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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer und ein Massenspektrometrieverfahren,
insbesondere zur Durchführung von MSn Experimenten.
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Hintergrund der Erfindung
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Tandemmassenspektrometrie
ist eine gut bekannte Technik, mit der Spurenanalyse und strukturelle
Untersuchungen von Proben ausgeführt werden können.
In einem ersten Schritt werden Ausgangsionenmassen analysiert/gefiltert,
um Ionen mit einem interessierenden Masse-zu-Ladungs-Verhältnis
auszuwählen, und in einem zweiten Schritt werden diese
Ionen zum Beispiel durch Kollision mit einem Gas wie etwa Argon
fragmentiert. Die resultierenden Fragmentionen werden dann, gewöhnlich durch
die Erzeugung eines Massenspektrums, massenanalysiert.
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Es
sind verschiedene Anordnungen zur Ausführung von Mehrfachstufenmassenanalyse
oder MSn vorgeschlagen worden oder sind
im Handel verfügbar, wie etwa das Triple-Quadrupol-Massenspekrometer
und das Hybrid-Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometer. In dem Triple-Quadrupol
wirkt ein erstes Quadrupole Q1 als erste Stufe der Massenanalyse
durch Ausfiltern von Ionen außerhalb eines gewählten
Masse-zu-Ladung-Verhältnis-Bereichs. Ein zweites Quadrupol
Q2 ist typischerweise als Quadrupolionenleiter angeordnet, der in
einer Gaskollisionszelle angeordnet ist. Die Fragmentionen, die
aus den Kollisionen in Q2 resultieren, werden dann durch das dritte
Quadrupol Q3 stromab von Q2 massenanalysiert. In der Hybridanordnung
kann das zweite Analysator-Quadrupol Q3 durch ein Flugzeit-(TOF)-Massenspektrometer
ersetzt werden.
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In
jedem Falle werden separate Analysatoren vor und nach der Kollisionszelle
angewendet. In der
GB-A-2,400,724 sind
verschiedene Anordnungen beschrieben, worin ein einziger Massenfilter/Analysator
dazu verwendet wird, eine Filterung und Analyse in beiden Richtungen
auszuführen. Insbesondere ist ein Ionendetektor stromauf
des Massenfilter/Analysators angeordnet, und die Ionen laufen durch
den Massenfilter/Analysator zur Speicherung in einer stromabwärtigen
Ionenfalle. Die Ionen werden dann von der stromabwärtigen
Falle durch den Massenfilter/Analysator zurück injiziert,
bevor sie von dem stromaufwärtigen Ionendetektor detektiert werden.
Es sind auch verschiedene Fragmentationsprozeduren, die immer noch
einen einzigen Massenfilter/Analysator verwenden, beschrieben, welche
ermöglichen, dass MS/MS-Experimente ausgeführt werden.
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Ähnliche
Anordnungen sind auch in
WO-A-2004/001878 gezeigt
(Verentchikov et al.). Ionen fließen von einer Quelle zu
einem TOF-Analysator, der als Ionendetektor wirkt, von wo Ionen
zu einer Fragmentationszelle ausgeworfen werden. Von hier laufen
sie durch den TOF-Analysator zurück und werden detektiert.
Für MS
n können die Fragmentionen durch
das Spektrometer recycelt werden. Die
US-A-2004/00245455 (Reinhold)
führt eine ähnliche Prozedur für MS
n aus, verwendet aber eine hochempfindliche
Linearfalle anstelle eine TOF-Analysators, um die Ionenselektion
auszuführen. Die
JP-A-2001-143654 befasst sich mit einer Ionenfalle, welche
Ionen auf eine Umlaufbahn auswirft, zur Massenabtrennung, gefolgt
durch Detektion.
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Die
vorliegende Erfindung strebt gegenüber diesem Hintergrund
danach, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
für MSn bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Verbesserung der Detektionsgrenzen eines Massenspektrometers angegeben,
umfassend: (a) Generieren von Probeionen von einer Ionenquelle;
(b) Speichern der Probeionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung;
(c) Ejizieren der gespeicherten Ionen in eine Ionenselektionsvorrichtung;
(d) Selektieren und Ejizieren von Ionen eines gegebenen Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
aus der Ionenselektionsvorrichtung; (e) Speichern der von der Ionenselektionsvorrichtung
ejizierten Ionen in einer zweiten Ionenspeichervorrichtung, ohne
diese durch die Ionenselektionsvorrichtung zurückzuleiten;
(f) Wiederholen der vorangehenden Schritte (a) bis (e), um die in
der zweiten Ionenspeichervorrichtung gespeicherten Ionen des gewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
zu vermehren; und (g) Überführen der vermehrten
Ionen des gewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
zurück zur ersten Ionenspeichervorrichtung zur anschließenden
Analyse.
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Dieser
Zyklus kann optional mehrfach wiederholt werden, um MSn zu
erlauben. Die vorliegende Erfindung verwendet somit eine zyklische
Anwendung, in der Ionen aufgefangen, optional gekühlt und aus
einer Austrittsöffnung ausgeworfen werden. Eine Teilmenge
dieser Ionen wird zu der Ionenspeichervorrichtung zurückgeführt.
Diese typische Anordung ergibt eine Reihe von Vorteilen gegenüber
der in der obigen Einleitung identifizierten Technik, welche stattdessen
eine „Vol- und Zurück"-Prozedur über
die gleiche Öffnung in der Ionenfalle verwendet. Erstens wird
die Anzahl von Vorrichtungen, die zum Speichern und Injizieren von
Ionen in den Ionenselektor erforderlich sind, minimiert (und in
der bevorzugten Ausführung ist es nur eine). Moderne Speicher-
und Injektionsvorrichtungen, die eine sehr hohe Massenauflösung
und einen sehr hohen Dynamikbereich ermöglichen, sind teuer
herzustellen und erfordern eine derartige Steuerung, dass die Anordnung
der vorliegenden Erfindung signifikante Kosten und Steuerungseinsparungen
gegenüber der Technik repräsentiert. Zweitens wird,
durch die Verwendung derselben (ersten) Ionenspeichervorrichtung
zum Injizieren und Rückerhalten von Ionen von einer externen Ionenselektionsvorrichtung,
die Anzahl der MS-Stufen reduziert. Dies verbessert wiederum die
Ionentransporteffizienz, die von der Anzahl der MS-Stufen abhängig
ist. Typischerweise haben Ionen, die von einem externen Ionenselektor
ausgeworfen werden, sehr unterschiedliche Charakteristiken gegenüber
jenen der Ionen, die von der Ionenspeichervorrichtung ausgeworfen
werden. Durch das Laden von Ionen in die Ionenspeichervorrichtung
durch einen gesonderten Ioneneinlassdurchgang (erste Ionentransportöffnung),
insbesondere bei Rückankunft an der Ionenspeichervorrichtung
von einer externen Fragmentationsvorrichtung, kann dieser Prozess
in gut gesteuerter oder geregelter Weise ausgeführt werden.
Dies minimiert Ionenverluste, was wiederum die Ionentransporteffizienz
der Vorrichtung verbessert.
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Diese
Technik erlaubt auch die Verbesserung der Detektionsgrenze des Instruments,
wo die Ionen eines gewählten Masse-zu-Ladung-Verhältnisses
in der Probe eine geringe Häufigkeit haben. Sobald eine
ausreichende Menge dieser wenig häufigen Precursor-Ionen
in der zweiten Ionenspeichervorrichtung aufgebaut worden ist, können
diese zurück zu der ersten Ionenspeichervorrichtung injiziert werden,
um dort aufgefangen zu werden (Umgehen der Ionenselektionsvorrichtung)
und können anschließend einer MSn-Analyse
unterzogen werden. Obwohl Ionen bevorzugt die erste Ionenspeichervorrichtung
durch eine erste Ionentransportöffnung verlassen und dort
hinein über eine zweite separate Ionentransportöffnung
wieder aufgenommen werden, ist dies diesem Aspekt der Erfindung
nicht wesentlich, und das Injizieren und Auffangen durch dieselbe Öffnung
ist realisierbar.
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Optional
kann gleichzeitig damit, wenn die wenig häufigen Precursor-Ionen
zu der zweiten Ionenspeichervorrichtung bewegt werden, um die Gesamtpopulation
dieser bestimmten Precursor-Ionen zu verbessern, die Ionenselektionsvorrichtung
die Auswahl anderer gewünschter Precursor- Ionen fortgesetzt
halten und diese weiter verfeinern. Bei ausreichend enger Auswahl
können diese Precursor-Ionen von der Ionenselektionsvorrichtung
injiziert und in einer Fragmentationsvorrichtung fragmentiert werden,
um Fragmentionen herzustellen. Diese Fragmentionen können
dann zu der ersten Ionenspeichervorrichtung überführt
werden, und MSn dieser Fragmentionen können
ausgeführt werden, oder sie können gleichermaßen
in der zweiten Ionenspeichervorrichtung gespeichert werden, so dass
anschließende Zyklen die Anzahl der auf diese Weise gespeicherten
Ionen weiter anreichern kann, um wiederum die Detektionsgrenze des
Instruments für dieses bestimmte Fragmention zu erhöhen.
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In
einem zweiten Aspekt kann die vorliegenden Erfindung in einem Verfahren
zur Verbesserung der Detektionsgrenze eines Massenspektrometers liegen,
umfassend: (a) Generieren von Probeionen von einer Ionenquelle;
(b) Speichern der Probeionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung;
(c) Ejizieren der gespeicherten Ionen in eine Ionenselektionsvorrichtung;
(d) Selektieren und Ejizieren von analytisch interessanten Ionen
aus der Ionenselektionsvorrichtung; (e) Fragmentieren der aus der
Ionenselektionsvorrichtung ejizierten Ionen in einer Fragmentationsvorrichtung;
(f) Speichern von Fragmentionen in einer zweiten Ionenspeichervorrichtung,
ohne diese durch die Ionenselektionsvorrichtung zurückzuleiten;
(g) Wiederholen der vorangehenden Schritte (a) bis (f), um die in
der zweiten Ionenspeichervorrichtung gespeicherten Fragmentionen
zu vermehren; und (h) Überführen der vermehrten
Fragmentionen zurück zur ersten Ionenspeichervorrichtung
zur anschließenden Analyse.
