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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer und ein Verfahren
der Massenspektroskopie, insbesondere zur Ausführung von
MSn-Experimenten.
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Hintergrund der Erfindung
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Tandem-Massenspektroskopie
ist eine gut bekannte Technik, durch welche Spurenanalyse und Strukturaufklärung
von Proben ausgeführt werden kann. In einem ersten Schritt
werden Ausgangsionen einer Masseanalyse/-Filterung unterzogen, um
Ionen eines interessierenden Masseladungsverhältnisses auszuwählen,
und in einem zweiten Schritt werden diese Ionen, beispielsweise
durch Kollision mit einem Gas, wie etwa Argon, fragmentiert. Die
resultierenden Fragmentionen werden dann üblicherweise durch
Erzeugen eines Massenspektrums einer Massenanalyse unterzogen.
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Verschiedene
Anordnungen zum Ausführen einer mehrstufigen Massenanalyse
oder MSn wurden vorgeschlagen oder sind
kommerziell verfügbar, wie etwa Triele-Quadrupol-Massenspektrometer
und Hybrid-Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometer. In dem Triele-Quadrupol
wirkt ein erster Quadrupol Q1 als eine erste Stufe der Massenanalyse,
indem er Ionen außerhalb eines gewählten Masseladungsverhältnisbereichs
ausfiltert. Ein zweiter Quadrupol Q2 ist typischerweise als eine
Quadrupol-Ionenführung eingerichtet, angeordnet in einer
Gaskollisionszelle. Die Fragmentionen, welche aus den Kollisionen
in Q2 entstehen, werden dann durch den dritten Quadrupol Q3, der
stromabwärts von Q2 angeordnet ist, einer Massenanalyse
unterzogen. In der Hybridanordnung kann der zweite analysierende
Quadrupol Q3 durch ein Flugzeit-(TOF)-Massenspektrometer ersetzt
werden.
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In
jedem Fall werden separate Analyseeinrichtungen vor und nach der
Kollisionszelle eingesetzt. In der
GB-A-2,400,724 sind verschiedene Anordnungen
beschrieben, wobei eine einzelne Massenfilter-/analyseeinrichtung
dazu eingesetzt wird, eine Filterung und eine Analyse in beiden
Richtungen auszutragen. Insbesondere wird ein Ionendetektor stromaufwärts
der Massenfilter-/analyseeinrichtung posititoniert und Ionen treten
durch die Massenfilter-/analyseeinrichtung hindurch, um in einer
stromabwärts angeordneten Ionenfalle gespeichert zu werden.
Die Ionen werden dann aus der stromabwärts angeordneten
Falle zurück durch die Massenfilter-/analyseeinrichtung
ausgestoßen, bevor sie durch den stromaufwärts
angeordneten Ionendetektor erfasst werden. Verschiedene Fragmentierungsprozeduren,
welche noch immer eine einzelne Massenfilter-/analyseeinrichtung
einsetzen, sind ebenfalls beschrieben, was es erlaubt, MS/MS-Experimente
auszuführen.
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Ähnliche
Anordnungen sind außerdem in der
WO-A-2004/001878 (
Verentchikov
et al) gezeigt. Ionen werden von einer Quelle zu einer
TOF-Analyseeinrichtung geführt, welche als lonenausfalleinrichtung
wirkt, von wo aus die Ionen zu der Fragmentierungszelle ausgestoßen
werden. Von hier aus gelangen sie zurück durch die TOF-Analyseeinrichtung und
werden erfasst. Für MS
n können
die Fragmentionen durch das Spektrometer wiederverwendet werden.
Die
US-A-2004/0245455 (Reinhold)
führt eine ähnliche Prozedur für MS
n aus, verwendet jedoch eine hochempfindliche
Linearfalle anstatt einer TOF-Analyseeinrichtung, um die Ionenauswahl durchzuführen.
Die
JP-A-2001-143654 betrifft
eine Ionenfalle, welche Ionen auf einer kreisförmigen Umlaufbahn
ausstößt, um eine Massentrennung gefolgt von einer
Erfassung auszuführen.
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Die
vorliegende Erfindung möchte vor diesem Hintergrund ein
verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für
MSn bereitstellen.
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Überblick über
die Erfindung
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
der Massenspektroskopie bereitgestellt, umfassend die folgenden
Schritte: in einem ersten Zyklus, Speichern von Probenionen in einer
ersten Ionenspeichervorrichtung, wobei die erste Ionenspeichervorrichtung
eine Austrittsöffnung und eine räumlich getrennte
Ionentransportöffnung aufweist, Ausstoßen der
gespeicherten Ionen aus der Austrittsöffnung; Transportieren
der ausgestoßenen Ionen in einer Ionenausfallvorrichtung,
welche räumlich getrennt ist von der ersten Ionenspeichervorrichtung;
Ausführen einer Ionenauswahl in der räumlich getrennten
Ionenauswahlvorrichtung; Zurückführen wenigstens
einiger der aus der ersten Ionenspeichervorrichtung ausgestoßenen
Ionen oder ihrer Derivate von der räumlich getrennten Ionenauswahlvorrichtung
zurück zur ersten Ionenspeichervorrichtung nach dem Schritt
der Ionenauswahl; Empfangen der zurückgeführten
Ionen durch die Ionentransportöffnung der ersten Ionenspeichervorrichtung;
und Speichern der empfangenen Ionen in der ersten Ionenspeichervorrichtung.
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Dieser
Zyklus kann wahlweise mehrere Male wiederholt werden, um MSn zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet somit eine zyklische Anordnung,
in welcher Ionen gefangen werden, optional gekühlt werden,
aus einer Austrittsöffnung ausgestoßen und zu
einem separaten Ort transportiert werden. Diese Ionen (oder eine
Untergruppe davon infolge einer externen Verarbeitung, wie etwa
einer Fragmentierung, einer Ionenauswahl usw.) werden zu der Ionenspeichervorrichtung
zurückgeführt, wo sie über eine zweite,
räumlich getrennte Ionentransportöffnung (welche
in diesem Fall als eine Einlassöffnung wirkt) wieder in
diese Ionenspeichervorrichtung eintreten. Diese zyklische Anordnung
bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem in der vorstehenden
Einführung angegebenen Stand der Technik, welcher stattdessen
eine „Vor-und-Zurück"-Prozedur über die
gleiche Vorrichtung in einer Ionenfalle verwendet. Zunächst
wird die Anzahl an zum Speichern und Einführen von Ionen
in die Ionenauswahlvorrichtung benötigten Vorrichtungen
minimiert (und liegt in der bevorzugten Ausführungsform
nur bei eins). Moderne Speicher- und Einführungsvorrichtungen,
welche eine sehr hohe Massenauflösung und einen sehr hohen
dynamischen Bereich erlauben, sind aufwendig herzustellen und mit
hohen Anforderungen an die Steuerung/Regelung verbunden, so dass
die Anordnung der vorliegenden Erfindung eine signifikante Kosten-
und Steuer-/Regelersparnis gegenüber dem Stand der Technik
bietet. Zweitens wird durch die Verwendung der gleichen (ersten)
Ionenspeichervorrichtung zum Injizieren in eine externe Ionenauswahlvorrichtung sowie
zum Empfangen von Ionen zurück von dieser die Anzahl an
MS-Stufen reduziert. Dies verbessert wiederum die Ionentransporteffizienz,
die von der Anzahl an MS-Stufen abhängt. Typischerweise
werden Ionen, welche von einer externen Ionenauswahleinrichtung
ausgestoßen werden, sehr verschiedene Eigenschaften aufweisen
gegenüber denen der Ionen, die aus der Ionenspeichervorrichtung
ausgestoßen werden. Durch Laden von Ionen in die Ionenspeichervorrichtung
durch eine speziell zugewiesene Ioneneinlassöffnung (der
ersten Ionentransportöffnung), insbesondere dann, wenn
sie von einer externen Fragmentierungsvorrichtung an der Ionenspeichervorrichtung
zurückkehren, kann dieser Prozess in einer gut kontrollierten
Art und Weise ausgeführt werden. Dies minimiert Ionenverluste,
was wiederum die Ionentransporteffizienz der Vorrichtung verbessert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet
sich eine Fragmentierungsvorrichtung außerhalb der Ionenspeichervorrichtung.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen befindet sich
die Fragmentierungsvorrichtung zwischen der Ionenauswahlvorrichtung
(jedoch außerhalb davon) und der Ionenspeichervorrichtung.
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Eine
Ionenquelle kann bereitgestellt werden, um einen kontinuierlichen
oder impulsförmigen Strahl von Probenionen zu der Ionenspeichervorrichtung zuzuführen.
In einer bevorzugten Anordnung kann sich die optionale Fragmentierungsvorrichtung
stattdessen zwischen einer solchen Ionenquelle und der Ionenspeichervorrichtung
befinden. In jedem Falle können komplizierte MSn-Experimente parallel ausgeführt
werden, indem die Unterteilung (und wahlweise die separate Analyse)
von Unterpopulationen von Ionen, entweder direkt von der Ionenquelle
oder abgeleitet aus vorhergehenden Zyklen von MS, ermöglicht
wird. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung des
Arbeitszyklus des Instruments und kann gleichermaßen die
Erfassungsgrenzen desselben ebenfalls verbessern.
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Wenngleich
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung irgendeine Ionenauswahlvorrichtung verwenden
können, ist die Erfindung insbesondere für eine
elektrostatische Falle (EST) geeignet und kann mit Vorteil in Kombination
mit dieser verwendet werden. In den letzten Jahren sind Massenspektrometer,
welche elektrostatische Fallen (EST) umfassen, zunehmend kommerziell
verfügbar geworden. Gegenüber Quadrupol-Massenanalyseeinrichtungen/-filtern
weisen EST's eine wesentlich höhere Massengenauigkeit (potenziell
Teile pro Million) und gegenüber Quadrupol-Orthogonalbeschleunigung-TOF-Instrumenten
weisen sie einen deutlich besseren Arbeitszyklus und dynamischen
Bereich auf. Im Rahmen dieser Anmeldung wird eine EST als eine allgemeine
Klasse von Ionenoptikvorrichtungen angesehen, wobei bewegte Ionen
ihre Bewegungsrichtung zumindest entlang einer Richtung in im Wesentlichen
elektrischen Feldern mehrere Male ändern. Wenn diese mehreren
Reflexionen innerhalb eines begrenzten Volumens begrenzt sind, sodass die
Ionentrajektorien sich um sich selbst wickeln, so ist die entstehende
EST als "geschlossener" Typ bekannt. Beispiele dieses "geschlossenen"
Typs eines Massenspektrometers kann in der
US-A-3,226,543 , der
DE-A-04408489 sowie
US-A-5,886,346 gefunden
werden. Alternativ können Ionen mehrere Änderungen
in einer Richtung kombinieren mit einer Verschiebung entlang einer
anderen Richtung, sodass sich die Ionentrajektorien nicht um sich
selbst wickeln. Solche EST's werden typischerweise als "offener"
Typ bezeichnet und Beispiele sind zu finden in
GB-A-2,080,021 ,
SU-A-1,716,922 ,
SU-A-1,725,289 ,
WO-A-2005/001878 und
US-A-20050103992 ,
2.
