DE69534099T2

DE69534099T2 - Verfahren zur isolierung einer quadrupolionenfalle

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Publication number: DE69534099T2
Application number: DE69534099T
Authority: DE
Inventors: J. Gregory WELLS
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1994-01-11
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2015-01-12
Also published as: EP0746873B1; EP0746873A4; US5396064A; DE69534099D1; WO1995019042A1; EP0746873A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zum Isolieren eines interessierenden Ions in einer Quadrupol-Ionenfalle.
In den letzten Jahren hat die Quadrupol-Ionenfalle (QIT) in der Analysetechnik stark an Bedeutung gewonnen. Die QIT wurde erstmals im Jahre 1952 offenbart. Die Geschichte ihrer Entwicklung und Details ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise wurden in verschiedenen Veröffentlichungen dargelegt, einschließlich in dem Buch mit dem Titel "Quadrupole Storage Mass Spectrometry" von March und Hughes, das 1989 von John Wiley & Sons veröffentlicht wurde. Kurz gesagt ist die QIT ein Massenspektrometer, das Radiofrequenzfelder verwendet und keine Verwendung eines Magneten zum Trennen von Ionen und Vorsehen eines Massespektrums einer unbekannten Probe erfordert. Die zu analysierende Probe wird zunächst in Ionen innerhalb der QIT dissoziiert/fragmentiert, wobei deren Ionen geladene Atome oder molekular gebundene Gruppen von Atomen sind. Die QIT ist imstande, Bewegungsrückstellkräfte bei ausgewählten Ionen in den drei orthogonalen Richtungen vorzusehen, und kann daher das ausgewählte Ion innerhalb der QIT halten.
Es gibt mehrere allgemein gebräuchliche Techniken zum Bestimmen von Ionen in der QIT. Durch Beeinflussen des elektrischen Feldes innerhalb der Falle wurde es möglich zu scannen, d.h. zu bewirken, dass aufeinander folgende m/e-Werte der gespeicherten Atome instabil werden, so dass die getrennten Ionen in einen Detektor strömen und die detektierte Ionenstromsignalintensität, als eine Funktion des Scanparameters, das Massespektrum der analysierten Ionen ist.
Ein alternatives Scanverfahren verwendet zusammen mit dem Ändern der Quadrupol-RF-Feldspannung eine einzelne, zusätzliche an das Quadrupolfeld angelegte Dipolfrequenz, um die säkularen Bewegungen der eingefangenen Ionen mit aufeinander folgendem m/e der Reihe nach in Resonanz mit dem zusätzlichen Feld zu bringen und dabei zu bewirken, dass deren Amplituden steigen bis die Ionen den Einfangbereich verlassen. Dieses Scanverfahren wird als Resonanzscannen bezeichnet. Andere nicht-scannende Techniken zur Spektrenbestimmung sind in einer weiteren, am 10. Januar 1994 eingereichten Anmeldung (Varian, Fall-Nr. 93-22) mit dem Titel "A Method of Space Charge Control for Improved In Isolation in a QIT" beschrieben. Diese weiteren Verfahren umfassen das Messen eines Wellen- bzw. Bildstroms und dessen Integration zur Bestimmung der Ladungsmenge in der Falle auf ähnliche Weise wie die Ionenzyklotronresonanz-Spektrometerdetektion (ICR) und FT-ICR oder durch gleichzeitigen Ausstoß der Ionen in der Falle durch eine an eine Endkappe angelegte Gleichspannung oder durch Einstellen der RF-Einfangpannung auf Null. Die gleichzeitig ausgestoßenen Ionen könnten dann durch die bei Laufzeitspektrometern verwendete Technik der Ionentrennung getrennt werden.
Es gibt mehrere wichtige Experimente, bei denen es sehr wichtig ist, zuerst ein Ion mit einem bestimmten m/e oder eines derartigen Ionenbereichs innerhalb der QIT zu isolieren. Ein derartig spezielles Experiment nennt man MS/MS. Dies ist das Experiment, bei dem ein bestimmtes Ion als ein Mutterion isoliert wird, dann das Mutterion durch sanfte Stöße dissoziiert wird, was man generell als stoßinduzierte Dissoziation (CID) bezeichnet, um Tochterionen zu erhalten. Das gemeinsam übertragene US-Patent 5,198,665, das vorher schon als ein verwandtes Patent beschrieben wurde, beschreibt ein derartiges Isolationsverfahren für CID.
