Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Einstellen
des dynamischen Bereichs von Ionenfallen-
Massenspektrometern ("Ionenfallen") im chemischen
Ionisationsmodus und zum Durchführen von Spektroskopie-
Experimenten mit mehreren Massen ("MSn").
Hintergrund der Erfindung
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Die Quadrupol-Ionenfalle, die manchmal als Ionenspeicher-
oder Ionenfallen-Detektor bezeichnet wird, ist eine gut
bekannte Vorrichtung zum Ausführen der Massenspektroskopie.
Eine Ionenfalle umfaßt eine Ringelektrode und zwei koaxiale
Abschlußkappenelektroden, die ein inneres Einfangvolumen
festlegen. Jede der Elektroden weist vorzugsweise eine
hyperbolische Oberfläche auf, so daß, wenn geeignete
Wechsel- und Gleichspannungen (üblicherweise mit "V" bzw.
"U" bezeichnet) an die Elektroden angelegt werden, ein
Quadrupol-Einfangfeld erzeugt wird. Dies kann durch Anlegen
einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz
(üblicherweise mit "f" bezeichnet) zwischen der
Ringelektrode und den Abschlußkappen einfach ausgeführt
werden. Die Verwendung einer zusätzlichen Gleichspannung
ist freigestellt.
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Typischerweise wird eine Ionenfalle durch Einleiten von
Probenmolekülen in die Ionenfalle, wo sie ionisiert werden,
betrieben. In Abhängigkeit von den Einfang-
Betriebsparametern können die Ionen für relativ lange
Zeiträume stabil in der Falle eingeschlossen werden. Unter
bestimmten Einfangbedingungen kann ein großer Bereich von
Massen gleichzeitig in der Falle gehalten werden. Es sind
verschiedene Mittel zum Erfassen der Ionen, die so
eingefangen wurden, bekannt. Ein bekanntes Verfahren
besteht darin, einen oder mehrere der Einfangparameter so
abzutasten, daß die Ionen nacheinander instabil werden und
die Falle verlassen, wobei sie unter Verwendung eines
Elektronenvervielfachers oder eines äquivalenten Detektors
erfaßt werden können. Ein anderes Verfahren ist die
Verwendung eines Resonanz-Ausstoß-Verfahrens, bei dem Ionen
mit fortlaufenden Massen nacheinander durch Abtasten aus
der Falle ausgestoßen und erfaßt werden können.
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Die mathematischen Grundlagen des Einfangfeldes sind gut
entwickelt, obwohl sie komplex sind. Anwender von
Ionenfallen sind im allgemeinen mit dem in Fig. 1
abgebildeten Stabilitäts-Hüllkurvendiagramm vertraut. Ob
ein Ion mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/e)
eingefangen wird, hängt für eine Falle mit einem bestimmten
Radius r&sub0; und für bestimmte Werte von U, V und f von der
Lösung für die folgenden zwei Gleichungen ab:
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az = -8eU / mr&sub0;²ω²
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qz = 4eV / mr&sub0;²ω²
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wobei ω gleich 2πf ist.
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Die Auflösung dieser Gleichungen ergibt Werte von a und q
für vorgegebenes m/e. Wenn für ein bestimmtes Ion der Punkt
(a, q) innerhalb der Stabilitätshüllkurve von Fig. 1 liegt,
wird das Ion durch das Quadrupolfeld eingefangen. Wenn der
Punkt (a, q) außerhalb die Stabilitätshüllkurve fällt, wird
das Ion nicht eingefangen und beliebige derartige Ionen,
die in der Falle erzeugt werden, entfernen sich schnell. Es
folgt, daß man durch Ändern der Werte von U, V oder f
steuern kann, ob ein Ion mit einer bestimmten Masse in dem
Quadrupolfeld eingefangen wird. Man sollte beachten, daß es
auf dem Gebiet üblich ist, die Bezeichnungen Masse und
Masse-Ladungs-Verhältnis austauschbar zu verwenden. Genau
genommen ist es jedoch zweckmäßig, die Bezeichnung Masse-
Ladungs-Verhältnis zu verwenden.
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Beim Fehlen einer Gleichspannung beziehen sich die
dargelegten Gleichungen eigentlich auf die Stabilität in
Richtung der z-Achse, d. h. in Richtung der Achse der
Elektroden. Die Ionen werden in dieser Richtung instabil,
bevor sie in r-Richtung, d. h. in einer zur Achse radialen
Richtung, instabil werden. Somit ist es üblich, die
Betrachtung der Stabilität auf die Stabilität in z-Richtung
zu beschränken. Das Differential in der Stabilität führt zu
der Tatsache, daß instabile Ionen die Falle in z-Richtung,
d. h. axial, verlassen.
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In kommerziell erhältlichen Ausführungen der Ionenfalle
wird die Gleichspannung U auf 0 eingestellt. Wie man aus
der ersten der obigen Gleichungen sehen kann, folgt, wenn U
= 0, az = 0 für alle Massenzahlen. Wie man aus der zweiten
der obigen Gleichungen sehen kann, ist der Wert von qz
umgekehrt proportional zur Masse des Teilchens, d. h., je
größer der Wert der Masse ist, desto niedriger ist der Wert
von qz. Ebenso gilt, je höher der Wert von V ist, desto
höher ist der Wert von qz. Wenn man sich der
Stabilitätshüllkurve von Fig. 1 zuwendet, kann man auch
sehen, daß für den Fall, in dem U = 0 ist, und für einen
vorgegebenen Wert von V alle Massen oberhalb eines
bestimmten Grenzwerts in dem Quadrupolfeld eingefangen
werden. Obwohl alle Massen oberhalb eines Grenzwerts in
einem solchen Einfangfeld stabil sind, gibt es aufgrund von
Raumladungseffekten Grenzen für die Menge an Ionen mit
einer bestimmten Massenzahl, die eingefangen werden. Wie
nachstehend erörtert, sind solche Mengenbeschränkungen auch
eine Funktion der Größe von V.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Ionisation von
Probenmolekülen in der Ionenfalle bekannt. Das üblichste
Verfahren besteht vielleicht darin, die Probe einem
Elektronenstrahl auszusetzen. Der Stoß der Elektronen mit
den Probenmolekülen bewirkt, daß sie ionisiert werden.
Dieses Verfahren wird üblicherweise als Elektronenstoß-
Ionisation oder "EI" bezeichnet.
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Ein weiteres üblicherweise verwendetes Verfahren zur
Ionisation einer Probe mit einer Ionenfalle ist die
chemische Ionisation oder "CI". Die chemische Ionisation
umfaßt die Verwendung eines Reagenzgases, das ionisiert
wird, nämlich gewöhnlich durch EI in der Falle, und dem
ermöglicht wird, zur Erzeugung von Probenionen mit
Probenmolekülen zu reagieren. Üblicherweise verwendete
Reagenzgase umfassen Methan, Isobutan und Ammoniak. Die
chemische Ionisation wird als "sanfteres"
Ionisationsverfahren betrachtet. Bei vielen Proben erzeugt
die CI weniger Ionenfragmente als das EI-Verfahren, wodurch
die Massenanalyse vereinfacht wird. Die chemische
Ionisation ist ein gut bekanntes Verfahren, das nicht nur
bei Quadrupol-Ionenfallen, sondern auch bei den meisten
anderen herkömmlichen Arten von Massenspektrometern, wie
z. B. Quadrupol-Massenfiltern usw., gewohnheitsmäßig
verwendet wird.
