DE60112427T2

DE60112427T2 - Gitterlose fokussierungsvorrichtung zur extraktion von ionen für einen flugzeitmassenspektrometer

Info

Publication number: DE60112427T2
Application number: DE60112427T
Authority: DE
Inventors: J. Timothy CORNISH
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: EP1281192B1; ATE301331T1; US20030038234A1; DE60112427D1; AU6137201A; JP2003533851A; AU2001261372B2; US6614020B2; EP1281192A2; WO2001088951A3; WO2001088951A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Miniatur-Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS). Das erfindungsgemäße Spektrometer umfasst (1) eine gitterlose, fokussierende Ionisierungsextraktionsvorrichtung, welche die Anwendung von sehr hohen Extraktionsenergien in einer wartungsfreien Bauart ermöglicht, und (2) eine geräuscharme Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung, welche das Geräusch (oder „Einschwingen"), das der koaxialen Bauart eigen ist, erheblich reduziert.
Miniatur-Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) können aufgrund der ihnen eigenen Einfachheit und Robustheit für zahlreiche Zwecke als mobile oder ferngesteuerte Prüfapplikationsvorrichtungen verwendet werden. Bisher war man jedoch der Meinung, dass ein kompaktes TOF-MS nicht über die erforderliche Driftweite verfügen kann, um eine hohe Betriebsleistung zu erzielen, die an einem guten Auflösungsvermögens oder der Fähigkeit, Produkt-Ionen zu detektieren und zu identifizieren, zu messen ist.
Diese Fähigkeiten, die nur bei Geräteinstrumenten in Laborqualität zu finden sind, könnten aber die Einsatzmöglichkeiten eines mobilen TOF-MS deutlich verbessern. Ohne den Vorteil einer vergrößerten Driftregion (und dadurch langer Flugzeiten) kann aber eine gute Auflösung in einem kompakten TOF-MS nur erreicht werden, wenn die Ionen-Peaks ziemlich eng begrenzt sind. Sämtliche Aspekte der Miniatur- Analyseeinrichtung und der Ionisierungsprozesse, welche auf die Ionen-Peakbreiten Einfluss haben, müssen daher auf eine Verbreiterung des minimal möglichen Peak hin optimiert werden, um die Gesamtleistung des mobilen TOF-MS verbessern zu können.
Die US-Patentanmeldung 5,614,711 offenbart ein Flugzeitmassenspektrometer mit einer Ionen-Optikanordnung und einer Analyseeinrichtung, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, welche mit einem kontinuierlichen Strahl gesampelter Ionen zusammenfällt. Durch Bereitstellen von separaten Modulations- und Extraktionsschritten kann in Verbindung mit der Raumfokussierung und der ausgewählten Ablenkung von bestimmten, ionischen Spezies eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden.
Im Handel erhältliche Kurzimpulslaser und schnelle Transient-Digitizer ermöglichen die Erzeugung und Messung von sehr schmalen Ionen-Signalen, aber die Ionenquellenregion, die Reflektorleistung und die Detektorempfindlichkeit tragen alle ebenfalls zu der endgültigen Peak-Breite bei. Aus diesem Grund müssen Komponenten für das Miniatur-TOF-MS entwickelt werden, welche dessen Gesamtleistung verbessern.
Somit besteht ein Bedarf an der Entwicklung von Komponenten für das Miniatur-TOF-MS, welche dessen Gesamtleistung verbessern und mit Kurzimpulslasern und schnellen Transient-Digitizern kompatibel sind. Genauer erklärt, besteht ein Bedarf an einer fokussierenden Ionisierungsextraktionsvorrichtung und einer geräuscharmen Kanalplatten-Detektoranordnung, welche die Gesamtleistung des Miniatur-TOF-MS verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) gemäß Anspruch 1 bereit. Die Komponenten des TOF-MS gemäß Anspruch 1 verbessern die Gesamtleistung des TOF-MS. Bei der Entwicklung dieser Komponenten wurde auf die Robustheit und Haltbarkeit für den Betrieb des TOF-MS unter Fernbetätigungs- und rauen Umweltbedingungen spezielles Augenmerk gelegt. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Ionisierungsextraktionsvorrichtung zur Verwendung in einem TOF-MS gemäß Anspruch 8 bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Sammeln von laserdesorbierten Ionen in einem TOF-MS gemäß Anspruch 14 bereit wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Ionisierungsextraktionsvorrichtung in dem TOF-MS, wobei die Ionisierungsextraktionsvorrichtung eine behinderungsfreie, zentrale Kammer mit einer ersten Region und einer zweiten Region aufweist, Erzeugen eines Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfelds in der ersten Region, Beschleunigen der Ionen in der ersten Region, Abbremsen der Ionen in der zweiten Region und Auseinanderdriften der Ionen in einer Driftregion, um eine Dispergierung der Ionen zu bewirken.
