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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft insbesondere Massenanalysatoren, die Laser-basierte
Ionisationsquellen nutzen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren hat sich Matrix-unterstützte Laser-Desorptions-Ionisations-(Matrix
Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)-Massenspektrometrie,
eine Technik, die minimale Fragmentierung und hohe Empfindlichkeit
für die Analyse einer weiten Vielfalt von fragilen und
nicht-flüchtigen Verbindungen bereitstellt, weit verbreitet.
In ihrer einfachsten Form umfasst die MALDI-Technik ein Ablegen
der Probe (Analyt) und einer Matrix, die in einem Lösungsmittel
gelöst ist, als ein Ort auf einer Zielebene. Nachdem das
Lösungsmittel verdampft ist, ist die Mischung von Probe
und Matrix auf der Probenplatte zurückgeblieben. Diese
wird in ein Massenspektrometer eingebracht, wo ein Puls von einem
Laser die Matrix bestrahlt und sie zum Verdampfen bringt. Die Probe
wird mit der Matrix getragen, ionisiert und von dem Massenspektrometer
analysiert. MALDI-Quellen werden typischerweise mit Spektrometern
verwendet, welche die Speicherung von Ionen erlauben, wie etwa Ionenfallenmassenspektrometer
und Fouriertransformierungsmassenspektrometer zum Beispiel, oder
Flugzeit-(Time Of Flight, TOF)-Massenspektrometer. Diese Konfigurationen
können verwendet werden, um Molekulargewichte von Biomolekülen
und ihre fragmentierten Ionen zu bestimmen, Bioreaktionen zu überwachen,
post-translationale Modifikationen zu ermitteln und Protein- und
Oligonukleotide-Sequenzierungen durchzuführen, für
Gewebeabbildungen und viele weitere Anwendungen.
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Der
MALDI-Ionisationsprozess erzeugt von Natur aus Ionen mit einem weiten
Bereich an kinetischer Energie, wegen der Energie des Lasers, die primär in
der Matrix umgewandelt wird und zu Ionen führt, die in
verschiedenen Punkten in Zeit und Raum innerhalb der Ionenquelle
gebildet werden. Dies bewirkt, dass Ionen mit der gleichen Masse
unterschiedliche kinetische Energien und Geschwindigkeiten erhalten,
während ihrer Entnahme aus der Ionenquelle.
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Typischerweise,
wenn kombiniert mit einem Massenanalysator, wie etwa einem TOF-
oder einem Ionenfallenmassenanalysator, weisen die von dem MALDI-Ionisationsprozess
erzeugten Ionen einen derartig weiten Bereich an kinetischen Energien
auf, von denen einige einen relativ hohen Wert haben, dass es schwierig
ist, die Ionen in dem Massenanalysator einzufangen. Insbesondere
die Ionen mit hohen kinetischen Energiewerten neigen dazu, aus dem
Inneren der Ionenfalle zu entkommen. Daher werden die Ionen, bevor
sie eingefangen werden, typischerweise gekühlt, so dass
die Variation an kinetischer Energie reduziert wird. Ein Kühlen
erfordert im Allgemeinen eine Interaktion mit anderen Molekülen und
die Verwendung von Zwischenzuständen höheren Drucks
(als der Massenanalysator), was das Fragmentierungsverhalten beeinflussen
kann. Um die Optimierung von beiden Ionen-Einfangen zu ermöglichen
und die Verwendung von Ionenquellen von verschiedenen Arten zu fördern,
wird eine Zwischenkomponente/werden Zwischenkomponenten in Verbindung
mit der Verwendung des Massenanalysators verwendet. Über
die Jahre hinweg sind die Laser-basierten Ionisationsquellen im
Wesentlichen von dem Massenanalysatoren abgekoppelt worden, wobei
verschiedene Schnittstellenkonfigurationen zwischen den beiden verwendet
wurden.
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Wenn
ein Fouriertransformierungsmassenspektrometer (Fourier Transform
Mass Spectrometer, FTMS) oder ein Ionenfallenartmassenspektrometer
mit vermittels des MALDI-Prozesses erzeugten Ionen verwendet wird,
reduziert der weite Bereiche an kinetischer Energie bei den Ionen
die Effizienz, mit welcher sich die Ionen in FT- und Ionenfallenartmassenspektrometern
bewegen und in diesen eingefangen werden, was folglich in einer
verminderten Empfindlichkeit resultiert. Um dies auszugleichen,
werden Ionenführungen typischerweise in aufeinanderfolgenden
Vakuumpumpstufen zwischen der MALDI-Quelle und dem Massenspektrometer
positioniert, wobei jede Pumpstufe einen Druck aufweist, um das Auftreten
mehrfacher Ionenkollisionen, die mit neutralen Hintergrundpartikeln
erfolgen, und das Auftreten von Kühlung zu ermöglichen.
Im Wesentlichen ist die MALDI-Ionisationsquelle von dem nachfolgenden Massenanalysator
entkoppelt, was eine unabhängige Optimierung von jeder
Hauptkomponente der Konfiguration ermöglicht. Jede Pumpstufe
weist damit verbundene Kosten auf und bringt einen eigenen Satz
von Gesichtspunkten und Problemen mit sich.
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Wenn
ein TOF-Massenspektrometer mit Ionen verwendet wird, die vermittels
des MALDI-Prozesses erzeugt worden sind, könnten, da die
Ionen eine weite Variation an kinetischer Energie aufweisen, Ionen
von gleicher Masse und Ladung nicht notwendigerweise zu exakt der
gleichen Zeit den Detektor erreichen. Das Ergebnis ist, dass das
Ionensignal an dem Detektor einen breiten Peak aufweist und folglich
die Massenauflösung beschränkt ist, welche ein
Maß einer Instrumentenfähigkeit ist, einzelne
Signale (Isotopenpeaks) von Ionen gleicher Masse zu erzeugen. Um
diese Beschränkung auszugleichen, wurden Konfigurationen
vorgeschlagen, welche die Effekte des breiten Bereichs kinetischer
Energie der Ionen minimieren, wie etwa eine Entnahme gepulster Ionen
und Ionenspiegel oder -reflektoren. Die Ionenspiegel oder -reflektoren
weisen damit verbundene Kosten auf und bringen wieder ihren eigenen
Satz von Gesichtspunkten und Problemen mit sich.
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Eine
Gesamtkonfiguration eines typischen MALDI-Massenspektrometriesystems 100 ist
schematisch in 1 dargestellt. Wie gezeigt,
umfasst das MALDI-Massenspektrometriesystem 100 einen Laser 110,
welcher angeordnet ist, um ein Strahlungsbündel 125 auf
einen Probenort 120 zu positionieren, welcher auf einer
Probenplatte 125 abgelegt ist. Das Strahlungsbündel 125 erwärmt
schnell eine dünne Schicht der Matrix auf der Probenplatte 125 und
erzeugt eine Matrixeruption von dem angestrahlten Abschnitt der
Probenplatte 125. Eine Matrixdampffahne umfasst Analytenionen
und andere Partikel, umfassend Matrixdämpfe, kleine Kristalle
und Ionen der Matrix. Ionen, die vermittels Absorption von der Laserstrahlenergie
an dem Probenort 120 erzeugt wurden, werden durch Ionenoptiken 130,
wie etwa einer Vierpolionenführung, durch eine oder mehrere
Messblenden oder Skimmer 135 in eine Massenanalysatorvorrichtung 140 übertragen,
welche in einer Hochvakuumskammer 145 angeordnet ist und
die Form beispielsweise eines TOF-Analysators, eines Vierpolanalysators,
einer Ionenfalle oder eines FT/ICR-Analysators annehmen kann. Typischerweise
werden Ionen durch eine oder mehrere Kammern von schrittweise niedrigeren
Drücken, welche durch Messblenden oder Skimmer voneinander getrennt
sind, passieren, wobei die Kammern differentiell gepumpt werden,
um Gesamtpumpanforderungen zu reduzieren. Zum Zwecke der Klarheit
sind Kammerwände, Zwischenionenoptiken und Pumpen von der
Zeichnung weggelassen worden. Der Betrieb der verschiedenen Komponenten
des Massenspektrometers 100 wird von einem Regelungs-/Steuerungs-
und Verarbeitungssystem 150 geleitet, welches typischerweise
aus einer Kombination von Universal- und Spezialprozessoren, Anwendungs-spezifischer
Schaltungstechnik und Software- und Firmware-Anweisungen bestehen
wird. Das Regelungs-/Steuerungs- und Verarbeitungssystem stellt auch
Datenerfassung und Datenverarbeitungsdienste nach der Erfassung
bereit. Das Regelungs-/Steuerungs- und Verarbeitungssystem 150 kann
alternativ die Form eines ASIC- oder anderen Spezialzweck-Prozessors
annehmen.