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Wie
oben kann die Ionenejektion aus der ersten Ionenspeichervorrichtung
und das Wiedereinfangen der Ionen durch separate Ionentransportöffnungen
oder durch ein- und dieselbe erfolgen.
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Ionen
in der ersten Ionenspeichervorrichtung können entweder
in einem separaten Massenanalysator massenanalysiert werden, wie
etwa einem Orbitrap, wie in der oben genannten
US-A-5,886,346 beschrieben,
oder sie können stattdessen zurück in die Ionenselektionsvorrichtung
injiziert werden, zur dortigen Massenanalyse.
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Es
kann eine Ionenquelle vorgesehen sein, um einen kontinuierlichen
oder gepulsten Strom von Probenionen der Ionenspeichervorrichtung
zuzuführen. In einer bevorzugten Ausführung kann
die optionale Fragmentationsvorrichtung stattdessen zwischen einer
solchen Ionenquelle und der Ionenspeichervorrichtung angeordnet
sein. In jedem Fall können komplizierte MSn-Experimente
parallel ausgeführt werden, indem eine Aufteilung von (und
optionale Speparatoranalyse von) Teilpopulationen von Ionen erlaubt
werden, entweder direkt von der Ionenquelle oder erhalten von vorigen
MS-Zyklen. Dies resultiert wiederum in einer Erhöhung im
Tastzyklus des Instruments und kann gleichermaßen auch
die Detektionsgrenzen von diesem verbessern.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungen der Erfindung jede Ionenselektionsvorrichtung
erfinden können, ist sie besonders geeignet und günstig
in Kombination mit einer elektrostatischen Falle (EST). In den letzten
Jahren sind elektrostatische Fallen (ESTs) erhaltende Massenspektrometer
im Handel zunehmend verfügbar geworden. Im Bezug auf Quadrupol-Massenanalysatoren/Filter
haben ESTs eine viel höhere Massengenauigkeit (potentiell
Teile pro Million), und im Bezug auf Quadrupol-orthogonale Beschleunigungs-TOF-Instrumente,
haben sie einen weit überragenden Tastzyklus und Dynamikbereich. Innerhalb
des Umfangs dieser Anmeldung wird eine EST als allgemeine Klasse
von optischen Ionenvorrichtungen betrachtet, worin sich bewegende
Ionen ihre Bewegungsrichtung zumindest entlang einer Richtung mehrere
Male in im Wesentlichen elektrostatischen Feldern ändern.
Wenn diese Mehrfachreflektionen in ein begrenztes Volumen eingeschränkt werden,
so dass die Ionenlaufbahnen sich um sich selbst winden, dann ist
die resultierende EST als „geschlossene" Bauart bekannt.
Beispiele dieses „geschlossenen" Massenspektrometers finden
sich in
US-A-3,226,543 ,
DE-A-04408489 und
US-A-5,886,346 .
Alternativ könnten Ionen mehrere Änderungen in
einer Richtung mit einer Verschiebung entlang einer anderen Richtung
kombinieren, so dass die Ionenlaufbahn sich nicht um sich selbst winden.
Solche ESTs werden typischerweise als „offene" Bauart bezeichnet,
und Beispiele finden sich 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 werden einige, wie etwa jene, die in
US-A-6,300,625 ,
US-A-2005/0103992 und
WO-A-2005/001878 beschrieben
sind, von einer externen Ionenquelle befüllt und werfen
Ionen zu einem externen Detektor stromab der EST aus. Anders, wie
etwa das in
US-A-5,886,346 beschriebene
Orbitrap, verwenden Techniken, wie etwa Bildstromdetektion zum Detektieren
von Ionen innerhalb der Falle ohne diese auszuwerfen.
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Elektrostatische
Fallen können zur präzisen Massenselektion von
extern injizierten Ionen verwendet werden, wie zum Beispiel in
US-A-6,872,938 und
US-A-6,013,913 beschrieben.
Hier werden Precursor-Ionen durch Anlegen von Wechselspannung in Resonanz
mit Ionenoszillationen in der EST selektiert. Darüber hinaus
wird eine Fragmentation innerhalb der EST durch das Einleiten eines
Kollisionsgases von Laserpulsen oder anderweitig erreicht, und sind
anschließende Erregungsschritte notwendig, um die Detektion
der resultierenden Fragmente zu erzielen (im Falle der Anordnungen
von
US-A-6,872,938 und
US-A-6,013,913 erfolgt
dies durch Bildstromdetektion).
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Elektrostatische
Fallen sind jedoch nicht ohne Schwierigkeiten. Zum Beispiel haben
ESTs typischerweise hohe Anforderungen an die Ioneninjektion. Zum
Beispiel beschreiben unsere früheren Patentanmeldungen
Nr.
WO-B-02/078046 und
WO05124821A2 die
Verwendung einer Linearfalle (LT) zum Erreichen der Kombination
von Kriterien, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass hochkohärente
Pakete in eine EST-Vorrichtung injiziert werden. Das Erfordernis,
für so leistungsfähige Vorrichtungen mit hoher Massenauflösung
sehr kurz dauernde Ionenpakete zu erzeugen (deren jedes eine große
Anzahl von Ionen enthält) bedeutet, dass die Richtung der
optimalen Ionenextraktion in solchen Ioneninjektionsvorrichtung
typischerweise von der effizienten Ionenauffangvorrichtung unterschiedlich
ist.
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Zweitens
haben fortgeschrittene ESTs tendenziell stringente Vakuumanforderungen,
um Ionenverluste zu vermeiden, wohingegen die Ionenfallen und die
Fragmentoren, mit denen sie zusammengeschaltet sind, typischerweise
gasgefüllt sind, so dass typischerweise zumindest fünf
Größenordnungen einer Druckdifferenz zwischen
diesen Vorrichtungen und dem EST vorhanden ist. Um Fragmentation
während der Ionenextraktion zu vermeiden, ist es erforderlich,
das Produkt des Drucks mit der Gasdicke zu minimieren (um dieses
typischerweise unterhalb 10–3....10–2 mm·torr zu halten),
während zum effizienten Auffangen von Ionen dieses Produkt
maximiert werden muss (dass es typischerweise 0,2....0,5 mm·torr überschreitet).
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Wenn
die Ionenselektionsvorrichtung eine EST ist, gestattet daher, in
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die Verwendung
einer Ionenspeichervorrichtung mit unterschiedlichen Ioneneinlass- und
-austrittsöffnungen, dass dieselbe Ionenspeichervorrichtung
Ionen in geeigneter Weise zum Injizieren in die EST bereitstellt,
erlaubt aber nichtsdestoweniger, dass der Strom oder lange Pulse
von Ionen, die von der EST über die Fragmentationsvorrichtung
zurückkommen, in gut gesteuerter Weise durch die zweite
oder, in bestimmten Ausführungen, die dritte Ionentransportöffnung
in diese erste Ionenspeichervorrichtung zurückgeladen werden.
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Es
kann jede Form einer elektrostatischen Falle verwendet werden, wenn
sie das ist, was die Ionenselektionsvorrichtung darstellt. Eine
bestimmte bevorzugte Anordnung beinhaltet eine EST, in der der Ionenstrahlquerschnitt
aufgrund des Fokussierungseffekts der Elektroden der EST beschränkt bleibt,
da dies die Effizienz der nachfolgenden Ionenejektion aus der EST
verbessert. Es kann entweder eine geschlossene oder offene Bauart
einer EST verwendet werden. Mehrfache Reflektionen erlauben eine
erhöhte Trennung von Ionen von unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen,
so dass ein spezifisches Interessieren des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
optional selektiert werden kann, oder ein einfacher und engerer
Bereich von Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen, der in die
Ionenselektionsvorrichtung injiziert worden ist. Die Selektion könnte
durch Ablenkung von ungewöhnlichen Ionen mittels elektrischen
Impulsen erfolgen, die an gesonderte Elektroden angelegt werden,
bevorzugt in der Ebene des Flugzeitfokus von Ionenspiegeln angeordnet
sind. Im Falle einer geschlossenen EST könnte eine Vielzahl
von Ablenkungsimpulsen erforderlich sein, um m/z Bereiche der Selektion
fortschreitend zu verengen.
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Es
ist möglich, die Fragmentationsvorrichtung in zwei Arten
zu verwenden:
In einem ersten Modus können Precursor-Ionen
in der Fragmentationsvorrichtung in der gewöhnlichen Weise
fragmentiert werden, und in einem zweiten Modus können
durch Steuerung der Ionenenergie, Precursor-Ionen ohne Fragmentation
durch die Fragmentationsvorrichtung hindurchgehen. Dies erlaubt sowohl
eine MSn als auch auch eine Ionenhäufigkeitsverbesserung,
zusammen oder separat: sobald Ionen von der ersten Ionenspeichervorrichtung
in die Ionenselektionsvorrichtung injiziert worden sind, können
spezifische wenig häufige Precursor-Ionen steuerbar von
der Ionenselektionsvorrichtung ausgeworfen werden und können
in der ersten Ionenspeichervorrichtung zurückgespeichert
werden, ohne dass sie in der Fragmentationsvorrichtung fragmentiert worden
sind. Dies kann erreicht werden, indem diese wenig häufigen
Precursor-Ionen durch die Fragmentationsvorrichtung mit Energien
hindurch treten, die nicht ausreichen, um eine Fragmentation hervorzurufen.
