-
Die
Erfindung betrifft die Fragmentierung von Ionen in mit Stoßgas gefüllten Ionenfallen
durch eine Anregung ihrer axialen Schwingungen in einem dipolförmigen Anregungsfeld
mit einem Frequenzgemisch, das die Frequenz der Ionenschwingungen umfaßt.
-
Die
Erfindung besteht darin, die Spannungen des Frequenzgemisches für das dipolare
Anregungsfeld rampenförmig
hochzufahren, wodurch in gleichen Fragmentierungszeiten überraschenderweise für Ionen
verschiedener Strukturen etwa gleiche Fragmentierungergebnisse erhalten
werden wie bei jeweils strukturspezifisch optimaler, konstant anliegender
Spannung.
-
Stand der
Technik
-
Eine
Fragmentierung von Ionen ist notwendig, wenn Tochterionenspektren
aufgenommen werden sollen. Tochterionen sind nichts anderes als
geladene Fragmente der Elternionen, die aus ihnen bei Zuführung von
innerer Energie durch Zerbrechen entstehen.
-
Die
zugeführte
Energie kann beispielsweise Strahlungsenergie sein; eine neue Methode
ist hier BIRD = "Blackbody
Infrared Radiation Dissociation", die
aber nur für
große
Molekülionen
funktioniert und einen erheblichen apparativen Aufwand erfordert.
In der Regel wird die Energie viel einfacher durch Stöße mit einem
Stoßgas
in die Ionen hineingebracht (abgekürzt CID = "Collisionally Induced Dissociation"; manchmal auch CAD
= "Collisionally
Activated Dissociation").
-
Zwischen
zwei räumlich
nacheinander angeordneten Massenspektrometern kann man dabei die Ionen
zwischen den Spektrometern mit relativ hohen Energien durch eine
Zelle mit Stoßgas
hindurchschießen,
es führen
dann bereits einzelne Stöße zu spontaner
Fragmentierung. Die Tochterionen verlieren dabei nur wenig an Geschwindigkeit,
sie können in
derselben Zelle durch einen weiteren Stoß zu Enkelionen fragmentieren,
und so fort; diese Hochenergie-Tochterionenspektren
sehen wegen großer Nachkommenschaft
an Fragmentionen erheblich anders aus als Niederenergie-Tochterionenspektren.
-
In
Ionenfallen können
die Ionen nicht so weit beschleunigt werden, daß ein einzelner Stoß schon für eine Fragmentierung
ausreichte. Durch Aufschaukeln der Schwingungen im Quasipotentialtopf
der Ionenfalle müssen
hier die Energien aus vielen Stößen aufgesammelt
werden, bis schließlich
das Ions zerbricht. Die Energie verteilt sich dabei statistisch über das
ganze Ion, über
alle möglichen
Schwingungszustände
der inneren Struktur, und wabert dabei im Ion durch gekoppelte Schwingungen
hin und her, bis sich an einer Bindung mit niedriger Bindungsenergie durch
zufällige Überlagerung
soviel Energie versammelt, daß ein
Bruch auftritt. Es handelt sich dabei nicht mehr um spontane Brüche.
-
Die
Tochterionen haben eine andere Masse und eine andere Schwingungsfrequenz
in der Ionenfalle, sie werden daher durch die Anregungsfrequenz nicht
mehr weiter angeregt; im Ge genteil: sie werden im Stoßgas durch
weitere Stöße gekühlt und
abgebremst. Es entstehen also nicht sofort weitere Enkelionen: die
Spektren sind reine Tochterionenspektren.
-
Die
Aufnahme von Enkelionenspektren erfordert einen zweistufigen Fragmentierungsprozeß: Erzeugung
von Ausgangsionen der Substanz, Isolierung der ausgewählten Elternionensorte,
Fragmentierung zu Tochterionen, Isolierung einer ausgewählten Tochterionensorte,
Fragmentierung zu Enkelionen und Aufnahme des Enkelionenspektrums.
Die Ionenfalle ist zu Beginn dieses Vorgangs mit genügend Ionen
zu füllen,
eine Überladung
ist weitgehend unschädlich.
