DE19638577C1

DE19638577C1 - Simultane Fokussierung aller Massen in Flugzeitmassenspektrometern

Info

Publication number: DE19638577C1
Application number: DE19638577A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franzen
Original assignee: Bruken Franzen Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2016-09-21
Also published as: GB9719890D0; US5969348A; GB2317495B; GB2317495A

Description

Die Erfindung betrifft Meßverfahren für Flugzeitmassenspektrometer, die mit einer Ionisierung oberflächlich adsorbierter Analytsubstanzen und einer Verbesserung der Massenauflösung durch zeitlich verzögerten Einsatz der Ionenbeschleunigung ("delayed extraction") im Raum vor dem Probenträger arbeiten. Im besonderen betrifft es Geschwindigkeitsfokussierungen für gute Massenauflösungen simultan für alle Massen des Spektrums.

Die Erfindung besteht darin, die Flugzeiten der Ionen simultan für alle Massen in bezug auf ihre Anfangsgeschwindigkeit zu fokussieren, indem man die Beschleunigung in der ersten Be schleunigungsstrecke unmittelbar nach dem Einschalten zeitlich stetig zunehmen läßt. Es kann damit eine gute Auflösung nicht nur für eine Masse des Spektrums eingestellt werden, sondern für alle Massen simultan. In Computersimulationen werden unter der Voraussetzung einer Kor relation von Raum- und Geschwindigkeitsverteilung für alle Ionen gleichzeitig Fokussierungen mindestens erster Ordnung erhalten.

Allgemeiner Stand der Technik

In zwei kürzlich eingereichten Patentanträgen DE 19 635 643.1-33 und DE 19 636 797.2-33, deren Beschreibungstexte hier vollinhaltlich eingeschlossen werden sollen, werden Bedingun gen für Betriebsverfahren und geometrische Anordnungen angegeben, die in linearen Flugzeit massenspektrometern mit desorptiver Ionisierung zu sehr hoher Massenauflösung führen. Im Patentantrag DE 19 635 643.1 wird dargelegt, wie man zu diesem Zweck die Beschleuni gungsspannung der ersten Beschleunigungsstrecke unmittelbar nach dem Einschalten der Be schleunigung zeitlich abfallen läßt, wobei sowohl ein linearer Abfall wie auch ein exponentieller Abfall zu Erfolg führt. In Patentantrag DE 19 636 797.2 wird dargelegt, wie man die Hoch auflösung durch geometrische Verhältnisse des Flugzeitmassenspektrometers erzeugt, wobei - abgesehen vom verzögerten Einschalten - keine zeitlichen Änderungen der Spannungen vor genommen werden.

Die extrem hohe Massenauflösung wird aber durch die Methoden beider Patentanträge nur jeweils für eine einzige, einstellbare Masse des Spektrums erhalten. Man erhält so eine "Lupe" für das Isotopenmuster einer einzigen Molekülgruppe.

Die Massenauflösung fällt aber zu kleineren und größeren Massen außerordentlich rasch ab. Es besteht dadurch der Nachteil, daß sich mit diesen Methoden immer nur sehr kleine Teilstücke des Massenspektrums mit dieser hohen Auflösung messen lassen. In einer Entfernung von nur etwa 50 Masseneinheiten ist keine Auflösung des Isotopenmusters mehr gegeben, noch weiter entfernt werden viel schlechtere Auflösungen gefunden, als sie mit dem normalen Verfahren verzögerter Einschaltung der Beschleunigung erreicht werden können. Werden die Spektren von Substanzen unbekannten Molekulargewichts oder unbekannten Fragmentierungsschemas aufgenommen, so ist diese Arbeitsweise unbefriedigend, zeitraubend und übermäßig substanz verbrauchend.

Aber auch das bekannte Verfahren der Fokussierung durch verzögertes Einschalten der Be schleunigung (weitgehend bekannt unter dem Namen "delayed extraction"), das nicht so ex trem hohe Auflösungen bietet, liefert seine gute Auflösung nur über einen sehr kleinen Teil des Massenbereichs. Auch hier ist die Auflösung in anderen Bereichen der Massenskala völlig un befriedigend, wenn auch nicht so schlecht wie bei dem oben geschilderten Lupenverfahren. Auch bei diesem Verfahren ist es nicht möglich, ein Spektrum befriedigender Massenauflösung über einen großen Massenbereich zu erhalten. Das Verfahren ist also nur anzuwenden, wenn bereits ein Erwartungswert für die Massen der zu bestimmenden Ionen besteht. Es ist auch nicht günstig, zunächst Probeaufnahmen des Spektrums zu machen, da die sehr unscharfen Signale ein sehr schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis besitzen, und so einen hohen Ver brauch an Substanz erfordern, um überhaupt sichtbar zu werden.

Unter den Verfahren zur Ionisierung von großmolekularen Substanzen auf Probenträgern hat die matrixunterstützte Desorption durch einen Laserblitz (MALDI = matrix assisted laser desorption and ionization) weiteste Verbreitung gefunden. Die Vorgänge der Ionisierung sind detailliert in den oben zitierten Patentanträgen beschrieben.

