmte Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen ausgewählt werden.
(20) Gemäß der zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den bestimmten Isotopen-Peaks um monoisotopische Ionen der Prekursor-Ionen. Folglich kann die Massenanalyse genau durchgeführt werden.
(21) Gemäß der einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung werden eine lineare TOF-MS-Einheit und eine Schraubenflugbahn-TOF-MS-Einheit kombi niert. Folglich können Messungen durchgeführt werden, bei denen die Merkmale beider Einheiten verwendet werden können.
(22) Gemäß der zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung wird die auf der Probenplatte befindliche Probe zur Ionisation der Ionen mit Laserlicht bestrahlt. Diese Ionen können bezüglich ihrer Masse analysiert werden.
(23) Gemäß der dreiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung können durch MALDI produzierte Ionen bezüglich ihrer Masse analysiert werden.
(24) Gemäß der vierundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung können Ionen unter Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug beschleunigt werden.
(25) Gemäß der fünfundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung können mehr Informationen erhalten werden, indem eine Probe abwechselnd mit dem linearen TOF-MS und dem Schraubenflugbahn-TOF-MS untersucht wird.
(26) Gemäß der sechsundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung können mehr Informationen erhalten werden, indem Ionen und neutrale Partikel, die von derselben Probe erzeugt werden, von dem linearen TOF-MS und dem Schraubenflugbahn-TOF-MS analysiert werden.
(27) Gemäß der siebenundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung kann ein Schraubenflugbahn-TOF-MS verwirklicht werden, indem mehrschichtige torusförmige elektrische Felder unter Verwendung von bogenförmigen Elektroden verwendet werden, die preiswert mit hoher Arbeitsgenauigkeit in Massenproduktion hergestellt werden können.
(28) Gemäß der achtundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung kann der Winkel der bogenförmigen Matsuda-Platten in dem Schraubenflugbahn-TOF-MS, bei dem der Eintrittswindel der Ionen auf 1,0° bis 2,5° gesetzt wird, optimiert werden.
(29) Gemäß der neunundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übernimmt das Mehrfachumlauf-TOF-MS oder Schraubenflugbahn-TOF-MS gemäß einer beliebigen der ersten bis achtundzwanzigsten Ausführungsform das Ionenoptik-System, das bei jedem Umlauf die räumlichen Fokussierungsbedingungen und zeitlichen Fokussierungsbedingungen vollständig erfüllen kann, wobei dies unabhängig von der Ausgangsposition, des Ausgangswinkels oder der Ausgangsenergie erfolgt. Die Flugzeit kann verlängert werden, während die Zeitfokussierungseigenschaften aufrechterhalten werden.

Kurze Beschreibung der Abbildungen
Es zeigen:
1 eine konzeptionelle Ansicht, die den Aufbau der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Aufbaus von Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Ansicht der Vorrichtung aus 1, in Richtung des Pfeils gesehen;
4(a) eine Ansicht eines mehrschichtigen Torus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von der Stirnfläche des elektrischen Felds aus gesehen;
4(b) eine Ansicht des mehrschichtigen Torus von einer Seite gesehen;
5 eine vergrößerte Ansicht einer Ionenflugbahn;
6(a) eine Ansicht eines torusförmigen elektrischen Felds von der Stirnfläche des elektrischen Feldes aus gesehen;
6(b) eine Ansicht des torusförmigen elektrischen Felds von einer Seite gesehen;
7 eine Ansicht, die ein Bespiel des Aufbaus einer Multielektroden-Platte darstellt, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
8 eine Ansicht, die den Betrieb einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
9 eine Ansicht, die den Betrieb einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
10 eine konzeptionelle Ansicht, die den Aufbau eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 eine konzeptionelle Ansicht eines Mehrfachumlauf-Massenspektrometers, das mit einer Ionenquelle nach dem Stand der Technik ausgestattet ist;
12 ein Diagramm, das einen Betriebsablauf einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
13 Ansichten des Massenspektrometers gemäß des zweiten Aspekts, in Y-Richtung gesehen (a) bzw. in Z-Richtung gesehen (b);
14 ein Massenspektrometer gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung in Y-Richtung gesehen (a) bzw. in Z-Richtung gesehen (b);
15 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts, in derselben Richtung gesehen wie in 14;
16 Ansichten eines Massenspektrometers gemäß eines vierten Aspekts in Y-Richtung gesehen (a) bzw. in Z-Richtung gesehen (b);
17 eine Ansicht einer Ausführungsform eines fünften Aspekts der Erfindung;
18 eine Ansicht, die ein Querschnittsmodell bei einem beliebigen Rotationswinkel zeigt, für den Fall, dass bogenförmige Matsuda-Platten verwendet werden;
19 Ansichten eines Querschnittsmodells bei einem beliebigen Rotationswinkel für den Fall, dass schraubenförmige Matsuda-Platten verwendet werden;
20 eine Ansicht, die eine in der Y-Richtung durchgeführte Analyse des elektrischen Felds bogenförmiger Matsuda-Platten darstellt;
21 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Abweichung R der Matsuda-Platten und Loc darstellt;
22 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Rotationswinkel ϕ und Loc' darstellt;
23 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel ϕ und Loc darstellt;
24 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Rotationswinkel ϕ und Loc', Loc sowie (Loc' + Loc) darstellt;
25 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel ϕ und Loc', Loc und (Loc' + Loc) darstellt, falls der Einfallswinkel 1,642° beträgt und die Matsuda-Platten unter einem Winkel von 3,1° verkippt sind;
26 ein Diagramm, das das Funktionsprinzip eines linearen TOF-MS darstellt;
27 ein Diagramm, das das Funktionsprinzip eines Reflektron-TOF-MS darstellt;
28 ein Diagramm, das das Funktionsprinzip eines Mehrfachumlauf-TOF-MS darstellt;
29 ein Diagramm, das schematisch eine MALDI-Ionenquelle, einen Ionen-Beschleunigungsbereich sowie das Verfahren mit verzögertem Abzug darstellt;
30 ein Diagramm, das einen Zeitablauf unter Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug aus dem Stand der Technik darstellt;
31 ein konzeptionelles Diagramm, das ein TOF-MS mit orthogonaler Beschleunigung darstellt;
32 ein Diagramm, das eine MS/MS-Messung darstellt;
33 ein konzeptionelles Diagramm eines MS/MS-Geräts, in dem TOF-MS-Einheiten in Reihe miteinander verbunden sind;
34 ein Diagramm, das Isotopen-Peaks darstellt;
35 ein Diagramm, das Isotopen-Peaks von Produkt-Ionen darstellt;
36 ein Diagramm, das Isotopen-Peaks von neutralen Partikeln darstellt;
37 ein Diagramm, das Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen darstellt;
38 ein Diagramm, das die nachteiligen Effekte darstellt, die durch die Auswahl mehrerer Isotopen-Peaks in einem TOF/TOF-Gerät erzeugt werden;
39 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Gesamtaufbaus eines Schraubenflugbahn-TOF-MS darstellt;
40 mehrschichtige torusförmige elektrische Felder;
41 ein Diagramm eines Querschnittsmodells bei einem beliebigen Rotationswinkel für den Fall, dass schraubenförmige Matsuda-Platten verwendet werden; und
42 ein Diagramm von Konturlinien, die zur Analyse des elektrischen Potentials und elektrischen Feldes von schraubenförmigen Matsuda-Platten verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Abbildungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine konzeptionelle Ansicht, die den Aufbau eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung von oberhalb einer Elektrodenstruktur gesehen zeigt. Diesbezüglich ist diese Ansicht ähnlich zu der aus 28. Jedoch sind im Gegensatz zu 28 die Elektroden in der Richtung senkrecht zu Papierebene in mehreren Schichten ausgebildet (siehe 2). Entsprechende Bauteile sind in 1 und 28 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist eine gepulste Ionenquelle 10, einen Deflektor 16 zum Einstellen einer von der Ionenquelle 10 austretenden Ionenflugbahn sowie Elektroden 17 auf, die wie darge stellt symmetrisch angeordnet sind. Die Elektroden 17 erzeugen die jeweiligen mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4.
