DE19827841C1

DE19827841C1 - Thermostabiles Flugzeitmassenspektrometer

Info

Publication number: DE19827841C1
Application number: DE19827841A
Authority: DE
Inventors: Horst Rache
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: GB2338824B; GB9914725D0; US6465777B1; GB2338824A

Abstract

Die Erfindung betrifft Flugzeitmassenspektrometer, die auch unter veränderlichen Umgebungstemperaturen eine hohe Konstanz der Flugzeiten und damit der einkalibrierten Massenskalierung zeigen müssen. DOLLAR A Die Erfindung besteht darin, das gesamte Flugrohr, das in der Regel wegen der erforderlichen Vakuumeigenschaften aus Edelstahl gefertigt ist und einer relativ hohen Temperaturausdehnung unterliegt, zusammen mit der Elektronik komplett in einem Abschirmgehäuse zu kapseln und durch eine einfache Führung und Regelung des Abluftstromes der Kühlung für die Elektronik sehr genau auf konstanter Temperatur zu halten. Zusätzlich kann auch die Elektronik durch Führung und Regelung des Luftstromes auf konstanter Temperatur gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugzeitmassenspektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ein derartiger Flugzeitmassenspektrometer ist aus der Firmendruck schrift "The HP G2030A MALDI-TOF MS System" der Hewlett Packard Corp. (1995) bekannt.

Flugzeitmassenspektrometer müssen auch unter veränderlichen Umgebungs temperaturen eine hohe Konstanz der Flugzeiten und damit der einkalibrierten Massenskalie rung zeigen.

Die Funktion von Flugzeitmassenspektrometern läßt sich, verglichen mit der anderer Massen spektrometer, sehr einfach verstehen, obwohl es sich bei dieser Kategorie im Detail um ähnlich komplizierte Geräte wie bei anderen Massenspektrometern handelt. Die in einer Ionenquelle in einer sehr kurzen Zeitspanne von nur wenigen Nanosekunden pulsartig gebildeten Ionen der zu untersuchenden Analytsubstanz werden alle in relativ kurzen Beschleunigungsfeldern auf die selbe Energie pro Ionenladung beschleunigt. Sie durchfliegen dann eine feldfreie Flugstrecke und werden an ihrem Ende durch einen zeitlich hochauflösenden Ionendetektor als zeitlich va riierender Ionenstrom gemessen. Aus dessen Meßsignalen kann die Flugzeit der verschiedenen Ionensorten bestimmt werden.

Durch die sehr einfache Grundgleichung für die kinetische Energie von Ionen mit z Elementar ladungen

E = ½ mν²/z (1)

läßt sich bei gleicher Energie E aller Ionen das Verhältnis m/z von Masse m zu Ladung z aus ihrer Geschwindigkeit ν bestimmen. Die Geschwindigkeit ν der Ionen ist, wie oben angedeutet, in einem Flugrohr der Länge L durch die Messung der Flugzeit t der Ionen durch die Gleichung

ν = L/t (2)

gegeben. Aus der Flugzeit läßt sich somit in einfacher Weise das Verhältnis der Masse m zur Ladung z berechnen:

m/z = 2Et²/L² = c × t². (3)

Für eine sehr genaue Bestimmung der Ionenmasse komplizieren sich die oben angegebenen Gleichungen, da den Ionen in der Ionenquelle durch den Ionisierungsprozess unvermeidlicher weise vor ihrer elektrischen Beschleunigung noch Anfangsenergien aus dem Ionisierungspro zeß mitgegeben werden, die die Gleichung (3) leicht, aber für präzise Massenbestimmungen ganz entscheidend verändern. Dadurch wird die Beziehung zwischen Masse m und dem Qua drat der Flugzeit t² leicht nichtlinear. Diese Beziehung wird daher normalerweise experimentell ermittelt und in einem Rechner für künftige Bestimmungen der Masse als sogenannte "Massen skala" abgespeichert.