Die Ionen haben nach Verlassen der Oberfläche in der Regel eine nicht vernachlässigbare mitt lere Geschwindigkeit, die weitgehend für Ionen aller Massen gleich ist, und eine starke Streu ung um die mittlere Geschwindigkeit Falls keine exzellente Zeitfokussierung der Ionen bezüg lich ihrer Anfangsgeschwindigkeiten gelingt, führt die Streuung zu einer Unschärfe beim Mes sen der Signale der einzelnen Ionenmassen, also über ein schlechtes Flugzeitauflösungsvermö gen zu einem schlechten Massenauflösungsvermögen. Außerdem finden Ionisierungen nicht nur zur Zeit des Laserblitzes statt, sondern auch noch später in der sich ausdehnenden Dampf wolke. Es ist jedoch seit langem ein Verfahren bekannt, diese durch Streuung und verspätete Ionisierung gegebene Unschärfe durch ein verzögertes Einschalten der Beschleunigung in einer ersten Beschleunigungsstrecke wenigstens für Ionen einer Masse wieder zu fokussieren. Dieses Verfahren beruht darauf, daß bei allen Desorptionsverfahren eine Korrelation zwischen der Raum- und der Geschwindigkeitsverteilung gegeben ist, wenn sich die Ionen zunächst in einem feldfreien Raum ausbreiten konnten. Für normale lineare Flugzeitmassenspektrometer (ein schließlich aller kommerziell erhältlichen) ergeben sich dabei Fokussierungen erster Ordnung an jeweils einer Stelle des Spektrums.

Ähnliche Verhältnisse gelten aber auch bei anderen Ionisierungsarten für Substanzen, die auf einer Oberfläche aufgebracht sind. Beispiele dafür sind die Sekundärelektronenmassenspek trometrie (SIMS), die normale Laserdesorption (LD) oder die sogenannte Plasmadesorption (PD), die durch hochenergetische Spaltungsprodukte an dünnen Folien erhalten wird.

Die Ionen werden in der Ionenquelle normalerweise mit zwei aufeinanderfolgenden elektri schen Feldern auf Energien von rund 5 bis 30 keV beschleunigt, in die Flugstrecke des Mas senspektrometers eingeschossen und am Ende der Flugstrecke zeitaufgelöst detektiert. Das erste elektrische Feld ist verzögert einschaltbar und dient der oben erwähnten Fokussierung. Aus der Flugzeit der Ionen kann ihr Masse-zu-Ladungsverhältnis bestimmt werden. Da die Art der Ionisierung praktisch nur einfach geladene Ionen liefert, wird im Folgenden meist nur ver einfacht von der Massenbestimmung gesprochen, nicht von der Bestimmung des Masse-zu- Ladungsverhältnisses.

Die Umrechnung der Flugzeiten in Massen wird über eine Kalibrierkurve vorgenommen, die als tabellarische Punktfolge oder in Form von Parameterwerten für eine mathematische Funkti on im Speicher des Datenverarbeitungssystems abgelegt sein kann. Bedingt durch die mittlere Anfangsgeschwindigkeit der Ionen ist die Beziehung zwischen Masse und Flugzeitquadrat normalerweise nichtlinear. Alle Einflüsse auf die mittlere Anfangsgeschwindigkeit, wie Laser energie, Laserfokussierung oder MALDI-Präparation, ändern die Beziehung zwischen Flugzeit und Masse. Um zu einer stabilen Betriebsweise zu kommen, muß es daher das Ziel sein, eine so gute Geschwindigkeitsfokussierung zu erzeugen, daß die Abhängigkeit von der mittleren An fangsgeschwindigkeit weitgehend verschwindet.

Für die Massenbestimmung muß die Flugzeit t auf Bruchteile einer Nanosekunde genau be stimmt werden. Da das Massensignal als Linienprofil vorliegt, wird üblicherweise eine Schwer punktsbildung dieses Linienprofils für die genaue Bestimmung der Flugzeit herangezogen. Das Linienprofil wird nach heutiger Technik durch Transientenrekorder mit mindestens einem Gi gahertz abgetastet. In der Regel werden die Messungen aus mehreren Meßzyklen aufaddiert, bevor die Schwerpunktsbildung vorgenommen wird.

Eine Ionenquelle für verzögert einschaltende Beschleunigung besitzt mindestens eine als Blen de ausgebildete Zwischenelektrode zwischen Probenträger und Grundelektrode. Die Grund elektrode befindet sich auf dem Potential der feldfreien Flugstrecke. Die Ionenquelle wird also mit mindestens zwei Beschleunigungsspannungen betrieben, von denen die erste zwischen dem Probenträger und der ersten Zwischenelektrode, und die letzte zwischen der letzten Zwischen elektrode und der Grundelektrode angelegt ist. Normalerweise wird nur eine Zwischenelektro de verwendet, dementsprechend gibt es dann zwei Beschleunigungsspannungen.

Unter Flugzeitauflösung wird hier, abweichend von der üblichen Definition, die Flugzeit der Ionen geteilt durch die volle Linienbreite am Fuß der Linie (gemessen in denselben Zeiteinhei ten) verstanden, nicht durch die übliche Breite in halber Höhe. Die Massenauflösung hat genau den halben Wert der Flugzeitauflösung, ist aber in der hier verwendeten Definition wiederum auf die Breite am Fuß der Linie bezogen. Die übliche Definition der Massenauflösung bezieht sich auf die Signalbreite in halber Höhe (FWHH = full width at half height), sie ist etwa zwei fach schlechter als die hier definierte Massenauflösung (sie ergibt etwa doppelt so große Wer te). Somit sind die hier angegebenen Werte für die Flugzeitauflösung etwa identisch mit denen der Massenauflösung nach üblicher Konvention.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Betriebsweisen für Flugzeitmassenspektrometer zu finden, die ein gutes Massenauflösungsvermögen simultan für alle Massen eines Spektrums ergeben.