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Verschiedene
Schnittstellenkonfigurationen wurden entwickelt, um es zu ermöglichen,
dass die Laser-basierte Ionenquelle und der Massenanalysator bezüglich
ihres individuellen Betriebs und ihrer individuellen Leistung optimiert
werden. Jedoch fügt das Vorhandensein von zusätzlichen
Schnittstellenkomponenten eine zusätzliche Lage an Komplexität zu
dem Gesamtmassenspektrometriesystem, zusätzliche physische
Komponenten und zusätzliche Ausgaben hinzu. Die zusätzlichen
Schnittstellenkomponenten erfordern auch, dass zusätzliche
Ressourcen aufgebracht werden, um Probleme und Ineffizienzen bezüglich
der Ionenübertragung zwischen der Ionenquelle und dem Massenanalysator
zu bewältigen.
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Während
die vorherige Vorrichtung verschiedene Lösungen und Vorteile bieten
kann, verbleibt ein Bedarf an Laser-basierter Massenspektrometrietechnik
für mehr alternative Konfigurationen von Laser-basierten
Massenspektrometern.
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ÜBERSICHT
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Grob
beschrieben umfasst ein Massenspektrometer für Laser-basierte
Ionenquellen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Ionenfalle mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Einfangbereichen oder Segmenten. Eine der breiteren Formen der Erfindung
umfasst eine Vorrichtung zum Durchführen einer Massenspektrometrieanalyse,
insbesondere Massenspektrometrie für Laser-basierte Ionenquellen,
wobei die von der Ionenquelle erzeugten Ionen einen weiten Bereich
von kinetischen Energien aufweisen. Beide Segmente sind in einer
Vakuumkammer eines Massenspektrometersystems angeordnet. Ein Eingang
der Ionenfalle ist stromabwärts einer Laser-basierten Ionisationsquelle angeordnet,
um die Ionen mit einem weiten Bereich von kinetischen Energien aufzunehmen,
die von der Laser-basierten Ionisationsquelle erzeugt worden sind.
Wenn ausreichend Ionen in dem ersten Segment gesammelt worden sind
und ausreichend Zeit zum Kühlen der Ionen verstrichen ist,
werden sie zu dem zweiten Segment übertragen und schließlich durch
eine Öffnung oder einen Schlitz zu einer Detektoranordnung
ausgestoßen, um ein Massenspektrum zu erzeugen.
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Allgemein
gesagt, erlaubt es ein Massenanalysator der vorliegenden Erfindung,
Ionenfallen von einem geringeren Druck, als typischerweise ohne
die Verwendung von Zwischenkonfigurationen zwischen der Ionenquelle
und dem Massenanalysator verwendet werden kann, zu verwenden.
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In
einer breiten Form der Erfindung teilt die Ionenfalle die Ioneneinfangfunktion
einem ersten Segment der Ionenfalle und die analytische Scan-Funktion
dem zweiten Segment der Ionenfalle zu, wodurch eine gute Entfernung
von Kollisionsenergie und resultierender Fangeffizienz gefördert
wird, ohne die analytische Scan-Auflösung oder -Geschwindigkeit
zu beeinträchtigen.
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In
einer noch weiteren breiten Form der Erfindung wird die Ionenfalle,
die wenigstens zwei unterschiedliche Einfangbereiche aufweist, verwendet, um
eine Masse-zur-Ladung-Verhältnis-Trennung vor der Analyse
bereitzustellen.
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In
einer noch weiteren breiten Form der Erfindung, wenn ausreichend
Ionen in dem ersten Segment akkumuliert worden sind und ausreichend
Zeit zum Kühlen der Ionen verstrichen ist, werden sie zur Manipulation
zu dem zweiten Segment übertragen, bevor die manipulierten
Ionen schließlich durch eine Öffnung oder einen
Schlitz zu einem nachfolgenden Segment oder nachfolgendem Massenanalysator
zur Erzeugung eines Massenspektrums ausgestoßen werden.
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Einzelne
Ausführungen der Erfindung können ein oder mehrere
der folgenden Merkmale umfassen. Es können eine verbesserte
Massenauflösung und verbesserte Isolierungseffizienzen
ohne die Verwendung von Zwischenkonfigurationen zwischen der Ionenquelle
und der Ionenfalle erzielt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für
ein besseres Verständnis der Art und Ziele der Erfindung
sollte Bezug genommen werden auf die folgende detaillierte Beschreibung,
die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen
ist, in welchen:
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1 ein
symbolisches Schaubild eines herkömmlichen MALDI-Massenspektrometers
ist.
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2 ein
symbolisches Schaubild eines Massenspektrometersystems ist, welches
eine Ionenfalle mit zwei unterschiedlichen Einfangbereichen oder
Segmenten umfasst, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ein
Flussdiagramm ist, welches die Schritte eines ersten Verfahrens
zum Betreiben der Ionenfalle von 2 darstellt.
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4 ein
symbolisches Schaubild ist, welches die Komponenten eines Massenspektrometersystems
gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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5 ein
Flussdiagramm ist, welches die Schritte eines zweiten Verfahrens
zum Betreiben der Ionenfalle von 2 darstellt,
wobei Ionen in dem zweiten Segment der Ionenfalle isoliert und fragmentiert
werden.
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6 ein
Flussdiagramm ist, welches die Schritte eines Verfahrens zum Betreiben
der Ionenfalle von 2 für eine Masse-zur-Ladung-Verhältnis-Trennung
vor der Analyse darstellt.
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7 ein
symbolisches Schaubild ist, welches die Komponenten eines Massenspektrometersystems
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Gleiche
Bezugszahlen beziehen sich auf übereinstimmende Teile über
die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 ist
eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten eines Massenspektrometersystems 200,
welches eine Laser-basierte Ionisationsquelle 205 und eine
Ionenfalle 210 umfasst, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Ionenfallenkonfiguration 210 der
vorliegenden Erfindung ist konfigurierbar, um eine Mehrzahl von (wenigstens
zwei) im Wesentlichen diskrete Einfangvolumina oder Segmenten 215, 220 bereitzustellen, wobei
jedes dieser Segmente oder Kombination von Segmenten elektrisch
voneinander isoliert ist, wenn ein elektrischer und/oder magnetischer
Isolationsmechanismus aktiviert ist, und in der Lage ist, in Kombination
als eine kontinuierliche Vorrichtung zu arbeiten, wenn die Segmente „montiert” sind
oder die elektrischen/magnetischen Isolationsmittel deaktiviert worden
sind. Die Ionenfallenkonfiguration muss es ermöglichen,
dass das innere Volumen der Ionenfalle 210 physisch unterteilt
ist, so dass Ionen räumlich in einem oder mehreren der
diskreten Einfangbereiche 215, 220 der Ionenfalle 210 eingefangen
sein können.
