DE112015001542T5

DE112015001542T5 - Rechtwinkliger Flugzeitdetektor mit verlängerter Lebensdauer

Info

Publication number: DE112015001542T5
Application number: DE112015001542.6T
Authority: DE
Inventors: Anatoly N. Verenchikov; Aleksey Vorobyev
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: CN106463336A; US10770280B2; WO2015153622A1; US20170025265A1; GB2538676B; GB2585814B; GB202017344D0; DE112015001542B4; GB2538676A; JP6329644B2; JP2017513196A; CN106463336B; GB201616443D0; GB2585814A

Abstract

Es wird ein rechtwinkliger Flugzeitdetektor (41, 117, 124, 143, 144, 145) vorgeschlagen, der einen leitenden Konverter (46) zum Emittieren und Beschleunigen von Sekundärelektronen, ein von wenigstens einem Magnet (47) gebildetes Magnetfeld zum Ablenken der Sekundärelektronen in einem rechten Winkel und einen verschlossenen Fotovervielfacher (26) umfasst. Es wird erwartet, dass der Detektor eine verlängerte Ressource und einen dynamischen Bereich bereitstellt und in engen Baugruppen wie MR-TOF MS montiert werden kann.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein massenspektroskopische Analyse und spezieller das Verbessern des dynamischen Bereichs und der Lebensdauer von Detektoren für Flugzeitmassenspektrometer und multireflektierende Flugzeitmassenspektrometer.
HINTERGRUND
Die Detektion individueller Ionen in Flugzeitmassenspektrometern (TOF MS) erfordert Detektorgeschwindigkeiten auf Nanosekundenniveau und einen Gewinn von etwa 1E+6. Der dynamische Bereich und die Lebensdauer des Detektors sind die Hauptanliegen. Parameter von existierenden Flugzeitdetektoren begrenzen die Kombination von Auflösung, Geschwindigkeit, dynamischem Bereich und Robustheit. Typische TOF-Detektoren haben 1 Coulomb Ressource, gemessen anhand des Ausgangsstroms, während moderne gepulste Ionenquellen Ionenflüsse bis zu 1E+9 Ionen/sec bilden können. Bei einem Gewinn von 1E+6 erreicht der Ausgangsstrom des Detektors 0,1 mA und somit ist die Lebensdauer auf nur 10.000 Sekunden (3 Std.) begrenzt.
Doppel-Mikrokanalplatten-(MCP)-Detektoren sind zu Detektionsgeschwindigkeiten im Sub-Nanosekundenbereich bei einem Gewinn von 1E+6 in der Lage. Sie werden jedoch bei Ionenflüssen über 1E+6 Ionen/sec/cm² gesättigt und ihre Ressource ist auf etwa 1 Coulomb (1C) begrenzt. Doppelte MCPs werden derzeit entweder für schwache Ionenquellen oder mit einem reduzierten Gewinn benutzt, was zu fehlenden individuellen Ionensignalen und zu einer Begrenzung des dynamischen TOF-MS-Bereichs führt.
Sekundärelektronenvervielfacher (SEM), die aus diskreten Dynoden aufgebaut sind, können eine Zeitantwort (time response) von 1–2 ns pro individuelles Ion (das SEM-Modell 268 von ETP ist ein typisches Beispiel) erreichen, aber Ionen-Elektronen-Konverter haben eine geringe Größe, neigen zu ungleichförmigem Elektroneneinfang und bilden Scheinsignale mit Bezug auf sekundäre negative Ionen. Wenn ein SEM einem technischen Vakuum ausgesetzt wird, dann werden auch seine aktiven Flächen auf etwa 1C Ausgangsladung herabgesetzt, wodurch sowohl der assoziierte dynamische Bereich als auch die assoziierte Lebensdauer stark begrenzt werden.
Daly-Detektoren wenden eine Zwischenkonversion von Elektronen in Photonen, Photonendetektion und Elektronenverstärkung in einer Fotovervielfacherröhre (PMT) an. Die Verwendung einer abgedichteten PMT verbessert die Detektorresource und die Lebensdauer stark. Ausführlicher, detektierte Ionen treffen auf eine kV-vorgespannte Metallelektrode auf und emittieren Sekundärelektronen. Das elektrostatische Feld unterstützt den Elektroneneinfang auf einen Szintallator. Hochenergieelektronen emittieren Photonen von dem Szintillator. Photonen werden von einer PMT detektiert. Solche Detektoren waren jedoch nicht zum Detektieren von schnellen Signalen gedacht. Primäre Konverter erzeugen eine große (d. h. Dutzende bis Hunderte von Nanosekunden) Streuung bei Ionenankunft. Elektroneneinfang streut das Signal für wenigstens mehrere Nanosekunden. Sekundäre negative Ionen bilden zusätzliche Peaks, die zeitlich verschoben sind.
Es sind kürzlich Hybriddetektoren aufgetreten, die besser zum Detektieren von schnellen Signalen in TOF MS geeignet sind. Sie arbeiten ebenfalls mit Elektronen-Licht-Konversion und Lichtdetektion mit einer abgedichteten PMT. Typische Hybriddetektoren umfassen eine einzige MCP (die dem Ionenstrahl zugewandt ist und ein einziges Ion auf etwa 300–1000 Elektronen verstärkt), einen Szintillator hinter der MCP und eine abgedichtete PMT. Einige schnelle PMTs, wie das 9880 Modell von Hamamatsu, ergeben bis zu 300C Ressource bei Anstiegszeiten in der Nähe von 0,6 ns. Die MCP selbst begrenzt vermutlich den maximalen Ionenfluss und die Lebensdauer. Daneben führt die Elektronenverstärkung durch die MCP zu einer schnelleren Verschlechterung des Szintillators durch den Abbau des dünnen Metallüberzugs auf dem Szintillator und durch Zerstören der Szintillatoroberfläche. Experimente haben gezeigt, dass kommerzielle Hybriddetektoren im Vergleich zur Lebensdauer von abgedichteten PMTs wesentlich schneller ausgehen.
Multireflektierende TOF-Massenspektrometer (MR-TOS MS) legen dem TOF-Detektor eine zusätzliche Beschränkung auf, nämlich die, dass ein sehr begrenzter Raum für den Detektor zur Verfügung steht, und ein rechtwinkliger Detektor wird stark bevorzugt. Kürzliche Additionen zu schnellen Pulsiermethoden sind in der WO2011135477 , der WO2013192161 und der WO2013067366 beschrieben (die alle hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind), die große Ionendosen und eine große Ressource für Detektoren verlangen. Schnelle Pulsung in MR-TOS MS führt eine weitere Anforderung an TOF-Detektoren ein, die Vermeidung der Aufnahme von Hochspannungspulsen, die häufig in einem gepulsten Konverter auftreten.
ZUSAMMENFASSUNG
Um die oben genannten Probleme anzugehen und TOF-Detektoren allgemein zu verbessern, schlagen die Erfinder in der vorliegenden Offenbarung einen Flugzeitdetektor mit rechtwinkliger Montage, mit einer verlängerten Lebensdauer und Immunität gegenüber Störrauschen vor. Der vorgeschlagene TOF-Detektor ist besonders für MR-TOF MS geeignet, könnte aber auch in anderen TOF-MS-Typen eingesetzt werden.
Der TOF-Detektor der vorliegenden Offenbarung umfasst einen rechtwinkligen magnetischen Konverter, einen schnellen organischen Szintillator und eine abgedichtete PMT mit großer Ressource (resource). Im Gegensatz zu existierenden Hybriddetektoren entfällt in dem TOF-Detektor der vorliegenden Offenbarung eine MCP-Stufe, während Elektroneneinfang verstärkt und Lichteinfang verbessert werden, für eine hohe Wahrscheinlichkeit der Detektion einzelner Ionen. Um die Lebensdauer des Detektors noch weiter zu verlängern, schlagen die Erfinder das Ersetzen des dünnen (1 μm Bereich) Metallüberzugs der Hybriddetektoren durch ein abgesetztes oder abdeckendes Metallgewebe (metal mesh) vor, das hauptsächlich zum Entfernen von statischen Ladungen dient. Beide Maßnahmen erlauben eine erhebliche Verbesserung des dynamischen Bereichs und der Lebensdauer des Detektors.