2 zeigt ein Bespiel der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur. Die ersten Elektroden 17A und 17B wirken als ein Paar. Zweite Elektroden 18 sind in einem durch die Elektroden 17A und 17B gebildeten Raum angeordnet. Die zweiten Elektroden 18 sind unter einem Winkel bezüglich der zur Längsrichtung der Elektroden 17A und 17B senkrechten Richtung angeordnet. Ein Detektor 15 erfasst Ionen, die den letzten Umlauf auf der Flugbahn durchlaufen haben. Ein in 1 gezeigter Punkt A bildet den Anfangspunkt und den Endpunkt einer geschlossenen Umlaufbahn.
3 ist eine Ansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung in Richtung des Pfeils gesehen. Entsprechende Bauteile sind in den 1, 2 und 3 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die ersten Elektroden sind mit 17 bezeichnet. Die zweiten Elektroden 18 sind unter einem bestimmten Winkel innerhalb der ersten Elektroden 17 angeordnet. Die durchgezogenen Linien zeigen die Stirnflächen der mehrschichtigen torusförmigen Schichten an. Die mit gepunkteten Linien gezeichneten Pfeile zeigen die Flugbahn der Ionen an. Der Anfangspunkt für den ersten Umlauf einer umlaufenden Bewegung ist mit A bezeichnet. Der Anfangspunkt für den zweiten Umlauf (d. h. der Endpunkt des ersten Umlaufs) ist mit B bezeichnet. Der Endpunkt des letzten Umlaufs ist mit C bezeichnet.
In der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung werden Ionen von der gepulsten Ionenquelle 10 erzeugt und von einem Generator für gepulste Spannung beschleunigt. Die Flugbahn der beschleunigten Ionen wird mittels des Deflektors 16 eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Neigungswinkel der Ionen an den Neigungswinkel der Elektroden 18 angepasst. Unmittelbar vor dem Eintritt der Ionen in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 1 werden die Ionen durch die gepulste Beschleunigungsspannung zum Zeitpunkt t0 beschleunigt. Die in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 1 gezogenen Ionen werden durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt, vollführen, wie dargestellt, eine umlaufende Bewegung auf einer 8-förmigen Flugbahn durch die mehrschichtigen torusförmigen elektri schen Felder 1 bis 4 und bewegen sich schraubenförmig nach unten. Zum Zeitpunkt t1 erreichen die Ionen dann von dem letzten mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feld 1 kommend den Detektor 15. Die Flugzeit der Ionen ist durch t1-t0 gegeben. Die verstrichene Zeit wird gemessen und es wird eine Massenanalyse durchgeführt.
5 zeigt eine Explosionsansicht der Ionenflugbahn. In 1 und 5 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Wie in 5 dargestellt, sind die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 wie gezeigt angeordnet. Die von der gepulsten Ionenquelle 10 emittierten Ionen werden bezüglich ihrer Flugbahn durch den sich anschließenden Deflektor 16 derart eingestellt, dass die Neigung der Neigung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder entspricht. Die Ionen, deren Flugbahn auf diese Weise modifiziert wurde, werden dazu veranlasst, in die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder einzutreten. Der Punkt A ist der Anfangspunkt für den ersten Umlauf der umlaufenden Bewegung.
Die Ionen, die das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 1 durchlaufen haben, bewegen sich durch einen freien Raum und treten in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 2 ein. Die Ionen treten daraufhin in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 3 ein. Daraufhin treten die Ionen in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 4 ein. Dann treten die Ionen ausgehend vom Anfangspunkt B des torusförmigen elektrischen Felds 1 der zweiten Schicht erneut in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 1 ein. Die Ionen durchlaufen dieses elektrische Feld. Die Ionen, die auf diese Weise auf der schraubenförmigen Flugbahn umgelaufen sind, treten vom Startpunkt N des N-ten Umlaufs in das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 1 ein. Die Ionen, die das mehrschichtige torusförmige elektrische Feld 4 durchlaufen haben, werden vom Detektor 15 erfasst.
Wie bisher beschrieben, werden gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung Ionen dazu veranlasst, sich nach unten zu bewegen, während sie in der ortho gonalen Richtung einer schraubenförmigen Flugbahn folgen. Dies verlängert die Flugzeit der Ionen. Folglich kann eine genaue Massenanalyse durchgeführt werden.
In einer ersten Ausführungsform werden die an die torusförmige elektrische Feldgeometrie angepassten Krümmungen, die auf der inneren Oberfläche des zylindrischen elektrischen Felds realisiert werden sollen, schichtweise vermittelt. 4 zeigt einen mehrschichtigen Torus gemäß der vorliegenden Erfindung von der Stirnfläche des elektrischen Felds aus gesehen, was die erste Ausführungsform darstellt. (a) ist eine Ansicht des mehrschichtigen Torus von der Stirnseite des elektrischen Felds aus gesehen. (b) ist eine Ansicht des mehrschichtigen Torus von einer Seite gesehen. In (b) stellen die gestrichelten Linien die Ionenflugbahn dar. Die Anordnung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder in der X-Richtung ist dieselbe, wie in 1 dargestellt.
Wie in (a) dargestellt, wird der Elektrodenobenfläche, wie gezeigt, für jede der ersten bis zur N-ten Schicht eine Krümmung R vermittelt. Indem auf diese Weise jeder Elektrodenobenfläche die Krümmung R vermittelt wird, weist das erzeugte elektrische Feld eine an die Krümmung R angepasste Krümmung auf. Als Folge können die Fokussierungseigenschaften der das elektrische Feld durchlaufenden Ionen verbessert werden.
Die die Krümmung R aufweisenden welligen Schichten sind bezüglich der Y-Richtung verkippt. Die räumliche Anordnung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 und 2 ist so eingestellt, dass die Felder in der Y-Richtung derart verschoben sind, dass aus dem elektrischen Feld 1 austretende Ionen den freien Raum (vom Feld 1 zum Feld 2) durchlaufen und in dieselbe Schicht des Felds 2 eintreten können. Die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 3 und 4 sind auf ähnliche Weise verschoben. Die aus dem torusförmigen elektrischen Feld 4 austretenden Ionen treten in die nächste Schicht des Felds 1 ein. Die Anordnung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 ist dieselbe Anordnung, wie in 1 dargestellt.
Ionen werden von der gepulsten Ionenquelle 10 erzeugt und durch eine gepulste Spannung beschleunigt. Die beschleunigten Ionen werden durch den Deflektor 16 derart eingestellt, dass ihre Neigung zu der Neigung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder identisch wird. Die Einstellung wird so durchgeführt, dass die Ionen in die oberste Schicht des elektrischen Felds 1 eintreten. Nach dem Ende des letzten Umlaufs der umlaufenden Bewegung werden die Ionen von dem Detektor 15 erfasst.
Gemäß dieser Ausführungsform kann der Oberfläche des zylindrischen elektrischen Felds eine Krümmung vermittelt werden, so dass die Fokussierungseigenschaften der umlaufenden Ionen in der orthogonalen Richtung verbessert werden können.
6 stellt die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder gemäß einer zweiten Ausführungsform dar. Die Anordnung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 ist dieselbe wie in 1 dargestellt. In 6(a) ist eine Ansicht der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder von der Stirnfläche des elektrischen Felds aus gesehen dargestellt. In 6(b) ist eine Ansicht der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder von einer Seite gesehen dargestellt. In dem zylindrischen elektrischen Feld sind Elektroden 22 angeordnet. In 6 stellen die fett gedruckten Linien die Elektroden dar. Die gestrichelten Linien bezeichnen die Ionenflugbahn. Anstelle von Elektroden können mehrpolige Platten verwendet werden. 7 zeigt ein Bespiel des Aufbaus der in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten mehrpoligen Platte. Die mehrpolige Platte weist koaxiale Elektroden 23 und eine an den Enden der koaxialen Elektroden angeordnete Isolatorplatte 24 auf.
In dieser Ausführungsform werden die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 durch mehrschichtige multipolare elektrische Felder verwirklicht, die wiederum erreicht werden, indem mehrere koaxiale Elektroden (multipolare Platten) auf die Isolatorplatte 24 in dem zylindrischen elektrischen Feld aufgebracht werden. Bei dieser Ausführungsform wird an das multipolare elektrische Feld eine Spannung angelegt, um die Erzeugung einer notwendigen torusförmigen elektrischen Feldgeo metrie zu ermöglichen. Die mehrpoligen Platten 22 sind bezüglich der Y-Richtung verkippt.