Die Energieverteilung könnte für ein gegebenes m/z
reduziert werden, indem gepulste Bremsfelder verwendet werden (die
zum Beispiel in einer Lücke zwischen zwei Flachelektroden
mit Öffnungen gebildet sind). Wenn Ionen auf dem Rückweg
von dem Massenselektor zu der ersten Ionenspeichervorrichtung in
ein elektrisches Bremsfeld eintreten, überholen energiehöhere
Ionen die Ionen mit geringer Energie und bewegen sich somit zu einer
größeren Tiefe in dem Bremsfeld. Nachdem alle
Ionen dieses bestimmten m/z in das Bremsfeld eingetreten sind, wird das
Feld abgeschaltet. Daher unterliegen Ionen mit anfänglich
höherer Energie einem höheren Potentialabfall
relativ zum Massepotential als die Ionen mit geringerer Energie,
so dass ihre Energien gleichgemacht werden. Durch Anpassung des
Potentialanfalls an die Energieverteilung beim Austritt aus dem Massenselekt
kann eine signifikante Reduktion der Energieverteilung erreicht
werden. Hierdurch kann eine Fragmentation von Ionen vermieden werden, oder
alternativ kann die Steuerung der Fragmentation verbessert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometer
angegeben, das eine Ionenspeichervorrichtung, die zum Speichern
von Ionen angeordnet ist, eine Ionenselektionsvorrichtung sowie
eine Fragmentations-/Speichervorrichtung aufweist. Die Ionenselektionsvorrichtung
ist angeordnet, um Ionen aufzunehmen, die in der ersten Ionenspeichervorrichtung
gespeichert und von dort ausgeworfen werden, und aus diesen empfangenen
Ionen eine Teilmenge von Ionen zu selektieren. Die zweite Fragmentations-/Speichervorrichtung
ist angeordnet, um zumindest einige der von der Ionenselektionsvorrichtung
selektierten Ionen aufzunehmen. Die zweite Fragmentations-/Speichervorrichtung
ist dann im Gebrauch so konfiguriert, dass sie von der Ionenselektionsvorrichtung
erhaltene Ionen oder deren Produkt zurück zur ersten Ionenspeichervorrichtung
leitet, ohne diese durch die Ionenselektionsvorrichtung zurückzuleiten.
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Die
vorliegende Erfindung lässt sich auch in einem Verfahren
der Massenspektrometrie finden, welche die Schritte aufweist: in
einem ersten Zyklus, Speichern von Probeionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung,
wobei die erste Ionenspeichervorrichtung eine Austrittsöffnung
und eine räumlich separate Ionentransportöffnung
aufweist; Ejizieren der gespeicherten Ionen aus der Austrittsöffnung
in eine separate Ionenselektionsvorrichtung; Empfangen zumindest
einer der aus der Ionenspeichervorrichtung ejizierten Ionen oder
ihrer Derivate zurück durch die Ionentransportöffnung
der ersten Speichervorrichtung; und Speichern der empfangenen in
der ersten Ionenspeichervorrichtung.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
der Massenspektrometrie angegeben, welches umfasst:
Speichern
von Ionen in einer ersten Ionenspeichervorrichtung; Ejizieren von
Ionen aus der ersten Ionenspeichervorrichtung zu einer Ionenselektionsvorrichtung;
Selektieren einer Teilmenge von Ionen innerhalb der Ionenselektionsvorrichtung;
Ejizieren der Ionen aus der Ionenselektionsvorrichtung; Auffangen zumindest
einiger der selektierten Ionen in einer Fragmentationsvorrichtung
oder einer zweiten Ionenspeichervorrichtung; und Zurückbringen
zumindest einiger der in der Fragmentationsvorrichtung oder der
zweiten Ionenspeichervorrichtung gefangenen Ionen oder ihrer Produkte
zu der ersten Ionenspeichervorrichtung entlang einem Ionenweg, der
die Ionenselektionsvorrichtung umgeht.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
der Massenspektrometrie angegeben, welches umfasst:
Akkumulieren
von Ionen in einer Ionenfalle; Injizieren der akkumulierten Ionen
in eine Ionenselektionsvorrichtung; Selektieren und Ejizieren einer
Teilmenge der Ionen in der Ionenselektionsvorrichtung; und Speichern
der ausgeworfenen Teilmenge von Ionen direkt zurück in
die Ionenfalle, ohne zwischenliegende Ionenspeicherung.
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Andere
bevorzugte Ausführungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung
ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung kann in mehreren Arten in die Praxis umgesetzt
werden, und nun wird eine bevorzugte Ausführung nur als
Beispiel und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
worin:
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1 zeigt,
in Form eines Blockdiagramms, einen Überblick eines Massenspektrometers,
das die vorliegende Erfindung verkörpert;
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2 zeigt
eine bevorzugte Implementierung des Massenspektrometers von 1,
das eine elektrostatische Falle und eine separate Fragmentationszelle
enthält;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer besonders geeigneten Anordnung
einer elektrostatischen Falle zur Verwendung mit dem Massenspektrometer
von 2;
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4 zeigt
eine erste alternative Anordnung eines Massenspektrometers, das
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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5 zeigt
eine zweite alternative Ausführung eines Massenspektrometers,
das die vorliegende Erfindung verkörpert;
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6 zeigt
eine dritte alternative Ausführung eines Massenspektrometers,
das die vorliegende Erfindung verkörpert;
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7 zeigt
eine vierte alternative Ausführung eines Massenspektrometers,
das die vorliegende Erfindung verkörpert;
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8 zeigt
eine fünfte alternative Ausführung eines Massenspektrometers,
das die vorliegende Erfindung verkörpert;
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9 zeigt
eine Ionenspiegelanordnung zum Verstärken der Energieverteilung
von Ionen vor dem Injizieren in die Fragmentationszelle der 1, 2 und 4 bis 8;
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10 zeigt
eine erste Ausführung einer Ionenbremsanordnung zum Reduzieren
der Energieverteilung vor dem Injizieren von Ionen in die Fragmentationszelle
der 1, 2 und 4 bis 8;
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11 zeigt
eine zweite Ausführung einer Ionenbremsanordnung zum Reduzieren
der Energieverteilung vor dem injizieren von Ionen in die Fragmentationszelle
der 1, 2 und 4 bis 8;
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12 zeigt
einen Plot der Energieverteilung von Ionen als Funktion der Schaltzeit
einer Spannung, die an die Ionenbremsanordnung der 10 und 11 angelegt
wird; und
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13 zeigt
einen Plot der räumlichen Verteilung von Ionen als Funktion
der Schaltzeit einer Spannung, die an die Ionenbremsanordnung der 10 und 11 angelegt
wird.
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Detaillierte Beschreibung
von bevorzugten Ausführungen
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Zuerst
in Bezug auf
1 ist ein Massenspektrometer
10 im
Blockdiagrammformat gezeigt. Das Massenspektrometer
10 umfasst
eine Ionenquelle
20 zum Erzeugen von Ionen zur Massenanalyse.
Die Ionen von der Ionenquelle
30 werden in die Ionenfalle
30 gelassen,
die zum Beispiel ein gasgefülltes HF-Multipol oder ein
gekrümmtes Quadropol sein kann, wie zum Beispiel in
WO-A-05124821 beschrieben.
Die Ionen werden in der Ionenfalle
30 gespeichert, und
es kann eine Kollisionskühlung stattfinden, wie zum Beispiel
in unserer mitanhängigen Anmeldenummer
GB0506287.2 beschrieben, deren Inhalt
hierin unter Bezugnahme aufgenommen wird.
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Die
in der Ionenfalle 30 gespeicherten Ionen können
dann zu einer Ionenselektionsvorrichtung pulsweise ausgeworfen werden,
welche bevorzugt eine elektrostatische Falle 40 ist. Die
gepulste Ejektion erzeugt enge Ionenpakete. Diese werden in der elektrostatischen
Falle 40 gefangen und unterliegen darin mehrfachen Reflektionen,
in einer Weise, die insbesondere in Verbindung mit 3 nachfolgend beschrieben
wird. Bei jeder Reflektion oder nach einer bestimmten Anzahl von
Reflektionen werden ungewünschte Ionen pulsweise aus der
elektrostatischen Falle 40 abgelenkt, zum Beispiel zu einem
Detektor 75 oder zu einer Fragmentationszelle 50.
Bevorzugt ist der Ionendetektor 75 in der Nähe
der Ebene des Flugzeugfokus der Ionenspiegel angeordnet, wo die
Dauer der Ionenpakete minimal ist. Somit verbleiben nur die analytisch
interessanten Ionen in der elektrostatischen Falle 40.
Weitere Reflektionen werden fortgesetzt, um die Separation zwischen
benachbarten Massen zu erhöhen, so dass eine weitere Verengung
des Selektionsfensters erzielt werden kann. Schließlich
sind alle Ionen, die ein Masse-zu-Ladungs-Verhältnis in
der Nähe des interessierenden Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
m/z haben, eliminiert.
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Nachdem
der Selektionsprozess abgeschlossen ist, werden Ionen aus der elektrostatischen
Falle 40 in die Fragmentationszelle 50 überführt,
die außerhalb der elektrostatischen Falle 40 ist. Analytisch
interessante Ionen, die am Ende der Selektionsprozedur in der elektrostatischen
Falle 40 verbleiben, werden mit ausreichender Energie ausgeworfen,
um zu erlauben, dass diese innerhalb der Fragmentationszelle 50 fragmentiert
werden.
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Nach
der Fragmentation in der Fragmentationszelle werden die Ionenfragmente
zurück in die Ionenfalle 30 überführt.
Hier werden sie gespeichert, so dass in einem weiteren Zyklus eine
nächste MS-Stufe ausgeführt werden kann. Auf diese
Weise kann MS/MS oder in der Tat MSn erreicht
werden.
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Ein
alternatives oder zusätzliches Merkmal der Anordnung von 1 ist,
dass aus der elektrostatischen Falle ausgeworfene Ionen (weil sie
außerhalb des Selektionsfensters sind) durch die Fragmentationszelle 50 ohne
Fragmentation hindurch geleitet werden können. Typischerweise
könnte dies dadurch erzielt werden, dass solche Ionen mit
relativ niedrigen Energien verzögert oder gebremst werden, so
dass sie keine ausreichende Energie zur Fragmentation in der Fragmentationszelle
haben. Diese nicht fragmentierten Ionen, die außerhalb
des Selektionsfensters des unmittelbaren Interesses in einem gegebenen
Zyklus sind, können weiter von der Kollisionszelle 50 zu
einer Hilfsionenspeichervorrichtung 60 überführt
werden. In nachfolgenden Zyklen (wenn zum Beispiel eine weitere
massenspektrometrische Analyse der Fragmentionen wir oben beschrieben, abgeschlossen
worden ist), können Ionen, die aus der elektrostatischen
Falle 40 in der ersten Instanz zurückgewiesen
werden (weil sie außerhalb des Selektionsfensters des vorangehenden
Interesses liegen) von der Hilfsionenspeichervorrichtung zur Ionenfalle 30 für
separate Analyse überführt werden.
