-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Ionenenergiestreuung in einem Massenspektrometer oder einem Bauteil desselben. Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, anwendbar auf die Reduzierung der Ionenenergiestreuung für Ionen, welche in eine Fragmentierungs- oder Kollisionszelle eingeführt werden.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Viele Ionenoptikvorrichtungen können nur mit Ionen gut funktionieren, welche Energien innerhalb eines begrenzten Energiebereichs aufweisen. Beispiele umfassen elektrostatische Linsen, in welchen chromatische Abberationen eine Defokussierung erzeugen, HF-Multipol- oder Quadropol-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 sind typischerweise dafür eingerichtet, eine Energiefokussierung bereitzustellen, um Kompensation für einen Bereich an Ionenstrahlenergien zu schaffen, es treten jedoch im Allgemeinen Energieabberationen höherer Ordnung auf.
-
Die Tandemmassenspektroskopie ist eine gut bekannte Technik, durch welche Spurenanalyse und Strukturaufklärung von Proben durchgeführt werden können. In einem ersten Schritt werden Ausgangsionen einer Massenanalyse/Massenfilterung unterzogen, um Ionen eines interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisses auszuwählen, und in einem zweiten Schritt werden diese Ionen fragmentiert, z. B. durch Kollision mit einem Gas, wie etwa Argon. Die resultierenden Fragmentionen werden dann einer Massenanalyse, üblicherweise durch Erzeugen eines Massenspektrums, unterzogen.
-
Ein erfolgreicher Betrieb der Fragmentierungsvorrichtung, welche die Fragmentierung der Ausgangsionen ausführt, ist gleichermaßen durch den Grad an Energiestreuung von in diese eintretenden Ionen begrenzt. Zum Beispiel beeinflusst eine Energiestreuung im Ausmaß von ungefähr 10–20 eV die Fragmentierung: Höhere Energien führen nur zu Fragmenten niedriger Masse, während niedrigere Energien zu geringer Fragmentierung führen.
-
DE 10 2004 014 582 A1 betrifft ein Verfahren für ionenoptische Phasenvolumenkomprimierung. Die Ionen werden in die Vorrichtung zur ionenoptischen Phasenvolumenkomprimierung eingebracht, in der sie vor- und zurückpendeln, und durch kühlende oder fragmentierende Stöße ihre kinetische Energie verlieren. Durch eine nicht homogene Gleichspannung werden Ionen zum Ausgang transportiert, wobei sie sich in einem Potentialminimum sammeln. Dabei werden die Ionen in einem „Ionenteich” festgehalten, der steuerbar geleert werden kann, um einen monoenergetischen Ionenstrahl zu produzieren), mit einer Veränderung des Potentialverlaufs.
-
WO 2006/009882 A2 betrifft eine Vorrichtung für eine „Atom Probe Mass Resolution Enhanement” in der Flugzeitmassenspektroskopie. Eine Probe wird mittels einer ersten Elektrode zur Verdampfung von Ionen ionisierenden Pulse ausgesetzt. Die verdampften Ionen werden mittels einer zweiten Elektrode korrigierenden Pulsen ausgesetzt, die mit den ionisierenden Pulsen synchronisiert sind. Die korrigierenden Pulse dienen dazu, die Geschwindigkeitsverteilung der verdampften Ionen zu reduzieren, wovor diese in ein Flugzeitmassenspektrometer eintreten, so dass eine bessere Massenauflösung erhalten wird.
-
FRANKEVICH, V. Und R. ZENOBI: „Deceleration of high-energy matrix-assisted laser desorption/ionization ions in an open cell for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry” betrifft ein Verfahren für Ionenverzögerung in der Fouriertransform-Ionencyclotronenresonanz-Massenspektroskopie. Ermöglicht wird eine elektrostatische Steuerung der durch eine MALDI-Quelle produzierten Ionen, um überschüssige Energie zu entfernen. Die Verzögerung wird im Anschluss an Ionenproduktion und vor dem Eintritt in eine Ionenfalle durchgeführt.
-
Überblick über die Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund und nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Eine solche Technik kann zu einer signifikanten Reduzierung des Ausmaßes an Energiestreuung von Ionen eines bestimmten interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisbereichs führen.