1A ist eine Querschnittsansicht von einer gitterlosen, fokussierenden Ionisierungsextraktionsvorrichtung für einen TOF-MS gemäß der vorliegenden Erfindung.
1B ist die grafische Darstellung eines Energiepotenzials von dem elektrischen Feld, das von der gitterlosen, fokussierenden Ionisierungsextraktionsvorrichtung erzeugt wird.
2A ist die perspektivische Ansicht von einem flexiblen Leiterplattenreflektor in aufgerollter Form gemäß der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine Draufsicht auf einen flexiblen Leiterplattenreflektor in abgerollter Form.
3A ist die perspektivische Ansicht einer Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine in Einzelteile aufgelöste Querschnittsansicht von der Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung, welche die inneren Bauteile darstellt.
4 stellt die Wellenform der Detektorantwort für sowohl das einzelne Ionen-Signal aus einer herkömmlichen Scheibenanoden-Detektoranordnung als auch der Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung dar, welche eine Stift-Anode aufweist.
5 ist eine Ausschnittsdarstellung des TOF-MS mit der gitterlosen, fokussierenden Ionisierungsextraktionsvorrichtung, dem flexiblen Leiterplattenreflektor und der Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6A und 6B sind Spektren von Lotfolie und Angiotensin II, die mittels des TOF-MS gemäß der vorliegenden Erfindung gesammelt wurden.
Zunächst werden die Komponenten eines Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt. Die Komponenten umfassen (1) die gitterlose, fokussierende Ionisierungsextraktionsvorrichtung, (2) den flexiblen Leiterplattenreflektor und (3) die Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung. Im Anschluss an diese Erklärung erfolgt eine Beschreibung von einem Versuchs-TOF-MS, das konstruiert und verwendet wurde, um die Betriebsleistung der erfindungsgemäßen Komponenten zu evaluieren.
I. AUSSTATTUNG
A. Gitterlose, fokussierende Ionisierungsextraktionsvorrichtung
Zur Verbesserung der Sammeleffizienz von laserdesorbierten Ionen auf einer Oberfläche wird nun eine gitterlose, fokussierende Ionisierungsextraktionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ionisierungsextraktionsvorrichtung ist in 1A dargestellt und allgemein mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die Vorrichtung 100 weist eine bevorzugte Länge von etwa 17–25 mm auf und schließt eine Reihe von eng beabstandeten Zylindern 110a–c ein, die innerhalb einer behinderungsfreien, zentralen Kammer 105 befestigt sind, welche von einem Gehäuse 115 definiert wird. Das Gehäuse ist aus einem oder mehreren isolierenden Materialien hergestellt, wie zum Beispiel aus keramischen Materialien, Teflon und Kunststoffen, bevorzugt jedoch aus PEEK-Kunststoff.
Die Zylinder 110a–c sind aus metallischen Materialien aufgebaut, wie beispielsweise aus Edelstahl, und können va riierende Dickenbereiche aufweisen. Ferner ist vorstellbar, dass jeder Zylinder aus einem anderen Material konstruiert sein kann, und dass jeder Zylinder unterschiedlich dick ist. Die Zylinder 110 erzeugen ein extrem starkes Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld (bis zu 10 kV/mm) zwischen einer flachen Probensonde 130 und einem Extraktionsmikrozylinder 110a in der Region 120, wie in 1B in der grafischen Darstellung der potenziellen Energie veranschaulicht ist.
Ionen werden in der Region 120 durch Laserablation oder Matrix-unterstützte Laserdesorption/-ionisation (MALDI) erzeugt. Die Ionen werden dann von dem Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld in der Region 120 beschleunigt.