Es gibt drei allgemein gebräuchliche Arten von Probenionisationsverfahren. Diese sind Elektronenstrahl (E-Strahl)- oder Elektronenionisation (EI), stoßinduzierte Dissoziation (CID) und chemische Ionisation (CI). Der E-Strahl ist ein einstellbarer Energie-Elekronenstrahl zum Stoßen der Ionen bei hoher Geschwindigkeit und bewirkt eine starke Partikelfragmentation. Bei CID läßt man die Ionen, die durch andere Verfahren, wie z.B. EI oder CI erzeugt wurden, in der Falle oszillieren, was Stöße mit einem Backgroundgas ergibt, das die Fragmentation des Ions zur Folge hat, um ein Ion von geringerem m/e und ein neutrales Fragment auszubilden. CI bezieht sich auf eine Technik zum Induzieren einer chemischen Reaktion zwischen zwei verschiedenen Stoffen zur Ausbildung eines Ionenprodukts.
Zum Ausführen eines chemischen Ionisationsexperiments wird ein neutrales Reagenzgas in die Falle eingeführt und durch die Verwendung eines E-Strahls ionisiert. Die daraus resultierenden Ionen des Reagenzgases reagieren dann mit einer neutralen Probe, um ein Ion der Probe zu erzeugen; normalerweise durch eine Protonenübertragungsreaktion vom Reagenz-Ion auf eine neutrale Probe. Ein Problem bei diesem Verfahren ist, dass das Spektrum zu komplex ist und verschiedene Reagenz-Ionen erzeugt, die verschiedene chemische Eigenschaften ebenso wie die durch EI als auch CI erzeugten Probeionen aufweisen, und das gewünschte Ion isoliert werden muss.
Es ist bekannt, dass die Reagenz-Ionenarten ziemlich verschiedene Eigenschaften aufweisen. Die verschiedenen Arten übertragen verschiedene Energiemengen auf ein Probemolekül. Elektronenbeschussverfahren erzeugen CH₂ ⁺, CH₃ ⁺, CH+₄ ⁺, CH+₅ ⁺, C₂H₃ ⁺, C₂H₄ ⁺, C₂H₅ ⁺, C₃H₅ ⁺. Diese Ionen werden durch direkten Beschuss sowie durch Ionenmolekülreaktionen zwischen Vorläuferionen des Reagenzgases (durch EI ausgebildet) und dem übrigen neutralen Reagenzgas ausgebildet. Jede Ionenart wird beim chemischen Ionisieren einer Probe eine unterschiedliche Reihe von Produkt-Ionen erzeugen. Entsprechend können die Spektren sehr komplex sein. Es herrscht Bedarf daran, ein einzelnes, massenisoliertes Reagenz-Ion vorzusehen.
Neue QIT-Techniken zum Isolieren von Ionen entwickelten sich schnell. Jedoch weisen die vorliegenden Techniken Nachteile auf. Das US-Patent 4,761,545 von Marshall lehrte die Verwendung einer inversen Fourier-Transformation mit nicht-linearer Phaseneinstellung, um eine zusätzliche Breitbandwellenform zu erzeugen, die man an die QIT- Endkappen angelegt hatte. Die Marshall-Wellenform weist eine Kerbe im Frequenzspektrum auf, um jene Ionen aus der Falle zu stoßen, deren säkulare Resonanzfrequenzen außerhalb der Kerbe liegen und um jene Ionen zu isolieren, deren säkulare Frequenzen innerhalb der Kerbe liegen. Das Europäische Patent 362432 A1 von Franzen et al. lehrt die Verwendung einer zusätzlichen, eine Kerbe aufweisenden Breitbandwellenform, um wahlweise Ionen zu speichern und deren Bestand während der E-Strahl-Ionisation zu erhöhen. Das US-Patent 5,134,286 von Kelly erzeugte die Breitbandwellenform durch Verwenden von homogenem Rauschen und Filtern, um eine Kerbe zu erhalten. In meinem früheren Patent '665, ist ein Verfahren zum Isolieren eines einzelnen, engen Ionenbereichs unter Verwendung eines Zwei-Schritt-Verfahrens für CID offenbart, welches das Scannen des RF-Feldes zusammen mit einem Zusatzdipolfeldgescannten, resonanten Ausstoß für Ionen mit geringerem m/e und einer Breitbandwellenform ohne Kerben zum Ausstoßen der Ionen mit höherem m/e verwendet. Die Verfahren von Marshall, Franzen und Kelly verwenden niedrige RF-Feld-Werte während der Ionisation. Dies hat geringe Masseauflösung für hohe Massewerte zur Folge. Mein früheres Verfahren hat die höhere Masseauflösung verbessert, wies aber dahingehend ein Problem auf, dass es nach dem Ausstoß von Ionen mit geringerem m/e keine Mittel zum Ausstoßen neu ausgebildeter Ionen mit geringerem m/e aufweist, die durch CID während des letzten Schritts des Ausstoßens von Ionen höherer Masse erzeugt werden. Diese Ionen mit geringerem m/e werden "Schattenionen" genannt.