Erfindungsgedanke

Im MALDI-Prozeß erlangen die schweren Ionen (wegen gleicher Geschwindigkeitsverteilung) größere Anfangsenergien und vor allem auch größere Unterschiede der Anfangsenergien als die leichten Ionen. Es ist nun der Grundgedanke der Erfindung, den langsamen Exemplaren der schweren Ionen mehr Energie im Vergleich zu deren schnellen Exemplaren zuzuführen, als den langsamen Exemplaren der leichten Ionen im Vergleich zu deren schnellen Exemplaren.

Das kann geschehen, indem man das Beschleunigungsfeld in der ersten Beschleunigungsstrecke nach verzögertem Einschalten zeitlich anwachsen läßt. Da sich die leichten Ionen nur kurz in dieser Beschleunigungsstrecke aufhalten, erhalten die langsamen leichten Ionen nur geringfügig mehr Energie als die schnellen leichten Ionen. Anders ist es bei den schweren Ionen. Da sich die schweren Ionen sehr viel länger in dieser Beschleunigungsstrecke aufhalten, und auch die Aufenthaltszeiten für schnellere schwere und langsamere schwere Ionen beträchtlich differie ren, erhalten die langsameren schweren Ionen sehr viel mehr Energie zugeführt als die schnel len schweren Ionen.

Der Anstieg der Beschleunigungsspannung U₁ zwischen Probenträger und erster Zwischenelek trode zur zeitlichen Erhöhung der Feldstärke kann durchaus linear erfolgen:

U₁ = 0 für t τ; U₁ = V₁ + k × (t - τ) für t< τ, (1)

wobei τ die Verzögerungszeit für das verzögerte Einschalten der Beschleunigung darstellt, U₁ die Spannung für die Erzeugung der beschleunigenden Feldstärke in der ersten Beschleuni gungsstrecke, V₁ die einzuschaltende Sockelspannung (die auch Null sein kann) für die Span nung U₁ und k der zeitliche Spannungsanstieg; t ist die Zeit, gerechnet ab Laserblitz.

Es stellt sich jedoch in Simulationsrechnungen heraus, daß in diesem Fall optimale Fokussie rungsbedingungen für alle Massen simultan vorwiegend nur dann eintreten, wenn keine Verzö gerung der Beschleunigung vorliegt, also τ = 0 ist. Dieser Fall ist für den vorzugsweise be trachten Fall der Ionisierung durch MALDI nicht günstig, da dann die später bei eingeschalte ter Beschleunigung ionisierten Moleküle nicht mehr der optimalen Fokussierung unterliegen. Für andere Verfahren der Ionisierung ist dieser lineare Anstieg aber gut einsetzbar.

Ein zeitlich nicht konstanter Anstieg ist besonders für das MALDI-Verfahren günstiger als der zeitlich lineare Anstieg des Beschleunigungsfeldes. Es ist besonders günstig, wenn nach dem verzögerten Einschalten der Beschleunigung der Anstieg der Beschleunigungsspannung zu nächst schnell erfolgt und dann immer mehr nachläßt. Dabei kann beispielsweise die Funktion eines Astes einer liegenden Parabel gewählt werden:

wobei hier c₁ die Konstante für den Anstieg der Spannung mit der Wurzel aus der Zeit ist. Ein Beispiel mit Resultaten für diese Art der Fokussierung wird in Fig. 3 gegeben.

Elektronisch einfacher zu erzeugen ist aber eine exponentielle Änderung der folgenden Art:

wobei die Beschleunigungsspannung U₁ zur Zeit τ = 0 mit der Sockelspannung V₁ beginnt und sich mit der Zeitkonstante t₁ dem Grenzwert (V₁ + W₁) annähert. Dieser Verlauf ist im Zeit diagramm der Fig. 2 dargestellt, und Beispiele mit Ergebnissen der Fokussierung mit dieser Methode sind in den Fig. 4 bis 7 gegeben. Dabei kann über weite Bereiche des Spektrums sogar eine Fokussierung zweiter Ordnung erzeugt werden. Die Sockelspannung V₁ kann auch Null sein.

Es ist ebenfalls möglich, auch das zweite Beschleunigungsfeld zeitlich zu ändern, um eine Fo kussierung der Ionen aller Massen simultan zu erhalten. Ein Sonderfall ist die gegenläufige Änderung der Spannungen des ersten und zweiten Beschleunigungsfeldes, so daß die Summe der Beschleunigungsspannungen konstant bleibt. Diese gegenläufige Änderung kann sehr ein fach durch Änderung des Potentials der Zwischenelektrode erreicht werden, statt das Potential des Probenträgers zu ändern. Dieser Fall führt zu ähnlichen Ergebnissen wie die, die unten für den Fall alleiniger Änderung von U₁ gegeben werden, hat aber den leichten Vorteil, daß die nichtlineare Beziehung zwischen Masse und Quadrat der Flugzeit etwas gerader, also weniger stark gekrümmt ausfällt.

Die Charakterisierung der Ordnungen der Fokussierung ist in den zitierten Patentanträgen ge geben.

Beschreibung der Bilder

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flugzeitmassenspektrometers mit ihren schema tisch angedeuteten Versorgungseinheiten. Die Probenträgerelektrode 1 liegt auf dem Beschleu nigungspotential P₁ = U₁ + U₂ und die Zwischenelektrode 2 auf dem Potential P₂ = U₂.