Unter dem Begriff "Massenskala" soll hier die durch ein angeschlossenes Rechnersystem vor genommene Zuordnung der aus den Meßsignalen ermittelten Flugzeiten zu den Massen der Ionen (genauer: den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen) verstanden werden. Diese Massenskala wird durch ein besonderes Verfahren anhand genau bekannter Referenzsubstanzen einkalibriert und soll möglichst lange ohne Nach- oder Neukalibrierung stabil bleiben.

Auf die Stabilität der einkalibrierten Massenskala wirken im allgemeinen eine große Anzahl an Einflüssen ein: Inkonstanz der Hochspannungen für die Beschleunigung der Ionen, wechselnde Abstände der Beschleunigungsblenden in der Ionenquelle durch die Montage der ins Vakuum eingeführten Probenträger, wechselnde Anfangsenergien der Ionen durch den Ionisierungspro zess, und nicht zuletzt thermische Veränderungen in der Länge der Flugstrecke. Für hochpräzi se Messungen der Massen einer Analytsubstanz wird deshalb im gleichen Massenspektrum die Masse einer Referenzsubstanz mitvermessen, wobei die Referenzsubstanz der Analytsubstanz beigegeben werden muß (sogenanntes Meßverfahren mit "interner Referenz"). Bei Abweichun gen der berechneten Masse der Referenzsubstanz vom wahren, bekannten Wert kann dann die berechnete Masse für die Analytionen in bekannter Weise korrigiert werden (siehe dazu bei spielsweise DE 196 35 646 C1).

Leider gehen jedoch die verschiedenen Einflüsse auf die Massenbestimmung in verschiedenen funktionalen Abhängigkeiten von der Masse ein. Änderungen der Hochspannung beispielsweise bewirken eine proportionale Veränderung der Energie E der Ionen, die nach Gleichung (3) linear in die Massenberechnung, also massenproportional, eingeht. Veränderungen der Flug länge L gehen jedoch nach Gleichung (3) proportional zur Wurzel aus der Masse in die Mas senberechnung ein. Sind Referenzmasse und Analytmasse sehr verschieden, so ist eine erfolg reiche Korrektur ohne genaue Kenntnis der Art des Einflusses nicht mehr möglich. Bei sehr ähnlichen Massen für Analyt- und Referenzsubstanz kann immer noch mit einigermaßen gu tem Erfolg korrigiert werden.

Heute werden mit Hochleistungs-Flugzeitmassenspektrometern unter bezug auf Referenzsub stanzen, die nicht in der Analytprobe enthalten sind ("Verfahren mit externer Referenz"), Mas sengenauigkeiten von etwa 30 parts per million (ppm) erhalten. Durch Referenzsubstanzen, die der Analytprobe beigegeben sind ("interne Referenz"), werden Genauigkeiten von zehn ppm erreicht; von Proteinchemikern und anderen Benutzern werden aber heute Massengenauigkei ten von ein bis fünf ppm angestrebt und entsprechend bei den Herstellern der Massenspektro meter angefordert.

Die heute üblichen Edelstahlflugrohre, die den Abstand zwischen Ionenquelle und Ionende tektor bestimmen, haben lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa α = 13 × 10^-6 K^-1. Das seltener verwendete Duraluminium zeigt sogar eine Ausdehnung von α = 23 × 10^-6 K^-1. Da sich aus Gleichung (3) die Beziehung

dm/m = -2 dL/L (4)

ableiten läßt, ergibt eine Temperaturänderung wegen der Ausdehnung des Edelstahlflugrohrs eine scheinbare Massenänderung von etwa 26 ppm pro Grad Celsius. Verglichen mit dem Zielwert von ein bis fünf ppm für die Massengenauigkeit ist das außerordentlich viel. Selbst bei Verwendung von probeninternen Massenreferenzsubstanzen lassen sich die angestrebten Ge nauigkeiten nicht erreichen. Es bedarf daher heute im Fall höchster Ansprüche an die Genauig keit der Massenbestimmung einer temperaturabhängigen Massenkalibrierung, die jedoch sehr kompliziert durchzuführen ist und eine sehr genaue Temperaturmessung bei guter Konstanz der Raumtemperatur erfordert.