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Von
den elektrostatischen Fallen sind einige, wie etwa die in
US-A-6,300,625 ,
US-A-2005/0,103,992 und
WO-A-2005/001878 beschriebenen,
von einer externen Ionenquelle gefüllt und stoßen
Ionen an einen externen Detektor stromabwärts der EST aus.
Andere, wie etwa die Orbitrap, wie sie in
US-A-5,886,346 beschrieben
ist, verwenden Techniken, wie etwa eine Bildstromerfassung, um Ionen
innerhalb der Falle ohne Ausstoß zu erfassen.
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Elektrostatische
Fallen können für eine präzise Massenselektion
von von außen eingeführten Ionen verwendet werden
(wie z. B. beschrieben in
US-A-6,872,938 und
US-A-6,013,913 ).
Hierzu werden durch Anlegen von Wechselspannungen in Resonanz mit
Ionenoszillationen in der EST Precursorionen ausgewählt.
Ferner wird eine Fragmentierung innerhalb der EST durch die Einführung
eines Kollisionsgases, Laserimpulse oder in anderer Weise erzielt,
und nachfolgende Anregungsschritte sind notwendig, um eine Erfassung
der resultierenden Fragmente zu erzielen (in dem Fall der Anordnungen
der
US-A-6,872,938 und
US-A-6,013,913 wird
dies durch Bildstromerfassung erreicht).
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Elektrostatische
Fallen sind jedoch nicht ohne Schwierigkeiten. Beispielsweise haben
die EST's typischerweise anspruchsvolle Ioneneintrittsanforderungen.
So beschreiben beispielsweise unsere früheren Patentanmeldungen
Nr.
WO-A-02/078046 und
WO 05124821A2 die
Verwendung einer Linearfalle (LT), um die Kombination von Kriterien
zu erreichen, die notwendig ist, um sicherzustellen, dass stark
kohärente Pakete in eine EST-Vorrichtung eingegeben werden.
Die Notwendigkeit, Ionenpakete von sehr kurzer Zeitdauer (welche
jeweils eine große Anzahl an Ionen enthalten) für solche
Vorrichtungen mit hoher Leistungsfähigkeit und hoher Masseauflösung
zu erzeugen, bedeutet, dass die Richtung optimaler Ionenextraktion
in solchen Ioneneinführungsvorrichtungen typischerweise verschieden
ist von der Richtung des effizienten Ioneneinfangs.
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Zweitens
weisen fortgeschrittene EST's tendenziell strenge Vakuumanforderungen
auf, um Ionenverluste zu vermeiden, während die Ionenfallen und
Fragmentierungseinrichtungen, an welche sie angeschlossen sein können,
typischerweise mit Gas gefüllt sind, sodass typischerweise
zwischen solchen Vorrichtungen und der EST eine Druckdifferenz von mindestens
5 Größenordnungen besteht. Um eine Fragmentierung
während der Ionenextrahierung zu vermeiden, ist es notwendig,
das Produkt von Druck und Gasdicke zu minimieren (typischerweise
unterhalb 10–3 ... 10–2 mm·torr
zu halten), während für einen effizienten Ioneneinfang
dieses Produkt maximiert werden muss (sodass es typischerweise 0,2
... 0,5 mm·torr überschreitet).
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Wenn
die Ionenauswahlvorrichtung eine EST ist, lässt daher in
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Verwendung
einer Ionenspeichervorrichtung mit unterschiedlichen Ioneneinlass-
und -auslasskanälen zu, dass dieselbe Ionenspeichervorrichtung
Ionen in geeigneter Weise für die Einführung in
die EST bereitstellt, jedoch ebenso erlaubt, dass der Strom oder
die langen Impulse von Ionen, welche von der EST über die
Fragmentierungsvorrichtung zurückkommen, in gut gesteuerter/geregelter
Weise zurück in diese erste Ionenspeichervorrichtung geladen
werden, und zwar durch die zweite oder – in bestimmten
Ausführungsformen – die dritte Ionentransportöffnung.
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Jede
Form einer elektrostatischen Falle kann verwendet werden, wenn diese
die Ionenauswahlvorrichtung bildet. Eine besonders bevorzugte Anordnung verwendet
eine EST, in welcher der Ionenstrahlquerschnitt aufgrund des fokussierenden
Effekts der Elektroden der EST begrenzt bleibt, da dies die Effizienz
der nachfolgenden Ionenausgabe aus der EST verbessert. Es könnte
entweder eine EST vom offenen oder vom geschlossenen Typ verwendet
werden. Mehrere Reflexionen erlauben die Vergrößerung
der Separation zwischen Ionen unterschiedlicher Masse-Ladung-Verhältnisse,
sodass ein bestimmtes, interessierendes Masse-Ladung-Verhältnis
wahlweise ausgewählt werden kann, oder einfach ein schmalerer
Bereich von Masse-Ladung-Verhältnissen, als in die Ionenauswahlvorrichtung
eingegeben wurde. Die Selektion könnte durch Ablenken unerwünschter
Ionen ausgeführt werden, unter Verwendung von elektrischen
Impulsen, die an die dazu vorgesehenen Elektroden angelegt werden,
die sich vorzugsweise in der Ebene des Flugzeitfokus der Ionenspiegel
befinden. In dem Fall einer geschlossenen EST könnte eine
Mehrzahl von Ablenkungsimpulsen notwendig sein, um zunehmend schmaler
werdende m/z-Auswahlbereiche bereitzustellen.
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Es
ist möglich, die Fragmentierungsvorrichtung in zwei Modi
zu verwenden: In einem ersten Modus können Precursorionen
in der Fragmentierungsvorrichtung in der üblichen Weise
fragmentiert werden und in einem zweiten Modus können Precursorionen
durch Steuern/Regeln der Ionenenergie ohne Fragmentierung durch
die Fragmentierungsvorrichtung hindurchtreten. Dies erlaubt sowohl
eine MSn-Verbesserung als auch eine Verbesserung
der Ionenhäufigkeit, und zwar zusammen oder separat: Wenn
Ionen von der ersten Ionenspeichervorrichtung in die Ionenauswahlvorrichtung
eingegeben werden, so können in kontrollierbarer Weise
bestimmte Precursorionen niedriger Häufigkeit aus der Ionenauswahlvorrichtung
ausgegeben werden und zurück in der ersten Ionenspeichervorrichtung
gespeichert werden, ohne dass sie in der Fragmentierungsvorrichtung
fragmentiert wurden. Dies kann erreicht werden, indem diese Precursorionen
niedriger Häufigkeit bei Energien durch die Fragmentierungsvorrichtung geführt
werden, die unzureichend sind, um eine Fragmentierung zu bewirken.
Energiestreuung könnte für ein gegebenes m/z durch
den Einsatz von gepulsten Verzögerungsfeldern (z. B. ausgebildet
in einem Zwischenraum zwischen zwei flachen Elektroden mit Öffnungen)
reduziert werden. Wenn Ionen auf ihrem Weg zurück von der
Massenauswahleinrichtung zu der ersten Ionenspeichervorrichtung
in ein elektrisches Verzögerungsfeld eintreten, so überholen
Ionen höherer Energie die Ionen niedrigerer Energie und
bewegen sich somit bis zu einer größeren Tiefe in
das Verzögerungsfeld. Nachdem alle Ionen dieses bestimmten
Verhältnisses m/z in das Verzögerungsfeld eingetreten
sind, wird das Feld abgeschaltet. Daher erfahren Ionen mit ursprünglich
höherer Energie einen höheren Potenzialabfall
bezüglich des Erdpotenzials als die Ionen niedrigerer Energie,
wodurch ihre Energie angeglichen werden. Durch Anpassen des Potenzalabfalls
an die Energiestreuung beim Austritt aus der Massenauswahleinrichtung
kann eine signifikante Reduzierung der Energiestreuung erzielt werden.
Eine Fragmentierung von Ionen kann auf diese Weise vermieden werden
oder alternativ kann die Kontrolle über die Fragmentierung
verbessert werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometer,
umfassend eine Ionenspeichervorrichtung und eine Ionenauswahlvorrichtung,
bereitgestellt. Die Ionenspeichervorrichtung weist eine Ionenaustrittsöffnung
auf, um in einem ersten Zyklus in der Ionenspeichervorrichtung gespeicherte
Ionen auszustoßen und weist eine räumlich separate
Ionentransportöffnung auf, um in dem ersten Zyklus Ionen
einzufangen, die von der Ionenspeichervorrichtung zurückkehren.
Die Ionenauswahlvorrichtung ist diskret und räumlich getrennt
von der Ionenspeichervorrichtung, steht jedoch in Austausch mit
dieser. Die Ionenauswahlvorrichtung ist außerdem dazu eingerichtet,
aus der Ionenspeichervorrichtung ausgestoßene Ionen zu empfangen,
um eine Untergruppe dieser Ionen auszuwählen und die ausgewählte
Untergruppe auszustoßen, um wenigstens einige dieser Ionen
oder Derivate dieser innerhalb der Ionenspeichervorrichtung über
die räumlich separate Ionentransportöffnung wieder
einzufangen und zu speichern.
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Die
Erfindung erstreckt sich in diesem Aspekt auch auf ein Massenspektrometer,
umfassend eine externe Ionenfragmentierungsvorrichtung.