Die Aufnahme von Urenkelspektren erfordert einen weiteren zwischengeschalteten
Schritt der Isolierung und Fragmentierung. Es können noch weitere Nachkommenspektren
aufgenommen werden, Voraussetzung ist lediglich, daß mit einer
ausreichenden Füllung
der Ionenfalle mit Ausgangsionen der Substanz begonnen wird. Die
notwendige Füllung
kann, aus einer Spektrenserie heraus, durch das Verfahren nach Offenlegungsschrift
DE 197 09 086 berechnet
und gesteuert werden. Kommerziell erhältliche Ionenfallen erlauben
die Erzeugung von Nachkommenspektren bis zur zehnten Generation
und mehr.
-
Diese
nichtspontanen Brüche
der Ionen in Ionenfallen sind besonders aussagekräftig für deren Struktur,
weil sie sich erstens deutlich auf die Bindungen mit niedrigsten
Bindungsenergien beziehen und weil sie zweitens die Beziehung der
Tochter zur Mutter aufzeigen. In Hochenergiestößen läßt sich die Beziehung von Urenkel
zu Enkel und weiter zu Tochter und Mutter nicht mehr einfach ablesen.
Erst durch komplizierte Verfahren mit Markierungen durch angereicherte
Isotope läßt sich
der Fraktionsweg und damit die mögliche
Struktur des Ions eindeutig beschreiben.
-
Eine
Messung aller wesentlichen Tochter-, Enkel- und Urenkelspektren
in einer Ionenfalle gibt somit in idealer Weise den Fragmentierungsweg
wieder und ist unschätzbar
für die
Struktur- und Identitätsbestimmung
des Ausgangsions. Wünschenswert, aber
zur Zeit noch nicht durchführbar,
ist eine automatische Messung aller dieser Ionenspektren. Optimal
wäre es,
wenn diese automatische Messung auch noch in der kurzen Zeit vorgenommen
werden könnte,
die bei einer Separation von Substanzen eines Gemisches etwa durch
Flüssigkeitschromatographie
zur Verfügung
steht, also in etwa zehn Sekunden.
-
Die
Energiemenge für
die Fragmentierung ist jedoch abhängig vom Aufbau der Ionen.
Es gibt Ionenstrukturen, die eine Fragmentierung bereits durch sehr
wenig zugeführte
Energie ermöglichen,
und andere, die sehr viel mehr Energie brauchen. Die optimale Anregungsspannung
kann durchaus zwischen einem leicht fragmentierbaren Ion und einem
schwer fragmentierbaren gleicher Masse um einen Faktor sechs verschieden
sein. Das Optimum der besten Anregungsspannung ist dabei relativ
scharf: etwas zuwenig oder zuviel Spannung liefert gar keine Fragmentierung
oder – aus
bisher nicht voll verstandenen Gründen – keine einfangbaren Tochterionen,
möglicherweise,
weil die Elternionen vor ihrer Fragmentierung bereits an die Endkappenelektroden
der Ionenfalle anstoßen.
-
Die
Automatisierung der Aufnahme von Tochterspektren (und Enkelspektren)
in Ionenfallen wird dadurch praktisch unmöglich oder zumindest sehr schwierig.
Ein stufenweises Ausprobieren der optimalen Fragmentierungsspannung
verbietet sich meist aus Zeitgründen.
-
Selbst
innerhalb einer Gruppe ähnlicher Substanzen – wie beispielsweise
den Peptiden – hängt die
optimale Fragmentierung der Ionen noch stark von der (in der Regel
noch unbekannten) Zusammensetzung und Struktur der Ionen ab. Zudem gibt
es noch eine Zunahme der optimalen Anregungsspannung mit der Masse
der Ionen, die sich der Strukturverschiedenheit überlagert. Sie ist dadurch
erklärbar,
daß sich
die Energie auf mehr Freiheitsgrade verteilt, wenn das Molekülion größer ist.
