DE112012002050B4

DE112012002050B4 - Fouriertransformations-Massenanalysator, Verfahren zur Massenanalyse und Verfahren zur Herstellung des Fouriertransformations-Massenanalysators

Info

Publication number: DE112012002050B4
Application number: DE112012002050.2T
Authority: DE
Inventors: Alexander Kholomeev; Eduard V. Denisov; Jan-Peter Hauschild; Alexander Alekseevich Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: GB201702459D0; US8841604B2; CN103518250A; GB201107959D0; CN103518250B; US20140191122A1; GB2543992A; WO2012152950A1; JP6099631B2; JP2014514725A; GB2495068B; DE112012002050T5; CA2835501C; GB2543992B; GB2495068A; CA2835501A1

Abstract

Fouriertransformations-Massenanalysator (30), der Folgendes umfasst: einen Feldgenerator mit einer entlang einer Achse angeordneten Innenelektrode (50), undeine erste und zweite Detektionselektrode (60, 70), die Außenelektroden sind, die konzentrisch mit der Innenelektrode (50) entlang der Achse positioniert sind, um die Innenelektrode (50) zu umschließen und um einen Zwischenraum zwischen der Innenelektrode (50) und den Außenelektroden (60, 70) zu definieren, wobei der Zwischenraum ein Ionenfallenvolumen für die Ionenpakete definiert, die darin schwingen, und wobei die Detektionselektroden (60, 70) angeordnet sind, um einen Bildstrom von Ionen, die sich im Zwischenraum befinden, zu detektieren,wobei der Feldgenerator ferner eine Deflektorelektrode (140; 141; 142) ohne eine räumlich symmetrische Gegenelektrode umfasst;wobei der Feldgenerator konfiguriert ist, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für dieInjektion von zu analysierenden Ionen in das Ionenfallenvolumen zu schaffen;wobei die erste und zweite Detektionselektrode (60, 70) aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfangen; undeinen Differentialverstärker, der angeordnet ist, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode (60, 70) und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode (70, 60) basierendes Ausgangssignal bereitzustellen;dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorelektrode (140; 141; 142) und die Innenelektrode (50) derartig geformt sind,dass die Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht; unddass die Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142)und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142)und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht.

Description

Technisches Umfeld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Massenanalysator, ein Massenspektrometer, das einen derartigen Massenanalysator umfasst, ein Verfahren zur Massenanalyse und ein Verfahren zur Herstellung eines Massenanalysators.
Hintergrund der Erfindung
Die Fouriertransformations-Massenspektrometrie (FTMS) kann in den Biowissenschaften zur Analyse von Peptiden, Proteinen und anderen schweren biologischen Molekülen verwendet werden. Bei der FTMS treten jedoch spezielle Probleme bei der Analyse von schweren Proteinionen auf. Diese Probleme können auch bei anderen schweren biologischen Molekülionen auftreten, jedoch wird hier für die Veranschaulichung Bezug auf Proteinionen genommen. Dementsprechend ist die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Analyse von Proteinen beschränkt. Eine breite isotopische Verteilung von schweren Proteinionen führt dazu, dass bei der FTMS ein einzigartiger Interferenzeffekt zu beobachten ist. Der ursprünglichen konstruktiven Interferenz zwischen den Ionenschwingungen folgt schnell eine destruktive Interferenz, wenn praktisch kein Signal von diesen Ionen detektiert wird. Dieser Effekt wird von Hofstadler et al. in „Isotopic Beat Patterns in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: Implications for High Resolution Mass Measurements of Large Biopolymers", Int.J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1994, 132, 109-127, und von A. A. Makarov und E. Denisov in „Dynamics of ions of intact proteins in the Orbitrap mass analyzer", J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2009, 20, 1486-1495, beschrieben.
Infolgedessen umfasst das detektierte transiente Signal für diese Ionen ein charakteristisches, im Frequenzbereich identifizierbares Schlagmuster (engl. beat pattern). Bei schwereren Proteinen sind die Frequenzabstände zwischen mehreren Schlägen (engl. beats) größer. Das schnelle Abklingen des Signals wird jedoch durch Kollisionen mit Restgas und manchmal mit metastabilen Fragmenten verursacht. Aufgrund dieser Tatsache wird der zweite Schlag bei vielen schwereren Proteinen von pharmazeutischer Bedeutung (wie z. B. Antikörper mit einem Molekulargewicht von ungefähr 150 000 atomaren Masseneinheiten (u); 150 kDa) häufig nicht erkannt.
In vielen Fällen ist bereits der erste Schlag alleine ausreichend, um isotopische Verteilungen, die unterschiedlichen Modifikationen entsprechen, wie z. B. Glykosylierung, zu separieren. Die Intensität dieses Schlags bei der FTMS ist jedoch direkt nach der Anregung der Ionen am höchsten, mit anderen Worten in den allerersten Millisekunden der Transiente. Es ist schwierig, ein für die Detektion von Ionen geeignetes, transientes Signal so schnell nach der Anregung zu erhalten.
Diese Schwierigkeit wird insbesondere bei der Fouriertransformations-Massenspektrometrie in Orbitalfallen verstärkt, zum Beispiel bei der Verwendung eines Orbitrap (Warenzeichen) Massenspektrometers, bei dem die Anregung mithilfe eines Injektionsprozesses erfolgt, der das Anlegen von Spannungen an eine Deflektorelektrode und die Zentralelektrode der Falle einschließt. Die nachfolgende Einschwingzeit der Spannungen an der Deflektorelektrode und der Zentralelektrode (wodurch ein im Wesentlichen elektrostatisches Feld während der Detektion geschaffen wird) kann bis zu 20 ms betragen. Eine Verkürzung dieser Einschwingzeit ist wünschenswert, um dieses Problem anzugehen. Ähnliche Probleme kommen in anderen Formen von elektrostatischen Fallen vor.