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Nach
Maßgabe eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren der Massenspektroskopie bereitgestellt, welches
umfasst: Speichern von Ionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung;
Ausstoßen von Ionen aus der ersten Ionenspeichervorrichtung
zu einer Ionenauswahlvorrichtung; Auswählen einer Untergruppe
von Ionen innerhalb der Ionenauswahlvorrichtung; Ausstoßen
der Ionen aus der Ionenauswahlvorrichtung; Einfangen wenigstens
einiger der ausgewählten Ionen in einer Vorrichtung ausgewählt
aus einer Fragmentierungsvorrichtung oder einer zweiten Ionenspeichervorrichtung;
und Rückführen wenigstens einiger der in der einen
Vorrichtung aus Fragmentierungsvorrichtung bzw. zweiter Ionenspeichervorrichtung
eingefangenen Ionen oder derer Produkte zu der ersten Ionenspeichervorrichtung
entlang einem Rückführionenpfad, der die Ionenauswahlvorrichtung
umgeht. Die vorliegende Erfindung kann sich auch auf ein Massenspektrometer
erstrecken, welches dazu eingerichtet ist, dieses Verfahren auszuführen.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Verbessern der Erfassungsgrenzen eines Massenspektrometers bereitgestellt,
umfassend: Erzeugen von Probenionen aus einer Ionenquelle; Speichern
der Probenionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung; Ausstoßen
der gespeicherten Ionen in einer Ionenauswahlvorrichtung; Auswählen
und Ausstoßen von Ionen eines ausgewählten Masse-Ladung-Verhältnisses
aus der Ionenauswahlvorrichtung; Speichern von der Ionenauswahlvorrichtung
ausgestoßenen Ionen in einer zweiten Ionenspeichervorrichtung,
ohne diese zurück durch die Ionenauswahlvorrichtung zu führen;
Wiederholen der vorangegangenen Schritte, um die Ionen des so gewählten
Masse-Ladung-Verhältnisses, welche in der zweiten Ionenspeichervorrichtung
gespeichert sind, zu vermehren; und Übertragen der vermehrten
Ionen des gewählten Masse-Ladung-Verhältnisses
zurück zu der ersten Ionenspeichervorrichtung für
eine nachfolgende Analyse.
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Diese
Technik erlaubt die Verbesserung der Erfassungsgrenze des Instruments,
wenn die Ionen des gewählten Masse-Ladung-Verhältnisses
in der Probe eine niedrige Häufigkeit aufweisen. Sobald sich
in der zweiten Ionenspeichervorrichtung eine ausreichende Menge
von diesen Precursorionen niedriger Häufigkeit angesammelt
hat, können diese zurück in die erste Ionenspeichervorrichtung
eingeführt werden, um dort eingefangen zu werden (wiederum
unter Umgehung der Ionenauswahlvorrichtung) und um dort beispielsweise
eine anschließende MSn-Analyse
auszuführen. Obwohl bevorzugt die Ionen die erste Ionenspeichervorrichtung
durch eine erste Ionentransportöffnung verlassen und über
eine zweite, separate Ionentransportöffnung darin wieder empfangen
werden, ist dies in diesem Aspekt der Erfindung nicht unbedingt
notwendig und ein Ausstoß sowie ein Einfangen durch dieselbe Öffnung
ist denkbar.
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Optional
kann zum gleichen Zeitpunkt, an dem die Precursorionen niedriger
Häufigkeit sich zu der zweiten Ionenspeichervorrichtung
bewegt hat, um die Gesamtpopulation dieser bestimmten Precursorionen
zu verbessern, die Ionenauswahlvorrichtung weiterhin die Auswahl
von anderen gewünschten Precursorionen aufrechterhalten
und weiter verfeinern. Bei ausreichend enger Auswahl können
diese Precursorionen aus der Ionenauswahlvorrichtung ausgestoßen
werden und in einer Fragmentierungsvorrichtung fragmentiert werden,
um fragmentierte Ionen zu erzeugen. Diese Fragmentionen können dann
zu der ersten Ionenspeichervorrichtung übertragen werden
und eine MSn dieser Fragmentionen kann dann
ausgeführt werden oder sie können gleichermaßen
in der zweiten Ionenspeichervorrichtung gespeichert werden, sodass
anschließende Zyklen die Anzahl an in dieser Weise gespeicherten
Ionen weiter anreichern können, um die Erfassungsgrenze des
Instruments für dieses bestimmte Fragmention wieder zu
steigern.
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Somit
wird nach Maßgabe eines weiteren Aspekts der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Erfassungsgrenzen eines
Massenspektrometers bereitgestellt, umfassend (a) Erzeugen von Probenionen
aus einer Ionenquelle; (b) Speichern der Probenionen in einer ersten
Ionenspeichervorrichtung; (c) Ausstoßen der gespeicherten
Ionen in einer Ionenauswahlvorrichtung; (d) Auswählen und
Ausstoßen von Ionen von analytischem Interesse aus der
Ionenauswahlvorrichtung; (e) Fragmentieren der Ionen, die aus der
Ionenauswahlvorrichtung ausgestoßen wurden, in einer Fragmentierungsvorrichtung;
(f) Speichern von Fragmentionen eines gewählten Masse-Ladung-Verhältnisses
in einer zweiten Ionenspeichervorrichtung, ohne diese zurück
zu der Ionenauswahlvorrichtung zu führen; (g) Wiederholen
der vorhergehenden Schritte (a) bis (f), um die Fragmentionen des
gewählten Masse-Ladung-Verhältnisses, die in der
zweiten Ionenspeichervorrichtung gespeichert sind, anzureichern,
und (g) Übertragen der angereicherten Fragmentionen des
gewählten Masse-Ladung-Verhältnisses zurück zu
der ersten Ionenspeichervorrichtung für eine anschließende
Analyse.
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Wie
vorstehend beschrieben kann ein Ionenausstoß aus der ersten
Ionenspeichervorrichtung und ein Rückeinfangen von Ionen
an dieser Stelle durch separate Ionentransportöffnungen
oder durch dieselbe Ionentransportöffnung stattfinden.
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Ionen
in der ersten Ionenspeichervorrichtung können entweder
in einer separaten Masseanalyseeinrichtung, wie etwa einer Orbitrap,
wie sie in der vorstehend angegebenen
US-A-5,886,346 beschrieben wurde, analysiert werden
oder können stattdessen zurück in die Ionenauswahlvorrichtung
für eine dortige Massenanalyse eingeführt werden.
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Nach
Maßgabe eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren der Massenspektroskopie bereitgestellt, umfassend
Ansammeln von Ionen in einer Ionenfalle, Einführen der
angesammelten Ionen in eine Ionenauswahlvorrichtung, Auswählen
und Ausstoßen einer Untergruppe der Ionen in der Ionenauswahlvorrichtung,
und Speichern der ausgestoßenen Untergruppe von Ionen direkt
zurück in der Ionenfalle ohne eine zwischenzeitliche Ionenspeicherung.
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Andere
bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl von Arten realisiert
werden und eine bevorzugte Ausführungsform wird nun lediglich
beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
wobei in den Zeichnungen:
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1 in
Blockdiagrammdarstellung einen Überblick über
ein Massenspektrometer gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 eine
bevorzugte Implementation des Massenspektrometers der 1,
einschließlich einer elektrostatischen Falle und einer
separaten Fragmentierungszelle, zeigt;
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3 eine
schematische Representation einer besonders geeigneten Anordnung
einer elektrostatischen Falle für die Verwendung mit dem
Massenspektrometer der 2 zeigt;
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4 eine
erste alternative Anordnung eines Massenspektrometers gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine
zweite alternative Anordnung des Massenspektrometers gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine
dritte alternative Anordnung eines Massenspektrometers gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 eine
vierte alternative Anordnung eines Massenspektrometers gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 eine
fünfte alternative Anordnung eines Massenspektrometers
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 eine
Ionenspiegelanordnung zur Vergrößerung der Energieverteilung
von Ionen vor dem Einleiten in die Fragmentierungszelle der 1, 2 und 4–8 zeigt;
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10 eine
erste Ausführungsform einer Ionenverzögerungsanordnung
zum Reduzieren der Energiestreuung vor der Einführung von
Ionen in die Fragmentierungszelle der 1 und 2 sowie 4–8 zeigt;
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11 eine
zweite Ausführungsform einer Ionenverzögerungsanordnung
zum Reduzieren der Energiestreuung vor der Einführung von
Ionen in die Fragmentierungszelle der 1, 2 und 4–8 zeigt;
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12 eine
graphische Darstellung der Energiestreuung von Ionen als eine Funktion
der Schaltzeit einer an die Ionenverzögerungsanordnung
der 10 und 11 angelegten
Spannung zeigt; und
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13 eine
graphische Darstellung einer räumlichen Streuung von Ionen
als eine Funktion der Schaltzeit einer an die Ionenverzögerungsanordnung der 10 und 11 angelegten
Spannung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf
1 ist ein Massenspektrometer
10 in
Blockdiagrammformat gezeigt. Das Massenspektrometer
10 umfasst
eine Ionenquelle
20 zum Erzeugen von Ionen, die einer Massenanalyse
zu unterziehen sind. Die Ionen aus der Ionenquelle
20 werden
in eine Ionenfalle
30 eingeführt, welche beispielsweise
ein gasgefüllter HF-Multipol oder ein gekrümmter
Quadrupol sein kann, wie sie beispielsweise in der
WO-A-05124821 beschrieben
sind. Die Ionen werden in der Ionenfalle
30 gespeichert
und eine Kollisionskühlung der Ionen kann stattfinden,
wie beispielsweise in unserer parallelen Anmeldung Nr.
GB 0506287.2 beschrieben ist, deren
Inhalte hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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In
der Ionenfalle 30 gespeicherte Ionen können dann
mittels Impulsen zu einer Ionenauswahlvorrichtung hin ausgestoßen
werden, welche vorzugsweise eine elektrostatische Falle 40 ist.
Der Impulsausstoß erzeugt schmale Ionenpakete. Diese werden
in der elektrostatischen Falle 40 eingefangen und werden
mehreren Reflexionen darin in einer in Verbindung insbesondere mit 3 nachfolgend
zu beschreibenden Weise unterzogen. Bei jeder Reflexion oder nach
einer bestimmten Anzahl von Reflexionen werden unerwünschte
Ionen durch Impulse aus der elektrostatischen Falle 40 hinausgelenkt,
beispielsweise zu einem Detektor 75 oder zu einer Fragmentierungszelle 50.
Vorzugsweise befindet sich der Ionendetektor 75 nahe an
der Ebene des Flugzeitfokus der Ionenspiegel, wobei die Dauer der
Ionenpakete sich an einem Minimum befindet. Somit werden nur Ionen
von analytischem Interesse in der elektrostatischen Falle 40 gelassen.
Weitere Reflexionen werden fortgesetzt, um die Separation zwischen
benachbarten Massen zu steigern, sodass eine weitere Verschmälerung
des Auswahlfensters erreicht werden kann. Schließlich werden
alle Ionen, welche ein Masse-Ladung-Verhältnis in der Nachbarschaft
des interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisses m/z aufweisen,
eliminiert.
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Nachdem
der Auswahlprozess abgeschlossen ist, werden Ionen aus der elektrostatischen
Falle 40 in die Fragmentierungszelle 50 übertragen,
welche sich außerhalb der elektrostatischen Falle 40 befindet.
Ionen von analytischem Interesse, welche in der elektrostatischen
Falle 40 am Ende der Auswahlprozedur verbleiben, werden
mit ausreichender Energie ausgestoßen, um ihnen zu erlauben,
in der Fragmentierungszelle 50 zu fragmentieren.