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Weitere, speziellere Verfahren zur Ionisation sind bei der
Massenspektroskopie ebenfalls in Gebrauch. Photoionisation
ist z. B. ein gut bekanntes Verfahren, das ähnlich der
Elektronenstoß-Ionisation auf alle in der Falle enthaltenen
Moleküle einwirkt.
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Die meisten Ionenfallen-Massenspektrometer-Systeme, die
heute in Gebrauch sind, umfassen einen Gaschromatographen
("GC") als Vorrichtung zur Probentrennung und -einleitung.
Wenn für diesen Zweck ein GC verwendet wird, strömt die
Probe, die aus dem GC eluiert, kontinuierlich in das
Massenspektrometer, das zur Ausführung von periodischen
Massenanalysen eingestellt ist. Solche Analysen können
typischerweise mit einer Frequenz von etwa einer Abtastung
pro Sekunde ausgeführt werden. Diese Frequenz ist
akzeptabel, da Maxima typischerweise über einen Zeitraum
von einigen Sekunden bis vielen zig Sekunden aus einem
modernen GC mit hoher Auflösung eluieren. Wenn in einem
solchen System CI-Experimente durchgeführt werden, wird ein
kontinuierlicher Strom von Reagenzgas aufrechterhalten. Aus
praktischen Gründen ist es unerwünscht, den Strom des
Probengases aus dem GC zur Ionenfalle zu unterbrechen. Wenn
sowohl CI- als auch EI-Experimente an einem Probenstrom
durchgeführt werden, ist es ebenso unerwünscht, den Strom
des Reagenzgases zur Ionenfalle zu unterbrechen.
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Bei der Ausführung von CI ist es erforderlich, ein
Reagenzgas zu ionisieren, das dann mit dem Probengas
chemisch reagiert und dieses ionisiert. Wie angemerkt, ist
die Elektronenstoß-Ionisation in der Ionenfalle das
bevorzugte Verfahren zur Ionisation des Reagenzgases. Wenn
jedoch die Probe in der Ionenfalle vorhanden ist, wenn der
Elektronenstrahl eingeschaltet wird, um das Reagenzgas zu
ionisieren, wird die Probe ebenfalls der EI unterzogen. Wie
vorstehend angemerkt, ist es, wenn Chromatographie zur
Trennung einer Probe verwendet wird, bevor sie in die
Ionenfalle eingeleitet wird, unzweckmäßig, den Strom des
Probengases zu unterbrechen. Folglich gibt es keine
praktische Möglichkeit, das Reagenzgas zu ionisieren, ohne
auch die Probe zu ionisieren. Wenn nicht Maßnahmen zur
Abhilfe getroffen werden, werden somit die Probenionen
sowohl durch CI als auch EI erzeugt, was zu möglicherweise
wirren Ergebnissen führt.
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Die Lösung des Standes der Technik für dieses Problem ist
im US-Pat. Nr. 4 686 367 mit dem Titel Method of Operating
Quadrupole Ion Trap Chemical Ionization Mass Spectrometer,
am 11. August 1987 Louris et al. erteilt, beschrieben. Das
Verfahren des '367-Patents versucht, die Wirkungen der EI
auf die Probe durch Minimieren der Anzahl an Probenionen,
die von der Ionenfalle eingefangen werden, während das
Reagenzgas ionisiert wird, zu minimieren. Das Verfahren,
das gelehrt wird, um dies durchzuführen, besteht darin,
während des EI-Schritts einen niedrigen Wert von V an die
Falle anzulegen, so daß die Reagenzionen mit geringer Masse
eingefangen werden, jedoch die Anzahl an Ionen mit hoher
Masse klein ist. Mit den Worten des Patents, "bei
hinreichend niedrigen RF-Werten [d. h. Werten von V] werden
Ionen mit hohem Molekulargewicht nicht wirksam eingefangen.
Somit werden bei niedrigen RF-Spannungen nur die Ionen mit
geringer Masse gespeichert." (Spalte 5, Zeilen 33-36).
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Beim Betrieb unter Verwendung des Nur-RF-Verfahrens, das im
'367-Patent bevorzugt ist und welches das bei allen
bekannten kommerziellen Ausführungsbeispielen der
Ionenfalle verwendete Verfahren ist, fängt, wie vorstehend
erläutert, die Falle von Natur aus alle Massen oberhalb
einer Grenzmasse ein, die durch den Wert der RF-
Einfangspannung festgelegt wird. Somit ist es zum Einfangen
von Ionen mit niedriger Masse, egal ob es sich um
Reagenzionen oder Probenionen handelt, erforderlich, V auf
einen hinreichend niedrigen Wert einzustellen. Wenn V
niedrig genug eingestellt wird, weist die Falle aufgrund
von Raumladungseffekten von Natur aus eine schlechte
Wirksamkeit für das Einfangen von Ionen mit hoher Masse
auf. Eine theoretische Möglichkeit, dies zu betrachten,
ist, daß das Volumen des Inneren der Ionenfalle, die Ionen
mit einer bestimmten Masse speichert, proportional zum Wert
von V und umgekehrt proportional zur Masse ist. Somit steht
für irgendein vorgegebenes V ein kleineres Volumen der
Ionenfalle zum Speichern von Ionen mit hoher Masse als
denjenigen mit geringer Masse zur Verfügung. Wenn das
Volumen ziemlich klein ist, ist die Anzahl der Ionen, die
gespeichert werden können, aufgrund von Raumladungseffekten
verringert.
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Es sollte beachtet werden, daß die Einstellung eines
niedrigen Werts Von V nicht bewirkt, daß alle Ionen mit
hoher Masse die Falle verlassen; solche Ionen weisen
weiterhin Werte von a und q auf, die in die
Stabilitätshüllkurve fallen. Alles, was man nach dem
Verfahren des '367-Patents tun kann, ist, die Anzahl der
Ionen mit hoher Masse in der Falle während des EI-Schritts
zu verringern. In dieser Hinsicht scheint die Aussage in
dem Patent, daß "bei niedrigen RF-Spannungen nur die Ionen
mit geringer Masse gespeichert werden" nicht richtig zu
sein. Wie nachstehend beschrieben, zeigen
Versuchsergebnisse die Anwesenheit von nachweisbaren Mengen
von Ionen mit hoher Masse, die durch EI in Experimenten,
die unter Verwendung des Verfahrens des '367-Patents
durchgeführt werden, erzeugt werden. Darüber hinaus hängt
die Anzahl der Ionen mit hoher Masse, die eingefangen
bleiben, von der Masse ab, so daß eine beträchtliche Anzahl
von Probenionen mit einer Masse nahe den, dennoch höher als
der, Reagenzionen eingefangen werden.
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Einige Reagenzmoleküle erzeugen eine Vielfalt von Ionen mit
unterschiedlichen Massen. Die Ionisation mit RF-Spannungen,
die wesentlich unterhalb der liegen, die erforderlich ist,
um das Reagenzion mit der geringsten Masse einzufangen, was
zur Entfernung der meisten Probenionen mit hoher Masse
notwendig ist, verringert die Anzahl der Reagenzionen, die
eingefangen werden, sowie der Probenionen mit hoher Masse.