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Die
Multisegmentkonfiguration der Ionenfalle 210 bietet beachtliche
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bezüglich
ihrer Fähigkeit, fragile Ionen zu fangen und einzufangen,
ohne eine unbeabsichtigte Fragmentierung zu bewirken. Ionen, die
an dem Eingang 225 der Ionenfalle 210 ankommen,
werden typischerweise eine Bandbreite an kinetischer Energie aufweisen,
welche die Menge an kinetischer Energie überschreitet,
die durch Kollisionen während eines Durchgangs durch die
Länge einer herkömmlichen zweidimensionalen Ionenfalle
entfernt werden kann, wenn die Ionenfalle mit normalen Puffergasdrücken betrieben
wird. Dies resultiert darin, dass ein Teil der eingespritzten Ionen
aus dem Inneren einer herkömmlichen Ionenfalle zurückkommt,
wodurch die Einspritzeffizienz reduziert wird und die Anzahl der für
eine Massenanalyse verfügbaren Ionen vermindert wird. Die
Einspritzeffizienz kann bei einer herkömmlichen Ionenfalle
durch ein Erhöhen des Puffergasdrucks verbessert werden,
doch weist ein Betrieb bei höherem Puffergasdruck einen
nachteiligen Effekt bei einem analytischen Scan und bei Isolierungsauflösungen
auf. Die Einspritzeffizienz kann auch dadurch verbessert werden,
dass die eingespritzten Ionen beschleunigt werden, so dass pro Kollision
mehr Energie verloren geht. Jedoch erzeugt ein Beschleunigen der
Ionen auf höhere kinetische Energien auch mehr ungewünschte
Fragmentierung von fragilen Ionen. Die Auslegung der Ionenfalle 210,
welche die Ionenfangfunktion einem ersten Segment 215 der
Ionenfalle und die analytische Scannfunktion einem zweiten Segment 220 der
Ionenfalle zuteilt, fördert eine gute Kollisionsenergientfernung
und resultierender Fangeffizienz, ohne die analytische Scan-Auflösung
und/oder -Geschwindigkeit zu beeinträchtigen. Sie tut dies,
indem es den Ionen ermöglicht wird, ihre kinetische Energie
in dem ersten Segment 215 der Ionenfalle 210 graduell
zu verlieren, wobei die Ionen kinetische Energie vermittels Gaskollisionen
mit zunehmender Gefangenschaftszeit in dem ersten Segment 215 der
Ionenfalle 210 verlieren, bevor sie zu dem zweiten Analysesegment 220 der
Ionenfalle 210 übertragen werden. Zu der Zeit,
zu welcher die Ionen zu dem zweiten Segment 220 übertragen
worden sind, bewegen sie sich typischerweise in einer wohldefinierten
Gruppe, wodurch die Auflösung der Analyseergebnisse verbessert
wird. Diese neue Konfiguration ermöglicht es Ionenfallen,
mit geringeren Drücken verwendet zu werden als in herkömmlichen Systemen,
in welchen die Laser-basierte Ionisationsquelle direkt mit der herkömmlichen
Ionenfalle verbunden ist.
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In 2 sind
diese diskreten Einfangbereiche als das erste und zweite Segment, 215 bzw. 220, dargestellt.
Beide Segmente 215, 220 sind in einer Vakuumkammer 230 des
Massenspektrometersystems 200 angeordnet. Ein Eingang 225 der
Ionenfalle 210 ist stromabwärts der Laser-basierten
Ionisationsquelle 205 angeordnet, um die Ionen aufzunehmen, die
von der Laser-basierten Ionisationsquelle 205 mit einem
weiten Bereich von kinetischen Energien erzeugt worden sind. Das
zweite Segment 220 ist konfiguriert, um von dem ersten
Segment 215 übermittelte Ionen aufzunehmen und
einzusperren, und um schließlich die Ionen durch eine Öffnung
oder einen Schlitz 235 zu einer Detektoranordnung 240 auszustoßen,
um ein Massenspektrum zu erzeugen. Allgemein gesagt, wird das erste
Segment 215 der Ionenfalle 210 verwendet, um Ionen
einzufangen, zu speichern, zu kühlen und/oder zu isolieren,
nicht aber für eine Massenanalyse. Das zweite Segment 220 wird verwendet,
um Ionen einzufangen, zu isolieren und/oder ihre Masse zu analysieren,
nicht aber notwendigerweise um Ionen zu kühlen.
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Das
erste Segment 215 ist benachbart zu und steht in Verbindung
mit dem zweiten Segment 220, wobei beide Segmente typischerweise
eine gemeinsame koaxiale Achse aufweisen, so dass eine Ionenbahn
als von dem ersten Segment 215 in das zweite Segment 220 gehend
definiert werden kann. Es wird angemerkt, dass der Ausdruck „benachbart”, wie
er hierin verwendet wird, um die relative Anordnung des ersten Segments 215 und
des zweiten Segments 220 zu beschreiben, gedacht ist, um
anzuzeigen, dass das erste Segment 215 und das zweite Segment 220 in
Nachbarschaft angeordnet sind, dass er aber nicht die Anordnung
eines oder mehrerer Ionen-optischer Elemente oder eines oder mehrerer
zusätzlicher Segmente zwischen den zwei Segmenten der Falle
ausschließt, vielmehr, erfordert die Ausführungsform,
welche später im Hinblick auf 4 beschrieben
wird, ein Ionen-optisches Element.
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Allgemein
legt ein HF-Generator 245 an beide Segmente 215 und 220 der
Ionenfalle 210 die gleiche HF-Spannung von einem HF-Generator
an, um ein HF-Multipol-Potential zu erzeugen, um Ionen radial in
dem Einfangvolumen über die Längsachse der linearen
Ionenfalle 210 einzusperren. Die HF-Spannungen können
alternativ von separaten HF-Generatoren hergeleitet werden, einen
für jedes Segment der Ionenfalle 210. Ein Gleichstromanschluss 250 legt
separate, diskrete Gleichspannungen an die Segmente (215 und 220)
der Ionenfalle 210 an, um Ionen in jeder von oder Kombinationen
von Segmenten axial entlang des Einfangvolumens der Ionenfalle 210 einzufangen.
Die separaten Spannungen können von separaten Gleichstromanschlüssen
für jedes Segment erzeugt werden, oder von einem Stromanschluss
und der geeigneten Elektronik, um an jedes Segment seine eigene
diskrete Spannung anzulegen. An jedes Segment kann auch seine eigene
zusätzliche Anregungsspannung angelegt werden. Wenn die
Ionen einmal in einem oder einer Kombination der Segmente der Ionenfalle
eingefangen sind, kann die Anwendung/Modifikation der HF-, Gleichstrom-
und/oder zusätzlichen Spannungskomponenten verwendet werden,
um die eingefangenen Ionen zu beeinflussen, sich selbst entlang
der Länge der Ionenfalle auf eine vorbestimmte Art und
Weise zu verteilen, um Ionen zu beeinflussen, sich von einem Segment
zu einem anderen innerhalb der Ionenfalle zu bewegen, ein Segment
von vorbestimmten Ionen zu entleeren, vorbestimmte Ionen in einem
Segment zu isolieren oder ein Koppeln von Ionen zwischen benachbarten
Segmenten zu minimieren.