Der vorgeschlagene magnetische Konverter ist zum Bewirken einer geringen (mehrere 100 V) Ionenbeschleunigung ausgelegt; so werden Sekundärelektronen auf eine geregelte Energie für ein genaues Lenken der Elektronen in Richtung Szintillator durch ein Kreuzmagnetfeld in einem Bereich von 30 Gauss bis 300 Gauss beschleunigt und haben eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Ionenbewegung. Wie hierin offenbart, minimiert die vorgeschlagene Detektorgeometrie nicht nur Flugzeitverzerrungen in der Detektionsstufe, sondern erlaubt auch eine genaue Kompensation der Zeit-pro-Raum-Aberrationen erster und zweiter Ordnung des MR-TOF oder TOF-Analysators.
Der vorgeschlagene rechtwinklige magnetische Konverter kann weiter durch räumliche Fokussierung von Sekundärelektronen durch ein ungleichförmiges Magnetfeld erweitert werden, erzielt durch eine gesteuerte Magnetverschiebung von der Detektorachse. Zu den Optionen zum Verbessern des Photoneneinfangs hinter dem Szintillator gehören: (1) Fokussieren von Sekundärelektronen auf die Szintillatormitte; (ii) Benutzen eines Dünnwand-Szintillators; (iii) Platzieren des Szintillators direkt auf einer PMT-Oberfläche oder einem Lichtleiter; und (iv) Benutzen von optischem Kopplungsfett (grease) oder Klebstoff zum Vermeiden von Lichtreflexionen. Separate Baugruppen des Konverters und des Szintillators erlauben Hochspannungsbias für Sekundärelektronen (bis zu 10 kV–15 kV), um den Elektronen-Licht-Konversionsgewinn zu erhöhen. Das Ersetzen des Metallüberzugs des Szintillators (wie im Photonics-Hybriddetektor) durch einen Überzug oder ein abgesetztes Gewebe eliminiert auch Energieverluste von Sekundärelektronen und verstärkt die Photonenemission.
Der vorgeschlagene rechtwinklige magnetische Konverter erlaubt eine rechtwinklige Montage des PMT-Lichtdetektors und erzielt dabei minimale Zeitverzerrungen in den Ionenausbreitungs- und Elektroneneinfangstufen. Vorzugsweise kann der Konverter direkt auf einem TOF-Analysator montiert werden, der eine allgemein präzise Konverterausrichtung sowie schnellen Zugriff und die Installation anderer Detektorteile zulässt. Der rechtwinklige Konverter erlaubt das Einführen eines Detektors in enge Baugruppen wie einen MR-TOF MS. Bei Verwendung eines optischen Lichtleiters zwischen dem Szintillator und der PMT lässt der Detektor auch die Montage der PMT fern vom Analysator zu, selbst auf einer atmosphärischen Seite. Diese Vorteile erlauben auch eine praktische elektromagnetische Abschirmung und Kühlung der PMT, was Rausch- und Pulsaufnahme auf der PMT-Signalleitung reduziert.
Der vorgeschlagene magnetische Konverter erlaubt auch die Kompensation einer Zeitfront-Kippung und von sphärischen T|XX Aberrationen durch Variieren eines Extraktionsfeldes und Verwenden einer gekrümmten Konverterfläche. Man schätzt, dass dies einen erheblichen Einfluss auf die Auflösung von MR-TOF hat, weil MR-TOF intrinsische Aberrationen erster und zweiter Ordnung induziert, aufgrund von Ionenfokussierung und -lenkung in einer sogenannten Driftrichtung.
Das Überspringen der MCP-Stufe führt ein zusätzliches Problem ein – das Auftreten von langsamer Fluoreszenz bei etwa 15% eines Hauptionensignals. Eine Lösung dieses Problems schließt dedizierte und unten beschriebene Algorithmen zum Subtrahieren der Langsame-Fluoreszenz-Signalkomponente ein.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt experimentelle Tests des vorgeschlagenen Detektors, die folgendes bestätigten: verlängerte Lebensdauer; ausgezeichnete Detektionseffizienz von individuellen Ionen; schnelles Zeitverhalten; Immunität gegenüber Rausch- und Pulssignalen; und praktische Vorteile bei Montage und Austausch eines Detektors.
In einer weiteren Ausgestaltung, für TOF-MS-Anwendungen mit einem begrenzten Ionenfluss, werden eine Version des oben beschriebenen Detektors mit einer zusätzlichen SEM- oder MCP-Stufe und ein Verfahren zum Unterdrücken von langsamer Fluoreszenz durch Einstellen von Verstärkung zwischen primären Ionen und primären PMT-Elektronen auf das Zehnfache und Einstellen einer Schwelle zum Unterdrücken von durch langsame Fluoreszenz erzeugten individuellen Photonen vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Detektor wendet mehrere weitere Mittel an, die zum Erhöhen der Detektoreffizienz vorgeschlagen wurden, um MCP-Verstärkung zu minimieren und somit die Lebensdauer des Hybriddetektors zu verlängern. Es werden auch mehrere praktische Designs für flexible Änderungen zwischen Detektorsätzen vorgeschlagen, einschließlich einer rechtwinkligen Lenkung von Sekundärelektronen an der MCP vorbei.
Gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung umfasst ein Flugzeitdetektor zwecks Erweiterns des dynamischen Bereichs und Verlängerns der Lebensdauer einen leitenden Konverter, wenigstens eine Elektrode mit einem Seitenfenster, wenigstens einen Magnet, einen Szintillator und einen abgedichteten Fotovervielfacher. Der leitende Konverter wird parallel zu einer Zeitfront von detektierten Ionenpaketen exponiert und erzeugt Sekundärelektronen. Der Konverter ist relativ zur Elektrode mit dem Seitenfenster durch eine Spannungsdifferenz zwischen 50 V und 1000 V negativ gefloatet. Der wenigstens eine Magnet biegt Elektronenbahnen in Richtung des Seitenfensters mit einer Magnetfeldstärke in einer Elektronenausbreitungsregion zwischen 10 und 1000 Gauss. Der Szintillator wird relativ zur Konverteroberfläche um 1 kV bis 20 kV positiv gefloatet und befindet sich hinter dem Elektrodenfenster bei 45 bis 180 Grad relativ zum Konverter. Der abgedichtete Fotovervielfacher befindet sich hinter dem Szintillator.
Implementationen dieses Aspekts der Offenbarung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Der Szintillator ist optional entweder überzogen oder bedeckt mit einem leitenden Gewebe, um Oberflächenladung von der Szintillatoroberfläche zu entfernen. In einigen Beispielen ist der Szintillator mit dem Fotovervielfacher-Fenster optisch gekoppelt. In einigen Implementationen wird die wenigstens eine Magnetposition zum räumlichen Fokussieren der Sekundärelektronen durch eine Krümmung des Magnetfelds justiert. Optional ist die Konverteroberfläche gekrümmt oder abgestuft, um sphärische Zeit-pro-Raum-Aberrationen zu kompensieren. Die Konverteroberfläche wird relativ zur Zeitfront der Ionenpakete durch Anlegen eines Potenzial-Bias an oder hinter dem Seitenfenster elektronisch gekippt.
In einigen Beispielen umfasst der Detektor ferner ein Gewebe oder einen diskreten Dynoden-Elektronenverstärker zwischen dem Konverter und dem Szintillator. In einigen Implementationen umfasst der Detektor ferner eine Mikrokanalplatte, die auf einen Elektronenverstärkungsgewinn unter 100 gesetzt ist. In einigen Beispielen umfasst der Detektor ferner eine längliche optische Kopplung zwischen dem Szintillator und dem abgedichteten Fotovervielfacher, und der Fotovervielfacher ist auf der atmosphärischen Seite für einen verbesserten Zugang oder Austausch und für eine verbesserte elektromagnetische Abschirmung und thermische Kühlung platziert.
Optional kann der Detektor Teil eines multireflektierenden Massenspektrometers sein.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung umfasst ein rechtwinkliger Flugzeitdetektor eine einzelne Mikrokanalplatte, einen elektrostatischen Bieger (bonder) von Sekundärelektronen, einen Szintillator und einen abgedichteten Fotovervielfacher. Die einzelne Mikrokanalplatte konvertiert die detektierten Ionenpakete in Sekundärelektronen. Der Szintillator wird relativ zur Mikrokanalplatte um 1 kV bis 20 kV positiv gefloatet und befindet sich bei 45 bis 180 Grad hinter der Mikrokanalplatte. Der abgedichtete Fotovervielfacher befindet sich hinter dem Szintillator.