Die Umgebungstemperatur in nichtklimatisierten Räumen schwankt um mehr als zehn Grad Celsius. Diese Temperaturschwankungen übertragen sich relativ rasch auf die oft freiliegen den Flugrohre aus relativ dünnwandigem Edelstahl, aber wegen der angeflanschten Pumpen ist die Temperaturverteilung längs des Flugrohres sehr ungleichmäßig.

Noch größere Belastungen kommen allerdings von den heute strengen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die in Verbindung mit notwendigen Pulsverfahren für die Ionenerzeugung und pulsartig geschalteten Hochspannungen dazu zwingt, zumindest Teile der Flugrohre der Massenspektrometer einschließlich der Elektronik in hermetisch dichte Gehäuse einzubauen. Durch die Erwärmung der Vakuumpumpen und der Elektronik muß trotz Ventilatorkühlung mit Temperaturerhöhungen des Flugrohres von bis zu 20 Grad Celsius ge rechnet werden. Das entspricht - ohne entsprechende Berücksichtigung oder Kompensation - einer scheinbaren Massenänderung von etwa 500 ppm bei Messungen während der Einschalt phase des Instruments. Aber selbst bei Erreichen des Gleichgewichts bleiben thermische Schwankungen im Bereich von etwa zehn Grad Celsius und entsprechende scheinbare relative Massenänderungen von 260 ppm. Andererseits ist die Verwendung von Kühlwasser heute aus ökologischen und Kostengründen unerwünscht. Selbst für Meßverfahren mit interner Referenz ergeben sich hier Schwierigkeiten für die Entscheidung zur Anwendung der richtigen Korrek tur.

Für Routineuntersuchungen mit Zehntausenden von Proben täglich, wie sie beispielsweise für DNA-Analysen erwartet werden, ist aber eine Massenbestimmung mit interner Referenz zu aufwendig, da sie eine Zugabe von Referenzsubstanzen zu jeder einzelnen Probe erfordern, die in ihrer Masse ähnlich zu der Masse des zu messenden Analyten liegen. Für diese Methoden (die allerdings auch nicht unter den oben genannten extremen Anforderungen an die Genauig keit der Massenbestimmung stehen) wird angestrebt, alle Betriebsparameter so konstant wie möglich zu halten, um die Massenbestimmung ohne interne Referenzsubstanzen vornehmen zu können und eine lange Gültigkeitsdauer der Massenkalibrierung zu erhalten.

Als scheinbar einfache Lösung dieses Problems richtiger Massenbestimmungen trotz Änderun gen der Umgebungstemperaturen bietet sich die geregelte Temperaturstabilisierung des Flug rohres einschließlich Ionenquelle und Detektor an. Diese müßte nach den oben genannten strengen Anforderungen an die Massenkonstanz bei ±1/10 Grad Celsius liegen. Wegen der üblichen Flugrohrlängen von anderthalb bis zwei Metern und der häufig mindestens teilweise offen der Umgebungstemperatur ausgesetzten Flugrohre ist die Installation einer geregelten Temperaturstabilisierung nicht einfach und daher bisher auch noch nicht durchgeführt worden. Die Beheizung muß gleichmäßig längs des gesamten Flugrohrs stattfinden und erhöht in uner wünschter Weise den Energieverbrauch des Spektrometers.

Die oben bereits erwähnte Problemlösung durch eine temperaturabhängige Kalibrierung der Massenskala ist bereits angewandt worden, aber sehr kompliziert. Sie könnte durch eine auto matische Messung der Temperatur automatisiert werden, diese Lösung ist jedoch ebenfalls noch nicht verfiziert worden. Die temperaturabhängige Kalibrierung wird dadurch erschwert, daß das Flugrohr wegen ungleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung bei Temperaturände rungen gewöhnlich Temperaturgradienten längs der Achse aufweist.