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Im
Anschluss an die Fragmentierung in der Fragmentierungszelle werden
Ionenfragmente zurück in die Ionenfalle 30 übertragen.
Hier werden sie gespeichert, sodass in einem weiteren Zyklus eine nächste
Stufe von MS ausgeführt werden kann. In dieser Weise kann
MS/MS oder tatsächlich MSn erzielt
werden.
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Ein
alternatives oder zusätzliches Merkmal der Anordnung der 1 liegt
darin, dass von der elektrostatischen Falle ausgestoßene
Ionen (da sie außerhalb des Auswahlfensters liegen) durch
die Fragmentierungszelle 50 ohne Fragmentierung hindurchgeführt
werden können. Typischerweise könnte dies dadurch
erzielt werden, dass solche Ionen auf eine relativ niedrige Energie
verzögert werden, sodass sie nicht ausreichend Energie
haben, um in der Fragmentierungszelle fragmentiert zu werden. Diese unfragmentierten
Ionen, welche sich außerhalb des Auswahlfensters von mittlerem
Interesse in einem gegebenen Zyklus befinden, können von
der Kollisionszelle 50 weiter zu einer nebengeordneten
Ionenspeichervorrichtung 60. In anschließenden
Zyklen (wenn beispielsweise weitere Massenspektroskopieanalyse der
Fragmentionen, wie vorstehend beschrieben, abgeschlossen wurden)
können die aus der elektrostatischen Falle 40 in
der ersten Phase zurückgewiesenen Ionen (da sie sich außerhalb
des Auswahlfensters des vorherigen Interesses befinden) von der
nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 zu der Ionenfalle 30 für
eine separate Analyse übertragen werden.
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Ferner
kann die nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 dafür
verwendet werden, die Anzahl an Ionen eines bestimmten Masse-Ladung-Verhältnisses
zu vergrößern, insbesondere dann, wenn diese Ionen
eine relativ niedrige Häufigkeit in der zu analysierenden
Probe aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Fragmentierungsvorrichtung
in dem Nichtfragmentierungsmodus verwendet wird und die elektrostatische
Falle dazu eingestellt wird, nur Ionen eines bestimmten Masse-Ladung-Verhältnisses,
welches von Interesse, jedoch von begrenzter Häufigkeit
ist, durchtreten zu lassen. Diese Ionen werden in der nebengeordneten
Ionenspeichervorrichtung 60 gespeichert, werden jedoch
durch zusätzliche Ionen dieses gleichen, gewählten
Masse-Ladung-Verhältnisses vermehrt, welche von der elektrostatischen
Falle ausgewählt und ausgestoßen wurden, und zwar
unter Verwendung ähnlicher Kriterien in nachfolgenden Zyklen.
Ionen mehrerer m/z Verhältnisse könnten ebenfalls
zusammen gespeichert werden, z. B. durch die Verwendung verschiedener
Ausstöße aus der Falle 40 mit unterschiedlichem
m/z.
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Selbstverständlich
können entweder die zuvor unerwünschten Precursorionen
oder diejenigen Precursorionen, welche von Interesse sind, jedoch
in der Probe eine niedrige Häufigkeit aufweisen und somit
zuerst vermehrt werden müssen, der anschließenden
Fragmentierung für MSn unterzogen
werden. In diesem Fall könnte die nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 zuerst
ihre Inhalte in die Fragmentierungszelle 50 ausstoßen,
anstatt dass sie ihre Inhalte direkt zurück zu der Ionenfalle 30 überträgt.
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Die
Massenanalyse von Ionen kann an verschiedenen Orten und in verschiedener
Weise stattfinden. Beispielsweise können in der Ionenfalle
gespeicherte Ionen in der elektrostatischen Falle 40 einer
Massenanalyse unterzogen werden (mehr Details davon sind nachfolgend
im Zusammenhang mit 2 ausgeführt). Zusätzlich
oder alternativ kann eine separate Massenanalyseeinrichtung 70 in
Verbindung mit der Ionenfalle 30 vorgesehen sein.
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Es
wird sich nun 2 zugewandt, in welcher eine
bevorzugte Ausführungsform eines Massenspektrometers 10 detaillierter
gezeigt ist. Die in 2 gezeigte Ionenquelle 20 ist
eine Impulslaserquelle (vorzugsweise eine Matrix-unterstützte
Laserdesorption-Ionisation-(MALDI)-Quelle, in welcher Ionen durch
Einstrahlung von einer Impulslaserquelle 22 erzeugt werden).
Es könnte jedoch gleichermaßen eine kontinuierliche
Ionenquelle, wie etwa eine Umgebungsdruck-Elektrosprühquelle,
eingesetzt werden.
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Zwischen
der Ionenfalle
30 und der Ionenquelle
20 ist eine
Vorfalle
24 vorgesehen, welche beispielsweise ein segmentierter,
gasgefüllter Nur-HF-Multipol ("RF-only") ist. Wenn die
Vorfalle gefüllt ist, so werden darin enthaltene Ionen über
eine Linsenanordnung
26 in die Ionenfalle
30 übertragen, welche
in der bevorzugten Ausführungsform ein gasgefüllter,
linearer Nur-HF-Quadrupol ist. Die Ionen werden in der Ionenfalle
30 gespeichert,
bis das HF abgeschaltet wird und eine Gleichspannung über
die Stäbe angelegt wird. Diese Technik ist im Detail in
unseren parallelen Anmeldungen, veröffentlicht als
GB-A-2,415,541 und
WO-A-2005/124821 dargelegt, deren
Details in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen sind.
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Der
angelegte Spannungsgradient beschleunigt Ionen durch Ionenoptikeinrichtungen
32,
welche optional ein Gitter oder eine Elektrode
34 enthalten kann,
die dafür eingerichtet ist, Ladung zu messen. Das Ladungsmessgitter
34 erlaubt
die Abschätzung der Anzahl von Ionen. Es ist wünschenswert,
eine Abschätzung der Anzahl an Ionen zu erhalten, da im Falle,
dass zu viele Ionen vorhanden sind, die entstehende Massenverschiebung
schwierig zu kompensieren sein könnte. Wenn daher die Ionenzahl
eine vorbestimmte Grenze überschreitet (abgeschätzt
unter Verwendung des Gitters
34), so können alle
Ionen verworfen werden und eine Akkumulation von Ionen in der Vorfalle
24 kann
wiederholt werden, mit einer proportional verringerten Anzahl von
Impulsen von dem Impulslaser
22 und/oder einer proportional
kürzeren Dauer der Akkumulation. Andere Techniken zur Steuerung/Regelung
der Anzahl an eingefangenen Ionen könnten eingesetzt werden,
wie etwa die beispielsweise in
US-A-5,572,022 beschriebenen.
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Nach
der Beschleunigung durch die Ionenoptikeinrichtungen 32 werden
die Ionen in kurzen Paketen zwischen 10 und 100 ns Länge
für jedes m/z fokussiert und treten in die Massenauswahleinrichtung 40 ein.
Verschiedene Formen von Ionenauswahlvorrichtungen können
eingesetzt werden, wie aus dem Folgenden ersichtlich wird. Wenn
die Ionenauswahlvorrichtung beispielsweise eine elektrostatische
Falle ist, so sind die spezifischen Details dieser für
die Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise
kann die elektrostatische Falle, falls sie verwendet wird, offen
oder geschlossen sein, mit zwei oder mehreren Ionenspiegeln oder
elektrischen Sektoren und mit oder ohne Umlauf. Eine zur Zeit einfache
und bevorzugte Anordnung einer elektrostatischen Falle, welche die
Ionenauswahlvorrichtung 40 bildet, ist in 3 gezeigt.
Diese einfache Anordnung umfasst zwei elektrostatische Spiegel 42, 44 und
zwei Modulatoren 46, 48, welche Ionen entweder
auf einem wiederkehrenden Pfad halten oder diese außerhalb
dieses Pfads ablenken. Die Spiegel können entweder von
einer kreisförmigen oder einer parallelen Platte gebildet
werden. Wenn die Spannungen an den Spiegeln statisch sind, so können
sie mit sehr hoher Genauigkeit gehalten werden, was für Stabilität
und Massengenauigkeit innerhalb der elektrostatischen Falle 40 von
Vorteil ist.
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Die
Modulatoren 46, 48 sind typischerweise ein kompaktes
Paar von Öffnungen, über welche gepulste oder
statische Spannungen angelegt sind, im Normalfall mit Schutzplatten
auf beiden Seiten, um Randeinschnürungsfelder zu steuern/zu
regeln. Spannungsimpulse mit Anstiegs- und Abfallzeiten von weniger
als 10–100 ns (gemessen zwischen 10% und 90% des Spitzenwerts)
und Amplituden bis zu wenigen hundert Volt sind für die
hochauflösende Auswahl von Precursorionen bevorzugt. Vorzugsweise
befinden sich beide Modulatoren 46 und 48 in den Ebenen
der Flugzeitfokussierung der entsprechenden Spiegel 42, 44,
welche wiederum vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, mit
dem Zentrum der elektrostatischen Falle 40 zusammenfallen.
Typischerweise werden Ionen durch Bildstromerfassung detektiert
(welche an sich eine gut bekannte Technik ist und daher nicht weiter
beschrieben wird).
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Es
wird nun zu 2 zurückgekehrt. Nach einer
ausreichenden Anzahl von Reflexionen und Spannungsimpulsen innerhalb
der elektrostatischen Falle 40 verbleibt nur ein schmaler
interessierender Massenbereich in der elektrostatischen Falle 40,
sodass die Precursorionenauswahl abgeschlossen ist. Ausgewählte
Ionen in der EST 40 werden dann auf einen Pfad abgelenkt,
der verschieden ist von ihrem Eintrittspfad und welcher zu der Fragmentierungszelle 50 führt,
oder die Ionen können alternativ zu dem Detektor 75 geführt
werden. Vorzugsweise wird diese Ablenkung zu der Fragmentierungszelle
durch eine Ionenverzögerungsanordnung 80 ausgeführt,
welche nachfolgend in weiterem Detail in Verbindung mit 9 bis 13 beschrieben
wird. Die letztendliche Energie der Kollisionen innerhalb der Fragmentierungszelle 50 kann
durch geeignete Vorspannung des Gleichspannungs-Offset an der Fragmentierungszelle 50 eingestellt
werden.
