DE19930894A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Ionenzahl in Ionenfallen-Massenspektrometern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ionenzahl in Ionenfallen-Massenspektrometern, wobei die Ionen nach ihrer Entstehung in eine Multipol-Ionenleitvorrichtung aufgenommen und zwischengespeichert werden. Durch die Messung wird eine definierte Teilmenge der zwischengespeicherten Ionen bestimmt und damit die Anzahl der Ionen geregelt, die zur massenspektrometrischen Analyse in die Ionenfalle überführt werden. Eine Betriebsart der Multipol-Ionenleitvorrichtung kann auch dafür sorgen, unerwünschte Massenbereiche vor der Überführung der Ionen in das Ionenfallen-Massenspektrometer wegzufiltern. Die Erfindung ermöglicht eine Vermeidung der Raumladungseffekte, die durch Überfüllung der Ionenfallen verursacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ionenzahl in Ionenfallen-Massenspektrometern, wobei die Ionen nach ihrer Entstehung in eine Multipol- Ionenleitvorrichtung aufgenommen und zwischengespeichert werden. Durch eine Messung wird eine definierte Teilmenge der zwischengespeicherten Ionen bestimmt und damit die An­ zahl der Ionen geregelt, die zur massenspektrometrischen Analyse in die Ionenfalle überführt werden.

Stand der Technik

Konventionelle Verfahren zur Ionisierung der Substanzen für massenspektrometrische Analy­ se, wie z. B. Elektronenstoß, können auf die großen organischen bzw. biologischen Moleküle nicht angewandt werden. Diese Spezies werden weder durch thermische Energiezufuhr unzer­ setzt in die Gasphase überführt, noch werden sie durch Elektronenstoß ionisiert, ohne frag­ mentiert zu werden. Heutzutage verwendet man in der Massenspektrometrie sehr häufig Elektrospray- oder matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisierung (MALDI), welche den großen Molekülen viel mildere Ionisierungbedingungen anbieten.

Elektrospray-Ionisierung ist das wahrscheinlich am meisten benutzte Ionisierungsverfahren für die Massenspektrometrie größerer Moleküle. Ein Übersichtsartikel über den Mechanismus von Elektrospray-Ionisierung ist von P. Kebarle und L. Tang in "Analytical Chemistry" 65, 972A-986A (1993) publiziert worden. Bei diesem Verfahren werden Ionen bei Atmosphä­ rendruck unter Hochspannung (3-6 kV) zwischen einer Elektrospraynadel und einer Ge­ genelektrode erzeugt. Obwohl der Sprühvorgang oft durch eine langsame und fein regulierba­ re Spritzenpumpe unterstützt wird, ist die Abtrennung kleiner geladener Tröpfchen als Resul­ tat der großen Ionendichte auf der Flüssigkeitsoberfläche (Coulomb-Abstoßung) die wesentli­ che treibende Kraft des Sprayvorgangs. Ein "Trockengas", das im Gegenstrom gegen den Flug der geladenen Tröpfchen fließt, führt zur Verdampfung des Lösungsmittels (Desolvati­ onsprozeß) und deswegen zur Verkleinerung der Tröpfchenradien. Wegen der dadurch ver­ stärkten coulombschen Kräfte werden ionisierte Moleküle verdampft, meistens vielfach proto­ niert. Diese Ionen werden durch eine Kapillare, durch ein mehrstufiges Vakuumsystem und durch eine Multipol-Ionenleitvorrichtung dem Massenspektrometer zur Messung zugeführt.

Elektrospray-Ionisierung unter Atmosphärendruck hat es sehr vereinfacht, Trennmethoden wie z. B. Flüssigchromatographie oder Kapillarelektrophorese, direkt an die Massenspektro­ metrie zu koppeln.

Laserdesorptions-Ionisierung (LDI) wird seit langem benutzt, um große organische Moleküle erfolgreich in die Gasphase zu überführen und zu ionisieren. Eine spezielle Art der LDI ist die Matrix-unterstützte Laserdesorptions-Ionisierung (MALDI). Der Übersichtsartikel von E. J. Zaluzec, D. A. Gage, J. T. Watson in Protein Expression and Purification 6, 109-123 (1995) berichtet über MALDI-Anwendungen zur Charakterisierung von Proteinen und Peptiden. Ein MALDI-Artikel von H. J. Räder und W. Schrepp über die Analyse von synthetischen Polyme­ ren mit Hilfe von MALDI-Flugzeit-Massenspektrometrie ist in Acta Polymer. 49, 272-293 (1998) zu finden.

In MALDI werden die Analytmoleküle mit einer sogenannten Matrix gemischt. Das Molver­ hältnis Analyt-zu-Matrix beträgt dabei üblicherweise 1 : 102 bis 1 : 104. Der Laserstrahl wird von Matrixmolekülen absorbiert und auf Analytmoleküle weitergeleitet. Diese bekommen somit die nötige Energie, in die Gasphase zu gelangen und werden dabei teilweise ionisiert. Die Ionisierung erfolgt meistens durch eine Protonenaufnahme. Substanzen, die als Matrix verwendet werden, sind zumeist Protonendonatoren. Als Zusatz werden in speziellen Fällen auch Alkalimetallsalze oder Silbersalze verwendet, um eine entsprechende Metallionenan­ lagerung zu erzielen.