Die Beschleunigungsspannung U₁ zwischen Probenträger 1 und Zwischenblende 2 ist schaltbar und dynamisch veränderbar. Ein Lichtblitz aus dem Laser 5 wird von der Linse 6 in einem kon vergenten Lichtstrahl 7 auf die Probe 8 fokussiert, die sich auf dem Probenträger 1 befindet Zu dieser Zeit hat die Beschleunigungsspannung in der ersten Beschleunigungsstrecke den Wert U₁ = 0. Der Lichtblitz erzeugt in einem MALDI-Prozeß Ionen der Analytsubstanz mit einer mittleren Anfangsgeschwindigkeit ν ≈ 600 Meter pro Sekunde und großer Geschwindig keitsstreuung. Nach einer Verzögerungszeit τ wird die Beschleunigungsspannung U₁ auf den Anfangswert V₁ geschaltet, worauf sie sich exponentiell mit einer Zeitkonstante t₁ an den Grenzwert (V₁ + W₁) annähert. Ab der Zeit t = τ werden die Ionen beschleunigt. Sie bilden den Strahl 9 das Ionenstromes, der nach Durchlaufen der feldfreien Flugstrecke zwischen Grunde lektrode 3 und Detektor 10 vom Detektor 10 zeitaufgelöst gemessen wird.

Die hier gezeigte Anordnung hat gitterlose Blenden als Zwischenelektrode 2 und Grundelek trode 3 und braucht daher die Einzellinse 4 zur Parallelisierung des Ionenstrahls 9. Bei Einfüh rung von Gittern in Zwischenelektrode 2 und Grundelektrode 3 ist gewöhnlich keine Einzellin se 4 vorhanden, allerdings verringern die Zwischengitter wegen ihrer unvermeidlichen Klein winkelstreuung die erzielbare Auflösung, und die Strahldivergenz aufgrund der lateralen An fangsgeschwindigkeiten wird nicht beseitigt.

Fig. 2 stellt ein Diagramm der exponentiellen Änderung der Beschleunigungsspannung U₁ dar. Die Spannung wird zum Zeitpunkt t = τ auf den Sockelbetrag V₁ geschaltet und nähert sich dann exponentiell nach Gleichung (3) mit der Zeitkonstante t₁ dem Grenzwert V₁ + W₁.

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse der simultanen Fokussierung mit einem parabolischen Ansteigen der Spannung U₁ nach Gleichung (2). Das Diagramm gibt die Flugzeitabweichungen (in ppm der Flugzeit, vertikale Achsen) wieder, aufgetragen über den Anfangsgeschwindigkeiten der Ionen (in Metern pro Sekunde, horizontale Achse) für eine optimale Einstellung der Parabel. Es werden simultan alle Ionenmassen im Massenbereich von m = 1000 u bis in = 32 000 u fo kussiert. Die Fokussierung ist überall von erster Ordnung und wird von den Ionen aller Massen gleichzeitig nahezu ideal getroffen. Die zugehörigen Zeitauflösungen, elektrischen und geome trischen Einstellungen sind wie folgt:

Tabelle 1 (zur Fig. 3 gehörig)

Ergebnisse der simultanen Fokussierung durch parabolische Veränderung der ersten Beschleunigungsspannung U₁

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der simultanen Fokussierung für ein exponentielles Ansteigen der Spannung U₁ nach Gleichung (2). Die zweite Beschleunigungsspannung wird auf dem Wert U₂ = 30 kV - V₁ gehalten. Die Ahnlichkeit mit Fig. 3 ist augenfällig. Die zugehörigen Zeitauf lösungen, elektrischen und geometrischen Einstellungen sind wie folgt:

Tabelle 2 (zur Fig. 4 gehörig)

Ergebnisse der simultanen Fokussierung durch exponentiel len Anstieg der Spannung U₁

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse höchster Zeitauflösungen, die unter freier Variation der Länge d₁ der ersten Beschleunigungsstrecke für den Fall exponentiellen Anstiegs der Beschleunigungs spannung erhalten werden. Die zugehörigen Zeitauflösungen und elektrischen Einstellungen sind wie folgt:

Tabelle 3 (zur Fig. 5 gehörig)

Ionenquelle für lineares Massenspektrometer mit Fokuspunk ten zweiter Ordnung längs der Massenskala

Die Ergebnisse zeigen, daß es möglich ist, im ganzen interessierenden Massenbereich (fast) simultane Fokussierung zweiter Ordnung für alle Massen zu erhalten. Allerdings ist diese Lö sung von geringem praktischen Wert. Die Ionenwolke dehnt sich im großen, freien Raum (96 mm) vor dem Probenträger in 17 Millisekunden auf einen Durchmesser von etwa 15 Millimeter Durchmesser aus. Diese große Ionenwolke ist nicht mehr zufriedenstellend räumlich zu fokus sieren. Auch ist das Grenzpotential V₁ + W₁ + U₂ = 73 kV zu groß für praktische Anwendun gen.

Fig. 6 zeigt die Fokussierungsergebnisse einer praktisch gut anwendbaren Ionenquelle, die für ein Flugzeitmassenspektrometer mit energiefokussierendem Reflektor Verwendung finden kann. Der Fokuspunkt ist nur 35 Millimeter von der Grundelektrode entfernt. Die Fokussie rung ist über weite Massenbereiche von zweiter Ordnung. Dieser Fokuspunkt kann vom Re flektor auf den Detektor abgebildet werden, dabei ergibt sich wieder eine simultane Fokussie rung für alle Massen.