-
Die
Energie muß zudem
in recht kurzer Zeit zugeführt
werden, da mit zunehmend aufgesammelter Energie diese wieder zunehmend
abgestrahlt oder durch sehr niederenergetische Stöße (im thermischen
Bereich) abgegeben wird. Die Abstrahlung hat eine feste Zeitkonstante,
die aufgenommene Energie kann also nur dann befriedigend hohe Werte annehmen,
wenn die Zuführung
in kurzer Zeit geschieht.
-
Bevor
die Ionen einer Ionensorte fragmentiert werden, werden alle anderen
Ionen, die sich in der Ionenfalle befinden, aus der Falle durch
einen besonderen Vorgang herausgeworfen, damit diese Ionen nicht
das Spektrum der Töchter
stören.
Diesen Vorgang nennt man Isolierung: es werden dabei nur die zu
fragmentierenden Ionen in der Ionenfalle belassen. Da aus zweifach
geladenen Elternionen auch Tochterionen entstehen können, deren
Masse-zu-Ladungsverhältnis
m/z größer ist
als das der Elternionen, müssen
auch die nichtinteressierenden Ionen entfernt werden, die schwerer
als die Elternionen sind, wobei sich der Begriff "schwerer" (wie auch der im
folgenden benutzte Begriff "leichter") auf das Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z
bezieht.
-
Die
Aufnahme von Tochterionenspektren hat sich besonders für die Untersuchung
von Peptiden bei Ionisierung durch Elektrosprühen bewährt. Die Peptide entstammen
meist einem Verdau eines größeren Proteins
durch ein Enzym, beispielsweise Trypsin. Diese Verdaupeptide überstreichen
einen Massenbereich von etwa m = 500 bis etwa m = 4000 atomare Masseneinheiten.
Dabei werden jedoch nicht nur einfach geladene Ionen erzeugt, sondern auch
zweifach, dreifach und sogar vierfach geladene Ionen. Als Faustregel
kann man sagen, daß der Schwerpunkt
der Ladungsverteilung pro tausend Masseneinheiten um eine Ladung
zunimmt.
-
In
Ionenfallen hat es sich besonders bewährt, die doppelt geladenen
Ionen für
die Fragmentierung heranzuziehen. Es gibt dafür mehrere Gründe, unter
anderen auch die leichtere Fragmentierbarkeit. Insbesondere ist
aber die Spanne zwischen dem kleinsten nachweisbaren Tochterion,
gegeben durch die Abschneidegrenze mα/z
der Ionenfallen für
leichte Ionen, und dem größten Tochterion
(bezogen auf m/z) wesentlich größer als
für einfach
geladene Elternionen.
-
Es
hat sich in der Praxis herausgestellt, daß es günstig ist, die Ionen nicht
monoisotopisch zu isolieren, sondern alle Ionen eines Masse-zu-Ladungsverhältnisses
mit den isotopischen Be gleitern in der Ionenfalle zu belassen und
gemeinsam zu fragmentieren. Es ergibt sich dadurch der Vorteil,
daß man den
Tochterionen am Abstand der isotopischen Peaks sofort ansehen kann,
ob sie einfach oder mehrfach geladen sind.
-
Die
gemeinsame Fragmentierung aller Isotopenmassen erzwingt aber die
Anwendung eines Frequenzgemisches zur Fragmentierung. Dieses Gemisch
muß die
Frequenzen der beteiligten Ionen überstreichen. Am einfachsten
könnte
das erreicht werden, wenn für
jede der beteiligten Ionensorten gleicher Isotopenmasse eine eigene
Fragmentierungsfrequenz ausgerechnet und angewendet würde.
-
Leider
läßt der Bau
moderner Ionenfallen, der aus hier nicht weiter erläuterten
physikalischen Gründen
eine nichtlineare Ionenfallengeometrie mit Überlagerung höherer Multipolfelder
erzwingt, eine eigene Fragmentierungsfrequenz für jeden Isotopenpeak nicht
zu. Die Schwingungsfrequenz der Ionen ändert sich durch die nichtlinearen
Feldanteile mit zunehmender Schwingungsamplitude. Die Anregung der
Ionen muß also
von einer anfänglich
wirksamen Anregungsfrequenz bei Zunahme der Schwingungsamplitude
auf eine benachbarte Frequenz "umsteigen". Dieser Umstieg
wiederum gelingt nur bei Phasengleichheit der beiden benachbarten
Anregungsfrequenzen.