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Darüber
hinaus kann die Hilfsionenspeichervorrichtung 60 dazu benutzt
werden, die Anzahl von Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis
zu erhöhen, insbesondere dann, wenn diese Ionen eine relativ
geringe Häufigkeit in der zu analysierenden Probe haben.
Dies wird erreicht, indem die Fragmentationsvorrichtung in einem
Nichtfragmentantionsmodus benutzt und die elektrostatische Falle so
eingestellt wird, dass sie nur Ionen eines bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnisses
durchlässt, das von Interesse ist, aber das begrenzte Häufigkeit
hat. Diese Ionen werden in der Hilfsionenspeichervorrichtung 60 gespeichert,
aber durch zusätzliche Ionen des gleichen Masse-zu-Ladung-Verhältnisses
vermehrt, die aus der elektrostatischen Falle 40 selektiert
und ausgeworfen werden, mittels ähnlichen Kriterien in
nachfolgenden Zyklen. Ionen mehrfacher m/z-Verhältnisse
sollen ebenfalls zusammen gespeichert werden, zum Beispiel mittels
mehrerer Ejektionen aus der aus der Falle 40 mit unterschiedlichen m/z.
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Natürlich
können entweder die zuvor ungewünschten Precursor-Ionen
oder die Precursor-Ionen, die von Interesse sind, die aber eine
geringe Häufigkeit in der Probe haben und somit zunächst ihre
Anzahl erhöht werden muss, Gegenstand einer nachfolgenden
Fragmentation für MSn sein. In
diesem Fall könnte die Hilfsionenspeichervorrichtung 60 zuerst
ihre Inhalte in die Fragmentationszelle 50 ejizieren, anstatt
ihre Inhalte direkt zurück zur Ionenfalle 30 zu überführen.
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Die
Massenanalyse von Ionen kann an verschiedenen Stellen und auf verschiedene
Weise stattfinden. Zum Beispiel können in der Ionenfalle
gespeicherte Ionen in der elektrostatischen Falle 40 masseanalysiert
werden (nähere Details sind unten in Verbindung mit 2 aufgeführt).
Zusätzlich oder alternativ kann ein separater Massenanaylsator 70 in Verbindung
mit der Ionenfalle 30 vorgesehen sein.
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Nun
ist in 2 eine bevorzugte Ausführung eines Massenspektrometers 10 im
näheren Detail gezeigt. Die in 2 gezeigte
Ionenquelle 20 ist eine gepulste Laserquelle (bevorzugt
eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisationsquelle
(MALDI), in der Ionen durch Strahlung von einer gepulsten Laserquelle 22 erzeugt
werden). Nichtsdestoweniger könnte gleichermaßen
auch eine kontinuierliche Ionenquelle verwendet werden, wie etwa
eine Atmosphärendruck-Elektrospray-Quelle.
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Zwischen
der Ionenfalle
30 und der Ionenquelle
20 befindet
sich eine Vorfalle
24, die zum Beispiel ein segmentiertes,
nur gasgefülltes RF-Multipol sein kann. Sobald die Vorfalle
gefüllt ist, werden die Ionen darin in die Ionenfalle
30 überführt,
die in der bevorzugten Ausführung ein gasgefülltes Nur-HF-Quadropol
ist, über eine Linsenanordnung
26. Die Ionen werden
in der Ionenfalle
30 gespeichert, bis die HF abgeschaltet
ist und eine Gleichspannung über die Spannung angelegt
wird. Diese Technik ist in Detail in unserem mitanhängigen
Anmeldungen, veröffentlicht als
GB-A-2,415,541 und
WO-A-2005/124821 ausgeführt,
deren Detail hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
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Der
angelegte Spannungsgradient beschleunigt die Ionen durch eine Ionenoptik
32,
die optional ein Gitter oder eine Elektrode
34 enthalten
kann, die zum Sensieren der Ladung angeordnet ist. Das ladungssensierende
Gitter
34 gestattet die Schätzung der Ionenanzahl.
Es ist wünschenswert, eine Schätzung der Ionenanzahl
zu haben, da, wenn zu viele Ionen vorhanden sind, die resultierende
Masse verschoben wird, so dass sie schwierig zu kompensieren ist.
Wenn somit die Ionenzahl eine vordefinierte Grenze überschreitet
(wie mittels des Gitters
34 geschätzt), könne
alle Ionen verworfen werden und es kann eine Akkumulation von Ionen
in der Vorfalle
34 wiederholt werden, mit einer proportional
verringerten Anzahl von Pulsen von dem gepulsten Laser
22 und/oder
einer proportional kürzeren Dauer der Akkumulation. Es
könnten auch andere Techniken zum Steuern der Anzahl von
gefangenen Ionen verwendet werden, wie sie zum Beispiel in der
US-A-5,572,022 beschrieben
sind.
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Nach
der Beschleunigung durch die Ionenoptik 32 werden die Ionen
in kurzen Paketen zwischen 10 und 100 ns Dauer für jedes
m/z fokussiert und treten in den Massenselektor 40 ein.
Es können verschiedene Formen von Ionenselektionsvorrichtungen
verwendet werden, wie sie aus dem Folgenden ersichtlich werden.
Wenn die Ionenselektionsvorrichtung zum Beispiel eine elektrostatische
Falle ist, sind die spezifischen Details davon für die
Erfindung nicht kritisch. Zum Beispiel kann die elektrostatische
Falle, wenn sie verwendet wird, geöffnet oder geschlossen
werden, mit zwei oder mehr Ionenspiegeln oder elektrischen Sektoren,
und mit oder ohne Orbiting. Gegenwärtig ist eine einfache
und bevorzugte Ausführung einer elektrostatischen Falle,
welche die Ionenselektionsvorrichtung 40 verkörpert,
in 3 gezeigt. Diese einfache Anordnung umfasst zwei
elektrostatische Spiegel 42, 44 und zwei Modulatoren 46, 48,
die entweder Ionen auf einem rekurrenten Weg halten oder diese zur
Außenseite dieses Wegs ablenken. Die Spiegel können
aus einer kreisförmigen oder einer parallelen Platte gebildet
sein. Wenn die Spannungen an den Spiegeln statisch sind, können
sie mit sehr hoher Genauigkeit gehalten werden, was für
die Stabilität und die Massegenauigkeit der elektrostatischen
Falle 40 günstig ist.
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Die
Modulatoren 46, 48 sind typischerweise ein kompaktes
Paar von Öffnungen, über die gepulste oder statische
Spannung angelegt werden, normalerweise mit Schutzplatten an beiden
Seiten zum Steuern von Streufeldern. Für die hochauflösende Selektion
von Precursor-Ionen sind Spannungspulse mit Anstiegs- und Abfallseiten
von weniger als 10 bis 100 ns (gemessen zwischen 10% und 90% des Peaks)
und Amplituden bis zu wenigen 100 V bevorzugt. Bevorzugt sind beide
Modulatoren 46 und 48 mit den Ebenen der Flugzeitfokussierung
der entsprechenden Spiegel 42, 44 angeordnet,
die wiederum bevorzugt nicht notwendigerweise mit der Mitte der
elektrostatischen Falle 40 zusammenfallen. Typischerweise
werden Ionen durch Bildstromdetektion erfasst (die selbst eine gut
bekannte Technik ist und daher nicht weiter beschrieben wird).
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Wieder
zurück zu 2. Nachdem eine ausreichende
Anzahl von Reflektionen und Spannungspulsen innerhalb der elektrostatischen
Falle 40 stattgefunden hat, verbleibt nur ein schmaler
interessierender Massebereich der elektrostatischen Falle 40, um
hierdurch die Precursor-Ionen-Selektion abzuschließen.
Die ausgewählten Ionen in der EST 40 werden dann
auf einem Weg abgelenkt, der sich von ihrem Eingangsweg unterscheidet
und der zu der Fragmentationszelle 50 führt, oder
alternativ können die Ionen zu dem Detektor 75 laufen.
Bevorzugt erfolgt diese Ablenkung zur Fragmentationszelle durch eine
Bremslinse 80, die nachfolgend im näheren Detail
in Verbindung mit den 9 bis 13 beschrieben
ist. Die letztendliche Energie der Kollisionen innerhalb der Kollisionszelle 50 kann
durch geeignete Vorspannung des Gleichspannungsoffset an der Fragmentationszelle 50 eingestellt
werden.
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Bevorzugt
ist die Fragmentationszelle 50 ein segmentiertes Nur-HF-Multipol
mit einem axialen Gleichspannungsfeld, das entlang seinen Segmenten
erzeugt wird. Mit einer geeigneten Gasdichte in der Fragmentationszelle
(im Detail unten) und Energie (die typischerweise zwischen 30 und
50 V/kDa liegt), werden Ionenfragmente durch die Zelle wieder zur
Ionenfalle 30 transportiert. Alternativ oder gleichzeitig
könnten die Ionen innerhalb der Fragmentationszelle 50 aufgefangen
und dann mittels anderen Typen der Fragmentation fragmentiert werden,
wie etwa Ionentransferdissoziation (ETD), Elektronenauffang-Dissoziation
(ECD), oberflächeninduzierte Dissoziation (SID), fotoinduzierte
Dissoziation (PID), und so weiter.
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Sobald
die Ionen in der Ionenfalle 30 wieder gespeichert worden
sind, sind zur Weiterleitung zu der elektrostatischen Falle 40 für
eine weitere Stufe von MSn bereit, oder
zur elektrostatischen Falle 40 zur dortigen Masseanalyse,
oder alternativ zum Massenanalysator 70, der ein Flugzeit-(TOF)-Massenspektrometer
sein kann, oder einer HF-Ionenfalle oder FT ICR oder, wie in 2,
einem Orbitrap-Massenspektrometer. Bevorzugt hat der Massenanalysator 70 seine
eigenen Automatisch-Verstärkungs-Steuerungs-Einrichtungen
(AGC), um die Raumladung zu begrenzen oder zu regulieren. In der Ausführung
von 2 erfolgt dies durch ein Elektrometergitter 90 am
Eingang zum Orbitrap 70.