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Vorzugsweise
ist die Fragmentierungszelle 50 ein segmentierter Nur-HF-Multipol
mit axialem Gleichspannungsfeld, das entlang seiner Segmente erzeugt
wird. Bei geeigneter Gasdichte in der Fragmentierungszelle (Details
nachfolgend) und Energie (welche typischerweise zwischen 30 und
50 V/kDa liegt), werden Ionenfragmente durch die Zelle wieder zu
der Ionenfalle 30 hin transportiert. Alternativ oder gleichzeitig
könnten Ionen innerhalb der Fragmentierungszelle 50 gefangen
werden und könnten dann unter Verwendung anderer Typen
von Fragmentierung fragmentiert werden, wie etwa durch Elektronenübertragungsdissoziation
(Electron Transfer Dissociation, ETD), Elektroneneinfangdissoziation (Electron
Capture Dissociation, ECD), oberflächeninduzierte Dissoziation
(Surface-induced Dissociation, SID), photoinduzierte Dissoziation
(Photo-induced Dissociation, PID) usw.
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Wenn
die Ionen wieder in der Ionenfalle 30 gespeichert sind,
so sind sie für eine weitere Übertragung zu der
elektrostatischen Falle 40 hin für eine weitere
Stufe von MSn oder zur elektrostatischen
Falle 40 für eine dortige Massenanalyse oder alternativ zu
der Massenanalyseeinrichtung 70, welche ein Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer
oder eine HF-Ionenfalle oder ein FT ICR oder, wie in 2 gezeigt,
ein Orbitrap-Massenspektrometer sein kann, bereit. Vorzugsweise
weist die Massenanalyseeinrichtung 70 ihre eigenen automatischen
Verstärkungssteuer/regel-(AGC)-Möglichkeiten auf,
um die Raumladung zu begrenzen oder zu regulieren. In der Ausführungsform
der 2 wird dies durch ein Elektrometergitter 90 am
Eingang der Orbitrap 70 ausgeführt.
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Ein
optionaler Detektor 75 kann in einem der Austrittswege
von der elektrostatischen Falle 40 angeordnet werden. Dies
kann für eine Reihe von Zwecken verwendet werden. Zum Beispiel
kann der Detektor für eine genaue Steuerung/Regelung der
Anzahl an Ionen während einer Vorabtastung eingesetzt werden
(d. h. eine automatische Verstärkungssteuerung/regelung),
mit Ionen, die direkt von der Ionenfalle 30 ankommen. Zusätzlich
oder alternativ können die Ionen außerhalb des
interessierenden Massefensters (mit anderen Worten unerwünschte
Ionen von der Ionenquelle, wenigstens in dem Zyklus der Massenanalyse)
unter Verwendung des Detektors erfasst werden. Als weitere Alternative
kann der ausgewählte Massenbereich in der elektrostatischen Falle 40 mit
hoher Auflösung erfasst werden, und zwar in der Folge von
mehreren Reflexionen in der EST, wie vorstehend beschrieben. Noch
eine weitere Modifikation kann die Erfassung von schweren, einfach
geladenen Molekülen, wie etwa Proteine, Polymere und DNA's
mit geeigneten Nachbeschleunigungsstufen enthalten. Lediglich beispielhaft
kann der Detektor ein Elektronenvervielfacher oder eine Mikrokanal-/Mikrokugelplatte
sein, welche einfache Ionenempfindlichkeit aufweist und für
die Erfassung von schwachen Signalen verwendet werden kann. Alternativ
kann der Detektor ein Kollektor sein und kann somit sehr starke
Signale (potenziell mehr als 104 Ionen in
einem Spitzenwert) messen. Mehr als ein Detektor könnte
eingesetzt werden, wobei Modulatoren die Ionenpakete nach Maßgabe
der Spektralinformation, welche beispielsweise aus dem vorherigen
Aufnahmezyklus erhalten wurde, zu dem einen oder zu dem anderen
lenken.
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4 illustriert
eine Anordnung, welche im Wesentlichen ähnlich der Anordnung
der 2 ist, wenngleich einige bestimmte Unterschiede
vorhanden sind. An sich bezeichnen gleiche Bezugszeichen Teile,
die den Anordnungen der 2 und 4 gemeinsam
sind.
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Die
Anordnung der 4 umfasst wiederum eine Ionenquelle 20,
welche Ionen einer Vorfalle zuführt, welche in der Ausführungsform
der 4 eine nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 ist. Stromabwärts
dieser Vorfalle bzw. nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 sind
eine Ionenfalle 30 (welche in der bevorzugten Ausführungsform
eine gekrümmte Falle ist) und eine Fragmentierungszelle 50 angeordnet.
Im Gegensatz zur Anordnung der 2 ordnet
die Anordnung der 4 jedoch die Fragmentierungszelle
zwischen der Ionenfalle 30 und der nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 an,
d. h. auf der "Quelle"-Seite der Ionenfalle, anstatt zwischen der
Ionenfalle und der elektrostatischen Falle gemäß der
Position in 2.
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In
Verwendung sammeln sich Ionen in der Ionenfalle 30 an und
werden dann in orthogonaler Richtung aus dieser durch Ionenoptikeinrichtungen 32 zu
einer elektrostatischen Falle 40 ausgestoßen. Ein
erster Modulator/Ablenker 100 stromabwärts der Ionenoptikvorrichtungen 32 lenkt
die Ionen von der Ionenfalle 30 in die EST 40.
Ionen werden entlang der Achse der EST 40 reflektiert und
nach der dortigen Ionenauswahl werden sie zurück in die
Ionenfalle 30 ausgestoßen. Um die Ionenführung
in diesem Prozess zu unterstützen, kann ein optionaler
elektrischer Sektor (wie etwa ein torusförmiger oder zylindrischer
Kondensator) 110 eingesetzt werden. Eine Verzögerungslinse
befindet sich zwischen dem elektrischen Sektor 110 und
dem Rückführpfad in die Ionenfalle 30.
Eine Verzögerung kann impulsförmige elektrische
Felder verwenden, wie vorstehend beschrieben.
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Aufgrund
des niedrigen Drucks in der Ionenfalle 30 fliegen Ionen,
welche an dieser Falle 30 wieder ankommen, durch diese
hindurch und fragmentieren in der Fragmentierungszelle 50,
welche sich zwischen dieser Ionenfalle 30 und der nebengeordneten
Ionenspeichervorrichtung 60 befindet (d. h. auf der Ionenquellenseite
der Ionenfalle 30). Die Fragmente werden dann in der Ionenfalle 30 gefangen.
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Wie
in 2 wird eine Orbitrap-Massenanalyseeinrichtung 70 eingesetzt,
um eine genaue Massenanalyse von aus der Ionenfalle 30 bei
irgendeiner gewählten Stufe von MSn ausgestoßenen
Ionen zu erlauben. Die Massenanalyseeinrichtung 70 befindet sich
stromabwärts der Ionenfalle (d. h. auf der gleichen Seite
der Ionenfalle wie die EST 40), und eine zweite Ablenkeinrichtung 120 leitet
("gates") Ionen entweder zu der EST 40 über die
erste Ablenkeinrichtung 100 oder in die Massenanalyseeinrichtung 70.
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Andere
in 4 gezeigte Bauteile sind Nur-HF-Transportmultipol,
welche als Schnittstelle zwischen den verschiedenen Stufen der Anordnung dienen,
wie der Fachmann gut verstehen wird. Zwischen der Ionenfalle 30 und
der Fragmentierungszelle 50 kann sich auch eine Ionenverzögerungsanordnung
befinden (siehe nachfolgende 9–13).
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5 zeigt
eine weitere alternative Anordnung zu der in 2 und 4 und
gleiche Komponenten sind wieder mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Anordnung der 5 ist dahingehend ähnlich
der der 2, dass Ionen durch eine Ionenquelle 20 erzeugt
werden und dann durch eine Vorfalle und eine nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 hindurchtreten
(oder diese umgehen), bevor sie in einer Ionenfalle 30 gespeichert
werden. Ionen werden orthogonal aus der Ionenfalle 30 ausgestoßen,
und zwar durch Ionenoptikvorrichtungen 32, und werden durch
einen ersten Modulator/Ablenkeinrichtung 100 auf die Achse
einer EST 40 abgelenkt, wie in 4.
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Im
Gegensatz zu 4 können jedoch als Alternative
zur Ionenauswahl in der EST 40 Ionen stattdessen durch
den Modulator/Ablenkeinrichtung 100 in einen elektrischen
Sektor 110 abgelenkt werden und von dort über
eine Ionenverzögerungsanordnung 80 in eine Fragmentierungszelle 50.
Somit befindet sich (im Gegensatz zu 4) die Fragmentierungszelle 50 nicht
auf der Quellenseite der Ionenfalle 30. Nach dem Ausstoß aus
der Fragmentierungszelle 50 treten die Ionen durch einen
gekrümmten Transportmultipol 130 und anschließend
einen linearen Nur-HF-Transportmultipol 140 zurück
in die Ionenfalle 30. Eine Orbitrap oder eine andere Massenanalyseeinrichtung 70 ist
wiederum vorgesehen, um eine genaue Massenanalyse in jeder Stufe
der MSn zu erlauben.
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6 zeigt
noch eine weitere alternative Anordnung, welche im Konzept im Wesentlichen
identisch mit der Anordnung der 2 ist, mit
der Ausnahme, dass die EST 40 nicht vom in 3 illustrierten
"geschlossenen" Fallentyp ist, jedoch stattdessen vom offenen Typ
ist, wie er in den in der vorstehenden Einleitung angegebenen Dokumenten
beschrieben ist.
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Genauer
gesagt umfasst das Massenspektrometer der 6 eine Ionenquelle 20,
welche eine Zuführung von Ionen zu einer Vorfalle bzw.
einem nebengeordneten Ionenspeicher 60 bereitstellt (weitere Ionenoptikvorrichtungen
sind in 6 aufgezeigt, jedoch nicht bezeichnet).
Stromabwärts der Vorfalle bzw. der nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 ist
eine weitere Ionenspeichervorrichtung, welche in der Anordnung der 6 wiederum
eine gekrümmte Ionenfalle 30 ist. Ionen werden
aus der gekrümmten Falle 30 durch Ionenoptikvorrichtungen 32 in
einer orthogonalen Richtung zu einer EST 40' hin ausgestoßen,
wo die Ionen mehrere Reflexionen erfahren. Ein Modulator/Ablenkreinrichtung 100' befindet
sich in Richtung des "Exit" der EST 40' und dies erlaubt
es den Ionen, entweder in einen Detektor 150 oder über
einen elektrischen Sektor 110 und eine Ionenverzögerungsanordnung 80 in
eine Fragmentierungszelle 50 abgelenkt zu werden. Von hier
aus können Ionen erneut zurück in die Ionenfalle 30 eingegeben
werden, und zwar erneut durch eine Eingangsöffnung, welche
verschieden ist von der Austrittsöffnung, durch welche
die Ionen auf ihrem Weg zu der EST 40' hindurchgetreten
sind. Die Anordnung der 6 umfasst außerdem
zugeordnete Ionenoptikvorrichtungen, dies ist aus Gründen
der Klarheit in dieser Figur jedoch nicht gezeigt.