Bei der auf diese Weise konstruierten Vorrichtung werden durch die gepulste Ionenquelle 10 Ionen erzeugt und durch eine gepulste Spannung beschleunigt. Anschließend wird durch den Deflektor 16 eine derartige Einstellung vorgenommen, dass die Neigung der Ionenflugbahn identisch zur Neigung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder wird. Die Ionen werden derart abgelenkt, dass sie in den oberen Bereich des mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felds 1 eintreten. Die Ionen durchlaufen die Schichten auf einer 8-förmigen Flugbahn. Die aus der letzten Schicht austretenden Ionen werden von dem Detektor 15 erfasst.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Oberfläche des zylindrischen elektrischen Felds eine Krümmung vermittelt werden und folglich können die Fokussierungseigenschaften der umlaufenden Ionen bezüglich der orthogonalen Richtung verbessert werden.
8 ist ein Diagramm, das den Betrieb einer dritten Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Abbildung emittiert eine kontinuierliche Ionenquelle 40 kontinuierlich Ionen. Bei dieser Ausführungsform wird die kontinuierliche Ionenquelle 40 mit dem vorliegenden Aspekt der Erfindung kombiniert. Ein Generator 41 für gepulste Spannung legt eine Beschleunigungsspannung an die Elektroden 30 und 31 an. Mit dem Bezugszeichen 32 ist ein Ionenspeicher bezeichnet. Ein mehrschichtiges torusförmiges elektrisches Feld 1 ist mit dem Bezugzeichen A versehen. Nur dessen erste Schicht ist in vergrößerter Form dargestellt. Die Stirnfläche der mehrschichtigen torusförmigen Schichten ist mit dem Bezugszeichen 33 versehen. Die Flugbahn des Ionenstrahls ist durch den mit gestrichelten Linien gezeichneten Pfeil angegeben. Die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder weisen einen beliebigen der Aufbauten gemäß der oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsform auf.
In der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung werden von der kontinuierlichen Ionenquelle 40 Ionen erzeugt und in den Ionenspeicher 32 transportiert. Die in dem Speicher 32 gespeicherten Ionen werden mit einer an die Elektroden 30 und 31 angelegten gepulsten Spannung beaufschlagt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Ionen durch die kinetische Energie des Transports aus der kontinuierlichen Ionenquelle 40 und durch die von der gepulsten Spannung erzeugten Beschleunigungsenergie zwangsläufig schräg abgezogen. Diese Neigung wird mit der Neigung der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder in Übereinstimmung gebracht. Nach einem Durchlaufen der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder werden die Ionen letztendlich von dem Detektor 15 erfasst. Bei dieser Ausführungsform werden die Ionen folglich dazu veranlasst, sich auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform auf einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen, und die Ionen werden erfasst.
Gemäß dieser Ausführungsform kann eine verbesserte Sensitivität erreicht werden, indem ein aus den mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern bestehendes Schraubenflugbahn-TOF-MS mit orthogonaler Beschleunigung verwirklicht wird.
(Vierte Ausführungsform)
9 ist ein Diagramm, das den Betrieb der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In den 8 und 9 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Diese Ausführungsform hat den in 8 dargestellten Aufbau. Weiterhin werden von dem Ionenspeicher 32 stammende Ionen zusätzlich abgelenkt, um eine Einstellung des Winkels zu ermöglichen. In der Abbildung ist ein Deflektor 50 angeordnet, um den Winkel der eintretenden Ionen einzustellen. Der Deflektor wirkt derart, dass er den Neigungswinkel der Ionen an den Neigungswinkel der mehrschichtigen torusförmigen Elektroden anpasst, falls der Neigungswinkel der mehrschichtigen torusförmigen Elektroden sich von dem Neigungswinkel der abgezogenen Ionen unterscheidet.
Bei der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung werden von der kontinuierlichen Ionenquelle 40 Ionen erzeugt und senkrecht zur Beschleunigungsrichtung in den Io nenspeicher 32 transportiert. Die in dem Speicher 32 gespeicherten Ionen werden durch die Elektroden 30 und 31 mit einer gepulsten Spannung beaufschlagt. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sich die Ionen aufgrund der durch die gepulste Spannung gewonnenen Geschwindigkeit und der Transportgeschwindigkeit von der kontinuierlichen Ionenquelle 40, wie dargestellt, unvermeidlich schräg zur Ebene der Flugbahn. Die Neigung wird durch den zur Einstellung des Winkels verwendeten Deflektor 50 weiter eingestellt. Als Ergebnis werden die Ionen dazu veranlasst, unter einem Winkel einzutreten, der an die Neigung des mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felds 1 angepasst ist. Die Ionen, die die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder durchlaufen haben, werden letztendlich von dem Detektor 15 erfasst. Folglich werden die Ionen dazu veranlasst, sich auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform auf einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen und werden erfasst.
Gemäß dieser Ausführungsform kann der in die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder eintretenden Ionenstrahl mittels des Deflektors angepasst werden.
10 ist ein konzeptionelles Diagramm, das den Aufbau eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt. 11 zeigt eine Ionenquelle und einen Ionen-Beschleunigungsbereich. In 1 und 10 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Auch in den 11 und 29 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Eine Probe 30 wird in eine Matrix (beispielsweise eine flüssige oder kristalline Verbindung oder ein Metallpulver) gemischt, aufgelöst, verfestigt und auf einer Probenplatte 20 angeordnet. Um eine Beobachtung des Zustands der Probe 30 zu ermöglichen, sind eine Linse 2, ein Spiegel 25 und eine CCD-Kamera 27 vorhanden.
Über die Linse 1 und den Spiegel 24 wird Laserlicht auf die Probe 30 gerichtet, um die Probe zu verdampfen bzw. zu ionisieren. Von der MALDI-Ionenquelle 19 erzeugte Ionen werden durch eine an die Beschleunigungselektroden 1 und 2 angelegte konstante Spannung beschleunigt und in ein in 10 dargestelltes Mehrfachumlauf-TOF-MS eingebracht. In einem üblichen TOF-MS ist es notwendig, dass die erzeugten Ionen zur Messung der Flugzeiten durch eine gepulste Spannung gepulst werden. Gemäß dem zweiten Aspekt ist dies nicht notwendig, da die Laserbestrahlung selbst auf eine gepulste Weise durchgeführt wird. Um den Start der Messung der Flugzeit auszulösen, wird ein Signal des Lasers verwendet.
Das Mehrfachumlauf-TOF-MS setzt sich aus den elektrischen Sektorfeldern 1 bis 4 zusammen. Ionen werden eingebracht, indem das elektrische Sektorfeld 4 abgeschaltet wird. Die Ionen werden zum Austritt veranlasst, indem das elektrische Sektorfeld 1 ausgeschaltet wird. Ein Betriebsablauf zur Messung einer Flugzeit ist in 12 dargestellt. 12 ist ein Diagramm, das den Betriebsablauf der ersten Ausführungsform darstellt. (a) zeigt den Zustand des Lasers. (b) zeigt den Zustand des elektrischen Sektorfelds 1. (c) zeigt den Zustand des elektrischen Sektorfelds 4. (d) zeigt die Messung einer Flugzeit.
Die an die elektrischen Sektorfelder 1 und 4 angelegten Spannungen werden basierend auf dem Signal des Lasers geschaltet. Die Spannung an dem elektrischen Sektorfeld 4 wird während dem Eintreten der Ionen abgeschaltet. Während der Umlaufbewegung der Ionen wird die Spannung angeschaltet. Die Spannung des elektrischen Sektorfelds 1 ist während der umlaufenden Bewegung eingeschaltet. Wird diese Spannung ausgeschaltet, so bewegen sich die Ionen auf den Detektor 15 zu. Die Anzahl der Umläufe, die mit der Massenauflösung in Zusammenhang steht, kann modifiziert werden, indem die Zeit, über die das elektrische Sektorfeld 1 hinweg eingeschaltet gehalten wird, angepasst wird.