Eine Kompensation der Längenausdehnung der Flugrohre und der damit verbundenen Flug zeitänderungen durch eine temperaturgesteuerte Regelung der Spannungen ist, wie oben aus geführt, wegen der verschiedenartigen funktionalen Wirkung auf die Massenskala nicht mög lich.

Eine Regelung der Abstands zwischen Ionenquelle und Detektor durch elektromechanische Stellglieder erscheint möglich, ist jedoch ebenfalls noch nicht eingeführt worden. Dazu ist ent weder eine sehr präzise Längenmessung erforderlich oder - einfacher - die Verwendung von Referenzsubstanzen, die aber nicht im gleichen Spektrum aufgenommen werden müssen und daher getrennt der Ionenquelle zugeführt werden können ("externe Referenz").

Alle diese Lösungen jedoch verlangen relativ komplizierte Regelungen, die in jedem Fall die Funktion des Massenspektrometers komplizieren und ihren Betrieb verteuern.

Der Markt für Massenspektrometer verändert sich zur Zeit stark. Massenspektrometer dringen in neue Anwendungsgebiete ein, wo sie zunehmend von massenspektrometrisch ungeschultem Personal als normale Arbeitswerkzeuge benutzt werden. Sie müssen daher leicht und unkom pliziert zu bedienen sein, eine kritische Auswahl von Korrekturmöglichkeiten für die Resultate entfällt. Andererseits wird verstärkt auf preiswerte Anschaffung und preiswerten Betrieb ge achtet. Die Massenspektrometer müssen also möglichst einfach konstruiert sein und wenig Leistung und andere Betriebsmittel - wie beispielsweise Referenzsubstanzen - verbrauchen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Flugzeitmassenspektrometer so zu konstruieren, daß bei unvermeidlichen Änderungen der Umgebungstemperatur die Fluglänge konstant bleibt, so daß es trotz der Änderungen der Umgebungstemperatur keine Veränderung der Beziehung zwi schen Flugzeit und Masse gibt, die über aufgabenspezifisch festzulegende Toleranzen hinaus geht. Die Konstruktion soll einfach und preiswert zu fertigen sein und nicht zu erhöhtem Hilfsmittelverbrauch führen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Heutige Flugzeitspektrometer unterliegen - wie alle elektrischen Geräte - strengen Anforde rungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. Nach der kürzlichen Einführung der verzö gerten Beschleunigung der Ionen zur Verbesserung der Fokussierung werden pulsgesteuerte Hochspannungen mit Schaltdauern im Bereich von Nanosekunden verwendet. Seitdem läßt sich die gefordete elektromagnetische Verträglichkeit praktisch nur durch das Einsperren der Elektronik, des Lasers einschließlich seiner Versorgung und eines Teils des Flugrohrs mit den elektrischen Durchführungen in ein hochfrequenzdichtes Gehäuse verwirklichen, wie es bei spielsweise durch die Firmendruckschrift "The HP G2030A MALDI-TOF MS System" von Hewlett-Packard bekannt ist. - Andererseits werden Massenspektrometer dieser Art kontinu ierlich betrieben, sie laufen tags und nachts gleichmäßig durch. Die Messungen im Massen spektrometer verbrauchen praktisch keine Energie, der Energieverbrauch stammt also im we sentlichen aus der Verlustleistung der Elektronik und aus der Pumpenleistung, die ebenfalls langzeitkonstant ist.