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Ein
optionaler Detektor 75 kann an einem der Austrittswege
von der elektrostatischen Falle 40 angeordnet sein. Dieser
kann für mehrere Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel
kann der Detektor zur akuraten Steuerung der Anzahl von Ionen während einer
Vorabtast (Prescan) verwendet werden (das heißt automatische
Verstärkungssteuerung), mit Ionen, die direkt von der Ionenfalle 30 ankommen.
Zusätzlich oder alternativ können solche Ionen,
die außerhalb des interessierenden Massefensters liegen (in
anderen Worten, ungewünschte Ionen von der Ionenquelle,
zumindest in diesem Zyklus der Massenanalyse) mittels des Detektors
detektiert werden. Als weitere Alternative kann der gewählte
Massebereich in der elektrostatischen Falle 40, nach mehreren
Reflektionen in der EST wie oben beschrieben, mit hoher Auflösung
detektiert werden. Eine noch weitere Modifikation kann die Detektion
von schweren einfach geladenen Molekülen beinhalten, wie
etwa von Proteinen, Polymeren und DNA mit geeigneten Nachbeschleunigungsstufen.
Nur als Beispiel kann der Detektor ein Elektronenvervielfacher sein
oder eine Mikrokanal-Mikrosphären-Platte, die eine einzige
Ionenempfindlichkeit hat und zum Detektieren von schwachen Signalen
verwendet werden kann. Alternativ kann der Detektor ein Kollektor sein
und kann somit sehr starke Signale messen (potenziell mehr als 104 Ionen in einem Peak). Es könnte
mehr als ein Detektor verwendet werden mit Modulatoren, die die Ionenpakete
zum einen oder anderen leiten, gemäß Spektralinformation,
die zum Beispiel von einem vorherigen Erfassungszyklus erhalten
wird.
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4 stellt
eine Anordnung dar, die im Wesentlichen ähnlich zur 2 ist,
obwohl mit einigen spezifischen Unterschieden. Insofern bezeichnen gleiche
Bezugszahlen Teile, die mit den Anordnungen der 2 und 4 gemeinsam
sind. Die Anordnung von 4 umfasst wieder eine Ionenquelle 20,
die einer Vorfalle Ionen zuführt, die in der Ausführung
von 4 eine Hilfsionenspeichervorrichtung 60 ist.
Stromab dieser Vorfallen/Hiilfsionenspeichervorrichtung 60 befindet
sich eine Ionenfalle 30 (die in der bevorzugten Ausführung
eine gekrümmte Falle ist), sowie eine Fragmentationszelle 50.
Im Gegensatz zur Anordnung von 2 lokalisiert
die Anordnung von 4 die Fragmentationszelle zwischen der
Ionenfalle 30 und der Hilfsionenspeichervorrichtung 60,
das heißt an der „Quellen-"Seite der Ionenfalle,
anstatt zwischen der Ionenfalle und der elektrostatischen Falle,
wie sie in 2 angeordnet ist.
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Beim
Gebrauch werden Ionen in der Ionenfalle 30 aufgebaut und
dann orthogonal aus dieser durch Ionenoptik 32 zu elektrostatischen
Falle 40 ausgeworfen. Ein erster Modulator/Reflektor 100 stromab
der Ionenoptik 32 lenkt die Ionen von der Ionenfalle 30 in
die EST 40. Die Ionen werden entlang der Achse der EST 40 reflektiert,
und nach der Ionenselektion dort, werden sie zurück zur
Ionenfalle 30 ejiziert. Um die Leitung der Ionen in diesem
Prozess zu unterstützen, kann ein optionaler elektrischer Sektor
(wie etwa ein torroidförmiger oder zylindrischer Kondensator) 110 verwendet
werden. Eine Verzögerungslinse ist zwischen dem elektrischen Sektor 110 und
dem Rücklaufweg in die Ionenfalle 30 angeordnet.
Die Verzögerung kann gepulste elektrische Felder beinhalten,
wie oben beschrieben.
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Aufgrund
des niedrigen Drucks in der Ionenfalle 30 fliegen Ionen,
die an dieser Falle 30 wieder ankommen, dort hindurch und
zerlegen sich in der Fragmentationszelle 50, die zwischen
dieser Ionenfalle 30 und der Hilfsionenspeichervorrichtung 60 angeordnet
ist (das heißt an der Ionenquellenseite der Ionenfalle 30).
Die Fragmente werden dann in der Ionenfalle 30 aufgefangen.
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Wie
bei 2 wird ein Orbitrap-Massenanalysator 70 verwendet,
um eine akurate Massenanalyse der Ionen, die aus der Ionenfalle 30 ausgeworfen werden,
bei jeder gewählten MSn-Stufe zu
erlauben. Der Massenanalysator 70 ist stromab der Ionenfalle angeordnet
(das heißt, an der gleichen Seite der Ionenfalle wie die
EST 40), und ein zweiter Deflektor 120 „schleust"
Ionen entweder zur EST 40 über den ersten Deflektor 100 oder
in den Massenanalysator 70.
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Die
anderen in 4 gezeigten Komponenten sind
nur HF-Transport-Multipole, die als Schnittstellen zwischen den
verschiedenen Stufen der Anordnung wirken können, wie die
sich für den Fachkundigen gut versteht. Zwischen der Ionenfalle 30 und
der Fragmentationszelle 50 kann auch eine Ionenbremsanordnung
angeordnet sein (siehe 9 bis 13, unten).
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5 zeigt
eine weitere alternative Anordnung zu der in 2 und 4 Gezeigten,
und ähnliche Komponenten sind wieder mit gleichen Bezugszahlen
bezeichnet. Die Anordnung von 5 ist ähnlich
jener von 2 darin, dass Ionen von einer
Ionenquelle 20 erzeugt werden und dann durch eine Vorfalle
und eine Hilfsionenspeichervorrichtung 60 (oder daran vorbei)
zu laden, bevor sie in einer Ionenfalle 30 gespeichert
werden. Die Ionen werden orthogonal von der Ionenfalle 30 ausgeworfen,
durch eine Ionenoptik 32, und werden dann durch einen ersten Modulator/Deflektor 100 auf
die Achse einer EST 40 abgelenkt, wie bei 4.
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Jedoch
können im Gegensatz zu 4 als Alternative
zur Ionenselektion in der EST 40, Ionen durch den Modulator/Deflektor 100 in
einen elektrischen Sektor 110 umgelenkt werden, und von
dort in eine Fragmentationszelle 50 über eine
Ionenverzögerungs- oder -bremsanordnung 80. Somit
ist (im Gegensatz zu 4) die Fragmentationszelle 50 nicht
an der Quellenseite der Ionenfalle 30 angeordnet. Nach
dem Auswerfen von der Fragmentationszelle 50 laufen die
Ionen durch ein gekrümmtes Transport-Multipol 130 und
dann ein lineares Nur-HF-Transport-Multipol 140 zurück
in die Ionenfalle 30. Es ist wieder ein Orbitrap oder ein
anderer Massenanalysator 40 vorgesehen, um eine genaue Massenanalyse
bei jeder MSn-Stufe zu gestatten.
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6 zeigt
eine noch weitere alternative Anordnung, die im Konzept im Wesentlichen
identisch zu der Anordnung von 2 ist, außer,
dass die EST keine Falle vom „geschlossenen" Typ ist, wie
in 3 dargestellt, sondern stattdessen vom offenen
Typ ist, wie in den Druckschriften beschrieben, die oben in der
Einleitung aufgeführt sind.
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Insbesondere
umfasst das Massenspektrometer von 6 eine Ionenquelle 20,
die eine Ionenzufuhr zu einer Vorfalle/Hilfsionenspeichervorrichtung 60 liefert
(es ist auch eine weitere Ionenoptik gezeigt, aber in 6 nicht
bezeichnet). Stromab der Vorfalle/Hilfsionenspeichervorrichtung 60 befindet sich
eine weitere Ionenspeichervorrichtung, die in der Anordnung von 6 noch
einmal eine gekrümmte Ionenfalle 30 ist. Ionen
werden von der gekrümmten Falle 30 in einer orthogonalen
Richtung durch eine Ionenoptik 32 zu einer EST 40' ausgeworfen,
wo die Ionen Mehrfachrefluktionen unterliegen. Ein Modulator/Deflektor 100' ist
zum „Ausgang" der EST 40' hin angeordnet und dieser
gestattet, dass Ionen entweder in einen Detektor 150 oder
zu einer Fragmentationszelle 50 über einen elektrischen
Sektor 110 und eine Ionenverzögerungsanordnung 80 umgelenkt werden.
Vor hier können die Ionen noch einmal zurück in
die Ionenfalle 30 injiziert werden, wiederum durch eine
Eintrittsöffnung, die sich von der Austrittsöffnung
unterscheidet, durch die die Ionen auf ihrem Weg zur EST 40' laufen.
Die Anordnung von 6 enthält auch eine
zugeordnete Ionenoptik, die aber in dieser Figur zugunsten der Klarheit
nicht gezeigt ist.
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In
einer Alternative kann die EST
40' von
6 parallele
Spiegel verwenden (siehe zum Beispiel
WO-A-2005/001878 ), oder
längliche elektrische Sektoren (siehe zum Beispiel
US-A-2005/0103992 ). Es
könnten auch kompliziertere Formen von Trajektoren oder
EST-Ionenoptiken verwendet werden.
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7 zeigt
eine noch weitere Anordnung eines Massenspektrometers gemäß den
Aspekten der vorliegenden Erfindung. Wie bei 4 umfasst
das Spektrometer eine Ionenquelle 20, die Ionen einer Vorfalle
zuführt, die, wie in der Ausführung von 4,
eine Hilfsionenspeichervorrichtung 60 ist. Strom ab dieser
Vorfalle/Hilfsionenspeichervorrichtung 60 befindet sich
eine Ionenfalle 30 (die in der bevorzugten Ausführung
eine gekrümmte Falle ist) sowie eine Fragmentationszelle 50.