-
Wahlweise wird vorher ein weiterer Schritt der Energieverteilung ausgeführt, z. B. unter Verwendung eines Ionenspiegels. Alternativ kann eine elektrostatische Falle (EST) verwendet werden, mit elektrostatischen Spiegeln, die die Ionen über mehrere Reflexionen zurück und nach vorn reflektieren. In diesem Fall kann durch kurzes Umschalten der Spannung zu einem dieser Spiegel, wenn sich die Ionen des interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisbereichs in der Nähe desselben befinden, eine Ionendefokussierung erzielt werden.
-
Die Ionenverzögerungsanordnung kann differentiell gepumpt werden. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn eine EST oder eine andere Vorrichtung, welche in der Lage ist, Ionen eines einzelnen Masse-Ladung-Verhältnisses auszustoßen (z. B. eine 3D-Ionenfalle, eine in einem Resonanzausstoßmodus betriebene Orbitrap, usw.), welche typischerweise bei einem relativ niedrigen Druck arbeitet, an einer Fragmentierungs- oder Kollisionszelle, welche bei einem relativ höheren Druck arbeitet, angeschlossen werden soll.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ionenverzögerungsanordnung gemäß Anspruch 12 bereitgestellt.
-
Vorzugsweise umfasst die Anordnung außerdem eine Ionenenergieverteilungsvorrichtung, welche sich stromaufwärts der Ionenverzögerungsanordnung befindet.
-
Die Ionenenergieverteilungsvorrichtung kann eine Ionenspiegelanordnung umfassen, welche einen Ionenspiegel zum Reflektieren von in dem Ionenspiegel empfangenen Ionen in einer Richtung nach hinten und aus dieser heraus aufweist. Die Verzögerungselektrodenanordnung befindet sich innerhalb eines differentiell gepumpten Gehäuses. In diesem Fall kann die Anordnung ferner eine mehrpolare HF-Vorrichtung umfassen, wie etwa eine Oktapol-nur-HF-Vorrichtung (”RF-only”), welche sich stromabwärts der Verzögerungselektrodenanordnung befindet.
-
Die Ionenauswahlvorrichtung gemäß Anspruch 12 kann eine EST, und/oder in Kombination mit einer Fragmentierungs- oder Kollisionszelle stromabwärts davon sein.
-
Zwecks eines besseres Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Massenspektroskopie, das nicht zur Erfindung gehört, dargestellt, 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 in eine separate Ionenauswahlvorrichtung; Empfangen wenigstens einiger der aus der ersten Ionenspeichervorrichtung ausgestoßenen Ionen oder deren Derivate zurück durch die Ionentransportöffnung der ersten Ionenspeichervorrichtung; und Speichern der empfangenen Ionen in der ersten Ionenspeichervorrichtung.
-
Dieser Zyklus kann wahlweise mehrere Male wiederholt werden, um MSn zu ermöglichen.
-
Dieses Verfahren verwendet somit eine zyklische Anordnung, in welcher Ionen gefangen werden, wahlweise gekühlt werden und aus einer Austrittsöffnung ausgestoßen werden. Diese Ionen (oder eine Untergruppe derselben infolge externer Verarbeitung, wie etwa Fragmentierung, Ionenauswahl usw.) werden zu der Ionenspeichervorrichtung zurückgeführt, wo sie in diese Ionenspeichervorrichtung über eine zweite, räumlich separate Ionentransportöffnung (welche in diesem Fall als eine Einlassöffnung wirkt) wieder eintreten. Diese zyklische Anordnung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem in der vorstehenden Einleitung angegebenen Stand der Technik, welcher stattdessen eine ”Zurück-und-Vorwärts”-Prozedur über dieselbe Öffnung in der Ionenfalle verwendet. Zum einen ist die Anzahl an Vorrichtungen, die zum Speichern und Einführen der Ionen in die Ionenauswahleinrichtung benötigt werden, kleinstmöglich gehalten (in der bevorzugten Ausführungsform ist nur eine Vorrichtung notwendig). Moderne Speicher- und Einführungsvorrichtungen, welche eine sehr hohe Massenauflösung und einen sehr hohen dynamischen Bereich erlauben, sind teuer herzustellen und aufwändig zu steuern/zu regeln, sodass die Anordnung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Kosten- und Steuer/Regeleinsparung darstellt. Zum Zweiten wird durch Verwendung der gleichen (ersten) Ionenspeichereinrichtung zum Einführen von Ionen in eine externe Ionenauswahlvorrichtung und zum Empfangen der Ionen aus dieser zurück die Anzahl an MS-Stufen reduziert. Dies wiederum verbessert die Ionentransporteffizienz, welche von der Anzahl an MS-Stufen abhängt. Typischerweise weisen aus einer externen Ionenauswahleinrichtung ausgestoßene Ionen sehr unterschiedliche Charakteristiken auf gegenüber den Ionen, die aus der Ionenspeichervorrichtung ausgestoßen werden. Beim Laden von Ionen in die Ionenspeichervorrichtung durch einen speziell zugewiesenen Ioneneinlasskanal (die erste Ionentransportöffnung) und insbesondere dann, wenn sie von einer externen Fragmentierungsvorrichtung an der Ionenspeichervorrichtung zurückkehren, kann dieser Vorgang in einer gut gesteuerten/geregelten Weise ausgeführt werden. Dies minimiert Ionenverluste, was wiederum zu einer Verbesserung der Ionentransporteffizienz der Vorrichtung führt.
