DE112011106166B3

DE112011106166B3 - Elektrostatisches Massenspektrometer mit codierten häufigen Impulsen

Info

Publication number: DE112011106166B3
Application number: DE112011106166.8T
Authority: DE
Inventors: Anatoly Verenchikov
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: DE112011101514T5; GB201007210D0; US20150021471A1; US20160343561A1; US20130048852A1; US9984862B2; US9406493B2; JP5662560B2; CA2800298C; US8853623B2; CN102918625A; WO2011135477A1; CA2800298A1; DE112011101514B4; CN102918625B; JP2013525986A

Abstract

Elektrostatisches Massenspektrometer, umfassend:(a) eine gepulste Ionenquelle zur Ionenpaketbildung, wobei die gepulste Ionenquelle einen orthogonal gepulsten Konverter (48) umfasst, der relativ zur Z-Achse um einen Winkel (γ) gekippt ist;(b) einen Ionendetektor (25);(c) einen elektrostatischen Multipass-Massenanalysator (41), der einen Ionenpaketdurchgang durch den elektrostatischen Massenanalysator (41) in einer Z-Richtung und isochrone Ionenschwingungen in einer X-Richtung, die orthogonal zur Richtung Z ist, bereitstellt;(d) wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) eine zusätzliche Platte (49) umfasst, die ein Ionenpaket nach mindestens einer Reflexion des Ionenpakets innerhalb des elektrostatischen Massenanalysators (41) unter demselben Winkel (γ) relativ zur Z-Richtung lenkt;(e) einen Hauptpulsgenerator (24), der Pulse mit einer Peak-Zeitbreite ΔT generiert und sowohl ein Datenerfassungssystem (27) als auch einen Pulsfolgengenerator (28) ansteuert, wobei der Pulsfolgengenerator (28) innerhalb einer Periode T zwischen Peak-Zeitbreiten ΔT angesteuert wird,(f) wobei der Pulsfolgengenerator (28) zum Generieren von einer Folge von Startpulsen eingerichtet ist, wobei der Pulsfolgengenerator (28) eingerichtet ist zum Ansteuern der gepulsten Ionenquelle mit Startpulsen, die mit ungleichen Zeitintervallen zwischen jedem Paar von Startpulsen innerhalb der Periode T zwischen den Peak-Zeitbreiten ΔT codiert sind;(g) wobei das Datenerfassungssystem (27) eingerichtet ist zur Aufzeichnung der Detektorsignale während der Dauer der Folge der Startpulse und zum Summieren von Spektren zwischen Pulsen des Hauptpulsgenerators (24), und(h) einen spektralen Decoder (29) zur Rekonstruktion von Massenspektren basierend auf den Detektorsignalen und auf den Informationen über die ungleichen Zeitintervalle zwischen jedem der Paare der Startpulse, die von dem Pulsfolgengenerator (28) bereitgestellt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der massenspektroskopischen Analyse und insbesondere betrifft sie die Verbesserung der Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und des dynamischen Bereichs bei elektrostatischen Massenspektrometergeräten umfassend offene elektrostatische Fallen oder Flugzeitmassenspektrometer mit einem erweiterten Flugpfad.
STAND DER TECHNIK
Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) finden in der analytischen Chemie für die Identifizierung und qualitative Analyse von verschiedenen Mischungen breite Anwendung. Die Empfindlichkeit und Auflösung einer derartigen Analyse ist von großer Bedeutung. Um die Auflösung eines TOF-MS zu erhöhen, offenbart die US 4,072,862 A , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, einen Ionenspiegel zur Verbesserung der Flugzeitfokussierung in Bezug auf die Ionenenergie. Um ein TOF-MS für kontinuierliche Ionenstrahlen zu verwenden, offenbart die WO9103071 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, ein Schema der orthogonal gepulsten Beschleunigung (OA). Da die Auflösung von TOF-MS mit dem Flugpfad zunimmt, wurden Multipass-Flugzeitmassenspektrometer (M-TOF-MS) umfassend mehrfach reflektierende (MR-TOF) und Multiturn-(MT-TOF)-Massenspektrometer vorgeschlagen. Die SU1725289 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, führt ein MR-TOF-MS mit gefaltetem Pfad unter Verwendung von zweidimensionalen gitterlosen und planaren Ionenspiegeln ein. Die GB2403063 A und die US5017780 A , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, offenbaren einen Satz von periodischen Linsen für die räumliche Eingrenzung von Ionenpaketen innerhalb des zweidimensionalen MR-TOF. Die WO2007044696 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, schlägt ein Schema mit doppelter orthogonaler Injektion zur Verbesserung der OA-Effizienz vor. Trotzdem bleibt die Einschaltdauer des OA-MR-TOF unter 1 %.
Um die OA-Einschaltdauer zu verbessern, kann die zeitliche Komprimierung des Ionenstrahls in dem OA durch Ionenakkumulation und die gepulste Freisetzung aus einer linearen Ionenführung erzielt werden ( US5689111 A , US6020586 A und US7309860 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden), indem eine massenabhängige Ionenfreisetzung aus der Ionenfalle verwendet wird ( US6504148 B1 , US6794640 B2 , WO2005106921 A1 und US7582864 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden), oder durch eine Ionengeschwindigkeitsmodulation innerhalb einer HF-Ionenführung ( WO2007044696 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird). Die Komprimierung verursacht jedoch die folgenden Probleme: (a) Einschränkung des Massenbereichs; (b) Sättigung des Erfassungssystems; und (c) Ausdehnung von Ionenpaketen innerhalb der Analyseeinrichtung aufgrund der Eigenraumladung. Es ist bekannt, dass Raumladungseffekte in M-TOF Ionenpakete auf weniger als 1000 Ionen pro Schuss pro Peak und unter 1E+6 Ionen pro Massenpeak pro Sekunde begrenzen. Dies ist wesentlich weniger als es moderne Ionenquellen erzeugen können: 1E+9 Ionen/s im Fall von Electrospray- (ESI), APPI- und APCI- Ionenquellen, 1 E+10 Ionen/s im Fall von El- und Glühentladungs-(GD)-Ionenquellen und 1E+11 Ionen/s im Fall von ICP-Ionenquellen.
Um die OA-Einschaltdauer zu verbessern, offenbart die US 6861645 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, ein Verfahren der Verwendung einer kurzen Pulsungsperiode, der Aufzeichnung von kurzen Spektren und der Decodierung der Spektren durch die Form von Peakbreite und Peakmuster, wie Isotopenverteilung oder die Muster von mehrfach geladenen Peaks. Die WO2008087389 A2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart eine schnelle OA-Pulsung, die Aufzeichnung und den Vergleich von mindestens zwei Datensätzen mit unterschiedlichen Perioden von OA-Impulsen. Beide Verfahren funktionieren nur bei gering besiedelten Spektren mit intensiven Peaks.
Die US6900431 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart ein Verfahren der Hadamard-Transformation (HT) in Kombination mit orthogonaler Beschleunigung TOF-MS (o-TOF MS). Häufige Pulse des orthogonalen Beschleunigers (OA) werden in „pseudozufälliger“ Sequenz als eine periodische Sequenz mit vorbestimmten binär codierten Auslassungen angeordnet, und Spektren werden durch umgekehrte HT gewonnen. Der umgekehrte HT-Vorgang umfasst die Summierung und die Subtraktion desselben langen Spektrums, während das Spektrum gemäß der Codierungssequenz verschoben wird. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei der umgekehrten HT zusätzliches Rauschen erzeugt wird. Aufgrund von Schwankungen des Ionenquellenflusses und des Detektor-Ansprechverhaltens hinterlässt eine beabsichtigte Subtraktion von gleichen Signalen tatsächlich unechte Peaks in den gewonnenen Spektren.
Die parallel anhängige Anmeldung PCT/IB2010/056136 ( WO 2011107836 A1 ), die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart eine offene E-Falle mit einem erweiterten, jedoch nicht festgelegten Ionenpfad. Ionen werden über einen länglichen gepulsten Konverter über mehrere Schwingungszyklen (Reflexionen zwischen Ionenspiegeln oder Umläufe innerhalb elektrostatischer Sektoren) gepulst injiziert und erreichen nach einer ganzzahligen Anzahl M von Schwingungen innerhalb einer gewissen Spanne ΔM einen Detektor. In dem resultierenden Spektrum wird jede m/z-Komponente durch Peak-Multiplets dargestellt, die einer Spanne der ganzzahligen Anzahl von Schwingungen entsprechen. Die Gewinnung der Spektren ergibt eine reproduzierbare Intensitätsverteilung innerhalb der Multiplets. Die Anmeldung schlägt ferner eine Kombination der schnellen Pulsung mit der Multiplet-Aufzeichnung vor. Die vorgeschlagene Start-Impulsfolge verwendet jedoch konstante Zeitintervalle zwischen den Impulsen, was die Fähigkeit zur Decodierung von Rohspektren beschränkt.
Hierin wird vorgeschlagen, dass der Begriff „elektrostatische Massenspektrometer“ (EMS) sowohl offene elektrostatische Fallen (E-Fallen) als auch elektrostatische Multipass-Flugzeitmassenspektrometer (E-TOF) bezeichnet.
Darüber hinaus ist aus der WO 2007/044696 A1 ein Multipass-Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Beschleunigung bekannt.
Die Druckschrift DE 4430240 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem Ionenpakete entlang eines Ausbreitungspfades in einer pseudozufälligen Folge freigesetzt werden, wobei jedes Paket behandelt wird, so dass Ionen in dem Paket gebündelt werden. Das Abschießen der Ionenpakete erfolgt gemäß einer codierten Folge, bei der sich benachbarte Pakete vor dem Erreichen eines Detektors überlappen.
Ferner bezieht sich die US 6300626 B1 auf einen Ionenstrahl, der von einer Ionenquelle zur Verfügung gestellt wird, wobei der Ionenstrahl moduliert wird.
Schließlich offenbart die DE 19515270 A1 ein Verfahren zur Messung der Mobilitätsspektren von Ionen mit Ionenmobilitätsspektrometern, wobei bei dem Verfahren einem an sich kontinuierlichen Ionenfluss einer IMS-Ionenquelle, der aus verschiedenen Ionensorten mit verschiedenen Mobilitäten besteht, durch einen sehr schnellen Ionenfluss-Schalter eine zeitliche Schaltsignatur mit etwa 50% Ionendurchlass eingeprägt wird.
In Zusammenfassung der vorstehenden Ausführungen verbessern die EMS nach dem Stand der Technik die Auflösung, begrenzen jedoch die Einschaltdauer von gepulsten Konvertern und können keine großen Ionenströme über 1E+7 Ionen pro Sekunde von modernen Ionenquellen akzeptieren, ohne Analysator-Parameter zu verschlechtern. Verfahren nach dem Stand der Technik zur Verbesserung der OA-Einschaltdauer sind für EMS nicht geeignet. Daher besteht der Bedarf zur Verbesserung der Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, des dynamischen Bereichs und Ionendurchsatzes von EMS.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die oben genannten Probleme werden gemäß der Erfindung durch ein elektrostatisches Massenspektrometer gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Empfindlichkeit, der dynamische Bereich und die Ansprechzeit von elektrostatischen Massenspektrometern (EMS) mit hoher Auflösung beträchtlich verbessert werden konnten durch (a) schnelle Pulsung einer Ionenquelle oder eines gepulsten Konverters, (b) Erzeugen von vorbestimmten Impulssequenzen mit einzigartigen Zeitintervallen zwischen jedem Impulspaar, welches nachstehend Pulscodierung genannt wird, (c) Erfassen von langen Spektren für eine Folge von schnellen Impulsen und (d) Decodieren derartiger Spektren unter Verwendung von Logikanalyse von Peak-Überlappungen in der Stufe der Datenanalyse, während die Informationen auf Impulsintervalle und auf die experimentell bestimmte Intensitätsverteilung innerhalb von Multiplets angewandt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die Impulssequenzen mit ungleichen Impulsintervallen codiert. Somit kann in dem langen codierten Spektrum eine einzelne Überlappung zwischen verschiedenen Massenkomponenten (m/z) auftreten, die verschiedenen Startimpulsen entspricht, aber das Verfahren vermeidet systematische Überlappungen für jedes beliebige Paar von m/z-Komponenten und bestimmten Multiplet-Peaks. Bei einer gemäßigten spektralen Population (Prozentsatz der besetzten Zeitskala) wird der Großteil der Peaks für einzelne Massenkomponenten (m/z) frei von Überlappungen sein und würde für die Summierung des Signals verwendet werden. Nicht-periodische Impulse ergeben auch eine scharfe Resonanz für die korrekte Massenhypothese (m/z), während falsche Hypothesen weniger Übereinstimmungen haben würden (Analogie mit Puzzle-Teilen). Die logisch gefundenen Überlappungen werden vor der Peak-Summierung entweder entfernt oder berücksichtigt.
Das Verfahren wird hauptsächlich auf die Tandem-Massenspektrometrie angewandt, wobei Spektren spärlich sind und einen niedrigen chemischen Hintergrund haben. Im breiteren Sinn definieren wir Tandem-Massenspektrometrie als eine Kombination von EMS mit einer beliebigen Gasphasen-Ionentrennvorrichtung, wie etwa ein Differential-Ionenmobilitätsspektrometer, ein Mobilitätsspektrometer oder ein Massenspektrometer mit einer Fragmentierungszelle.
Die Anmeldung offenbart eine neuartige EMS-Vorrichtung mit codierter schneller Pulsung und mit einem spektralen Decoder. Einige spezielle Ausführungsformen veranschaulichen die Vorteile der neuen Vorrichtung und des neuen Codierungs-Decodierungsverfahrens. Die Anmeldung offenbart mehrere neue Algorithmen für die Gewinnung von Spektren und präsentiert simulierte Ergebnisse der Spektren-Gewinnung basierend auf den MS-MS-Modellspektren mit mindestens 100 Massenkomponenten.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrostatisches Massenspektrometer (EMS) geschaffen, enthaltend:

(a) eine gepulste Ionenquelle zur Ionenpaketbildung;
(b) einen Ionendetektor;
(c) einen Multipass-EMS-Analysator, der einen Ionenpaketdurchgang durch den Analysator in einer Z-Richtung und isochrone Ionenschwingungen in der orthogonalen Richtung X bereitstellt;
(d) einen Impulsfolgengenerator zum Ansteuerung der gepulsten Ionenquelle oder des gepulsten Konverters mit Zeitintervallen zwischen jedem Paar von Startimpulsen, die innerhalb der Peak-Zeitbreite ΔT am Detektor einzigartig sind;
(e) ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung des Detektorsignals während der Dauer der Impulsfolge und zum Summieren von Spektren entsprechend den mehreren Impulsfolgen;
(f) einen Hauptimpulsgenerator zum Ansteuern sowohl des Datenerfassungssystems als auch des Impulsfolgengenerators; und
(g) einen spektralen Decoder zur Rekonstruktion von Massenspektren basierend auf dem Detektorsignal und auf den Informationen über die voreingestellten Zeitintervalle der Startimpulse.