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Ein
Abschnitt des zweiten Segments 220 der Ionenfalle 210 ist
mit einem Schlitz oder einer Öffnung 235 bereitgestellt,
um es Ionen zu ermöglichen, zu der Detektoranordnung 240 zu
passieren.
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3 zeigt
ein Verfahren zum Betreiben der gemäß einem Aspekt
der Erfindung konfigurierten Ionenfalle. Im Betrieb erzeugt die
Laser-basierte Ionisationsquelle 205 Ionen von einem Analyt-Material, zum
Beispiel das Eluent von einem flüssigen (nicht dargestellten)
Chromatographen. Die erzeugten Ionen treten direkt durch den Eingang 225 der
Ionenfalle 210 (anstatt durch mehrere Zwischenkammern von
schrittweise geringerem Druck, wie etwa Ionenoptiken 130 in
den Systemen des Stands der Technik, zu der Vakuumkammer 145 zu
gehen, welche den Massenanalysator 140 aufnimmt). Ionen
werden in dem ersten Segment 215 der Ionenfalle 210 basierend
auf einem gewünschten Kriterium in Schritt 310 akkumuliert
und gefangen, wobei das Kriterium zum Beispiel Masse-zur-Ladung-Verhältnis,
Masse-zur-Ladung-Verhältnis-Bereich, Zeit, Intensitätsgrenzwert,
Anzahl der Pulse, etc. ist. Das erste Segment 215 der Ionenfalle 210 dient
nicht nur dazu, Ionen zu akkumulieren, sondern auch, um Kollisionskühlung
bereitzustellen. Wenn das gewünschte Kriterium, welches
die Population akkumulierter Ionen bestimmt, erreicht worden ist,
verbleibt die Ionenpopulation in dem ersten Segment 215 bis
ausreichend Zeit verstrichen ist, dass die kinetische Energievariation
der Ionen reduziert worden ist. Alternativ weist das erste Segment 215 eine
mit ihr verbundene Länge auf, so dass zu dem Zeitpunkt,
wenn die Ionen die Länge des ersten Segments 215 zurückgelegt
haben, die kinetische Energievariation reduziert sein wird. Zu diesem
Zeitpunkt werden die Ionen von dem ersten Segment 215 der
Ionenfalle 210 zu dem zweiten Segment 220 der
Ionenfalle 210 in Schritt 320 übertragen,
wo sie noch einmal eingefangen werden. Die eingefangenen Ionen werden
schließlich einem analytischen Scan unterworfen, welcher
typischerweise fordert, dass die Ionen zu einer Detektoranordnung 240 in
Schritt 330 geführt werden, wobei die Detektoranordnung 240 ein
die Ionenpopulation anzeigendes Signal bereitstellt. Optional können
die Ionen in dem ersten Segment 215 und/oder in dem zweiten
Segment 220 der Ionenfalle 210, falls so gewünscht,
manipuliert werden, bevor sie entnommen und zu der Detektoranordnung 240 geführt
werden.
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Eine
detailliertere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in 4 dargestellt. Wie gezeigt, umfasst das MALDI-Massenspektrometriesystem 400 einen
Laser 110, der angeordnet ist, um ein Strahlungsbündel 115 durch
ein Fenster 470, welches in der Kammer 230 angeordnet
ist, und auf einen Probenpunkt, welcher auf einer Probenplatte 125 abgelegt
ist, zu lenken. Ionen von der MALDI-Ionenquelle (bestehend aus dem
Laser 110, Strahlungsbündel 115 und einem
Probenpunkt, der auf der Probenplatte 125 abgelegt ist)
passieren, wenn sie erzeugt worden sind, direkt in eine Vakuumkammer 230.
Die Ionen treten dann durch den Eingang 225 einer Ionenfalle 210.
Alternativ ist der Eingang 225 der Ionenfalle 210 an
einem Ende der Vakuumkammer 230 angeordnet, so dass die
Ionen die Ionenfalle 210 betreten, wenn sie die Vakuumkammer 230 betreten. Typischerweise
wird die Vakuumkammer 230 bei einem Druck in der Ordnung
von weniger als 50 mTorr, zum Beispiel 40 mTorr, 30 mTorr, 20 mTorr,
10 mTorr, 1 mTorr oder 0,5 mTorr gehalten, durch Verwendung einer
Pumpe im Zusammenhang mit einem Pumpenanschluss 405. In
einer alternativen Ausführungsform kann ein Ionen-optisches
Element 415 zwischen der Probenplatte 125 und
dem Eingang 225 der Ionenfalle 210 angeordnet
sein, um die Übertragung von Ionen zu regeln/steuern und
die Ionen zu beeinflussen, sich auf eine gewünschte Art
und Weise auszubreiten.
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Die
Ionenfalle 210 kann die Form eines segmentierten, zweidimensionalen
Vierpol-Ionenfallen-Massenanalysators annehmen. Zweidimensionale
Vierpol-Ionenfallen. (die auch als lineare Ionenfallen bezeichnet
werden) sind auf dem Gebiet der Massenspektrometrie wohlbekannt.
Allgemein beschrieben kann eine zweidimensionale Vierpolionenfalle
aus vier Stabelektroden, die um das Innere der Falle angeordnet
sind, gebildet sein. Die Stabelektroden sind in zwei Paaren angeordnet,
wobei jedes Paar gegenüberliegend über eine zentrale
Längsachse der Falle angeordnet ist. Um nahe an ein echtes
Vierpolfeld heranzukommen, wenn HF-Spannungen angelegt werden, ist
jeder Stab mit einer kegelstumpfartigen hyperbolischen Fläche
gebildet, welche dem Inneren der Falle zugewandt ist. Bei anderen
Umsetzungen können runde (kreisrunde) oder sogar planare
(flache) Elektroden durch die hyperbolischen Elektroden ersetzt
werden, um Herstellungskomplexität und -kosten zu reduzieren,
obwohl diese Vorrichtungen allgemein eine eingeschränktere
Leistung bereitstellen. Allgemein beschrieben werden Ionen radial
im Inneren der Falle eingesperrt, indem eine Hochfrequenz-(HF)-Einfangspannung
in einer vorgeschriebenen Phasenbeziehung angewendet wird. Axiales
Einsperren der Ionen kann erreicht werden durch Anwendung eines
geeigneten Gleichstrom-(DC)-Offsets an Endabschnitten der Stabelektroden
und/oder Elektroden, die in Längsrichtung nach außen
von den Stabelektroden angeordnet sind.
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Die
Ionenfalle 210 in dieser speziellen Ausführungsform
ist konfiguriert, um wenigstens zwei Segmente oder Einfangvolumina 215 und 220 um
die Achse 410 der Ionenfalle 210 zu definieren.