In klassischen Fällen der MALDI-Flugzeitmassenspektrometrie extrahiert man die Ionen mit einem Hochspannungspuls aus dem Quellenbereich des Massenspektrometers und beschleu­ nigt sie in das Flugrohr. Im Gegensatz zu MALDI-Flugzeit-Massenspektrometrie, möchte man bei den Hochfrequenz-Ionenfallen (Paul-Falle) und elektromagnetischen Ionenfallen (Penning-Fallen, Ionenzyklotronresonanz- und Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz­ massenspektrometrie) niederenergetische Ionen zu erzeugen, um deren verlustfreien Einfang in der entsprechenden Ionenfalle zu erzielen. Hier werden Ionen also nicht auf Energien von mehreren Kiloelektronenvolt beschleunigt.

Im Bereich der niederenergetischen Extraktion der MALDI-erzeugten Ionen macht sich die Variation von deren überschüssiger Energie bemerkbar und verursacht schon sogar beim Auf­ fangen Schwierigkeiten. Sie führt zu einer starken Streuung der erzeugten Massensignale und deshalb zu unreproduzierbaren analytischen Ergebnissen. Eine Niederspannungs- MALDI-Ionenquelle wird von A. N. Krutchinsky, A. V. Loboda, V. L. Spicer, R. Dworschak, W. Ens, K. G. Standing in "Rapid Communications in Mass Spectrometry" 12, 508-518 (1998) beschrieben, wobei die Ionen direkt in ein Quadrupol hineindesorbiert werden. Da die Ionen praktisch im Quadrupol gebildet werden, werden sie effizient eingefangen. Die Ionen werden hier jedoch nicht im Quadrupol gespeichert, sondern das Quadrupol wird lediglich als Ionenleitvorrichtung benutzt, um die Ionen zu einem Flugzeitmassenspektrometer weiterzu­ leiten.

Die Ionenfallen-Massenspektrometrie unterscheidet sich insofern von der Ionen-Transmis­ sions-Massenspektrometrie, als die Fallen begrenzte Kapazitäten zur Speicherung der Ionen aufweisen. Eine Überfüllung der Ionenfallen ist ebenso unerwünscht wie eine zu geringe Io­ nenzahl. Verfahren zur Regelung der Ionenzahlen bei Hochfrequenzfallen werden in den Pa­ tenten US 5,107,109 und DE 43 26 549 beschrieben. Beide Patente beschreiben eine kontrol­ lierte Erzeugung von Ionen durch Elektronenstoß in der Falle, indem die Ionisierungszeit der Analytmoleküle geregelt wird. Im ersten Fall wird die Ionenzahl in der Falle durch eine Vor­ messung der Ionenladung in der Falle bestimmt und in der sofort nachfolgenden Messung geregelt. Im letzteren wird der Istwert der Ionenzahl aus der Integration mehrerer vorange­ hender massenspektrometrischer Messungen extrapoliert und für die Regelung verwendet.

Nachteile der bisherigen Technik

Die pulsweise Erzeugung von Ionen durch MALDI oder LDI weist grundsätzliche Unter­ schiede zur Ionenbildung in einer kontinuierlich funktionierenden Ionenquelle. Die Ionisierung wird hier durch einzelne Laserpulse ausgelöst, welche Moleküle in einer kristallinen Matrix in die Gasphase überführen und dabei teilweise ionisieren. Bei jedem Laserpuls wird auch die Oberfläche der Probe modifiziert und neu gestaltet, kleine Krater gebildet, während ein Teil der Materie von der Oberfläche weggetragen wird. Dadurch stellt das "Ionenbild" des nachfolgenden Laserpulses nicht unbedingt eine quantitative Reproduktion des Ionenbildes vom vorgehenden Puls dar. Das heißt, die Anzahl der Ionen, die durch den MALDI-Prozess in die Gasphase geraten, sowie das Intensitätsverhältnis von Analytionen zu Matrix-Ionen können von Laserpuls zu Laserpuls stark variieren. Dadurch wird eine variierende Raumla­ dung in der Falle verursacht.

Die Bestimmung der Ionenmasse in der FTICR-Falle erfolgt durch eine Frequenzmessung. Durch Raumladung verschiebt sich diese Frequenz. Gemessen wird somit eine "reduzierte Zyklotronfrequenz", die von der Stärke der Raumladung abhängt. In der Publikation von J. B. Jeifries, S. E. Barlow and G. H. Dunn, International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 54, 169-187, (1983) werden die Verschiebungseffekte durch die Raumladung theo­ retisch beschrieben. Wenn die Ionenzahl von Aufnahme zu Aufnahme variiert und nicht gere­ gelt wird, kann dies jedesmal eine entsprechende Verschiebung des Massensignals verursa­ chen.