Implementationen dieses Aspekts der Offenbarung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. In einigen Implementationen ist eine elektromagnetische Abschirmung mit dem abgedichteten Fotovervielfacher assoziiert. In einigen Beispielen umfasst der rechtwinklige Flugzeitdetektor ferner einen gewebebasierten Sekundärelektronenvervielfacher, der die Sekundärelektronen von einem Konverter akzeptiert. Optional ist der Szintillator durch einen Lichtsender optisch mit dem abgedichteten Fotovervielfacher verbunden.
Die Einzelheiten von einer oder mehreren Implementationen der Offenbarung sind in den Begleitzeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun, zusammen mit Anordnungen, die lediglich für illustrative Zwecke gegeben werden, lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 Elektronenverstärker;
2 Ionendetektoren mit Fotokonversion;
3 einen MR-TOF-Analysator;
4 eine Ausgestaltung eines TOF-Detektors der vorliegenden Offenbarung;
5 die Z-Aberration des Detektors von 4;
6 die Y-Aberration des Detektors von 4;
7 die Peakform aufgrund von Ionen/Elektronen-Aberrationen des Detektors von 4;
8 ungleichförmige X-direktionale Magnetfeld-Fokussierung eines Elektronenstrahls;
9 ungleichförmige X-direktionale Magnetfeld-Defokussierung eines Elektronenstrahl;
10 eine Peakform aufgrund von Ionen/Elektronen-Aberrationen für einen Ionenstrahl von 18 mm;
11 eine Kurve der Signalintensität in Abhängigkeit von Elektronenenergie sowohl für einen Szintillator mit metallisierter Schicht als auch für einen Szintillator mit einem Metallgitter auf der Oberseite;
12 Kurven des Signals in Abhängigkeit von Elektronenenergie;
13 Kurven der Zahlenverteilung von detektierten Photonen pro Ion;
14 eine Kurvenform in einem einzelreflektierenden TOF MS für einen 18 mm Ionenstrahl;
15 Ergebnisse der Entfaltung eines GC-Peak für eine HCB-Verbindung;
16 eine Peakform in einem OA MR-TOF MS;
17 eine Peakform des 18 Th Ionenpeak in einem einzelreflektierenden TOF MS mit OA;
18 eine schnelle Pulsiermethode eines GC EI OA MR-TOF MS;
19 Schemata zum Unterdrücken von Hochspannungspulsaufnahme und Unterscheidung von Langsame-Lumineszenz-Photonen;
20 ein mechanisches Design einiger Schemata aus 19;
21 Schemata zum Kompensieren von (T|Z) und (T|ZZ) Aberrationen des Detektors und Analysators.
Gleiche Referenzsymbole in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Probleme von TOF-Detektoren des Standes der Technik
Mit Bezug auf 1, TOF-Detektoren basieren entweder auf Mikrokanalplatten 14 (MCP) oder auf diskreten Dynoden 17 für Elektronenverstärkung. Ionenpakete 12 treffen auf die MCP 14 oder eine Oberfläche eines Konverters 16 auf und emittieren Sekundärelektronen 13. Sekundärelektronen werden in Richtung der nächsten diskreten Dynode 17 oder innerhalb des Widerstandskanals der MCP 14 beschleunigt, die beide eine Elektronenlawine in Kaskaden von Elektronen-Elektronen-Konversion verstärken. Für speziell entwickelte Flächen (die gewöhnlich Oxide enthalten) mit stark erweiterter Arbeitsfunktion verdoppelt sich die Elektronenlawine für jede 50 V–100 V Beschleunigung.
Eine Chevron-Dual-MCP 11 ist gekennzeichnet durch: Gewinn von 1E+6 zum Detektieren von individuellen Ionen, Sättigung bei etwa 1E+7 Ionen/cm²/sec (was den dynamischen Bereich begrenzt); und eine Lebensdauer von weniger als ein Coulomb (IC), gemessen am zweiten MCP-Ausgang. Bei 1E+7 Ionen/sec Fluss und 1E+6 Gewinn beträgt der Ausgangsfluss 1E+13 Elektronen/sec (bei 1 μA) und die Lebensdauer beträgt 1E+6 Sekunden oder etwa zwei Wochen (bemerkenswerterweise entspricht eine zweite Lebensdauer von 3E+7 etwa einem Jahr). So stellt die Lebensdauer des Detektors einen erheblichen Begrenzungsfaktor dar.
Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) 15 umfassen gewöhnlich entweder mehrere diskrete Dynoden 17 oder Gewebe oder Dynoden-Arrays mit hoher Spannung, die durch einen ohmschen Teiler verteilt werden. Die Dynoden 17 sind mit einer oxidenaktiven Oberfläche für eine reduzierte Arbeitsfunktion überzogen, was die Elektronenverstärkung erhöht. Wenn sie jedoch in einem technischen Vakuum (das in TOF MS auftritt, wenn der SEM nicht abgedichtet ist) platziert sind, dann verschmutzen diese aktiven Flächen und verbrauchen Oxide, wodurch die Lebensdauer auf unter ein Coulomb (IC) reduziert wird. Diskrete Dynoden-SEM sind für TOF MS aufgrund der großen Flugzeitstreuung der ankommenden Ionenpakete 12 an der ersten Dynode 16 schlecht geeignet, die gewöhnlich die Form einer Jalousie hat.
Um Ionenzeitverzerrungen zu reduzieren, hat ETP Corporation einen speziellen Ionen-Elektronen-Konverter 18 vorgeschlagen. Die symmetrische Anwendung eines positiven Bias (auf SEM 15 und Kompensationselektrode 19) reduziert den TOF-Effekt der auftreffenden Ionenpaketen. Sekundärelektronen 13 werden nach elektrostatischem Feld in SEM 15 abgetastet. Kleine negative Ionen (zum Beispiel H^–, CHn^–) erreichen den SEM 15 jedoch auch und erzeugen Scheinpeaks bei 0,1–1% der Hauptpeakintensität. Zusätzlich ist ein solcher Konverter 18 positionsempfindlich mit kleinem „Sweet Spot”. Der Konverter 18 löst das Hauptproblem von TOF-Detektoren des Standes der Technik (d. h. kleiner dynamischer Bereich und kurze Lebensdauer) nicht.
Mit Bezug auf 2, diese zeigt existierende Detektoren mit Fotokonversion als beispielhaften Daly-Detektor 21 und Hybrid-TOF-Detektor 22. Der Daly-Detektor 21 wurde zum Aufzeichnen von kontinuierlichen Ionenstrahlen ausgelegt und geht primär die mit TOF-Detektion assoziierten Effizienzprobleme an. Der Daly-Detektor 21 erfährt jedoch ein langsames Zeitverhalten aufgrund von gekrümmter Ionenabtastung und der Bildung von Sekundärelektronen 13 von der Konversionsfläche 23.
Hybriddetektoren 22 wie die von Photonics Corp, US, entwickelten scheinen für MR-TOF-Instrumentation nahezu geeignet zu sein. Sie benutzen eine Einzel-MCP 14 für eine schnelle Ionen-Elektronen-Konversion, schnelle Szintillatoren 24 und eine optionale PMT 26 mit einer verlängerten Lebensdauer. Die MCP-Stufe 14 kann jedoch sowohl den dynamischen Bereich als auch die Lebensdauer begrenzen. Eine Verstärkung der Elektronenlawine durch die MCP 14 reduziert die Lebensdauer des Szintillators 24 stark. Ein Metallüberzug im Mikronbereich stoppt Sekundärelektronen 13 am Szintillator 24 teilweise und kann durch Ionen zerstört werden, wie zum Beispiel Ionen, die durch Elektronenionisation des Restgases im Spalt zwischen der MCP 14 und dem Szintillator 24 gebildet werden. Schließlich verlangt eine schlechte Photonenkopplung eine starke MCP-Verstärkung, was die obigen negativen Effekte noch verschlimmert. Die Lebensdauer des Detektors 22 könnte möglicherweise mit unter zehn Coulomb geschätzt werden.