-
Ein
Frequenzgemisch kann nur aus einzelnen diskreten Frequenzen mit
einem diskreten Frequenzabstand bestehen. Je geringer der Frequenzabstand
ist, umso länger
dauert es, bis zwischen zwei benachbarten Frequenzen Phasengleichheit herrscht,
bei dem allein der Umstieg möglich
ist. Konkret: bei einem Frequenzabstand von 250 Hertz zwischen zwei
benachbarten Frequenzen wird genau alle vier Millisekunden eine
Phasengleichheit eintreten. Ein Umstieg ist alle vier Millisekunden
möglich. Bei
einem engeren Abstand von 100 Hertz ist der Umstieg nur alle zehn
Millisekunden möglich.
-
Die
Fragmentierung mit einem Frequenzgemisch ist aus
DE 44 25 384 C1 bekannt.
Die Probleme des Umstiegs auf benachbarte Frequenzen werden in
DE 195 01 835 A1 dargelegt.
Die Entstehung von Seitenbändern
bei der Erzeugung von Frequenzgemischen wird in
DE 43 16 737 C1 beschrieben.
Für Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer
sind aus
US 4,761,545
A ebenfalls Frequenzgemische zur massenselektiven Anregung
und Isolierung bekannt. Die zeitliche Änderung der Frequenz einer
Anregungsspannung wird in
EP
0 643 415 A2 verwendet, um Ionen zu fragmentieren.
-
Die
Fragmentierung muß so
erfolgen, daß die
Tochterionen, deren Massen immer leichter als die der Elternionen
sind, in der Falle eingefangen werden können. Die Fragmentierung muß daher
bei einer HF-Amplitude erfolgen, die weit von der Amplitude für die untere
Abschneidegrenze für
die Ionenspeicherung entfernt ist. In der Regel arbeitet man bei
dem dreifachen Amplitudenwert für
die Abschneidegrenze mα/z, das heißt, alle
Tochterionen, deren m/z zwischen einem Drittel und dem vollen m/z
der Elternionen liegt, können
in der Ionenfalle eingefangen und als Spektrum gemessen werden.
Durch die HF-Amplitude wird die Schwingungs frequenz der Elternionen
und damit die Anregungsfrequenz für deren Fragmentierung bestimmt.
Ein günstiger
Wert für die
Fragmentierung in einer Ionenfalle, die mit etwa 800 Kilohertz Antriebsfrequenz
arbeitet, ist beispielsweise 75 Kilohertz. Soll die Fragmentierung
für Ionen einer
Masse von 1000 atomaren Masseneinheiten etwa 10 Massen erfassen
können,
so müßte das
Gemisch eine Breite von etwa 750 Hertz haben.
-
Bei
Masse 1000 atomarer Masseneinheiten hat eine Isotopengruppe etwa
vier meßbare
Isotopenlinien bei 1000, 1001, 1002 und 1003 atomaren Masseneinheiten.
Bei Amplitudenvergrößerung ihrer Schwingungen
in z-Richtung verändern
die Ionen ihre Schwingungsfrequenz um einen Betrag, der etwa zwei
bis drei Masseneinheiten entspricht. Zieht man auch noch Kalibrierungenauigkeit
mit ins Kalkül, kommt
man auf eine wünschenswerte
Anregungsbreite von etwa 10 Masseneinheiten.
-
Eine
optimale Fragmentierung besteht darin, in möglichst kurzer Zeit etwa 80–100 % der
Elternionen zu fragmentieren. Es stellt sich dabei heraus, daß für diesen
Zweck die Anwendung von vier Frequenzen mit drei Abständen zu
je 250 Hertz günstiger
ist als beispielsweise die Anwendung von acht Frequenzen mit sieben
Abständen
von je 100 Hertz, was vermutlich mit den oben erwähnten Umstiegen zu
tun hat. Zwar wird die Isotopenhäufigkeit
bei der Fragmentierung leicht verzerrt, aber die Zeit für eine optimale
Fragmentierung ist wesentlich kürzer.