Es ist nun die Grundidee der Erfindung, die Abluft aus der Kühlung der Elektronik zur Thermostatisierung des Flug rohrs zu verwenden. Das Flugrohr wird dabei in seiner ganzen Länge durch eine günstige Füh rung der Abluft in Verbindung mit einer Regelung des Luftstroms auf konstanter Temperatur gehalten. Die Abluft aus der Kühlung des Lasers, eventuell auch die der Pumpen, kann dabei ebenfalls einbezogen werden. Die Regelung des Luftstroms kann beispielsweise in einfacher Weise durch eine Regelung der Ventilatorleistung vorgenommen werden. Die Temperatur des Flugrohrs kann durch eine oder mehrere Temperatursonden gemessen werden, wobei sich großflächige Meßfühler, wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, besonders eignen. Aber auch eine direkte Längenmessung des Abstandes zwischen Ionenquelle und Ionendetektor, beispielsweise durch ein preiswertes Laserinterferometer, kann zur Regelung verwendet wer den.

Innerhalb des Abschirmgehäuses kann die Elektronik gesondert einer ähnlichen Thermostatisie rung durch Führung und Regelung der Kühlluftstroms unterworfen werden, um auch eine be sondere Konstanz der Hochspannungen zu gewährleisten. Diese Kühlluftregelung vermag die Konstanz der Hochspannungsregelung von etwa 10 ppm auf etwa 2 ppm zu verringern.

Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung der Abbildung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockbild einer Anordnung nach dieser Erfindung. Das Flugrohr (1) mit Tem peraturfühlern (2), Ionenquelle (3) und Detektor (4) befindet sich in der obersten Abteilung des innerlich dreigeteilten Abschirmgehäuses (5). In der mittleren Abteilung befinden sich der Pulslaser (6) und die Hochvakuumpumpe (7) mit einem eigenen, hier nicht gezeigten Kühlluft kreislauf. In der unteren Abteilung befindet sich, enthalten in einem inneren Elektronikab schirmgehäuse (8), die Elektronik (9) mit Temperaturfühlern (10) und eigenen Ventilator (11). Die Kühlluft für die Elektronik (9) tritt durch ein Staubfilter (12) in die untere Abteilung ein. Ein Teil der Kühlluft wird vom Ventilator (11) durch das Elektronikabschirmgehäuse getrieben und wärmt sich durch die Verlustleistung der Elektronik, die etwa 300 Watt beträgt, auf. Die Regelung des Elektronik-Ventilators (11) durch Temperaturfühler (10) hält die Elektronik auf konstanter Temperatur. Die aufgewärmte Luft strömt nun in die obere Abteilung und streicht am Flugrohr längs, gezogen von einem Ventilator (13) in der oberen Abteilung, der durch die Temperaturfühler (2) geregelt wird und die Abluft nach außen befördert.

Das Flugrohr (1) mit Temperatur fühlern (2) befindet sich dabei also in der obersten Abteilung eines innerlich dreigeteilten Ab schirmgehäuses (5) für das gesamte Massenspektrometer und wird von dem temperaturgere gelten Ventilator (13), der die Abluft der Elektronik (9) durch diese Abteilung saugt, auf einer konstanten Temperatur von etwa 30 Grad Celsius gehalten. In der mittleren Abteilung befinden sich in dieser Ausführung der Pulslaser (6) und die Hochvakuumpumpe (7), die mit einem ei genen, hier nicht gezeigten Kühlluftkreislauf gekühlt werden.

In der unteren Abteilung befindet sich die Elektronik (9) mit eigenen Temperaturfühlern (10), die in einem inneren Elektronikabschirmgehäuse (8) enthalten ist und einen eigenen Ventilator (11) besitzt. Die Kühlluft für die Elektronik (9) tritt dabei zunächst durch ein Staubfilter (12) von der Umgebung her mit Umgebungstemperatur in die untere Abteilung ein. Ein Teil der Kühlluft wird vom Ventilator (11) durch das Elektronikabschirmgehäuse getrieben und wärmt sich durch die Verlustleistung der Elektronik, die etwa 300 Watt beträgt, auf. Ist die Außenluft sehr kalt, so wird der obere Ventilator (13) nur wenig Abluft ansaugen. Dadurch entsteht in der unteren Abteilung ein Kreislauf der Luft durch die Elektronik (9), bis sie genügend aufge wärmt ist. Die Regelung des Elektronik-Ventilators (11) hält dabei durch die Temperaturfühler (10) die Elektronik ebenfalls auf konstanter Temperatur, hier auf etwa 35 Grad Celsius. Die aufgewärmte Luft strömt nun in die obere Abteilung und streicht am Flugrohr längs, gezogen von dem Ventilator (13) in der oberen Abteilung, der durch die Temperaturfühler (2) geregelt wird und die Abluft nach außen befördert.