Mit Bezug auf 3, die Nachteile häufen sich, wenn ein Hybriddetektor 22 in multireflektierenden (MR-TOF) Analysatoren mit begrenzter Raumlücke zum Platzieren des Detektors in Position 32, 33 benutzt wird.
Der MR-TOF MS 31 ist zum erheblichen Verbessern der TOF-Auflösung durch Verlängern des Ionenflugpfades ausgelegt. Der verlängerte sägezahnartige Flugpfad verläuft zwischen einem Paar gitterloser Ionenspiegel 34, die durch einen gefloateten Driftraum 35 getrennt sind. Um Ionenverluste zu vermeiden, werden Ionen räumlich durch periodische Linsen 36 fokussiert, wie in der WO2005001878 beschrieben (die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist). Durch Anlegen von Hochspannungspulsen 39 konvertiert ein Orthogonalbeschleuniger 38 einen kontinuierlichen Ionenstrahl 37 in gepulste Pakete, die sich über die gezeigte Sägezahnbahn bewegen. Um den Flugpfad weiter zu verlängern, wird die Bahn vom Enddeflektor (durch schwarze Farbe dargestellt) umgekehrt, so dass sich Ionenpakete in Richtung des Detektors in Position 33 bewegen (über eine umgekehrte Sägezahnbahn wie durch die durchgezogene Linie illustriert). Der Detektor erscheint im verkehrsreichen Raum 33. Zusätzlich erscheint der Detektor nahe am Orthogonalbeschleuniger 38 und neigt dazu, Hochspannungspulse 39 aufzunehmen. Selbst in einem MR-TOF MS ohne Enddeflektor (so dass die Ionenbahn nicht umgekehrt wird) befände sich der Detektor in Position 32, die ebenfalls ein verkehrsreicher Ort ist.
Zusätzlich können bestimmte optionale Verfahren von häufiger encodierter Pulsung Ionenflüsse in MR-TOF um das 50–100fache erhöhen, wie in der WO2011135477 , der WO2013192161 und der WO 2013067366 (hierin durch Bezugnahme eingeschlossen) beschrieben ist, oder bis 1E+8 Ionen/sec, wie in einer mitanhängigen Anmeldung von den vorliegenden Erfindern beschrieben ist (die ebenfalls hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist). Ferner kann der Fluss bis zu 1E+9 Ionen/sec erreichen, wenn Elektronenstoßionenquellen für GC-MS-Analysen verwendet werden. Existierende TOF-Detektoren erfüllen mehrere Bedingungen für diese Flüsse nicht. Zum Beispiel haben sie einen sehr begrenzten dynamischen Bereich. Und sie haben eine zu kurze Lebensdauer. Sie brauchen auch viel Platz, aber viel Platz nehmen im MR-TOF MS derzeit der Orthogonalbeschleuniger 38 und die periodische Linse 36 ein.
Detektorausführungsbeispiel
Um die oben beschriebenen Probleme abzumildern, wurden der dynamische Bereich und die Lebensdauer des Detektors verbessert und in der folgenden neuen Kombination für ein multireflektierendes TOF MS (MR-TOF MS) adoptiert.
Mit Bezug auf 4 wird eine Zoom-Ansicht von 3 präsentiert, die eine mögliche Detektorpositon 32 im MR-TOF MS 31 zeigt, in der sich der Detektor 41 befinden kann. In einer Ausgestaltung 41 der vorliegenden Erfindung umfasst der verbesserte Flugzeitdetektor 41 Folgendes: einen leitenden Konverter 46, der einem Ionenstrahl 42 zugewandt und neben einem Driftraum 45 des MR-TOF MS 31 platziert ist; ein gewebeüberzogenes (mesh coated) Seitenfenster 48 im Driftraum 45; Magnete 47, die orthogonal zur Position des Fensters 48 orientiert sind; einen organischen schnellen Szintillator 24, der mit einem leitenden Gewebe 4 überzogen oder bedeckt ist; und einen Fotovervielfacher 26 mit einer verlängerten Lebensdauer und einem schnellen Zeitverhalten. In einem Sinne ist der Detektor 41 dem weitverbreiteten Daly-Detektor 21 von 2 ähnlich, mit der Ausnahme, dass der Detektor 41 von 4 einen verbesserten Konverter 46 zum Reduzieren von Flugzeitverzerrungen und zum Vermeiden der Detektion von sekundären negativen Ionen beinhaltet.
Beim Betrieb wird der Konverter 46 nach der MR-TOF-Koordinatenannotation in einer Y-Z-Ebene normal zu einer X-Achse des MR-TOF MS 31 und parallel zur Zeitfront 42F von auftreffenden Ionenpaketen 42 installiert. Der Konverter 46 wird um mehrere hundert Volt relativ zu dem Analysator-Driftraum 45 negativ gefloatet (hier 300 V Potenzialdifferenz und –5 kV Driftpotenzial). Ionen treffen auf den Konverter 46 mit einem Energieniveau bei 5–6 keV Energie auf (unter Berücksichtigung der Beschleunigung in der gepulsten Quelle), und es werden Sekundärelektronen 43 emittiert, mit einer Ionen-Elektronen-Effizienz nahe eins für kleine Moleküle (d. h. Moleküle typischerweise unter 500 amu in GC-MS). Imitierte Sekundärelektronen 43 werden durch die 300 V Differenz zwischen Konverter 46 und Driftraum 45 beschleunigt, während sie durch ein Magnetfeld der Magnete 47 wie durch die Sekundärelektronenbahnen 43 gezeigt gelenkt werden. Magnete 47 werden so installiert, dass Magnetlinien im Wesentlichen entlang einer Y-Achse gebildet werden, um emittierte Sekundärelektronen 43 in einer Z-Richtung zu lenken. Der Spannungsbias des Konverters 46 wird relativ zur Stärke des Magnetfeldes justiert (das typischerweise zwischen 30 und 300 Gauss gewählt wird), um eine Fokussierung von Sekundärelektronen 43 auf den Szintillator 24 zu erzielen. Die Achse des Magnets 47 ist vorzugsweise von der Achse des Ionenstrahls 42 verschoben, um eine zusätzliche Y-direktionale Elektroneneindämmung (unter Berücksichtigung der Krümmung von Magnetlinien) zu erzielen, während eine magnetische Lenkung von 90 Grad eine natürliche X-direktionale Elektroneneindämmung bietet. Sekundärelektronen 43 werden durch ein gewebebedecktes Fenster 48 abgetastet (sampled) und zum positiv vorgespannten Szintillator 24 beschleunigt. Eine höhere Vorspannung (bis zu +10 KV) wird für einen höheren Signalgewinn bevorzugt, kann aber aus praktischen Gründen begrenzt sein (zum Beispiel durch den/die verfügbare(n) Raum und Isolierung). Der Szintillator 24 ist ein schneller organischer Szintillator (zum Beispiel der BC418 oder der BC422Q von St. Gobain Corporation) mit einer hohen Elektronen-Photonen-Effizienz d. h. wenigstens ein Photon pro 130 eV Elektronenenergie (für den BC418) oder wenigstens 1 Photon pro 400 eV Elektronenenergie (für BC418Q). Somit bildet ein einzelnes Sekundärelektron bei 10–15 KV Energie wenigstens 25 Photonen. Dies erlaubt eine zuverlässige Detektion von fast jedem Primärion, trotz der begrenzten Effizienz des Photoneneinfangs (in unseren Experimenten auf 20% begrenzt geschätzt) und trotz einer begrenzten Photoneneffizienz (25–30%) des Fotoemitters in der PMT 26.
In einer Ausgestaltung kann der Detektor 41 individuelle Ionen mit einer hohen (mit 70–80% geschätzten) Effizienz oder Verwendung einer zusätzlichen Verstärkungsstufe detektieren. Wie nachfolgend näher beschrieben, verbessert die Vermeidung der Verwendung einer MCP oder einer anderen Verstärkung sowohl den dynamischen Bereich als auch die Lebensdauer des neuen TOF-Detektors erheblich.