Das US-Patent 4,686,367 von Louris offenbart das Verfahren zum Erzeugen von CI-Reagenzarten in einer Falle durch Elektronenbeschuss. Das Abstoßen von Ionen über einer ausgewählten Grenzfrequenz durch Masseinstabilitätsscannen ist offenbart. Im US-Patent 4,196,699 verwendet Kelly während der Ionisation gefiltertes Rauschen an den Endkappen, um ungewollte Ionen des Reagenz- und Probegases während der Ionisation auszustoßen. Das US-Patent 4,818,869 von Weber et al. und das Dokument "Intern. J. Mass. Sec. And Ion Proc.", V 94, S. 115–147 (1989) von Barberich lehren Ionenisolation durch ein Verfahren, um das CI-Reagenz-Ion nach dem Ende der anfänglichen Ionenausbildungsperiode, d.h. der Ionisationszeit zuzüglich einer Vorläuferreaktionsperiode, hinsichtlich der Masse zu selektieren. Bei diesem Verfahren müssen die Vorläuferionen, die selbst Reagenz-Ionen sein können, in der Falle sein, um andere Arten von Reagenz-Ionen auszubilden. Nach dem Ende der Reagenzausbildungperiode wird ein Gleichstromimpuls angelegt. Dies verhindert nicht die Ausbildung von zusätzlichen Reagenz-Ionen mit geringer Masse durch Ladungsaustausch oder Ionenausbildungprozessor nach dem Gleichstromimpuls-Masseisolationsschritt. Auch das Verfahren mit gefiltertem Rauschen aus dem Patent von Kelley muss das Einfangen von allen Vorläuferionen ermöglichen, da es nur während des E-Strahl-Ionisationsschrittes aktiviert ist, Periode A von 4 des Patents '689, und während des Reaktionsschrittes deaktiviert ist, Periode 8 in 4 des Patents '689. Entsprechend sieht Kelley auch nicht die Isolation einer einzelnen, masseisolierten Reagenzart vor, ohne auch alle Vorläuferionen zu isolieren, die zur Ausbildung des gewünschten Reagenz-Ions führen.
US 5,196,699 offenbart ein Verfahren für die Massenspektrometrie mittels chemischer Ionisation unter Verwendung eines Kerbfilters. Ein Quadrupol- Ionenfallensystem mit einer Ringelektrode wird verwendet und ein kombiniertes RF-/Gleichspannungs-Einfangfeld wird daran angelegt. In einem ersten Schritt wird ein RF-Breitbandspektrum zu den Elektroden geleitet, um Ionen zu speichern, während Moleküle durch einen Ionenstrahl ionisiert werden. In einem wesentlichen nächsten Schritt wird die RF-Breitbandspannung für eine Zeitdauer unterbrochen, so dass sich Produkt-Ionen durch Ionenreaktionen ausbilden können. In einem optionalen nächsten Schritt wird eine gefilterte Rauschspannung an die Elektroden angelegt, so dass gefilterte Produkt-Ionen in der Falle bleiben.
Unter Verwendung im Wesentlichen der gleichen Masseanalysevorrichtung wie beim oben genannten Dokument, schlägt EP 0 292 187 A1 ein Verfahren zur Ionenextraktion vor, bei dem die Moleküle zuerst ionisiert werden, eine Reaktionsperiode eingefügt und ein Vorscannen vor einer zweiten Ionisation und einer zweiten Reaktionsperiode durchgeführt wird. Danach wird ein Massescannen zur Analyse für m/e durchgeführt, um die Ionen aus der Falle abzuziehen.