Diese Wirkung steht in Beziehung zur Masse, so daß die
Reagenzionen mit höherer Masse unverhältnismäßig aus der
Falls verloren gehen.
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Ein verwandtes Problem existiert, wenn sowohl EI- als auch
CI-Experimente an einem einzigen Probenstrom in einer
Ionenfalle durchgeführt werden. Wie vorstehend angemerkt,
ist es aus praktischen Gründen unerwünscht, den Strom des
Reagenzgases zur Falle zu stoppen. Wenn jedoch Reagenzgas
vorhanden ist, wenn ein EI-Experiment durchgeführt wird,
wird das Reagenzgas ionisiert, was Reagenzgasionen erzeugt,
die eine CI der Probe bewirken können, wenn sie nicht aus
der Falle beseitigt werden, bevor die Reaktionen
stattfinden können. Dieses Problem existiert nicht, wenn an
einem Probenstrom nur EI-Experimente durchgeführt werden,
da der Reagenzgasstrom während solcher Experimente einfach
ferngehalten werden kann.
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Das Verfahren der Senkung der Einfangspannung ist jedoch
nicht anwendbar, um dieses Problem zu lösen, da es nicht
die Reagenzionen mit geringer Masse aus der Falle
beseitigen würde. Eine Lösung, die zur Lösung dieses
Problems verwendet wird, wie im '367-Patent gelehrt,
besteht darin, die RF-Einfangspannung zu erhöhen, um die
Reagenzionen mit niedriger Masse nicht zu speichern. Dies
hat jedoch die unerwünschte Wirkung, daß die
Einfangbedingungen gegenüber denjenigen, die normalerweise
verwendet werden, verändert werden. Wenn beispielsweise die
Einfangspannung so eingestellt wird, daß Ionen mit einer
Masse von 20 und darüber gespeichert werden, beträgt die
durchschnittliche Ionisationsenergie des Elektrons, das in
die Falle eintritt, 70 eV. Das Erhöhen der Einfangspannung,
um nur Ionen mit einer Masse von 45 und darüber zu
speichern, um Methan-Reagenzionen mit einer Masse von 43 zu
beseitigen, würde die durchschnittliche Elektronenenergie
verdoppeln. Eine solche Erhöhung würde das Massenspektrum
von vielen Verbindungen verändern und würde die
Einfangwirksamkeit für die Probenionen verringern.
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Bei einem CI-Prozeß ist es erwünscht, die Anzahl der
Produktionen, die der Massenanalyse unterzogen werden, zu
optimieren. Wenn zu wenig Produktionen vorhanden sind, ist
die Massenanalyse rauschbehaftet, und wenn zu viele
Produktionen vorhanden sind, gehen die Auflösung und die
Linearität verloren. Die Erzeugung von Produktionen ist
eine Funktion der Anzahl an in der Falle vorhandenen
Reagenzionen, der Anzahl an Probenmolekülen in der Falle,
der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Reagenzionen und
den Probenionen und der Reaktionszeit, während der man die
Reagenzionen mit den Probenmolekülen reagieren läßt. Man
kann die Anzahl der in der Falle vorhandenen Reagenzionen
durch Erhöhen der EI-Ionisationszeit, d. h. Aufrechterhalten
des Elektronenstrahls für eine längere Zeit, erhöhen.
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Ebenso kann man die Anzahl der in der Falle erzeugten
Probenionen durch Erhöhen der Reaktionszeit erhöhen.
Ein Verfahren des Standes der Technik, um dieses Problem
anzugehen, ist im US-Pat. Nr. 4 771 172 mit dem Titel
Method Of Increasing The Dynamic Range And Sensitivity Of A
Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer Operating In The
Chemical Ionization Mode, am 13. September 1988 Weber-
Grabau et al. erteilt, dargelegt. Dieses Patent behandelt
ein Verfahren zum Einstellen der in einer Ionenfalle im CI-
Modus verwendeten Parameter, um die Ergebnisse zu
optimieren. Um die Parameter zu optimieren, lehrt das
Patent das Verfahren der Ausführung einer CI-
"Vorabtastung", die gemäß dem Verfahren des '367-Patents
durchgeführt wird und jeder Massenanalyse vorausgeht. Diese
Vorabtastung ist ein vollständiger CI-Abtastzyklus, bei dem
die Ionisations- und die Reaktionszeit auf Werte festgelegt
sind, die kleiner sind als jene, die bei einer normalen
analytischen Abtastung verwendet werden würden, und bei dem
die Produktionen schneller als bei einer normalen
analytischen Abtastung durch Abtasten aus der Falle
entfernt werden. Die resultierenden Produktionen, die
während der Vorabtastung aus der Falle ausgestoßen werden,
sind nicht bezüglich der Masse getrennt und das Ionensignal
wird nur integriert, um ein Gesamtproduktionensignal zu
ergeben. Während der Vorabtastung wird die Gesamtzahl an
Produktionen in der Falle gemessen und die Parameter, d. h.
die Ionisationszeit und/oder die Reaktionszeit, für die
anschließende Massenanalyse-Abtastung werden eingestellt.
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Somit behandelt das Patent ein Verfahren aus zwei
Schritten, bestehend aus zuerst der Durchführung einer
"Vorabtastung" des Inhalts der Ionenfalle, um eine grobe
Bestimmung der Anzahl an Produktionen in der Falle zu
erhalten, gefolgt von einer Massenanalyse-Abtastung der im
'367-Patent gelehrten Art, wobei die Parameter der
Massenanalyse-Abtastung auf der Basis der während der
Vorabtastung gesammelten Daten eingestellt werden. Der
Nachteil des Verfahrens des Standes der Technik zur
Ausdehnung des dynamischen Bereichs durch die Verwendung
einer Vorabtastung, um die Probenmengen in der Falle
abzuschätzen, besteht darin, daß es zusätzliche Zeit in
Anspruch nimmt, um die Vorabtastung auszuführen, und somit
weniger analytische Abtastungen im gleichen Zeitraum
ausgeführt werden können. Jede der Vorabtastungen nimmt
nicht nur Zeit in Anspruch, sondern jede erzeugt Daten, die
abgesehen von ihrer Verwendung bei der Einstellung der
Parameter für die Massenanalyse-Abtastung keinen
unabhängigen Wert besitzen. Die Einstellungen der
Massenanalyse-Abtastparameter sind jedoch nur erforderlich,
wenn sich die Bedingungen ändern. Es ist nicht notwendig,
für jede Abtastung Einstellungen vorzunehmen, und somit
dient in vielen Fällen der Vorabtastschritt, zusätzlich
dazu, daß er Zeit in Anspruch nimmt, keinem nützlichen
Zweck. Folglich besteht ein Bedarf für ein verbessertes
Verfahren zur Einstellung der Ionenfalle während
Experimenten mit chemischer Ionisation, um in ihrem
dynamischen Bereich zu arbeiten.