Die zugehörigen elektrischen und geometrischen Einstellungen, und die erzielten Zeitauflösun gen sind hier wiedergegeben:

Tabelle 4 (zur Fig. 6 gehörig)

Sehr günstige Ionenquelle mit Betriebsweise für einen extrem kurzen Fokus für ein Massenspektrometer mit energiefokussierendem Reflektor, mit Fokus punkten zweiter Ordnung längs eines Teils der Massenskala

Fig. 7 stellt die Ergebnisse einer praktisch für ein lineares Flugzeitmassenspektrometer gut verwendbaren Ionenquelle dar. Die zugehörigen Zeitauflösungen und elektrischen Einstellun gen sind wie folgt:

Tabelle 5 (zur Fig. 7 gehörig)

Fokussierungergebnisse für eine praktisch verwendbare Io nenquelle für ein lineares Flugzeitmassenspektrometer

Die Ionenquelle ist identisch mit der Ionenquelle für ein Reflektor-Flugzeitmassenspektro meter, deren Ergebnisse in Fig. 6 dargestellt sind.

Die Ionenwolke dehnt sich in den 25 Nanosekunden Verzögerungszeit auf einen Durchmesser von nur etwa 20 Mikrometer aus und ist daher ausgezeichnet räumlich zu fokussieren. Die Spannungen V₁ und W₁ sind sehr moderat und gut handzuhaben; auch die Zeitkonstante liegt mit 1,22 Mikrosekunden in einem günstigen Bereich. Die zweite Beschleunigungsspannung wird wieder konstant auf dem Wert U₂ = 30 kV - V₁ gehalten.

Die Auflösungen sind im Gebiet 16000 u bis 32000 u nicht überragend, doch für die meisten praktischen Verhältnisse gut genug. Sie erreichen für jede Masse etwa 2/3 der Auflösung, die sich mit dem Verfahren der verzögert einschaltenden Beschleunigung ohne weitere Span nungsänderungen optimal für jeweils diese Masse einstellen läßt. Diese Figur ist mit Ergebnis sen zu vergleichen, die ohne diese Erfindung erzielt werden können, vergl. Fig. 8.

Fig. 8 gibt die simultan erzielbaren Zeitauflösungen für alle Massen ohne Anwendung dieser Erfindung wieder. Es wurde das gleiche lineare Massenspektrometer wie in Fig. 7 gewählt, die Masse 8000 u wurde optimal fokussiert. Es wird deutlich, daß jeweils nur eine einzige Masse fokussiert werden kann; für die übrigen Massen tritt keine Fokussierung ein.

Tabelle 6 (zur Fig. 8 gehörig) Zum Vergleich werden hier die simultan erzielbaren Zeitauf lösungen ohne Anwendung dieser Erfindung gezeigt; es wurde die gleiche Ionenquelle wie in Fig. 7 verwendet, die optimale Fokussierung für lineare Flugzeitmassenspektrometer wurde auf die Masse 8000 u eingestellt

Fig. 9 gibt ein Diagramm wieder, das die Verläufe der theoretisch erzielbaren Auflösungs vermögen verschiedener Methoden über den Massenbereich zeigt.

Die drei dünn gezeichneten Kurven stellen die Auflösungen der bekannten verzögert einge schalteten Beschleunigung ("delayed extraction") ohne weitere zeitlich Veränderung der Span nungen dar, optimiert für drei verschiedene Massen (8000 u, 16000 u, 24000 u). Die Kurven zeigen, daß eine Optimierung nur in jeweils kleinen Massenbereichen möglich ist.

Die dick gezeichnete, flache, abfallende Kurve zeigt das Ergebnis dieser Erfindung. Die Fokus sierung ist für alle Massen gut, sie liegt überall nur wenig unter den Ergebnissen bester Opti mierung durch das normale verzögerte Einschalten der Beschleunigung.

Die dick gezeichnete Kurve mit stark überhöhter Spitze bei 16000 u zeigt die "Lupe" für Iso topenmuster nach der Erfindung in BFA 45/96.

Alle Ergebnisse wurden durch Rechnersimulationen mit derselben Ionenquelle erzielt. Die geometrischen Abmessungen dieser Ionenquelle entsprechen denjenigen einer kommerziell vertriebenen Ionenquelle des Antragstellers.

Besonders günstige Ausführungsformen

Eine Ausführung eines linearen Flugzeitmassenspektrometer mit simultaner Hochauflösung für alle Massen nach dieser Erfindung wird im Prinzip in Fig. 1 gezeigt. Dieses Massenspektro meter gleicht im Prinzip vielen anderen, auch jetzt bereits kommerziell erhältlichen Flugzeit spektrometern. Die einzige Besonderheit liegt in der Steuerung des zeitlichen Verlaufs der Spannungen oder Potentiale. Probenträger 1 und Zwischenelektrode 2 haben in Fig. 1 einen relativ kleinen Abstand d₁ zueinander, wie er auch den in Fig. 7 gezeigten Ergebnissen zu grunde liegt. Das schaltbare Feld braucht dadurch keinerlei Homogenisierungselektroden. Auch der etwas längere Abstand d₂ zwischen Zwischenelektrode 2 und Grundelektrode 3 er fordert noch keine Homogenisierung des Feldes durch Homogenisierungselektroden. Dadurch ist eine mechanisch sehr einfache Ionenquelle gegeben.