Die Fragmentierung benötigt – eine optimale
Einstellung der Anregungsamplitude vorausgesetzt – dafür nur etwa
40 Millisekunden, erlaubt also etwa 10-maliges Umsteigen auf eine
Nachbarfrequenz. Bei einem Frequenzabstand von nur 100 Hertz würden nur
vier Umstiege in den 40 Millisekunden möglich sein; es wären aber
wegen des geringeren Frequenzabstandes mehr Umstiege erforderlich.
-
Aufgabe der
Erfindung
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Methode zu finden, die es ohne
Verlängerung
der Fragmentierungszeit erlaubt, Ionen sehr verschiedenartiger Struktur
ohne vorherige Kenntnis der günstigsten Fragmentierungsamplitude
möglichst
optimal zu fragmentieren.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Die
Erfindung besteht darin, die Fragmentierungsamplitude nicht konstant
in optimaler Stärke über die
gesamte Fragmentierungszeit hinweg anzulegen, sondern diese Fragmentierungsamplitude ohne
Verlängerung
der üblichen
Fragmentierungszeit von kleinen zur großen Werten durchzufahren. Eine
Variante besteht darin, die Fragmentierungsamplitude zunächst für eine sehr
kurze Zeit recht hoch zu wählen
und anschließend
von kleinen zu großen
Werten durchzufahren.
-
Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, daß eine
Rampe der Fragmentierungsamplitude, die etwa bei einem Drittel des
durchschnittlichen Wertes für
die Fragmentierungsamplitude für
Ionen dieser Masse beginnt und in der üblichen Fragmentierungszeit
bis zum doppelten durchschnittlichen Wert hinauffährt, für Ionen
sehr verschiedener Strukturen gleichzeitig sehr gute Fragmentierungsergebnisse
bringt. Die Fragmentierungsausbeuten liegen nur geringfügig unter
denen, die für
eine optimale, konstant anliegende Fragmentierungsamplitude gefunden
werden. Wieso diese Rampe, die ja für jede einzelne Ionensorte
die für
sie optimale Amplitude nur für
eine recht kurze Zeit bereitstellt, so günstige Ergebnisse liefert,
ist noch nicht verstanden. Für
die Amplitude der speichernden Hochfrequenzspannung ist die Verwendung
einer Rampe länger
bekannt, um Ionen massenselektiv aus einer Ionenfalle auszuwerfen
(z.B.: Liere et al., In: International Journal of Mass Spectrometry
and Ion Processes, Vol. 167/168, 1997, S. 735–751) und wird für den massenselektiven
Auswurf verwendet.
-
Die
Rampe kann dabei linear oder auch exponentiell erhöht werden.
Auch andere Rampenformen, etwa zusammengesetzt aus mehreren linearen Anstiegen,
können
gewählt
werden.
-
Anfangs-
und Endwerte der Rampe können von
der Masse und der Ladung der Ionen abhängig gewählt werden, entsprechend der
Abhängigkeit
der durchschnittlichen Fragmentierungsamplitude von der Masse oder
der Ladung.
-
Für Ionen
bekannter Strukturfamilien, beispielsweise Peptide, können die
Rampen besonders ausgestaltet werden, beispielsweise durch Einschränkung des
Rampenumfangs oder durch besondere Rampenformen.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
1 beschreibt
den zeitlichen Verlauf der Fragmentierungsspannung (Anregungsspannung)
in Form einer linearen Rampe. Um, ist eine
im Mittel über
viele Ionensorten ähnlicher
Masse optimale Fragmentierungsspannung für den stationären Fall.
-
2 beschreibt
eine linear ansteigende Rampe, die aber mit einem Puls relativ hoher
Spannung beginnt.