Die Übersetzung DE 60 2004 007 514 T2 der europäischen Patentschrift EP 1 629 519 B1 bezieht sich auf Verfahren und ein Gerät zur Massenspektronomie, und insbesondere auf Gesamtmassen-MS/MS unter Verwendung von elektrostatischen Fouriertransform-Ionenfallen. Beispielsweise wird eine elektrostatische Falle mit einer Deflektionselektrode offenbart, mit deren Hilfe Ionen in eine Orbitrap™ deflektiert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Vorrichtungsansprüche 1 und 7 sowie durch die Merkmale der unabhängigen Verfahrensansprüche 8 und 11 definiert. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Massenanalysator, der Folgendes umfasst: einen Feldgenerator, der konfiguriert ist, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen; eine erste und eine zweite Detektionselektrode, von denen jede derartig angeordnet ist, dass sie aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff („voltage pickup“) empfängt, und um so ein jeweiliges, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierendes Detektionssignal bereitzustellen; und einen Differentialverstärker, der angeordnet ist, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode basierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Feldgenerator umfasst mindestens eine felderzeugende Elektrode ohne ein räumlich symmetrisches Pendant. Der Feldgenerator weist eine entlang einer Achse angeordnete Innenelektrode und die erste und zweite Detektionselektrode auf, die Außenelektroden sind und konzentrisch mit der Innenelektrode entlang der Achse positioniert sind, um die Innenelektrode zu umschließen und um einen Zwischenraum zwischen der Innenelektrode und den Außenelektroden zu definieren, wobei der Zwischenraum ein Ionenfallenvolumen für die Ionenpakete definiert. Zudem sind der Feldgenerator (insbesondere eine oder mehrere der felderzeugenden Elektroden) und die erste und zweite Detektionselektrode derartig konfiguriert, dass die Kapazität zwischen jeder felderzeugenden Elektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen dieser felderzeugenden Elektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht.
Der Feldgenerator ist konfiguriert, um ein zeitlich veränderliche elektrische Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen in dem Ionenfallenvolumen zu schaffen.
Auf diese Weise ist der Spannungsabgriff („voltage pickup“) an jeder der beiden Detektionselektroden (von denen ein Differentialanalysator-Ausgangssignal gewonnen wird) zwischen den beiden Elektroden ausgeglichen, so dass der Vorverstärker nicht aus seinem Betriebsbereich herausgesteuert wird, insbesondere während des Zeitraums sofort nach der Anregung, der Injektion oder beidem, das heißt, während der Einschwingzeit der Spannung an der mindestens einen felderzeugenden Elektrode. Da beide Detektionselektroden aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen im Wesentlichen identischen Spannungsabgriff haben, ist der Spannungsabgriff am Ausgang des Differentialverstärkers nicht erkennbar. Darüber hinaus ist die Zeit, damit der Spannungsabgriff an den Detektionselektroden im Wesentlichen gleich ist, erheblich geringer als die Zeit, die die zeitabhängige Spannung oder die zeitabhängigen Spannungen an der Deflektorelektrode, der ein elektrisches Feld erzeugenden Elektrode oder beiden zum Einschwingen benötigen. In dieser Hinsicht sollte die Zeitverzögerung zwischen den Signalen von den Detektionselektroden im Vergleich zu der Zeitkonstanten der Feldänderung für das zeitlich veränderliche elektrische Feld gering sein. Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „elektrostatisch“ in „elektrostatischen Fallen“ festlegt, dass das Feld nur während des Detektionsprozesses im Wesentlichen elektrostatisch ist, obwohl es sich während anderer Phasen der Analyse, zum Beispiel während der Injektion in die Falle, während des Abkühlens der Ionen, usw., noch verändern könnte.
Vorteilhafterweise sind der Feldgenerator und die erste und zweite Detektionselektrode derartig konfiguriert, dass die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei (d. h. bei und nach) einer Übergangszeit liegt. Der zulässige Bereich ist vorzugsweise derartig beschaffen, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von im Innern des Massenanalysators schwingenden Ionen zu erkennen. Optional ist der zulässige Bereich derartig beschaffen, dass der Spannungsabgriff an der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen dem Spannungsabgriff an der zweiten Detektionselektrode entspricht. Ein Initialisierungszeitraum wird zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die felderzeugende Elektrode beginnt, das zeitlich veränderliche elektrische Feld oder elektrostatische Feld zu schaffen, und der Übergangszeit definiert. Der aufgrund der Ionenschwingung an den Detektionselektroden detektierte Bildstrom kann für einen Teil des Initialisierungszeitraums oder den gesamten Initialisierungszeitraum nicht vom Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und vom Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode abgeleitet werden. Vorteilhafterweise ist die Übergangszeit der früheste Zeitpunkt, zu dem sich die Amplitude des Ausgangssignals des Differentialverstärkers innerhalb des zulässigen Bereichs befindet.
Vorzugsweise sind der Feldgenerator und die erste Detektionselektrode derartig konfiguriert, dass mindestens während des Initialisierungszeitraums der Spannungsabgriff an der ersten Detektionselektrode von ausreichender Magnitude ist, damit das Detektionssignal für die erste Detektionselektrode den Differentialverstärker sättigen würde, wenn das Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode Null wäre. Besonders bevorzugt bleibt dies der Fall im Anschluss an den Initialisierungszeitraum. Die Detektion kann vorzugsweise auch beginnen, während dies der Fall bleibt.
In der bevorzugten Ausführungsform hat der Initialisierungszeitraum eine Dauer von weniger als einer Anzahl von Schwingungsperioden für ein typisches Proteinion von Interesse (das heißt, ein in dem Analysator zu analysierendes Proteinion). Das typische Proteinion von Interesse kann ein Proteinion mit einem Molekulargewicht von mindestens 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 oder 6000 atomaren Einheiten (u) sein (1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 4000 Da, 5000 Da oder 6000 Da). Optional beträgt die Anzahl der Schwingungsperioden 200, 500 oder 1000. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Initialisierungszeitraum eine Dauer von nicht mehr als 1 ms, optional eine Dauer von nicht mehr als 2 ms, 3 ms, 4 ms oder 5 ms. Dies ist erheblich weniger als die Dauer von 6 ms bis 7 ms eines bestehenden Orbitrap Massenanalysators.
Vorzugsweise ist die felderzeugende Elektrode konfiguriert, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches Ionen veranlasst, mit einer Frequenz zu schwingen, die sich aufgrund der angelegten zeitlich veränderlichen Spannung mit der Zeit verändert. Überdies kann die felderzeugende Elektrode hier derartig konfiguriert sein, dass die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz mit der Zeit zu Beginn des Initialisierungszeitraums einen relativ hohen Wert hat und zum Ende des Initialisierungszeitraums einen relativ niedrigen Wert hat.