Vorzugsweise erfüllen innerhalb der Impulsfolge für jede nicht gleiche Anzahl von Startimpulsen i und j, die Startzeiten ti und t_j eine Bedingung der Gruppe: (i) |(t_i+1-t_i)-(t_j+1-t_j)|>ΔT; (ii) t_j=j*(T₁+T₂*(j-1)), wobei 1us<T₁<100µs und 5ns<T₂<1000ns. Die Anzahl S der Startimpulse in der Impulsfolge kann so niedrig wie 3 sein oder über 300. Das Verhältnis zwischen der Dauer der Impulsfolge und einer durchschnittlichen Flugzeit der schwersten m/z-Ionen kann so niedrig wie 0,1 oder mehr als 10 sein.
In einer Ausführungsform sind die Elektroden des Multipass-EMS-Analysators parallel und linear in der Z-Richtung ausgedehnt, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld mit planarer Symmetrie zu bilden. In einer anderen Ausführungsform umfasst der EMS-Analysator parallele und koaxiale Ringelektroden, um ein Toroid-Volumen mit einem zweidimensionalen elektrostatischen Feld mit zylindrischer Symmetrie zu bilden. Vorzugsweise ist der mittlere Durchmesser des Toroid-Volumens größer als ein Drittel des Ionenpfads pro Einzelschwingung, wobei der Analysator mindestens eine Ringelektrode zur radialen Ionenablenkung aufweist. Vorzugsweise ist die bogenförmige Ionenverschiebung pro Einzelreflexion weniger als 3°. Der EMS-Analysator kann eine Gruppe von Elektroden der Gruppe: (i) mindestens zwei elektrostatische Ionenspiegel; (ii) mindestens zwei elektrostatische Sektoren; und (iii) mindestens einen Ionenspiegel und mindestens einen elektrostatischen Sektor, umfassen.
In einer Gruppe von Ausführungsformen kann der EMS-Analysator eine offene E-Falle mit einem nicht festgelegten Ionenpfad sein, und wobei die Anzahl der Ionenschwingungen M in dem Analysator eine Spanne ΔM von nur 2 und bis zu 100 haben kann. Vorzugsweise kann die Anzahl der Schwingungen M von 3 variieren und 100 überschreiten. Vorzugsweise kann die Anzahl der Impulse S in der Folge von Startimpulsen in Abhängigkeit von der Streuung in der Anzahl der Schwingungen ΔM eingestellt werden, so dass die Gesamtzahl der Peaks in dem codierten Rohspektrum, das ein Produkt von ΔM*S sein kann, von 3 bis 100 variieren kann. Vorzugsweise ist das elektrostatische Feld des E-Fallen-Analysators so eingestellt, dass es eine Ionenpaket-Zeitfokussierung auf einer Detektorebene X=X_D für jeden Ionenzyklus bereitstellt. In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen umfasst der EMS-Analysator gegebenenfalls einen Multipass-Flugzeit-Massenanalysator mit einem festgelegten Ionenpfad. Der Multipass-TOF-Analysator kann eine Einrichtung zur Begrenzung der Ionendivergenz in der Z-Richtung aus der Gruppe: (i) einen Satz periodische Linsen; (ii) einen elektrostatischen Spiegel oder elektrostatischen Sektor, der in der Z-Richtung moduliert ist; und (iii) mindestens zwei Schlitze, umfassen.
In einer Ausführungsform kann die gepulste Ionenquelle eine intrinsisch gepulste Quelle der Gruppe: (i) eine MALDI-Quelle; (ii) eine DE MALDI-Quelle; (iii) eine Fragmentierungszelle mit gepulster Extraktion; (iv) einen Elektronenstoß mit gepulster Extraktion; und (iv) eine SIMS-Quelle, umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann die gepulste Quelle, um eine kontinuierliche Ionenquelle anzuwenden, einen orthogonal gepulsten Beschleuniger (OA) der Gruppe: (i) ein orthogonal gepulster Beschleuniger; (ii) ein gitterloser orthogonal gepulster Beschleuniger; (iii) eine Hochfrequenz-Ionenführung mit gepulster orthogonaler Extraktion; (iv) eine elektrostatische Ionenführung mit gepulster orthogonaler Extraktion; und (v) einen beliebigen der vorstehenden Beschleuniger, dem eine stromaufwärts akkumulierende Hochfrequenz-Ionenführung vorgeschaltet ist, umfassen. Vorzugsweise kann die Ionenextraktion von der stromaufwärts liegenden gasförmigen HF-Ionenführung durch den Hauptgenerator, der die Impulsfolge auslöst, synchronisiert werden, wobei die Dauer der Impulsfolge vergleichbar zu der Streuung der Ionenankunftszeit in dem OA gewählt wird. Der OA kann länger sein als die Ionenpaketverschiebung Z₁ pro einzelnem Ionenzyklus in dem E-Fallen-EMS-Analysator. Der OA kann aus der X-Z-Symmetrieachse des Analysators verschoben sein; und wobei die Ionenpakete durch einen gepulsten Deflektor auf die X-Z-Symmetrieachse zurückgeführt werden. Der OA kann relativ zur Z-Achse gekippt sein und ein zusätzlicher Reflektor steuert Ionenpakete im selben Winkel nach mindestens einer Ionenreflexion oder Umlenkung in dem EMS-Analysator.
Das Datenerfassungssystem kann ein ADC oder ein TDC umfassen, entweder mit einer integrierten Spektren-Summierung oder mit einer Datenübertragung über einen Bus in eine Datenlogging-Einheit, wobei das digitalisierte Signal über einem Schwellenwert über einen Speicherpuffer und über einen Schnittstellenbus läuft, während die Signalanalyse und die Summierung innerhalb eines PC implementiert sind. Der spektrale Decoder kann einen Multi-Core-PC umfassen. Alternativ kann der spektrale Decoder in einer Datenerfassungsplatine in einem schnell programmierbaren Gate-Array für die parallele Multi-Core-Spektraldecodierung implementiert sein.
Die Erfindung kann auf verschiedene Tandems angewandt werden. Vorzugsweise kann die Vorrichtung ferner einen vorgeschalteten Chromatographen zur Probentrennung vor der EMS umfassen. Die Vorrichtung kann ferner vorgeschaltete Ionentrennvorrichtungen umfassen, wie etwa: (i) ein Ionenmobilitätsspektrometer, (ii) ein Differenzial-Mobilitätsspektrometer; und (iii) ein Massenfilter; (iv) eine sequenzielle Trennvorrichtung, wie etwa eine Ionenfalle mit sequenziellem Ionenausstoß, oder eine Falle, gefolgt von einem Flugzeitmassenspektrometer; und (vi) eine beliebige der vorstehenden Ionentrennvorrichtungen, gefolgt von einer Fragmentierungszelle. Die Vorrichtung mit vorheriger Trennvorrichtung kann ferner einen zusätzlichen Codierungsgenerator zur Bereitstellung einer zweiten Folge von codierten Startimpulsen zur Ansteuerung der vorgeschalteten Trennvorrichtung enthalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur MassenSpektralanalyse bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:

(a) häufige Pulsung einer gepulsten Quelle;
(b) Signalcodierung mit Impulsfolgen, die ungleichmäßige Intervalle aufweisen;
(c) Durchleiten von Ionenpaketen durch einen elektrostatischen Analysator in einer Z-Richtung, so dass die Pakete in einer orthogonalen X-Richtung isochron schwingen;
(d) Erfassen von langen Spektren, die der Folgendauer entsprechen; und
(e) Decodieren von Spektren unter Verwendung von Informationen über vorbestimmte ungleichmäßige Impulsintervalle.

Das Verfahren kann ferner einen Schritt der Gruppe: (i) Verwerfen von Peaks, die sich zwischen den Serien überlappen; und (ii) Trennen von teilweise überlappenden Peaks basierend auf den Informationen, die von nicht überlappenden Peaks in ähnlichen Serien hergeleitet wurden und die Zuweisung von auf diese Weise getrennten Peaks zu den ähnlichen Serien, umfassen. Vorzugsweise erfüllen innerhalb der Impulsfolge für jede nicht gleiche Anzahl von Startimpulsen i und j die Startzeiten ti und t_j eine Bedingung der Gruppe: (i) |(t_i+1-t_i)-(t_j+1-t_j) |>ΔT; (ii) t_j=i*(T₁+T₂*(j-1)), wobei T_I>>T₂; (iii) worin T₁ von 10 bis 100us ist und T₂ von 5 bis 100ns ist. Alternativ ist die Impulszeit ti mit der Zahl i definiert als t_i=i*T₁ + T₂*j*(j-1), wobei der ganzzahlige Index j so variiert wird, dass der Verlauf der Intervallschwankungen geglättet wird. Die Anzahl der Startimpulse S in der Impulsfolge kann nur 3 und bis zu 1000 betragen.
In einer Gruppe von Verfahren (offene E-Fallen-Massenspektrometrie) können die Ionenpakete in das elektrostatische Feld in einem Winkel zur X-Achse injiziert werden, so dass ein Ionenpfad in dem Analysator gleich einer ganzzahligen Anzahl von Schwingungen M innerhalb einer Spanne ΔM ist, die von 2 bis mindestens 100 variiert. Die Anzahl der Reflexionen M kann 3 oder bis zu 1000 sein. Die Anzahl der Impulse S in der Folge von Startimpulsen kann in Abhängigkeit von der Streuung der Anzahl der Reflexionen ΔM eingestellt werden, so dass die Gesamtzahl der Peaks in dem codierten Rohspektrum N=ΔM*S 3 oder bis zu 100 sein kann. Die Ionenflugzeit in dem elektrostatischen Feld kann nur 0,1 ms oder bis zu 10 ms betragen. Der Ionenflugpfad in dem elektrostatischen Feld kann nur 3 m oder bis zu 100 m betragen. Vorzugsweise können die gepulste Quelle und das Analysatorfeld so eingestellt sein, dass sie eine Ionenpaket-Zeitfokussierung auf einer Detektorebene X=X_D für jeden Ionenzyklus bereitstellen.
In einer anderen Gruppe von Verfahren (M-TOF-Massenspektrometrie) ist der Ionenpfad innerhalb des EMS-Analysators durch Einstellen der Parameter der gepulsten Ionenquelle und des EMS-Analysators festgelegt. Das Verfahren weist mindestens einen Schritt der Gruppe auf: (i) Einstellen der Quellenemittanz unter 20mm2*eV; (ii) Beschleunigen von Ionen auf ein Potenzial über 3 kV, um eine Winkel-Raum-Divergenz von weniger als 20mm*mrad zu erreichen; (iii) Einstellen der Paketdivergenz durch mindestens eine Linse auf weniger als 1 mrad; (iv) Begrenzen der Winkeldivergenz durch mindestens zwei Schlitze innerhalb des EMS-Analysators oder durch einen Satz von periodischen Linsen.
Das Verfahren ist auf verschiedene elektrostatische Felder von elektrostatischen Analysatoren anwendbar. Vorzugsweise kann das elektrostatische Analysatorfeld mindestens ein elektrostatisches Feld der Gruppe: (i) elektrostatisches Feld eines Ionenspiegels, der Ionenreflexionen in der X-Richtung und räumliche Ionenfokussierung in der Y-Richtung bereitstellt; (ii) zylindrisch abgelenktes elektrostatisches Feld, das eine Schleifenbildung der Ionenflugbahn bereitstellt; (iii) ein feldfreier Raum; und (iv) ein radialsymmetrisches Feld für den Orbital-Ionenfang, umfassen. Das elektrostatische Analysatorfeld kann zweidimensional mit planarer Symmetrie sein und in der Z-Richtung linear verlaufen. Alternativ kann das elektrostatische Analysatorfeld zweidimensional mit zylindrischer Symmetrie sein und entlang der kreisförmigen Z-Achse kreisförmig verlaufen.
Vorzugsweise ist das Analysatorfeld durch mindestens vier Elektroden mit verschiedenen Potenzialen gebildet, wobei das Feld mindestens ein räumliches Fokussierfeld einer Beschleunigungslinse aufweist, so dass eine Flugzeit-Fokussierung entlang der zentralen Ionenflugbahn in Bezug auf kleine Abweichungen in Raum-, Winkel- und Energie-Streuungen zur n-ten Ordnung der Taylor-Expansion bereitgestellt wird, und wobei die Ordnung der Abweichungs-Kompensation eine aus der Gruppe: (i) mindestens erster Ordnung; (ii) mindestens zweiter Ordnung in Bezug auf alle Streuungen und umfassend Kreuz-Terme; und (iii) mindestens dritter Ordnung in Bezug auf die Energiestreuung von Ionenpaketen, sein kann.
Das Verfahren ist kompatibel für eine Vielzahl von gepulsten Ionisierungsverfahren, wie etwa: (i) MALDI; (ii) DE MALDI; (iii) ein SIMS; (iv) ein LD; und (v) eine El-Ionisierung mit gepulster Extraktion. Alternativ kann der Schritt der Ionenpaketbildung die Bildung eines kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Ionenstrahls umfassen, gefolgt von einem Verfahren der orthogonalen gepulsten Beschleunigung aus der Gruppe: (i) eine Ioneninjektion in eine feldfreie Region, gefolgt von einer orthogonalen gepulsten Beschleunigung; (ii) eine Ionenausbreitung durch eine HF-Ionenführung, gefolgt von einer gepulsten orthogonalen Extraktion; (iii) ein Ionenfang in einer HF-Ionenführung, gefolgt von einer orthogonalen Ionenextraktion; und (iv) eine Ionenstrahlausbreitung durch eine elektrostatische Ionenführung mit einer gepulsten orthogonalen Extraktion. Dem Schritt der orthogonalen Ionenbeschleunigung kann ein Schritt der Ionenakkumulierung und der gepulsten Extraktion eines Ionenbündels aus einer HF-Ionenführung vorausgehen, der mit dem Hauptgenerator synchronisiert ist. Vorzugsweise ist die Dauer der codierten Impulsfolge mit der Streuung der Ionenankunftszeit in der orthogonalen Beschleunigerregion vergleichbar. Die orthogonale Beschleunigerregion kann länger sein als die Ionenpaketverschiebung Z₁ pro einzelnem Ionenzyklus in dem E-Fallen-Analysator zur Verbesserung der Einschaltdauer. Vorzugsweise kann die orthogonale Beschleunigerregion aus einer zentralen Ionenflugbahnebene (oder -oberfläche) verschoben sein; und wobei Ionenpakete durch eine gepulste Ablenkung auf die Oberfläche zurückgeführt werden.
Das Verfahren ist besonders geeignet für Tandem-Massenspektrometrieanalysen. Die spektrale Decodierung ist genauer, wenn die Spektren zerstreut sind. Darüber hinaus erlaubt die schnelle Pulsung eine rasche Nachverfolgung des Ionengehalts vor dem EMS. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt der chromatografischen Probentrennung vor dem Ionisierungsschritt umfassen. Vorzugsweise kann das Verfahren vor dem Schritt der Bildung der gepulsten Pakete ferner einen Schritt der Ionentrennung der Gruppe: (i) eine Ionen-Mobilitätstrennung; (ii) eine Differenzial-Mobilitätstrennung; (iii) ein übergeordnetes Ionenmassenfilter; (iv) einen Ionenfang, gefolgt von einer massenabhängigen sequenziellen Freisetzung; (v) einen Ionenfang mit einer Flugzeit-Massentrennung; und (vi) ein beliebiges der vorstehenden Trennungsverfahren, gefolgt von einem Schritt der Ionenfragmentierung, umfassen. Der Schritt der vorherigen Ionentrennung kann ferner einen Schritt einer zusätzlichen Codierung mit einer zweiten Folge von Startimpulsen für die Synchronisierung des Schrittes der vorausgehenden Ionentrennung umfassen; die zweite Folge weist ungleiche Intervalle zwischen den Impulsen auf; die Dauer der zweiten Folge ist mit der Dauer der vorausgehenden Ionentrennung vergleichbar, wobei eine Hauptimpulsperiode die zweite Folge und die Datenerfassung synchronisiert. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner Schritte der Ionenakkumulierung und der gepulsten Extraktion aus entweder der Akkumulierungs-HF-Ionenführung oder einer Fragmentierungszelle umfassen. Vorzugsweise ist die gepulste Extraktion mit dem Beginn der Startimpulsfolge synchronisiert und die Dauer der Folge wird gemäß der Ionenpaketdauer eingestellt.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Algorithmus zur Decodierung von Spektren in der elektrostatischen Multipass-Massenspektrometrie mit codierter schneller Pulsung bereitgestellt; welcher Algorithmus die folgenden Schritte umfasst:

(a) Peak-Auswahl in dem codierten Spektrum;
(b) Erfassen von Peaks in Gruppen, die in der Zeit gemäß der Impulssequenz oder bedingt durch Multiplet-Bildung beabstandet sind;
(c) Validieren von Gruppen basierend auf Charakteristika der Gruppe und auf dem codierten Spektrum;
(d) Validieren von einzelnen Peaks innerhalb der Gruppe basierend auf der Korrelation der Peak-Charakteristika
(e) Finden von Peak-Überlappungen zwischen Gruppen und Verwerfen von Überlappungen; und
(f) Gewinnen von Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Peaks.

Vorzugsweise können die Peaks in Bereiche der Peak-Intensität sortiert werden, wobei die identifizierten Peaks mit höherer Intensität bei der Analyse von Spektren im niedrigeren Bereich entfernt werden. Der Schritt der Gruppenvalidierung kann eine automatische Auswahl von Algorithmus-Parametern basierend auf dem dynamischen Bereich des codierten Signals und auf dem Grad der Spektren-Population innerhalb jedes Intensitätsbereichs umfassen. Der Schritt der Gruppenvalidierung kann die Berechnung der validen Gruppenkriterien umfassen: (i) eine minimale Anzahl von Peaks innerhalb einer Gruppe zur Bestätigung der Gruppe; (ii) eine akzeptable Streuung der Peak-Intensität; und (iii) eine akzeptable Zeitabweichung und Breitenabweichung zwischen Peaks innerhalb einer Gruppe. Der Schritt der Peak-Validierung innerhalb einer Gruppe kann eine Analyse der gruppeninternen Verteilung hinsichtlich der Konsistenz der Peak-Intensität, der Peak-Breite und der Abweichung des Zentroids und der gruppeninternen Korrelation umfassen. Vorzugsweise umfasst der Algorithmus ferner mindestens einen zusätzlichen Schritt der Gruppe: (i) Hintergrund-Subtraktion in Tandem-Massenspektrometriespektren vor der Decodierung der Spektren; (ii) Dekonvolution von Chromato-Massenspektrometriedaten vor der Decodierung der Spektren. Die Geschwindigkeit der Verarbeitung der Spektren kann durch parallele Multi-Core-Decodierung entweder von separaten Spektren oder in jedem beliebigen Decodierungsschritt verbessert werden.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Algorithmus zur Decodierung von Spektren niedriger Intensität bei der Mehrfach-Reflexions-Massenspektrometrie mit schneller codierter Pulsung geschaffen; wobei der Decodierungsalgorithmus die folgenden Schritte umfasst:

(a) Summieren von Signalen, die gemäß den Startimpulsintervallen beabstandet sind, für jeden Abschnitt in dem decodierten Spektrum;
(b) Zurückweisen von Summen, die eine Anzahl von Nicht-Null-Signalen unter einem vorbestimmten Schwellenwert haben;
(c) Peak-Erfassung in dem summierten Spektrum, um Hypothesen von korrekten Peaks zu bilden;
(d) Erfassen von Gruppen von Signalen, die zu jeder Hypothese korrespondieren, aus dem codierten Spektrum;
(e) Validieren von Gruppen basierend auf integralen Charakteristiken des codierten Spektrums;
(f) Finden von Peak-Überlappungen zwischen Gruppen und Verwerfen der Überlappungen;
(g) Rekonstruieren vom korrekten Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Signalen; und
(h) weiteres Rekonstruieren von Spektren unter Berücksichtigung der Peak-Verteilung innerhalb von Multiplets.

Vorzugsweise erfolgt die Entscheidung über die Anwendung des Algorithmus automatisch durch die Bestätigung, dass die analysierten codierten Spektren Signale in dem Bereich von 0,1 bis 100 Ionen pro Peak pro Codierungsstart aufweisen. Die Gruppenvalidierung kann einen Schritt aus der Gruppe: (i) automatische Berechnung der minimalen Anzahl von Peaks in der Gruppe, wobei der Akzeptanz-Schwellenwert basierend auf der Statistik des codierten Spektrums und der Intensitätsverteilung von Signalen automatisch bestimmt wird; (ii) Analysieren der Signalwiederholungsfrequenz innerhalb der summierten, in Abschnitten eingeteilten Gruppe, und einen Schritt des Berechnens der statistischen Wahrscheinlichkeit der beobachteten Signalintensität und Zeitstreuung, umfassen. Diese Abschnitt für Abschnitt Summierung kann in die nächste Impulsfolge streuende Signale berücksichtigen (Spektrum-Überholen). Der Summierungsschritt kann durch die Gruppierung von Abschnitten in Abschnitten mit größerem Umfang beschleunigt werden, wobei die Breite grob der Peakbreite entspricht.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusammen mit der Anordnung, die nur zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt wird, werden nachfolgend ausschließlich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in der:

1 ein Blockschema sowie ein Synchronisierungsschema eines Mehrfachreflexions-M-TOF mit periodischen und rücklaufenden Impulsen in dem orthogonalen Beschleuniger zeigt;
2 ein Blockschema und ein Synchronisierungschema des elektrostatischen Massenspektrometers (EMS) gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
3 Zeitablaufdiagramme zeigt und Beispiele der Codierung einer Impulsfolge darstellt;
4 die bevorzugte Ausführungsform des elektrostatischen Analysators gemäß der Erfindung zeigt;
5 ein Diagramm mit den Hauptschritten des bevorzugten Verfahrens der Erfindung zeigt;
6 ein Diagramm des bevorzugten Decodierungsalgorithmus der Erfindung zeigt;
7 ein Schema eines EMS-Tandems mit einem Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) und ein Zeitablaufdiagramm für die IMS-Codierung zeigt;
8 ein Schema des EMS-Tandems mit dem Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) und ein Zeitablaufdiagramm für die korrelierte m/z-Mobilität-Ionenfilterung zeigt;
9 die Prüfung des Algorithmus veranschaulicht und Spektren darstellt, die verschiedenen Stufen der Codierung und der Decodierung der Spektren im Fall von starken Signalen entsprechen;
10 die Resultate der Massenspektrengewinnung innerhalb von 5,5 Größenordnungen des dynamischen Bereichs zeigt;
11 die Prüfung von Algorithmen veranschaulicht und Spektren darstellt, die verschiedenen Stufen der Codierung und Decodierung von Spektren im Fall von schwachen MS-MS-Signalen entsprechen;
12 die Prüfung von Algorithmen veranschaulicht und die Ergebnisse der Massenspektrengewinnung darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Stand der Technik: Wie 1 zeigt, umfasst das MR-TOF-Massenspektrometer mit einem erweiterten Flugpfad 11 einen MR-TOF-Analysator 12 mit Ionenspiegeln 12M, einen orthogonalen Beschleuniger OA 13, einen TOF-Detektor 15 mit einem Vorverstärker 16 und einen Hauptgenerator von periodischen Impulsen 14, der sowohl den Beschleuniger 13 als auch den Analog-Digital-Wandler (ADC) 17 ansteuert und optional eine On-Board-Spektren-Summierung aufweist.
Im Betrieb tritt ein kontinuierlicher Ionenstrahl (durch den weißen Pfeil dargestellt) entlang der Z-Achse in den orthogonalen Beschleuniger 13 ein. Periodisch werden Scheiben des Ionenstrahls gepulst entlang der X-Richtung beschleunigt und die so gebildeten Ionenpakete gelangen in den M-TOF-Analysator 12. Nach mehrfachen Reflexionen in dem MR-TOF treffen die Ionenpakete auf den Detektor 15, gewöhnlich MCP oder SEM. Das Detektorsignal wird durch den schnellen Verstärker 16 verstärkt und wird durch den ADC 17 aufgezeichnet. Das Signal wird über mehrere Hauptstarts summiert. Normalerweise wird der ADC in einer bekannten „Analog-Zählweise“ betrieben, bei welcher die Amplitude eines einzelnen Ions auf mindestens mehrere ADC-Bits gesetzt wird (typischerweise 5-8 Bits), und das ADC-Rauschen und das physische Rauschen werden durch eine 1-2-Bit-Schwelle beseitigt. Bei einer niedrigen Signalintensität wird das Signal durch TDC erfasst. Die OA-Impulse werden periodisch alle 0,5-1 ms angelegt (18). Die Impulsperiode wird etwas größer als die Flugzeit der schwersten m/z-Komponente gewählt, um zu ermöglichen, dass alle Ionen den Analysator zwischen den Starts verlassen (19). Das repetitive Signal wird über mehrere Startimpulse summiert (20). Eine vereinzelte Pulsung des OA begrenzt die Einschaltdauer unter 1 % für M-TOF mit langen Pfaden.
Die Empfindlichkeit und der dynamische Bereich von TOF-MS können potenziell verbessert werden, wenn kürzere Startperioden als die Flugzeit der Komponente mit der schwersten Masse verwendet werden. Der Stand der Technik schlägt jedoch keine effiziente Codierungs-Decodierungsstrategie vor. In der US 6861645 B2 und der WO 2008087389 A2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, werden die häufigen Impulse periodisch angelegt und kurze Spektren werden aufgezeichnet, was eine große Anzahl von Peak-Überlappungen verursacht. Beide Verfahren können nur für Spektren mit geringer Population und intensive Peaks funktionieren. In der US 6900431 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, induziert die Hadamard-Transformation (HT) unechte Peaks in den resultierenden gewonnenen Spektren aufgrund von Signalschwankungen zwischen den Starts. In der parallel anhängigen Anmeldung PCT/IB/2010/056136 ( WO 2011107836 A1 ), die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, verwendet die schnelle Pulsung in der offenen E-Falle konstante Zeitintervalle zwischen den Impulsen, was die Decodierung beeinträchtigt.
Bevorzugtes Verfahren: Um die Empfindlichkeit, die Geschwindigkeit, den dynamischen Bereich und den Raumladungsdurchsatz von elektrostatischen Massenspektrometern (offene E-Fallen und M-TOF) zu verbessern, umfasst das bevorzugte Verfahren der Erfindung die folgenden Schritte: (a) häufige Pulsung einer gepulsten Quelle; (b) Signalcodierung mit Impulsfolgen, die ungleichmäßige Intervalle aufweisen; (c) Durchleiten von Ionenpaketen durch einen elektrostatischen Analysator in einer Z-Richtung, so dass die Pakete in einer orthogonalen X-Richtung isochron schwingen; (d) Erfassen von langen Spektren, die der Dauer der Folge entsprechen; und (e) nachfolgende Decodierung von Spektren unter Verwendung von den Informationen über vorbestimmte ungleichmäßige Impulsintervalle.
Bevorzugte Ausführungsform: Wie 2 zeigt, umfasst die bevorzugte Ausführungsform des Massenspektrometers 21 gemäß der Erfindung: ein elektrostatisches Massenspektrometer (hier als planarer offener M-TOF- oder E-Fallen-Analysator dargestellt) 22, einen orthogonalen Beschleuniger 23, einen Hauptimpulsgenerator 24, einen schnell ansprechenden Detektor 25 mit einem Vorverstärker 26, einen ADC 27 mit Spektren-Summierung, einen spektralen Decoder 29 und eine Generator 28 für Startimpulsfolgen mit ungleichmäßigen Intervallen zwischen den Startimpulsen. Der Hauptgenerator 24 löst sowohl die ADC-Erfassung als auch den Folgengenerator 28 aus, während der Decoder 29 die Informationen über Zeitperioden zwischen den Startimpulsen in der Folge berechnet. Der Folgengenerator 28 steuert den OA 23 an.
In 3 ist der Betrieb des EMS 21 durch einen Satz von Zeitablaufdiagrammen 32-34 dargestellt, die in der Laborzeit aufgetragen sind, beginnend mit dem allerersten Impuls des Generators 24, und Diagrammen 35-36, die in der DAS-Zeit aufgetragen sind, beginnend mit jedem Impuls des Generators 24. In den sind nur drei Muster m/z-Arten und ein Fall eines elektrostatischen M-TOF-Analysators (ΔM=1) berücksichtigt. Das Feld 32 zeigt Trigger des Hauptgenerators mit der Periode T (37). Das Feld 33 zeigt den Zeitablauf der Starts des Folgen-Generators zu den Zeitpunkten 0, t₁, t₂..., t_N=T. Die Zeit des Impulses mit der Zahl j wird gewählt, um ungleiche Zeitintervalle zwischen den Folgenimpulsen zu bilden. Ein Beispiel einer derartigen Zeitgebung ist als ti = i*T₁ + T₂*i*(i-1) gezeigt. Das Feld 34 zeigt das Ionensignal auf dem Detektor 25. Das Feld 35 zeigt das ADC-Signal, das für die Periode zwischen Impulsen des Hauptgenerators 24 summiert ist. Das Feld 36 zeigt das decodierte Spektrum, das wie ein TOF-Spektrum bei S=1 aussieht, jedoch mit einer wesentlich höheren Einschaltdauer des OA erhalten wurde.
Es ist von grundsätzlicher Wichtigkeit, dass die ungleichmäßige Startsequenz die systematische Peak-Überlappung für jedes bestimmte Paar von m/z-Komponenten beseitigt. Es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass gelegentliche Überlappungen auftreten, sich jedoch nicht für andere Startimpulse wiederholen würden. Diese gelegentlichen Überlappungen sind wahrscheinlich von systematischen Peak-Serien verschieden und es ist zu erwarten, dass sie in der Stufe der spektralen Decodierung entweder berücksichtigt oder verworfen werden. Ebenso ist es von grundsätzlicher Wichtigkeit, dass die nicht-periodische Impulssequenz eine mögliche Verwechslung zwischen Peak-Serien beseitigt, da die Nicht-Periodizität die unzweideutige Zuordnung zwischen Startimpulsen und entsprechenden Peaks erlaubt. Der Gegenstand der Codierung und Decodierung ist das zentrale Thema der vorliegenden Erfindung.
Die Nicht-Periodizität kann gering sein, aber ausreichend, um einzigartige Zeitintervalle zwischen jedem Paar von Startimpulsen vorzusehen. Die Anzahl der Signalpeaks pro einzelner m/z-Komponente ist annähernd N= S*ΔM, wobei S die Anzahl der Startimpulse in der Folge und ΔM die Anzahl von Peaks innerhalb von Multiplets in einer offenen E-Falle ist. Das codierte Spektrum ist im Vergleich zu dem gewöhnlichen TOF-Spektrum N-mal mehr besiedelt, so dass die Decodierung von den Details der nachstehend beschriebenen Codierungs-Decodierungsalgorithmen abhängig ist.
Das Schlüsselmerkmal der Erfindung sind die nicht-repetitiven Zeitintervalle zwischen schnellen Impulsen, d.h. das Intervall zwischen jedem beliebigen Paar von Startimpulsen ist einzigartig und unterscheidet sich um mindestens eine Peakbreite: ||1t_i-t_j|-|t_k - t_l|> ΔT*C für jedes i, j, k und l, wobei ΔT die Peakbreite ist, C ein Koeffizient ist, C>1. Ein Beispiel einer Sequenz mit einzigartigen Intervallen ist: t_j = j*T₁ + T₂*j*(j-1), wobei die Zeit T₁ etwa T/N ist, T₂<<T₁ und T₂>ΔT*C; C>1.
Für E-Fallen und M-TOF mit 1 ms Flugzeit und für 3-5 ns schmale Peaks ist der bevorzugte Wert von T₁ 1-100µs und der bevorzugte Wert von T₂ 5 bis 100 ns. Die Werte von T₁ und T₂ könnten basierend auf der maximal vernünftigen Anzahl von Impulsen N in der Folge basierend auf der spektralen Population optimiert werden. Ein weiteres Beispiel ist: ti = i*T₁ + T₂*j*(j-1), wobei der Index j von 0 bis N variiert wird, um so den Verlauf der Intervallvariationen zu glätten. Man kann mehrere andere Sequenzen mit ungleichen Impulsintervallen verwenden, während immer noch mit scharfer Resonanz bei korrekten Hypothesen decodiert wird.
Feldstruktur des EMS: Die elektrostatischen Masseanalysatoren können verschiedene Feldstrukturen verwenden, solange sie den Ionendurchtritt durch den Analysator in der Z-Richtung und isochrone Ionenschwingungen in der orthogonalen Ebene erlauben. Die Beispiele umfassen (i) einen aus zwei elektrostatischen Ionenspiegeln für den Ionenrückstoß in der X-Richtung aufgebauten Analysator; (ii) einen Multiturn-Analysator, der aus mindestens zwei elektrostatischen Ablenksektoren zum Schließen der zentralen Flugbahn zu einer Schleife in der XY-Ebene aufgebaut ist; und (iii) einen Hybrid-Analysator, der aus mindestens einem elektrostatischen Sektor und mindestens einem Ionenspiegel aufgebaut ist, um gekrümmte Ionenflugbahnen mit End-Reflexionen in der XY-Ebene bereitzustellen. Optional ist die Z-Achse allgemein gekrümmt, wobei eine Krümmungsebene allgemein in einem beliebigen Winkel zu einer Ebene der zentralen Ionenflugbahn ist. Ionenflugbahnen innerhalb des elektrostatischen Analysators können eine beliebige gekrümmte Puzzleteilform haben oder können eine beliebige Spiralform haben, wobei die Spiralprojektion die Form eines Buchstabens der Gruppe: (i) O; (ii) C; (iii) S; (iv) X; (v) V; (vi) W; (vii) UU; (viii) W; (ix) Ω; (x) γ; und (xi) Ziffer 8-förmige Flugbahnform, aufweist.
Analysatortyp: Derselbe Typ der elektrostatischen Feldstruktur kann sowohl für die offene E-Falle als auch für M-TOF verwendet werden, was von der Ionenquelle und den Ionenflugbahnenanordnungen abhängig ist. In einer Gruppe von Ausführungsformen ist der elektrostatische Analysator eine offene elektrostatische Falle, die durch die Injektion von Ionenpaketen in den Analysator in einem Winkel zur X-Achse eingerichtet ist, so dass ein Ionenpfad zwischen der gepulsten Ionenquelle und dem Detektor gleich einer ganzzahligen Anzahl von Schwingungen M innerhalb einer Spanne ΔM ist; und wobei die Streuung ΔM in der Anzahl der Schwingungen eine der Gruppe ist: (i) 1; (ii) von 2 bis 3; (iii) von 3 bis 10; (iv) von 10 bis 30; und (v) von 30 bis 100. Vorzugsweise ist die Anzahl der Schwingungen M eine der Gruppe: (i) 1; (ii) unter 3; (iii) unter 10; (iv) unter 30; (v) unter 100; und (vi) über 100. Vorzugsweise ist die Anzahl der Impulse S in Abhängigkeit von der Streuung in der Anzahl der Schwingungen ΔM so eingestellt, dass die Gesamtzahl der Peaks in dem codierten Rohspektrum, welches ein Produkt von ΔM*S ist, eine aus der Gruppe: (i) von 3 bis 10; (ii) von 10 bis 30; und (iii) von 30 bis 100 ist. Vorzugsweise ist das elektrostatische Feld des E-Fallen-Analysators so eingestellt, dass es eine Ionenpaket-Zeitfokussierung auf einer Detektorebene X=X_D für jeden Ionenzyklus bereitstellt.
In einer anderen Gruppe von Ausführungsformen umfasst der elektrostatische Analysator einen Multipass-Flugzeit-(M-TOF)-Massenanalysator aus der Gruppe: (i) MR-TOF-Analysator mit einem puzzleteilförmigen Flugpfad; (ii) ein MT-TOF-Analysator mit einem Spiralflugpfad; und (iii) ein Orbital-TOF-Analysator. Vorzugsweise weist der M-TOF ein Mittel der räumlichen Fokussierung in der Z-Richtung aus der Gruppe: (i) einen Satz periodische Linsen in der feldfreien Region; (ii) räumlich modulierte Ionenspiegel; und (iii) mindestens eine Hilfselektrode für die räumliche Modulation eines elektrostatischen Ionenspiegelfeldes auf. Alternativ wird die Winkeldivergenz in der Z-Richtung entweder durch einen Satz periodische Linsen oder durch einen Satz von periodischen Schlitzen (>2 Schlitze) begrenzt.
Die parallel anhängige Patentanmeldung „elektrostatische Falle“ WO 2011107836 A1 beschreibt mehrere Analysatoren mit zweidimensionalen elektrostatischen Feldern entweder in planarer Symmetrie, bei welcher E-Fallenelektroden sich parallel und linear in Z-Richtung erstrecken, oder in zylindrischer Symmetrie, bei welcher E-Fallenelektroden kreisförmig sind und das toroidale Feldvolumen sich entlang der kreisförmigen Z-Achse erstreckt.
Wie 4 zeigt, ist das höchst bevorzugte EMS ein toroidaler elektrostatischer Analysator 41 und umfasst zwei parallele und koaxiale Ionenspiegel 42, die durch einen feldfreien Raum 43 getrennt sind. Der Analysator kann in zwei Arten betrieben werden - offene E-Falle und M-TOF, was von der Z-Größe des Ionenpakets, dem IonenNeigungswinkel α zur X-Achse und der Ionen-Winkelstreuung Δα abhängig ist. In dem M-TOF-Modus umfasst der Analysator entweder einen Satz periodische Linsen oder einen periodischen Schlitz (beide mit 44 bezeichnet), um die Ionenpaket-Streuung in der Z-Richtung zu begrenzen. Jeder Spiegel 42 umfasst zwei koaxiale Sätze von Elektroden 42A und 42B. Vorzugsweise umfasst jeder dieser Elektrodensatz 42A und 42B mindestens drei Ringelektroden mit verschiedenen Potenzialen, die eine Beschleunigungslinse 45 am Spiegeleingang bilden, um so eine Flugzeitfokussierung mindestens der dritten Ordnung in Bezug auf die Energiestreuung und mindestens der zweiten Ordnung in Bezug auf kleine Abweichungen in der räumlichen, Winkel- und Energie-Streuung von Ionenpaketen umfassend Kreuz Terme zu erlauben. Ferner umfasst bevorzugt mindestens einer der Elektrodensätze 42A oder 42B eine zusätzliche Ringelektrode 46 für die radiale Ionenablenkung. Im Vergleich zu planaren Analysatoren nach dem Stand der Technik erweitert der toroidale Analysator 41 die kreisförmige Z-Richtung in einem kompakten Analysatorgehäuse. Um zusätzliche Abweichungen in Bezug auf die toroidale Geometrie zu vermeiden, sollte der Radius Rc des toroidalen Feldvolumens größer sein als ein Sechstel der Distanz L von Abdeckung zu Abdeckung, und der Ionenneigungswinkel α zur X-Achse sollte weniger als 3° sein, um eine Begrenzung der Abweichung der Auflösung über 100.000 bereitzustellen. Bezugszeichen 47 bezeichnet Ionen-optische Simulationen des toroidalen Analysators gekoppelt mit einem orthogonalen Beschleuniger OA 48. Um Raum für den OA bereitzustellen, ist der OA im Winkel γ zu der Z-Achse geneigt und eine zusätzliche Lenkungsplatte 49 lenkt den Strahl für den Winkel γ nach einer einzelnen Ionenreflexion.
Gepulste Quellen: Die Erfindung ist auf eine Anzahl von verschiedenen intrinsisch gepulsten Ionenquellen anwendbar, wie etwa MALDI, DE MALDI, SIMS, LD, oder El mit gepulster Extraktion. In einer speziellen Ausführungsform wird eine DE MALDI-Quelle mit einem Nd:YAG-Laser mit einer Wiederholungsrate von 1-10kHz eingesetzt, um die Probenprofilierung zu beschleunigen. Dies verhindert nicht die Verlängerung des Flugpfades auf etwa 40 bis 50 m und der Flugzeit von 100kDa Ionen auf 10 ms zur Verbesserung der Auflösungsleistung der Analyse. In ähnlicher Weise könnten in SIMSgepulsten Quellen Primärionisierungsimpulse mit einer etwa 100 kHz-Rate (10 µs-Periode) angelegt werden, während die Flugzeit in dem Analysator etwa 1 ms beträgt. Eine noch schnellere Pulsung könnte für Oberflächen- oder Tiefenprofilierungsanwendungen verwendet werden. In der El-Akkumulierungsquelle verbessert eine schnellere Extraktionspulsung den dynamischen Bereich der Analyse durch Reduzierung der Elektronenstrahlsättigung. Das neue Codierungs-Decodierungsverfahren erlaubt die Verwendung von einer längeren Flugzeit und verbessert so die Auflösung, ohne die Pulsungsfrequenz und somit die Geschwindigkeit und die Empfindlichkeit einzuschränken.
Gepulste Konverter: Verschiedene kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Quellen könnten verwendet werden, wenn ein gepulster Konverter, wie etwa ein orthogonaler gepulster Beschleuniger oder eine Hochfrequenzfalle mit Ionenakkumulierung und gepulstem Ausstoß verwendet werden. Die Gruppe der orthogonalen Beschleuniger (OA) fasst derartige Konverter wie: ein Paar gepulster Elektroden mit einem gitterbedeckten Fenster in einer Elektrode davon, einen gitterloser OA unter Verwendung von Platten mit Schlitzen, eine HF-Ionenführung mit gepulster orthogonaler Extraktion, zusammen. Um die Einschaltdauer des OA zu verbessern, erlaubt die offene E-Falle die Verwendung eines erweiterten OA - länger als die Ionenpaketverschiebung Z₁ pro Ionenzyklus in der E-Falle.
Akkumulierende Ionenführungen: Vorzugsweise umfasst jeder gepulste Konverter ferner eine stromaufwärts angeordnete Gas-HF-Ionenführung (RGF), wie etwa einen HF-Ionen-Multipol, einen HF-Ionenkanal und eine HF-Anordnung von Ionen-Multipolen oder Ionenkanälen. Vorzugsweise umfasst die Gas-HF-Ionenführung Mittel für die Ionenakkumulierung und die gepulste Extraktion eines Ionenbündels, wobei die Extraktion mit den OA-Impulsen synchronisiert ist. Ferner ist bevorzugt die Dauer der Startimpulsfolge vergleichbar mit der Streuung der Ionenankunftszeit in dem OA gewählt. Ferner ist bevorzugt die Periode des Hauptgenerators länger als die Flugzeit der schwersten m/z im Spektrum, um spektrales „Überholen“ zu vermeiden. Die Anordnung erlaubt die Verbesserung der gesamten OA-Einschaltdauer. Um die Detektorsättigung zu reduzieren, wird der RFG-Akkumulierungmodus mit dem RFG-Durchlassmodus abgewechselt.
Ionenpaketlenkung: Um den kleinen Neigungswinkel α (1-3°) der Ionenflugbahn in dem EMS-Analysator zu berücksichtigen, sollten spezielle Maßnahmen ergriffen werden, um (a) den Neigungswinkel anzuordnen, ohne die Ionen-Zeitfront zu kippen; und (b) räumliche Interferenzen der Ionenquelle oder des Konverters mit den zurücklaufenden Ionenpaketen zu vermeiden. In einem Verfahren wird die Ionenquelle oder der Konverter aus der X-Z-Symmetrieachse des Analysators verschoben, und die Ionenpakete werden durch mindestens einen gepulsten Deflektor auf die X-Z-Symmetrieachse zurückgeführt. Bei einem anderen Verfahren wird die parallele Emissionsquelle (wie etwa MALDI, SIMS, Ionenfalle mit radialem Ausstoß) im Winkel α/2 gekippt und anschließend werden die Ionenpakete an dem Winkel α/2 vorwärts gelenkt, um den Ionenneigungswinkel α zu der Achse X anzuordnen.
Wie wiederum 4 zeigt, ist ein anderes Verfahren für gepulste OA-Wandler 48 geeignet, die Ionen in dem Neigungswinkel 90-β relativ zu dem ankommenden kontinuierlichen Ionenstrahl emittieren. Der Winkel β ist durch Beschleunigungsspannungen in einem kontinuierlichen Ionenstrahl U_z und bei gepulster Beschleunigung U_x definiert: β = (U_z/U_x)^1/2. Bei diesem Verfahren ist der OA 48 im Winkel γ (relativ zu der Z-Achse) umgekehrt gekippt und anschließend, nach mindestens einer Ionenreflexion innerhalb des Analysators, werden die Ionenpakete im Winkel γ umgekehrt gelenkt, wobei der Winkel γ = (β - α)/2 ist. Die Neigung und die Lenkung kompensieren wechselweise die Drehung der Zeitfront. Eine größere Ionenverschiebung des OA bietet mehr Raum für den OA.
Divergenz von Ionenpaketen: Bei Ionenquellen mit großer Winkeldivergenz ist es bevorzugt, offene E-Fallen-Analysatoren zu verwenden. Unsere eigene Analyse von multiplen gepulsten Quellen und Konvertern in der Praxis zeigt jedoch, dass die Ionenpakete mit geringer Divergenz unter 1 mrad gebildet werden könnten, was die Verwendung von M-TOF-Analysatoren erlaubt. Für multiple Ionenquellen ist die geschätzte Emittanz in zwei Querrichtungen Φ<1 mm²*eV:

• Für DE MALDI-Quelle Φ < 1 mm^2*eV für M/z < 100kDa bei <200m/s Radialgeschwindigkeit;
• Für OA-Konverter nach der HF-Führung: Φ < 0,1 mm²eV bei thermischer Ionenenergie;
• Für gepulste HF-Falle: Φ < 0,01 mm^2*eV für M/z<2kDa bei thermischer Ionenenergie.

Die überraschend kleine Emittanz erscheint bedingt durch die kleine Quergröße der anfänglich gebildeten Ionenpakete unter 0,1 mm. Im Fall von radialsymmetrischen Ionenquellen kann die maximale Emittanz von 1 mm^2*eV in eine Winkel-Raum-Divergenz kleiner als D<20mm*mrad durch Beschleunigung der Ionenpakete auf 10keV Energie umgewandelt werden. Diese Divergenz kann durch ein Linsensystem ordnungsgemäß auf weniger als 2mm*10mrad Divergenz in der ZY-Ebene rückgebildet werden, die von Ionenspiegeln toleriert wird, und auf weniger als 20mm*1mrad in der XZ-Ebene, was durch den elektrostatischen MR-TOF-Analysator ohne Verluste und ohne zusätzliche Refokussierung in der Z-Richtung übertragen werden könnte.
Optimale Impulsfolge: Die Anzahl S der Impulse in der Folge kann optimiert werden, um die Einschaltdauer (DC) von gepulsten Konvertern zurückzugewinnen, während die Gesamtpopulation von Multi-Startspektren für die effektive spektrale Decodierung unter 20-30 % gehalten wird. Als Beispiel kann bei einem M-TOF mit 1 % DC pro Start die Anzahl der Starts auf S = 50 gebracht werden, um die maximal mögliche DC~50 % zu erreichen, die von dem Totraum in dem OA begrenzt ist. Im Fall von offenen E-Fallen mit fünffach erweitertem OA verbessert sich die DC auf 5 %, während die Anzahl der Multiplets auf ΔM=5 anwächst. Die optimale Zahl der Starts ist dann S=10. Im Fall der Verwendung der Ionenakkumulierung innerhalb einer Hochfrequenzführung sollte die Impulsfolge zur Anpassung an die Zeitdauer der Ionenpakete innerhalb des OA zeitlich komprimiert sein. In allen Fällen ist der Empfindlichkeitsgewinn = ΔM*S. Andererseits ist die Anzahl der Peaks N in dem Spektrum ebenfalls gleich demselben Produkt N=ΔM*S. In ähnlicher Weise wird der dynamische Bereich des Detektors proportional zu N verbessert. Somit wird sowohl für M-TOF als auch offene E-Fallen die Anzahl der Peaks N so gewählt, dass die DC maximiert wird, während die Spektrum-Population für die effektive spektrale Decodierung unter 20 % gehalten wird.
Im Fall von LC-MS wird erwartet, dass die spektrale Population der Hauptpeaks <1 % ist. Die Gewinnung von kleinen Peaks wird jedoch durch den chemischen Hintergrund begrenzt, der eine spektrale Population von etwa 30-70 % aufweist. Der chemische Hintergrund kann durch folgende Verfahren reduziert werden: Ionen-molekularchemische Reaktionen oder lang dauernde und milde Ionenerwärmung in der Ionen-Übertragungsschnittstelle zur Entfernung von organischen Clusterionen, eine differenzielle lonenmobilitätstrennung, eine zweistufige Massentrennung mit dazwischenliegender sanfter Fragmentierung, eine Unterdrückung von einzeln geladenen Ionen durch eine schwache Barriere am Ausgang der HFQ-Ionenführung etc.
Tandems: Die spektrale Population kann auch durch Verwendung eines zusätzlichen Schrittes der Probentrennung aus der Gruppe: eine chromatografische oder duale chromatografischen Trennung; Ionenmobilitäts- oder differenzielle Ionenmobilitätstrennung; oder eine Massenspektrometrie-Trennung von Ionen, z.B. in einem Quadrupol-Filter, einer linearen Ionenfalle, einer Ionenfalle mit masseabhängiger sequenzieller Freisetzung oder einer Ionenfalle mit einem Flugzeit-Massenseparator, reduziert werden. Für MS-MS-Zwecke folgt auf Ionen-Separatoren eine Ionen-Fragmentierungszelle.
Wie 7 zeigt, umfasst das Tandem-Massenspektrometer 71 eine Ionenquelle 72, eine Ionenfalle 73, die durch einen ersten codierenden Impulsgenerator 78 angesteuert wird, ein Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) 74 als einen beispielhaften Ionen-Separator, einen OA 75, der von einem zweiten codierten Impulsgenerator 79 angesteuert wird, einen EMS-Analysator 76 und einen spektralen Decoder 77. Im Betrieb werden beide Impulsfolgegeneratoren 78 und 79 synchronisiert, z.B. kann der erste Generator 78 bei jedem n-ten Start des zweiten Generators 79 getriggert werden, mit einer Zeitfolge wie t_j = j*T₁ + T₂*j*(j-1), um ungleichmäßige Zeitintervalle in beiden Auslösefolgen sicherzustellen. Die IMS-Folge vom Generator 78 löst die Ioneninjektion von der Ionenfalle 73 in das IMS 74 aus. Die Dauer der Folge kann zur Anpassung an die IMS-Trennungszeit etwa 10 ms sein, und die Intervalle zwischen den Impulsen können etwa 1 ms sein, um den Raumladungsdurchsatz des IMS zu verbessern. Nach der IMS-Trennung werden Ionenbündel mit einer Dauer von 100-200µs gebildet. Ionen werden in den OA 75 eingeführt, der durch die OA-Impulsfolge von dem zweiten Generator 79 mit ungleichmäßigen Zeitintervallen von etwa 10 µs angesteuert wird. Das Signal wird an dem EMS-Detektor für den gesamten IMS-Zyklus erfasst und über mehrere IMS-Zyklen summiert. Als Resultat wäre jede Ionen-Komponente durch annähernd 10 IMS-Peaks und etwa 100 EMS-Peaks repräsentiert was den dynamischen Bereich des Detektors im Vergleich zu herkömmlichen IMS-TOF-MS-Analysen etwa um das 100fache verbessert.
Wie ebenfalls 7 zeigt, kann die Ausführungsform 71 ferner eine Fragmentierungszelle 80 zwischen dem IMS 74 und dem OA 75 umfassen. Die Fragmentierung kann Fragmentierungsverfahren nach dem Stand der Technik verwenden, wie etwa die Kollisions-induzierte Dissoziation (CID), Oberflächeninduzierte Dissoziation (SID), fotoinduzierte Dissoziation (PID), Elektronentransferdissoziation (ETD) und Elektronenfang-Dissoziation (ECD) sowie Fragmentierung durch angeregte Ridberg-Atome oder Ozon. Das Zeitdiagramm bleibt gleich und der OA wird mit codierter häufiger Pulsung (etwa 100 kHz) betrieben, um rasche Veränderungen des Ionenstroms nach der Zelle 80 nachzuverfolgen. Dann kann das Tandem 71 ein Gesamtmasse-Pseudo-MS-MS bereitstellen. In einer derartigen Kombination wird das IMS für die grobe (Auflösung 50-100), aber schnelle Trennung von Vorläuferionen verwendet und das EMS wird für die noch schnellere Erfassung von Fragment-Spektren verwendet. Optional kann im Fall von gemäßigten Ionenströmen die Codierung des ersten Generators ausgeschaltet werden. Vorzugsweise ist die Fragmentierungszelle (gewöhnlich HF-Vorrichtung) mit einer Einrichtung zur Ionenakkumulierung und gepulsten Extraktion ausgerüstet und die OA-Impulsfolge ist auf die Dauer des extrahierten Ionenbündels synchronisiert.
Wie 8 zeigt, umfasst eine weitere spezielle Ausführungsform 81 des Tandem-Massenspektrometers eine Ionenquelle 82, eine Ionenfalle 83, die von dem Hauptimpulsgenerator 88 angesteuert wird, ein IMS 84, einen OA 85, der von einem zweiten Generator 89 für eine codierte Folge angesteuert wird, einen M-TOF-Analysator 86, spektralen Decoder 87 und einen Zeitgatter-Massenselektor 90 in dem M-TOF-Analysator 86, wobei der Zeitgatter-Selektor durch eine verzögerte Folge 89D ausgelöst wird. Im Betrieb weist der Hauptimpulsgenerator 88 eine Periode T~10 ms passend zu der IMS-Trennungszeit auf. Der OA-Folgengenerator 89 bildet eine Folge von N Impulsen mit ungleichmäßigen Intervallen und mit der Gesamtdauer des Hauptgenerators T=t_N. Die verzögerte Folge 89D ist mit dem OA-Folgengenerator 89 synchronisiert, weist jedoch eine variable Verzögerung der Anzahl j Impulse τ_j-t_j auf, die proportional zu der Zeit t_j ist. Das Zeitauswahlgatter 90 (z.B. ein gepulster Satz von bipolaren Drähten) ist nach einem Ionenzyklus in dem M-TOF 86 angeordnet und ist in der Lage, Ionen in dem speziellen Bereich der Flugzeiten proportional zu Ionen (m/z)^1/2 durchzulassen. Als Resultat wird der gewählte m/z-Bereich mit der IMS-Trennungszeit t_j korreliert, um eine spezielle Klasse von Verbindungen oder einen bestimmten Ladungszustand zu trennen, wodurch das chemische Rauschen reduziert wird.
Decodierungsalgorithmen: Die Population der codierten Spektren hat die größte Bedeutung. Im Fall von LC-MS- und GC-MS-Analysen erwarten wir die Population von codierten Spektren von 1 bis 10 % und im Fall von IMS-MS und MS-MS ist die erwartete Population von 0,01 bis 1 %. In Abhängigkeit von der spektralen Population variiert die optimale Peak-Multiplizität N von 10 s bis 100 s, ungeachtet des Ursprungs der Peak-Multiplizität - bedingt durch die Multiplet-Bildung oder bedingt durch die häufigen codierten Impulse.
Wie 6 zeigt, wird ein Algorithmus für die Decodierung von Spektren in einem elektrostatischen Massenspektrometer mit schneller codierter Pulsung geschaffen, welcher folgende Schritte aufweist: (a) Codieren eines Spektrums mit einer schnellen ungleichmäßigen Impulsfolge; (b) Peak-Auswahl in dem codierten Spektrum; (b) Zusammenfassen von Peaks in Gruppen, die in der Zeit gemäß der Startimpulssequenz und oder bedingt durch Multiplet-Bildung beabstandet sind; (c) Validieren von Gruppen basierend auf der Anzahl von Peaks in der Gruppe und basierend auf den integralen Charakteristika des codierten Spektrums; (d) Validieren von einzelnen Peaks basierend auf der Korrelation der Peak-Charakteristika innerhalb der Gruppe; (e) Finden von Peak-Überlappungen zwischen Gruppen und Berücksichtigen oder Verwerfen der Überlappungen; und (g) Gewinnen von Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Peaks, um decodierte Spektren zu erhalten.
Der Schritt der Peak-Auswahl bedeutet das Auffinden von Peaks innerhalb des codierten Spektrums, die Bestimmung ihres Zeit-Zentroids, der Peakbreite und des Integrals. Die Peak-Informationen werden zu einer Tabelle zusammengeführt und nachfolgende Schritte arbeiten eher mit den tabellierten Peak-Charakteristika als mit den Rohspektren. Der nächste Schritt der Zusammenfassung der Peaks zu Gruppen verwendet die bekannte Zeitgebung von Startimpulsen und die vorhergesagte und kalibrierte Multiplet-Bildung, so dass der Algorithmus nach Peaks sucht, die entsprechend beabstandet sind. Es wird erwartet, dass einige Peaks in Gruppen niedriger Intensität fehlen können oder dass ein begrenzter Anteil von Peaks durch Überlappungen zwischen Gruppen beeinflusst sein könnte. So versucht für jeden Peak der zusammenfassende Algorithmus verschiedene Hypothesen der Startzahl und der Anzahl von Peaks innerhalb eines Multiplets. Die tatsächliche Umsetzung des Algorithmus kann Prinzipien von Datenbanken und Indexierung für die Beschleunigung des Prozesses verwenden. Der Zusammenfassungsschritt von Peaks wird vorzugsweise durch vorausgehende Sortierung von Peaks im Überlappungsintensitätsbereiche beschleunigt. Die Bereichsspanne ist von der Intensität abhängig, da bei niedrigeren Intensitäten breitere statistische Streuungen auftreten. Alternativ verwendet der Schritt der Zusammenfassung von Gruppen einen Korrelationsalgorithmus.
Der nächste Schritt der Gruppenvalidierung wird an zusammengefassten Gruppen angewandt, die wahrscheinlich einzelnen m/z-Arten entsprechen. Der Schritt ist erforderlich, da eine schwache Resonanz mit fremden Gruppen entnommenen Peaks eine falsche Hypothese für eine nicht existierende Haupt-m/z-Komponente bilden kann. Es sollte ein Schwellenwert für eine minimale Anzahl von Peaks in der gültigen Gruppe eingestellt werden, um den Großteil von Gruppen herauszufiltern, die durch Überlappungen mit fremden Gruppen gebildet sind, und auch um Gruppen zu entfernen, die aus einem zufälligen Rauschsignal gebildet sind. Derartige Kriterien einer minimalen Anzahl von Peaks in einer gültigen Gruppe können basierend auf den integralen Charakteristika des codierten Spektrums gebildet werden, wie etwa der Populationsdichte, die für alle Signalintensitäten oder innerhalb einer bestimmten Spanne des dynamischen Bereichs gemessen wird.
Der Schritt der Validierung von einzelnen Peaks innerhalb der Gruppe wird für eine frühere Ausfilterung von falschen Peaks verwendet, die aus Überlappungen mit anderen Gruppen stammen. Durch die Analyse der Gruppencharakteristika können mehrere Kriterien für die frühere Erfassung von falsch genommenen Peaks verwendet werden: ein derartiger Peak hat wahrscheinlich eine unterschiedliche Intensität (welche ebenfalls in einem früheren Schritt der Zusammenfassung von Peaks innerhalb von Intensitätsbereichen herausgefiltert werden kann); ein derartiger Peak ist wahrscheinlich breiter oder sein Zentroid ist im Vergleich zu den übrigen Peaks innerhalb der Gruppe verschoben. Die Filterung kann das Prinzip der Gruppenkorrelation verwenden. Die Filterung von falsch entnommenen Peaks kann auch durch die frühere Analyse von intensiveren Peaks und ihre Entfernung aus der Gesamt-Peaktabelle für die nachfolgende Analyse unterstützt werden (früher beschriebene Strategie des Arbeitens mit absteigenden Intensitätsbereichen). Die Filterung kann auch iterativ wiederholt werden, nachdem der Prozess der Bestimmung der Hauptkomponenten vollendet ist.
Der Algorithmus kann durch die Verwendung von Parallelverarbeitung in Mehrkern-Platinen, wie etwa Video-Platinen oder Mehrkern-PCs beschleunigt werden. Eine derartige Parallelverarbeitung kann z.B. bei dem Schritt der Gruppenvalidierung oder einem Schritt der Peak-Zusammenfassung zu Gruppen mit absteigenden Intensitätsbereichen angewandt werden (jeder Prozessor analysiert einen separaten Intensitätsbereich). Alternativ kann die Teilung zwischen Gruppen basierend auf der Segmentierung der Rohspektren basierend auf breiten Zeitintervallen vollzogen werden. Beispielsweise kann man feststellen, dass das Intervall zwischen den Startimpulsen zwischen 10 und 11us variiert, so dass das Spektrum in 1 µs-Intervallen analysiert werden kann, die 10,5 µs beabstandet sind.