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Es besteht ein Bedarf, das Ionenfallen-Massenspektrometer
bei der Durchführung sogenannter MSn-Experimente zu
verwenden. Bei MSn-Experimenten wird eine einzige
Ionenspezies in der Falle isoliert und in Fragmente
zerlegt. Die direkt aus der Probenspezies erzeugten
Fragmente sind auf dem Fachgebiet als Tochterionen bekannt
und die Probe wird als Mutterion bezeichnet. Die
Tochterionen können ebenfalls zerlegt werden, um Enkelionen
zu erzeugen, usw. Der Wert von n bezieht sich auf die
Anzahl der Ionengenerationen, die erzeugt werden; somit
werden bei einem MS²- oder MS/MS-Experiment nur
Tochterionen erzeugt und analysiert.
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Ein Verfahren des Standes der Technik zur Durchführung von
MSn-Experimenten ist im US-Pat. Nr. 4 736 101 mit dem Titel
Method Of Operating Ion Trap In MS/MS Mode, am 5. April
1988 Syka et al. erteilt, beschrieben. Nach der Isolation
einer interessierenden Ionenspezies werden die Mutterionen
mit Hilfe einer einzigen zusätzlichen Wechselstromfrequenz,
die auf die Resonanzfrequenz der interessierenden Ionen
abgestimmt wird, frequenzabhängig angeregt. Die Amplitude
der zusätzlichen Frequenz wird auf einen Pegel eingestellt,
der bewirkt, daß die Ionen Energie gewinnen, so daß ihre
Schwingungen in der Falle größer sind, der jedoch nicht
groß genug ist, um zu bewirken, daß die Ionen aus der Falle
ausgestoßen werden. Wenn die Ionen in der Falle schwingen,
stoßen sie mit Molekülen des Dämpfungsgases in der Falle
zusammen und erfahren eine durch Zusammenstöße induzierte
Dissoziation, wodurch Tochterionen erzeugt werden. Durch
Anlegen von Resonanzfrequenzen, die mit den Masse-Ladungs-
Verhältnissen der Tochterionen in Zusammenhang stehen,
können sie ebenso zerlegt werden.
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Die Schwierigkeit bei dem Verfahren des '101-Patents
besteht darin, daß die präzise Resonanzfrequenz der
interessierenden Ionen nicht a priori festgelegt werden
kann, sondern a posteriori festgelegt werden muß. Die
Resonanzfrequenz eines Ions, die auch als seine sekuläre
Frequenz bezeichnet wird, ändert sich mit dem Masse-
Ladungs-Verhältnis des Ions, der Anzahl der Ionen in der
Falle, den Hardware-Abweichungen und anderen Parametern,
die nicht in einfacher Weise präzise bestimmt werden
können. Somit muß die präzise Resonanzfrequenz einer
Ionenspezies empirisch bestimmt werden. Obwohl die
empirische Bestimmung ohne große Schwierigkeit ausgeführt
werden kann, wenn eine statische Probe in die Falle
eingeleitet wird, ist sie ziemlich schwierig zu
bewerkstelligen, wenn eine dynamische Probe, wie z. B. die
Ausgabe aus einem GC, verwendet wird.
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Eine Lösungsmöglichkeit des Standes der Technik zur
Überwindung des vorangehenden Problems bei der Bestimmung
der präzisen Resonanzfrequenz eines interessierenden
Probenions ist die Verwendung einer Breitbandanregung,
deren Schwerpunkt in der Nähe der berechneten Frequenz
liegt. Eine derartige Breitbandanregung kann beispielsweise
eine Bandbreite von etwa 10 kHz aufweisen. Ein weiteres
Verfahren besteht darin, eine Frequenz-Vorabtastung
durchzuführen, d. h. das zusätzliche Feld über einen
Frequenzbereich in dem interessierenden Bereich zu
durchlaufen, und die Resonanzfrequenz empirisch zu
überwachen. Es ist jedoch keine dieser Lösungen besonders
zufriedenstellend.
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Folglich betrifft die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren zum Optimieren der in einer Ionenfalle
verwendeten Versuchsparameter, um innerhalb des dynamischen
Bereichs der Falle zu arbeiten.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das in Anspruch 1
definierte Verfahren gelöst.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
werden Massenspektraldaten, die zum während einer Abtastung
der Ionenfalle gemessenen größten Maximum gehören,
verwendet, um bei Bedarf die während der anschließenden
Abtastung verwendeten Versuchsparameter so einzustellen,
daß die Falle innerhalb ihres dynamischen Bereichs
betrieben wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des zu einer
Ionenfalle gehörenden Stabilitätsdiagramms.
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Fig. 2 ist eine teilweise schematische Ansicht einer
Vorrichtung, die zur Anwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Fig. 3 ist ein Kurvenbild, das die Steuerung des
zusätzlichen Breitband-Wechselstromfeldes in bezug auf die
Torsteuerung des zur Elektronenstoß-Ionisation verwendeten
Elektronenstrahls zeigt.
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Fig. 4A-4G sind Massenspektren von verschiedenen Proben,
die die vorliegende Erfindung mit dem Verfahren des Standes
der Technik vergleichen.
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Fig. 5 zeigt eine alternative Anordnung der Vorrichtung von
Fig. 2 zur Verwendung bei der Anwendung der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 6A-6E sind Massenspektren verschiedener Proben, die
zeigen, wie das Anlegen eines zusätzlichen
Niederfrequenzfeldes verwendet werden kann, um die
Zerlegung eines Mutterions in einer Ionenfalle zu bewirken.
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Fig. 7A-7C sind Massenspektren, die zeigen, wie das
Anlegen eines zusätzlichen Niederfrequenzfeldes verwendet
werden kann, um Ionen mit hoher Masse aus einer Ionenfalle
zu beseitigen.
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Fig. 8A-8C sind Massenspektren, die zeigen, wie das
Anlegen eines zusätzlichen Niederfrequenzfeldes bei der
Durchführung von Experimenten mit chemischer Ionisation
verwendet werden kann.
Ausführliche Beschreibung
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Eine Vorrichtung zur Anwendung der vorliegenden Erfindung
ist in Fig. 2 schematisch gezeigt. Die Ionenfalle 10, die
schematisch im Querschnitt dargestellt ist, umfaßt eine
Ringelektrode 20, die mit oberen und unteren
Abschlußkappenelektroden 30 bzw. 35 koaxial ausgerichtet
ist. Vorzugsweise weisen die Einfangelektroden
hyperbolische innere Oberflächen auf, obwohl andere Formen,
beispielsweise Elektroden mit Querschnitten, die einen
Kreisbogen bilden, ebenfalls zur Erzeugung von
Einfangfeldern verwendet werden können. Die Gestaltung und
Konstruktion von Ionenfallen-Massenspektrometern ist
Fachleuten gut bekannt und muß nicht im einzelnen
beschrieben werden. Ein kommerzielles Modell einer
Ionenfalle der hierin beschriebenen Art wird von dem
Rechtsnachfolger hiervon unter der Typenbezeichnung Saturn
verkauft.
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Probengas, beispielsweise aus einem Gaschromatographen 40,
wird in die Ionenfalle 10 eingeleitet. Da GC's
typischerweise bei Atmosphärendruck betrieben werden,
während Ionenfallen bei stark verringerten Drücken
betrieben werden, sind Druckreduzierungsmittel (nicht
dargestellt) erforderlich. Solche Druckreduzierungsmittel
sind üblich und Fachleuten gut bekannt. Obwohl die
vorliegende Erfindung unter Verwendung eines GC als
Probenquelle beschrieben ist, wird die Quelle der Probe
nicht als Teil der Erfindung betrachtet und es besteht
keine Absicht, die Erfindung auf die Verwendung mit
Gaschromatographen einzuschränken. Andere Probenquellen,
wie z. B. Flüssigchromatographen mit Spezialgrenzflächen,
können ebenfalls verwendet werden.