Vorteilhafterweise ist der Massenanalysator konfiguriert, um während eines Detektionszeitraums eine Ionendetektion durchzuführen, wobei der Detektionszeitraum bei der Übergangszeit beginnt und eine Dauer T hat. Optional ist die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz während des Detektionszeitraums integriert über T nicht größer als 1/T.
In einigen Ausführungsformen kann das Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an die felderzeugende Elektrode mechanische Schwingungen in mindestens einer der nachfolgenden Elektroden, nämlich der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode oder der zweiten Detektionselektrode, verursachen. Vorteilhafterweise kann eine Dämpfung der mechanischen Schwingungen vorgesehen werden. Dann ist der Massenanalysator vorzugsweise derartig konfiguriert, dass die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen nicht wesentlich größer als die Dauer des Initialisierungszeitraums ist. Dies unterstützt das Aufrechterhalten des Gleichgewichts zwischen dem Spannungsabgriff an der ersten Detektionselektrode und dem Spannungsabgriff an der zweiten Detektionselektrode, indem das Ausmaß der mechanischen Bewegung, die die Kapazitäten beeinflusst, begrenzt wird. Die Zeitkonstante der Dämpfung, die nicht wesentlich größer als die Dauer des Initialisierungszeitraums ist, kann angezeigt werden, wenn die Zeitkonstante kleiner als, gleich der oder nicht erkennbar größer als die Dauer des Initialisierungszeitraums ist. Das erkannte Signal an einer der Vielzahl von Detektionselektroden kann dies zum Beispiel direkt zeigen, wenn das erkannte transiente Signal mit einer exponentiell abklingenden Wellenform moduliert wird, die sich verliert, wenn die Spannung an der felderzeugenden Elektrode auf null gesetzt wird.
Zusätzlich oder alternativ ist der Massenanalysator Bestandteil eines Massenspektrometers, das eine Vakuumpumpe umfasst, und der Massenanalysator ist vorzugsweise derartig konfiguriert, dass sich die Resonanzfrequenz von mindestens einer der folgenden Elektroden, nämlich der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode oder der zweiten Detektionselektrode, von der Frequenz der Vakuumpumpe unterscheidet. Der Frequenzunterschied beträgt bevorzugt mindestens 5 %, 10 % oder 20 %.
Vorteilhafterweise umfasst der Massenanalysator weiterhin Schwingungsdämpfer, die angeordnet sind, um die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen zu definieren. Die Schwingungsdämpfer können Abwandlungen oder Ergänzungen zu mindestens einer der folgenden Elektroden, nämlich der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode oder der zweiten Detektionselektrode, umfassen. Zusätzlich oder alternativ besteht mindestens eine der folgenden Elektroden, nämlich die felderzeugende Elektrode, die erste Detektionselektrode oder die zweite Detektionselektrode, aus einem harten Metall, wobei die Härte die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen definiert. Die Geometrie der Elektrode kann ebenfalls die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen definieren. Durch Verwenden eines weichen Metalls werden die Schwingungen gedämpft. Vorzugsweise ist das Metall Aluminium.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die mindestens eine felderzeugende Elektrode eine ein elektrisches Feld erzeugende Elektrode, die konfiguriert ist, um ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, das Ionenpakete im Inneren des Analysators zum Schwingen bringt. Vorteilhafterweise schwingen die Ionenpakete entlang einer Achse. Es handelt sich bei der elektrisches Feld erzeugenden Elektrode um eine entlang einer Achse angeordnete Innenelektrode. Dann können die erste und zweite Detektionselektrode Außenelektroden sein, die konzentrisch mit der Innenelektrode entlang der Achse positioniert sind, um die Innenelektrode zu umschließen und um einen Zwischenraum zwischen der Innenelektrode und den Außenelektroden zu definieren. Dieser Raum definiert ein Ionenfallenvolumen für die Ionenpakete, die darin schwingen. Hierbei handelt es sich um eine typische Struktur eines Orbitrap™ Massenanalysators. Vorteilhafterweise sind die erste und zweite Detektionselektrode in Bezug auf die Innenelektrode symmetrisch angeordnet, so dass die Kapazität zwischen der Innenelektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Innenelektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht. Durch Aufrechterhalten dieser Symmetrie kann der Spannungsabgriff an den beiden Detektionselektroden ausgeglichen werden.
Die felderzeugende Elektrode ist derartig geformt, dass die Kapazität zwischen der Deflektorelektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Deflektorelektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht. Zudem ist die Deflektorelektrode derartig geformt, dass die Kapazität zwischen der Deflektorelektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen der ein elektrisches Feld erzeugenden Elektrode und der ersten Detektionselektrode entspricht.
Ein weiterer Aspekt findet sich in einem Massenanalysator, der Folgendes umfasst:

einen Feldgenerator, der eine felderzeugende Elektrode umfasst, die konfiguriert ist, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen; eine erste und eine zweite Detektionselektrode, von denen jede derartig angeordnet ist, dass sie aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfängt, und um so ein jeweiliges, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierendes Detektionssignal bereitzustellen; und einen Differentialverstärker, der angeordnet ist, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode basierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Feldgenerator und die erste und zweite
Detektionselektrode sind derartig konfiguriert, dass die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei einer Übergangszeit liegt, wobei der zulässige Bereich derartig beschaffen ist, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von Ionen, die in den Massenanalysator injiziert werden, zu detektieren, und wobei ein Initialisierungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die felderzeugende Elektrode beginnt, das zeitlich veränderliche elektrische Feld zu schaffen, und der Übergangszeit definiert wird. Darüber hinaus führt das Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an die felderzeugende Elektrode zu mechanischen Schwingungen in mindestens einer der folgenden Elektroden, nämlich der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode oder der zweiten Detektionselektrode, und wobei der Massenanalysator derartig konfiguriert ist, dass die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen nicht wesentlich größer als die Dauer des Initialisierungszeitraums ist.

Dies kann alternativ als ein Massenanalysator ausgedrückt werden, der Folgendes umfasst: einen Feldgenerator, der eine felderzeugende Elektrode umfasst, die konfiguriert ist, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen; eine erste und eine zweite Detektionselektrode, von denen jede derartig angeordnet ist, dass sie aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfängt, und um so ein jeweiliges, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierendes Detektionssignal bereitzustellen; und einen Differentialverstärker, der angeordnet ist, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode basierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Massenanalysator ist derartig konfiguriert (vorzugsweise mechanisch), dass das Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an die felderzeugende Elektrode zu keiner wesentlichen (d. h. erkennbaren) Anregung an der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode und der zweiten Detektionselektrode führt.