-
In diesem Verfahren befindet sich eine Fragmentierungsvorrichtung an externer Stelle bezüglich der Ionenspeichervorrichtung. Eine externe Ionenauswahlvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ bereitgestellt sein. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen befindet sich die Fragmentierungsvorrichtung zwischen solch einer Ionenauswahlvorrichtung (jedoch extern/außerhalb davon) und der Ionenspeichervorrichtung.
-
Eine Ionenquelle kann vorgesehen sein, um einen kontinuierlichen oder gepulsten Strom von Probenionen der Ionenspeichervorrichtung zuzuführen. In einer bevorzugten Anordnung kann die optionale Fragmentierungsvorrichtung sich stattdessen zwischen einer solchen Ionenquelle und der Ionenspeichervorrichtung befinden. In jedem Fall können komplizierte MSn-Experimente parallel ausgeführt werden, indem die Unterteilung in Unterpopulationen von Ionen erlaubt wird, entweder direkt von der Ionenquelle oder aus vorhergehenden Zyklen des MS abgeleitet (wahlweise kann eine separate Analyse der Unterpopulationen stattfinden). Dies wiederum führt zu einer Zunahme des Arbeitszyklus des Instruments und kann gleichermaßen die Erfassungsgrenzen desselben ebenfalls verbessern.
-
Wenngleich das Verfahren irgendeine Ionenauswahlvorrichtung verwenden könnte, ist es 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 wesentlichen/substanziellen 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-3 226 543 A , der
DE 44 08 489 A1 sowie
US 5 886 346 A 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 2 080 021 A ,
SU 1 716 922 A ,
SU 1 725 289 A1 ,
WO 2005/001878 A2 und
US 2005/0103992 A1 ,
2.
-
Von den elektrostatischen Fallen sind einige, wie etwa die in
US 6 300 625 B1 ,
US 2005/0103992 A1 und
WO 2005/001878 A2 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 5 886 346 A beschrieben ist, verwenden Techniken, wie etwa eine Bildstromerfassung, um Ionen innerhalb der Falle ohne Ausstoß zu erfassen.
-
Elektrostatische Fallen können für eine präzise Massenselektion von von außen eingeführten Ionen verwendet werden (wie z. B. beschrieben in
US 6 872 938 B2 und
US 6 013 913 A ). 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 6 872 938 B2 und
US 6 013 913 A wird dies durch Bildstromerfassung erreicht).
-
Elektrostatische Fallen sind jedoch nicht ohne Schwierigkeiten. Beispielsweise haben die EST’s typischerweise anspruchsvolle Ioneneintrittsanforderungen. So beschreiben beispielsweise unsere früheren Patentanmeldungen
WO 02/078046 A1 und
WO 05/124821 A2 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.
-
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).
-
Wenn die Ionenauswahlvorrichtung eine EST ist, lässt daher 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 die dritte Ionentransportöffnung.
-
Jede Form einer elektrostatischen Falle kann verwendet werden, wenn diese die Ionenauswahlvorrichtung bildet, z. B. 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.
-
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 Potenzialabfalls 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.