Auf diese Weise kann gemäß der ersten Ausführungsform unter Verwendung eines Mehrfachumlauf-TOF-MS ohne Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug ein kleines MALDI-TOF-MS mit hoher Massenauflösung geschaffen werden. Darüber hinaus kann die Flugstrecke der Ionen verlängert werden, indem die Ionen dazu veranlasst werden, viele Male wiederholt auf der gleichen Flugbahn umzulaufen.
13 ist ein Diagramm, das eine erste Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt. In den 10 und 13 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugzeichen versehen. (a) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Y-Richtung. (b) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Richtung des Pfeils der „unteren Ansicht" aus (a). Eine Probe 30 wird in eine Matrix (wie beispielsweise eine flüssige oder kristalline Verbindung oder ein Metallpulver) eingemischt, aufgelöst, verfestigt und auf einer Probenplatte 20 (siehe 11) angeordnet. Zur Beobachtung des Zustands der Probe 30 sind eine Linse 2, ein Spiegel 25 und eine CCD-Kamera 27 vorhanden.
Über die Linse 1 und den Spiegel 24 wird Laserlicht auf die Probe 30 gerichtet, um die Probe zu verdampfen bzw. zu ionisieren. Die erzeugten Ionen werden durch die an die Beschleunigungselektroden 21 und 22 angelegte Spannung beschleunigt und in ein Schraubenflugbahn-TOF-MS eingebracht. Bei einem allgemeinen TOF-MS ist es notwendig, dass die erzeugten Ionen zur Messung der Flugzeiten von einer gepulsten Spannung gepulst werden. Bei diesem Aspekt der Erfindung ist dies nicht notwendig, da die Laserbestrahlung selbst auf eine gepulste Weise durchgeführt wird. Um den Start der Messung einer Flugzeit auszulösen, wird ein Signal von dem Laser verwendet.
Das Schraubenflugbahn-TOF-MS setzt sich aus den elektrischen Sektorfeldern 1 bis 4 zusammen. Um die Ionen dazu zu veranlassen, in das jeweilige elektrische Sektorfeld unter einem Winkel einzutreten, wird die Flugbahn nach einem Durchlauf durch die Sektorfelder 1 bis 4 jeweils in der zu der Ebene der umlaufenden Flugbahn (XZ-Ebene) senkrechten Richtung (Y-Richtung) verschoben. Die Anzahl der Umläufe wird durch den Winkel festgelegt, unter dem die Ionen von der Ionenquelle in das Schraubenflugbahn-TOF-MS eintreten und durch die Länge jedes elektrischen Sektorfelds in Y-Richtung. Nach dem letzten Umlauf auf der Flugbahn erreichen die Ionen den Detektor 15.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Ionen dazu veranlasst, sich auf einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen, wodurch die Flugstrecke der Ionen verlängert wird. Darüber hinaus wird ein Überholen der Ionen verhindert.
Gemäß der bisher beschriebenen Ausführungsformen des zweiten Aspekts können MS-Messungen mit einem Verfahren der Massenspektrometrie unter Verwendung einer durch MALDI spezifizierten Art einer Laserdesorption-Ionisation über einen weiten Bereich von Massen mit einer hohen Massenauflösung und Massengenauigkeit durchgeführt werden, ohne Verfahren mit verzögertem Abzug zu verwenden.
14 zeigt eine erste Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung. In den 10 und 14 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. (a) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Z-Richtung. (b) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Richtung des Pfeils aus (a). Die dargestellte Vorrichtung hat eine MALDI-Ionenquelle 19, einen Deflektor 19a, einen ersten Ionendetektor 15a (Ionendetektor 1) zur Erfassung von Ionen, ein Ionengatter 52, das die den Ionendetektor 1 durchlaufenden Ionen aufnimmt und Prekursor-Ionen auswählt, eine Kollisionszelle 53, in der die Ionen fragmentiert werden, ein Reflektron-Feld 54, in das die sich ergebenden Fragment-Ionen eingebracht werden, sowie einen Detektor 15 (Ionendetektor 2), um die von dem Reflektron-Feld 54 reflektierten Ionen zu erfassen. Wie in (b) dargestellt, ist der Detektor 1 beweglich. Der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung wird im Folgenden beschrieben.
Von der MALDI-Ionenquelle 19 wird eine Probe ionisiert und von einer gepulsten Spannung beschleunigt. Bis zu diesem Punkt entspricht das Verfahren dem Stand der Technik. Die aus der Ionenquelle 19 austretenden Ionen werden von einem Deflektor 19a bezüglich ihres Winkels eingestellt und treten in ein elektrisches Sektorfeld 1 ein. Die Ionen durchlaufen die elektrischen Sektorfelder 1 bis 4 der Reihe nach und vollführen einen Umlauf. Zu diesem Zeitpunkt weicht die Position in Z-Richtung von der in dem vorherigen Umlauf eingenommenen Position ab, so dass sich die Ionen während ihrer Umläufe in Z-Richtung bewegen.
Im Fall von MS-Messungen werden Ionen unter Verwendung des in der Flugbahn angeordneten Ionendetektors 1 erfasst. Im Fall von MS/MS-Messungen wird der Ionendetektor 1 aus der Flugbahn bewegt. Die Ionen werden direkt auf das Ionengatter 52 geführt. Falls die Spannung des Ionengatters ausgeschaltet ist, können die Ionen das Ionengatter 52 passieren. Ist die Spannung eingeschaltet, so können sie das Ionengatter 52 nicht passieren.
Das Ionengatter 52 ist nur während der Zeit ausgeschaltet, in der Prekursor-Ionen das Gatter passieren. Der Benutzer will diese Prekursor-Ionen aus den Ionen, die den letzten Umlauf durchlaufen haben, auswählen und es werden bestimmte Isotopen-Peaks der Prekursor-Ionen ausgewählt. Die ausgewählten Prekursor-Ionen gelangen in die Kollisionszelle 53 und kollidieren mit dem darin befindlichen Kollisionsgas, so dass einige der Ionen fragmentiert werden. Die unfragmentierten Prekursor-Ionen und die durch die Fragmentation erzeugten Produkt-Ionen durchlaufen das Reflektron-Feld 54 und werden von dem Detektor 2 erfasst. Da die Zeit, zu der das jeweilige Ion sich wieder aus dem Reflektor-Feld 54 heraus bewegt, in Abhängigkeit von der Masse des jeweiligen Ions und seiner kinetischen Energie unterschiedlich ist, können Prekursor-Ionen und Produkt-Ionen in dem jeweiligen Fragmentationspfad bezüglich ihrer Masse analysiert werden. Weiterhin können gemäß dieser Ausführungsform die Effekte von Isotopen-Peaks eliminiert werden. Es ist einfacher, dass Massenspektrum zu interpretieren. Die Genauigkeit der Massenanalyse kann verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die in der Ionenquelle durchgeführte Ionisation darin bestehen, dass eine Probe auf einer leitenden Probenplatte angeordnet wird und die Probe mit Laserlicht bestrahlt wird. Dies ermöglicht eine Analyse der durch eine MALDI erzeugten Ionen.
Weiterhin kann es sich gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung bei der in der Ionenquelle durchgeführten Ionisation um eine MALDI handeln. Dies ermöglicht die Analyse der durch die MALDI erzeugten Ionen.
Weiterhin kann gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung im Rahmen der Mittel zur Beschleunigung der Ionen ein Verfahren mit verzögertem Abzug verwendet werden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Zeitfokussierung an einem Zwischenbrennpunkt. Dadurch kann die Genauigkeit der Massenanalyse verbessert werden.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung. In den 14 und 15 sind entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. (a) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Y-Richtung. (b) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Richtung des Pfeils aus (a). Die dargestellte Vorrichtung verfügt über eine Ionenquelle 57, einen Ionenquellen-Transportbereich 58, einen Bereich 59 zur orthogonalen Beschleunigung sowie einen Deflektor 60. Die anderen Aufbauten sind zu den in 14 gezeigten identisch. Im Folgenden wird der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung beschrieben.