Die Ionen werden in einer Verzögerungsfeldregion 150 zwischen dem Extraktionszylinder 110a und dem mittleren Zylinder 110b verlangsamt. Die Verzögerungsfeldregion 150 dient sowohl zum Kollimieren des Ionenstrahls als auch zum Reduzieren der Ionen-Geschwindigkeit. Die Ionen werden dann durch den mittleren Zylinder 110b gelenkt, wo die Ionen wieder beschleunigt werden (bis zu 3 kV/mm, wie in 1B dargestellt ist).
Nachdem die Ionen die Zylinder 110a–c durchquert haben, gelangen sie in eine Driftregion 160 in der Kammer 105, wo die potenzielle Energie etwa 0 kV/mm beträgt, wie sie mit der Plotterzeichnung der potenziellen Energie in der 1B zu ersehen und mit der Bezugsziffer 160' gekennzeichnet ist. Die Bezugsziffer 170 in 1B bezeichnet die Ionen-Bahnen durch die Vorrichtung 100.
Die Reihe der Zylinderserie 110a–c minimiert Verluste, die durch die radiale Dispergierung von Ionen entstehen, die während des Desorptionsprozesses erzeugt werden. Obwohl die Ionisierungsextraktionsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ein sehr starkes Extraktionsfeld 120 anwendet, werden die Ionen verlangsamt, bevor sie in die Driftregion 160 gelangen, was längere Driftzeiten (oder Flugzeiten) und somit eine stärkere Ionen-Dispergierung von den Ionen innerhalb der Driftregion 160 zur Folge hat.
Ferner wird die Leistung der Ionisierungsextraktionsvorrichtung 100 ohne die Anwendung von irgendwelchen, den Ionenweg behindernden Elementen, wie Gitter, erreicht, insbesondere vor dem Extraktionszylinder 110a – wie im bisherigen Stand der Technik –, womit – bedingt durch Feld-Inhomogenitäten, die von den Gitterdrähten verursacht werden – Übertragungsverluste sowie Signalverluste ausgeschlossen werden, und ebenso die Notwendigkeit einer regelmäßigen Wartung des Gitters entfällt.
B. Flexibler Leiterplattenreflektor
Ionen-Reflektoren wurden seit ihrer Entwicklung vor 30 Jahren zu einem Standard-Bauteil in vielen TOF-MS. Obwohl Verbesserungen in der Reflektorleistung durch Modifizierungen der Spannungsgradienten erreicht wurden, basiert bei den meisten Laborinstrumenten die mechanische Einrichtung immer noch auf gestapelten Ringen. Bei einer derartigen Ausgestaltung werden die Metallringe auf keramischen Stäben aufgereiht, wobei isolierende Abstandshalter jeden Ring vom nächsten trennen. Obwohl sich dies für den Aufbau von großen Reflektoren als zufriedenstellend erwiesen hat, erfordern neuere Anwendungen bezüglich ferngesteuerter TOF- Massenanalysiereinrichtungen noch kleinere Komponenten, einen sehr robusten Aufbau, Materialien mit einem geringem Gewicht und die Möglichkeit für eine Massenproduktion.
Für diesen Zweck wurde der Ionen-Reflektor gemäß der vorliegenden Erfindung, der in den 2A und 2B dargestellt und allgemein mit der Bezugsziffer 200 gekennzeichnet ist, unter Ausnutzung der präzisen Technik von gedruckten Schaltungen und der physikalischen Vielseitigkeit von dünnen, flexiblen Substraten entwickelt. Eine Reihe von dünnen Kupferleitungen (0,203 mm breit und 0,025 mm tief) 210 werden auf ein flaches, flexibles Leiterplattensubstrat 220 geätzt, das Laschen 225 aufweist, die an zwei einander gegenüber liegenden Enden abstehen (2B). Das Leiterplattensubstrat 220 wird dann zu einem Rohr 230 aufgerollt (2A), um den Reflektorkörper auszubilden, wobei die Kupferleitungen 210 nach innen gerichtet werden und sie die Isolierringe formen, welche den Spannungsgradienten definieren.
Die Dicke und der Abstand der Kupferleitungen 210 können modifiziert werden, indem man einfach das Leitermuster auf der Substratfolie 220 während des Ätzverfahrens verändert. Dieses Merkmal ist besonders für die Herstellung von exakt abgestimmten, nicht-linearen Spannungsgradienten vorteilhaft, die für Reflektoren mit parabolischem oder gekrümmtem Feld von Bedeutung sind. Das Leitungsmuster auf dem Leiterplattensubstrat 220, das in den 2A und 2B dargestellt ist, stellt einen Präzisionsgradienten im freien Raum zwischen den Leitungen 210 dar. Somit wird in dem resultierenden Reflektor ein gekrümmter Potenzialgradient erzeugt, indem man für das Spannungsteilernetz Widerstände mit einem gleichem Wert einsetzt.