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In
einer Alternative kann die EST
40' der
6 parallele
Spiegel (siehe z. B.
WO-A-2005/001878 )
oder längliche elektrische Sektoren (siehe z. B.
US-A-2005/0103992 )
einsetzen. Kompliziertere Formen oder Trajektoren oder optische
EST-Ioneneinrichtungen könnten verwendet werden.
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7 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform eines Massenspektrometers
nach Maßgabe von Aspekten der vorliegenden Erfindung. Wie
in 4 umfasst das Spektrometer eine Ionenquelle 20,
welche Ionen einer Vorfalle zuführt, welche, wie in der
Ausführungsform der 4, eine
nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 ist. Stromabwärts dieser
Vorfalle bzw. nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 ist
eine Ionenfalle 30 (welche in der bevorzugten Ausführungsform
eine gekrümmte Falle ist) und eine Fragmentierungszelle 50.
Die Fragmentierungszelle 50 könnte sich auf beiden
Seiten der Ionenfalle 30 befinden, wenngleich in der Ausführungsform
der 7 die Fragmentierungszelle 50 zwischen
der Ionenquelle 20 und der Ionenfalle 30 gezeigt
ist. Wie in den vorherigen Ausführungsformen befindet sich
eine Ionenverzögerungsanordnung 80 vorzugsweise
zwischen der Ionenfalle 30 und der Fragmentierungszelle 50.
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Bei
der Verwendung treten Ionen über eine Ioneneintrittsöffnung 28 in
die Ionenfalle 30 ein und werden in der Ionenfalle 30 akkumuliert.
Sie werden dann durch eine Austrittsöffnung 29,
welche von der Eintrittsöffnung 28 separat ist,
orthogonal zu einer elektrostatischen Falle 40 ausgestoßen.
In der in 7 gezeigten Anordnung ist die
Austrittsöffnung in einer zur Richtung des Ionenausstoßes
im Wesentlichen senkrechten Richtung länglich ausgebildet
(d. h. die Austrittsöffnung 29 ist schlitzartig).
Die Ionenposition innerhalb der Falle 30 wird so gesteuert/geregelt,
dass die Ionen durch eine Seite (die linke Seite in 7)
der Austrittsöffnung 29 austreten. Die Steuerung/Regelung
der Position der Ionen innerhalb der Ionenfalle kann durch eine
Vielzahl von Arten erreicht werden, wie etwa durch Anlagen von abweichenden
Spannungen an Elektroden (nicht gezeigt) an den Enden der Ionenfalle 30.
In einer speziellen Ausführungsform können Ionen
in einer kompakten zylindrischen Verteilung von der Mitte der Ionenfalle 30 aus
ausgestoßen werden, während sie als eine wesentlich
längere zylindrische Verteilung (als Ergebnis von Divergenz
und Abberationen innerhalb des Systems) einer wesentlich größeren
Winkelgröße wieder eingefangen werden.
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Modifizierte
Ionenoptikvorrichtungen 32' befinden sich stromabwärts
des Austritts aus der Ionenfalle 30 und stromabwärts
davon lenkt ein erster Modulator/Ablenkeinrichtung 100'' die
Ionen in die EST 40. Ionen werden entlang der Achse der
EST 40 reflektiert. Als eine Alternative zu der Führung
der Ionen von der Ionenfalle 30 in die EST 40 können
die Ionen stattdessen durch eine Ablenkeinrichtung 100'' stromabwärts
der Ionenoptikvorrichtungen 32' in eine Orbitrap-Massenanalyseeinrichtung 70 oder
dgl. abgelenkt werden.
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In
der Ausführungsform der 7 arbeitet die
Ionenfalle 30 sowohl als Verzögerungseinrichtung
als auch als eine Ionenauswahleinrichtung. Das (Gleichspannungs-)
Extraktionspotenzial über der Ionenfalle 30 wird
abgeschaltet und das (HF-) Einfangpotenzial wird eingeschaltet,
und zwar exakt an dem Zeitpunkt, an welchem interessierende Ionen
nach ihrer Rückkehr von der EST 40 in der Ionenfalle 30 zur
Ruhe kommen. Für einen Eintritt und einen Ausstoß aus
der EST 40 werden die Spannungen an dem Spiegel innerhalb
der EST 40 (3), welcher am nächsten
an den Linsen liegt, impulsförmig abgeschaltet. Nachdem
interessierende Ionen in der Ionenfalle 30 eingefangen
wurden, werden sie zu der Fragmentierungszelle 50 auf einer/jeder
Seite der Ionenfalle 30 hin beschleunigt, wobei Fragmentionen erzeugt
und dann eingefangen werden. Im Anschluss daran können
die Fragmentionen erneut zu der Ionenfalle 30 übertragen
werden.
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Wenn
Ionen von einer ersten Seite eines länglichen Schlitzes
aus ausgestoßen werden und an oder in Richtung einer zweiten
Seite eines solchen Schlitzes wieder eingefangen werden, so ist
der Pfad des Ausstoßes aus einer solchen Ionenfalle 30 nicht parallel
zum Pfad des erneuten Einfangens in diese Falle 30. Dies
wiederum kann die Einführung der Ionen in die EST 40 bei
einem Winkel relativ zur Längsachse dieser EST 40 erlauben,
wie in den Ausführungsformen der 4 und 5 gezeigt
ist.
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Wenngleich
eine einzelne, schlitzartige Austrittsöffnung 29 in 7 gezeigt
ist, wobei Ionen aus dieser zu einer ersten Seite dieses Schlitzes
hin austreten, jedoch von der EST 40 über die
andere Seite dieses Schlitzes zurückempfangen werden, könnten selbstverständlich
zwei (oder mehrere) separate, jedoch allgemein benachbarte Transportöffnungen (welche
dann in der Richtung orthogonal zur Flugrichtung der durch diese
laufenden Ionen länglich sein könnten oder auch
nicht) stattdessen verwendet werden, wobei Ionen über eine
erste dieser Transportöffnungen austreten, jedoch über
eine benachbarte Transportöffnung in die Ionenfalle 30 wieder eintreten.
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Tatsächlich
könnte die schlitzartige Austrittsöffnung 29 der 7 nicht
nur in separate Transportöffnungen unterteilt werden, die
in einer zur Flugrichtung der Ionen während Ausstoß und
Eintritt im Wesentlichen orthogonalen Richtung in Abständen
voneinander angeordnet sind, sondern die gekrümmte Ionenfalle 30 der 7 könnte
selbst in separate Segmente unterteilt werden. Eine solche Anordnung ist
in 8 gezeigt.
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Die
Anordnung der 8 ist dahingehend sehr ähnlich
der der 7, dass das Sepktrometer eine
Ionenquelle 20 umfasst, welche Ionen einer Vorfalle zuführt,
die eine nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 ist.
Stromabwärts dieser Vorfalle bzw. dieser nebengeordneten
Ionenspeichervorrichtung 60 ist eine Ionenfalle 30 (nachfolgend
im Detail zu beschreiben) und eine Fragmentierungszelle 50. Wie
bei der Anordnung der 7 könnte die Fragmentierungszelle 50 in 8 auf
jeder Seite der Ionenfalle 30' angeordnet sein, wenngleich
in der Ausführungsform der 8 die Fragmentierungszelle 50 zwischen
der Ionenquelle 20 und der Ionenfalle 30' gezeigt
ist, wobei die Ionenfalle 30' und die Fragmentierungszelle 50 durch
eine optische Ionenverzögerungsanordnung 80 getrennt
sind.
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Stromabwärts
der Ionenfalle 30 befindet sich ein erster Modulator/Ablenkungseinrichtung 100''', welche
die Ionen in die EST 40 von einer nicht axialen Richtung
her einführt. Ionen werden entlang der Achse der EST 40 reflektiert.
Um die Ionen aus der EST 40 zurück in die Ionenfalle
30 auszugeben, wird ein zweiter Modulator/Ablenkungseinrichtung 100''' in
der EST 40 verwendet. Als eine Alternative zu der Führung
der Ionen von der Ionenfalle 30 in die EST 40 können
die Ionen stattdessen durch die Ablenkungseinrichtung 100''' in
eine Orbitrap-Massenanalyseeinrichtung 70 oder dgl. abgelenkt
werden.
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Die
gekrümmte Ionenfalle 30' umfasst in der Ausführungsform
der 8 drei miteinander verbundene Segmente 36, 37, 38.
Das erste und das dritte Segment 36, 38 weisen
jeweils eine Ionentransportöffnung auf, sodass Ionen über
die erste Transportöffnung in dem ersten Segment 36 aus
der Ionenfalle 30' in die EST 40 ausgestoßen
werden, jedoch über eine zweite, räumlich getrennte
Transportöffnung in dem dritten Segment 38 zurück
in der Ionenfalle 30' empfangen werden. Um dies zu erreichen,
kann dieselbe HF-Spannung an jedes Segment der Ionenfalle 30' angelegt
werden (sodass in diesem Sinne die Ionenfalle 30 als eine
einzelne Falle wirkt, obwohl die einzelnen Fallenabschnitte 36, 37, 38 vorhanden sind),
wobei jedoch an jeden Abschnitt unterschiedliche Gleichspannung-Offsets
angelegt werden, sodass die Ionen nicht zentral in der axialen Richtung der
gekrümmten Ionenfalle 30' verteilt werden. Bei der
Verwendung werden Ionen der Ionenfalle 30 gespeichert.
Durch geeignete Einstellung der an die Ionenfallensegmente 36, 37, 38 angelegten
Gleichspannung wird bewirkt, dass Ionen die Ionenfalle 30' über
das erste Segment 36 verlassen, um außerhalb der
Achse in die EST 40 eingegeben zu werden. Die Ionen kehren
zu der Ionenfalle 30' zurück und treten über
die Öffnung in das dritte Segment 38 ein.
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Durch
Beibehaltung der Gleichspannung an dem ersten und dem zweiten Segment 36 und 37 bei einer
niedrigeren Amplitude als der an das dritte Segment 38 angelegten
Gleichspannung können die Ionen, wenn sie von der EST 40 aus
wieder eingefangen werden, entlang der gekrümmten Achse
der Ionenfalle 30' beschleunigt werden (z. B. durch 30–50 eV/kDa),
sodass sie einer Fragmentierung unterzogen werden. Auf diese Weise
kann die Ionenfalle 30' sowohl als eine Falle als auch
als eine Fragmentierungsvorrichtung arbeiten.
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Die
resultierenden Fragmentionen werden dann in dem ersten Segment 36 gekühlt
und verdichtet, indem der Gleichspannungs-Offset an dem zweiten
und dem dritten Segment 37, 38 relativ zur Spannung
am ersten Segment 36 erhöht wird.