Bei großen Ionendichten tritt in der FTICR-Massenspektrometrie ein weiteres unerwünschtes Phänomen auf, nämlich die sogenannte "Peak Coalescence" (Peakverschmelzung). Signale von Ionen sehr kleinen Massenunterschieds nähern sich einander und verschmelzen schließlich. Das Produkt dieser Verschmelzung ist meistens wieder ein scharfer Peak. Bei MALDI- FTICR-Massenspektrometrie beobachtet man häufig die Peakverschmelzungsphänomene wegen der ungeregelten Ionenzahl, die in die ICR-Falle überführt wird.

Wenn mehrere Spektrenaufnahmen aufaddiert werden sollen, um eine Erhöhung des Signal- zu-Rausch-Verhältnisses zu erzielen, bereiten diese Frequenzverschiebungen Schwierigkei­ ten. Die variierende Ionenzahl von aufeinanderfolgenden Ionisationsprozessen (z. B. MALDI) erzeugt variierende Raumladung und Massenverschiebungen in jedem aufgenommenen Spek­ trum. So zeigt sich dieser Effekt bei Aufaddierung aller aufgenommenen Spektren als eine Peakverbreiterung und führt zu einem Verlust der Auflösung. Die FTICR-Massenspektro­ metrie wird heutzutage weitgehend wegen ihrer extrem hohen Massengenauigkeit und Mas­ senauflösung eingesetzt. Deshalb bedeuten hier allein sehr kleine Verschiebungen, die durch Raumladungseffekte hervorgerufen werden, einen großen Verlust an Leistungsfähigkeit.

Genauso wie in ICR-Fallen, machen sich die Raumladungseffekte auch in Hochfrequenz- Ionenfallen (Paul-Fallen) bemerkbar. In "Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry", herausgegeben von R. E. March und J. F. J. Todd (CRC Press 1995), werden Raumladungsef­ fekte in Paul-Fallen besprochen (Band 1, Kapitel 8, S. 350-361, Autoren: F. Vedel, M: Vedel, J. Brodbelt).

Obwohl die Schwierigkeiten mit der Variation des massenspektrometrischen Signals sich be­ sonders bei MALDI-Ionisierung bemerkbar machen, ist sie bei anderen Arten der Ionisierung auch festgestellt worden. Die Elektrospray-Ionisierung zeigt ebenfalls starke Fluktuationen der Ionenbildung. Hinzu kommt, daß die durch Elektrospray ermöglichte Kopplung mit chromatographischen oder elektrophoretischen Trennverfahren sehr starke Konzentrationsän­ derungen der Analytsubstanzen mit sich bringt, die ebenfalls ausgeregelt werden müssen.

Aus diesen Gründen wird ersichtlich, daß eine Regelung der Raumladung in Ionenfallen sehr wichtig ist.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, um in Ionenfallen-Massenspektrometern starke Variationen der Ionenzahlen, die durch fluktuierende Ionenerzeugung verursacht werden, und der damit verbundenen Raumladungseffekte zu ver­ meiden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung besteht darin, Ionen nach ihrer Entstehung zunächst in einer Multipol-Ionen­ leitvorrichtung einzufangen und dort zwischenzuspeichern, eine definierte Teilmenge dieser Ionen zu messen, und mit diesem Meßergebnis die anschließende Füllung der Ionenfalle zu regeln.

Zur Zwischenspeicherung der Ionen im Multipol-Ionenleitsystem ist es erforderlich, am An­ fang und am Ende des Multipol-Ionenleitsystems je ein Reflexionspotential anzubringen. Es kann dies durch Lochblenden geschehen, wobei auch Abstreifer ("Skimmer") als Lochblen­ den angesehen werden können. Eingangsseitig kann auch die MALDI-Probenträgerplatte das Potential für die Speicherung der Ionen bereitstellen. Das Potential für die ausgangsseitige Lochblende muß schaltbar sein, um vom Speicherzustand auf einen Extraktionszustand um­ schalten zu können.

Die Befüllung der Ionenfalle aus der Ionenleitvorrichtung richtet sich nach der Anzahl der Ionen in der Ionenleitvorrichtung, dem sogenannten Füllstand. Im Allgemeinen ist die Füllge­ schwindigkeit vom Füllstand abhängig. Die speichernde Multipol-Ionenleitvorrichtung kann auch aus mehreren einzelnen Multipol-Systemen bestehen.

Für den Fall einer Ionisierung durch MALDI hat die Zwischenspeicherung in einer Multipol- Ionenleitvorrichtung den weiteren Vorteil, daß man die in einzelnen Laserschüssen produ­ zierten Ionen sammeln kann, um sie erst dann in die Falle zu übertragen. Einerseits kann man bei zu geringen Analytkonzentrationen in der untersuchten Probe durch viele Laserschüsse die Analytionen anreichern. Sind andererseits zu viele Ionen erzeugt worden, stellt man das durch die Vormessung fest und berücksichtigt es bei der Füllung der Ionenfalle, um die Raumladung unter Regelung zu halten.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Ionen in der Multipol-Ionenleit­ vorrichtung durch Stöße mit Gasmolekülen in kurzer Zeit ihre überschüssige kinetische Ener­ gie verlieren, wenn sich die Multipol-Ionenleitvorrichtung in einem Bereich des Massenspek­ trometers mit etwas erhöhtem Druck befindet. Dadurch verbessert sich die Wahrscheinlich­ keit des Einfangs im Ionenfallen-Massenspektrometer.