Bezüglich der Daten, die in dieser wissenschaftlichen Untersuchung angegeben werden (siehe Abschnitt II), wurde der Reflektor aus einer Leiterplatte mit gleichmäßig beabstandeten Kupferleitungen 210 konstruiert, welche zusammen mit einer Reihe von Potentiometern zum Einsatz kamen, um einen gekrümmten Spannungsgradienten zu erhalten.
Sobald das Leiterplattensubstrat 220 geätzt ist, wird es um einen Dorn (welcher nicht dargestellt ist) herum aufgerollt, um eine Röhrenform zu bilden, wie in 2A gezeigt wird. Fünf Schichten aus Faserglaslagen, wobei jede etwa 0,25 mm dick ist, werden anschließend um das Leiterplattensubstrat 220 gewickelt. Die Länge des gekrümmten Randes der Platte 220 entspricht in etwa dem Umfang des Dorns. Wenn die Lagen um die aufgerollte Leiterplatte herum gewickelt worden sind, verbleibt eine schmale Öffnung, durch welche sich ein Steckverbinder-Anschluss 240 von der inneren Leiterplatte erstrecken kann. Die Position von jeder aufeinander folgenden Lage ist in Bezug auf die vorherige Lage etwas versetzt, so dass eine stufenweise „Rampe" gebildet wird, womit das flexible Leiterplattensubstrat 220 vom Dorn weggelenkt wird.
Die Reflektoranordnung wird unter Druck etwa zwei Stunden lang bei 150°C erhitzt, wonach das Entfernen des Dorns erfolgt. Die Wanddicke der fertig gerollten Reflektoranordnung beträgt etwa 1,5 mm. Ein mehrpoliger (vorzugsweise 50-poliger) Flachbandkabel-Verbinder 250 wird auf eine vorstehende Lasche 260 der Leiterplatte gelötet, so dass ein Spannungsteiler-Resistornetz am Reflektor befestigt werden kann. Alternativ dazu können Lötflächen für Oberflächenmontagewiderstände bzw. SMT-Resistoren im Layout einer Leiter platte vorgesehen sein, was die Einbringung des Spannungsteilernetzes direkt auf der Reflektoranordnung ermöglicht.
Schließlich werden Polycarbonat-Endstopfen (nicht dargestellt) in die Enden des gerollten Reflektorrohrs 230 gepasst, um die Anordnung zu tragen und auch, um eine Fläche für die Befestigung von Anschlussrastern bereitzustellen. Unterdrucktests zeigen, dass die Leiterplatten/Fiberglas-Anordnung geeignet ist, um Unterdruckniveaus in dem niedrigen 10^–7-Torr-Bereich zu erreichen.
Der Reflektor 200 ist in der Patenanmeldung „US Provisional Patent Application Serial No. 60/149,103" offenbart, die von einem Mitinhaber der vorliegenden Anmeldung am 16. August 1999 eingereicht worden ist.
C. Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung
Für das TOF-Miniatur-Massenspektrometer stellt die Zentralbohrungs-(Koaxial-)Geometrie eine sehr wünschenswerte Ausgestaltung dar, da sie eine Vereinfachung des Gesamtaufbaus zulässt und eine äußerst kompakte Analyseeinrichtung ermöglicht. Die mangelhaften Ausgangssignaleigenschaften bei den herkömmlichen Mikrokanalplatten-Detektoranordnungen mit Zentralbohrungen, insbesondere mit dem Problem des „Einschwingens", stören jedoch die Grundlinie und beeinflussen infolgedessen den dynamischen Bereich des Instruments negativ. Diese Einschränkung verringert das Potenzial zur Realisierung einer hohen Betriebsleistung in den TOF-Miniatur-Instrumenten erheblich, da schwache Fragment- oder Produkt-Ionen-Peaks vom Grundlinienrauschen verdeckt werden können. Verbesserungen in der Analogsignalqua lität von Kanalplattendetektoren mit zentraler Bohrung würden daher die ultimative Hochauflösung des Massenspektrometers steigern, und insbesondere die Betriebsleistung des dynamischen Bereichs.