Optional sind der Feldgenerator und die erste und zweite Detektionselektrode derartig konfiguriert, dass die Kapazität zwischen jeder felderzeugenden Elektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen dieser felderzeugenden Elektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Massenanalysator weiterhin Schwingungsdämpfer, die angeordnet sind, um die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen zu definieren. Zusätzlich oder alternativ besteht mindestens eine der folgenden Elektroden, nämlich die felderzeugende Elektrode, die erste Detektionselektrode oder die zweite Detektionselektrode, aus einem harten Metall, wobei die Härte die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen definiert.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer vorgesehen, das den hier beschriebenen Massenanalysator umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zur Massenanalyse, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer zeitlich veränderlichen Spannung für einen Feldgenerator, der mindestens eine felderzeugende Elektrode umfasst, um so ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen; Empfangen eines jeweiligen Spannungsabgriffs an der ersten und zweiten Detektionselektrode aufgrund des Injektionsfeldes oder des elektrostatischen Feldes; Bereitstellen eines jeweiligen, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierenden Detektionssignals von sowohl der ersten als auch der zweiten Detektionselektrode; und Erzeugen eines Differentialverstärkerausgangssignals basierend auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode. Der Feldgenerator umfasst mindestens eine felderzeugende Elektrode ohne ein räumlich symmetrisches Pendant. Außerdem entspricht der an der ersten Detektionselektrode empfangene Spannungsabgriff im Wesentlichen dem an der zweiten Detektionselektrode empfangenen Spannungsabgriff.
Vorteilhafterweise sind der Feldgenerator und die erste und zweite Detektionselektrode derartig konfiguriert, dass die Kapazität zwischen jeder felderzeugenden Elektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen dieser felderzeugenden Elektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht.
Optional liegt die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei einer Übergangszeit, wobei der zulässige Bereich derartig beschaffen ist, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von Ionen, die in den Massenanalysator injiziert werden, zu detektieren. Optional wird hierbei ein Initialisierungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Schritt des Bereitstellens einer zeitlich veränderlichen Spannung für die felderzeugende Elektrode beginnt, und der Übergangszeit definiert.
Vorzugsweise hat der Spannungsabgriff an der ersten Detektionselektrode mindestens während des Initialisierungszeitraums eine ausreichende Magnitude, damit das Detektionssignal für die erste Detektionselektrode den Differentialverstärker sättigen würde, wenn das Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode Null wäre. Besonders bevorzugt hat der Initialisierungszeitraum eine Dauer von nicht mehr als 1 ms.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Bereitstellens einer zeitlich veränderlichen Spannung für eine felderzeugende Elektrode das Erzeugen eines elektrischen Feldes, welches Ionen veranlasst, mit einer Frequenz zu schwingen, die sich mit der Zeit verändert, wobei die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz mit der Zeit zu Beginn des Initialisierungszeitraums auf einen relativ hohen Wert und zum Ende des Initialisierungszeitraums auf einen relativ niedrigen Wert eingestellt ist. Optional umfasst das Verfahren weiterhin das Detektieren von Ionen während eines Detektionszeitraums, wobei der Detektionszeitraum bei der Übergangszeit beginnt und eine Dauer T hat. Dann darf die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz integriert über T nicht größer als 1/T sein.
Es ist zu beachten, dass das Verfahren weiterhin Merkmale umfassen kann, die denen des zuvor und hier beschriebenen Massenanalysators entsprechen. Gegebenenfalls können Aspekte der vorliegenden Erfindung in ein Computerprogramm aufgenommen sein, das konfiguriert ist, um das hier beschriebene Verfahren auszuführen, wenn es auf einem Prozessor betrieben wird, oder optional in ein
computerlesbares Medium, das ein derartiges Computerprogramm umfasst.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Massenanalysators geschaffen, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Feldgenerators, der mindestens eine felderzeugende Elektrode umfasst, die konfiguriert ist, um eine zeitlich veränderliche Spannung zu empfangen, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen, wobei der Feldgenerator mindestens eine felderzeugende Elektrode ohne ein räumlich symmetrisches Pendant umfasst; Anordnen der ersten und zweiten Detektionselektrode derartig, dass jede aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfängt, und derartig, dass jede ein jeweiliges, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierendes Detektionssignal bereitstellt; Anordnen eines Differentialverstärkers, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode basierendes Ausgangssignal bereitzustellen; und Konfigurieren des Feldgenerators und der ersten und zweiten Detektionselektrode derartig, dass die Kapazität zwischen jeder felderzeugenden Elektrode und der ersten Detektionselektrode im Wesentlichen der Kapazität zwischen dieser felderzeugenden Elektrode und der zweiten Detektionselektrode entspricht.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Massenanalysators kann geschaffen werden. Dieses Verfahren umfasst: das Bereitstellen eines Feldgenerators, der mindestens eine felderzeugende Elektrode umfasst, die konfiguriert ist, um eine zeitlich veränderliche Spannung zu empfangen, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen, für die Anregung von zu analysierenden Ionen oder für beides zu schaffen; das Anordnen der ersten und zweiten Detektionselektrode derartig, dass jede aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfängt, und derartig, dass jede ein jeweiliges, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode basierendes Detektionssignal bereitstellt; das Anordnen eines Differentialverstärkers, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode basierendes Ausgangssignal bereitzustellen; und das Konfigurieren des Feldgenerators und der ersten und zweiten Detektionselektrode derartig, dass die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei einer Übergangszeit liegt, wobei der zulässige Bereich derartig beschaffen ist, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von Ionen, die in den Massenanalysator injiziert werden, zu detektieren, wobei ein Initialisierungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die felderzeugende Elektrode beginnt, das zeitlich veränderliche elektrische Feld zu schaffen, und der Übergangszeit definiert ist. Das Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an die felderzeugende Elektrode führt zu mechanischen Schwingungen in mindestens einer der nachfolgenden Elektroden, nämlich der felderzeugenden Elektrode, der ersten Detektionselektrode oder der zweiten Detektionselektrode. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einstellen des Massenanalysators derartig, dass die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen nicht wesentlich größer als die Dauer des Initialisierungszeitraums ist. Dieses Verfahren umfasst optional die Anwendung der hier beschriebenen Konfigurationen des Massenanalysators, um die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen zu erzielen.