Kriterien: Für die Gruppenvalidierung (vor dem Verwerfen von Überlappungen oder der abschließenden Dekonvolution der teilweisen Überlappungen) sollten Kriterien gewählt werden, die auf den integralen Charakteristika des codierten Spektrums basieren sollten. Ein Kriterium kann auf der beobachteten spektralen Populationsdichte D und auf der Gesamtzahl der Ionen in dem aufgezeichneten codierten Spektrum basieren (geschätzt aus dem integralen Signal). Ein derartiges Kriterium wird dann verwendet, um die minimal erforderliche Anzahl von Peaks in einer Gruppe zu berechnen, um die Gruppe als korrekt zu betrachten, oder mit anderen Worten, um die Möglichkeit einer falschen Gruppe, die nur aus gelegentlichen Überlappungen akkumuliert ist, vernünftigerweise zu minimieren. Die durchschnittliche Anzahl H der falschen Treffer in einer Gruppe kann geschätzt werden als: H~P*N*W/T oder H~P*N/B, wobei P die Anzahl der Ionenpeaks in dem aufgezeichneten codierten Spektrum ist, N die erwartete Peak-Multiplizität ist, d.h. das Produkt der Peakanzahl in Multiplets ΔM und der Anzahl S von Impulsen in der Folge, d.h. N=ΔM*S, W die Basisbreite eines starken Peaks ist, T die Spektrumlänge ist und B die Anzahl der möglichen Peak-Orte innerhalb der Spektrumlänge ist, d.h. B=T/W. Es gibt jedoch statistische Variationen der tatsächlich auftretenden Anzahl von falschen Treffern pro Gruppe, und um den Großteil der falschen Hypothesen abzutrennen (beachte die große Zahl der geprüften Gruppen), sollte ein statistisches Schwellenkriterium einer Mindestanzahl C von Peaks in einer Gruppe geschätzt werden, um die Gruppe als gültig zu betrachten. Eine einfache Schätzung ist, dass in einer Poisson-Verteilung mit einem Mittelwert gleich H die Wahrscheinlichkeit von C Treffern beträgt: P(H,C)=H^C∗exp^-H/C!. In einer sorgfältigeren Berechnung, bei der weniger als eine falsche Gruppe gewählt wird, sollte das folgende Kriterium erfüllt werden: $B \cdot C_{N}^{C} \cdot C_{B - N}^{P - C} < C_{B}^{P}$
wobei C_m ⁿ ein Binomialkoeffizient aus einer Menge von m Elementen nach n Elementen ist.
Der Schritt des Verwerfens von Peak-Überlappungen kann unter Verwendung eine Datenbank-Auswertens oder durch Akkumulierung von Zeigern auf spektrale Peaks von verschiedenen Gruppen umgesetzt werden. Die Zuverlässigkeit des Algorithmus verbessert sich durch Wiederholung eines Zyklus: die Gültigkeit von Peak-Gruppen wird nach dem Verwerfen von Überlappungen und dem Auffinden der Hauptkomponenten revidiert. Für eine bessere Leistungsfähigkeit kann der Algorithmus mit abnehmenden Intensitätsbereichen der untersuchten Peaks zyklisch durchgeführt werden. Die Decodierung kann durch einen vorhergehenden Schritt der Hintergrund-Subtraktion oder Dekonvolution von chromato-massenspektrometrischen Daten verbessert werden.
Algorithmus für MS-MS: Der vorstehend beschriebene Algorithmus ist hauptsächlich für die Analyse von codierten Spektren mit intensiven Peaks gestaltet. Eine zeitsparende Vorgehensweise kann sich die geringe Anzahl von Ionen in MS-MS-Spektren zu Nutze machen. Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Algorithmus zur Decodierung von Spektren mit niedriger Intensität in elektrostatischen Analysatoren (E-Fallen und M-TOF) geschaffen, der eine Zeit-codierte schnelle Pulsung verwendet. Der Algorithmus umfasst die folgenden Schritte: (a) Summieren von Signalen, die gemäß den Startimpulsintervallen beabstandet sind, für jeden Abschnitt in dem codierten Spektrum; (b) Zurückweisen von Summen, die eine Anzahl von Nicht-Null-Signalen unter einem vorbestimmten Schwellenwert aufweisen; (c) Peak-Erfassung in dem summierten Spektrum, um Hypothesen vom korrekten Peaks zu bilden; (d) Extrahieren von Gruppen von Signalen, die zu jeder Hypothese korrespondieren, aus dem codierten Spektrum; (e) logische Analyse und Verwerfen von Signalüberlappungen zwischen Gruppen; (f) Rekonstruieren vom korrekten Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Signalen; und für den Fall von E-Fallen (g) weitere Rekonstruktion von Spektren unter Berücksichtigung der Peak-Verteilung innerhalb von Multiplets.
Der Schritt (a) des Summierens von Signalen kann als linearer Chirp umgesetzt werden, wobei für jeden Zeitabschnitt in dem codierten Spektrum summierte Signale mit Intervallen vorliegen, die den Impulsintervallen entsprechen. Eine derartige Summierung sollte Signale berücksichtigen, die in die nächste Impulsfolge streuen, d.h. eine Spektrum-Überholung in dem summierten Spektrum. Die Erfassung über 1E+6 Abschnitten mit 100 Summierungen für jeden Abschnitt kann in mehrere Threads für die Parallelverarbeitung geteilt werden. In einem bestimmten Algorithmus kann die Summierung weiter beschleunigt werden, indem eine Gruppierung in Abschnitten mit größerer Größe entsprechend der Basisbreite der Peaks erfolgt.
In dem typischen codierten MS-MS-Spektrum nehmen 1000 Ionen nur 0,1 % der Zeitskala ein. Die Wahrscheinlichkeit eines einzelnen falschen Treffers innerhalb einer Gruppe ist < 10 % für 100 Impulse in der Folge, d.h. eine durchschnittliche Anzahl von falschen Treffern in der Gruppe ist < 0,1. Somit ist zu erwarten, dass die direkte Summierung eine erste Identifizierung von Hauptkomponenten (oder Gruppenidentifizierung) ohne komplizierte Analyse der Überlappungen bereitstellt. Auf dieser Stufe ist es bevorzugt, einzelne Ionensignale in 1-Bit-Signale umzuwandeln und somit das zusätzliche Rauschen bedingt durch das Ansprechen des Detektors pro einzelnem Ion zu beseitigen. Alternativ kann das Signal durch einen TDC aufgezeichnet werden. Geht man von weniger als einem durchschnittlichen Treffer pro Gruppe aus, ist die Wahrscheinlichkeit von 8 falschen Peaks in einer Gruppe weniger als 1e-5 und unter Berücksichtigung von 1e+5 möglichen Peakpositionen würde weniger als 1 falsche Gruppe erscheinen. Die falsche Gruppe wird wahrscheinlich in den Schritten der Gruppenvalidierung, der Peak-Validierung oder bei der Berücksichtigung der Gruppenüberlappungen entfernt. Somit kann der Algorithmus Arten zuverlässig erfassen, die nur 0,08 Ionen pro Start mit einem Gesamtsignal von etwa 8 Ionen pro Startfolge haben! Dies ist das verblüffende Ergebnis: ungeachtet der Codierung und Decodierung nähert sich der Schwellenwert für die Peak-Erfassung der offenen E-Falle der Empfindlichkeit eines herkömmlichen TOF (~5 Ionen pro Peak) an, während das EMS mit der codierten schnellen Pulsung eine wesentlich höhere Einschaltdauer des gepulsten Konverters und einen wesentlich höheren dynamischen Bereich des Detektors bereitstellt. Beide Verstärkungen sind ~N=ΔM*S.
Prüfung der Algorithmen: In unseren Prüfungen benötigt der in 5 gezeigte Algorithmus annähernd 10 Sekunden pro 1 ms Spektrum. Es wird jedoch erwartet, dass die Bearbeitungszeit durch Parallelverarbeitung auf Mehrkern-Platinen, wie etwa NVIDIA TESLA M2070, um 3-4 Größenordnungen reduziert wird. Als Beispiel kann jeder Prozessorkern einzelne summierte codierte Spektren analysieren oder zeitlich getrennte Segmente von Spektren oder zumindest eine parallele Validierung von separaten Peak-Gruppen durchführen. Dann würde die Decodierung von Spektren die Erfassungsgeschwindigkeit für beliebige vorgesehene Anwendungen nicht länger beschränken, wie etwa schnelles MS-MS, Oberflächenprofilierung oder IMS-MS.
In 9 sind die Resultate der Decodierung von TOF-Spektren mit hoher Auflösung mit dem vorstehend beschriebenen Algorithmus am Beispiel von MS-MS-Spektren mit hoher Peak-Intensität dargestellt. Das Spektrum wird basierend auf den Peptidsequenzen YEQTVFQ und LDVDRVLVM erzeugt, während die Möglichkeit von a-, b-, x- und y-Fragmenten mit einer Gesamtzahl von Fragmenten gleich 152 angenommen wird. Die Intensität des Spektrums der Hauptfragmente ist zufällig innerhalb von 5,5 Größenordnungen von 0,01 bis 3000 Ionen pro Peak pro Start (über mehrere Folgen akkumuliert) verteilt. Das Signal für jeden Startimpuls wird statistisch erzeugt, während eine Gauß'sche Peakform mit FWHM=3 ns angenommen wird. Eine Sequenz von 100 ungleichmäßigen Impulsen wird für die Codierung des Spektrums mit t_j=j*T₁+j*(j-1)T₂ angewandt, wobei T₁=10µs und T₂=5ns. Ein Decodierungsalgorithmus wird ohne Nutzung der Kenntnis des Originalspektrums, aber mit der Kenntnis der Zeitintervalle zwischen den Starts verwendet. Die Darstellung A zeigt eines der statistisch erzeugten Spektren pro einzelnem Startimpuls. Die senkrechte Skala entspricht der Peakhöhe der Anzahl von Ionen. Ein derartiges Spektrum würde einem M-TOF nach dem Stand der Technik mit Rück-Impulsen entsprechen. Die Darstellung B zeigt 100 wirklich summierte Einzelspektren ohne Codierung. Ein derartiges Spektrum kann im herkömmlichen M-TOF mit einer längeren Erfassung erhalten werden. Darstellung C zeigt das durch eine Folge mit 100 ungleichmäßig verteilten Impulsen codierte Spektrum. Die gesamte Population der Zeitskala ist nur 3 %. Darstellung D zeigt eine horizontale Vergrößerung des codierten Spektrums, um einen optischen Eindruck der Population des Spektrums zu geben. Für die Decodierung des Spektrums verwendeten wir den Algorithmus aus 5, obgleich er in zwei Stufen angewendet wurde. In der ersten Stufe wurde die Peak-Erfassung mit dem Ionen-Schwellenwert von 3 Ionen durchgeführt. Für die Validierung der Gruppe benötigen wir das Vorhandensein von mehr als 30 Peaks in der Gruppe. In dieser Stufe erfasste der Algorithmus 110 Massenkomponenten. Anschließend wurden die entsprechenden Peaks aus dem codierten Spektrum entfernt. In der zweiten Stufe wurde der Schwellenwert auf 0,5 Ionen eingestellt und das Kriterium der Gruppengültigkeit wurde auf 5 Peaks in der Gruppe eingestellt. Die zweite Stufe erlaubte der Erfassung von weiteren 24 Massenkomponenten. Der Algorithmus nahm 18 Massenkomponenten im Bereich unter 0,05 Ionen pro Start nicht auf.
In 10A sind die Resultate der Decodierung durch zwei symmetrisch positionierte Spektren dargestellt. Das obere Spektrum entspricht einer wirklichen Summierung (als ob das M-TOF 100 mal länger Spektren erfasst) und das untere Spektrum entspricht dem codierten/decodierten Spektrum. Alle intensiven Massenkomponenten werden gewonnen, obgleich mit einem mäßigen Intensitätsverlust, da der Algorithmus die Intensität von entfernten überlappenden Peaks nicht kompensierte. In 10B ist ein Histogramm dargestellt, das eine Anzahl von Ionen innerhalb jedes Intensitätsbereichs darstellt. Der dunkle Teil des Histogramms entspricht den gewonnenen wirklichen Peaks und der schraffierte Teil des Histogramms entspricht den nicht gewonnenen Peaks, die in dem wirklichen summierten Spektrum vorhanden sind. Die Peaks sind innerhalb von 5,5 Größenordnungen verteilt (man beachte die logarithmische horizontale Achse). Die Verteilung bleibt auf der intensiven Seite unverändert (von 5 bis 1E+6 Ionen), während einige Peaks auf der Seite der niedrigen Intensität - unter 5 Ionen pro Zyklus von 100 Impulsen - verloren sind. Dies entspricht einer zuverlässigen Erfassung von Signalen mit 0,05 Ionen/Start. Somit bietet die Erfindung eine annähernd 100-fache Verstärkung der Empfindlichkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen M-TOF mit einer Einschaltdauer des orthogonalen Beschleunigers unter 1 %. Der Algorithmus erlaubt eine zuverlässige Decodierung von Spektren mindestens innerhalb von 5 Größenordnungen des dynamischen Bereichs im Fall von intensiven Signalen. Im Fall der LC-MS-Analyse ist es wahrscheinlich, dass der dynamische Bereich durch chemisches Rauschen aus dem Lösungsmittel und den Ionenquellenmaterialien beschränkt ist. Ungeachtet dessen würde das Verfahren gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit der Datenerfassung verbessern, was bei Tandem-Konfigurationen wichtig ist, wie etwa LC-IMS-MS, LC-FAIMS-MS oder MS-MS, oder bei der Probenprofilierung.
11 zeigt die Resultate der Decodierung von E-TOF-Spektren (ΔM=1) am Beispiel von MS-MS-Spektren mit niedriger Peak-Intensität von 0,01 Ionen/Start bis 10 Ionen/Start. Das Spektrum wird basierend auf der Peptidsequenz YEQTVFQ erzeugt, wobei die Gesamtzahl der Fragmente gleich 100 ist. Die Intensität der Fragmente ist zufällig innerhalb von 3 Größenordnungen verteilt. Eine Abfolge von 100 ungleichmäßigen Impulsen wird zur Codierung des Spektrums angewandt. Ähnlich wie bei der vorherigen Prüfung stellt Darstellung A ein beispielhaftes statistisch erzeugtes Spektrum pro einzelnem Startimpuls dar, Darstellung B zeigt 100 wirklich summierte Einzelspektren ohne Codierung, Darstellung C zeigt das durch eine Folge mit 100 ungleichmäßig verteilten Impulsen codierte Spektrum, das 1,25 % Gesamtpopulation auf der Zeitskala aufweist; und Darstellung D zeigt die Vergrößerung des codierten Spektrums, um einen optischen Eindruck der Spektrum-Population zu geben. Für die spektrale Decodierung wurde derselbe einstufige Algorithmus aus 5 angewandt, wobei wir für die Gruppenvalidierung nur das Vorhandensein von mehr als 3 Peaks in der Gruppe benötigen.
In 12A sind die Resultate der Decodierung durch zwei symmetrisch angeordnete Spektren dargestellt: das obere entspricht der wirklichen Summierung (als ob das M-TOF 100 mal länger Spektren erfasst) und das untere Spektrum entspricht dem codierten/decodierten Spektrum. 12B zeigt eine Vergrößerung der senkrechten Skala, um einige Unterschiede darzustellen, die bei Peaks niedriger Intensität auftreten. 12C zeigt ein Histogramm der Signalgewinnung, wobei die logarithmische waagerechte Skala Peak-Intensitätsbereiche darstellt, die grob dem Faktor 2 entsprechen. Der dunkle Teil des Histogramms entspricht den gewonnenen wirklichen Peaks und der schraffierte Teil des Histogramms entspricht nicht gewonnenen Peaks, die in dem wirklichen summierten Spektrum vorhanden sind. Die Verteilung verbleibt auf der intensiven Seite (5 bis 1000 Ionen) unverändert, während etwa die Hälfte der Peaks in dem Intensitätsbereich von 3 bis 5 Ionen verloren sind.
Der geprüfte Algorithmus ist die vereinfachte Version des offenbarten Algorithmus. In diesen Prüfungen haben wir keine Peak-Bereichseinteilung angewandt, die Peak-Analyse innerhalb von Gruppen ausgelassen, Unterschiede in den dynamischen Bereichen von überlappenden Peaks nicht berücksichtigt, keinen Versuch unternommen, teilweise überlappende, aber auflösbare Peaks zu gewinnen, etc. Andererseits haben die Prüfungen kein realistisches chemisches Rauschen, das typisch für LC-MS-Daten ist, berücksichtigt und keine Schwankungen des Detektor-Ansprechverhaltens pro einzelnem Ion berücksichtigt. Trotzdem bestätigten die Prüfungen die Durchführbarkeit des Verfahrens und bewiesen, dass gering besetzte Spektren auch bei Vorhandensein von 1e+4 codierten Peaks mit hoher Auflösung gebildet werden können.
Die folgenden nummerierten Ausführungsformen beschreiben Merkmale in Übereinstimmung mit der Offenbarung:

1. Elektrostatisches Massenspektrometer, umfassend:
1. (a) eine gepulste Ionenquelle zur Ionenpaketbildung;
2. (b) einen Ionendetektor;
3. (c) einen elektrostatischen Multipass-Massenanalysator, der einen Ionenpaketdurchgang durch den Analysator in einer Z-Richtung und isochrone Ionenschwingungen in der örtlich orthogonalen Richtung X bereitstellt;
4. (d) einen Impulsfolgengenerator zum Ansteuern der gepulsten Ionenquelle oder des gepulsten Konverters mit Zeitintervallen zwischen jedem Paar von Startimpulsen, die innerhalb der Peak-Zeitbreite ΔT am Detektor einzigartig sind;
5. (e) ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung des Detektorsignals während der Dauer der Impulsfolge und zum Summieren von Spektren entsprechend mehreren Impulsfolgen;
6. (f) einen Hauptimpulsgenerator zum Ansteuern sowohl des Datenerfassungssystems als auch des Impulsfolgengenerators; und
7. (g) einen spektralen Decoder zur Rekonstruktion von Massenspektren basierend auf dem Detektorsignal und auf den Informationen über die voreingestellten Zeitintervalle der Startimpulse.
2. Vorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei innerhalb der Impulsfolge für jede nicht gleiche Anzahl von Startimpulsen i und j, die Startzeiten Ti und Tj eine Bedingung der Gruppe: (i) |[Ti+1-Ti]-(Tj+1-Tj]|>ΔT; (ii) Tj=j*(T1+T2*j*(j-1)), worin 1us<T1<100µs und 5ns<T2<1000ns, erfüllen.
3. Vorrichtung nach Ausführungsform 1 und 2, wobei die Elektroden des elektrostatischen Analysators parallel sind und linear in der Z-Richtung ausgedehnt sind, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld mit planarer Symmetrie zu bilden.
4. Vorrichtung nach Ausführungsform 1 und 2, wobei der elektrostatische Analysator parallele und koaxiale Ringelektroden umfasst, um ein Toroid-Volumen mit einem zweidimensionalen elektrostatischen Feld mit zylindrischer Symmetrie zu bilden.
5. Vorrichtung nach Ausführungsform 4, wobei der mittlere Durchmesser des Toroid-Volumens größer als ein Sechstel des Ionenpfads pro Einzelschwingung ist und wobei der Analysator mindestens eine Ringelektrode zur radialen Ionenablenkung aufweist.
6. Vorrichtung nach den Ausführungsformen 1 bis 5, wobei der elektrostatische Analysator einen Satz von Elektroden der Gruppe: (i) mindestens zwei elektrostatische Ionenspiegel, die durch einen feldfreien Bereich beabstandet sind; (ii) mindestens zwei elektrostatische Sektoren; und (iii) mindestens einen Ionenspiegel und mindestens einen elektrostatischen Sektor, umfasst.
7. Vorrichtung nach den Ausführungsformen 1 bis 6, wobei der elektrostatische Analysator eine offene Ionenfalle mit einem nicht festgelegten Ionenpfad ist und wobei die Anzahl der Ionenschwingungen M in dem Analysator eine Spanne ΔM der Gruppe: (i) von 2 bis 3; (ii) von 3 bis 10; (iii) von 10 bis 30; und (iv) von 30 bis 100, aufweist.
8. Vorrichtung nach den Ausführungsformen 1 bis 7, wobei der elektrostatische Analysator einen Multipass-Flugzeit-Massenanalysator mit einem festgelegten Flugpfad sowie ein Mittel zur Begrenzung der Ionendivergenz in der Z-Richtung aus der Gruppe:
1. (i) einen Satz periodischer Linsen; (ii) in der Z-Richtung modulierte elektrostatische Spiegel; (iii) einen in der Z-Richtung modulierten elektrostatischen Sektor; und (iv) mindestens zwei Schlitze, aufweist.
9. Vorrichtung nach den Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die gepulste Quelle einen orthogonal gepulsten Konverter der Gruppe: (i) ein orthogonal gepulster Beschleuniger;
- (ii) ein gitterloser orthogonal gepulster Beschleuniger; (iii) eine Hochfrequenz-Ionenführung mit gepulster orthogonaler Extraktion; (iv) eine elektrostatische Ionenführung mit gepulster orthogonaler Extraktion; und (v) einen beliebigen der vorstehenden Beschleuniger, dem eine stromaufwärts akkumulierende Hochfrequenz-Ionenführung vorgeschaltet ist, umfasst.
10. Vorrichtung nach Ausführungsform 9, wobei der Konverter relativ zur Z-Achse gekippt ist und ein zusätzlicher Deflektor Ionenpakete im selben Winkel nach mindestens einer Ionenreflexion oder Umlenkung in dem elektrostatischen Analysator lenkt.
11. Verfahren zur Massenspektralanalyse, umfassend die folgenden Schritte:
1. (a) häufige Pulsung einer gepulsten Quelle;
2. (b) Signalcodierung mit Impulsfolgen, die ungleichmäßige Intervalle haben;
3. (c) Durchleiten von Ionenpaketen durch einen elektrostatischen Analysator in einer Z-Richtung, so dass die Pakete in einer orthogonalen X-Richtung isochron schwingen;
4. (d) Erfassen von langen Spektren entsprechend der Folgendauer; und
5. (e) nachfolgende Decodierung von Spektren unter Verwendung der Informationen über vorbestimmte ungleichmäßige Impulsintervalle.
12. Verfahren nach Ausführungsform 11, ferner umfassend einen Schritt der Gruppe: (i) Verwerfen von Peaks, die sich zwischen Serien überlappen; und (ii) Trennen von teilweise überlappenden Peaks basierend auf den Informationen, die von nicht überlappenden Peaks in ähnlichen Serien hergeleitet wurden, und die Zuweisung von so getrennten Peaks zu den ähnlichen Serien.
13. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 und 12, wobei innerhalb der Impulsfolge für jede nicht gleiche Anzahl von Startimpulsen i und j die Startzeiten Ti und Tj eine Bedingung der Gruppe: (i) ||Ti+1-Ti|-|Tj+1-Tj||>ΔT; (ii) Tj=j*T1+T2*(j-1), wobei T1»T2; und wobei T1 von 1µs bis 100µs ist und T2 von 5 bis 100ns ist, erfüllen.
14. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 bis 13, wobei die Anzahl der Startimpulse S in der Impulsfolge eine aus der Gruppe: (i) von 3 bis 10; (ii) von 10 bis 30; (iii) von 30 bis 100; (iv) zwischen 100 und 300; und (v) über 300, ist.
15. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 bis 14, wobei der Ionenpfad zwischen der gepulsten Ionenquelle und dem Detektor gleich einer ganzzahligen Anzahl von Schwingungen M innerhalb einer Spanne ΔM ist und wobei die Streuung ΔM der Anzahl der Reflexionen eine aus der Gruppe: (i) von 2 bis 3; (ii) von 3 bis 10; (iii) von 10 bis 30; und (iv) von 30 bis 100, ist.
16. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 bis 15, ferner umfassend mindestens einen Schritt der Gruppe: (i) Einstellen der Quellenemittanz unter 20mm2*eV; (ii) Beschleunigen, um eine Winkel-Raum-Divergenz von weniger als 20mm*mrad bereitzustellen; (iii) Einstellen der Paketdivergenz durch mindestens eine Linse auf weniger als 1 mrad; (iv) Begrenzen der Winkeldivergenz durch mindestens zwei Schlitze innerhalb des elektrostatischen Analysators.
17. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 bis 16, wobei das Feld des elektrostatischen Analysators durch mindestens vier Elektroden mit verschiedenen Potenzialen gebildet ist; wobei das Feld mindestens ein räumliches Fokussierfeld einer Beschleunigungslinse aufweist, um so eine Flugzeit-Fokussierung in Bezug auf kleine Abweichungen in Raum-, Winkel- und Energie-Streuungen zu einer n-ten Ordnung der Taylor-Expansion bereitzustellen; und wobei die Ordnung der Abweichungs-Kompensation eine aus der Gruppe: (i) mindestens erster Ordnung; (ii) mindestens zweiter Ordnung in Bezug auf alle Streuungen einschließlich Kreuz-Terme; und (iii) mindestens dritter Ordnung in Bezug auf die Energiestreuung von Ionenpaketen, ist.
18. Verfahren nach den Ausführungsformen 11 bis 17, ferner umfassend einen Schritt der Ionentrennung vor dem Schritt der Bildung der gepulsten Pakete, und wobei der vorgeschaltete Trennungsschritt mindestens einen aus der Gruppe: (i) eine Ionen-Mobilitätstrennung; (ii) eine Differenzial-Mobilitätstrennung; (iii) ein Filter-Massenspektrometer zum jeweils einzelnen Durchleiten einer m/z-Komponente; (iv) einen Ionenfang, gefolgt von einer massenabhängigen sequenziellen Freisetzung; (v) einen Ionenfang mit einer Flugzeit-Massentrennung; und (vi) eine beliebige der vorstehenden Trennungen, gefolgt von einem Schritt der Ionenfragmentierung, umfasst.
19. Verfahren nach Ausführungsform 18, ferner umfassend eine zusätzliche zweite Codierungs-Folge von Startimpulsen für die Synchronisierung des Schrittes der vorausgehenden Ionentrennung; wobei die zweite Folge ungleiche Intervalle zwischen den Impulsen aufweist; die Dauer der zweiten Folge ist mit der Dauer der vorausgehenden Ionentrennung vergleichbar.
20. Algorithmus zur Decodierung von Spektren in einer elektrostatischen Massenspektrometrie mit codierter schneller Pulsung, umfassend die folgenden Schritte:
1. (a) Peak-Auswahl in dem codierten Spektrum;
2. (b) Erfassen von Peaks in Gruppen, die in der Zeit gemäß der Impulssequenz und/oder bedingt durch Multiplet-Bildung beabstandet sind;
3. (c) Validieren von Gruppen basierend auf Charakteristika der Gruppe und auf den integralen Charakteristika des codierten Spektrums;
4. (d) Validieren von einzelnen Peaks innerhalb der Gruppe basierend auf der Korrelation der Peak-Charakteristika;
5. (e) Finden von Peak-Überlappungen zwischen Gruppen und Verwerfen von Überlappungen; und
6. (f) Gewinnen von Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Peaks.
21. Algorithmus nach Ausführungsform 20, wobei Peaks in Bereiche der Peak-Intensität sortiert werden, wobei die identifizierten Peaks mit höheren Intensitätsbereichen bei der Analyse von Spektren von niedrigeren Intensitätsbereichen entfernt werden.
22. Algorithmus nach den Ausführungsformen 20 und 21, ferner umfassend mindestens einen zusätzlichen Schritt der Gruppe: (i) Hintergrund-Subtraktion in Tandem-Massenspektrometriespektren vor der Decodierung des Spektren; (ii) Dekonvolution von Chromato-Massenspektrometriedaten vor der Decodierung der Spektren; (iii) Bestimmen der Korrelation zwischen einzelnen Peaks.
23. Algorithmus zur Decodierung von Spektren niedriger Intensität bei der Massenspektrometrie mit schneller codierter Pulsung, umfassend die folgenden Schritte:
1. (a) Summieren von Signalen, die gemäß den Startimpulsintervallen beabstandet sind, für jeden Abschnitt in dem decodierten Spektrum;
2. (b) Zurückweisen von Summen, die eine Anzahl von Nicht-Null-Signalen unter einem vorbestimmten Schwellenwert haben;
3. (c) Peak-Erfassung in dem summierten Spektrum, um Hypothesen von korrekten Peaks zu bilden;
4. (d) Erfassen von Gruppen von Signalen, die zu jeder Hypothese korrespondieren, aus dem codierten Spektrum;
5. (e) Validieren von Gruppen basierend auf integralen Charakteristika des codierten Spektrums;
6. (f) Finden von Peak-Überlappungen zwischen Gruppen und Verwerfen der Überlappungen; und
7. (g) Rekonstruieren vom korrekten Spektren unter Verwendung von nicht überlappenden Signalen.