Weiterhin kann man mit Hilfe einer Multipol-Ionenleitvorrichtung unerwünschte Ionen fil­ tern, bevor sie zur endgültigen Massenanalyse in die Ionenfalle weitergeleitet werden. Die Anwesenheit der unerwünschten Ionen bedeutet nichts anderes als zusätzliche Raumladung. Die Filterung in einem stabförmigen Multipol ist bekannt; jeder Multipol besitzt eine untere Massenabschneidegrenze für die Speicherung von Ionen, die nur von den elektrischen und mechanischen Parametern des Multipols abhängt.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 beschreibt eine Laserdesorptions-Ionenquelle, wobei direkt vor dem Probenträger ein Multipol-Ionenleitvorrichtung angebracht ist. Ionen, die durch Laserbeschuß aus der Probe desorbiert werden, werden direkt in die Multipol-Ionenleitvorrichtung aufgenommen und dort zwischengespeichert. Eine Teilmenge dieser Ionen wird aus der Falle extrahiert und durch die Falle hindurch zu dem Detektor überführt. So wird die Zahl der zwischengespeicherten Ionen bestimmt und dadurch entschieden, wieviel von den restlichen zwischengespeicherten Ionen zur massenspektrometrischen Analyse in die Ionenfalle übertragen wird, oder ob neue Laser­ pulse notwendig sind, um mehr Ionen zu erzeugen.

Fig. 2 beschreibt eine LDI-Quelle für ein ICR-Massenspektrometer, wobei sich eine spei­ chernde Multipol-Ionenleitvorrichtung vor dem Probenträger befindet. Diese Ionenquelle ist zur Bestimmung der Zahl der zwischengespeicherten Ionen mit einem Deflektor und einem Ionendetektor ausgestattet.

Fig. 3 beschreibt eine LDI-Quelle, wobei sich eine speichernde Multipol-Ionenleitvorrichtung vor dem Probenträger befindet. Ionen die durch die Laserdesorption erzeugt werden, werden direkt in den Multipol aufgenommen und dort zwischengespeichert. Anschließend wird eine Teilmenge dieser Ionen durch einen kurzen Spannungspuls an der Extraktionslochblende her­ ausextrahiert. In dieser Anordnung fliegen die Ionen durch die ICR-Falle hindurch und pral­ len schließlich auf einen Ionendetektor auf zwecks Bestimmung der Zahl der zwischengespei­ cherten Ionen für die nachfolgende geregelte Befüllung der ICR-Falle.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung für ein FTICR-Massenspektrometer, mit einer Elektrospray- Quelle und einem Flüssigchromatographen. Die mit Hilfe des vorgeschalteten Chromatogra­ phen getrennten Komponenten des Substanzgemisches werden in der Elektrospray-Ionen­ quelle ionisiert und zu einer zwischenspeichernden Multipol-Ionenleitvorrichtung weiterge­ leitet. Die Vormessung einer bestimmten Teilmenge der zwischengespeicherten Ionen er­ möglicht die Ionenzahlregelung in der ICR-Falle.

Fig. 5 stellt den Algorithmus einer Ionenzahl-Regelprozedur schematisch dar, die mit einer Zwischenspeicherung der erzeugten Ionen arbeitet.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine MALDI-Quelle kombiniert mit einem HF-Ionenfallen-Massenspektrometer. Ionen werden von der Probe (1) auf dem Probenträger (2) durch den Strahl (3) des Lasers (4) erzeugt. Der Laserstrahl (3) gelangt in dieser Anordnung durch einen verstellbaren Abschwä­ cher (5), eine Linse (6) zur Fokussierung und durch das Laserfenster (7) auf die Probe (1) im Vakuumsystem des Massenspektrometers. Ionen, die auf diese Weise durch Laserdesorption bzw. durch MALDI erzeugt werden, werden direkt von der HF-Multipol-Ionenleitvorrichtung (8) aufgenommen. Die Multipol-Ionenleitvorrichtung ist in diesem Beispiel ein Oktopol, der direkt zwischen der Probenträgerplatte (2) und einer Lochblende (9) angebracht ist, sodaß die Multipol-Ionenleitvorrichtung als eine Multipol-Ionenfalle zur Zwischenspeicherung verwen­ det werden kann. Diese Lochblende (9) ist gegenüber der Vakuumstufentrennwand elektrisch isoliert. In der Fig. 1 ist die Isolierung durch kleine quadratische Punkte symbolisiert. Wenn während der LDI-Prozesse positive Ionen desorbiert werden, hat sowohl die Probenträger­ platte (2) als auch Endplatte (9) ein positives Potential (üblicherweise 5-20 Volt). Dadurch werden die desorbierten Ionen in dieser Multipol-Ionenfalle zwischengespeichert.