-
3 gibt
ein Gemisch aus vier Frequenzen wieder, die mit fünf gestrichelt
abgeteilten Wiederholperioden, in denen die Frequenzen jeweils phasengleich
beginnen und enden. Zur Darstellung der Phasenbeziehungen sind symbolisch
die Sinuskurven der Frequenzen dargestellt, es handelt sich also
nicht um eine zusätzliche
Modulation der Frequenzen. Die Figur gibt nur 9, 10, 11 und 12 Sinusperioden
in einer Wiederholperiode für
das Gemisch wieder; in der Praxis besteht dagegen das Gemisch aus
Wechselspannungen mit beispielsweise 75 000, 75 250, 75 500 und
75 750 Hertz über
eine Wiederholperiode von vier Millisekunden, also 300, 301, 302
und 303 Sinusperioden. Die Abstände
der Frequenzen müssen
gleich sein, um der Phasengleichheit zu Beginn und Ende der Wiederholperiode
genügen
zu können. Die
Figur zeigt eine Situation, an der alle vier Frequenzen an einem
Zeitpunkt (dem Beginn der Wiederholperiode) gleiche Phase haben.
Die Zeitpunkte der Phasengleicheit für je zwei benachbarte Frequenzen
können
vorteilhafter über
das Wiederholintervall verteilt sein.
-
4 stellt
eine Gemisch aus vier Frequenzen dar, die in der Wiederholperiode
jeweils auf den Startwert der Nachbarfrequenz ansteigen. Die Abstände der
Frequenzen müssen
hier ex ponentiell steigen, um der Phasengleichheit zu Beginn und Ende
genügen
zu können,
was in der Figur nicht deutlich sichtbar ist.
-
Günstige Ausführungsformen
-
Eine
günstige
Ausführungsform
des Verfahrens kann wie folgt beschrieben werden: Zunächst wird
die Ionenfalle mit Ionen gefüllt,
im allgemeinen mit einem Gemisch mehrerer Ionensorten mit verschiedenen
Massen, Ladungen und Isotopen. Da für die Spektrenaufnahme mit
ihrem sequentiellen Auswerfen der Ionen eine optimale Anzahl von
Ionen nicht überschritten
werden darf, da sonst durch Raumladungseinflüsse das Auflösungsvermögen leidet,
wird die Ionenfalle hier soweit mit Ionen gefüllt, daß nach dem Isolieren und Fragmentieren
zuletzt die richtige Menge an Ionen übrigbleibt. Die vorübergehende Überladung
mit Ionen ist nicht schädlich. Die
anfänglich
notwendige Überfüllung der
Ionenfalle kann durch ein Verfahren aus der Offenlegungsschrift
DE 197 09 086 berechnet
und gesteuert werden.
-
Es
wird dann die Isotopengruppe der zu untersuchenden Ionen, also der
gewünschten
Elternionen, durch bekannte Verfahren isoliert. Es werde dabei angenommen,
daß es
sich um zweifach geladene Ionen einer Masse 1000 atomarer Masseneinheiten handelt,
die also ein Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z
von m/z = 500 u/z haben. Die Isotopengruppe besteht im wesentlichen
aus vier Isotopenmassen mit den Werten m/z = 500,0; 500,5; 501,0
und 501,5 u/z.
-
Durch
eine kalibrierbare Einstellung der Antriebshochfrequenzspannung
der Ionenfalle wird die Oszillation der Ionen in Achsenrichtung
der Ionenfalle so eingestellt, daß sie mit etwa 75,100; 75,175; 75,250
und 75,325 Kilohertz schwingen. Es wird jetzt für insgesamt 400 Millisekunden
ein Gemisch aus vier Frequenzen angelegt: 75,000; 75,250; 75,500 und
75,750 kHz. Eine durchschnittliche Spannung zum Fragmentieren von
Ionen dieser Masse beträgt etwa
3 Volt. Gemäß dieser
Erfindung wird nun diese Spannung des Gemischs nicht konstant angelegt, sondern
in diesen 400 Millisekunden von etwa 1,0 Volt bis 6,0 Volt linear
hochgefahren. Unabhängig von
der Ionenstruktur ergibt sich daraus für alle Ionen eine gute Fragmentierung,
wobei etwa 5 bis 10 % der Elternionen übrigbleiben und der Rest als
Tochterionen im m/z-Bereich von etwa 150 bis 1000 erscheint.