Beide Segmente 215, 220 der Ionenfalle 210 sind
in der Vakuumkammer 230 und folglich weisen beide Segmente 215, 220 Drücke
auf, die zueinander ähnlich sind. Es kann jedoch einen
inhärenten Unterschied geben, welcher von der Positionierung
des Pumpenanschlusses 405 verursacht wird, beherrscht durch die
Gesetze der Physik. Die gezeigte Multipol-Stabanordnung ist eine
unterteilte Multistabanordnung, wobei jeder Stab in der Längsrichtung
in vier Abschnitte 430, 435, 440 und 445 geteilt
ist. Der Spalt zwischen den benachbarten Abschnitten ist typischerweise klein
genug, dass wenigstens von dem Gesichtspunkt der Ionen aus, die
Stäbe kontinuierlich sind, und dass die erzeugten Felder
nicht signifikant von jenen abweichen, die von kontinuierlichen
Stäben erzeugt werden. In dieser gezeigten, speziellen
Konfiguration definiert der erste Abschnitt 430 der Stäbe das
erste Segment 215 und definieren die verbleibenden drei
Abschnitte 435, 440 und 445 der Stäbe das
zweite Segment 220. An jeden der Sätze von Stäben,
der x-Satz und der y-Satz, wird von einem HF-Generator 450 eine
HF-Spannung angelegt, und an jeden der Abschnitte eins bis vier
kann eine unterschiedliche Gleichspannung vermittels einer Gleichstromquelle 455 angelegt
werden. Auf diese Art und Weise kann die Spannung entlang der Längsachse 410 der
Ionenfalle 210 angepasst werden und es können
Einfangbereiche gebildet werden, um Ionen in den Segmenten 215 und 220 zu
isolieren, falls so gewünscht, oder in den inneren Volumina,
die vermittels der Abschnitte 430 und 440 gebildet
werden. Bei einer alternativen Konfiguration können auch
an jeden oder Kombinationen von den Abschnitten eins bis vier verschiedene
HF-Spannungen angelegt werden.
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In
einer noch anderen Alternative zu der oben beschriebenen Konfiguration
kann der dritte Abschnitt 445 des dreigeteilten zweiten
Segments 220 von einer Platte ersetzt werden. Die Anzahl
der Abschnitte kann weiter durch Verwendung einer offenen Platte
reduziert werden, um eine Sperre an dem Eingangsende des zweiten
Einfangbereichs bereitzustellen, wodurch der erste Abschnitt 435 des
zweiten Segments 220 ersetzt wird.
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Eine
andere Art und Weise, auf welche die Einfangvolumina geschaffen
werden können, besteht in der Verwendung einer nur einen
Abschnitt aufweisenden oder kontinuierlichen (nicht gezeigten) Stabkonfiguration.
Die Segmente oder Einfangvolumina können gebildet werden
durch Schaffung von Potentialsperren, welche die Ionenfalle räumlich
teilen, zum Beispiel durch Platzieren von (nicht gezeigten) Ringen
um die Multipol-Stabanordnung, koaxial zu und an verschiedenen Orten
entlang der Achse 410. Diese Ringe können eine
Kombination von nicht-leitendem Material (um so nicht die Leistung
der Vierpolstäbe nachteilig zu beeinträchtigen)
und leitendem Material (um den Umfang der Stäbe herum)
umfassen. Ein Potential kann an das leitende Material angelegt werden,
so dass ein radiales elektrisches Feld erzeugt wird, welches in
Kombination mit dem Vierpolfeld eine elektrische Sperre erzeugt
und somit Segmente oder Einfangvolumina erzeugt, innerhalb des inneren
Volumens, welches von den vier Stäben gebildet ist, und
entlang der Achse 410 der Multipol-Stabanordnung.
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In
jedem oben beschriebenen Fall stellt das erste Segment
215 der
Multistabanordnung ein Umfeld und/oder Bedingungen bereit, welche
es den in diesem Segment eingefangenen Ionen erlaubt, ausreichend
abzukühlen, bevor sie in das zweite Segment
220 der
Multistabanordnung eintreten, und es kann der Betrieb des zweiten
Segments
220 optimiert werden. Solch ein Umfeld kann von
dem ersten Segment
215 bereitgestellt werden, welches von
einer solchen Länge ist, dass Ionen, die sich entlang dieser bewegen,
ausreichend Zeit haben, um sich abzukühlen, und solche
Bedingungen können sein, dass die Ionen in dem ersten Segment
für ausreichend Zeit für sie eingefangen werden,
um auf ein geeignetes Energieniveau herunterzukühlen. Es
wird den Ionen, wenn sie gekühlt sind, erlaubt, in das
zweite Segment
220 einzutreten, wo sie anschließend
eingefangen werden. Das Massenspektrum der eingefangenen Ionen kann
erlangt werden durch Ausstoßen der Ionen in Reihe der Masse
nach von dem inneren Volumen des zweiten Abschnitts
440 des
zweiten Segments
220 der Ionenfalle
210 zu einer
zugeordneten Detektoranordnung
240, entweder in einer radialen
Richtung, orthogonal zu der zentralen Längsachse der Ionenfalle,
wie dies im
US-Patent Nummer
5,420,425 nach Bier et al. beschrieben ist, oder in einer
axialen Richtung, parallel zu der zentralen Längsachse,
wie dies im
US-Patent Nummer
6,177,668 nach Hager beschrieben ist. Bei einer solchen
Konfiguration sind die Detektor(en) eher äußerlich
von der linearen Ionenfalle angeordnet, als radial äußerlich
der Ionenfalle, wie in der gezeigten Ausführungsform. Die
Detektoranordnung
240 ist in einer Kammer
465 angeordnet,
welche bei einem Druck ist, der niedriger als jener der Ionenfalle
210 selbst
ist, typischerweise in dem Bereich von 10
–4 Torr
bis 10
–6 Torr, zum Beispiel 0,5
mTorr. Auf diese Art und Weise werden die Drücke separat
optimiert für die Funktionen des Kühlens in dem
ersten Segment
215 der Ionenfalle
210 und der
Detektion in einer Kammer
465 benachbart zu dem zweiten
Segment
220 der Ionenfalle
210.
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Es
wird verstanden werden, dass bestimmte Merkmale und Konfigurationen
der Massenspektrometersysteme 200 und 400, zum
Beispiel die Laser-basierten Ionisationsquellen 205 und 110 und das
Detektorsystem 240, als veranschaulichende Beispiele vorgestellt
werden und nicht als die Vorrichtung auf eine spezifische Konfiguration
hin begrenzend auszulegen sind. Zum Beispiel kann die Laser-basierte
Ionisationsquelle 205 oder 110 eine herkömmliche
Laser-basierte Quelle sein, wie etwa eine Matrix-unterstützte
Laser-Desorptions-/Ionisations-(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI)-Quelle,
eine Laser-Desorptions-Ionisations-(MALDI)-Quelle, eine Laser-Desorptions-Ionisations-(LDI)-Quelle,
eine Laser-Desorptions-/Ionisations-Quelle auf Silizium (Laser Desorption/Ionization an
Silicon, DIOS), oder eine Oberflächen-erhöhte
Laser-Desorptions-Ionisations-(Surface Enhanced Laser Desorption
Ionization, SELDI)-Quellen, zum Beispiel. Die Laser-basierte Ionisationsquelle 205 kann auch
kontinuierliche Ionenquellen umfassen, die als Laser-basierte Quellen
verwendet werden.
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Die
Detektoranordnung 240 kann zahlreiche Formen annehmen.
Ionendetektionssysteme umfassen allgemein ein Ionen-Umwandlungselement
(zum Beispiel eine Umwandlungsdynode), welches von einem Elektronen-Vervielfachungselement
(wie etwa einem kontinuierlichen Dynoden-Elektronen-Vervielfacher)
gefolgt wird. In einigen Umsetzungen prallen die Ionen direkt auf
die Oberfläche des Elektronen-Vervielfachungselements auf
und es wird folglich kein Ionen-Elektronen-Umwandlungselement benötigt
(wie etwa im Fall einer Mikrokanalplatte).
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Ein
Verfahren zum Betreiben einer Ionenfalle gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in 5 durch
eine Serie von Schritten gezeigt.