Ionen, die durch mehrere Laserschüsse nacheinander desorbiert werden, können in dieser li­ nearen Multipol-Ionenfalle akkumuliert werden. Nach einer bestimmten Speicherzeit werden die gespeicherten Ionen in den massenspektrometrischen Analysator übertragen, indem der Endplatte (9) für eine kurze Zeit eine negative Spannung (üblicherweise 1-5 V) angelegt wird. Für die konventionelle Massenspektrometrie mit dieser Ausführung werden die Ionen durch eine weitere Multipol-Ionenleitvorrichtung (10) (hier auch Oktopol) in eine Hochfrequenz- Ionenfalle (11) (Paul-Falle) mit einem Sekundärelektronenvervielfacher (12) weitergeleitet.

Das Vakuumsystem (13) besteht aus differentiell gepumpten Stufen mit separaten Pumpan­ schlüssen (14).

Zur Regelung der Ionenzahl wird diese Anordnung wie folgt benutzt. Eine kleine Teilmenge (etwa 5-10%) der in der Multipolfalle (8) zwischengespeicherten Ionen wird mit einem kur­ zen Puls durch die HF-Ionenfalle (11) hindurch zu dessen Detektor überführt und dort "vor­ gemessen". Durch diese Messung kann die Anzahl der restlichen Ionen in der Multipol-Ionen­ leitvorrichtung errechnet werden. Wenn diese Zahl für den normalen Betrieb der Ionenfalle zu groß ist, und Schwierigkeiten wegen Raumladungseffekte verursachen kann, wird mit dem Extraktionspuls nur eine entsprechende Teilmenge dieser Ionen in die Falle geschickt und massenspektrometrisch analysiert. Wenn die mittels Ionenvormessung errechnete Zahl der restlichen vorgespeicherten Ionen zu gering ist, um eine vernünftige Signalintensität zu er­ halten, dann wird weitere Laserpulse initiiert und die ganze Prozedur wiederholt, bis die Io­ nenzahl eine erwünschte Größe erreicht. Dann werden die akkumulierten Ionen in die Falle geschickt.

Die optimale Ionenzahl für die ICR-Falle oder für die Paul-Falle muß für dieses Verfahren bekannt sein.

Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann auch mit Hilfe eines Vordetektors durchgeführt werden. Ein Teil der Ionen, die in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischen­ gespeichert worden sind, wird durch einen kurzen elektrischen Puls (an die Extraktionsplatte der Multipol-Ionenleitvorrichtung wird eine schwache negative Spannung angelegt) aus die­ sem Zwischenspeicher herausgeholt und zu einem Vordetektor weitergeleitet. Die optimale Länge dieses elektrischen Testpulses wird experimentell so festgelegt, daß man dabei nicht mehr als 5-10% der gesamten, im Zwischenspeicher befindlichen Ionen herausholt. Der Vor­ detektor dient dazu, diesen kurzen Ionenpuls in ein Stromsignal umzuwandeln, das als Maß für den Füllstand dient. Durch eine Kalibrierung wird aus dem vom Vordetektor gemessenen. Füllstandssignal die Befüllungszeit bestimmt, die für die Übertragung der gewünschten Io­ nenmenge in das Ionenfallenmassenspektrometer benötigt wird.

Durch die Vordetektion einer kleinen Teilmenge der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen bekommt das System noch vor der massenspektrometrischen Analyse eine Information darüber, ob die Menge der Ionen für die optimale Füllung der Io­ nenfalle ausreichen wird oder nicht. Die Kalibration des Systems erfolgt durch die Korrelati­ on der in die Falle eingeschossenen Ionen mit dem Ionenstrom des Vordetektors. Die opti­ male Anzahl der Ionen in der Falle kann nach Signalintensität und Ausmaß der Frequenzver­ schiebungen in der jeweiligen Falle (FTICR oder Paul-Falle) bestimmt werden.

Ein anderes Verfahren nach vorliegender Erfindung sieht vor, daß die zweite Multipol-Ionen­ leitvorrichtung (10) in dem in Fig. 1 beschriebenen System als ein Vordetektor benutzt wird. Dafür wird eine Teilmenge der vorgeschpeicherten Ionen aus der ersten Multipol-Ionenleit­ vorrichtung extrahiert und in die Zweite weitergeleitet. Nach der Detektion der Ionenmenge wird der Multipol wieder in seine ursprüngliche Betriebsart als Ionenleitvorrichtung umge­ schaltet.

Fig. 2 zeigt die gleiche LDI-Quelle mit einer Multipol-Ionenleitvorrichtung, jedoch ange­ schlossen an ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanzmassenspektrometer: Der Laser­ strahl (3) geht auch in dieser Anordnung durch einen verstellbaren Abschwächer (5), eine Linse (6) zur Fokussierung und durch das Laserfenster (7) auf die Probe (1) im Vakuumsy­ stem des Massenspektrometers. Auch hier werden Ionen von der Probe (1) erzeugt und in der Multipol-Ionenleitvorrichtung (8) zwischengespeichert. In diesem Beispiel besteht die Ionen­ leitvorrichtung aus einem Oktopol. Nach einer Speicherzeit in diesem Multipol werden sie durch eine Umpolung der Spannung an der Lochblende (9) durch die ionenoptischen Linsen (15 und 16) in das Ionentransfersystem (17) des FTICR-Massenspektrometers übertragen. Das Ionentransfersystem (17) besteht meistens aus mehreren zylindrischen ionenoptischen Komponenten, mit deren Hilfe die Ionen in die ICR-Falle (18) weitergeleitet werden, um massenspektrometrisch nachgewiesen werden zu können. Die ICR-Falle befindet sich im massenspektrometrischen Vakuumsystem innerhalb des supraleitenden Magneten (19). Alle Pumpanschlüsse des differentiell gepumpten Vakuumsystems (20) sind in der Figur mit der Nummer 14 versehen.