Die Fragmentationszelle 50 könnte an jeder Seite
der Ionenfalle 30 angeordnet sein, obwohl in der Ausführung
von 7 die Fragmentationszelle 50 zwischen
der Ionenquelle 20 und der Ionenfalle 30 gezeigt
ist. Wie bei den vorherigen Ausführungen ist eine Ionenverzögerungsanordnung 80 vorzugsweise
zwischen der Ionenfalle 30 und der Fragmentationszelle 50 angeordnet.
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Im
Gebrauch treten Ionen in die Ionenfalle 30 über
eine Ioneneintrittsöffnung 28 ein und werden in der
Ionenfalle 30 akkumuliert. Dann werden sie orthogonal durch
eine Austrittsöffnung 29 ausgeworfen, die von
der Eintrittsöffnung 28 separat ist, zu einer
elektrostatischen Falle 40. In der in 7 gezeigten
Anordnung ist die Austrittsöffnung in Richtung allgemein
senkrecht zur Ionenauswurfrichtung länglich (das heißt,
die Austrittsöffnung 29 ist schlitzartig). Die Ionenposition
innerhalb der Falle 30 wird derart gesteuert, dass die
Ionen durch eine Seite (der linken Seite in 7) der Austrittsöffnung 29 austreten.
Die Steuerung der Position der Ionen innerhalb der Ionenfalle kann
auf unterschiedliche Weisen erreicht werden, wie etwa durch Anlegen
von unterschiedlichen Spannungen an Elektroden (nicht gezeigt) an den
Enden der Ionenfalle 30. In einer bestimmten Ausführung
können Ionen in einer kompakten zylindrischen Verteilung
von der Mitte der Ionenfalle 30 ausgeworfen werden, während
sie wieder aufgefangen werden, als viel längere zylindrische
Verteilung (infolge der Divergenz und von Abberation innerhalb des
Systems) mit einem viel größeren Winkel.
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Modifizierte
Ionenoptiken 32' sind stromab des Ausgangfs von der Ionenfalle 30 angeordnet, und
stromab davon lenkt ein erster Modulator/Deflektor 100'' die
Ionen zu der EST 40. Ionen werden entlang der Achse der
EST 40 reflektiert. Als Alternative zum Ausrichten der
Ionen von der Ionenfalle 30 in die EST 40 können
stattdessen die Ionen von einem Deflektor 100' stromab
der Ionenoptik 32' in einen Orbitrap-Massenanalysator 70 oder
dergleichen umgelenkt werden.
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In
der Ausführung von 7 arbeitet
die Ionenfalle 30 sowohl als Bremse als auch als Ionenselektor.
Das Extraktions-(Gleichspannungs-)Potential über der Ionenfalle 30 wird
ausgeschaltet, und das Trapping-(hf)-Potential wird an dem exakten
Punkt eingeschaltet, an dem interessierende Ionen in der Ionenfalle 30 zur
Ruhe kommen, nachdem sie von der EST 40 zurückgekommen
sind. Zum Injizieren in und Auswerfen aus der EST 40 werden
die Spannungen an dem Spiegel innerhalb der EST 40 (3), die
den Linsen am Nächsten ist, gepulst ausgeschaltet. Nachdem
interessierende Ionen in der Ionenfalle 30 aufgefangen
worden sind, werden sie zu der Fragmentationszelle 50 hin
beschleunigt, an jeder Seite der Ionenfalle 30, wo Fragmentionen
erzeugt werden, und dann gefangen werden. Danach können
die Fragmentionen noch einmal zur Ionenfalle 30 überführt
werden.
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Durch
das Auswerfen der Ionen von einer ersten Seite eines länglichen
Schlitzes und Wiederauffangen an oder zu einer zweiten Seite dieses Schlitzes
hin, ist der Auswurfweg von der Ionenfalle 30 nicht parallel
zum Wiederauffangweg in diese Falle 30. Dies wiederum kann
erlauben, dass die Ionen in die EST 40 mit einem Winkel
relativ zur Längsachse dieser EST 40 injiziert
werden, wie in den Ausführungen der 4 und 5 gezeigt.
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Obwohl
in 7 eine einzige schlitzartige Austrittsöffnung 29 gezeigt
ist, mit Ionen, die diese zu einer ersten Seite dieses Schlitzes
verlassen, aber von der EST von der anderen Seite dieses Schlitzen wieder
aufgenommen werden, können natürlich alternativ
auch zwei (oder mehr) separate, aber allgemein benachbarte Transportöffnungen
verwendet werden (die dann in Richtung orthogonal zur Laufrichtung
der Ionen durch diese hindurch länglich sein können,
aber nicht brauchen) mit Ionen, die über eine erste dieser
Transportöffnungen austreten, aber in die Ionenfalle 30 über
eine benachbarte Transportöffnung zurückkehren.
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In
der Tat könnte nicht nur die schlitzartige Austrittsöffnung
von 7 in separate Transportöffnungen unterteilt
werden, die in einer allgemein orthogonalen Richtung zur Laufrichtung
der Ionen während des Ejizierens und Injizierens beabstandet
sind, sondern es könnte auch die gekrümmte Ionenfallle 30 von 7 selbst
in separate Segmente unterteilt werden. Eine solche Anordnung ist
in 8 gezeigt.
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Die
Anordnung von 8 ist jener von 7 sehr ähnlich,
darin, dass das Spektrometer eine Ionenquelle 20 aufweist,
die Ionen einer Vorfalle zuführt, die eine Hilfsionenspeichervorrichtung
ist. Stromab dieser Vorfallen/Hilfsionenspeichervorrichtung 60 befindet
sich eine Ionenfalle 30' (die unten weiter beschrieben
wird) sowie eine Fragmentationszelle 50. Wie bei der Anordnung
von 7 könnte die Fragmentationszelle 50 in 8 auch
an jeder Seite der Ionenfalle 30' angeordnet sein, obwohl
in der Ausführung von 8 die Fragmentationszelle 50 zwischen
der Ionenquelle 20 und der Ionenfalle 30' gezeigt
ist, wobei die Ionenfalle 30' und die Fragmentationszelle 50 durch
eine optische Ionenverzögerungsanordnung 80 separiert
sind.
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Stromab
der Ionenfalle 30 befindet sich ein erster Modulator/Deflektor 100''',
der die Ionen von einer achsversetzten Richtung in die EST 40 leitet. Ionen
werden entlang der Achse der EST 40 reflektiert. Um die
Ionen von der EST 40 zurück zur Ionenfalle 30 auszuwerfen,
wird ein zweiter Modulator/Deflektor 100'' in der EST 40 verwendet.
Als Alternative dazu, die Ionen von der Ionenfalle 30 in
die EST 40 zu lenken, können stattdessen die Ionen
auch von dem Deflektor 100''' in einen Orbitrap-Massenanalysator 70 oder
dergleichen umgelenkt werden.
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Die
gekrümmte Ionenfalle 30' umfasst in der Ausführung
von 8 drei aneinandergrenzende Segmente 36, 37, 38.
Die ersten und dritten Segmente 36, 38 haben jeweils
eine Ionentransportöffnung, so dass die von der Ionenfalle 30' ausgeworfenen
Ionen über die erste Transportöffnung im ersten
Segment 36 in die EST 40 ausgeworfen werden, aber über
eine zweite räumlich separate Transportöffnung in
dem dritten Segment 38 in die Ionenfalle 30' zurückgeleitet
werden. Um dies zu erreichen, kann die gleiche HF-Spannung an jedes
Segment der Ionenfalle 30' angelegt werden (so dass in
diesem Sinne die Ionenfalle 30' als Einzelfalle wirkt,
trotz der mehreren Fallensektionen 36, 37, 38),
aber mit unterschiedlichen Gleichspannungsoffsets, die an jeden Abschnitt
angelegt werden, so dass die Ionen nicht zentral in der Achsrichtung
der gekrümmten Ionenfalle 30' verteilt werden.
Im Gebrauch werden die Ionen in der Ionenfalle 30' gespeichert.
Durch geeignete Einstellung der Gleichspannung, die an die Ionenfallensegmente 36, 37, 38 angelegt
wird, werden die Ionen dazu gebracht, die Ionenfalle 30' über
das erste Segment 36 zu verlassen, zur achsversetzten Injektion
in die EST 40. Die Ionen kehren zur Ionenfalle 30' zurück
und treten über die Öffnung in das dritte Segment 38 ein.
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Indem
die Gleichspannung an den ersten und zweiten Segmenten 36 und 37 auf
einer geringeren Amplitude gehalten wird als die an das dritte Segment 38 angelegte
Gleichspannung, wenn die Ionen von der EST 40 wieder aufgefangen
werden, können die Ionen entlang der gekrümmten
Achse der Ionenfalle 30' beschleunigt werden (zum Beispiel
um 30 bis 50 ev/kDa), so dass sie einer Fragmentation unterliegen.
Auf diese Weise ist die Ionenfalle 30' sowohl als Falle
als auch als Fragmentationsvorrichtung betreibbar.
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Die
resultierenden Fragmentionen werden dann gekühlt und in
das erste Segment 36 gequetscht, indem die Offsetgleichspannung
an den zweiten und dritten Segmenten 37, 38 relativ
zur Spannung am ersten Segment 36 erhöht wird.
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Für
den optimalen Betrieb erfordern die Fragmentationsvorrichtungen
insbesondere, dass die Energieverteilung der dort hinein injizierten
Ionen gut in einem Bereich von etwa 10 bis 20 eV geregelt und dort
gehalten wird, da höhere Energien nur in Fragmenten niedrigerer
Masse resultieren, wohingegen niedrigere Energien eine geringe Fragmentation erzeugen.
Viele existierende Massenspektrometeranordnungen, sowie die neuartigen
Anordnungen, die hier in den Ausführungen der 1 bis 7 beschrieben
sind, resultieren andererseits in einer Energieverteilung von Ionen,
die an einer Fragmentationszelle weit außerhalb des gewünschten
engen Bereichs ankommt. Zum Beispiel können sich in der
Anordnung der 1 bis 7 die Ionen
in der Energie in der Ionenfalle 30, 30' aufgrund
der räumlichen Verteilung oder Streuung in dieser Falle,
aufgrund von Raumladungseffekten (zum Beispiel der Coulomb-Ausdehnung
während Mehrfachreflektionen) in der EST 40 und
aufgrund des akkumulierten Effekts von Aberrationen in dem System
verteilen oder streuen.