-
Eine Ionenspeichervorrichtung für ein Massenspektrometer, die auch nicht zur Erfindung gehört, für die interessierten Fachleute dargestellt, umfassend eine Ionenaustrittsöffnung und eine räumlich getrennte Ionentransportöffnung, wobei die Ionenspeichervorrichtung dafür eingerichtet ist, in einem ersten Zyklus gespeicherte Ionen aus der Ionenaustrittsöffnung auszustoßen, durch die separate Ionentransportöffnung derselben Ionen wieder zurückzuempfangen, und die empfangenen Ionen darin zu speichern. Die Erfindung erstreckt sich in diesem Zusammenhang auch auf ein Massenspektrometer, welches eine solche Ionenspeichervorrichtung zusammen mit einer Ionenauswahlvorrichtung und/oder einer Ionenfragmentierungsvorrichtung enthält.
-
Zudem wird ein Verfahren der Massenspektroskopie, das nicht zur Erfindung gehört, erläutert, 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.
-
Ferner kann man ein Verfahren zum Verbessern der Erfassungsgrenzen eines Massenspektrometers, das auch nicht zur Erfindung gehört, vorschlagen, 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.
-
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 nicht unbedingt notwendig und ein Ausstoß sowie ein Einfangen durch dieselbe Öffnung ist denkbar.
-
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.
-
Somit wird ein Verfahren zum Verbessern der Erfassungsgrenzen eines Massenspektrometers, das nicht zur Erfindung gehört, 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.
-
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.
-
Ionen in der ersten Ionenspeichervorrichtung können entweder in einer separaten Masseanalyseeinrichtung, wie etwa einer Orbitrap, wie sie in der vorstehend angegebenen
US 5 886 346 A beschrieben wurde, analysiert werden oder können stattdessen zurück in die Ionenauswahlvorrichtung für eine dortige Massenanalyse eingeführt werden.
-
Ferner wird ein Verfahren der Massenspektroskopie, das nicht zur Erfindung gehört, 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.
-
Andere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
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:
-
1 in Blockdiagrammdarstellung einen Überblick über ein Massenspektrometer;
-
2 eine Implementation des Massenspektrometers der 1, einschließlich einer elektrostatischen Falle und einer separaten Fragmentierungszelle, zeigt;
-
3 eine schematische Representation einer Anordnung einer elektrostatischen Falle für die Verwendung mit dem Massenspektrometer der 2 zeigt;
-
4 eine erste alternative Anordnung eines Massenspektrometers zeigt;
-
5 eine zweite alternative Anordnung des Massenspektrometers zeigt;
-
6 eine dritte alternative Anordnung eines Massenspektrometers zeigt;
-
7 eine vierte alternative Anordnung eines Massenspektrometers zeigt;
-
8 eine fünfte alternative Anordnung eines Massenspektrometers zeigt;
-
9 eine Ionenspiegelanordnung zur Vergrößerung der Energieverteilung von Ionen vor dem Einleiten in die Fragmentierungszelle der 1, 2 und 4–8 zeigt;
-
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;
-
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;
-
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
-
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.
-
Die Anordnungen gemäß der 1 bis 8 gehören nicht notwendigerweise zu der vorliegenden Erfindung und werden zwecks eines besseren Verständnisses der Erfindung dargestellt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der 9 bis 13 erläutert.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
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 05/124821 A2 beschrieben sind. Die Ionen werden in der Ionenfalle
30 gespeichert und eine Kollisionskühlung der Ionen kann stattfinden, wie beispielsweise in unserer parallelen Anmeldung Nr.
WO 2006/103445 A2 beschrieben ist, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Es wird sich nun 2 zugewandt, in welcher ein Massenspektrometer 10 detaillierter gezeigt ist. Die in 2 gezeigte Ionenquelle 20 ist eine Impulslaserquelle (vorzugsweise eine Matrix-unterstützte Laserdesorptionsionisations-(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.
-
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 ein gasgefüllter, linearer Nur-HF-Quadrupol sein kann. 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-2 415 541 A und
WO 2005/124821 A2 dargelegt, deren Details in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen sind.
-
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 5 572 022 A beschriebenen.
-
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.
-
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).
-
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.
-
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.
-
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 2 wird dies durch ein Elektrometergitter 90 am Eingang der Orbitrap 70 ausgeführt.
-
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.
-
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.