-
Die
oberhalb von m/z = 500 erscheinenden Ionen müssen alle einfach geladen sein;
die unterhalb dieser Schwelle erscheinenden Tochterionen können sowohl
doppelt als auch einfach geladen sein. Die Ladung erkennt man jedoch
leicht am Abstand der Isotopenlinien: für einfach geladene Ionen sind
es ganzzahlige Abstände,
für doppelt
geladene Ionen halbzahlige.
-
Das
Gemisch der Frequenzen wird zweckmäßigerweise, wie schon in
DE 195 01 835 beschrieben,
digital erzeugt, wobei die Amplituden des Gemischs über eine
Wiederholperiode hinweg als digitale Werte abgespeichert sind. Am
Ende der Wiederholperiode müssen
alle Phasen der einzelnen Frequenzgemischkomponenten wieder gleich
ihrer Phase vom Anfang der Periode sein, um das gespeicherte Gemisch
ohne Phasensprünge
wiederholt ausgeben zu können.
Daraus ergibt sich, daß nur
ein Gemisch aus Frequenzen gleicher Frequenzabstände (oder Vielfacher davon)
möglich
ist. Das Frequenzgemisch der Wiederholperiode kann dann ohne Störungen beliebig
oft wiederholt werden. Die Frequenzabstände bestimmen die Länge der
Wiederholperiode. Beispielsweise ergeben die oben angegebenen Frequenzen
mit Abständen
von 250 Hertz eine Wiederholperiode von genau vier Millisekunden.
Das Gemisch der Wiederholperiode kann dann in einer Fragmentierungszeit
von 40 Millisekunden zehnmal wiederholt werden.
-
Die
Maximalphasen cos (ωtm) = 1 der einzelnen Hochfrequenzspannungen
des Gemischs können
sich für
alle Gemischkomponenten an einem festgelegten Zeitpunkt tm der Wiederholperiode treffen, wie in 3 gezeigt.
Das ist jedoch nicht sehr günstig,
weil dadurch die Energiedichte des Gemischs zeitlich stark schwankt.
Es ist daher besser, die Zeitpunkte für die Gleichheit der Phasen
zwischen jeweils zwei benachbarten Frequenzen über die Wiederholperiode zu
verteilen.
-
Das
Gemisch der Hochfrequenzspannungen muß nicht als gleichzeitig anliegende Überlagerung mehrerer
Spannungen anliegen; eine einzige Hochfrequenzspannung, deren Frequenz
zyklisch über den
gewünschten
Frequenzbereich geführt
wird, hat eine fast ebensolche Wirkung. Es handelt sich dann sozusagen
um ein Frequenzgemisch im Integral der Zeit, nicht um ein gleichzeitig
anliegendes Frequenzgemisch. Da sich die Oszillationsfrequenz der
Ionen in modernen, nichtlinearen Ionenfallenmassenspektrometern
mit steigender Oszillationsamplitude vergrößert, ist es von Vorteil, auch
die Anregungsfrequenz in jedem Zyklus von kleineren zu größeren Frequenzen
zu führen.
Die Änderungsgeschwindigkeit
kann dabei an die Frequenzänderung
der Ionenoszillationen angepaßt
werden. Die Änderung dieser
Frequenz kann vorzugsweise stetig, aber auch stufenförmig erfolgen.
Gemäß dieser
Erfindung wird nun zusätzlich
die Amplitude der Anregungsfrequenz rampenförmig zu größeren Werten durchfahren.