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Infolgedessen
ist irgendeine Form der Energiekompensation erwünscht.
Die 9 bis 11 zeigen einige bestimmte,
aber schematische Beispiele von Teilen in einer Ionenverzögerungsanordnung 80 zum
Erreichen dieses Ziels, und die 12 und 13 zeigen
eine Energieverteilungsreduktion und eine räumliche Verteilung
für eine Vielzahl von unterschiedlichen Parametern, die
auf solche Ionenverzögerungsanordnungen angewendet werden.
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Um
einen geeigneten Wert der Energiekompensation zu erreichen, unter
Verwendung einiger der oben beschriebenen Ausführungen,
ist es wünschenswert, die Ionenenergiestreuung zu vergrößern.
In anderen Worten, die Strahlendicke für einen hypothetischen
monoenergetischen Ionenstrahl ist bevorzugt kleiner als die Separation
zweier solcher hypothetischer monoenergetischer Ionenstrahlen um die
gewünschte Energiedifferenz von 10 bis 20 eV, wie oben
erläutert. Obwohl der Grad der Energieverteilung oder -streuung
natürlich durch physikalische Trennung der Fragmenationszelle 50 von
der Ionenfalle 30 oder EST 40 mit ausreichendem
Abstand erreicht werden könnte (so dass die Ionen seitlich
verteilt werden können), ist eine solche Anordnung nicht bevorzugt,
da sie die Gesamtgröße des Massenspektrometers
erhöht, zusätzliches Pumpen erfordert usw.
-
Stattdessen
ist es bevorzugt, eine bestimmte Anordnung einzubauen, um eine beliebige
Energieverteilung zu erlauben, ohne den Abstand zwischen der Fragmentationszelle
und der Komponente des Massenspektrometers stromauf davon (Ionenfalle 30 oder
EST 40) unmäßig zu vergrößern. 9 zeigt eine
geeignete Vorrichtung. In 9 ist eine
Ionenspiegelanordnung 200 gezeigt, die ein optionales Teil der
hochschematisch repräsentierten Ionenverzögerungsanordnung 80 der 2 bis 7 bildet.
Die Ionenspiegelanordnung 200 umfasst ein Array oder Feld
von Elektroden 210, die in einer flachen Spiegelelektrode 220 enden.
Ionen werden in die Ionenspiegelanordnung von der EST 40 injiziert
und werden durch die flache Spiegelelektrode 220 reflektiert,
was in einer vergrößerten Verteilung oder Streuung
der Ionen resultiert, um die Zeit, mit der sie wieder aus der Ionenspiegelanordnung
austreten und an der Fragmentationszelle 50 ankommen. Ein
alternativer Ansatz zum Einbauen der Energieverteilung ist in 11 gezeigt
und wird unten weiter beschrieben.
-
Sobald
der Grad der Energieverteilung, zum Beispiel mit der Ionenspiegelanordnung 200 von 9,
erhöht worden ist, werden als nächstes die Ionen
verzögert. Allgemein gesagt, wird dies durch Anlegen einer
gepulsten Gleichspannung an eine Verzögerungselektrodenanordnung
erreicht, wie etwa jener, die in 10 dargestellt
und mit 250 bezeichnet ist. Die Verzögerungselektrodenanordnung 250 von 10 umfasst
ein Feld von Elektroden mit einer Eingangselektrode 260 und
einer Ausgangselektrode 270, zwischen eine Massenelektrode 280 eingefügt ist.
Bevozugt sind die Eingangs- und Ausgangselektroden mit Differenzpumpabschnitten
kombiniert, um den Druck allmählich zwischen der (stromaufwärtigen)
Ionenspiegelanordnung 200 mit relativ niedrigem Druck,
der Verzögerungselektrodenanordnung 250 mit einem
zwischenliegenden Druck und dem relativ höheren Druck,
der von der (stromabwärtigen) Fragmentationszelle 50 benötigt
wird, zu reduzieren. Nur als Beispiel kann die Ionenspiegelanordnung 200 bei
einem Druck von etwa 10–8 mBar
liegen, wobei die Verzögerungselektrodenanordnung 250 eine niedrigere
Druckgrenze von etwa 10–5 mBar
haben kann, ansteigen auf etwa 10–4 mBar über
Differenzpumpen, mit einem Druck im Bereich von 10–3 bis 10–2 mBar oder so in der Fragmentationszelle 50. Zum
Pumpen zwischen dem Ausgang der Verzögerungselektrodenanordnung 250 und
der Fragmentationszelle 50 könnte ein zusätzliches
Nur-HF-Multipol wie etwa am meisten bevorzugt eine Oktapol-HF-Vorrichtung
verwendet werden. Diese ist in 11 zur
nachfolgenden Beschreibung gezeigt.
-
Um
die Verzögerung zu erreichen, werden die Gleichspannungen
an einer oder beiden der Linsen 260, 270 geschaltet.
Die Zeit, zu der dies stattfindet, ist von dem spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnis
der interessierenden Ionen abhängig. Insbesondere wenn
Ionen in elektrisches Verzögerungsfeld eintreten, überholen
die energiehöheren Ionen die Ionen mit niedriger Energie
und bewegen sich somit zu einer größeren Tiefe
in das Bremsfeld. Nachdem alle Ionen dieses bestimmten m/z in das Bremsfeld
eingetreten sind, wird das Feld abgeschaltet. Daher unterliegen
die Ionen mit anfänglich höherer Energie einem
höheren Potentialabfall relativ zum Massepotential als
die Ionen mit niedrigerer Energie, so dass ihre Energien gleichgemacht
werden. Durch Anpassung des Potentialabfalls an die Energieverteilung
beim Austritt aus dem Massenselektor kann eine signifikante Reduktion
der Energieverteilung oder -streuung erreicht werden.
-
Es
versteht sich, dass diese Technik eine Energiekompensation für
Ionen mit einem bestimmten Bereich von Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen
gestattet, und nicht für einen unendlich weiten Bereich von
unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen. Dies
ist so, weil in einer endlichen Verzögerungslinsenanordnung
nur Ionen mit einem bestimmten Bereich von Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen
einem Verzögerungsbetrag unterliegen, der an ihre Energieverteilung
oder -steuerung angepasst werden kann. Beliebige Ionen mit weit
unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen zu dem
ausgewählten werden natürlich entweder außerhalb
der Bremslinse sein, wenn sie geschaltet werden, oder werden gleichermaßen
einem Verzögerungsgrad unterliegen, aber, bei stark unterschiedlichem
Masse-zu-Ladungs-Verhältnis, wird der Verzögerungsbetrag
nicht mit der anfänglichen Energieverteilung ausgeglichen,
das heißt, der Verzögerungs- und Eindringweg von
energiehöheren Ionen wird dann nicht an den Verzögerungs-
und Eingringweg von Ionen niedriger Energie angepasst. Jedoch wird
der Fachkundige mit dieser Aussage leicht verstehen, dass dies das
Einleiten von Ionen weit unterschiedlicher Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse
in die Ionenverzögerungsanordnung 80 nicht verhindert,
sondern nur, dass nur Ionen eines bestimmten Bereichs von Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen
von Interesse dem geeigenten Grad der Energiekompensation unterliegen, um
diese für die Fragmentationszelle 50 richtig vorzubereiten.
Somit können die Ionen entweder stromauf der Ionenverzögerungsanordnung 80 gefiltert werden
(so dass nur Ionen eines einzigen interessierenden Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
in einem gegebenen Zyklus des Massenspektrometers darin eintreten)
oder alternativ kann ein Massenfilter stromab der Ionenverzögerungsanordnung 80 verwendet
werden. In der Tat ist es sogar möglich, die Fragmentationszelle 50 selbst
dazu zu benutzen, Ionen zu verwerfen, die nicht das interessierende
Masse-zu-Ladungs-Verhältnis haben und die geeignet energiekompensiert
worden sind.
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11 zeigt
eine alternative Anordnung zum Verzögern von Ionen und
auch zum optischen Defokussieren derselben. Hier erfolgt die Defokussierung innerhalb
der EST 40 (von der nur ein Teil in 11 gezeigt
ist) durch Pulsieren der Gleichspannung an einem der elektrostatischen
Spiegel 42, 44 (3) dann,
wenn Ionen eines interessierenden Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
sich in der Nähe dieses elektrostatischen Spiegeles 42, 44 befinden
(wegen der Art und Weise, in der die EST 40 arbeitet, ist
die Zeit bekannt, zu der Ionen eines bestimmten m/z an den elektrostatischen
Spiegeln 42, 44 ankommen). Das Anliegen eines
geeigneten Pulses an diesen elektrostatischen Spiegel 42 oder 44 resultiert
darin, dass der Spiegel 42, 44 einen defokussierenden
statt einen fokussierenden Effekt auf diese Ionen hat.
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Sobald
sie defokussiert sind, können die Ionen aus der EST ausgeworfen
werden, durch Anlegen eines geeigneten Ablenkfelds an den Deflektor 100/100'/100''.
Die defokussierten Ionen laufen dann zu einer Verzögerungselektrodenanordnung 300,
die die Ionen des gewählten m/z verzögert, wie
oben in Verbindung mit 10 erläutert, durch
Anpassung der verteilten Anfangsenergie auf den Potentialabfall über
das elektrische Feld, das durch die Verzögerungselektrodenanordnung 300 definiert
ist.
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Schließlich
verlassen die Ionen die Verzögerungselektrodenanordnung 300 durch
End-Elektroden 310 und laufen durch eine Austrittsöffnung 320 in eine
Oktopol-Nur-HF-Vorrichtung 330, um für die gewünschte
Pumpwirkung zu sorgen, wie oben beschrieben.
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Die 12 und 13 zeigen
Plots der Energieverteilung und der räumlichen Verteilung
von Ionen eines bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
jeweils als Funktion der Schaltzeit der Gleichspannung, die an diese
Ionenverzögerungsvorrichtungen angelegt wird.