In der Ionenquelle 57 wird eine Probe ionisiert und durch den Ionentransport-Bereich 58 in den Bereich 59 für die orthogonale Beschleunigung transportiert. Bis zu diesem Punkt ist der instrumentelle Aufbau identisch zum Stand der Technik. Die aus dem Bereich 59 für die orthogonale Beschleunigung austretenden Ionen werden durch den Deflektor 60 bezüglich ihres Winkels eingestellt und treten in das elektrische Sektorfeld 1 ein. Die Ionen durchlaufen der Reihe nach die elektrischen Sektorfelder 1 bis 4 und machen einen Umlauf. Zu dieser Zeit weicht die Position in Y-Richtung von der bei dem vorhergehenden Umlauf eingenommenen Position ab, so dass sich die Ionen während ihrer umlaufenden Bewegung in Z-Richtung bewegen.
Im Fall von MS-Messungen werden Ionen unter Verwendung des Ionendetektors 1, der in der Flugbahn angeordnet ist, erfasst. Im Fall von MS/MS-Messungen wird der Ionendetektor 1 aus der Ionenflugbahn bewegt. Die Ionen werden dazu veranlasst, sich direkt auf das Ionengatter 52 zu bewegen. Ist die Spannung des Ionengatters ausgeschaltet, so können die Ionen das Gatter 52 passieren. Ist die Spannung angeschaltet, so können sie es nicht passieren. Das Ionengatter ist nur während der Zeit abgeschaltet, in der Prekursor-Ionen das Gatter durchlaufen. Der Benutzer will diese Prekursor-Ionen aus denjenigen Ionen, die den letzten Umlauf vollzogen haben, auswählen und es werden bestimmte Isotopen-Peaks der Prekursor-Ionen ausgewählt.
Die ausgewählten Prekursor-Ionen treten in die Kollisionszelle 53 ein und kollidieren mit dem sich in der Zelle befindlichen Kollisionsgas. Als Ergebnis werden die Ionen fragmentiert. Die unfragmentierten Prekursor-Ionen und die fragmentierten Produkt-Ionen durchlaufen das Reflektron-Feld 54 und werden von dem Ionendetektor 2 erfasst. Da die Zeit, zu der sich die Ionen wieder aus dem Reflektron-Feld 54 hinausbewegen in Abhängigkeit von den Massen der Prekursor-Ionen und deren kinetischer Energie unterschiedlich ist, können die Prekursor-Ionen und Produkt-Ionen in dem jeweiligen Fragmentierungspfad bezüglich ihrer Masse analysiert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Ionen dazu veranlasst, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen. Dies ermöglicht eine Massenanalyse der Prekursor-Ionen mit einer hohen Selektivität.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung können unter der Voraussetzung, dass die Kollisionszelle mit Gas gefüllt ist, die Mittel zur Fragmentation CID umfassen. Gemäß dieser Ausführungsform können Ionen effizient fragmentiert werden.
Weiterhin können gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts der Erfindung unter Verwendung des zuvor erwählten TOF-MS mit einem Schraubenflugbahn-TOF-MS nur bestimmte Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen ausgewählt werden. Gemäß dieser Ausführungsform können nur bestimmte Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen ausgewählt werden.
Weiterhin kann gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts der Erfindung erreicht werden, dass es sich bei den bestimmten Isotopen-Peaks um monoisotopische Ionen der Prekursor-Ionen handelt. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine Massenanalyse präziser durchgeführt werden, da es sich bei den bestimmten Isotopen-Peaks um monoisotopische Ionen der Prekursor-Ionen handelt.
Gemäß des bisher beschriebenen dritten Aspekts der Erfindung kann die Selektivität bezüglich der Prekursor-Ionen gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden und es können monoisotopische Ionen auswählt werden, indem als die erste TOF-MS-Einheit eine Schraubenflugbahn-TOF-MS-Einheit verwendet wird. Im Ergebnis ist es einfacher, das Spektrum der Produkt-Ionen zu interpretieren. Auch kann die Massengenauigkeit verbessert werden.
16 zeigt eine Ausführungsform eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung. (a) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Y-Richtung. (b) zeigt eine Ansicht der Vorrichtung in Richtung des Pfeils aus (a). Die dargestellte Vorrichtung weist eine MALDI-Ionenquelle 57, einen Ionendetektor 1 (15a) sowie elektrische Sektorfelder 1 bis 4 (17) auf. In (a) sind der Anfangspunkt und der Endpunkt eines Umlaufbereiches mit E bezeichnet. In (b) stellen die fettgezeichneten gestrichelten Linien die Ionenflugbahn in einem linearen TOF-MS dar. Die dünnen gestrichelten Linien stellen die Ionenflugbahn in einem Schraubenflugbahn-TOF-MS dar. Der letzte Umlauf auf der Flugbahn der Ionen wird von einem Ionendetektor 2 (15) erfasst. Im Folgenden wird der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung beschrieben.
Durch die MALDI-Ionenquelle 57 werden Ionen erzeugt und mit einem Verfahren mit verzögertem Abzug auf eine gepulste Weise beschleunigt. Bis zu diesem Punkt entspricht das Verfahren dem Stand der Technik. Bei dem Ionendetektor 1 handelt es sich um einen Detektor für ein lineares TOF-MS. Werden Messungen unter Verwendung der Vorrichtung als ein lineares TOF-MS durchgeführt, so sind die Spannungen an den elektrischen Sektorfelder 1 bis 4 abgeschaltet. Die Ionen werden dazu veranlasst, sich geradlinig zu bewegen und werden von dem Ionendetektor 1 erfasst.
Werden Messungen unter Verwendung der Vorrichtung als ein Schraubenflugbahn-TOF-MS durchgeführt, so werden die Spannungen an den elektrischen Sektorfeldern 1 und 4 angeschaltet. Die Ionen bewegen sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn und kommen an dem Ionendetektor 2 an. Für jedes einzelne Ion ist die Zeit, zu der mit dem Anlegen der gepulsten Spannung begonnen wird und die An kunftszeit an den Ionendetektoren 1 und 2 entsprechend seiner Masse unterschiedlich. Folglich wird eine Massenanalyse durchgeführt.
Gemäß des vierten Aspekts der Erfindung werden eine lineare TOF-MS-Einheit und eine Schraubenflugbahn-TOF-MS-Einheit kombiniert. Folglich können unter Verwendung der Eigenschaften der beiden TOF-MS-Einheiten Messungen durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts kann eine auf einer leitenden Probenplatte angeordnete Probe durch Laserbestrahlung ionisiert werden. Auf diese Weise kann die auf der Probenplatte angeordnete Probe durch Laserbestrahlung ionisiert und analysiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts kann als in der Ionenquelle verwendete Ionisationsmethode MALDI verwendet werden. In dieser Anordnung können durch MALDI erzeugte Ionen analysiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts kann als Mittel zur Beschleunigung der Ionen eine verzögerte Beschleunigung verwendet werden. Bei diesem Aufbau können unter Verwendung eines Verfahrens mit verzögertem Abzug die Zeitfokussierungseigenschaften an dem Zwischenbrennpunkt verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts kann dieselbe Probe unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung abwechselnd mit einem linearen TOF-MS und einem Schraubenflugbahn-TOF-MS untersucht werden. Bei diesem Aufbau kann durch abwechselndes Untersuchen der Probe durch den linearen TOF-Massenanalysator und das Schraubenflugbahn-TOF-MS die Messgenauigkeit der Massenanalyse verbessert werden. Weiterhin kann die Probe gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung gleichzeitig durch den linearen TOF-Massenanalysator und das Schraubenflugbahn-TOF-MS untersucht werden. In diesem Fall werden von dem Schraubenflugbahn-TOF-MS nicht fragmentierte Ionen untersucht. In dem linearen TOF-MS wer den neutrale Partikel untersucht, die in einem Zwischenprozess fragmentiert und erzeugt werden.
In Folgenden wird ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Vom Erscheinungsbild und Aufbau her ist eine Vorrichtung gemäß des fünften Aspekts ähnlich zu der Vorrichtung aus 39 mit der Ausnahme, dass die Matsuda-Platten bogenförmig ausgebildet sind. Bei den Bauteilen der Vorrichtung gemäß des fünften Aspekts handelt es sich um eine gepulste Ionenquelle, mehrschichtige torusförmige elektrische Felder 1 bis 4 sowie einen Ionendetektor. 17 zeigt eine Ausführungsform des fünften Aspekts, wobei eine Schicht dargestellt wird, in der die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder vorhanden sind. Im Folgenden wird der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Vorrichtung beschrieben.