Im Handel erhältliche koaxiale Kanalplattendetektoren basieren auf einer scheibenförmigen Anode mit zentraler Bohrung, um den Impuls der Elektronen zu sammeln, der von den Mikrokanalplatten erzeugt wird. Die Anode ist in der Regel dem Durchmesser der Kanalplatten angepasst, wodurch theoretisch die Elektronensammelleistung maximiert wird. Die Zentralbohrungsanode erzeugt jedoch eine Fremdkapazität in der geerdeten Montage-Ummantelung. Die Zentralbohrungsanode erzeugt außerdem eine erhebliche Impedanzfehlanpassung, wenn sie mit einem 50 Ω-Signalkabel verbunden wird. Die resultierende Einschwingung verschlechtert und verkompliziert das Flugzeitspektrum durch Hinzufügen einer Hochfrequenzkomponente zum Grundliniensignal. Darüber hinaus wirkt die scheibenförmige Anode als Antenne, welche hohe Streufrequenzen aus der Umgebung sammelt, wie diejenigen, die von Turbomolekularpumpen-Steuerungen erzeugt werden.
Das Stift-Anoden-Design der Mikrokanalplatten-Detektoranordnung mit zentraler Bohrung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in den 3A und 3B dargestellt und allgemein mit der Bezugsziffer 300 gekennzeichnet ist, hat sich als eine wesentliche Verbesserung in der Gesamtleistung für die Detektoranordnung 300 erwiesen. Für eine verbesserte Empfindlichkeit weist die Anordnung 300 einen Klemmring 305 auf, der ein Eingangsgitter 310 aufweist, das am Erdpotenzial gehalten wird, während eine Vorderfläche 315 von einer Mikrokanal-Plattenanordnung mit zentraler Bohrung 320 (3B) auf –5 kV gesetzt ist, was die Ionen nachträglich auf 5 keV beschleunigt. Der Klemmring 305 ist an einem inneren Ring 325 festgeschraubt. Der innere Ring 325 ist mit einer Kugeltrommel 330 verschraubt, die ein Rohr 332 aufweist, das von ihrer Mitte ausgeht, und eine Abschirmung 334, die eine Außenfläche 336 umgibt. Das Rohr 332 definiert einen Kanal 338. Die Abschirmung ist aus irgendeiner Art von leitfähigem Material, wie beispielsweise Aluminium, und aus Edelstahlfolie gefertigt.
Unter Verwendung von Spannungsteiler-Widerständen wird der hintere Teil der Plattenanordnung 320 bei –3 kV gehalten, wie in der 3B dargestellt ist. Da die Sammelstift-Anode 350 gegen die Mitte der Detektoranordnung 300 isoliert ist, d. h. gegen den von dem Rohr 332 definierten Kanal 338 isoliert ist, wird ihr Potential von dem (normalerweise geerdeten) Verstärker am vorderen Ende des Oszilloskops definiert. So werden die Elektronen, die aus einer rückwärtigen Mikrokanalplatte 335 der Plattenanordnung 320 emittiert werden, in Richtung auf die geerdete Anode 350 beschleunigt, und zwar unabhängig von der Größe, Geometrie oder Position der Anode. Die Stift-Anode 350 ist etwa 5 mm hinter der rückwärtigen Mikrokanalplatte 355 angeordnet.
Es ist nun aufgezeigt worden, dass die Stift-Anode 350 die Gesamtleistung der Detektoranordnung 300 erheblich verbessert. Die erfindungsgemäße Mikrokanalplatten-Detektoranordnung 300 beseitigt tatsächlich die Impedanzfehlanpassung zwischen dem 50 Ohm-Signalkabel und der Elektronensammelfläche, d. h. der Stift-Anode 350.
4 vergleicht die einzelne Ionen-Detektorantwort für sowohl herkömmliche Scheibenanoden- als auch Stift-Anoden-Gestaltungen. Aus 4 ist ersichtlich, dass das Einschwingen erheblich reduziert ist, und die Ionen-Impulsbreite auf einen Wert von 500 ps/Impuls reduziert ist, definiert durch die analoge Bandbreite des für die Messung verwendeten Oszilloskops (1,5 GHz: 8 G-Proben/Sek.), wenn der Stift-Anoden-Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt. Ferner zeigt sich, dass das Hintergrundsignal der Flugzeitdaten, das von Störgeräuschen abstammt, viel leiser ist, wenn der Stift-Anodenaufbau verwendet wird.