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Mit der Ionenfalle ist auch eine Quelle für ein Reagenzgas
50 zum Durchführen von Experimenten mit chemischer
Ionisation verbunden. Das Proben- und das Reagenzgas, die
in das Innere der Ionenfalle 10 eingeleitet werden, können
durch Elektronenbeschuß folgendermaßen ionisiert werden.
Ein Elektronenstrahl, wie z. B. von einem Glühdraht 60, der
durch eine Glühdraht-Stromversorgung 65 gespeist wird, wird
durch eine Steuerelektrode 70 gesteuert. Die Mitte der
oberen Abschlußkappenelektrode 30 ist durchlöchert (nicht
dargestellt), um den durch den Glühdraht 60 und die
Steuerelektrode 70 erzeugten Elektronenstrahl in das Innere
der Falle eintreten zu lassen. Der Elektronenstrahl stößt
mit Proben- und Reagenzmolekülen innerhalb der Falle
zusammen, wodurch sie ionisiert werden. Die Elektronenstoß-
Ionisation der Proben- und Reagenzgase ist ebenfalls ein
gut bekannter Prozeß, der nicht ausführlicher beschrieben
werden muß.
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Durch das Anlegen einer Wechselspannung mit einer
gewünschten Frequenz und Amplitude wird ein Einfangfeld
erzeugt, um die Ionen in einem gewünschten Bereich von
Masse-Ladungs-Verhältnissen stabil einzufangen. Ein RF-
Generator 80 wird zur Erzeugung dieses Feldes verwendet und
wird an die Ringelektrode angelegt. Obwohl es gut bekannt
ist, daß man auch eine Gleichspannung anlegen kann, um das
Einfangfeld zu verändern und um an einem anderen Teil des
Stabilitätsdiagramms von Fig. 1 zu arbeiten, werden
kommerziell erhältliche Ionenfallen aus praktischen Gründen
alle unter Verwendung von nur einem Wechselstrom-
Einfangfeld betrieben.
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Es ist eine Vielfalt von Verfahren zur Ermittlung der
Masse-Ladungs-Verhältnisse der Ionen, die in der Ionenfalle
eingefangen werden, bekannt, um dadurch ein Massenspektrum
der Probe zu erhalten. Ein bekanntes Verfahren besteht
darin, die Falle so abzutasten, daß Ionen mit fortlaufenden
Masse-Ladungs-Verhältnissen der Reihe nach ausgestoßen
werden. Ein erstes bekanntes Verfahren zur Abtastung der
Falle besteht darin, einen der Einfangparameter, wie z. B.
die Größe der Wechselspannung, so abzutasten, daß die Ionen
nacheinander instabil werden und die Falle verlassen, wo
sie unter Verwendung von z. B. einem
Elektronenvervielfachermittel 90 erfaßt werden.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Abtastung der Falle
umfaßt die Verwendung einer zusätzlichen Dipol-
Wechselspannung, die über die Abschlußkappen 30 und 35 der
Ionenfalle 10 angelegt wird. Eine solche Spannung kann
durch einen zusätzlichen Wellenformgenerator 100, der durch
einen Transformator 110 mit den Abschlußkappenelektroden
gekoppelt ist, erzeugt werden. Das zusätzliche
Wechselstromfeld wird verwendet, um die Ionen in der Falle
frequenzabhängig auszustoßen. Jedes Ion in der Falle
besitzt eine Resonanzfrequenz, die eine Funktion seines
Masse-Ladungs-Verhältnisses und der Einfangfeldparameter
ist. Wenn ein Ion durch ein zusätzliches RF-Feld mit seiner
Resonanzfrequenz angeregt wird, gewinnt es aus dem Feld
Energie und, wenn genügend Energie in das Ion eingekoppelt
wird, übersteigen seine Schwingungen die Grenzen der Falle,
d. h., es wird aus der Falle ausgestoßen. Ionen, die auf
diese Weise ausgestoßen werden, können auch durch den
Elektronenvervielfacher 90 oder einen äquivalenten Detektor
erfaßt werden. Wenn das Abtastverfahren der
Resonanzausstoßung verwendet wird, kann der Inhalt der
Falle durch entweder Abtasten der Frequenz des zusätzlichen
RF-Feldes oder durch Abtasten von einem der
Einfangparameter, wie z. B. der Größe von V, der Einfang-
Wechselspannung, der Reihe nach abgetastet werden. Aus
praktischen Gründen wird das Abtasten der Größe der
Wechselspannung bevorzugt.
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Außerdem ist hierin nachstehend ein neues Verfahren zum
Abtasten der Ionenfalle beschrieben.
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Der zusätzliche RF-Generator 100, der auch zur Abtastung
der Falle wie vorstehend beschrieben verwendet werden kann,
ist in der Lage, ein Breitband-RF-Feld zu erzeugen, das
verwendet wird, um die Probenionen, die während der Zeit,
in der das Reagenzgas ionisiert wird, durch EI erzeugt
werden, frequenzabhängig auszustoßen. Fig. 3(a) zeigt die
Torsteuerung des zur Ionisation des Reagenzgases
verwendeten Elektronenstrahls. Das Elektronengatter 70 wird
mit dem Beginn bei t1 und dem Ende bei t2 eingeschaltet, um
den Elektronenstrahl in die Falle eintreten zu lassen, um
aus dem neutralen Reagenzgas Reagenzionen zu erzeugen. Wie
in Fig. 3(b) gezeigt, legt der zusätzliche
Wellenformgenerator 100 gleichzeitig dazu, daß das
Elektronengatter Elektronen in die Falle hineinläßt, für
einen Zeitraum, der bei t1 beginnt und bei t3 endet, ein
Breitbandsignal an die Abschlußkappen 30, 35 der Falle an.
Wie gezeigt, übersteigt die Breitbandanregung die
Torsteuerzeit. Alternativ könnte das zusätzliche
Breitbandsignal so angelegt werden, daß es zu einem
Zeitpunkt später als t1 oder sogar später als t2, d. h.,
nachdem die Elektronenionisation vollendet ist, beginnt.
Ebenso könnte das zusätzliche Signal auch zu einem
Zeitpunkt vor t1 beginnen. Der wichtige Aspekt liegt darin,
daß das zusätzliche Feld zur Beseitigung von ungewollten
Probenionen für einen Zeitraum "eingeschaltet" bleibt, der
sich über das Ende des Zeitraums, während dem die Ionen
erzeugt werden, hinaus erstreckt.
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Die an die Abschlußkappen angelegte Breitband-
Wechselspannung kann entweder phasenverschoben (Dipol-
Anregung) oder phasengleich (Quadrupol-Anregung) sein. Ein
alternatives Verfahren zum Erzielen der Quadrupol-Anregung
ist das Anlegen der zusätzlichen Wellenform an die
Ringelektrode, wie in Fig. 5 gezeigt, anstatt an die
Abschlußkappen.