-
Die Anordnung der 4 umfasst wiederum eine Ionenquelle 20, welche Ionen einer Vorfalle zuführt, welche in der 4 eine nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 ist. Stromabwärts dieser Vorfalle bzw. nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 sind eine Ionenfalle 30 (welche eine gekrümmte Falle sein kann) 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In einer Alternative kann die EST
40' der
6 parallele Spiegel (siehe z. B.
WO 2005/001878 A2 ) oder längliche elektrische Sektoren (siehe z. B.
US-2005/0103992 A1 ) einsetzen. Kompliziertere Formen oder Trajektoren oder EST-Ionenoptikvorrichtungen könnten verwendet werden.
-
7 zeigt noch ein Massenspektrometer. Wie in 4 umfasst das Spektrometer eine Ionenquelle 20, welche Ionen einer Vorfalle zuführt, welche, wie in der 4, eine nebengeordnete Ionenspeichervorrichtung 60 ist. Stromabwärts dieser Vorfalle bzw. nebengeordneten Ionenspeichervorrichtung 60 ist eine Ionenfalle 30 (welche eine gekrümmte Falle sein kann) und eine Fragmentierungszelle 50. Die Fragmentierungszelle 50 könnte sich auf beiden Seiten der Ionenfalle 30 befinden, wenngleich in der 7 die Fragmentierungszelle 50 zwischen der Ionenquelle 20 und der Ionenfalle 30 gezeigt ist. Wie in den vorherigen Beispielen befindet sich eine Ionenverzögerungsanordnung 80 vorzugsweise zwischen der Ionenfalle 30 und der Fragmentierungszelle 50.
-
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 einem Beispiel 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.
-
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.
-
In 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.
-
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 4 und 5 gezeigt ist.
-
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.
-
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.
-
Die Anordnung der 8 ist dahingehend sehr ähnlich der der 7, dass das Spektrometer 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 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.
-
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.
-
Die gekrümmte Ionenfalle 30' umfasst in 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.
-
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.
-
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.
-
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 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 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.
-
Um eine Verzögerung zu erreichen, werden Gleichspannungen an den Linsen 260, 270 unter der Steuerung/Regelung einer Spannungssteuer/regeleinrichtung (nicht gezeigt) 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.
-
Es ist verständlich, dass diese Technik eine Energiekompensation für ein bestimmtes m/z erlaubt und nicht für einen breiten Bereich von unterschiedlichen Masse-Ladung-Verhältnissen. Dies liegt daran, dass nur Ionen eines einzelnen Masse-Ladung-Verhältnisses einen Betrag an Verzögerung erfahren, der ihrer Energiestreuung angepasst werden kann. Jegliche Ionen mit Masse-Ladung-Verhältnissen, die von dem ausgewählten abweichen, werden selbstverständlich gleichermaßen einen Grad von Verzögerung erfahren, da sie jedoch ein anderes 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 an die Verzögerung und die Eindringtiefe der Ionen niedrigerer Energie angepasst sein. Trotz dieser Tatsache wird der Fachmann verstehen, dass damit nicht die Einführung von Ionen unterschiedlicher Masse-Ladung-Verhältnisse in die Verzögerungsanordnung 80 verboten ist, sondern Ionen eines bestimmten, interessierenden Masse-Ladung-Verhältnisses 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.
-
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.
-
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.
-
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. Der resultierende Ausgangsstrahl ist symmetrischer als der der Anordnung von 10.
-
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.
-
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.
-
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 potenziellen 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 Mutterions erschweren kann, während ein hoher Anteil an Ionen niedriger Energie überhaupt nicht fragmentiert wird. Ohne Energiekompensierung würde ein Mutterionenstrahl 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.
-
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.
-
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.
-
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 beispielhaften Anordnung ist es wünschenswert, dass die folgenden Bedingungen annähernd erreicht werden:
In der Vorfalle
24 ist es erwünscht, dass P·D > 0,05 mm·Torr [1 Torr entspricht etwa 133,322 Pa], jedoch vorzugsweise < 0,2 mm·Torr. Mehrere Durchläufe können zum Einfangen von Ionen verwendet werden, wie in unserer parallelen Patentanmeldung Nr.
WO 2006/103445 A2 beschrieben ist.
Die Ionenfalle
30 weist vorzugsweise einen PD-Bereich zwischen 0,02 und 0,1 mm·Torr auf und diese Vorrichtung könnte ebenfalls im starken Maße mehrere Durchläufe verwenden.
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.
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.
-
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.