Die Vormessung zur Feststellung der zwischengespeicherten Ionenzahl findet hier folgender­ maßen statt: Eine Teilmenge der zwischengespeicherten Ionen wird in aus der Multipol- Ionenleitvorrichtung hinausgepulst, und zur gleichen Zeit wird zwischen den beiden Hälften der Linse (15) eine Differentialspannung angelegt. Dadurch werden die Ionen zu einer Seite abgelenkt, worauf diese dann auf die Wand der zylinderförmigen Ionenlinse (16) aufprallen, die jetzt als Ionendetektor arbeitet. Der hier gemessene Strom gibt den Füllstand an und wird zur Regulierung der Länge des Extraktionspulses an der Extraktionselektrode (9) benutzt.

Die Zwischenspeicherung der Ionen in der Multipolfalle ermöglicht natürlich auch eine grö­ ßere Anzahl von Ionen auf einmal in die massenspektrometrische Ionenfalle zu übertragen, wenn das nötig ist. So ist eine anfängliche Überfüllung für eine Isolation nur einer Ionensorte in der Ionenfalle notwendig, wenn diese Ionensorte dann die optimale Anzahl an Ionen dar­ stellen soll. Durch Kenntnis der Ionenmischung durch ein zuvor gemessenes Spektrum kann der Grad der dazu notwendigen Überfüllung bestimmt werden.

Die Zwischenspeicherung der Ionen in der Multipol-Ionenfalle ermöglicht während der Spei­ cherzeit eine Abgabe der überschüssigen kinetischen Energie durch Stöße auf die Gasmole­ küle der Umgebung und dadurch eine Abkühlung der Ionen. Die energiearmen Ionen lassen sich wesentlich erfolgreicher zur massenspektrometrischen Ionenfalle überführen und dort einfangen.

In Abhängigkeit von den in der LDI-Quelle herrschenden Druckverhältnissen, kann die End­ platte der Multipol-Ionenleitvorrichtung in Form eines Skimmers (Abschäldüse oder Abstrei­ fer) gebaut werden. Das ermöglicht es, ein differentiell-gepumptes System zu bilden und im Ionenquellenbereich einen erhöhten Druck zu haben als in dem Rest des Massenspektrometer- Vakuumsystems.

Eine weiteres Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß zur Vormessung der Ionen ein Teil der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung gespeicherten Ionen durch die massenspek­ trometrische Falle hindurchgepulst wird, ohne aufgefangen zu werden. Diese prallen auf einen Ionendetektor hinter der Falle auf und erzeugen ein Referenzsignal für den Füllstand.

In der FTICR-Massenspektrometrie arbeitet man mit einer vorprogrammierten Pulssequenz, wobei man normalerweise vor jeder Ionenerzeugungspuls einen sogenannten Quenchpuls verwendet, um die Falle zu "säubern". Auf eine der Trappingplatten wird kurzzeitig (übli­ cherweise 50 Millisekunden) eine etwas höhere Spannung (-20 bis -50 V) angelegt, wodurch die verbliebenen positiven Ionen, auf diese Platte hinfliegen und neutralisiert werden. Negati­ ve Ionen fliegen bei einem gleichen Quenchpuls auf die restlichen Elektroden der ICR-Falle und werden somit auch neutralisiert und vernichtet. Basierend auf diesen Quenchpuls kann eine weitere Methode für eine Vormessung eingeführt werden. Eine Teilmenge der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen können in die ICR-Falle übertra­ gen werden und durch einen Quenchpuls auf eine der Trappingplatten beschleunigt werden wo sie aufprallen und dadurch einen Strom erzeugen, der als Füllstandssignal dient.

Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung für eine Vormessung der Menge der in der Multipol- Ionenleitvorrichtung gespeicherten Ionen in einem FTICR-Massenspektrometer mit einem Ionendetektor hinter der ICR-Falle.

Bei MALDI entstehen neben den Analytionen überschüssige Mengen von Matrixionen. Diese Ionen werden genauso in der Multipol-Ionenleitvorrichtung gespeichert und nachher mit Hilfe eines Ionentransfersystems in die Ionenfalle überführt. Da zusätzliche Ionen lediglich zur Raumladung beitragen, ist es günstig, diese zu entfernen, bevor sie überhaupt in die Falle ge­ schickt werden. Für diesen Prozeß kann die Multipol-Ionenleitvorrichtung auch eingesetzt werden.