Es versteht sich von selbst, dass diese Verfahren zusätzlich Herstellungsschritte umfassen können, die sich auf die entsprechenden Merkmale des zuvor und hier beschriebenen Massenanalysators beziehen.
Figurenliste
Die Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis umgesetzt werden, von denen eine jetzt ausschließlich anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:

1 schematisch einen Teil eines bestehenden Massenspektrometers, das einen Massenanalysator umfasst;
2 eine schematische Darstellung des Massenanalysators entsprechend 1, einschließlich Anpassungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 ein Beispiel eines Zeitsignals, das mithilfe eines bestehenden Massenanalysators erzeugt wurde; und
4 ein Beispiel eines Zeitsignals, das mithilfe eines Massenanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Zunächst Bezug nehmend auf 1 ist hier ein Teil eines bestehenden Massenspektrometers schematisch dargestellt. Der Teil des Massenspektrometers umfasst eine Ionenspeichervorrichtung 10, Ionenoptiken 20 und einen Massenanalysator 30. Der Massenanalysator 30 ist vom Typ Orbitrap und umfasst einen Deflektor 40, eine Zentralelektrode 50, eine erste Außenelektrode 60 und eine zweite Außenelektrode 70 (die Außenelektroden 60, 70 umschließen die Zentralelektrode 50 radial und sind in der 2 im Querschnitt dargestellt, um die Zentralelektrode zur Veranschaulichung zu zeigen). Der allgemeine Betrieb eines derartigen Massenanalysators ist bekannt, jedoch finden sich weitere Details in WO 02/078046 A2 , WO 2006/129109 A2 und WO 2007/000587 A2 , deren Inhalte durch Nennung als hierin aufgenommen zu betrachten sind.
Eine Ioneninjektion in den Massenanalysator 30 wird mithilfe der folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst werden die Ionen aus einer externen Ionenquelle in der Ionenspeichervorrichtung 10 (vorzugsweise eine gekrümmte Falle, C-Falle, zum Beispiel wie in US 7,498,571 B2 , US 7,425,699 B2 und WO 2008/081334 A2 beschrieben) gespeichert. Dann werden die gespeicherten Ionen über Ionenoptiken 20 in Richtung Massenanalysator 30 gepulst. Die Ionen treten von außen, versetzt vom Äquator, durch eine Injektionsöffnung in den Massenanalysator 30 ein, während die zeitlich veränderliche Spannung an der Zentralelektrode 50 stufenweise erhöht wird, um ein zunehmendes elektrisches Feld zu schaffen. Die genaue Einstellung der Eintrittsparameter erfolgt am Deflektor 40, der sich über der Injektionsöffnung befindet. Die Ionen starten axiale Schwingungen der Zentralelektrode 50 bei langsam abnehmender Amplitude und abnehmendem Radius, während das Erhöhen der Spannung an der Zentralelektrode 50 andauert. Gleichzeitig wird die Spannung am Deflektor 40 auf den Pegel erhöht, der der kleinsten Feldstörung im Inneren des Analysators entspricht. Schließlich stoppt das Erhöhen der Spannungen und die Ionen sind bereit für die Detektion unter Verwendung der in die geteilten Außenelektroden (die erste Außenelektrode 60 und die zweite Außenelektrode 70) induzierten Bildströme. Die an der ersten Außenelektrode 60 und der zweiten Außenelektrode 70 detektierten Signale werden an einen Differentialverstärker (nicht dargestellt) in einen Vorverstärker weitergeleitet. Der Differentialverstärker gibt ein Signal aus, das auf der Differenz zwischen den an der ersten Außenelektrode 60 und der zweiten Außenelektrode 70 detektierten Signalen basiert. Dieses Ausgangssignal wird verwendet, um durch die Fourier-Analyse ein Massenspektrum bereitzustellen.
In der Praxis erfolgt das Erhöhen der an die Zentralelektrode 50 und den Deflektor 40 angelegten Spannung mit einer Rate von bis zu 10 bis 40 V/Mikrosekunde. Dies führt zu einem großen kapazitiven Spannungsabgriff an der ersten Außenelektrode 60 und einer zweiten Außenelektrode 70, die als Detektionselektroden fungieren. Die Verschiebungsströme können Milliamperes erreichen und die Übergangsprozesse können bis zu 20 ms dauern. Durch die Verwendung von höheren Pufferkapazitäten, schnell regelnden Stromversorgungen und anderen bekannten Maßnahmen im Bereich der Hochspannungselektronik ist es möglich, diese Zeit auf wenige Millisekunden zu reduzieren. Nachfolgend wird dargelegt, dass dies nicht ausreichend ist, um die Anforderungen für eine Massenanalyse von schweren Proteinionen zu erfüllen.
Wie oben beschrieben, wird in der FTMS-Analyse derartiger Ionen mit einer breiten isotopischen Verteilung ein einzigartiger Interferenzeffekt beobachtet. „Isotopic Beat Patterns in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: Implications for High Resolution Mass Measurements of Large Biopolymers“ (oben genannt) liefert die Basis für die folgende Analyse in Bezug auf diesen Effekt.
Der erste Schlag beginnt ausgehend von seinem maximalen Wert und nimmt mit der Zeitkonstanten ab $Δ t_{w} = 1 / (2 Δ f_{w}),$
wobei Δf_w die Streuung der Frequenzen ist, die der Breite der isotopischen Verteilung ΔM_w eines Proteins von Interesse mit einer Molekularmasse M entspricht. In elektrostatischen Fallen (wie dem Massenanalysator vom Orbitrap-Typ, aber auch Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysatoren (FTICR)) ist $Δ f_{w} / f = Δ M_{w} (2 M),$
wobei f die Schwingungsfrequenz für einen speziellen Ladezustand Z des Proteins ist (d. h. bei einer Masse M/Z). Daher gilt $Δ t_{w} = 1/f * Δ M_{w} .$
M/ΔM_w ist abhängig von der Masse des Proteins, der Reinheit des Proteins und seiner isotopischen Zusammensetzung. Bei der natürlichen Verteilung von Kohlenstoffisotopen liegt M/ΔM_w typischerweise im Bereich 4000-6000 für Proteine mit M > 80.000 Da. In der Realität kann M/ΔM_w jedoch aufgrund zahlreicher posttranslationaler Modifikationen und Addukte niedriger sein. Bei P.V. Bondarenko, T.P. Second, V. Zabrouskov, Z. Zhang, A.A. Makarov, „Mass Measurement and Top-Down HPLC/MS Analysis of Intact Monoclonal Antibodies on a Hybrid Linear Quadrupole Ion Trap - Orbitrap Mass Spectrometer", J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2009, 20, 1415-1424, wurde zum Beispiel ein Wert von 2000-3000 beobachtet.