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Ein
Verfahren zum Betreiben eines segmentierten Ionenfallenmassenanalysators 400 für
die Massenanalyse einer Analytsubstanz kann beschrieben werden,
indem die Methodologie verwendet wird, die bezüglich 3 beschrieben
ist. Es sollte anerkannt werden, dass dieses Verfahren als ein Beispiel
vorgestellt wird, wie ein Massenanalysator der vorliegenden Erfindung
vorteilhafterweise eingesetzt werden kann, und nicht als die Erfindung
auf eine bestimmte Betriebsart hin begrenzend auszulegen ist. Bezugnehmend
anfänglich auf Schritt 310 von 3 wird
an wenigstens einen Abschnitt des zweiten Segments 220 eine
Gleichspannung angelegt, um den Eintritt von Ionen in das zweite
Segment 220 der Ionenfalle 210 zu verhindern und
von Ionen, die in der Ionenquelle 205 (bestehend aus 110, 115 und 125) erzeugt
worden sind und in dem inneren Volumen des ersten Segments 215 der
Ionenfalle 210 akkumuliert worden sind. Nachdem eine ausreichende Population
von Ionen innerhalb des ersten Segments 215 akkumuliert
worden ist (wobei angemerkt sei, dass die Dauer der Akkumulierungsperiode
durch eine geeignete Technik automatischer Verstärkungsregelung
bestimmt werden kann), werden die eingefangen Ionen in dem ersten
Segment 215 der Ionenfalle 210 für eine
ausreichende Periode zurückgehalten, um ein Kühlen
von Ionen vermittels Kollisionen mit dem Puffergas zu bewirken,
welche typischerweise in der Größenordnung von
1–5 Millisekunden sein wird.
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Dem
Akkumulations- und Kühlungsschritt folgend werden die gekühlten
Ionen in das innere Volumen des zweiten Segments 220 übertragen,
Schritt 320. Ein Ionenübertragen zwischen den
beiden Segmenten wird durchgeführt, indem die Gleichspannung
geändert wird, welche an den ersten Abschnitt 435 des
zweiten Segments 220 angelegt wird, um die Potentialsperre
zwischen den Segmenten der Ionenfalle 210 zu entfernen
und ein Potentialtopf innerhalb der Ionenfalle 210 zu erzeugen.
Ionen strömen dann von dem Inneren des ersten Segments 215 der
Ionenfalle 210 zu dem Inneren des zweiten Segments 220 der
Ionenfalle 210. Es ist im Allgemeinen wünschenswert,
den Übertragungsschritt auf eine Art und Weise durchzuführen,
dass die kinetische Energie der Ionen im Wesentlichen nicht vergrößert
wird und/oder bewirkt wird, dass sie energetischen Kollisionen ausgesetzt
sind, was zu Fragmentierung führt. Nach einem Aspekt der
Erfindung ist eine offene Platte 460 zwischen dem ersten
und dem zweiten Segment, 215 bzw. 220, angeordnet,
um die Ionen zu beeinflussen, effizient von einem Segment zu dem
anderen überzugehen.
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Nachdem
die Ionen zu dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle übertragen
und darin eingefangen worden sind, wird ein analytischer Scan durchgeführt
durch Ausstoßen der Ionen in Reihe der Masse nach zu den
Detektoren 240, um ein Massenspektrum zu erlangen, Schritt 330.
Ein Ausstoßen in Reihe der Masse nach wird herkömmlich
in einer zweidimensionalen Vierpolionenfalle durchgeführt, indem
eine oszillierende Resonanzanregungsspannung über das geschlitzte
Stabelektrodenpaar angelegt wird und die an die Stabelektrode angelegte Haupt-HF-(Einfang-)Spannung
hochgeregelt wird. Die Ionen kommen in Resonanz mit dem zugeordneten
Anregungsfeld, in der Reihenfolge ihrer Masse-zur-Ladung-Verhältnisse.
Die mit Resonanz angeregten Ionen erfahren einen fortschreitenden
Anstieg in ihrer Trajektorienamplitude, welche schließlich
die innere Abmessung des zweiten Segments der Ionenfalle überschreitet
und die Ionen veranlasst, zu den Detektoren 240 ausgestoßen
zu werden, welche in Reaktion darauf ein für die Anzahl
der ausgestoßenen Ionen repräsentatives Signal
erzeugen. Dieses Signal wird an das Datensystem zur weiteren Verarbeitung
versandt, um ein Massenspektrum zu erzeugen.
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Dieses
Verfahren ist insbesondere nützlich, wenn weitere Manipulation
der Ionen gefordert ist, wie etwa zum Beispiel wenn Tandem-Massenspektrometrie-(MS/MS)-Experimente
ausgeführt werden, in welchen Ionen fragmentiert werden
müssen. Nach dem Einfangen einer Population von Ionen in
dem ersten Segment 215 der Ionenfalle 210 kann
ein Teil der eingefangenen Ionen, zum Beispiel Ionen eines spezifischen
m/z-Werts oder m/z-Bereichs von Werten, zu dem zweiten Segment 220 der
Ionenfalle 210 übertragen werden, wo eine Manipulation,
zum Beispiel Fragmentierung, durchgeführt werden kann, und
die von der Manipulation erzeugten Ionen dann zu der Detektoranordnung 240 geleitet
werden können. Der Rest der Ionen kann in dem ersten Segment 215 gespeichert
werden, unter Verwendung geeigneter Wechselstrom- und Gleichstrom-Potentiale,
bis sie schließlich benötigt werden. Dies ist
insbesondere günstig, wenn die Einspritzzeit lang ist.
Dies spart Zeit, ein teures Gut in der Proteomik-Industrie.
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches Schritte eines Verfahrens zur Durchführung
einer MS/MS-Analyse unter Verwendung eines segmentierten Ionenfallenmassenanalysators
darstellt. Bei diesem besonderen Verfahren wird eine Isolation der Vorläuferinnen
in dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle 210 durchgeführt.
In Schritt 510 werden innerhalb des ersten Segments 215 der
Ionenfalle 210 Ionen im Wesentlichen auf die gleiche Art
und Weise wie oben, in Verbindung mit Schritt 310 des Flussdiagramms
von 3 diskutiert, akkumuliert und gekühlt.
Die gekühlten Ionen werden dann zu dem zweiten Segment 220 der
Ionenfalle 210 übertragen, Schritt 520,
wie dies oben in Verbindung mit Schritt 320 beschrieben
ist. In Schritt 530 werden die Vorläuferinnen
in dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle 210 isoliert.
Eine Vorläuferionen-Isolation in dem zweiten Segment 220 der
Ionenfalle 210 kann auf eine im Stand der Technik bekannte
Art und Weise durchgeführt werden, wie etwa die Anwendung
eines gekerbten Breitbandsignals auf die Stabelektroden mit der
Frequenzkerbe entsprechend den Säkularfrequenzen des Masse-zur-Ladung-Verhältnis-Bereichs von
Interesse. Dies bewirkt, dass im Wesentlichen all die Ionen mit
Masse-zur-Ladung-Verhältnissen außerhalb des Bereichs
von Interesse kinetisch angeregt werden und von dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle 210 entfernt
werden (entweder durch Ausstoßen durch Spalten zwischen
den Stabelektroden oder durch Berühren der Elektrodenoberflächen), während
die Vorläuferinnen innerhalb des zweiten Segments 220 der
Ionenfalle 210 zurückgehalten werden.