Die weit verbreitete Quadrupolmassenspektrometrie basiert darauf, daß Ionen in einem "Qua­ drupolfilter" durch instabile Bahnen eliminiert oder "ausgefiltert" werden können. Im Buch "Quadrupole Mass Spectrometry" von Peter H. Dawson (Elsevier 1976) wird auf Seiten 19-­ 35 der Betrieb eines Quadrupols als Massenfilter beschrieben. Obwohl die Filtereigenschaften der höheren Multipole (Hexapol, Oktopol) nicht so gut wie die eines Quadrupols sind, können trotzdem Ionen in diesen Multipol-Ionenleitvorrichtungen gefiltert werden. Besonders das Ausfiltern von kleinen Ionen (unter einem vorgebbaren Masse-zu-Ladungs-Verhältnis) kann durch Wahl der anliegenden Hochfrequenzamplitude leicht erreicht werden.

Die Ionenfallen-Eigenschaften der Multipole werden mit steigender Anzahl der Pole besser. Deshalb sind die Hexapol- und Oktopol-Ionenleitvorrichtungen als lineare Ionenfalle besser geeignet als eine Quadrupol-Ionenleitvorrichtung.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einer Elektrosprayquelle mit Sprühnadel (Zerstäuberdüse) (23) der Elektrospray-Kapillare (24) aus Glas mit metallisierten Enden (25 und 26) und dem Skimmer (27) (Abschäldüse). Diese Quelle ist an einen Flüssigchromatographen (28) ange­ schlossen (29) und liefert Ionen für ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanzmassen­ spektrometer. Der Anschluß (30) für das Zerstäubergas befindet sich auch an der Trägerplatt­ form der Zerstäuberdüse (20). Das Vakuumsystem (31) wird hier differentiell gepumpt. Jede Vakuumstufe hat separate Pumpanschlüsse (14). Die Zwischenspeicherung und Vormessung findet, analog zu dem Fall mit der LDI-Quelle, aus der speichernden Multipol-Ionenleitvor­ richtung heraus statt.

Da die Elektrosprayquelle kontinuierlich betrieben wird, wird die Multipol-Ionenleitvorrichtung ständig weitergefüllt, während mit einer Teilmenge herausextrahierter Ionen die Vor­ messung der Ionenzahl durchgeführt wird. Die Vormessung erfordert jedoch nur eine sehr kurze Zeit, die im Mikrosekundenbereich bleibt, so daß die Vormessung nur eine vernachläs­ sigbare Ungenauigkeit für die Errechnung der Ionenzahl erfährt.

Fig. 5 zeigt den Algorithmus einer Regelprozedur für die Befüllung der Ionenfalle mit einer erwünschten Ionenzahl. Ionen werden z. B. durch einen Laserpuls von der Probe desorbiert und in der Multipol-Ionenleitvorrichtung gespeichert. Durch eine Vormessung wird festgestellt, ob die Ionenzahl in der Multipol-Ionenleitvorrichtung im Toleranzbereich liegt. Die Ionenzahl soll groß genug sein, um ein massenspektrometrisches Signal mit einem guten Signal-zu- Rausch-Verhältnis zu erzeugen, aber nicht zu hoch, daß die unerwünschten Raumladungsef­ fekte in der Ionenfalle auftreten. Wenn die Ionenzahl im richtigen Bereich liegt, wird die im Zwischenspeicher befindliche Ionenwolke zwecks massenspektrometrischer Analyse in die Ionenfalle überführt. Wenn die Zahl der Ionen zu niedrig ist, wird der Laser noch einmal akti­ viert und die dadurch desorbierten Ionen zu den bereits zwischengespeicherten addiert. Mög­ licherweise zeigt die Vormessung jetzt eine Ionenzahl im Toleranzbereich. Wenn nicht, wird die Prozedur wiederholt. Schließlich werden die Ionen in die Ionenfalle überführt und mas­ senspektrometrisch analysiert. Wenn die Vormessung der zwischengespeicherten Ionen je­ doch darauf hinweist, daß die zwischengespeicherte Ionenzahl zu hoch ist, darf jetzt nur eine bestimmte Teilmenge dieser Ionen in die Ionenfalle geschickt und dort analysiert werden. Zu diesem Zweck wird die Pulslänge der Ionenextraktionspulse nach einem vorgegebenen Algo­ rithmus reduziert. Die errechnete Extraktionspulslänge sorgt dafür, daß die Anzahl der in die Ionenfalle überführten Ionen im Toleranzbereich bleibt. Der Zusammenhang zwischen der Extraktionspulslänge und dem Füllstand bei verschiedenen Extraktionsspannungen läßt sich experimentell bestimmen.

Außerdem kann man angeben, welcher Bruchteil der zwischengespeicherten Ionen einer Fül­ lung in die Ionenfalle übertragen worden ist. So können beispielsweise quantitative Aussagen über die pro Laserschuß desorbierten Ionen gemacht werden, obwohl vielleicht nicht die komplette Menge der desorbierten Ionen analysiert worden ist.