II. ERGEBNISSE
5 zeigt ein TOF-MS, das allgemein mit der Bezugsziffer 500 gekennzeichnet ist, welches die fokussierende Ionisierungsextraktionsvorrichtung 100, den flexiblen Leiterplattenreflektor 200 und die Mikrokanalplatten-Detektoranordnung 300 umfasst. Die Gesamtlänge des TOF-MS ist insgesamt etwa 25 cm. Ein Laser 510, wie zum Beispiel ein Stickstofflaser, kommt zum Einsatz, um MALDI- und Laserablationsspektren zu erhalten. Der Laser 510 emittiert einen Laserstrahl 520, der mittels zweier Spiegel 530a, 530b durch das TOF-MS 500 gelenkt wird. Das TOF-MS 500 ist von einer Vakuumkammer 525 umgeben und wird von einer Tragkonsolen-/Stangen-Anordnung 535 in Position gehalten, so dass der Laserstrahl 520 auf einem zentralen Weg läuft, der von den Komponenten 100, 200 und 300 begrenzt wird. In einer experimentellen Untersuchung wurden auf einem LeCroy 9384 Digital Oscilloscope (1 GHz: 2-Gsam/Sek.) in Verbindung mit einer Software zur Spektrumerfassung die Flugzeitdaten erhalten.
Es wurden mehrere verschieden Probenarten verwendet, um die Leistung des TOF-MS 500 zu testen. Die Rauhigkeit der Oberfläche fand eine wichtige Berücksichtigung, da Oberflächen mit sehr starken Kratern oder organische Proben mit vergrößerter Kristallbildung die Verteilung der kinetischen Ionen-Energien in der sehr hohen Feldextraktionsregion erheblich vergrößern können. Daher wurden die Proben so vorbereitet, dass eine glatte Desorptionsfläche gewährleistet war. 6A zeigt das direkte Laserdesorptionssignal, das von einer sauberen Bleilotfläche erhalten wird, in der Spektren von zwanzig aufeinander folgenden Laserschüssen erhalten und anteilsmäßig verteilt bzw. gemittelt wurden. Die Isotopenverteilungen sowohl der hauptsächlichen Blei- als auch der nebensächlichen Zinnkomponenten sind deutlich aufgelöst. Die Peak-Breiten in der Maximalhälfte entsprechen in etwa der 5 Nanosekunden-Laserimpulsbreite (Auflösung m/Δm ~ 1000).
6B zeigt das gemittelte MALDI-Spektrum (25 Laserschüsse) von Angiotensin II unter Verwendung von α-Cyano-4-hydroxyzimtsäure als Matrix. Die Isotopentrennung des MH⁺-Peaks bei 1047 Da stellt eine Auflösung von über 1500 dar.
III. SCHLUSSFOLGERUNGEN
Ein innovatives, kompaktes Flugzeitmassenspektrometer 500 wurde unter Verwendung einer gitterlosen, fokussierenden Ionisierungsextraktionsvorrichtung 100, eines flexiblen Leiterplattenreflektors 200 und einer Mikrokanalplatten-Detektoranordnung 300 mit zentraler Bohrung entwickelt. Experimentelle Studien unter Anwendung des TOF-MS zeigen, dass das TOF-MS in der Lage ist, Spektren mit sehr guter Auflösung und geringem Hintergrundrauschen zu erzeugen, welches bei vielen herkömmlichen, koaxialen TOF-MS- Einrichtungen eine problematische Eigenschaft darstellt. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass das Hintergrundrauschen bezüglich der Daten, die mit dem erfindungsgemäßen TOF-MS 500 erhalten werden, wesentlich reduziert ist, die Auflösung verbessert ist, und die Möglichkeiten für eine Massenproduktion des TOF-MS 500 in einem kostengünstigen und robusten Paket bezüglich mobiler und ferngesteuerter Einrichtungen erheblich verbessert sind.