Bei Benutzung der oben bereits geschilderten verzögerten dynamischen Beschleunigung befin den sich Probenträger 1 und Zwischenelektrode 2 zunächst auf dem Potential P₁ = P₂ = U₂. Der Probenträger wird nach der Verzögerungszeit τ, gerechnet (und getriggert) vom ionisie rendem Laserblitz, auf das Potential P₁ = (V₁ + U₂) heraufgeschaltet und dann gemäß der Funktion in Gleichung (3) zeitlich so verändert, daß er sich asymptotisch dem Grenzwert P_1,grenz = (V₁ + W₁ + U₂) nähert. Eine solche zeitliche Veränderung läßt sich relativ einfach durch Kondensatoren und Widerstände erzeugen, wenn Versorgungseinheiten für Sockel- und Grenzspannungen zur Verfügung stehen.

Es ist jedoch auch möglich, diese veränderliche Feldstärke der ersten Beschleunigungsstrecke anders zu erzeugen. So können beispielsweise die Potentiale von Probenträger P₁ und Zwi schenelektrode P₂ beide zu Beginn auf dem höheren Potential P₁ = P₂ = (V₁ + U₂) liegen. Nach der Verzögerungszeit τ wird dann das Potential der Zwischenelektrode P₂ auf den Wert P₂ = U₂ heruntergeschaltet, und es wird gleichzeitig die Veränderung des Potentials P₁ des Proben trägers gemäß der Funktion P₁(t) V₁ + U₂ + W₁ × [1 - exp{-(t - τ)/t₁}] gestartet. Diese Be triebsweise trennt das schaltbare Potential vom zeitlich veränderbaren Potential, startet aber Schalten und Verändern zum gleichen Zeitpunkt durch dasselbe elektronische Verzögerungs glied.

Bei richtiger Wahl der Verzögerungszeit τ, der Zeitkonstante t₁ und der Spannungen U₁, V₁, W₁ und U₂ erzielt man für alle Massen des Spektrums gleichzeitig eine gute Auflösung durch Fokussierung erster Ordnung, wie sie als Fokussierungsergebnisse in den Fig. 4 und 7 dar gestellt sind. Nimmt man eine richtige Wahl der Abstände d₁ und d₂, und der Fluglänge l bis zum Fokuspunkt hinzu, gelingt sogar eine Fokussierung zweiter Ordnung über den ganzen Massenbereich oder zumindest über weite Teile desselben, wie aus den Ergebnissen in Fig. 5 und 6 ersichtlich wird. Damit ist in diesem Bereich nicht nur die größte Massenauflösung gegeben, sondern durch schmale Massensignalprofile auch ein besonders gutes Verhältnis des Signals zum Rauschen des Untergrunds, und dadurch eine besonders tiefe Nachweisgrenze.

Die einmal gefundene und für die Konstruktion gewählte Lösung, die aus einem wertmäßig festgelegten Satz dieser zeitlichen, elektrischen und geometrischen Parameter besteht, braucht für ein solches Massenspektrometer grundsätzlich nicht mehr geändert zu werden. Leichte Nachfokussierungen, die durch Alterung elektronischer Bauteile notwendig werden können, können leicht über die Steuerung einer der Spannungen vorgenommen werden. Die gefundenen Lösungen sind übrigens erstaunlich stabil gegenüber kleinen Änderungen der meisten Parame ter, beispielsweise der Verzögerungszeit τ.

Es ist also mit dieser Erfindung erstmals möglich, eine "Druckknopf-Maschine" zu bauen, für deren Betrieb keinerlei probenspezifische Einstellungen durch den Bediener vorzunehmen sind. Es kann damit ein vollautomatischer Meßbetrieb eingerichtet werden, der keine Vorkenntnisse über die Proben benötigt, und doch Massenbestimmungen hoher Genauigkeit (< 1/10 000) an kleinsten Probenmengen liefert.

Darüberhinaus ist es auf dieser gleichen Maschine bei entsprechender elektronischer Ausstat tung auch möglich, einen "Lupen-Modus" einzuschalten, der ein beliebig auswählbares Mas sensignal nach der in BFA 45/96 geschilderten Erfindung mit höchster Massenauflösung zeigt, so daß die Isotopenstruktur sichtbar wird und Massenbestimmungen höchster Genauigkeit (< 111 000 000) durchgeführt werden können.

Die Erfindung ist aber nicht nur für lineare Flugzeitmassenspektrometer nutzbar. Wie die Fo kussierungsergebnisse zeigen, die in Fig. 6 dargelegt sind, läßt sich eine Ionenquelle mit sehr kurzem Fokusabstand und hervorragenden Zeitauflösungen simultan für alle Massen bauen und betreiben. Diese Ionenquelle kann hervorragend für ein Massenspektrometer mit energiefokus sierendem Reflektor benutzt werden. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, daß mit einem solchen Reflektormassenspektrometer das Isotopenmuster großer Moleküle fast über den ge samten Massenbereich bis hin zur Masse 32000 u aufgelöst werden kann, wenn der Reflektor die Ionen verschiedener Geschwindigkeiten wieder genügend gut fokussiert und der MALDI- Prozeß die Voraussetzung der Korrelation von Raum- und Geschwindigkeitsverteilung erfüllt.

Sind diese Voraussetzungen erfüllt, so läßt sich damit auch ein Flugzeitmassenspektrometer mit Reflektor als automatisch arbeitende "Druckknopf-Maschine" bauen, für deren Betrieb keinerlei probenspezifische Einstellungen durch den Bediener vorzunehmen sind, und die für alle Massen bis in den Bereich von Masse 32000 u hinein die Isotopenstrukturen auflöst.