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Als
nächstes werden in Schritt 540 die Vorläuferinnen,
welche innerhalb des zweiten Segments 220 der Ionenfalle 210 eingefangen
sind, durch eine geeignete Aufspaltungstechnik fragmentiert, um
Produkt-Ionen zu erzeugen. Die Fragmentierung kann durch die CAD-Technik
aus dem Stand der Technik durchgeführt werden, wobei die
Anregungsspannung, welche eine Frequenz aufweist, die der Säkularfrequenz
der Vorläuferinnen entspricht, an den Stabelektroden angelegt
wird, um die Vorläuferinnen kinetisch anzuregen und sie
zu veranlassen, sich energetischen Kollisionen mit dem Puffergas
zu unterziehen. Andere geeignete Aufspaltungstechniken, einschließlich
Photodissoziation, Elektroneneinfangdissoziation (Elektron Capture
Dissociation, ECD) und Elektronenübergangdissoziation (Elektron Transfer
Dissociation, ETD) können verwendet werden, um Ionen in
Schritt 540 zu fragmentieren. Die Produkt-Ionen können
für eine vorbestimmte Zeitperiode in dem ersten Segment 215 der
Ionenfalle 210 gekühlt werden, um kinetische Energie
zu reduzieren, und um sie auf der Fallen-Mittellinie zu fokussieren.
Es ist anzumerken, dass die Schritte 530 und 540 einmal
oder mehrere Male wiederholt werden können, um mehrere
Stufen von Isolation und Fragmentierung durchzuführen,
um MSn-Analysen durchzuführen,
zum Beispiel kann ein Produkt-Ion von Interesse weiter in dem ersten
Segment 215 der Ionenfalle 210 isoliert und fragmentiert
werden, um eine MS3-Analyse zu ermöglichen.
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In
Schritt 550 übt das zweite Segment 220 der
Ionenfalle 210 einen analytischen Scan der Produkt-Ionen
aus, wie oben in Verbindung mit Schritt 330 beschrieben,
um ein Massenspektrum der Produkt-Ionen zu erzeugen.
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Ein
Weg, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die Massenauflösung
und Genauigkeit in Vorrichtungen von Art des Ionenspeichers zu verbessern,
ist, die Ionenpopulation zu regeln/steuern, welche gespeichert/eingefangen
oder anderweitig eingesperrt ist, und anschließend in der
Ionenfalle analysiert wird. Im Stand der Technik werden solche Methodologien
als Automatische Verstärkungsregelung (Automatic Gain Control,
AGC) bezeichnet. Eine Implementierung von AGC bei Matrix-unterstützten
Laser-Desorptions-Ionisations-(Matrix Assisted Laser Desorption
Ionization, MALDI)-Systemen kann besonders herausfordernd sein,
wegen der Anforderung, eine gute Korrelation zwischen der Population der
Ionen, die in Testschüssen erzeugt worden sind, und jenen,
die für einen analytischen Scan erzeugt worden sind, bereitzustellen.
Ein Verbrauch der Probe, eine Variation der Laserleistung von Schuss
zu Schuss und die Probenmorphologie, zum Beispiel, machen eine Schätzung
der Anzahl der Laserschüsse, die benötigt werden,
um die gewünschte Anzahl von Ionen für das analytische
Experiment zu erzeugen, basierend auf den Ergebnissen der Testschüsse,
sehr unzuverlässig.
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Eine
Art und Weise, auf welche sich die Methoden aus dem Stand der Technik
diesem Problem widmen, ist, allgemein einen schnellen Vor-Scan zu fordern,
welcher durchgeführt wird, um die Ionenpopulation, die
in einem Analysator vom Typ eines Ionenspeichers eingefangen ist,
durch Verwendung vorbestimmter Ionisationsparameter zu schätzen. Anschließend
wird ein analytischer Scan unter Verwendung optimierter Ionisationsparameter
durchgeführt, welche von den Ergebnissen des Vor-Scans hergeleitet
worden sind. Diese Methoden vertrauen typischerweise darauf, dass
die Ionenquelle im Wesentlichen gleichmäßig bei
der Ionenproduktion oder -erzeugung ist, wobei zum Beispiel vertraut
wird auf die Länge der Zeit, welche eine Ionenquelle aktiviert oder
welche eine Ionenfalle versperrt ist, um eine konstante Ionenpopulation
bereitzustellen. Solche Methoden können jedoch verwendet
werden, um die Ergebnisse weiter zu verbessern, welche durch Verwendung
der Methoden und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung erzielt
wurden.
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Bei
einem anderen Aspekt dieser Erfindung können die Ionen
gemäß ihrem m/z-Verhältnis zerstreut
werden, nach dem Eintreten in die Ionenfalle 210 und bevor
sie sich einer Analyse in dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle 210 unterziehen.
Ein Zerstreuen kann erreicht werden, indem die Segmente innerhalb
der linearen Ionenfalle 210 angesteuert werden. Es gibt
mehrere Wege, auf welche dies erreicht werden kann, wobei einer
davon ist, eine axiale Anregungswechselspannung anzulegen, welche
axial zu der Ionenfalle 210 variiert. Dies ermöglicht
es im Wesentlichen den Ionen, sich entlang der Falle zu bewegen,
bis sie ein Segment erreichen, wo keine Anregung angelegt ist, was
den Bereich von m/z beeinflusst, der von dem Segment aufgenommen
ist, dort verlieren sie Energie bei Kollisionen und bleiben in diesem
Segment.
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Ein
Verfahren zum Betreiben einer Ionenfalle, um solch eine m/z-Regelung/Steuerung
gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung
zu erzielen, ist in 6 durch eine Serie von Schritten
dargestellt. In Schritt 610 werden Ionen innerhalb des
ersten Segments 215 der Ionenfalle 210 im Wesentlichen
auf die gleiche Art und Weise akkumuliert und gekühlt,
wie oben in Verbindung mit Schritt 310 des Flussdiagramms
von 3 diskutiert. In diesem Beispiel sei angenommen,
dass die anfängliche Ionenpopulation eine Ionenpopulation
umfasst, die die Massenbereiche Mrange1 +
Mrange2 umfasst. Das erste Segment 215 fängt
hereinkommende Ionen und regt gleichzeitig Ionen innerhalb des zweiten
Massenbereichs Mrange2 (etwa zum Beispiel
150–2000 Th) an, die Potentialsperre, welche das erste
und das zweite Segment 215, 220 trennt, zu überwinden
(Schritt 620). Die Potentialsperre kann durch eine Kombination
von Wechselstrom-, und optional Gleichstrom-Feldern gebildet werden.
Die Anregung kann durch ein zu der Potentialsperre hinzugefügtes Wechselstromfeld
bereitgestellt werden, so dass axiale Resonanz-Oszillationen von
Ionen über einem bestimmten Masse-zur-Ladung-Verhältniss
angeregt werden. Die angelegte Anregungsspannung muss eine Amplitude
aufweisen, die groß genug ist, um Ionen anzuregen, welche Masse-zur-Ladung-Verhältnisse
aufweisen, die innerhalb oder über dem gewünschten
Massenbereich Mrange2 vor und axial entlang
der Ionenfalle 210 sind, so dass sich Ionen in dem Massenbereich
Mrange2 nach vorne verbreiten. Ionen, die
Ionen unter dem gewünschten Massenbereich sind, Ionen mit
dem Bereich Mrange1, sind in dem ersten
Segment 215 eingefangen und verbreiten sich nicht weiter
als das erste Segment 215 der Ionenfalle 210.
Ionen in dem ersten Segment 215, die dem ersten Massenbereich
Mrange1 entsprechen (etwa zum Beispiel 10–150
Th), werden nicht ausreichend Energie erlangt haben, um die Potentialsperre
zu überwinden, welche die Segmente 215 und 220 trennt,
und um das zweite Segment 220 zu erreichen, und sie werden
in dem ersten Segment 215 zurückgehalten werden.