Lebensdauer und dynamischer Bereich der PMT
Es sind im Handel PMT-Verstärker erhältlich (zum Beispiel R9880U von Hamamatsu), die eine verlängerte Lebensdauer von 300 Coulomb haben, gemessen anhand der Ausgangsladung, und gleichzeitig eine ausreichend kurze (0,57 ns) Anstiegszeit (rise time) bieten. Die PMT-Lebensdauer von 2000 Stunden (1 Jahr Arbeitszeit) kann mit einem Gesamtdetektorgewinn von 1E+6 und einem durchschnittlichen Ionenfluss von 2E+8 Ionen/Sekunde (30 pA Eingang und 30 μA durchschnittlichem Ausgangsstrom) erzielt werden. Dies ist mehrere Male niedriger als die maximalen Lasten eines GC-MR-TOF Massenspektrometers mit häufiger encodierter Pulsung. Somit ist es praktisch vorteilhaft, einen Szintillator über ein Glas-(Quarz)-Fenster zu koppeln, um eine PMT auf seiner atmosphärischen Seite zu montieren und eine PMT-Austauschoption zu haben. Eine externe PMT-Montage kann ferner für eine verbesserte PMT-Kühlung und elektromagnetische Abschirmung nützlich sein.
Der lineare Bereich des Detektors (normalerweise durch Ausgangsstrom bis 100 μA durch einen standardmäßigen ohmschen Teiler begrenzt) kann verbessert werden. Zum Beispiel, es wird vorgeschlagen, die letzten paar Stufen mit einer leistungsstärkeren Versorgung zu speisen (mit wenigstens mehreren mA Strom) und mit einer aktiven Schaltung zu steuern. Zum Verbessern des dynamischen Bereichs des Detektors werden die letzten PMT-Stufen mit Pufferkondensatoren verbunden. Solche Verbesserungen reichen jedoch möglicherweise nicht zum Handhaben von zeitlichen Peaksignalen aus. Eine weitere Verbesserung des dynamischen Bereichs des Detektors wird vorgeschlagen durch: (a) (Ab)wechseln eines Gewinns des MR-TOF zwischen Quellenpulsen; (b) (Ab)wechseln entweder einer Elektroneneinfangeffzienz oder eines PMT-Gewinns zwischen Quellenschüssen (source shots); (c) Verwenden einer Doppel-PMT mit einer anderen Lichteinfangeffzienz; und (d) Nehmen von Signalen von unterschiedlichen PMT-Dynodenstufen; und (e) Benutzen von Vorverstärkern mit doppelten (dreifachen) Gewinnausgängen.
Grenzen anderer Detektorkomponenten
Der Konverter 46 aus blanker Metall ist nicht mit einem speziell entwickelten Oxid oder einem Material mit niedriger Arbeitsfunktion bedeckt. Er wird mit Hochenergieionen bombardiert und gereinigt und hat laut Erwartungen eine unendliche Lebensdauer. Unsere eigenen Experimente haben keine Verschlechterung des Edelstahlkonverters bei 1 mC Ionendosis angezeigt, was 1000C PMT-Ausgangsladung entspricht. Somit ist der Konverter kein Engpass.
Herkömmliche Hybrid-TOF-Detektoren 22 (wie einer von Photonics) können eine zusätzliche Mikrokanal-(MCP)-Stufe 14 vor dem Szintillator 24 einsetzen, um den Gesamtsignalgewinn zu verbessern, und können auch einen dünnen (1 μm) Aluminiumüberzug auf Szintillatoren 24 verwenden, um Szintillatoraufladung zu verhindern und den Photoneneinfang zu verbessern. Diese beiden Merkmale begrenzen sowohl die Lebensdauer als auch den dynamischen Bereich des Detektors 22 stark. Die Ausgestaltung 41 lindert diese Probleme. Durch Weglassen einer MCP-Stufe wird das Problem der MCP-Sättigung vermieden (die bekanntlich bei 1E+7 Ionen/sec/cm² Flussdichte auftritt). Durch den Wegfall der MCP-Stufe wird auch die Elektronendosis auf dem Szintillator 24 erheblich reduziert (d. h. um das 100–1000fache). Auf der Basis des Testens des Hybriddetektors 22, der 10C Ausgangsladung überlebt, würde derselbe Szintillator 24 im neuen Detektor 41 installiert für 1000–10.000C der PMT-Ausgangsladung überleben. Die sichere Szintillatordosis könnte auch unter der Annahme einer Verringerung (depletion) von organischen Stoffen durch die bombardierenden Elektronen geschätzt werden. Unter der Annahme einer Elektronenenergie von 10 kV, einer Elektroneneindringtiefe von 10 μm, eines organischen Molekülvolumens von 30 A² und der Zerstörung von einem Molekül pro 100 eV Elektronenenergie kann eine 1 cm² Oberflächenschicht des Szintillators 24 eine Dosis von etwa 3E+16 Elektronen aushalten, was einem PMT-Ausgang von 3E+22, d. h. 2000C entspricht. Diese Schätzung bestätigt auch, dass die PMT-Lebensdauer (300C) mit höherer Wahrscheinlichkeit der Engpass ist als die Lebensdauer des Szintillators.
Zusätzlich leben Szintillatoren 24 länger als der Metall-(Aluminium)-Mikronüberzug. Daneben verursacht ein teilweise zerstörter Überzug einen schlecht geregelten Energieverlust von Sekundärelektronen und Sweet Spots auf dem Hybriddetektor 22. In der Ausgestaltung 41 entfällt der Aluminiumüberzug. Stattdessen scheint ein abgesetztes oder abdeckendes dickes Metallgewebe 49 auszureichen, um eine elektrostatische Entfernung der Elektronenladung durch Oberflächenentladungen und Lecks bei 1 kV/mm für eine Zellengröße des leitenden Gewebes zwischen 0,3 und 1 mm zu erzielen.
Keine Prozesse auf dem Konverter 46 oder Szintillator 24 scheinen den dynamischen Bereich des Detektors 41 zu begrenzen. Somit ist die PMT 26 der Engpass sowohl für den dynamischen Bereich als auch für die Lebensdauer des Detektors 41.
Optimierung der Konvertereffizienz
In einer Implementation ist der vorgeschlagene Detektor 41 für eine hohe Effizienz von Ionen-Elektronen-Konversion, Elektroneneinfang, Elektronen-Photonen-Konversion und Photoneneinfang optimiert. Ohne diese Optimierung würde der MCP-Wegfall die Ionendetektionswahrscheinlichkeit reduzieren und wäre nicht zum Detektieren von individuellen Ionen geeignet.
Die Ionen-Elektronen-Konversionseffizienz für einen Edelstahlkonverter 46 wurde über direkte Messungen von elektrischem Strom auf der Konverterplatte 46, auf der Driftraum-Elektrode 45 und auf dem Szintillator 24 bestimmt. Wasserionen (18 Th) bei 5 keV kinetischer Ionenenergie erzeugen mehr als 6 Elektronen/Ion. Da die Effizienz von kinetischer Elektronenemission proportional zur Ionengeschwindigkeit ist, bleibt die Konversionseffizienz über 1 Elektron/Ion für 5 keV Ionen einer Masse unter 650 Th.
Mit Bezug auf 5 bis 7, ein SIMION-Modell bestätigt etwa 100% Einfangeffizienz von von der Konverterplatte 46 emittierten Sekundärelektronen. Parameter des Konverter 46 wurden sowohl für Transmissions- als auch für Zeitstreuungen optimiert: Drift-Potenzial = –4000 V; Konverter-Potenzial = –4450 V; Szintillator-Potenzial = 0 V; Ionenenergie = 4400 eV; Ionenmasse = 500 Th. Eine Szintillatorfläche von 8 mm Durchmesser wird dem Strahl von Sekundärelektronen ausgesetzt. Ein ungleichförmiges Magnetfeld wird durch zwei rechteckige Magnete (25 × 10 × 3 mm) gebildet, die in der Y-Richtung um 60 mm voneinander beanstandet sind. Die Magnetfeldstärke beträgt 55 Gauss in der Mitte des Konverters. Die Form der Konverterplatte 46 bildet eine Linse zum Fokussieren von Elektronen in einer X-Z-Ebene, während Zeitaberration auf einer Ebene auf Sub-Nanosekundenniveau gehalten wird. Der simulierte Ionenstrahl ist 3 mm breit in der Z-Richtung und 6 mm breit in der Y-Richtung, entsprechend normalen Parametern von Ionenpaketen im MR-TOF MS. Für 500 Th Ionen ist die Z-Aberration unter 0,2 ns (5) und die Y-Aberration ist unter 0,04 ns (6). Optional kann die Konverterfläche so gestaltet sein, dass sphärische Z-Aberrationen kompensiert werden.