Das Flugrohr muß aber nicht unbedingt Temperaturfühler tragen; es kann stattdessen auch der kritische Abstand zwischen Ionenquelle und Detektor auf andere Weise gemessen und zur Re gelung des Abluftstromes verwendet werden. Dieser Abstand kann beispielsweise durch ein preiswertes, kleines Laserinterferometer gemessen werden, das in die Vakuumeinrichtung ein gebaut ist. Die Präzision solcher Laserinterferometer liegt zur Zeit bei etwa fünf Mikrometern, was bei einem Meter Fluglänge einer Massengenauigkeit von zehn ppm, bei zwei Metern Flug länge einer solchen von fünf ppm entspricht. Es ist zu erwarten, daß die Meßgenauigkeit sol cher preiswerten Laserinterferometer zunimmt. - Selbst eine gelegentlich, aber einigermaßen regelmäßig eingestreute Messung einer Referenzsubstanz kann zur Regelung verwendet wer den, da die Temperaturänderungen des Flugrohrs in dieser Regelstrecke relative träge sind.

Sind die Temperaturdriften der Hochspannung genügend gut ausgeregelt, so kann natürlich die Thermostatisierung der Elektronik entfallen. Im allgemeinen gilt jedoch, daß die Schwankun gen der Hochspannung um einen Faktor 5 bis 10 zurückgehen, wenn die Elektronik tempera turgeregelt ist. Die Temperaturregelung ist allerdings nur dann sinnvoll, wenn keine starke Lastschwankungen vorliegen. Da die Versorgung der elektrischen Felder im Massenspektro meter an sich keine Leistung verbraucht, stellen die Spannungsteiler für die Herstellung von Teilspannungen den Hauptverbraucher an Wirkleistung dar, es sind daher überhaupt keine Lastschwankungen vorhanden. Andererseits ist eine Temperaturregelung hier besonders effek tiv, da Spannungsteiler meist kritische Temperaturdriften zeigen.

Die Thermostatisierung des Flugrohrs kann auch dadurch erzeugt werden, daß dem Abluft strom durch eine geregelte Klappe ein Teil Frischluft beigemischt wird, um die Abluft im Be reich des Flugrohrs auf einer Temperatur zu halten, die die Thermostatisierung bewirkt. Um gekehrt kann auch einer Frischluftströmung eines Ventilators ein wechselnder Teil an Abluft beigemischt werden, wobei die restliche Abluft nach außen abgeführt wird.

Claims

1. Flugzeitmassenspektrometer, bei dem sowohl das evakuierte Flugrohr als auch weitere zum Betrieb erforderliche, Verlustwärme abgebende Bauteile in einem gemeinsamen Ge häuse untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des Flugroh res auf einem über der Temperatur der Umgebungsluft liegenden Niveau ein oder mehrere Ventilatoren die Umgebungsluft geregelt über die Bauteile dem Äußeren des Flugrohres zuführen.

2. Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flugrohr mit mindestens einem Meßfühler für die Temperatur bestückt ist, wobei die Temperatur messungen zur Regelung des Luftstroms benutzt werden.

3. Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnungs meßstreifen als Temperaturfühler benutzt werden.

4. Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Flugrohr eine Längenmeßeinrichtung angebracht ist, deren Messungen zur Luftstromregelung ver wendet werden.

5. Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen meßeinheit ein Laserinterferometer ist.

6. Flugzeitmassenspektrometer nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Strömungsregelung für die Thermostatisierung durch Leistungsregelung min destens eines Ventilators im Luftstrom bewerkstelligt wird.