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Aus 12 ist
ersichtlich, dass die Reduktion in der Energiestreuung, die durch
eine Ausführung der vorliegenden Erfindung erreicht wird,
so groß wie ein Faktor 20 sein kann, was einen
Strahl mit einer Streuung von +/– 50 eV auf einen solchen
von +/– 2,4 eV reduzieren kann. Eine längere Schaltzeit
erzeugt eine kleinere räumliche Punktgröße,
aber eine größere Endenergiestreuung mit dem bestimmten
Verzögerungssystem, das hier beschrieben ist. Das Beispiel
ist hier angegeben, um aufzuzeigen, dass andere Strahlencharakteristika
als die Energiestreuung berücksichtigt werden müssen,
nicht um zu unterstellen, dass eine Verzögerung für
eine optimale Endenergiestreuung oder -verteilung immer eine Erhöhung der
räumlichen Verteilung des letztendlichen Strahls erzeugt.
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Es
könnten auch andere Konstruktionen der Verzögerungslinse,
die mit anderen energiedefokussierten Strahlen verwendet wird, eine
noch größere Reduktion der Energieverstreuung
erzeugen. Fachkundige werden realisieren, dass es als Folge davon viele
potentielle Anwendungen für die Erfindung gibt. Die Verwendung,
auf die die Erfindung besonders gerichtet war, war jene, die Ausbeutung
und den Typ der Fragmentionen, die in dem Fragmentationsprozess
erzeugt werden, zu verbessern. Wie zuvor erwähnt, sind
zur effizienten Fragmentierung von Ausgangsionen 10 bis 20 eV Ionenenergien
erforderlich, und natürlich wird eine große Anzahl
von Ionen in einem Strahl mit +/– 50 eV Energiestreuung
gut außerhalb dieses Bereichs liegen. Ionen mit einer zu
hohen Energie fragmentieren überwiegend zu Fragmenten niedriger
Masse, was die Identifikation des Ausgangsions schwierig machen
kann, wohingegen eine höherer Anteil von Ionen mit niedriger
Energie überhaupt nicht fragmentiert. Ohne Energiekompensation würde
ein Ausgangsionenstrahl mit einer +/– 50 eV-Energiestreuung,
der zu einer Fragmentationszelle gerichtet ist, entweder eine hohe
Häufigkeit von Fragmenten niedriger Masse erzeugen, wenn
man den gesamten Strahl in die Fragmentationszelle eintreten lässt,
oder, wenn man nur Ionen mit höchstens 20 eV Energie eintreten
lässt (zum Beispiel durch Verwendung einer Potentialbarriere
vor dem Eintritt), würde ein Großteil der Ionen
verloren gehen, und der Prozess würde höchst ineffizient
werden. Die Ineffizienz würde von der Energieverteilung
der Ionen in dem Strahl abhängen, wobei vielleicht 90%
des Strahls aufgrund der ungenügenden Ionenenergie verloren
geht oder sich nicht fragmentieren lässt.
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Durch
die Anwendung der vorstehenden Technik kann hierdurch eine Fragmentation
von Ionen in der Fragmentationszelle vermieden werden, wenn es gewünscht
ist, die Ionen in einem gegebenen Zyklus des Massenspektrometers
ungestört durch die Fragmentationszelle 50 hindurchzuleiten (oder
sie dort zu speichern). Alternativ kann die Steuerung der Fragmentation
verbessert werden, wenn es gewünscht ist, MS/MS oder MSn Experimente auszuführen.
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Andere
Anwendungen für die beschriebene Ionenverzögerungstechnik
finden sich in anderen Ionenverarbeitungstechniken. Viele Ionenoptikvorrichtungen
können nur mit solchen Ionen gut funktionieren, die Energien
innerhalb eines begrenzten Energiebereichs haben. Beispiele enthalten
elektrostatische Linsen, worin chromatische Aberrationen eine Defokussierung
verursachen, HF-Multipole oder Quadrupol-Massenfilter, in denen
die Anzahl von HF-Zyklen, denen die Ionen unterliegen, wenn sie
die endliche Länge der Vorrichtung durchlaufen, eine Funktion
der Ionenenergie ist, und magnetische Optiken, die sowohl Masse
als auch Energie streuen. Reflektoren sind typischerweise so ausgestaltet, dass
sie für eine Energiefokussierung sorgen, um für einen
Bereich von Ionenstrahlen Energien zu kompensieren, aber gewöhnlich
existieren Energieabberationen höherer Ordnung, und ein
energiekompensierter Strahl, die er durch die vorliegende Erfindung erzeugt
wird, wird den Defokussierungseffekt dieser Aberrationen reduzieren.
Wiederum werden Fachkundige erkennen, dass diese nur eine Auswahl möglicher
Anwendungen für die beschriebene Technik sind.
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Wenn
man nun zu den Anordnungen der
2 und
4 bis
8 zurückkehrt,
ist, allgemein gesagt, ein effizienter Betrieb der in diesen Figuren jeweils
gezeigten gasgefüllten Einheit von der optimalen Auswahl
von Kollisionsbedingungen abhängig und ist durch die Kollisionsdicke
P·D charakterisiert, 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 von Kollisionsgasen.
In der gegenwärtig bevorzugten Ausführung ist
es erwünscht, dass die folgenden Bedingungen annähert
erfüllt werden:
In der Vorfalle
24 ist es
erwünscht, dass P·D > 0,05 mm·Torr, ist aber bevorzugt < 0,2 mm·Torr.
Zum Fangen von Ionen können mehrere Durchläufe
verwendet werden, wie in unserer mitanhängigen Patentanmeldung
Nr.
GB 05062872 beschrieben.
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Die
Ionenfalle 30 hat bevorzugt einen P·D-Bereich
zwischen 0,02 und 0,1 mm·Torr, und diese Vorrichtung könnte
auch mehrere Durchläufe extensiv verwenden.
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Die
Fragmentationszelle 50 (die kollisionsinduzierte Dissoziation,
CID, verwendet) hat eine Kollisionsdicke P·D > 0,5 mm·Torr
und bevorzugt oberhalb 1 mm·torr.
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Für
jede verwendete Hilfsionenspeichervorrichtung 60 ist die
Kollisionsdicke P·D bevorzugt zwischen 0,02 und 0,2 mm·Torr.
Hingegen ist es erwünscht, dass die elektrostatische Falle 40 auf
einem sehr hohen Vakuum gehalten wird, bevorzugt bei oder besser
als 10–8 Torr.
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Die
typischen Analysezeiten in der Anordnung der 2 sind wie
folgt:
Speicherung in der Vorfalle 24: typisch 1 bis
100 ms; Überführung in die gekrümmte
Falle 30: typisch 3–10 ms;
Analyse in der
EST 40: typisch 1 bis 10 ms, um eine Selektionsmassenauflösung
oberhalb von 10.000 zu erzeugen;
Fragmentation in der Fragmentationszelle 50,
gefolgt durch Ionenrücküberfürhung in
die gekrümmte Falle 30: typisch 5–20
ms;
Transfer durch die Fragmentationszelle 50 in eine zweite
Ionenspeichervorrichtung 60, falls verwendet, ohne Fragmentation:
typisch 5–10 ms; und
Analyse im Massenanalysator 70 vom
Orbitrap-Typ: typisch 50–2.000 ms.
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Allgemein
sollte die Dauer eines Pulses für Ionen des gleichen m/z
gut unterhalb 1 ms liegen, bevorzugt unter 10 Mikrosekunden, wohingegen
ein besonders bevorzugtes Regime Ionenpulsen kürzer als 0,5
Mikrosekunden entspricht (für m/z zwischen etwa 400 und
2.000). In alternativen Ansätzen und für andere
m/z sollte die räumliche Länge des emittierten Pulses
gut unterhalb von 10 m liegen, und bevorzugt unterhalb 50 mm, während
ein besonders bevorzugtes Regime Ionenpulsen kürzer als
5–10 mm entspricht. Es ist besonders erwünscht,
Pulse kürzer als 5 bis 10 mm zu verwenden, wenn Orbitrap
und Multireflektions-TOF-Analysatoren verwendet werden.
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Obwohl
eine spezifische Ausführung beschrieben worden ist, wird
der fachkundige Leser leicht erkennen, dass verschiedene Modifikationen
in Betracht gezogen werden könnten.
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Zusammenfassung
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Verfahren
zum Verbessern der Detektionsgrenzen eines Massenspektrometers durch:
Generieren von Probeionen von einer Ionenquelle; Speichern der Probeionen
in einer ersten Ionenspeichervorrichtung; Ejizieren der gespeicherten
Ionen in eine Ionenselektionsvorrichtung; Selektieren und Ejizieren
von Ionen eines gegebenen Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
aus der Ionenselektionsvorrichtung; Speichern der von der Ionenselektionsvorrichtung
ejizierten Ionen in einer zweiten Ionenspeichervorrichtung, ohne
diese durch die Ionenselektionsvorrichtung zurückzuleiten;
Wiederholen der vorangehenden Schritte, um die in der zweiten Ionenspeichervorrichtung
gespeicherten Ionen des gewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses
zu vermehren; und Überführen der vermehrten Ionen
des gewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses zurück
zur ersten Ionenspeichervorrichtung zur anschließenden
Analyse.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 2400724
A [0004]
- - WO 2004/001878 A [0005]
- - US 2004/00245455 A [0005]
- - JP 2001-143654 A [0005]
- - US 5886346 A [0013, 0015]
- - US 3226543 A [0015]
- - DE 04408489 A [0015]
- - GB 2080021 A [0015]
- - SU 1725289 A [0015, 0015]
- - WO 2005/001878 A [0015, 0016, 0068]
- - US 20050103992 A [0015]
- - US 300625 [0016]
- - US 2005/0103992 A [0016, 0068]
- - US 886346 [0016]
- - US 6872938 A [0017, 0017]
- - US 6013913 A [0017, 0017]
- - WO 02/078046 B [0018]
- - WO 05124821 A2 [0018]
- - WO 05124821 A [0042]
- - GB 0506287 [0042]
- - GB 415541 [0051]
- - WO 2005/124821 A [0051]
- - US 572022 [0052]
- - GB 05062872 [0096]