Mit Bezug auf 7, für 500 Th und 3 mm mal 6 mm Ionenpakete und eine 0–2 eV gleichförmige anfängliche Ionenenergieverteilung beträgt die simulierte Basis-Peak-Breite nur 0,6 ns und die Elektroneneinfangeffizienz beträgt 98%. So bietet, trotz der 90-Grad-Ionenlenkung, der vorgeschlagene magnetische Konverter einen effektiven Elektroneneinfang und ausreichend niedrige Zeitverzerrungen im sub-Nanosekundenbereich.
Mit Bezug auf 8, noch ein anderes Beispiel des vorgeschlagenen Detektorschemas ist für einen einzelreflektierenden TOF geeignet und erlaubt das Einfangen von Sekundärelektronen von einem breiten Ionenstrahl. Das SIMION-Modell nimmt die folgenden Parameter an: Drift-Potenzial = –2500 V; Konverter-Potenzial = –3100 V (8) und –2800 V (9); Szintillator-Potenzial = 5000 V; Ionenenergie = 3000 eV; Ionenmasse = 500 Th, Eintrittsblendendurchmesser = 18 mm. Bemerkenswerterweise werden sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld für die Fokussierung des Sekundärelektranenstrahls auf einem Szintillator mit 9 mm Durchmesser benutzt. Ein ungleichförmiges Magnetfeld wird durch zwei rechteckige Magnete (zum Beispiel mit einer Größe von 25 mm mal 10 mm mal 3 mm) in einem Abstand von 70 mm in der Y-Richtung gebildet. Positionen der Magnete in der X- und der Z-Richtung werden so justiert, dass ein Y-direktionaler Fokussiereffekt aufgrund der Krümmung der Magnetlinien erzielt wird.
Mit Bezug auf 9, wenn die Magnete von der optimalen Position verschoben werden, dann tritt eine Y-direktionale Elektronendefokussierung auf und verursacht zusätzliche Zeitaberrationen und Raumverluste. Mit Bezug auf 10, bei einer optimalen Magnetposition für 500 Th und 18 mm Ionenpakete mit 0–2 eV gleichförmiger anfänglicher Elektronenenergieverteilung beträgt die simulierte Elektroneneinfangeffizienz 98%, der Peak FWHM ist 2 ns und die Basis-Peak-Breite beträgt 4 ns. Diese Ergebnisse zeigen, dass diese Orientierung für ein einzelreflektierendes TOF MS mit niedriger Auflösung akzeptabel ist.
Optimieren des Szintillators
Wie oben beschrieben, arbeitet der Detektor 41 mit einem organischen Szintillator 24, um ein schnelles Zeitverhalten und eine effiziente Elektronendetektion zu kombinieren. Da bekannte organische Szintillatoren 24 nichtleitend sind, sollte eine leitende Schicht vorgesehen werden, um Szintillatoroberflächenladung durch die Sekundärelektronen 43 zu verhindern.
Mit Bezug auf 11 werden zwei Optionen untersucht: (a) Überziehen eines Szintillators 115 mit einer dünnen Metallschicht 114 (wie in Photonics-Detektoren implementiert); und (b) Absetzen (depositing) oder Abdecken der Oberfläche des b418-Szintillators 113 mit einem Metallgitter 112. Die Kurve 111 vergleicht die Effizienz der Elektronendetektion für beide Optionen. Elektronen verlieren beim Durchdringen der Metallschicht etwas kinetische Energie. So reduziert der Szintillator 115 mit dem dünnen Metallüberzug 114 die Gesamtzahl der emittierten Photonen, während das Photonensignal proportional zur Elektronenenergie ist, wenn ein Metallgitter 112 zum Bedecken des Szintillators 113 benutzt wird.
Zum Verbessern des Photoneneinfangs illustriert das Diagramm 116 einen Szintillator 113, der durch eine Schicht 26a optisch mit einem PMT 26 Fenster gekoppelt ist, um die gesamte interne Reflexion von Photonen von der Szintillatorfläche zu verhindern, die mit dem PMT-Fenster verbunden ist. Der Brechungsindex eines PVT-basierten organischen Szintillators (b418 oder b422q) ist 1,58, was dem kritischen Winkel (der gesamten internen Reflexion) von etwa 40 Grad entspricht. So werden im Falle von polierten und parallelen Szintillatorflächen nur 11,5% von in dem Szintillator 113 emittierten Photonen auf der PMT 26 eingefangen (23%, wenn eine Metallisierungsschicht verwendet wird, da diese Schicht wie ein Spiegel wirkt). In einem Prototyp wird Fomblin-Vakuumöl als optischer Koppler benutzt. Die optische Kopplung führt zu einer vierfachen Zunahme im Detektorsignal.
Detektoreffizienz
Die Effizienz (z. B. die Anzahl von detektierten Ionen im Vergleich zur Anzahl aller eingehenden Ionen) des vorgeschlagenen Detektors 41 wird durch die Ionen-Elektronen-Konversionseffizienz begrenzt. In der Tat ist das Einfangen von Sekundärelektronen auf dem Szintillator 24 größer als 95%, während die Effizienz der Elektronendetektion durch Erhöhen des Szintillator-Potenzials/der kinetischen Elektronenenergie verbessert werden kann.
Mit Bezug auf 12, mit einem konstanten Ionenfluss führt die Zunahme der Elektronenenergie zu einer Signalsättigung (in Zahlen(counts)/Spektrum). Für eine R9880U PMT (von Hamamatsu), die mit einem Szintillator (b418) mittels eines Metallgitters als leitende Schicht optisch gekoppelt ist, weist die Signalsättigung auf eine Effizienz von etwa 80% der Sekundärelektronendetektion bei einer Elektronenenergie von 8 keV hin. Bemerkenswerterweise wird die PMT bei 900 V betrieben, um jedes einzelne Photon zu detektieren.
Mit Bezug auf 13, die gemessene Verteilung der Anzahlen von detektierten Photonen pro Ion bestätigt die oben beschriebene hohe Detektionseffizienz.
Peakbreite
Die Prototypen des Detektors 41 wurden getestet an: Elektronenionisierung-(EI)-Reflektron-TOF-MS; EI-Orthogonalbeschleuniger (OA) MRTOF 31; und EI-OA-Reflektron-TOF-MS. Die Peakbreite des Detektors 41 wird durch das optische Elektronen-Ionen-Schema, Anstiegs- und Abklingzeit eines Szintillators (für b418: 0,5 ns und 1,4 ns; für b422q: 0,11 ns und 0,7 ns), Anstiegs- und Abklingzeit einer PMT (R9880: 0,57 ns und etwa 0,1 ns für eine 50 Ohm Last) bestimmt. Bemerkenswerterweise hat, für b418 und b422q, Lumineszenz eine langsame Komponente mit einer Abklingzeit von bis zu 1 ms und mit einer Intensität von bis zu 20%.
Mit Bezug auf 14, ein Detektor 117 ist für ein Reflektron-TOF-MS mit geringer Auflösung ausgelegt. Die optischen Ionen-Elektronen-Eigenschaften des Detektors 117 sind oben beschrieben. Die Peakform 118 des 207 Th Ionenpeak hat eine FWHM-Breite von 5,8 ns, die durch eine Umlaufzeit für diese Masse begrenzt ist. Ein Langsame-Lumineszenz-Schweif 119 (slow luminescence tail) wird mit etwa 20% der Peakintensität beobachtet.
Mit Bezug auf 15, aufgrund des Langsame-Lumineszenz-Schweifs 119 konnten in einem Massenspektrum 120 störende Ionenpeaks 121 beobachtet werden. Im Falle einer Trennstufe vor dem MS (zum Beispiel: GC, LC, usw.) erlaubt ein Entfaltungsprozess das Subtrahieren von chemischen Hintergrund-Peaks 122 von einem Massenspektrum 120, um ein Massenspektrum von Analyt 123 zu erhalten. In diesem Beispiel wurde das vor der Analytelution akkumulierte chemische Hintergrundspektrum 122 (1 s) vom Summenspektrum von 1 s Hexachlobenzol (HCB) GC-Peak in 120 substituiert. Bemerkenswerterweise konserviert der Entfaltungsprozess die Ionenpeakform im Analytspektrum 123 selbst dann, wenn es eine Interferenz 121 mit einem chemischen Hintergrund gibt.