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Die zusätzliche Wellenform enthält einen Bereich von
Frequenzen mit ausreichender Amplitude, um ungewollte
Probenionen mit einer Masse, die größer ist als die höchste
Masse eines Reagenzions, mit Hilfe der
Resonanzenergieabsorption durch die eingefangenen Ionen
auszustoßen. Jedes der Probenionen befindet sich mit einer
Frequenzkomponente der zusätzlichen Wellenform in Resonanz.
Folglich absorbieren sie aus dem zusätzlichen Feld Energie
und verlassen das Einfangfeld. Nachdem das zusätzliche Feld
die ungewollten Ionen ausgestoßen hat, wird es abgeschaltet
und die CI-Reagenzionen reagieren mit den Probenmolekülen
zur Erzeugung von CI-Probenionen. Diese Ionen werden dann
zur Erfassung in üblicher Weise, wie vorstehend
beschrieben, aus der Falle abgetastet.
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Die vorstehend beschriebene zusätzliche Wellenform hat eine
große Bandbreite und besitzt eine erste Frequenzkomponente,
die der niedrigsten auszustoßenden Masse entspricht, und
eine letzte Frequenz, die der höchsten auszustoßenden Masse
entspricht. Zwischen der ersten und der letzten Frequenz
befinden sich eine Reihe von diskreten Frequenzkomponenten,
die in gleichen oder ungleichen Abständen angeordnet sein
können und die Phasen aufweisen können, die entweder
willkürlich sind oder eine feste funktionelle Beziehung
aufweisen. Die Amplituden der Frequenzkomponenten können
entweder gleich sein oder sie können auf eine Funktionsform
zugeschnitten sein, um Frequenzabhängigkeiten der Hardware
zu kompensieren oder um die Verteilung der q-Werte aufgrund
der Verteilung der Massen, die in der Falle gespeichert
sind, zu kompensieren. Die Breitband-Wellenform weist eine
ausreichende Anzahl von Frequenzkomponenten auf, so daß
jedes Ion mit einer Resonanzfrequenz zwischen der ersten
und der letzten Komponente der Wellenform durch dieses
zusätzliche Feld frequenzabhängig ausgestoßen wird. Somit
werden alle während der EI erzeugten Probenionen vor der
Massenanalyse-Abtastung aus der Falle beseitigt und es gibt
keine Lücken in dem Massenbereich, der betroffen ist.
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Aus praktischen Gründen besitzen die Reagenzgase, die bei
CI-Experimenten verwendet werden, alle ein niedriges
Molekulargewicht, so daß die während der EI des Inhalts der
Falle erzeugten Reagenzionen in fast allen Fällen ein
niedrigeres Masse-Ladungs-Verhältnis aufweisen als die
Probenionen. In dem seltenen Fall, daß ein Probenion
erzeugt wird, das eine niedrigere Masse aufweist als die
Reagenzionen, kann eine spezielle Frequenz zur
Breitbandanregung hinzugefügt werden, um zu bewirken, daß
diese spezielle Masse zusammen mit den anderen ausgestoßen
wird.
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Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Stand der
Technik ist die Fähigkeit, ungewollte Probenionen, die
während der Ionisation des CI-Reagenzgases durch EI erzeugt
werden, zu entfernen. Die Fähigkeit, diese Ionen
auszustoßen, ermöglicht, daß längere Ionisationszeiten und
größere Emissionsströme verwendet werden, was folglich die
Empfindlichkeit der CI erhöht.
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Fig. 4A zeigt das restliche EI-Spektrum einer Probe von
Tetrachlorethan unter Verwendung der Abtastbedingungen, die
bei dem Verfahren des Standes der Technik verwendet werden.
Fig. 4B zeigt die Beseitigung der während des
Ionisationsschritts erzeugten Probenionen unter Verwendung
der Breitband-Wellenform. Fig. 4C zeigt das restliche EI-
Spektrum einer Probe von Trichlorethan und PFTBA, wobei
Methan-Reagenzgas in der Falle vorliegt, unter Verwendung
des Verfahrens des Standes der Technik. Fig. 4D zeigt die
Beseitigung der während des Ionisationsschritts erzeugten
Probenionen unter Verwendung der Breitband-Wellenform der
vorliegenden Erfindung. Man kann sehen, daß die
Reagenzionen mit einer Masse von 43 nach wie vor vorhanden
sind, selbst wenn die Probenionen, die hinsichtlich der
Masse gerade über ihnen liegen, entfernt werden. Fig. 4E
zeigt das Spektrum unter denselben Bedingungen wie in Fig.
4D, mit der Ausnahme, daß die zusätzliche Wellenform
abgeschaltet ist. Fig. 4F zeigt ein Spektrum von
Hexachlorbenzol unter Verwendung des Verfahrens des Standes
der Technik. Ein Gemisch von EI-Ionenfragmenten wird bei
Massen von 282, 284, 286, 288 und 290 beobachtet. Außerdem
werden Ionen aufgrund der protonierten Probe (von CI) bei
Massen von 283, 285, 287, 289 und 291 beobachtet. Fig. 4 G
zeigt das Spektrum unter Verwendung des hierin
beschriebenen Verfahrens. Man kann sehen, daß die
ungewollten Ionen aus dem EI-Prozeß fast vollständig
entfernt sind.
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Die aus einer Abtastung erhaltenen Daten werden, falls
erforderlich, zur Einstellung der Parameter für die
anschließende Abtastung verwendet, um zu gewährleisten, daß
die Falle innerhalb ihres dynamischen Bereichs betrieben
wird. Vorzugsweise wird die Amplitude des Ions mit der
höchsten Intensität von einer Abtastung (das Basismaximum)
verwendet, um die Ionisations- und/oder Reaktionszeit für
die nächste Abtastung einzustellen. Die Größe des
Basismaximums wird verwendet, um die Ionisations- und die
Reaktionszeit für die anschließende Abtastung so
einzustellen, daß eine im wesentlichen konstante Anzahl von
Ionen des Basismaximums aufrechterhalten wird. Da die
meiste der während der Abtastung aus der Falle
ausgestoßenen Ladung auf das Basismaximum zurückzuführen
ist, ist es eine gute Darstellung der Gesamtmenge an Ladung
von der Probe in der Falle. Indem man die gesamte
Probenladung in der Falle nahezu konstant hält, kann der
dynamische Bereich der Probe erhöht werden. Alternativ ist
es mit der Massenspektralinformation von einer Abtastung
möglich, die Parameter für die anschließende Massenanalyse-
Abtastung einzustellen, um sich beispielsweise nur auf
bestimmte interessierende Probenionen zu konzentrieren,
d. h. für eine bestimmte Spezies zu optimieren.
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Wenn die Parameter für eine Abtastung auf der Basis der
vorherigen Abtastung eingestellt werden, werden
vorzugsweise sowohl die Reaktionszeit als auch die
Ionisationszeit in einem festgelegten Verhältnis geändert.
Dies macht es leichter, die Ergebnisse von einer Abtastung
zur nächsten zu normieren.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Verringerung der
Abtastzeit für Proben mit großem dynamischen Bereich. Dies
wird durch die Verwendung der Intensität des Basismaximums
aus der vorherigen Abtastung als Maß für die Menge der
Probe in der Falle durchgeführt; wobei folglich der Bedarf
für eine zeitraubende Vorabtastung, die im Stand der
Technik verwendet wird, beseitigt wird.