Das hierin Beschriebene dient lediglich der veranschaulichenden Erläuterung für eine Anwendung der Grundlagen gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise dienen die vorstehend beschriebenen Funktionen und als beste Wirkungsweise implementierte Durchführung der vorliegenden Erfindung lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Es können auch andere Ausgestaltungen und Verfahren von einem Fachmann zum Einsatz kommen, ohne dabei vom Schutzumfang der anhängenden Patentansprüche abzuweichen.

Claims

Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) (500), umfassend: eine Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) mit einer behinderungsfreien, zentralen Kammer (105) für ein Hindurchlenken von Ionen, eine Mikrokanalplatten-Detektoranordnung (300) mit einem Kanal (338), der durch mindestens einen Teilbereich der Anordnung (300) verläuft, und einen flexiblen Leiterplattenreflektor (200), worin der Kanal (338) mit einer Mittelachse der Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) und mit einer Mittelachse des Reflektors (200) ausgerichtet ist.
Spektrometer gemäß Anspruch 1, worin die Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) eine erste Region (120) für ein Beschleunigen der Ionen und eine zweite Region (150) für ein Abbremsen der Ionen umfasst, um die Ionen zu kollimieren, und um die Geschwindigkeit der Ionen zu reduzieren.
Spektrometer gemäß Anspruch 2, worin die erste Region (120) ein Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld für eine Beschleunigung der Ionen erzeugt.
Spektrometer gemäß Anspruch 3, worin das erzeugte Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld bis zu 10 kV/mm stark ist.
Spektrometer gemäß Anspruch 2, worin die Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) eine dritte Region (160) umfasst, um eine Dispersion bei den Ionen bewirken zu können, und eine elektrische Feldstärke von etwa 0 kV/mm aufweist.
Spektrometer gemäß Anspruch 1, worin die Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) eine Vielzahl von Zylindern (110) aufweist, die in der Kammer (105) eingebaut sind, um die Ionen aus der ersten Region (120) in die zweite Region (150) Hindurchzulenken.
Spektrometer gemäß Anspruch 6, worin die Zylinder (110) aus Metall bestehen.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) für die Anwendung in einem TOF-MS, umfassend: ein Gehäuse (115), das eine behinderungsfreie, zentrale Kammer (105) für ein Hindurchlenken von Ionen definiert; eine erste Region (120) in der zentralen Kammer (105), um die Ionen beschleunigen zu können; und eine zweite Region (150) neben der ersten Region (120) in der zentralen Kammer (105), um die Ionen, die hinein gelangen, abbremsen zu können.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, worin die erste Region (120) ein Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld für eine Beschleunigung der Ionen erzeugt.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, worin das erzeugte Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfeld bis zu 10 kV/mm stark ist.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, die des Weiteren eine dritte Region (160) in der zentralen Kammer (105) aufweist, um eine Dispersion bei den Ionen bewirken zu können, welche eine elektrische Feldstärke von ungefähr 0 kV/mm aufweist.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, die ferner eine Vielzahl von Zylindern (110) aufweist, die in der zentralen Kammer (105) eingebaut sind.
Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, worin die Zylinder (110) aus Metall bestehen.
Verfahren zum Sammeln von Laser desorbierten Ionen in einem Flugzeitmassenspektrometer [TOF-MS], wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) in einem TOF-MS, wobei die Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) eine behinderungsfreie, zentrale Kammer (105) mit einer ersten Region (120) und einer zweiten Region (150) aufweist; Erzeugen eines Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfelds in der ersten Region (120); Beschleunigen der Ionen in der ersten Region (120); Abbremsen der Ionen in der zweiten Region (150); und Auseinanderdriften der Ionen in einer Driftregion (160), um eine Dispersion der Ionen zu bewirken.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Schritt der Erzeugung des Ionenbeschleunigungs-/-extraktionsfelds den Schritt des Erzeugens eines Felds einschließt, das bis zu 10 kV/mm stark ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das des Weiteren den Schritt des Erzeugens von Ionen in der ersten Region (120) entweder durch Laserablation oder durch eine Matrix unterstützende Laserdesorption/-ionisation (MALDI) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner den Schritt des Ausrichtens einer Mittelachse von der Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) mit einem röhrenförmigen Kanal (338) von einer Mikrokanalplatten-Detektoranordnung (300) des TOF-MS umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner den Schritt des Ausrichtens einer Mittelachse von der Ionisierungsextraktionsvorrichtung (100) mit einer Mittelachse von einem Leiterplattenreflektor (200) des TOF-MS umfasst.