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Eine
kleine positive Gleichspannung kann entlang der Länge des
zweiten Segments 220 der Ionenfalle 210 in die
axiale Richtung angelegt werden, wodurch Ionen unabhängig
von der Masse gezogen werden. Anschließend passieren die
Ionen innerhalb des Massenbereichs Mrange2 zu
einer Detektoranordnung 230, wobei die Detektoranordnung 230 ein
Signal bereitstellt, welches für den Probenabschnitt der Ionenpopulation
bezeichnend ist (Schritt 630). Optional kann, wie durch
Schritt 640 angedeutet, der Probenabschnitt der Ionenpopulation
in dem zweiten Segment 220 der Ionenfalle 210 manipuliert
werden, falls so gewünscht, bevor sie entnommen und der Detektoranordnung 230 zugeführt
werden.
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Bis
jetzt waren die hierin spezifisch beschriebenen Ausführungsformen
auf Konfigurationen beschränkt, in welchen es zwei Einfangbereiche
oder Segmente gibt. Das Einschließen zusätzlicher
Segmente vor und/oder nach dem Analysesegment 220 der Ionenfalle
kann jedoch ermöglichen, zusätzliche Funktionalitäten
zu erzielen.
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Zum
Beispiel würde ein erstes Segment 215, welches
mehr als ein Einfangbereich oder Segment umfasst, es zum Beispiel
fördern, dass die anfängliche Ionenpopulation
räumlich geteilt wird, um mehrere Ionenpopulationen nach
m/z-Bereich zu erzeugen. Diese Konfiguration kann daher ein drittes Segment umfassen,
welches zwischen dem ersten und dem zweiten Segment angeordnet ist.
Aspekte dieser Ausführungsform sind mit mehr Details in
der US-Patentanmeldung Nummer 11/485,055 beschrieben, welche durch
Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingebunden ist.
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In
einem anderen Beispiel kann ein dritter Einfangbereich oder ein
drittes Segment benachbart zu dem zweiten Segment 220 angeordnet
sein, und in diesem besonderen dargestellten Beispiel, welches in 7 gezeigt
ist, ist das dritte Segment 720 nach dem zweiten Segment 220 angeordnet.
Diese Konfiguration ermöglicht es, eine Isolierung auszuführen,
unter Verwendung des ersten und des zweiten Segments 215 bzw. 220,
und eine Fragmentierung in dem anschließenden dritten Segment 720 auszuführen.
In diesem besonderen Beispiel befindet sich das Segment 720 auf
einem höheren Druck als jener auf welchem das zweite Segment 220 gehalten wird,
obwohl auch alternative Konfigurationen möglich sind. Diese
Konfiguration fördert unter Verwendung beider Segmente 220 und 720 auch
das Auftreten von Fragmentierung auf verschiedenen Niveaus.
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In
einer alternativen Konfiguration zu jener, die in 7 dargestellt
ist, kann der dritte Einfangbereich oder das dritte Segment 720 in
der gleichen Vakuumkammer 230 des Massenspektrometers 200 angeordnet
sein, wobei Ionen das zweite Segment 220 der linearen Ionenfalle 210 durch
eine Öffnung zu dem dritten Einfangbereich oder Segment 720 verlassen.
In einer noch anderen, alternativen Konfiguration kann der dritte
Einfangbereich oder das dritte Segment eine Ionenfalle umfassen,
die auf einem unterschiedlichen Druck gehalten wird zu jenem des zweiten
Segments 220. In dieser speziellen Konfiguration können
Ionen unter Verwendung des ersten und des zweiten Segments 215 bzw. 220 isoliert
werden, in dem dritten Einfangbereich oder Segment 720 aktiviert
oder fragmentiert werden, bevor sie durch die Öffnung zu
dem zweiten Segment 220 für die endgültige
Massenspektralanalyse zurückkehren. Einige der Vorteile,
die durch solch einer dualen Ionenfallenkonfiguration bereitgestellt
werden, werden in der parallelen anhängigen Anmeldung 11/639,273 beschrieben.
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Die
vorherige Beschreibung der Ionenfallenmassenanalysatoren geht davon
aus, dass das zweite Segment 220 der Ionenfalle 210 mit
zwei Sätzen von Detektoranordnungen 230 versehen
ist, und dass Ionen in Reihe der Masse nach zu den Detektoren ausgestoßen
werden, während des analytischen Scans zum Erlangen eines
Massenspektrums. In alternativen Ausführungsformen kann
nur ein Detektor bereitgestellt sein. In einer anderen alternativen
Ausführungsform können einige oder alle der ausgestoßenen
Ionen zu einem stromabwärtigen Massenanalysator geleitet
werden (welcher zum Beispiel die Form eines elektrostatischen Massenanalysators,
eines Fourier-Transformations/Ionen-Zyklotron-Resonanz-(Fourier
Transform/Ion Cyclotron Resonance, FTIR)-Analysators oder eines
Flugzeit-(time-of-flight, TOF)-Massenanalysators annehmen könnte),
in welchem das Massenspektrum der ausgestoßenen Ionen durch
herkömmliche Mittel erlangt wird.
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Die
Verfahren der Erfindung können in digitalen elektronischen
Schaltkreisen oder in Hardware, Firmware, Software oder Kombination
von diesen implementiert sein. Verfahrensschritte der Erfindung können
durch einen oder mehrere programmierbare Prozessoren durchgeführt
werden, welche ein Rechnerprogramm ausführen, um Funktionen
der Erfindung durchzuführen, indem sie Eingabedaten verarbeiten
und eine Ausgabe erzeugen.
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Wenn
nicht anders definiert, so weisen alle technischen und wissenschaftlichen
Ausdrücke, die hierin verwendet werden, die Bedeutung auf,
die langläufig von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu welcher
diese Erfindung gehört, verstanden wird. Die offenbarten
Materialien, Verfahren und Beispiele sind nur veranschaulichend
und nicht gedacht, begrenzend zu sein. Fachleute werden anerkennen,
dass ähnliche oder äquivalente Verfahren und Materialien zu
jenen, die hierein beschrieben sind, verwendet werden können,
um die Erfindung auszuüben.
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Es
ist zu verstehen, dass, während die Erfindung im Zusammenhang
mit ihrer detaillierten Beschreibung beschrieben worden ist, die
vorherige Beschreibung gedacht ist, zu veranschaulichen und nicht
den Geltungsbereich der Erfindung, welcher durch den Geltungsbereich
der angehängten Ansprüche definiert ist, zu begrenzen.
Die verschiedenen Merkmale, die auf Basis der verschiedenen Aspekte
erklärt worden sind, können kombiniert werden,
um weitere Aspekte der Erfindung zu bilden, und andere Aspekte,
Vorteile und Modifikationen sind innerhalb des Geltungsbereichs
der folgenden Ansprüche.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Ionenfalle ist mit wenigstens zwei diskreten Einfangbereichen oder
Segmenten bereitgestellt. Beide Segmente sind in einer Vakuumkammer eines
Massenspektrometersystems angeordnet. Ein Eingang der Ionenfalle
ist stromabwärts von einer Laser-basierten Ionisationsquelle
angeordnet, um die Ionen mit einem weiten Bereich kinetischer Energien aufzunehmen,
welche durch die Laser-basierte Ionisationsquelle erzeugt worden
sind. Wenn ausreichend Ionen in dem ersten Segment akkumuliert worden
sind, und wenn ausreichend Zeit verstrichen ist, um die Ionen zu
kühlen, dann werden sie zu dem zweiten Segment übertragen
und schließlich durch eine Öffnung oder einen
Schlitz zu einer Detektoranordnung ausgestoßen, um ein
Massenspektrum zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5420425 [0037]
- - US 6177668 [0037]