Daher sollte die Detektion derartiger Proteine in elektrostatischen Fallen zu einem bedeutend früheren Zeitpunkt t_d beginnen als das Signal abnimmt, d. h. t_d < Δt_w oder noch besser t_d << Δt_w. Daher sollte die Detektion direkt nach mehreren hundert Schwingungen von Proteinionen von Interesse beginnen, z. B. 100 bis 1000. Liegt M/Z im Bereich von 1000 bis 4000, können die Ionenschwingungsfrequenzen den Bereich von 200 bis 400 kHz in einem praktischen Orbitrap-Massenanalysator abdecken. Somit sollte der gewünschte Start der Detektion innerhalb (vorzugsweise weniger als) 1 ms nach der Ioneninjektion stattfinden.
Die Anforderung, die Detektion vorzugsweise innerhalb 1 ms zu starten, verlangt jedoch einen linearen Betrieb des Differentialverstärkers mit einem typischen 1 nV/√Hz Rauschband bereits zu diesem Zeitpunkt. Hierdurch werden dem Design des Massenanalysators 30 weitere Einschränkungen auferlegt.
Eine Lösung für diese Schwierigkeiten kann erzielt werden, wenn beiden Kanälen des Differentialverstärkers identische zeitabhängige Spannungswellenformen zugeführt werden, denen das Bildstromsignal überlagert ist. Die identischen zeitabhängigen Spannungswellenformen heben sich am Differentialverstärker auf. Vor einer derartigen Detektion ist es wünschenswert, dass diese Spannungswellenformen auf Pegel gedämpft werden, die einen linearen Betrieb des Differentialverstärkers ermöglichen. Allerdings ist es für jede Spannung an jedem Kanal erlaubt, den Differentialverstärker zu sättigen, wenn sie alleine angelegt würden.
Dies kann durch Erhöhen der Spannungen mit einer exponentiellen Abklingrate implementiert werden. Die Hochspannungsstromversorgung ist über einen Transistorschalter mit der Zentralelektrode verbunden. Vor der Vakuumdurchführung wird ein Widerstand R installiert, der zusammen mit der Kapazität C der Elektrode ein RC-Glied bildet. Da der Strom zur Elektrode durch den Widerstand begrenzt wird, steigt die Spannung entsprechend (1-exp(-t/RC)) und führt zu der exponentiellen Abklingrate. Typischerweise liegt RC bei 30 bis 50 µs. Eine Feinabstimmung dieser Zunahme könnte durch Begrenzen des Stroms in den Transistorschalter erreicht werden. Das RC-Glied kann auch als ein Filter gegen externes elektronisches Rauschen agieren. Außerdem werden am Eingang beider Kanäle des Differentialverstärkers begrenzende Hochgeschwindigkeitsdioden installiert. Vorzugsweise beträgt die Zeitkonstante einer derartigen Dämpfung weniger als 100 Mikrosekunden und besonders bevorzugt weniger als 50 Mikrosekunden.
Es kann gezeigt werden, dass, wenn die Detektion zu einem Zeitpunkt t_d beginnt und verbleibend die Spannungsdifferenz zwischen der Zentralelektrode und den Außenelektroden V(t_d) ist, die relative zusätzliche Peakverbreiterung $δ_{m} \approx (τ /T) * V (t_{d}) {/U}_{r}$
beträgt, wobei T die Dauer der Detektion, τ die Zeitkonstante der exponentiellen Abnahme und U_r die Gleichgewichtsspannung zwischen der Zentralelektrode und den Außenelektroden während der Detektion ist. Dies hat keinen wahrnehmbaren Einfluss auf die Peakform, wenn diese Massenverschiebung deutlich innerhalb eines Frequenzbins bleibt, der 1/T beträgt. Um dies zu erreichen, wird die folgende Anforderung gestellt: $V (t_{d}) {/U}_{r} < 2/ (f τ)$
Dies wird zu einer immer strengeren Anforderung für Ionen mit kleinem m/z, die über höchste Frequenzen f verfügen. Praktisch überschreitet die Frequenz für m/z = 50 nicht 2 MHz und V(t_d)/U_r < 1%. Der Vorverstärker beginnt jedoch erst bei V(t_d)/U_r < 0,1% mit der linearen Detektion. Somit beeinflusst dieser Effekt typischerweise nicht die gemessenen Frequenzen. Es ist vielmehr die Zeitkonstante der verbleibenden Regelung der Stromversorgungen (typischerweise in der Größenordnung von einigen hundert Mikrosekunden), die weiterhin die gemessenen Frequenzen beeinflussen könnte. In der Praxis kann dies durch die genaue Messung von Restspannungswellenformen an den Elektroden kalibriert werden.
Identische Wellenformen werden erreicht, indem man die Koppelkapazitäten zu jeder Elektrode, die eine zeitabhängige Spannung liefert, für beide Detektionselektroden identisch macht. Als nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine schematische Darstellung des Massenanalysators aus 1, einschließlich Anpassungen, abgebildet. Wo dieselben Merkmale wie in 1 dargestellt wurden, wurden auch dieselben Bezugszeichen verwendet. 2 zeigt einen angepassten Deflektor 140, der den in 1 gezeigten Deflektor 40 ersetzt.
Die in 2 gezeigten Anpassungen ermöglichen ein Ausgleichen der Kapazität zwischen der Zentralelektrode 50 und der ersten Außenelektrode 60 mit der Kapazität zwischen der Zentralelektrode 50 und der zweiten Außenelektrode 70: Auch die Kapazität zwischen dem Deflektor 140 und der ersten Außenelektrode 60 wird mit der Kapazität zwischen dem Deflektor 140 und der zweiten Außenelektrode 70 ausgeglichen.