Im Zwischenfokus eines solchen Massenspektrometers läßt sich dann zusätzlich und ohne ne gative Folgen auf die Ionen mit Aktionen einwirken, die leichte Geschwindigkeitsänderungen zur Folge haben. Diese werden dann durch den Reflektor wieder vollständig ausfokussiert. Diese Aktionen können beispielsweise Stöße mit Molekülen oder Photonen zur Fragmentie rung sein, aber auch räumliche Fokussierungen durch Einzellinsen, die leichte Geschwindig keitsänderungen in Flugrichtung mit sich bringen können.

Da eine für das Reflektormassenspektrometer günstige Ionenquelle (Fig. 6) und eine für ein lineares Flugzeitmassenspektrometer günstige Ionenquelle (Fig. 7) geometrisch völlig iden tisch sein können, kann man das Reflektormassenspektrometer durch rein elektrische Umschal tung auch im linearen Betriebsmodus betreiben, in dem keine Geistersignale durch Fragmnetio nen auftauchen. Im reflektierenden Betriebsmodus können dann in üblicher Weise auch die Tochterionen des MALDI-Prozesses (oder einer eingebauten Stoßzelle) analysiert werden. Für beide Betriebsarten - linear und reflektierend - kann darüberhinaus zusätzlich der "Lupen- Modus" mit extremer Auflösung für eine ausgewählte Masse eingeschaltet werden.

Mit diesen Flugzeitmassenspektrometern können wie gewöhnlich Spektren der Analytsubstan zen aufgenommen werden. Die Spektrenaufnahme beginnt mit der Ionisierung der Probensub stanzen 8 auf dem Probenträger 1, wobei hier das MALDI-Verfahren zur Ionisierung beschrie ben wird. Die Ionen werden durch einen Lichtblitz von etwa 3 bis 5 Nanosekunden Dauer aus dem Laser 5 erzeugt. Gewöhnlich wird UV-Licht mit einer Wellenlänge von 337 Nanometer aus einem preiswerten Stickstoff-Laser benutzt. Der Lichtblitz ist durch die Linse 6 als kon vergenter Lichtstrahl 7 auf die Probe 8 auf der Oberfläche des Probenträgers 1 fokussiert. Die in der Dampfwolke, die durch den Laserfokus erzeugt wird, gebildeten Ionen werden nach der Verzögerungszeit τ zunächst im veränderlichen elektrischen Feld d₁ zwischen Probenträger 1 und Zwischenelektrode 2 beschleunigt, wobei die langsameren Ionen jeweils mehr Energie erhalten als die schnellen. Zusammen mit der Nachbeschleunigung im zweiten elektrischen Feld zwischen Zwischenelektrode 2 und Grundelektrode 3 führt diese unterschiedliche Ener giezufuhr zur gewünschten Fokussierung.

Der Ionenstrahl ist durch die lateralen Geschwindigkeitskomponenten stets leicht divergent und wird in der gitterfreien Elektrodenanordnung zusätzlich leicht defokussiert. Daher wird er zu Beginn der Flugstrecke in der Einzellinse 4 auf den Detektor 10 fokussiert. Die fliegenden Io nen des Ionenstrahls bilden einen zeitlich stark variierenden Ionenstrom 9, der am Ende der Flugstrecke vom Ionendetektor 10 mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen wird.

Die hier angegebenen Ionenquellen sind nicht für alle analytischen Aufgaben gleichermaßen optimal. So erhöht die Vergrößerung der Länge d₁ der ersten Beschleunigungsstrecke zwi schen Probenträger und Zwischenelektrode von 3 Millimeter auf größere Werte die Auflösung bei den hohen Massen (16000 u bis 32000 u) auf Kosten der Auflösungen im unteren Massen bereich, wobei allerdings auch die Ausdehnung der Ionenwolke zum Zeitpunkt der Einschal tung der Beschleunigung steigt.

Auch sind die hier angegebenen Betriebsweisen nicht die einzigen, die zum Erfolg führen. So können beispielsweise die Feldstärken in mehr als einer Beschleunigungsstrecke zeitlich variiert werden. Ein besonders günstiger Fall ist die schon erwähnte gegenläufige Änderung im ersten und zweiten Beschleunigungsfeld, die durch die zeitlich Änderung des Potentials P₂ der Zwi schenblende erreicht werden kann. Es ergeben sich dabei ähnliche, teilweise sogar etwas besse re Resultate, wie sie bereits für den Fall alleiniger Änderung von P₁ dargestellt wurden, wobei aber die Beziehung zwischen Masse und Quadrat der Flugzeit wesentlich gerader ist.

Die hier vorgestellten Resultate der Erfindung ergeben simultan für alle Massen Auflösungen, die etwa 213 der Auflösung erreichen, die optimal für jeweils eine einzige Masse durch das Verfahren der verzögert einschaltenden Beschleunigung ohne weitere Spannungsänderung erhalten werden können. Das gilt im Rahmen der angegebenen geometrischen Verhältnisse. Es ist jedoch zu erwarten, daß sich bei weiteren Untersuchungen, besonders mit zeitlicher Verän derung von mehr als einem Beschleunigungsfeld, noch günstigere Ergebnisse erzielen lassen.

Der durch den Ionenstrahl gegebene zeitvariable Ionenstrom wird am Detektor gewöhnlich mit einer Abtastrate von 1 oder 2 Gigahertz gemessen und digitalisiert. Transientenrekorder mit noch wesentlich höherer zeitlicher Auflösung werden in Kürze eingesetzt werden können. Üb licherweise werden die zeitgleichen Meßwerte aus mehreren Spektrenaufnahmen addiert, bevor die Massenlinien in den gespeicherten Daten gesucht und über die Datenauswertung von der Zeitskala über die Massenkalibrierkurve in die Massenwerte transformiert werden.