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Für
einen optimalen Betrieb erfordern Fragmentierungsvorrichtungen insbesondere,
dass die Streuung der Energien der Ionen, die in diese eingeführt
werden, gut definiert ist, z. B. mit einer Genauigkeit von ungefähr
10–20 eV, da höhere Energien zu Massenfragmenten
von nur geringer Masse führen, während niedrigere
Energien eine geringe Fragmentierung bewirken. Eine Vielzahl existierender
Massenspektrometeranordnungen, sowie auch die neuartigen Anordnungen,
die in den Ausführungsformen der 1 bis 7 hier
beschrieben wurden, führen jedoch zu einer Energiestreuung
der an der Fragmentierungszelle ankommenden Ionen, die diesen gewünschten
schmalen Bereich weit überschreitet. Zum Beispiel können
in der Anordnung der 1 bis 7 die Ionen
in der Ionenfalle 30, 30' eine Energiestreuung aufweisen,
und zwar aufgrund einer räumlichen Streuung darin, aufgrund
von Raumladungseffekten (z. B. Coulomb-Expansion während
mehrerer Reflexionen) in der EST 40 und aufgrund des akkumulierten
Effekts von Abberationen in dem System.
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Folglich
ist eine gewisse Energiekompensation wünschenswert. 9 bis 11 zeigen
einige spezifische, jedoch schematische Beispiele von Teilen einer
Ionenverzögerungsanordnung 80 zum Erreichen dieses
Ziels und 12 und 13 zeigen eine
Energiestreuungsreduzierung und einer räumlichen Streuung
für eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter, die auf
solche Ionenverzögerungsanordnungen angewandt wurden.
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Um
ein geeignetes Maß an Energiekompensation zu erreichen,
ist es wünschenswert, die Ionenenergieverteilung zu erhöhen.
Mit anderen Worten ist die Strahldicke für einen hypothetischen,
monoenergetischen Ionenstrahl vorzugsweise kleiner als die Separation
zweier solcher hypothetischer, monoenergetischer Ionenstrahlen,
und zwar um die gewünschte Energiedifferenz von 10–20
eV, wie vorstehend erläutert. Obwohl ein Grad an Energieverteilung
natürlich durch physikalische Trennung der Fragmentierungszelle 50 von
der Ionenfalle 30 oder der EST 40 um einen signifikanten
Abstand (sodass die Ionen mit der Zeit dispergieren können)
erzielt werden, eine solche Anordnung wird jedoch nicht bevorzugt,
da sie die Gesamtgröße des Massenspektrometers
erhöht, zusätzliches Pumpen erfordert usw.
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Stattdessen
ist es bevorzugt, eine spezielle Anordnung vorzusehen, um eine bewusste
Energieverteilung ohne übermäßige Vergrößerung
des Abstands zwischen der Fragmentierungszelle 50 und der
stromaufwärts davon angeordneten Komponente des Massenspektrometers
(Ionenfalle 30 oder EST 40) zu erlauben. 9 zeigt
eine geeignete Vorrichtung. In 9 ist eine
Ionenspiegelanordnung 200, welche einen optionalen Teil
der hochgradig schematisch dargestellten Ionenverzögerungsanordnung 80 der 2 bis 7 bildet,
gezeigt. Die Ionenspiegelanordnung 200 umfasst ein Feld
von Elektroden 210, welche in einer flachen Spiegelelektrode 220 enden.
Ionen werden in die Ionenspiegelanordnung von der EST 40 aus
eingeführt und werden durch die flache Spiegelelektrode 220 reflektiert,
was zu einer vergrößerten Verteilung der Ionen
zu dem Zeitpunkt führt, wenn diese aus der Ionenspiegelanordnung wieder
austreten und an der Fragmentierungszelle 50 ankommen.
Eine alternative Lösung zur Bereitstellung einer Energieverteilung
ist in 11 gezeigt und wird nachfolgend
weiter beschrieben.
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Wenn
der Grad an Energieverteilung, beispielsweise mit der Ionenspiegelanordnung 200 der 9,
vergrößert wurde, so werden die Ionen als Nächstes
verzögert. Allgemein kann dies durch Anlegen einer impulsförmigen
Gleichspannung an eine Verzögerungselektrodenanordnung
erreicht werden, wie sie in 10 illustriert
und mit 250 bezeichnet ist. Die Verzögerungselektrodenanordnung 250 der 10 umfasst
ein Feld von Elektroden mit einer Eingangselektrode 260 und
einer Austrittselektrode 270, zwischen welchen eine Masseelektrode 280 angeordnet
ist. Vorzugsweise sind die Eintritts- und Austrittselektroden mit
Differentialpumpabschnitten kombiniert, um den Druck zwischen der
(stromaufwärts angeordneten) Ionenspiegelanordnung 200 mit einem
relativ niedrigen Druck, der Verzögerungselektrodenanordnung 250 bei
einem mittleren Druck und dem relativ höheren Druck, der
von der (stromabwärts angeordneten) Fragmentierungszelle 50 benötigt
wird, allmählich zu reduzieren. Lediglich als Beispiel
kann die Ionenspiegelanordnung 200 bei einem Druck von
ungefähr 10–8 mbar betrieben
werden, die Verzögerungselektrodenanordnung 250 kann
eine niedrigere Druckgrenze von ungefähr 10–5 mbar
aufweisen, welche über Differentialpumpen auf ungefähr 10–4 mbar ansteigt, wobei in der Fragmentierungszelle 50 ein
Druck im Bereich von 10–3 bis 10–2 mbar oder dgl. vorliegt. Um zwischen
dem Ausgang der Verzögerungselektrodenanordnung 250 und
der Fragmentierungszelle 50 pumpen zu können,
könnte ein zusätzlicher Nur-HF-Multipol, wie etwa
am stärksten bevorzugt eine Oktapol-HF-Vorrichtung, verwendet werden.
Dies ist in 11 gezeigt, welche weiter unten
beschrieben wird.
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Um
eine Verzögerung zu erreichen, werden Gleichspannungen
an einer oder beiden der Linsen 260, 270 geschaltet.
Die Zeit, zu der dies auftritt, hängt ab von dem spezifischen
Masse-Ladung-Verhältnis der interessierenden Ionen. Insbesondere dann,
wenn Ionen in ein elektrisches Verzögerungsfeld eintreten, überholen
Ionen höherer Energie Ionen niedrigerer Energie und bewegen
sich somit bis zu einer größeren Tiefe in das
Verzögerungsfeld hinein. Nachdem alle Ionen dieses bestimmten
m/z-Verhältnisses in das Verzögerungsfeld eingetreten
sind, wird das Feld abgeschaltet. Daher erfahren Ionen mit anfänglich
höherer Energie einen höheren Potenzialabfall
bezüglich dem Massepotenzial als die Ionen niedrigerer
Energie, wodurch ihre Energien angeglichen werden. Durch Anpassen
des Potenzialabfalls an die Energiestreuung beim Eintritt von der
Massenauswahleinrichtung kann eine signifikante Reduzierung der
Energiestreuung erzielt werden.
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Es
ist verständlich, dass diese Technik eine Energiekompensation
für Ionen eines bestimmten Bereichs von Masse-Ladung-Verhältnissen
und nicht für einen undefiniert breiten Bereich von unterschiedlichen
Masse-Ladung-Verhältnissen erlaubt. Dies liegt daran, dass
in einer begrenzten Verzögerungslinsenanordnung nur Ionen
eines bestimmten Bereichs von Masse-Ladung-Verhältnissen
einen Betrag an Verzögerung erfahren, der ihrer Energiestreuung
angepasst werden kann. Jegliche Ionen mit Masse-Ladung-Verhältnissen,
die von den ausgewählten abweichen, werden selbstverständlich
entweder außerhalb der Verzögerungslinse sein,
wenn diese geschaltet wird, oder gleichermaßen einen Grad
von Verzögerung erfahren; da sie jedoch ein stark abweichendes
Masse-Ladung-Verhältnis aufweisen, wird der Betrag der
Verzögerung nicht durch die anfängliche Energiestreuung
aufgehoben werden, d. h. die Verzögerung und Eindringtiefe
von Ionen höherer Energie wird dann nicht zur Verzögerung
und Eindringtiefe der Ionen niedrigerer Energie passen. Trotz dieser
Tatsache wird der Fachmann verstehen, dass damit nicht die Einführung
von Ionen stark abweichender Masse-Ladung-Verhältnisse
in die Verzögerungsanordnung 80 verboten ist,
sondern nur, dass nur Ionen eines bestimmten, interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisbereichs
einen geeigneten Grad an Energiekompensation erfahren werden, um diese
geeignet für die Fragmentierungszelle 50 vorzubereiten.
Daher können die Ionen entweder stromaufwärts
der Ionenverzögerungsanordnung 80 gefiltert werden
(sodass nur Ionen eines einzelnen, interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisses
in einem gegebenen Zyklus des Massenspektrometers in diese eintreten),
oder es kann alternativ ein Massenfilter stromabwärts der
Ionenverzögerungsanordnung 80 eingesetzt werden.
Tatsächlich ist es sogar möglich, die Fragmentierungszelle 50 selbst
zu verwenden, um Ionen zu verwerfen, die nicht das interessierende Masse-Ladung-Verhältnis
aufweisen und welche eine geeignete Energiekompensation erfahren
haben.
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11 zeigt
eine alternative Anordnung für die Verzögerung
von Ionen und außerdem wahlweise für deren Defokussierung.
Die Defokussierung wird hier innerhalb der EST 40 (nur
ein Teil dieser ist in 11 gezeigt) durch impulsförmige
Gleichspannung an einer der elektrostatischen Spiegel 42, 44 (3)
erreicht, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu welchem Ionen eines interessierenden
Masse-Ladung-Verhältnisses sich in der Nähe dieses
elektrostatischen Spiegels 42, 44 befinden (aufgrund
der Art und Weise, in der die EST 40 arbeitet, ist die
Zeit bekannt, zu welcher die Ionen eines bestimmten m/z an den elektrostatischen
Spiegeln 42, 44 ankommen). Das Anlegen eines geeigneten
Impulses an diesen elektrostatischen Spiegel 42 oder 44 führt
dazu, dass Spiegel 42, 44 eher eine Defokussierungswirkung
als eine Fokussierungswirkung auf diese Ionen hat.
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Wenn
die Ionen defokussiert sind, so können sie aus der EST
ausgestoßen werden, indem an die Ablenkeinrichtung 100/100'/100'' ein
geeignetes Ablenkungsfeld angelegt wird. Die defokussierten Ionen wandern
dann zu einer Verzögerungselektrodenanordnung 300,
welche die Ionen des gewählten m/z-Verhältnisses
abbremst, wie vorstehend in Verbindung mit 10 erläutert,
indem die anfängliche Energiestreuung an den Potenzialabfall über
dem durch die Verzögerungselektrodenanordnung 300 definierten
elektrischen Feld angepasst wird.