Im Fall der Zentralelektrode 50 wird dies erreicht, indem sowohl die erste Außenelektrode 60 als auch die zweite Außenelektrode 70 geometrisch symmetrisch gemacht werden und indem die Zentralelektrode 50 über einen Draht entlang der Achse versorgt wird, so dass jegliche Kapazitätsunsymmetrie minimiert wird. Für den Deflektor 140 wird dies vorzugsweise erreicht, indem ein erstes zusätzliches Metallteil 141 und ein zweites zusätzliches Metallteil 142 hinzugefügt werden, um die Kapazität zwischen dem Deflektor 140 und jeder der Detektionselektroden 60 und 70 gleich einzustellen und gleich der Kapazität zu der zentralen Injektionselektrode 50 einzustellen. Dies ist eine Verbesserung im Vergleich zum Anbringen von drahtmontierten oder oberflächenmontierten Kapazitäten am Vorverstärker, weil keine Phasenverschiebung vorhanden ist und aufgrund der hohen Stabilität der resultierenden Werte dank der Dimensionsstabilität.
Es ist jedoch wünschenswert, sicherzustellen, dass die Resonanzfrequenz der ausgleichenden Metallteile 141 und 142 und anderen Teilen der Falle außerhalb des Bereichs der im Massenspektrometer vorhandenen Hauptresonanzfrequenzen liegt. Diese umfassen insbesondere Vielfache der Frequenzen der Rotationspumpe und der Turbopumpe. Außerdem führt das Spannungsumschalten zu mechanischen Schwingungen aller Elektroden, die auf Pegel gedämpft werden sollten, welche für die Detektion ohne Bedeutung sind. Eine Erhöhung sowohl der Resonanzfrequenz als auch der Dämpfung kann durch eine Vielzahl von Verfahren erzielt werden, wie z. B.: Erhöhen der Dicke der ausgleichenden Metallteile 141 und 142; Verwenden weicher Metalle (wie z. B. Aluminium); und festeres Verbinden der Teile miteinander (Schweißen, Löten, Anschrauben werden bevorzugt). Vorzugsweise ist die Zeitkonstante der mechanischen Dämpfung kleiner als 500 Mikrosekunden oder 1000 Mikrosekunden.
Um dies zu erreichen, wird der mechanische Aufbau der Elektrode so ausgewählt, dass sie entweder nicht wesentlich durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erregt wird (in dem Maße, dass die Erregung normalerweise nicht detektiert werden kann) oder mit einer mit t_d vergleichbaren Zeitkonstanten gedämpft wird. Dessen ungeachtet braucht die Dämpfung nicht schneller als t_d zu sein, wenn der Schwingungseffekt klein ist.
Darüber hinaus wird das Anpassen der Resonanzfrequenzen erreicht, indem die Massenanalysatorbaugruppe an einer dünnen Metallmembran aufgehängt wird. Plötzliche Änderungen des Querschnitts an der Membran beschränken die Ausbreitung von Schallwellen und ermöglich auch das Abstimmen der Resonanzfrequenzen weg von denen der Pumpen und anderen Vorrichtungen. Es können auch Sandwichwerkstoffe verwendet werden, um dies zu verbessern, wie zum Beispiel Edelstahl auf Aluminium oder Keramik auf Edelstahl. Wird gewährleistet, dass diese Materialien fest miteinander verbunden sind, zum Beispiel so, dass kein Rasseln bei niedrigen Frequenzen auftritt, reduziert dies weiter die Auswirkung von Vibrationen.
Zusätzlich wurde festgestellt, dass Vibrationen allein durch elektrostatische Interaktion einer Aufladeelektrode mit einer geerdeten Kammer ausgelöst werden könnten. Dies kann abgeschwächt werden, indem eine angemessene Trennung zwischen den Elektroden und der Erdung sichergestellt wird oder indem jegliche Interaktion symmetrisch gemacht wird.
Durch diese Vorgehensweise zeigt das direkt an den Detektionselektroden empfangene Signal (das heißt, ohne Differentialvorverstärker), dass die Transiente an einer der Elektroden mit einer exponentiell abfallenden Wellenform moduliert wird, welche verschwindet, wenn die Spannung am
Deflektor (oder der Zentralelektrode oder beides) auf null eingestellt wird.
Die durch die vorliegende Erfindung erreichte Verbesserung ist am Ausgangssignal vom Differentialverstärker im Zeitbereich erkennbar. In 3 ist ein mithilfe eines bestehenden Massenanalysators erzeugtes Zeitbereichssignal dargestellt. Unter 7 ms ist kein Bildstromsignal erkennbar und es tritt ein erhebliches Überschwingen auf, bis das aktuelle Bildstromsignal nach 8 bis 9 ms erkennbar ist.
Dagegen zeigt 4 ein Beispiel eines mithilfe eines erfindungsgemäßen Massenanalysators erzeugtes Zeitbereichssignal. Hier ist das Bildstromsignal bereits ab ungefähr 0,5 ms erkennbar.
Eine langsame Stabilisierung der Zentralelektrodenspannung aufgrund der Regelung der Stromversorgung manifestiert sich als asymmetrische Peaks im Frequenzspektrum, normalerweise mit einem Schweif auf der Seite der hohen Masse (das heißt, niedrige Frequenz). Eine Sättigung des Vorverstärkers innerhalb der ersten 0,5 ms ist typischerweise nicht in einem Frequenzspektrum erkennbar.
Auch wenn hier spezielle Ausführungsformen beschrieben wurden, wird der Fachkundige verschiedene Abwandlungen und Ersetzungen in Erwägung ziehen.
Es versteht sich zum Beispiel, dass die Erfindung für alle Arten von elektrostatischen Fallen mit zeitabhängigen Spannungen angewendet werden könnte. Sie ist auch auf Time-Of-Flight (Flugzeit-) und FTICR-Massenanalysatoren anwendbar. Sie kann auch für die Implementierung von Signalverarbeitungsverfahren, die in der europäischen Patentanmeldung EP 2 372 747 A1 (10 15 8704.6, eingereicht am 31. März 2010), beschrieben sind, von Vorteil sein.
Auch wenn in der bevorzugten Ausführungsform zwei Detektionselektroden verwendet wurden, kann es für den Fachkundigen wünschenswert sein, dass irgendeine größere Anzahl an Elektroden verwendet wird. Insbesondere kann eine gerade Anzahl von Detektionselektroden verwendet werden, so dass Differentialsignale erzielt werden können.