Die Polarität der verwendeten Hochspannung für die Ionenbeschleunigung muß gleich der Po larität der untersuchten Ionen sein: Positive Ionen werden durch einen positiv geladenen Pro benträger abgestoßen und beschleunigt, negative Ionen durch einen negativ geladenen Proben träger.

Selbstverständlich kann man das Flugzeitmassenspektrometer auch so betreiben, daß sich die Flugstrecke in einem (nicht in Fig. 1 gezeigten) Rohr befindet, das sich auf dem Beschleuni gungspotential V₁ + U₂ befindet, während der Probenträger 1 auf Erdpotential liegt. In diesem besonderen Fall liegt das Flugrohr auf positivem Potential, wenn negativ geladene Ionen unter sucht werden sollen, und umgekehrt. Dieser Betrieb vereinfacht die Konstruktion der Ionen quelle, da die Isolatoren für den Halter des auswechselbaren Probenträgers 1 entfallen können. In diesem Fall ist es günstig, das Potential der Zwischenelektrode zu schalten und zu variieren.

Da bei Anwendung dieser Erfindung immer die gleichen Betriebsbedingungen herrschen, kann auch mit einer einzigen kalibrierten Umrechnungsbeziehung der Flugzeiten in die Massen gear beitet werden. Diese stets konstant bleibende Bestimmung der Masse aus der Flugzeit kommt hohen Probendurchsätzen entgegen.

Bei der Beschreibung dieser Erfindung wurde das MALDI-Verfahren zur Ionisierung der Sub stanzen auf dem Probenträger angenommen. Ähnliche Verhältnisse ergeben sich aber auch für andere Verfahren der Ionisierung von Substanzen, die auf einer Oberfläche aufgebracht sind. Beispiele dafür sind die Sekundärelektronenmassenspektrometrie (SIMS), die normale Laser desorption (LD) oder die sogenannte Plasmadesorption (PD), die durch hochenergetische Spaltungsprodukte an dünnen Folien erhalten wird. Wenn auch das MALDI-Verfahren in den Mittelpunkt gestellt wurde, ist die Erfindung nicht auf dieses Verfahren allein beschränkt, son dern bezieht sich auf alle Verfahren, mit denen Ionen erzeugt werden, die eine Streuung der Anfangsgeschwindigkeiten besitzen, auch wenn sie in der Regel nicht so groß ist wie beim MALDI-Prozeß.

Claims

1. Flugzeitmassenspektrometrisches Meßverfahren für Massenspektren, mit gepulster Ionisie rung von Analytsubstanzen auf einem leitenden Probenträger und mindestens zwei Ionen beschleunigungsstrecken vor einer feldfreien Flugstrecke, wobei das Feld in der ersten die ser Beschleunigungsstrecken, die sich zwischen Probenträger und einer Zwischenelektrode befindet, nach einer Verzögerungszeit gegenüber der gepulsten Ionisierung so umgeschal tet wird, daß der zunächst feldfreie Raum vor dem Probenträger zum Beschleunigungsfeld wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke in dieser ersten Ionenbeschleunigungsstrecke nach dem verzögerten Einschalten eines Sockelbetrages der Feldstärke zeitlich stetig ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Ionenbeschleu nigungsstrecken, Verzögerungszeit, Sockelbetrag der Feldstärke und Anstiegsrate der Feldstärke so gewählt werden, daß alle Massen des interessierenden Massenbereichs weit gehend simultan fokussiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Anstieg der Feldstärke in der ersten Ionenbeschleunigungsstrecke linear erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Anstieg der Feldstärke in der ersten Ionenbeschleunigungsstrecke mit zunehmender Zeit schwächer wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der durch die Span nung U₁ bewirkten Feldstärke in der ersten Beschleunigungsstrecke mit der Zeit t nach der Funktion in Form des aufsteigenden Astes einer liegenden Parabel erfolgt, wobei τ die Verzögerungszeit gegenüber der gepulsten Ionisierung ist, V₁ den Sockelwert der Spannung zur Erzeugung der Feldstärke vor der Probenträgerelektrode angibt und c₁ eine anpaßbare Konstante ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Spannung U₁ mit der Zeit t zur Erzeugung der zeitlich veränderlichen Feldstärke nach der Funktion exponentiell erfolgt, wobei τ die Verzögerungszeit ge genüber der gepulsten Ionisierung ist, V₁ den Sockelwert der Spannung zur Erzeugung der Feldstärke vor der Probenträgerelektrode angibt, (V₁ + W₁) ein asymptotisch anzunähern der Grenzwert für die Beschleunigungsspannung und t₁ eine anpaßbare Zeitkonstante für diese Annäherung ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nach diesem Verfahren beschleunigten Ionen mit einem linearen Flugzeitmassenspektrome ter gemessen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach die sem Verfahren beschleunigten Ionen mit einem Flugzeitmassenspektrometer mit Ionenre flektor gemessen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flugzeitmassenspektrometer mit Ionenreflektor durch reine elektrische Umschaltungen auch als lineares Massenspek trometer betrieben werden kann, wobei der Reflektor ausgeschaltet und ein Detektor hin ter dem Reflektor benutzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umschaltung der Betriebsweise auf ein zeitlich abfallendes Beschleunigungsfeld zwischen zeitlich eine extrem hohe Auflösung erzeugt wird, die auf eine ausgewählte Masse einstell bar ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken mehr als eines Beschleunigungsfeldes zeitlich verändert werden.