-
Eine
andere Ausführungsform
liegt darin, mehrere Frequenzen im Gemisch zu überlagern, jedoch jede der
Frequenzen so ansteigen zu lassen, daß sie am Ende der Wiederholperiode
gerade nach Phase und Frequenz der nächsthöheren Nachbarfrequenz gleicht,
wie in 4 angedeutet. Der Frequenzanstieg muß in diesem
Fall exponentiell erfolgen und die Frequenzabstände müssen exponentiell gestaffelt
sein, um phasengleich abschließen
zu können;
die Abstände
sind also jetzt geringfügig
verschieden, was in der mehr symbolischen Darstellung der 4 nicht
sichtbar wird. Nach einer Wiederholperiode dieses Gemisches wird
die höchste
Frequenz des Gemischs am Ende der Wiederholperiode wieder durch
die kleinste Frequenz ersetzt, so daß das Mittel der Frequenzen
in etwa konstant bleibt, wie in 4 zu sehen
ist. Es ergibt sich somit ein fast "schraubenförmiges" Ansteigen aller Frequenzen, das eine
hervorragende Anregung der Ionen für die Fragmentierung bietet,
weil nur wenig Umsteigen auf Nachbarfrequenzen notwendig wird. Die
sonst auftretenden Schwebungen der Ionenoszillation sind hier wesentlich
schwächer.
-
Bislang
wurde in Experimenten erfolgreich eine linear ansteigende Spannungsrampe
benutzt. Es ist jedoch zu erwarten, daß eine exponentielle Spannungsrampe
noch bessere Ergebnisse liefert, da hier die Änderungsgeschwindigkeit jeweils
dem anliegenden Spannungswert proportional ist.
-
Gleichfalls
ist zu erwarten, daß ein
relativ kurzer Vorpuls mit einer hohen Anfangsspannung vor der eigentlichen
Spannungsrampe zu einem guten Ergebnis führt. Der Vorpuls könnte etwa
ein Zehntel der Fragmentierungszeit lang sein, also etwa vier Millisekunden
lang, wie in 2 gezeigt.
-
Um
die Fragmentierung zu beschleunigen, ist es besonders günstig, die
Dichte des Stoßgases während der
Fragmentierungsperiode zu erhöhen. Normalerweise
dient das Stoßgas
bereits zur Dämpfung
der Schwingungsamplituden der Ionen in der Ionenfalle, um sie in
eine kleine zentrale Wolke zu verdichten und damit das Auflösungsvermögen der Spektren
beim Auswurf der Ionen zu erhöhen.
Dieses Stoß-
oder Dämpfungsgas
hat normalerweise eine Dichte, die nur alle zehn bis zwanzig Schwingungen der
Ionen zu einem Stoß führt. Wird
der Druck des Stoßgases
um einen Faktor zwei bis vier erhöht, so wird auch die Fragmentierung
um diese Faktoren schneller. Der Druck muß aber für eine optimale Spektrennahme
und auch für
eine optimale Isolierung wieder abgebaut sein. Der Druck kann beispielsweise
durch ein schnelles Schaltventil erhöht werden. Das Schaltventil
kann beispielsweise auch für
die Verbesserung des Ioneneinfangs der in der Regel fallenextern
erzeugten Ionen in der Ionenfalle eingesetzt werden.
-
Besonders
günstig
ist für
sehr große
Moleküle
die Einführung
eines Stoßgases
mit schwerem Molekulargewicht, da dann die einzelnen Stöße wesentlich
mehr Energie zuführen
können
als das meist zur Dämpfung
benutzte Helium. So kann beispielsweise Stickstoff, Argon, Xenon
oder Krypton zugeführt
werden. Einfache monoatomare oder diatomare Moleküle wirken
hier besser als multiatomare Moleküle, da diese leicht eine Portion
der Stoßenergie
als innere Energie aufnehmen können.
Dieses Stoßgas
kann entweder nur in der Fragmentierungsperiode zugeführt werden,
oder aber auch dauernd in der Falle anwesend sein. Die Änderung
des Gasdruckes in der Ionenfalle ist beispielsweise aus der Patentschrift
US 5,5679,951 bekannt.
-
Mit
diesen Darlegungen des erfindungsgemäßen Gedankens wird es jedem
Fachmann auf dem Gebiet der Ionenfallen leicht möglich sein, auch noch andere,
günstige
Ausgestaltungen dieser Erfindung zu finden und anzuwenden.