Mit Bezug auf 16, ein Detektor 124 ist für ein MRT MS mit hoher Auflösung ausgelegt. Die optischen Ionen-Elektronik-Eigenschaften des Detektors 124 sind oben beschrieben. Eine Peakform 125 des 219 TH Ionenpeak hat eine FWHM-Breite von 12,8 ns, die durch Aberrationen im Analysator und durch eine Umlaufzeit begrenzt ist.
Mit Bezug auf 17, es wurde eine Peakbreite von 2,7 ns für eine Masse von 18 Th für eine Variation des mit einem OA TOF MS getesteten Detektors 117 beobachtet. Eine signifikante Reduzierung von optischen Elektronen/Ionen-Aberrationen tritt auf, wenn ein Detektor 117 mit einer Eintrittsblende mit 5 mm Innendurchmesser benutzt wird. Der Schweif 126 des Ionenpeak ist auf elektrisches Klingeln (ringing) in einem Detektor/Vorverstärker-Schema und auf eine langsame Lumineszenz zurückzuführen. Für eine Masse von 18 Th wurde eine Ionenpeakbreite sowohl anhand von Umlaufzeit und als auch von Detektoransprechzeit bestimmt. In der Tat reduziert eine Implementation eines schnelleren Szintillators b422q anstatt des Szintillators b418 einen Peakbreitenwert von 2,7 ns bis hinab auf 2,3 ns.
Implementationen einer schnellen Pulsungsmethode.
Mit Bezug auf 18, die schnellen Pulsungsmethoden (wie in WO2011135477 , WO2013192161 und WO2013067366 beschrieben, die jeweils hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind) beinhalten eine gepulste Ioneninjektion in einen Masseanalysator mit einer durchschnittlichen Pulsperiode weit unter der durchschnittlichen Ionenflugzeit im Masseanalysator. Ein spezifisches Muster von Injektionspulsen ermöglicht ein Decodieren des resultierenden Massespektrums 127 (d. h. zum Korrelieren von Ionenpeaks 130 des Massespektrums 127 mit dem Injektionsmuster, um ein decodiertes Massenspektrum 128 zu erhalten). Die Nähe des Detektors zum Orthogonalbeschleuniger führt zu einer Aufnahme von Hochspannungspulsen 129, die das erhaltene Massenspektrum 127 kontaminieren.
Die schnelle Pulsungsmethode wurde an GC EI OA MR-TOF MS mit dem Prototyp-Detektor 124 getestet. Im Allgemeinen ist der Decodiervorgang durch die Peakdichte im erhaltenen Massenspektrum 127 begrenzt. Bemerkenswerterweise erscheint eine langsame Lumineszenz im erhaltenen Massenspektrum 127 als Einzelphotonen-Spikes und konnte nicht von einem Ionensignal unterschieden werden. So erhöht eine langsame Lumineszenz die Peakdichte. Trotzdem beschränkt eine für den Detektor 124 beobachtete langsame Lumineszenz das Decodieren des in der schnellen Pulsungsmethode erhaltenen Massenspektrums 127 nicht. Bemerkenswerterweise kann das Decodieren von dichteren Spektren (zum Beispiel Spektren einer Petroleumprobe) die Unterdrückung von Langsame-Lumineszenz-Photonen erfordern.
Mit Bezug auf 19, weitere Verbesserungen beinhalten das Unterdrücken der Hochspannungspulsaufnahme und die Unterscheidung von Langsame-Lumineszenz-Photonen. In einem Schema 131 ist ein Szintillator 132 optisch mit einem Lichtsender 133 verbunden, der wiederum optisch mit einer PMT 134 verbunden ist. Optische Faser oder optische Multifaser, ein Glaszylinder mit einer metallisierten Oberfläche oder eine Metallröhre mit einer polierten Innenfläche 142 oder dergleichen könnte als Lichtsender (transmitter) 133 verwendet werden. Man beachte, dass die Verwendung eines nichtleitenden Lichtsenders zu einer effektiven Isolation eines Szintillators 132 von einer PMT-Einheit 134 führt. Die Einführung von Lichtsendern 133, 142 erlaubt das Organisieren einer elektromagnetischen Abschirmung 135 von PMT 134, um die Aufnahme von Spannungspulsen zu unterdrücken. Bemerkenswerterweise ist in einem Schema 142 die effektive Abschirmung selbst im Hinblick auf Größenbeschränkungen immer noch möglich. Die Lichtsender 133, 142 erlauben das Organisieren eines effektiven Photonentransfers von einer Vakuumkammer zu einer atmosphärischen Seite des Detektors. Das Platzieren der PMT 134 außerhalb der Vakuumkammer führt zu einem verbesserten Zugang zu der PMT 134, erleichtert die Organisation von elektromagnetischer Abschirmung und erlaubt das Organisieren von thermischer Kühlung (zum Reduzieren von Dunkelstrom einer PMT). Experimente zeigen, dass die Abschirmung 135 der PMT 134 mit einem Kupfergehäuse außerhalb der Vakuumkammer zu einer wenigstens zehnfachen Abnahme des Hochspannungspuls-induzierten Signals führt. In einem Schema 136 wird eine einzige MCP-Platte 137 zwischen einem Konverter 46 und einem Szintillator 132 eingeführt. Die MCP-Platte 107 30 stellt eine zusätzliche Verstärkungsstufe für eine etwa 100fache Verstärkung bereit, die zu einer Zunahme zu einem Signal eines einzelnen Ions im Vergleich zu einem Signal eines einzelnen Photons führt. Das Einstellen einer geeigneten Detektionsschwelle auf einem Datenerfassungssystem ermöglicht eine Unterscheidung von individuellen Photonen mit einer langsamen Luminszenz. In einem Schema 138 wird eine MCP vor dem Detektoreingang platziert, um einen Ionenstrahl in einen Elektronenstrahl mit einer 100fachen Verstärkung zu konvertieren. Die gebildeten Elektronen werden mit einem elektrostatischen Feld auf einem Szintillator 132 fokussiert. Dieses Schema 138 ermöglicht auch eine Unterscheidung von individuellen Langsame-Lumineszenz-Photonen (ähnlich wie das Schema 136).
Die Schemata 139, 141 und 142, zum Überwinden von MCP-Sättigung und begrenzter Lebensdauer, benutzen einen gewebebasierten Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) 140 in technischem Vakuum. Dieser SEM basiert auf einem Gewebe aus unlegiertem Stahl oder aus diskreten Edelstahl-Dynoden mit 200 V–500 V pro Stufe. Eine Sekundärelektronenausbeute von etwa zwei kann für einen Elektronenbereich von 200 V–500 V unter Verwendung einer Edelstahl-SEM-Oberfläche erhalten werden. So ermöglicht die Verwendung von 7–10 Stufen von Edelstahlflächen mit einer Potenzialänderung von 200 V–500 V pro Stufe eine robuste und stabile Verstärkungsstufe mit einem Verstärkungswert einer etwa 10fachen–100fachen Verstärkung. Der niedrige Verstärkungswert schützt eine Edelstahlfläche vor Schäden und verlängert somit eine Lebensdauer dieses SEM 140. Ähnlich wie die MCP-Platte von Schema 136 und Schema 138 erlaubt die Verwendung des SEM 140 eine Unterscheidung von Langsame-Lumineszenz-Photonen.
Mit Bezug auf 20, mechanische Designs 143, 144, 145 entsprechen den Detektorschemata von 19 (131, 136 bzw. 138). Bemerkenswerterweise erlauben diese mechanischen Designs flexible Änderungen zwischen Detektorsätzen.