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Schließlich
verlassen die Ionen die Verzögerungselektrodenanordnung 300 durch
die Endelektroden 310 und treten durch eine Austrittsöffnung 320 in
eine Nur-HF-Oktapol-Vorrichtung 330, um das oben beschriebene,
erwünschte Pumpen bereitzustellen.
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12 und 13 zeigen
graphische Darstellungen der Energiestreuung und der räumlichen Streuung
von Ionen eines bestimmten Masse-Ladung-Verhältnisses,
jeweils als eine Funktion der Schaltzeit der an die Ionenverzögerungselektroden angelegten
Gleichspannung.
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In 12 ist
zu erkennen, dass die Reduzierung der Energiestreuung, die durch
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielt
wird, die Größe eines Faktors 20 erreichen
kann, wodurch ein Strahl mit +/– 50 eV Streuung reduziert
werden kann bis auf +/– 2,4 eV. Eine längere Schaltzeit
erzeugt eine geringere räumliche Punktgröße,
jedoch eine größere letztendliche Energiestreuung
mit dem speziellen, hier beschriebenen Verzögerungssystem. Das
Beispiel wurde hier angegeben, um zu zeigen, dass auch andere Strahleigenschaften
als die Energiestreuung in Betracht gezogen werden müssen, wobei
nicht angedeutet werden soll, dass die Verzögerung für
eine optimale letztendliche Energiestreuung stets eine Zunahme der
räumlichen Streuung des letztendlichen Strahls erzeugt.
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Andere
Konfigurationen einer Verzögerungslinse, welche mit anderen
Energie-defokussierten Strahlen verwendet werden, könnten
eine noch größere Reduzierung der Energiestreuung
erzeugen. Der Fachmann wird erkennen, dass es im Ergebnis für
die Erfindung eine Vielzahl von potenzellen Verwendungen gibt. Die
Verwendung, für welche die Erfindung insbesondere gedacht
war, war die Verbesserung der Ausbeute und des Typs von Fragmentionen,
die in dem Fragmentierungsprozess erzeugt werden. Wie bereits vorher
angemerkt, werden für eine effiziente Fragmentierung von
Ausgangsionen Ionen mit 10–20 eV benötigt und
in einem Strahl mit Energiestreuungen von +/– 50 eV wird
eindeutig eine große Vielzahl von Ionen deutlich außerhalb
dieses Bereichs liegen. Ionen mit zu hoher Energie werden vorwiegend
in Fragmente niedriger Masse fragmentiert, was die Identifizierung
des Ausgangsions erschweren kann, während ein hoher Anteil
an Ionen niedriger Energie überhaupt nicht fragmentiert
wird. Ohne Energiekompensierung würde ein Ausgangsionenstrahl
mit einer Energiestreuung von +/– 50 eV., der auf eine
Fragmentierungszelle gerichtet wird, entweder eine hohe Häufigkeit
von Fragmenten niedriger Masse erzeugen, wenn der gesamte Strahl
in die Fragmentierungszelle eintreten gelassen wird, oder in dem
Fall, dass nur Ionen mit der höchsten Energie von 20 eV
eingelassen werden würden (z. B. durch die Verwendung einer
Potenzialbarriere vor dem Eintritt), so würde eine große
Anzahl von Ionen verloren gehen und der Prozess wäre sehr
ineffizient. Die Effizienz würde abhängen von
der Energieverteilung der Ionen in dem Strahl, wobei möglicherweise 90%
des Strahls verloren gehen würden oder aufgrund unzureichender
Ionenenergie nicht in der Lage wären, zu fragmentieren.
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Durch
die Verwendung der vorstehenden Techniken kann eine Fragmentierung
der Ionen in der Fragmentierungszelle dadurch vermieden werden, wenn
erwünscht ist, die Ionen durch die Fragmentierungszelle 50 in
einem gegebenen Zyklus des unversehrten Massenspektrometers hindurchzuführen (oder
die Ionen dort zu speichern). Alternativ kann die Kontrolle über
die Fragmentierung verbessert werden, wenn gewünscht ist,
MS/MS oder MSn-Experimente auszuführen.
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Andere
Verwendungen für die beschriebene Ionenverzögerungstechnik
können in anderen Ionenverarbeitungstechniken gefunden
werden. Viele Ionenoptikvorrichtungen können nur mit Ionen
gut funktionieren, die Energien innerhalb eines begrenzten Energiebereichs
aufweisen. Beispiele umfassen elektrostatische Linsen, in welchen
chromatische Operationen eine Defokussierung verursachen, HF-Multipol-
oder Quadrupol-Massenfilter, in welchen die Anzahl an HF-Zyklen,
denen die Ionen ausgesetzt sind, wenn sie die endliche Länge
der Vorrichtung durchlaufen, eine Funktion der Ionenenergie ist,
sowie Magnetoptikeinrichtungen, welche eine Verteilung sowohl hinsichtlich
Masse als auch hinsichtlich Energie aufweisen. Reflektoren werden
typischerweise dafür eingerichtet, eine Energiefokussierung
bereitzustellen, um eine Kompensation für einen Bereich
von Ionenstrahlenergien bereitzustellen, jedoch treten üblicherweise
Energieabberationen höherer Ordnung auf und ein Energie-kompensierter Strahl,
wie er durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, wird
den Defokussierungseffekt dieser Abberationen reduzieren. Erneut
wird der Fachmann erkennen, dass diese nur eine Auswahl möglicher Verwendungen
der beschriebenen Technik sind.
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Es
wird nun zurückgekehrt zu den Anordnungen der
2 und
4 bis
8.
Allgemein ausgedrückt hängt der effektive Betrieb
einer jeden der in diesen Figuren gezeigten, gasgefüllten
Einheiten von einer optimalen Auswahl der Kollisionsbedingungen ab
und ist gekennzeichnet durch die Kollisionsdicke P·D, wobei
P der Gasdruck ist und D die von den Ionen durchquerte Gasdicke
ist (typischerweise ist D die Länge der Einheit). Stickstoff,
Helium oder Argon sind Beispiele für Kollisionsgase. In
der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist es wünschenswert, dass
die folgenden Bedingungen annähernd erreicht werden:
In
der Vorfalle
24 ist es erwünscht, dass P·D > 0,05 mm·Torr,
jedoch vorzugsweise < 0,2
mm·Torr. Mehrere Durchläufe können zum
Einfangen von Ionen verwendet werden, wie in unserer parallelen
Patentanmeldung Nr.
GB0506287.2 beschrieben
ist.
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Die
Ionenfalle 30 weist vorzugsweise einen P·D-Bereich
zwischen 0,02 und 0,1 mm·Torr auf und diese Vorrichtung
könnte ebenfalls im starken Maße mehrere Durchläufe
verwenden.
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Die
Fragmentierungszelle 50 (welche kollisionsinduzierte Dissoziation,
CID verwendet), weist eine Kollisionsdicke von P·D > 0,5 mm·Torr,
vorzugsweise mehr als 1 mm·Torr, auf.
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Für
jegliche verwendete nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 liegt
die Kollisionsdicke P·D vorzugsweise zwischen 0,02 und
0,2 mm·Torr. Im Gegensatz dazu ist es wünschenswert,
dass die elektrostatische Falle 40 bei einem hohen Vakuum gehalten
wird, vorzugsweise bei einem Vakuum von 10–8 Torr
oder besser.
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Die
typischen Analysezeiten in der Anordnung der 2 sind wie
folgt:
Speicherung in der Vorfalle 24: typischerweise
1–100 ms; Übertragung in die gekrümmte
Falle 30: typischerweise 3–10 ms;
Analyse
der EST 40: typischerweise 1–10 ms, um eine Auswahlmassenauflösung
im Ausmaß von 10.000 bereitzustellen;
Fragmentierung
in der Fragmentierungszelle 50, gefolgt von einer Ionenrückübertragung
in die gekrümmte Falle 30: typischerweise 5–20
ms;
Übertragung durch die Fragmentierungszelle 50 in eine
zweite Ionenspeichervorrichtung 60, falls verwendet, ohne
Fragmentierung: typischerweise 5–10 ms; und
Analyse
in einer Massenanalyseeinrichtung 70 vom Typ Orbitrap:
typischerweise 50–2.000 ms.
-
Im
Allgemeinen sollte die Dauer eines Impulses für Ionen desselben
m/z-Verhältnisses gut unterhalb von 1 ms liegen, vorzugsweise
unterhalb 10 Mikrosekunden, wobei ein höchst bevorzugtes
System Ionenimpulsen entspricht, die kürzer sind als 0,5
Mikrosekunden (für ein m/z zwischen ungefähr 400
und 2.000). Anders ausgedrückt bzw. für alternative
Bedingungen und für andere m/z sollte die räumliche Länge
der ausgestoßenen Impulse gut unterhalb von 10 Metern liegen
und vorzugsweise unterhalb von 50 mm liegen, wobei eine höchst
bevorzugte Möglichkeit Ionenimpulsen kürzer als
5–10 mm entspricht. Es ist insbesondere wünschenswert,
Impulse zu verwenden, die kürzer sind als 5–10
mm, wenn eine Orbitrap und Mehrfachreflexion-Flugzeitanalyseeinrichtungen
eingesetzt werden.
-
Wenngleich
bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wird der
fachkundige Leser erkennen, dass verschiedene Modifikationen denkbar sind.
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Zusammenfassung
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Verfahren
der Massenspektroskopie, umfassend die folgenden Schritte in einem
ersten Zyklus: Speichern von Probenionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung,
wobei die erste Ionenspeichervorrichtung eine Austrittsöffnung
und eine räumlich separate Ionentransportöffnung
aufweist; Ausstoßen der gespeicherten Ionen aus der Austrittsöffnung; Transportieren
der ausgestoßenen Ionen in eine Ionenauswahlvorrichtung,
welche räumlich separat von der ersten Ionenspeichervorrichtung
ist; Ausführen einer Ionenauswahl innerhalb der räumlich
separaten Ionenauswahlvorrichtung; Rückführen
wenigstens einiger der aus der ersten Ionenspeichervorrichtung ausgestoßenen
Ionen oder derer Derivate von der räumlich separaten Ionenauswahlvorrichtung
zurück zur ersten Ionenspeichervorrichtung nach dem Schritt
(d) der Ionenauswahl; Empfangen der zurückgeführten
Ionen durch die Ionentransportöffnung der ersten Ionenspeichervorrichtung;
und Speichern der empfangenen Ionen in der ersten Ionenspeichervorrichtung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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