Gemäß des fünften Aspekts der Erfindung werden Ionen, die in der gepulsten Ionenquelle durch dieselbe kinetische Energie beschleunigt werden, unter Verwendung ihrer auf ihren verschiedenen Massen beruhenden verschiedenen Geschwindigkeiten bezüglich ihrer Masse getrennt und erscheinen zu verschiedenen Ankunftszeiten an dem Detektor. Die aus der Ionenquelle austretenden Ionen treten mit einem bestimmten Einfallswinkel in die erste Schicht der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder ein und durchlaufen der Reihe nach die ersten Schichten der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 2 bis 4. Die Ionen, die einen Umlauf vollführt haben, durchlaufen eine Position, die entsprechend dem Einfallswinkel in Richtung der orthogonalen Bewegung von der Position in der ersten Schicht abweicht. Auf diese Weise durchlaufen die Ionen der Reihe nach die erste bis fünfzehnte Schicht der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 und werden von dem Detektor erfasst.
Ein Schema des instrumentellen Aufbaus einer Ausführungsform des fünften Aspekts ist ähnlich zu dem aus dem Stand der Technik. Jedoch handelt es sich bei jeder Matsuda-Platte anstelle von einer schraubenförmigen Elektrode um eine bogenförmige Elektrode. Das in jeder Schicht der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder erzeugte torusförmige elektrische Feld unterscheidet sich in Abhängigkeit da von, ob die das torusförmige elektrische Feld bildende Matsuda-Platte eine schraubenförmige Elektrode oder eine bogenförmige Elektrode ist. Der Unterschied wird unten beschrieben. Auch der Aufbau, der im Fall einer Verwendung von bogenförmigen Elektroden verwendet wird, wird beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird basierend auf dem im Stand der Technik beschriebenen Modell angenommen, das bogenförmige Matsuda-Platten mit einer jeweiligen Dicke von 6 mm in ein zylindrisches elektrisches Feld mit einer zentralen Flugbahn von 80 mm eingebracht werden. Der Abstand zwischen den Oberflächen der Matsuda-Platten beträgt 54 mm. Die Ebene der inneren Elektrode des zylindrischen elektrischen Felds weist einen Radius von 72,4 mm und eine Ebene der äußeren Elektrode einen Radius von 88,4 mm auf. Der Rotationswinkel beträgt 157,1°. Die Ebene der umlaufenden Flugbahn eines MULTUM II wird um einen Faktor von 1,6 vergrößert. Weiterhin wird angenommen, dass die innere Spannung –4 kV, die äußere Spannung +4 kV und die Spannung der Matsuda-Platte +630 V beträgt.
Jede Matsuda-Platte ist bezüglich der Rotationsachse der Matsuda-Platte, d. h. der Schnittlinie der mittleren Ebene des Rotationswinkels (die von der Stirnfläche der Elektrode um 78,55° beabstandete Ebene) und der Mittelebene der Dicke der Matsuda-Platten, um den Einfallswinkel der Ionen verkippt. Dann wird angenommen, dass eine Projektionsebene A von einer zur Rotationsachse der Matsuda-Platte senkrechten Ebene gebildet wird. Die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder werden durch ein zylindrisches elektrisches Feld, in dem mehrere bogenförmige Elektroden in einer zueinander parallelen Relation verkippt sind, gebildet. 17 ist eine Ansicht, die man erhält, indem man zwei Matsuda-Platten, die eine Schicht eines mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felds bilden, auf eine Ebene der umlaufenden Flugbahn und auf die Projektionsebene A (später beschrieben) abbildet. Die Ebene A ist zu Ebene der umlaufenden Flugbahn senkrecht. Da die bogenförmigen Elektroden verkippt sind, bildet die Ebene, die die torusförmigen elektrischen Felder der Matsuda-Platten bildet und die auf die Projektionsebene A abgebildet ist, eine gerade Linie.
Auf der mittleren Ebene (von der Endebene der Elektroden um 78,55° beabstandet) des Rotationswinkels des zylindrischen elektrischen Felds wird, wie in 17 dargestellt, ein Rotationswinkel ϕ definiert. Im folgenden Beispiel ist ϕ positiv (d. h. es wird eine Seite der Elektrode (Hälfte der Elektrode) betrachtet). Wird eine zylindrische Elektrode verwendet, so wird die Abweichung der zentralen Flugbahn der Ionen von der idealen zentralen Flugbahn der Ionen untersucht. Falls der Winkel ϕ negativ ist, ist das Vorzeichen der Abweichung entgegengesetzt zu dem Vorzeichen, das sich bei positivem ϕ ergibt. Auf einer 8-förmigen Flugbahn ist, falls die Ionen die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder 1 bis 4 in Vorwärtsrichtung durchlaufen, die Abweichung durch das Feld 2 umgekehrt zu Abweichung durch das Feld 3. Im Fall eines umgekehrten Durchlaufs ist das Vorzeichen der positionellen Abweichung entgegengesetzt zu dem im Fall eines vorwärtsgerichteten Durchlaufens angenommenen Vorzeichen.
Schließlich wird eine Ebene B definiert, die bei ϕ = 0 durch den Mittelpunkt jeder Matsuda-Platte läuft und zur Ebene der umlaufenden Flugbahn parallel ist. Im Folgenden wird die Verkippung der bogenförmigen Elektrode, die die mittleren Positionen der Matsuda-Platten auf der zentralen Flugbahn von 80 mm an der Stirnfläche der zylindrischen Elektrode in Fällen, in denen eine bogenförmige Elektrode bzw. eine schraubenförmige Elektrode als Matsuda-Platten verwendet wird, in Übereinstimmung bringt, diskutiert. Falls der Einfallswinkel 1,642° beträgt, so ist der Abstand Lf zwischen der zentralen Flugsbahn der Ionen an der Stirnfläche und der Ebene B gegeben durch Lf = 2 × 80 × π × (78,55/360) × tan 1,642 = 3,144 (mm)
Aus 17 wird ersichtlich, dass die zentrale Flugbahn 80 mm beträgt, so dass die Verkippung θa der bogenförmigen Elektrode sich zu θa = tan–1 (3,144/80) = 2,25(°)ergibt.
Wird die bogenförmige Elektrode verkippt, so ist der Abstand zu der zentralen Flugbahn in Abhängigkeit vom Rotationswinkel ϕ unterschiedlich. Falls ϕ = 0°, so beträgt der Abstand 80 mm. An der Stirnfläche (ϕ = ±87,55°) beträgt der Abstand maximal 80,06 mm = 80/cos2,25. Dieser Unterschied beeinflusst die Variationen unter den Matsuda-Platten und den Elektroden aufgrund der Rotationswinkels ϕ und des Abstands zwischen den Matsuda-Platten. Ist der Einfallswinkel hinreichend klein, so ist der Unterschied derart klein, dass er vernachlässigt werden kann.
Wie man aus 17 erkennen kann, unterscheidet sich bei einem bestimmten Winkel ϕ der Abstand zwischen der Ebene der Matsuda-Platte und der Ebene B zwischen der inneren Linie und der äußeren Linie. Das heißt, dass der zwischen der Matsuda-Platte und der zylindrischen Elektrode gebildete Winkel für ϕ unterschiedlich von 0° keinen rechten Winkel bildet, sondern ein Schnittbild, das durch ein in 18, die für den Fall einer Verwendung von bogenförmigen Matsuda-Platten ein Schnittbild-Modell bei einem beliebigen Rotationswinkel zeigt, dargestelltes Modell dargestellt wird. In der Figur sind Matsuda-Platten 70 (+630 V) und 71 gezeigt. Auch werden eine innere Elektrode 72 (–4 kV) sowie eine äußere Elektrode 73 (+4 kV) gezeigt.
Die Breite der Matsuda-Platten wird auf 14 mm gesetzt, um zwischen der inneren Elektrode und jeder Matsuda-Platte sowie zwischen der äußeren Elektrode und jeder Matsuda-Platte einen Spalt von ungefähr 1 mm zu bilden. Der Unterschied K zwischen der äußeren und inneren Parallele an die Ebene des zylindrischen elektrischen Felds an einem bestimmten Querschnitt ergibt sich zu K = Tmp × tan ϕ × sin θ mp = 0,40 × tan ϕ (6)
Basierend auf dem Modell aus 18 wurde der Unterschied K in Schritten von 0,1 mm verändert. In der Richtung der orthogonalen Bewegung innerhalb eines torusförmigen elektrischen Felds wurde eine Analyse des elektrischen Felds (E_y) durchgeführt.