Beim Ionenfallen-Massenspektrometer der EP 0 575 777 A2 wird eine RF-Breitbandspannung angelegt, um Ionen mit hoher oder geringer Masse aus der Falle auszustoßen.
Bei der US 5,198,665 wird ein RF-Breitbandfeld zusätzlich zum Herunterfahren des RF-Einfangfeldes angelegt. Die US 5,274,233 offenbarte das Anlegen mehrerer zusätzlicher Wechselspannungssignale an die Einfangelektroden eines MS-Systems, wobei die Wechselspannungsfrequenzen auf resonante Bedingungen der Ionen abgeglichen werden. Durch Anlegen säkularer Frequenzen verringern die US 5,300,772 und die US 5,302,827 Raumladungseffekte in einem Quadrupol-Ionenfallensystem.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Isolieren eines ausgewählten Ions in einem Quadrupol-Ionenfallensystem mit verbesserter Filterung der ausgewählten Ionen vorzusehen, die im Quadrupolsystem eingefangen sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein in den Ansprüchen 1 bzw. 8 dargelegtes Verfahren gelöst. Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer QIT mit einem zusätzlichen, vollleistungsfähigen Wellenformgenerator.
2A ist ein Impuls- und Scanablauf für das Verfahren dieser Erfindung für eine m/e-Probeisolation, um Experimente wie beispielsweise MS/MS zu unterstützen.
2B ist ein Impuls- und Scanablauf für das Verfahren dieser Erfindung für eine M/e-Reagenz-Ionenisolation, um chemische Ionisation mit einem einzigen Reagenz-Ion zu unterstützen.
3A ist das Standardspektrum für ein PBTFA-Normgas für 804 > m/e > 44.
3B ist eine Spreizung der 3A für m/e nahe 265.
4A zeigt die Isolation von m/e = 265 unter Verwendung des Verfahrens von Well gemäß US-Patent 5,198,665.
4B zeigt eine Spreizung von 4A für den Bereich nahe m/e = 265 gemäß der vorliegenden Erfindung.
4C zeigt die Isolation von 4C um den Bereich nahe m/e = 265.
5 zeigt das Spektrum für E-Strahl-Ionisation von Luft, H₂O-Dampf und PBFTA in der Falle in großem Ausmaß.
6 zeigt das Spektrum der gleichen Stoffe wie in 5 nach Anlegen von WF1(2-35) der 2B nur während der Ionisation.
7 zeigt das Spektrum der gleichen Stoffe wie in 5 nach Anlegen von WF2(2-37) nach dem Ende der Ionisation und während der ganzen restlichen Reaktionsperiode für den Ausstoß von m/e < 29.
8 zeigt das Spektrum der gleichen Stoffe nach aufeinander folgendem Anlegen von WF1 und WF2 dieser Erfindung.
9 zeigt das Spektrum 10 > m/e < 90 von PTBFA und Methan als ein Vorläufer- bzw. Ausgangsreaktionsgas für CI.
10 zeigt das Spektrum der Stoffe von 9 nach Anlegen von WF1 und WF2 dieser Erfindung für die Isolation von m/e = 29.
11 zeigt das Spektrum der gleichen Stoffe von 9, wobei WF1 und WF2 dieser Erfindung anlegt werden, um m/e = 41 zu isolieren.