Kompensation von Analysator- und Detektor-Aberrationen
Mit Bezug auf 21, vorgeschlagene Schemata 146, 149, 151, 154 erlauben jeweils eine Kompensation von Z-Aberration (T|Z) erster Ordnung und eine Kompensation von Z-Aberration (T|ZZ) zweiter Ordnung in einem Detektorkörper. Die Z-Aberration 147 erster Ordnung könnte durch Ablenken eines Ionenstrahls kompensiert werden. Die Ionenstrahlablenkung könnte durch Abkoppeln einer MCP-Baugruppe 148 von einer Driftregion erzielt werden, wie in Schema 146 gezeigt. In diesem Schema 146 wird eine Potenzialdifferenz U₁ zwischen Driftregion und MCP-Baugruppe 146 angelegt. In Schema 149 sollte, im Falle von positiven Ionen, eine positive U₁ Potenzialdifferenz an die MCP-Baugruppe 148 angelegt werden, um einen Ionenstrahl 150 zum Kompensieren einer positiven (T|Z) Aberration 147 abzulenken. Die MCP-Baugruppe 148 wird optional durch ein Gitter ersetzt, wenn ein Schema ohne MCP benutzt wird. Dieses Gitter wird von der Driftregion ähnlich wie im Falle der MCP-Baugruppe 148 abgekoppelt.
Schema 151, die Z-Aberration (T|ZZ) zweiter Ordnung (d. h. sphärische Aberration) 152 liegt in einem MR-TOF-Analysator 31 infolge eines periodischen Linsensystems 36 vor und hat einen positiven Wert. Der Detektor selbst hat eine positive (T|ZZ) Aberration 153 (wie in 5 näher illustriert). Ein Wert der (T|ZZ) Aberration 153 wird anhand einer Potenzialdifferenz zwischen einer Driftregion und einer Konverterplatte bestimmt. In Schema 154 wird eine gekrümmte Konverterelektrode 155 zum Kompensieren von Analysator- und Detektor-(T|ZZ)Aberrationen 152, 153 benutzt. Die Krümmung der Konverterelektrode 155 könnte mit einem SIMION-Modell bestimmt werden, während eine Feinabstimmung einer Potenzialdifferenz zwischen einer Driftregion und einer Konverterplatte U₂ eine (T|ZZ) Kompensation zum Optimieren einer Ionenpeakbreite zulässt. Zum Beispiel, die in 5 gezeigten Aberrationen könnten mit einer gekrümmten Konverterelektrode 155 mit einem Krümmungsradius von 180 mm kompensiert werden. Bemerkenswerterweise benötigen die höheren U₂ Werte kleinere Krümmungsradiuswerte.
Während die vorliegende Spezifikation zahlreiche spezifische Einzelheiten enthält, sind diese nicht als den Umfang der vorliegenden Offenbarung oder des Anspruchsbegehrens begrenzend anzusehen, sondern eher als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Implementationen der Offenbarung spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in der vorliegenden Spezifikation im Zusammenhang mit bestimmten Implementationen beschrieben werden, können auch in anderen Implementationen implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Implementation beschrieben werden, auch in mehreren Implementationen separat oder in einer beliebigen geeigneten Subkombination implementiert werden. Ferner wurden zwar oben Merkmale als in bestimmten Kombinationen wirkend und sogar anfänglich so beansprucht beschrieben, aber ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination können in einigen Fällen auch aus der Kombination herausgenommen werden und die beanspruchte Kombination kann auf eine Subkombination oder eine Variation einer Subkombination gerichtet werden.
Ebenso wurden zwar Vorgänge in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben, aber dies ist nicht so zu verstehen, dass es erforderlich ist, dass solche Vorgänge in der bestimmten gezeigten oder in einer sequenziellen Reihenfolge durchgeführt werden oder dass alle illustrierten Vorgänge durchgeführt werden, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. In bestimmten Umständen kann eine Multitasking- und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Darüber hinaus ist die Trennung verschiedener Systemkomponenten in den oben beschriebenen Ausgestaltungen nicht so anzusehen, dass eine solche Trennung in allen Ausgestaltungen notwendig ist, und es ist zu verstehen, dass die beschriebenen Programmkomponenten und Systeme allgemein miteinander in einem einzigen Softwareprodukt integriert oder in mehreren Softwareprodukten verpackt werden können.
Es wurde eine Reihe von Implementationen beschrieben. Trotzdem wird man verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Demgemäß fallen auch andere Implementationen in den Rahmen der folgenden Ansprüche. Zum Beispiel, die in den Ansprüchen angeführten Aktionen können in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei immer noch wünschenswerte Ergebnisse erzielt werden.

Claims

Flugzeitdetektor (41), der Folgendes umfasst: einen leitenden Konverter (46), der parallel zu einer Zeitfront (42F) von detektierten Ionenpaketen (42) exponiert ist und sekundäre Elektronen (43) erzeugt; wenigstens eine Elektrode mit einem Seitenfenster (48), wobei der Konverter (46) relativ zur Elektrode durch eine Spannungsdifferenz zwischen 100 V und 1000 V negativ gefloatet ist; wenigstens einen Magnet (47) mit einer Magnetfeldstärke zwischen 10 Gauss und 1000 Gauss zum Beugen von Elektronenbahnen in Richtung des genannten Seitenfensters (48); einen Szintillator (24), der relativ zu einer Oberfläche des genannten Konverter um 1 kV bis 20 kV positiv gefloatet ist und sich hinter dem genannten Elektrodenfenster in 45 Grad bis 180 Grad relativ zu dem genannten Konverter (46) befindet; und einen abgedichteten Fotovervielfacher (26) hinter dem genannten Szintillator (24).
Detektor nach Anspruch 1, wobei der genannte Szintillator (24) mit einem leitenden Gewebe (49) überzogen oder bedeckt ist, um Oberflächenladung von einer Oberfläche des genannten Szintillators zu entfernen.
Detektor nach Anspruch 1, wobei der genannte Szintillator (24) optisch mit dem genannten verdichteten Fotovervielfacher (26) gekoppelt ist.
Detektor nach Anspruch 1, wobei eine Positionierung des genannten wenigstens einen Magnets (47) für eine räumliche Fokussierung der genannten Sekundärelektronen (43) durch eine Krümmung des genannten Magnetfelds justiert ist.
Detektor nach Anspruch 1, wobei die genannte Konverterfläche zum Kompensieren von sphärischen Zeit-pro-Raum-Aberrationen gekrümmt oder abgestuft ist.
Detektor nach Anspruch 1, wobei die genannte Konverterfläche relativ zu der genannten Zeitfront (42F) der genannten Ionenpakete (42) durch Anlegen eines Potenzial-Bias an oder hinter das genannte Seitenfenster (48) elektronisch gekippt wird.
Detektor nach Anspruch 1, der ferner ein Gewebe oder einen diskreten Dynoden-Elektronenverstärker zwischen dem genannten Konverter (46) und dem genannten Szintillator (24) umfasst.
Detektor nach Anspruch 1, der ferner eine Mikrokanalplatte (137, 148) umfasst, die auf einen Elektronenverstärkungsgewinn unter 100 gesetzt ist.
Detektor nach Anspruch 1, der ferner eine längliche optische Kopplung zwischen dem genannten Szintillator (24) und dem genannten verschlossenen Fotovervielfacher (26) umfasst, und wobei der genannte abgedichtete Fotovervielfacher (26) auf einer atmosphärischen Seite des genannten Szintillators (24) platziert ist.
Multireflektierendes Massenspektrometer (31), das den Detektor (41) nach Anspruch 1 umfasst.
Rechtwinkliger Flugzeitdetektor (136, 138), der Folgendes umfasst: eine einzelne Mikrokanalplatte (137) zum Konvertieren von detektierten Ionenpaketen in Sekundärelektronen; einen elektrostatischen Bieger von Sekundärelektronen; einen Szintillator (132), der relativ zu der genannten Mikrokanalplatte (137) um 1 kV bis 20 kV positiv gefloatet ist und sich hinter der genannten Mikrokanalplatte (137) bei 45 Grad bis 180 Grad befindet; und einen abgedichteten Fotovervielfacher (134) hinter dem Szintillator (132).
Detektor nach Anspruch 11, wobei eine elektromagnetische Abschirmung (135) mit dem genannten abgedichteten Fotovervielfacher (134) assoziiert ist.
Detektor nach Anspruch 11, der ferner einen gewebebasierten Sekundärelektronenvervielfacher (140) umfasst, der die genannten Sekundärelektronen von einem Konverter (46) akzeptiert.
Detektor nach Anspruch 11, wobei der genannte Szintillator (132) durch einen Lichtsender (133) optisch mit dem genannten verschlossenen Fotovervielfacher (134) verbunden ist.