Claims

Elektrostatisches Massenspektrometer, umfassend: (a) eine gepulste Ionenquelle zur Ionenpaketbildung, wobei die gepulste Ionenquelle einen orthogonal gepulsten Konverter (48) umfasst, der relativ zur Z-Achse um einen Winkel (γ) gekippt ist; (b) einen Ionendetektor (25); (c) einen elektrostatischen Multipass-Massenanalysator (41), der einen Ionenpaketdurchgang durch den elektrostatischen Massenanalysator (41) in einer Z-Richtung und isochrone Ionenschwingungen in einer X-Richtung, die orthogonal zur Richtung Z ist, bereitstellt; (d) wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) eine zusätzliche Platte (49) umfasst, die ein Ionenpaket nach mindestens einer Reflexion des Ionenpakets innerhalb des elektrostatischen Massenanalysators (41) unter demselben Winkel (γ) relativ zur Z-Richtung lenkt; (e) einen Hauptpulsgenerator (24), der Pulse mit einer Peak-Zeitbreite ΔT generiert und sowohl ein Datenerfassungssystem (27) als auch einen Pulsfolgengenerator (28) ansteuert, wobei der Pulsfolgengenerator (28) innerhalb einer Periode T zwischen Peak-Zeitbreiten ΔT angesteuert wird, (f) wobei der Pulsfolgengenerator (28) zum Generieren von einer Folge von Startpulsen eingerichtet ist, wobei der Pulsfolgengenerator (28) eingerichtet ist zum Ansteuern der gepulsten Ionenquelle mit Startpulsen, die mit ungleichen Zeitintervallen zwischen jedem Paar von Startpulsen innerhalb der Periode T zwischen den Peak-Zeitbreiten ΔT codiert sind; (g) wobei das Datenerfassungssystem (27) eingerichtet ist zur Aufzeichnung der Detektorsignale während der Dauer der Folge der Startpulse und zum Summieren von Spektren zwischen Pulsen des Hauptpulsgenerators (24), und (h) einen spektralen Decoder (29) zur Rekonstruktion von Massenspektren basierend auf den Detektorsignalen und auf den Informationen über die ungleichen Zeitintervalle zwischen jedem der Paare der Startpulse, die von dem Pulsfolgengenerator (28) bereitgestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (42A, 42B) des elektrostatischen Massenanalysators (41) parallel sind und linear in der Z-Richtung ausgedehnt sind, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld mit planarer Symmetrie zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) parallele und koaxiale Ringelektroden (42A, 42B) umfasst, um so ein Toroid-Volumen mit einem zweidimensionalen elektrostatischen Feld mit zylindrischer Symmetrie zu bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der mittlere Durchmesser des Toroid-Volumens größer als ein Sechstel des Ionenpfads pro Einzelschwingung ist und wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) mindestens eine Ringelektrode (46) zur radialen Ionenablenkung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) einen Satz von Elektroden aus der Gruppe umfasst, bestehend aus: (i) mindestens zwei elektrostatischen Ionenspiegel (42), die durch einen feldfreien Bereich (43) beabstandet sind; (ii) mindestens zwei elektrostatischen Sektoren; und (iii) mindestens einem Ionenspiegel und mindestens einem elektrostatischen Sektor.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) eine offene Ionenfalle ist, die eingerichtet ist, Ionenpakete in den elektrostatischen Massenanalysator (41) in einem Winkel (α) zur X-Richtung derart zu injizieren, dass ein Ionenpfad zwischen der gepulsten Ionenquelle und dem Ionendetektor (25) gleich einer ganzzahligen Anzahl von Schwingungen M in dem elektrostatischen Massenanalysator (41) innerhalb einer Spanne ΔM ist, wobei die Spanne ΔM eine ist aus der Gruppe: (i) von 2 bis 3; (ii) von 3 bis 10; (iii) von 10 bis 30; und (iv) von 30 bis 100 ist..
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der elektrostatische Massenanalysator (41) einen Multipass-Flugzeit-Massenanalysator mit einem festgelegten Flugpfad sowie ein Mittel zur Begrenzung der Ionendivergenz in der Z-Richtung aus der Gruppe: (i) einen Satz periodischer Linsen (44); (ii) in der Z-Richtung modulierte elektrostatische Spiegel (42A, 42B); (iii) einen in der Z-Richtung modulierten elektrostatischen Sektor; und (iv) mindestens zwei Schlitze (44), aufweist.