Claims

Fouriertransformations-Massenanalysator (30), der Folgendes umfasst: einen Feldgenerator mit einer entlang einer Achse angeordneten Innenelektrode (50), und eine erste und zweite Detektionselektrode (60, 70), die Außenelektroden sind, die konzentrisch mit der Innenelektrode (50) entlang der Achse positioniert sind, um die Innenelektrode (50) zu umschließen und um einen Zwischenraum zwischen der Innenelektrode (50) und den Außenelektroden (60, 70) zu definieren, wobei der Zwischenraum ein Ionenfallenvolumen für die Ionenpakete definiert, die darin schwingen, und wobei die Detektionselektroden (60, 70) angeordnet sind, um einen Bildstrom von Ionen, die sich im Zwischenraum befinden, zu detektieren, wobei der Feldgenerator ferner eine Deflektorelektrode (140; 141; 142) ohne eine räumlich symmetrische Gegenelektrode umfasst; wobei der Feldgenerator konfiguriert ist, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld für die Injektion von zu analysierenden Ionen in das Ionenfallenvolumen zu schaffen; wobei die erste und zweite Detektionselektrode (60, 70) aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes einen jeweiligen Spannungsabgriff empfangen; und einen Differentialverstärker, der angeordnet ist, um ein auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode (60, 70) und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode (70, 60) basierendes Ausgangssignal bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorelektrode (140; 141; 142) und die Innenelektrode (50) derartig geformt sind, dass die Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht; und dass die Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142)und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142)und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht.
Massenanalysator nach Anspruch 1, wobei der Feldgenerator und die erste und zweite Detektionselektrode (60, 70) derartig konfiguriert sind, dass die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei einer Übergangszeit liegt, wobei der zulässige Bereich derartig beschaffen ist, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von Ionen, die in den Massenanalysator (30) injiziert wurden, zu detektieren, und wobei ein Initialisierungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Feldgenerator beginnt, das zeitlich veränderliche elektrische Feld zu schaffen, und der Übergangszeit definiert ist, wobei der Initialisierungszeitraum eine Dauer von nicht mehr als 5ms, vorzugsweise 1ms hat.
Massenanalysator Anspruch 2, wobei der Feldgenerator konfiguriert ist, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches Ionen veranlasst, mit einer Frequenz zu schwingen, die sich mit der Zeit verändert, wobei der Feldgenerator weiterhin derart konfiguriert ist, dass die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz mit der Zeit zu Beginn des Initialisierungszeitraums einen relativ hohen Wert hat und zum Ende des Initialisierungszeitraums einen relativ niedrigen Wert hat, wobei der Massenanalysator (30) konfiguriert ist, um während eines Detektionszeitraums eine Ionendetektion durchzuführen, wobei der Detektionszeitraum bei der Übergangszeit beginnt und eine Dauer T hat, und wobei die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz während des Detektionszeitraums integriert über T nicht größer als 1/T ist.
Massenanalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an die Deflektorelektrode (140; 141; 142) mechanische Schwingungen der Deflektorelektrode, der ersten Detektionselektrode und/oder der zweiten Detektionselektrode verursacht, und wobei der Massenanalysator (30) derart konfiguriert ist, dass die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen nicht wesentlich größer als die Dauer des Initialisierungs-zeitraums ist.
Massenanalysator nach Anspruch 4, der weiterhin Folgendes umfasst: Schwingungsdämpfer, die angeordnet sind, um die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen zu definieren.
Massenanalysator nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei die Deflektorelektrode (140; 141; 142), die erste Detektionselektrode (60, 70) und/oder die zweite Detektionselektrode (70, 60) aus einem harten Metall hergestellt ist, wobei die Härte die Zeitkonstante der Dämpfung für die mechanischen Schwingungen definiert.
Massenspektrometer, das den Fouriertransformations-Massenanalysator (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zur Massenanalyse unter Verwendung eines Fouriertransformations-Massenanalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer zeitlich veränderlichen Spannung für den Feldgenerator; Empfangen eines jeweiligen Spannungsabgriffs aufgrund des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an der ersten und zweiten Detektionselektrode (60, 70); Bereitstellen eines jeweiligen, auf einem jeweiligen Bildstrom an der Detektionselektrode (60, 70) basierenden Detektionssignals von sowohl der ersten als auch der zweiten Detektionselektrode (60, 70); und Erzeugen eines Differentialverstärkerausgangssignals basierend auf der Differenz zwischen dem Detektionssignal für die erste Detektionselektrode (60, 70) und dem Detektionssignal für die zweite Detektionselektrode (70, 60); und wobei der an der ersten Detektionselektrode (60, 70) empfangene Spannungsabgriff im Wesentlichen dem an der zweiten Detektionselektrode (70, 60) empfangenen Spannungsabgriff entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Amplitude des Ausgangssignals vom Differentialverstärker innerhalb eines zulässigen Bereichs bei einer Übergangszeit liegt, wobei der zulässige Bereich derart beschaffen ist, dass das Ausgangssignal vom Differentialverstärker verwendet werden kann, um Bildströme von Ionen, die in den Massenanalysator (30) injiziert werden, zu detektieren, und wobei ein Initialisierungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Schritt des Bereitstellens einer zeitlich veränderlichen Spannung für den Feldgenerator beginnt, und der Übergangszeit definiert ist, wobei der Initialisierungszeitraum eine Dauer von nicht mehr als 5ms, vorzugsweise 1ms hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bereitstellens einer zeitlich veränderlichen Spannung für den Feldgenerator das Erzeugen eines elektrischen Feldes umfasst, welches Ionen veranlasst, mit einer Frequenz zu schwingen, die sich mit der Zeit verändert, wobei die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz mit der Zeit zu Beginn des Initialisierungszeitraums auf einen relativ hohen Wert und zum Ende des Initialisierungszeitraums auf einen relativ niedrigen Wert eingestellt wird, und wobei Ionen während eines Detektionszeitraums detektiert werden, wobei der Detektionszeitraum bei der Übergangszeit beginnt und eine Dauer T hat, und wobei die Änderungsrate der Ionenschwingungsfrequenz integriert über T nicht größer als 1/T ist.
Verfahren zur Herstellung eines Fouriertransformations-Massenanalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das Folgendes umfasst: Bereitstellen des Feldgenerators, der ersten und zweiten Detektionselektrode (60, 70) und des Differentialverstärkers; und Konfigurieren des Feldgenerators und der ersten und zweiten Detektionselektrode derart, dass die Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Innenelektrode (50) und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht; und dass die Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142)und der ersten Detektionselektrode (60, 70) im Wesentlichen der Kapazität zwischen der Deflektorelektrode (140; 141; 142) und der zweiten Detektionselektrode (70, 60) entspricht.