Ähnlich zu dem Modell der schraubenförmigen Elektrode aus 19 wurde das Modell aus 18 in einem zweidimensionalen, achsensymmetrischen System berechnet. In der Praxis wird eine Axialsymmetrie nicht erreicht. Jedoch können die Tendenzen des elektrischen Potentials und der Potentialverteilung ermittelt werden. Die Resultate sind in 20 wiedergegeben. Zunächst wurde an einem Querschnitt bei einem bestimmten Winkel ϕ ein an dem Mittelpunkt einer Matsuda-Platte auf einer Linie mit einem Radius von 80 mm der zentralen Flugbahn der Ionen befindlicher Punkt als Mittelpunkt C definiert. Bezüglich des elektrischen Felds verlief eine Linie mit E_y = 0 nahezu parallel zu der umlaufenden Flugbahn. Das elektrische Feld in der Y-Richtung war bezüglich der Linie E_y = 0 nahezu symmetrisch.
Jedoch verläuft die Linie E_y = 0 an einer Position, die von dem Mittelpunkt C abweicht (siehe 20). Lcc' sei der Abstand zwischen c und c'. Eine Untersuchung des Zusammenhangs mit R zeigt, dass der Abstand nahezu proportional zu R ist und sein Koeffizient 2 beträgt. 21 zeigt die Beziehung zwischen der Abweichung R der Matsuda-Platte und Loc'.
Wie bereits bezüglich des Standes der Technik beschrieben, sollte es sich bei der zentralen Flugbahn der Ionen um eine bezüglich der Y-Richtung symmetrische Position handelt. Sie kann als ein Punkt c' angenommen werden, an dem sich die Linie mit E_y = 0 und die Linie des Radius von 80 mm der zentralen Flugbahn der Ionen schneiden. Basierend auf den Beziehungen aus 21 ist in 22 die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel ϕ und Loc' für eine Verkippung der Matsuda-Platte um 2,25° dargestellt. 22 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel ϕ und Loc' zeigt. Loc' ist auf der vertikalen Achse angetragen. Der Rotationswinkel ϕ ist auf der horizontalen Achse angetragen.
Dann wird die Abweichung zwischen dem Mittelpunkt c der Matsuda-Platte bei einem beliebigen Rotationswinkel ϕ und der Position der zentralen Flugbahn untersucht. Da die Ionen zu jeder Zeit eine Bewegung unter einer Neigung durchführen, die dem Einfallswinkel bezüglich der Ebene der umlaufenen Flugbahn entspricht, steht die zentrale Flugbahn in einem Verhältnis zum Rotationswinkel. Folglich ergibt sich der Abstand Lo von der Ebene B durch Lo = –Lf × ϕ/ϕ f (7)wobei ϕf der Rotationswinkel ϕ (157,1/2 = 78,55) an der Stirnfläche ist. Lf ist die Position der zentralen Flugbahn (= (2 × 80 × π × 78,55/360) × tan 1,642) an der Stirnfläche der Elektrode. Folglich ergibt sich im vorliegenden Fall Lo = ((2 × 80 π × 78,55/360) × tan 1,642) × ϕ/78,55 = –0,04
Den gegenüber wird, falls die den Mittelpunkt C verbindende Linie, wie in 17 dargestellt, auf die Ebene A abgebildet wird, der Abstand Lc des Mittelpunks C von der Ebene B in eine grade Linie umgewandelt. Weiterhin entspricht die Position an der Stirnfläche im Wesentlichen der zentralen Flugbahn. Folglich ergibt sich Lc = –Lf × sin ϕ/sin ϕ f (8)
Daraus folgt, dass Lp = ((2 × 80 × π × 78,55/360) × tan 1,642) × sin ϕ/sin 78,55 = –3,208 sin ϕ
In 23 sind der Rotationswinkel ϕ und die Abweichung Loc (= Lc – Lo) zwischen dem Mittelpunkt C der Matsuda-Platte und der zentralen Flugbahn dargestellt, wobei Loc auf der vertikalen Achse angetragen ist und der Rotationswinkel ϕ auf der horizontalen Achse.
Die Summe von Loc' und Loc entspricht der Abweichung zwischen dem Punkt mit E_y = 0 auf der Linie mit Radius 80 mm der zentralen Flugbahn der Ionen bei einem Querschnitt an einem beliebigen Rotationswinkel ϕ und der tatsächlichen zentralen Flugbahn der Ionen. Dies ist in 24 dargestellt, wobei der Abstand (mm) auf der vertikalen Achse und der Rotationswinkel ϕ (in Grad) auf der horizontalen Achse angetragen sind. Loc' und Loc gleichen sich bis zu einem Rotationswinkel von ungefähr 40° aus, so dass die Abweichung gering ist. Jedoch steigt die Abweichung bei Winkel von größer als 40° mit Zunahme des Rotationswinkels ϕ.
Obwohl es unmöglich ist, die Abweichung vollständig auszugleichen, so kann die Abweichung im Durchschnitt verringert werden, indem die Verkippung der Matsuda-Platte unterschiedlich vom Einfallswinkel gewählt wird. 25 zeigt die Beziehung des Rotationswinkels ϕ mit Loc' und Loc für den Fall, dass der Einfallswinkel der Ionen auf 1,642° gehalten wird und die Verkippung der Matsuda-Platte auf 3,1° gesetzt wird. In 25 ist der Abstand (mm) auf der vertikalen Achse und der Rotationswinkel ϕ auf der horizontalen Achse angetragen. In diesem Fall beträgt die Abweichung der Linie mit E_y = 0 von der zentralen Flugbahn bei jedem Rotationswinkel zwischen +0,3 mm und –0,3 mm, wobei angemerkt wird, dass E_y = 0 sich an der Position der zentralen Flugbahn befinden sollte. Insgesamt gesehen wird der Effekt als gering erachtet.
Es wird angenommen, dass in dem vorliegenden Modell die Verkippung der Matsuda-Platte vorzugsweise ungefähr 3,0° von der Ebene der umlaufenden Flugbahn beträgt, falls der Einfallswinkel zur Ebene der umlaufenden Flugbahn 1,642° beträgt. Jedoch ändert sich der Zielwinkel der Matsuda-Platte, falls die eine Basis bildende umlaufende Flugbahn eine andere ist. Folglich kann die Verkippung der Matsuda-Platte in Abhängigkeit vom jeweiligen System optimiert werden.
Wie bisher detailliert beschrieben wurde, kann gemäß des fünften Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Schraubenflugbahn-TOF-MS unter Verwendung von mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern, die bogenförmige Elektroden verwenden, die mit einer hohen Fertigungsgenauigkeit und in einer preiswerten Massenproduktion hergestellt werden können, erreicht werden.
Weiterhin kann gemäß des fünften Aspekts der Winkel der Matsuda-Platte optimiert werden, falls der Einfallswinkel der Ionen sich in Bereich von 1,0° bis 2,5° befindet, wobei die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF-Massenspektrometrie). Die Vorrichtung verbessert die Fokussierungseigenschaften der Ionen in einer orthogonalen Richtung und ermöglicht die Verbindung mit einer Ionenquelle mit orthogonaler Beschleunigung zur Verbesserung der Sensitivität. Die Vorrichtung umfasst eine Ionenquelle zur Emission von Ionen auf eine gepulste Weise, einen Analysator zum Erreichen einer schraubenförmigen Flugbahn sowie einen Detektor zum Erfassen der Ionen. Der Analysator setzt sich zur Verwirklichung der schraubenförmigen Flugbahn aus mehreren mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern zusammen.

Claims

Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: • eine Ionenquelle, die Ionen auf eine gepulste Weise emittieren kann, • einen Analysator zur Verwirklichung einer schraubenförmigen Flugbahn und • einen Detektor zur Erfassung von Ionen, wobei der Analysator zur Verwirklichung der schraubenförmigen Flugbahn aus mehreren mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Feldern besteht.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder durch das Einbringen mehrerer Elektroden in ein zylindrisches elektrisches Feld erzeugt werden.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder durch das Aufbringen einer Krümmung auf jede Elektrode erzeugt werden.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder durch das Einbringen mehrerer Mehrfachelektroden-Platten in ein zylindrisches elektrisches Feld erzeugt werden.