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Ein zusätzliches Breitbandfeld kann ebenfalls verwendet
werden, um Reagenzionen aus der Falle zu beseitigen, wenn
ein EI-Experiment durchgeführt wird. In einigen Fällen kann
der Anwender einer Ionenfalle sowohl EI- als auch CI-
Experimente am gleichen Probenstrom durchführen wollen.
Unter solchen Umständen ist es unerwünscht, den Strom des
Reagenzgases in die Falle zu stoppen, während die EI
durchgeführt wird, dennoch verursacht die Anwesenheit von
Reagenzionen wahrscheinlich wirre Analysedaten. Unter
Verwendung einer zusätzlichen RF-Breitbandanregung können
jegliche Reagenzionen, die während der Elektronenstoß-
Ionisation der Probe erzeugt werden, frequenzabhängig aus
der Falle ausgestoßen werden, sobald sie erzeugt werden.
Dieselbe Ablaufsequenz, die in Fig. 3 dargestellt ist, kann
verwendet werden. Die RF-Breitbandanregung kann gemäß
irgendeiner der vorstehend beschriebenen Alternativen
konstruiert werden, außer daß der Frequenzbereich zum
Beseitigen nur der Reagenzionen mit geringer Masse
zugeschnitten sein sollte.
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Der Wellenformgenerator 100 von Fig. 2 kann auch verwendet
werden, um ein nicht resonantes Niederfrequenzfeld
anzulegen, um CI-Experimente auszuführen, um MSn-
Experimente auszuführen und um den Inhalt der Falle
abzutasten, um ein Massenspektrum zu erhalten. Eine
zusätzliche Niederfrequenzspannung aus dem
Wellenformgenerator 100 wird als Dipolfeld über die
Abschlußkappen 30, 35 der Ionenfalle 10 angelegt. Die
Frequenz des Dipolfeldes steht nicht mit den
Resonanzfrequenzen von irgendwelchen der Ionen (egal ob
Proben- oder Reagenzionen), die in der Falle gespeichert
sind, in Beziehung. Die Wellenform ist vorzugsweise eine
Rechteckwelle, kann jedoch fast jede Form aufweisen,
einschließlich Sinus-, Sägezahn- und Dreieckwellenformen.
Wie bemerkt, ist die Frequenz der zusätzlichen Spannung
relativ niedrig, wie z. B. zwischen 100 Hz und mehreren
Tausend Hz. Experimente deuten darauf hin, daß die
vorliegende Erfindung bei Frequenzen unterhalb von etwa
10000 Hz, welche etwa der Beginn des Bereichs der
Resonanzfrequenzen der Probenionen ist, funktionieren
würde. Vorzugsweise sollte die Frequenz jedoch im Bereich
von Hunderten Hz liegen.
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Es wird angenommen, daß das zusätzliche Rechteckwellen-
Dipolfeld abwechselnd das Zentrum der Pseudo-Potentialmulde
des Einfangfeldes entlang der z-Achse zu verschiedenen
Stellen verschiebt. Jedesmal, wenn das Zentrum der Pseudo-
Potentialmulde des Einfangfeldes verschoben wird, nehmen
eingefangene Ionen Translationsenergie aus dem Einfangfeld
auf und beginnen, um das neue Zentrum zu schwingen. Somit
erhöht die Verschiebung des Zentrums der Schwingungen
gewöhnlich die Amplitude der Schwingungen. Wenn die Ionen
Energie an das Hintergrundgas verlieren, bewegen sie sich
allmählich in Richtung des neuen Zentrums. Wenn das Zentrum
des Pseudo-Potentialfeldes wieder verschoben wird, wie z. B.
wenn die Rechteckwelle die Polarität ändert, wiederholt
sich der Prozeß. Es ist zu sehen, daß die Frequenz des
zusätzlichen Dipolfeldes niedrig sein sollte, so daß die
Ionen in Richtung des neuen Zentrums wandern können, bevor
das Feld geändert wird.
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Wenn das Zentrum der Pseudo-Potentialmulde verschoben wird,
wie vorstehend beschrieben, beginnen die Ionen, um einen
neuen Punkt im Raum zu schwingen, wobei sie energiereicher
werden. Die zu den Ionen hinzugefügte Energie reicht aus,
um zu bewirken, daß viele von ihnen aufgrund von
Zusammenstößen mit dem Dämpfungsgas zerfallen, wodurch
Tochterionen erzeugt werden. Wenn der Prozeß wiederholt
wird, zerfallen immer mehr der Ionen auf diese Weise. Ein
weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es
den Ionen mehr Energie verleiht als die Resonanzanregung
und somit in einigen Fällen zu einer ausgedehnteren
Ionenzerlegung führen kann.
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Da das vorstehend beschriebene Verfahren nicht auf der
Resonanzfrequenz der Ionen in der Ionenfalle beruht, wirkt
es auf alle Ionen in der Falle gleichzeitig ein. Somit ist
es unter Verwendung dieses Verfahrens möglich, gleichzeitig
verschiedene Generationen von Ionenfragmenten zu erzeugen,
ohne den Bedarf, Resonanzfrequenzen anzulegen, die zu jedem
der Fragmente gehören. Falls erwünscht, könnte vor der
Anwendung der vorliegenden Erfindung eine interessierende
Ionenspezies zuerst in der Falle gemäß bekannten Verfahren
des Standes der Technik isoliert werden.
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Unter Verwendung dieses Verfahrens ist es möglich, einen
vollständigen "Fingerabdruck" einer Verbindung zu erhalten,
was die Identifikation der Verbindung erleichtert. Das
Masse-Ladungs-Verhältnis allein kann nicht verwendet
werden, um ein Mutterion eindeutig zu identifizieren. Die
Kenntnis von nicht nur dem Masse-Ladungs-Verhältnis des
Mutterions, sondern auch von den Massen aller
Ionenfragmente kann jedoch verwendet werden, um das
Mutterion eindeutig zu identifizieren.
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Es wurde auch entdeckt, daß das Anlegen einer
Niederfrequenzspannung an die Ionenfalle als Mechanismus
zum Bewirken, daß Ionen mit Massen oberhalb einer
bestimmten Grenzmasse aus der Ionenfalle beseitigt werden,
verwendet werden kann. Die Grenzmasse ist eine Funktion der
Größe der zusätzlichen Niederfrequenzspannung. Ein Modell
dafür, wie eine Ionenfalle arbeitet, besteht darin, daß die
Ionen im wesentlichen in einer Potentialmulde eingefangen
werden, wobei die "Tiefe" der Mulde unter anderem eine
Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses ist. Je höher die
Masse ist, desto flacher ist die Mulde. Es wird angenommen,
daß das beobachtete Phänomen der Beseitigung von Ionen mit
hoher Masse durch Anlegen eines zusätzlichen
Niederfrequenzfeldes mit der relativ flachen Tiefe der mit
Ionen mit hoher Masse verbundenen Potentialmulde in
Zusammenhang steht. Insbesondere wird angenommen, daß die
Verschiebung des Zentrums der Pseudo-Potentialmulde
bewirkt, daß Ionen mit hoher Masse genügend Energie
gewinnen, um die Potentialmuldenschwelle zu überwinden und
die Ionenfalle zu verlassen.