Eine Benutzung der Multipol-Ionenleitvorrichtung direkt nach der LDI- bzw. MALDI-Ioni­ sierung als eine Vorfalle für Ionenspeicherung, Ionenfilterung und die Vormessung der tota­ len Ionenladung wird eine komplette Kontrolle über die Raumladungseffekte in der Falle er­ möglichen. Einer der wichtigsten Punkte bei der Messung zur Regelung der Ionenzahl in die­ ser Erfindung ist, daß nicht die komplette Menge der zwischengespeicherten Ionen zur Mes­ sung der Ionenzahl benutzt wird. Nach einer Vormessung für die Feststellung der zwischen­ gespeicherten Ionenzahl, kann, bei Vorhandensein einer großen Menge an Ionen, die restliche Menge der Ionen auch für eine größere Anzahl von massenspektrometrischen Analysen in der Ionenfalle benutzt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Regelung der Befüllung von Ionenfallenmassenspektrometern, ausgerüstet mit Multipol-Ionenleitvorrichtungen, mit einer erwünschten Anzahl von Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen zunächst in einer Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeichert wer­ den, sodann der Füllstand der Ionenleitvorrichtung durch Messung einer definierten Teil­ menge der zwischengespeicherten Ionen bestimmt wird, bevor die Ionenfalle zum Zwecke der massenspektrometrischen Analyse aus der Ionenleitvorrichtung füllstandsabhängig und somit geregelt befüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen, die in der Multipol- Ionenleitvorrichtung zwischengespeichert werden, dort massenselektiv gefiltert werden, indem die Multipol-Ionenleitvorrichtung als Multipol-Massenfilter betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenfallenmassen­ spektrometer ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanzmassenspektrometer ver­ wendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionenfallenmassen­ spektrometer ein Hochfrequenz-Ionenfallenmassenspektrometer verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserdesorptions-Ionen­ quelle verwendet wird und daß die Ionen durch die Einwirkung eines Laserpulses auf eine Probe direkt in die speichernde Multipol-Ionenleitvorrichtung hinein desorbiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß MALDI-Ionen in der Multipol-Ionenleitvorrichtung nur teilweise zwischengespeichert werden, indem die leichten Matrixionen weggefiltert werden und nur die schweren Analytionen in der Io­ nenleitvorrichtung verbleiben.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen von einer Probe, die durch Elektrospray-Ionisierung gebildet werden, durch Systeme zur Entfernung der Lö­ sungsmittel und Verminderung des Drucks in eine Multipol-Ionenleitvorrichtung über­ führt und dort zwischengespeichert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Anzahl der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen eine Teilmenge dieser Ionen zur elektrischen Strommessung zu einem Detektor geleitet wird, die hinter der Multipol-Ionenvorrichtung angebracht ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor als Sekundärelek­ tronenvervielfacher ausgebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Anzahl der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen eine Teilmenge dieser Ionen zur elektrischen Strommessung in ein zweites Multipol weitergeleitet wird, das sonst für die Weiterführung der Ionen in die Ionenfalle eingesetzt wird und jetzt als Meß­ elektrode dient.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Anzahl der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen eine Teilmenge in die Ionenfalle überführt wird und durch eine massenspektrometrische Messung bestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Anzahl der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen eine Teilmenge dieser Ionen in die massenspektrometrische Ionenfalle überführt wird, und dort mit Hilfe eines Ionenlöschpulses an einer der Elektroden der Ionenfalle eine elektrische Totalionen­ strommessung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Anzahl der in der Multipol-Ionenleitvorrichtung zwischengespeicherten Ionen eine Teilmenge dieser Ionen zur Strommessung durch die Ionenfalle hindurch zu einem Ionendetektor hinter die­ ser Falle überführt wird.

14. Vorrichtung zur Zwischenspeicherung der Ionen, die durch Laserdesorptionsprozesse ge­ bildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Probenträgerplatte zur Laser­ desorption, einer Multipol-Ionenleitvorrichtung direkt vor der Trägerplatte, einer End­ platte in Form einer Lochblende zur Speicherung der Ionen und einer schaltbaren Poten­ tialversorgung für diese Lochblende besteht, wobei das schaltbare Potential entweder ein Reflexionspotential zur Speicherung der Ionen oder ein Extraktionspotential für die Ent­ nahme von Ionen bereitstellt.

15. Vorrichtung zur Zwischenspeicherung der Ionen für das Verfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sie aus einer Probenträgerplatte zur Laserdesorption, einer Multipol-Ionenleitvorrichtung direkt vor der Trägerplatte, einer Endplatte in Form einer Lochblende zur Speicherung der Ionen und einer schaltbaren Potentialversorgung für die­ se Lochblende besteht, wobei das schaltbare Potential entweder ein Reflexionspotential zur Speicherung der Ionen oder ein Extraktionspotential für die Entnahme von Ionen be­ reitstellt.

16. Vorrichtung zur Ionenzahlmessung von einer Teilmenge der zwischengespeicherten Ionen nach einem der Ansprüche 1, 3, 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Ionen­ zyklotronresonanzfalle ein Ionendetektor angebracht wird, womit die Ionen, die durch die Falle hindurchfliegen, gemessen werden können.