Flugzeit-Massenspektrometer nach einem beliebigen der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der die schraubenförmige Flugbahn verwirklichende Analysator als Analysatorbereich in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit orthogonaler Beschleunigung verwendet wird.
Flugzeit-Massenspektrometer nach einem beliebigen der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deflektor vorhanden ist, um den Winkel der mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder und den Winkel der einfallenden Ionen einzustellen.
Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: • eine leitenden Probenplatte, • Mittel zur Bestrahlung einer auf der Probenplatte angeordneten Probe mit Laserlicht, • Mittel zur Beschleunigung von Ionen durch eine konstante Spannung, • einen aus mehreren elektrischen Sektorfeldern zusammengesetzten Analysator und • einen Detektor zur Erfassung von Ionen, wobei • die auf der Probenplatte angeordnete Probe mit Laserlicht bestrahlt wird, wodurch die Probe ionisiert wird, • die erzeugten Ionen durch die konstante Spannung beschleunigt werden und • die Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Umläufe auf einer durch die mehreren elektrischen Sektorfelder zusammengesetzten Ionenflugbahn zu durchlaufen und Flugzeit-Messungen durchgeführt werden, wodurch eine Massenseparation durchgeführt wird.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dazu veranlasst werden, mehrere Umläufe auf derselben Flugbahn durchzuführen.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen.
Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: • eine Ionenquelle zur Ionisation einer Probe, • Mittel zur Beschleunigung der Ionen auf eine gepulste Weise, • ein Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator, der aus mehreren elektrischen Sektorfeldern besteht und in dem die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen, • ein Ionengatter zur Auswahl von Ionen mit einer bestimmten Masse aus den Ionen, die den Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator durchlaufen haben, • Mittel zur Fragmentation der ausgewählten Ionen, • einen Reflektron-Flugzeit-Massenanalysator mit einem elektrischen Reflektron-Feld und • einen Detektor zur Erfassung der Ionen, die den Reflektron-Flugzeit-Massenanalysator durchlaufen haben.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Detektor vorgesehen ist, der zwischen den Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator und dem elektrischen Reflektron-Feld angeordnet ist und der in und aus der Ionenflugbahn bewegt werden kann.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe in der Ionenquelle durch Bestrahlung der auf einer leitenden Probenplatte befindlichen Probe mit Laserlicht ionisiert wird.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe in der Ionenquelle durch Matrix unterstützte Laser-Desorption/Ionisierung (MALDI) ionisiert wird.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 12 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Beschleunigung der Ionen ein Verfahren mit verzögertem Abzug verwenden.
Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: • eine Ionenquelle zur Ionisation einer Probe, • Mittel zum Transport der Ionen, • Mittel zum Beschleunigen der Ionen auf eine gepulste Weise in eine Richtung, die zu einer Richtung, in der die Ionen transportiert werden, orthogonal ist, • ein Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator, der aus mehreren elektrischen Sektorfeldern besteht und in dem die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen, • ein Ionengatter zur Auswahl von Ionen mit einer bestimmten Masse aus den Ionen, die den Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator durchlaufen haben, • Mittel zur Fragmentation der ausgewählten Ionen, • einen Reflektron-Flugzeit-Massenanalysator mit einem elektrischen Reflektron-Feld und • Detektionsmittel zur Erfassung der Ionen, die den Reflektron-Flugzeit-Massenanalysator durchlaufen haben.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Detektor vorgesehen ist, der zwischen dem Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator und dem elektrischen Reflektron-Feld angeordnet ist und der in und aus der Ionenflugbahn bewegt werden kann.
Flugzeit-Massenspektrometer nach einem beliebigen der Ansprüche 10–16, dadurch gekennzeichnet, dass Ablenkmittel zur Ablenkung der Ionen vorgesehen sind, wobei die Ablenkmittel zwischen den Mitteln zur Beschleunigung der Ionen auf eine gepulste Weise und dem Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalystor angeordnet sind, um den Eintrittswinkel der in den Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalystor eintretenden Ionen einzustellen.
Flugzeit-Massenspektrometer nach einem beliebigen der Ansprüche 10–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Fragmentation von einer durch Kollision induzierte Dissoziation (collisionally induced dissociation = CID) gebildet werden, die in einer mit Gas gefüllten Kollisionszelle durchgeführt wird.
Verfahren zur Flugzeit-Massenspektrometrie umfassend den Schritt der Auswahl lediglich bestimmter Isotopen-Peaks von Prekursor-Ionen durch einen Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalystor unter Verwendung eines Flugzeit-Massenspektrometers nach einem beliebigen der Ansprüche 10–18.
Verfahren zur Flugzeit-Massenspektrometrie nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den bestimmten Isotopen-Peaks um monoisotopische Ionen der Prekursor-Ionen handelt.
Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: • eine einzigen Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen, • Mittel zur Beschleunigung der Ionen auf eine gepulste Weise, • ein Flugzeit-Massenanalysator, der aus mehreren elektrischen Sektorfeldern besteht und in dem die Ionen dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen und • wenigstens zwei Detektoren, wobei einer der Detektoren dazu dient, die Flugzeiten der erzeugten und aus der Ionenquelle beschleunigten Ionen zu messen, die dazu veranlasst werden, sich geradlinig zu bewegen, und der andere bzw. die anderen Detektoren dazu dienen, die Flugzeiten der Ionen zu messen, die durch die mehreren elektrischen Sektorfelder dazu veranlasst werden, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Ionen in der Ionenquelle durch Bestrahlung einer auf einer leitenden Probenplatte befindlichen Probe mit Laserlicht ionisiert werden.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe in der Ionenquelle durch Matrix unterstützte Laser-Desorption/Ionisierung (MALDI) ionisiert wird.
Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Beschleunigung der Ionen ein Verfahren mit verzögertem Abzug verwenden.
Verfahren zur Flugzeit-Massenspektrometrie unter Verwendung eines Flugzeit-Massenspektrometers nach einem beliebigen der Ansprüche 1–24, wobei dieselbe Probe abwechselnd mit einem linearen Flugzeit-Massenanalysator und einem Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator untersucht wird.
Verfahren zur Flugzeit-Massenspektrometrie unter Verwendung eines Flugzeit-Massenspektrometers nach einem beliebigen der Ansprüche 1–24, wobei dieselbe Probe gleichzeitig mit einem linearen Flugzeit-Massenanalysator und einem Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenanalysator untersucht wird.
Schraubenflugbahn-Flugzeit-Massenspektrometer umfassend: mehrere Sätze mehrschichtiger torusförmiger elektrischer Felder, die jeweils aus mehreren Schichten einer zylindrischen Elektrode und mehreren Matsuda-Platten erzeugt werden, um die Ionen dazu zu veranlassen, sich entlang einer schraubenförmigen Flugbahn zu bewegen, wobei • jede der die mehrschichtigen torusförmigen elektrischen Felder erzeugenden Matsuda-Platten bogenförmigen Elektroden verwendet, • jede der bogenförmigen Elektroden um eine Rotationsachse, die durch einen Schnitt einer Mittelebene des Rotationswinkels und einer Mittelebene in Richtung der Dicke definiert ist, verkippt ist und • die Position einer zentralen Ionenflugbahn so gewählt ist, dass sie sich an der Stirnfläche des zylindrischen elektrischen Felds in einer Ebene des Radius der Rotation der zentralen Ionenflugbahn von einer mittleren Position der jeweiligen Matsuda-Platte unterscheidet.
Flugzeit-Massenspektrometer, das die Anforderungen nach Anspruch 27 erfüllt, wobei die Ionen einen Eintrittswinkel von 1,0° bis 2,5° aufweisen.
Flugzeit-Massenspektrometer der Mehrfachumlauf-Art oder der Schraubenflugbahn-Art gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1–28, weiterhin umfassend ein Ionenoptik-System, das bei jedem Umlauf die räumlichen Fokussierungsbedingungen und zeitlichen Fokussierungsbedingungen vollkommen erfüllen kann.