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Dieses Phänomen kann sowohl bei Experimenten mit chemischer
Ionisation als auch beim Abtasten der Ionenfalle
vorteilhaft verwendet werden. Wenn Experimente mit
chemischer Ionisation durchgeführt werden, ist es wie
vorstehend beschrieben erforderlich, Probenionen mit hoher
Masse, die während der EI des Reagenzgases erzeugt werden,
zu beseitigen. Ein alternatives Verfahren zum Beseitigen
der Probenionen besteht darin, wie vorstehend beschrieben,
ein zusätzliches Niederfrequenzfeld mit einer Größe
anzulegen, die ausreicht, um alle Probenionen aus der Falle
zu beseitigen, während die Reagenzionen unbetroffen
bleiben. Die Ablaufsequenz zum Anlegen dieses zusätzlichen
Niederfrequenzfeldes kann wie in Fig. 3 dargestellt sein,
oder irgendeine der in Verbindung damit vorstehend
beschriebenen alternativen Ablaufsequenzen. In dieser
Hinsicht wird angemerkt, daß der Ionisationszeitraum von
Fig. 3(a), der eine geringere Dauer als eine Millisekunde
aufweisen kann, eine kürzere Dauer aufweisen kann als einen
halben Zyklus der zusätzlichen Niederfrequenzspannung.
Somit kann die Dauer des Anlegens der zusätzlichen
Spannung, wie in Fig. 3(b) dargestellt, viel länger in der
Dauer sein, und Fig. 3 ist nicht maßstabsgerecht
gezeichnet.
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Das Anlegen einer zusätzlichen Niederfrequenzspannung kann
auch als Mechanismus zum Abtasten der Ionenfalle zum
Erhalten eines Massenspektrums verwendet werden. Dies kann
durch Abtasten der Größe der zusätzlichen
Niederfrequenzspannung durchgeführt werden. Wenn die
zusätzliche Spannung anfänglich niedrig ist und erhöht
wird, werden Massen in absteigender Reihenfolge
nacheinander aus der Falle ausgestoßen. Alternativ kann die
zusätzliche Niederfrequenzspannung konstant gehalten werden
und einer der Einfangparameter abgetastet werden, um die
äquivalente Wirkung zu erhalten.
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Fig. 6A ist ein Massenspektrum von 1,1,1-Trichlorethan, das
in üblicher Weise erhalten wurde. Das Maximum bei der Masse
97 entspricht CH&sub3;CCl&sub2;&spplus;. Zum Vergleich ist Fig. 6B ein
Massenspektrum von 1,1,1-Trichlorethan, das unter
Verwendung derselben Versuchsparameter wie bei Fig. 6A
erhalten wurde, außer daß eine zusätzliche Niederfrequenz-
Rechteckwellenspannung (100 Hz, 42 Volt) für 20
Millisekunden angelegt wurde. Aus Fig. 6B ist zu sehen, daß
die Spitzenintensität bei der Masse 97 verringert wurde und
daß Ionen mit der Masse 61 (CH&sub2;CCl&spplus;) reichlich vorhanden
sind. Infolge der nicht resonanten Anregung absorbierten
die Ionen mit der Masse 97 Energie und einige wurden
dissoziiert, um die Ionen mit der Masse 61 zu erzeugen.
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Fig. 6C und 6D zeigen Spektren von 1,1,1-Trichlorethan, die
unter Verwendung derselben Parameter, die zum Erhalten der
Ergebnisse von Fig. 6A und 6B verwendet wurden, erhalten
wurden, außer daß die Frequenz der zusätzlichen
Rechteckwelle auf 300 bzw. 600 Hz eingestellt wurde. Die
Ähnlichkeit der Spektren von Fig. 6B, 6C und 6D zeigt, daß
die Dissoziation von der Frequenz des zusätzlichen Feldes
über einen breiten Bereich weitgehend unabhängig ist.
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Schließlich zeigt Fig. 6E ein Massenspektrum von 1,1,1-
Trichlorethan, das unter Verwendung des Verfahrens des
Standes der Technik erhalten wurde, d. h. anstatt der
Verwendung einer nicht resonanten Niederfrequenz-
Rechteckwelle wurde eine resonante Sinuswelle mit 139,6 kHz
(die Resonanzfrequenz der z-Achse für die Ionenmasse 97)
für 20 ms mit einem Pegel von 800 mV angelegt. Es ist zu
sehen, daß die Tochterionenausbeuten beider Verfahren etwa
dieselben waren.
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Fig. 7A-C zeigen Massenspektren von PFTBA unter
verschiedenen Bedingungen, um zu zeigen, wie dieses
Verfahren verwendet werden kann, um Ionen mit hoher Masse
aus der Ionenfalle zu beseitigen. Fig. 7A zeigt ein
vollständiges Massenspektrum mit sowohl den Mutter- als
auch den Fragmentionen. Fig. 7B zeigt, daß alle Ionen mit
einer Masse oberhalb 131 aus der Falle beseitigt wurden,
wenn die Spannung der zusätzlichen Rechteckwelle auf 20 V
erhöht wurde. Fig. 7C zeigt, daß die Erhöhung der Spannung
auf 33 V bewirkt, daß alle Ionen mit einer größeren Masse
als 100 aus der Falle beseitigt werden.
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Die Anwendung der Fähigkeit, Ionen mit hoher Masse unter
Verwendung eines zusätzlichen Niederfrequenzfeldes aus der
Ionenfalle zu beseitigen, auf Experimente mit chemischer
Ionisation ist in Fig. 8A-C dargestellt. Fig. 8A-C zeigen
dieselben CI-Experimente wie Fig. 4B, 4D bzw. 4G. Anstelle
der Verwendung des Breitband-Resonanzausstoßes, um
ungewollte Probenionen aus der Falle zu beseitigen, wurde
jedoch eine zusätzliche Niederfrequenz-Wellenform
verwendet. Es ist zu sehen, daß die Ergebnisse mit jedem
Verfahren im wesentlichen dieselben sind. Die Ergebnisse
von Fig. 8A wurden unter Verwendung eines zusätzlichen
Feldes mit einer Frequenz von 600 Hz erhalten; die
Ergebnisse von Fig. 8B wurden unter Verwendung eines
zusätzlichen Feldes mit einer Frequenz von 300 Hz erhalten;
und die Ergebnisse von Fig. 8C wurden unter Verwendung
eines zusätzlichen Feldes mit einer Frequenz von 400 Hz
erhalten. In jedem Fall lag die Größe der zusätzlichen
Spannung zwischen 20 und 40 V.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit deren
bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist
diese Beschreibung nicht als Einschränkung vorgesehen und
andere Variationen und Äquivalente werden für Fachleute
leicht ersichtlich sein. Folglich sollte der Schutzbereich
der Erfindung lediglich durch Bezugnahme auf die folgenden
Ansprüche festgelegt sein. Obwohl die Erfindung
beispielsweise teilweise in Verbindung mit der Durchführung
von Experimenten mit chemischer Ionisation, denen ein
Elektronenstoß-Ionisationsschritt vorangeht, beschrieben
wurde, könnte das Verfahren auch unter Verwendung von
Photoionisation anstelle der Elektronenstoß-Ionisation
ausgeführt werden.