Die QIT-Vorrichtung von 1 zeigt eine vom Stand der Technik bekannte Struktur zum Einführen eines Probegases über eine Leitung 25 in eine QIT 1, die eine Ringelektrode 2 und Endkappen 3 und 3' aufweist. Durch die Befehle der Steuerung 12 liefert der E-Strahl-Erreger 22 einen Elektronenstrahl durch eine Endkappe in das Innere der Falle zum Beschienen und Ionisieren des Stoffes in der Falle. Der RF-Einfangfeldgenerator ist mit der Ringelektrode verbunden und unterliegt ebenso dem Befehl der Steuerung 12 für Ablauf- und Spannungspegelsteuerung. Mit den Endkappen ist eine mit Mittelabgriff 9 versehene Primärwicklung 4 eines Transformators verbunden, während mit der Sekundärwicklung 9 des Transformators der zusätzliche Frequenzgenerator 24 verbunden ist. Der Zusätzliche Frequenzgenerator umfasst die Fähigkeit, zumindest drei merklich unterschiedliche Frequenzspektren vorzusehen. Dies umfasst einen Einzelfrequenz-Generator I, einen Generator II mit festem Breitbandspektrum und einen Generator III mit variablem Breitbandspektrum. Da, technisch gesehen, diese verschiedenen zusätzlichen Frequenzen nicht gleichzeitig aktiviert werden müssen, könnte ein einziger zusätzlicher Mehrzweck-Frequenzgenerator den Anforderungen der Erfindung entsprechen.
Bezugnehmend auf 3A ist das Spektrum m/e des Standard-PFTBA-Kalibrierungs- bzw. Normgases gezeigt. 3B zeigt die Spreizung von 3A um das Ion mit m/e = 265. Die Schwierigkeit mit dem herkömmlichen Verfahren von Wells aus dem Patent '665 kann man bei Durchführung des Zwei-Schritt-Verfahrens von Wells am PFTBS-Kalibrierungsgas für das Ion mit m/s = 265 sehen. Die Ergebnisse davon kann man in 4A und 4B sehen. Wie aus der eine Spreizung von 4A darstellenden 4B ersichtlich, stammt der Großteil der Ionenintensität vom Ion mit m/e = 264. Man hat festgestellt, dass diese Ionen mit m/e = 264 tatsächlich während dem Ionenausstoßschritt ausgebildet werden, wenn die Ionen, die eine höhere Masse als die spezifizierten Mutterionen aufweisen, durch Anlegen der Breitbandwellenform des '665-Verfahrens von Wells ausgestoßen werden. Einige der Ionen hoher Masse (mit Masse 502, um genau zu sein) dissoziieren, anstatt ausgestoßen zu werden, und bilden m/e = 264 aus. Da die Massen geringer als 265 im ersten Schritt von Wells ausgestoßen wurden, bleiben diese Ionen als so genannte 'Schattenionen' in der Falle. Außerdem gibt es zusätzliche Ionen der Masse 265, die durch eine ähnliche Dissoziation der Masse 503 ausgebildet werden.
Bezugnehmend auf 2A wird die Impulsfolge des Verfahrens der Erfindung in Zusammenhang mit der Isolation von m/e = 265 beschrieben. Diese Impulsfolge ermöglicht einem, das Spektrum von 4C und 4D zu erhalten. 4D zeigt das Ergebnis, bei dem die Ionen mit m/e = 264 ausgestoßen und die Ionen mit m/e = 265 isoliert wurden.
Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem der zusätzliche Breitbandimpuls WF1, 2-15 vom Generator 20 mit variablem Breitband an die Endkappen angelegt wird, gibt der RF-Generator 2 einen flachen, niedrigen Spannungspegel 2-4 ab und ist der E-Strahl 2-22 aktiviert, wie aus 2A ersichtlich.
Der Breitbandimpuls 2-15 besteht aus Frequenzen, die höher als die säkulare Frequenz des Ions mit m/e = 265 sind. Dies nennt man Hochpassfilter (HPF), da die Falle die Ionen hoher Masse/Ladung speichert und die Ionen geringer Masse/Ladung ausstößt.
Nachdem der E-Strahl abgeschaltet ist, schaltet der Impuls der zusätzlichen Generators vom WF1-Spektrum zum WF2-Spektrum, 2-16. Das WF2-Spektrum wird ausgewählt, um Frequenzen vorzusehen, die mit säkularen Frequenzen von Ionen mit m/e höher als 265 in Resonanz stehen sollen. Nach dem Anlegen dieser beiden Impulse wird ein Standardablauf von Wells gemäß US-Patents 4,198,665 verwendet. Bei diesem Ablauf wird die RF-Feldspannung 2-6 und 2-7 erhöht, während die einzelne zusätzliche Frequenz 2-1 an die Endkappen für gescannten Resonanzausstoß angelegt wird, und diese dann gemäß 2-8 und 2-10 abgesenkt, während gleichzeitig ein festes zusätzlichen Breitbandspektrums 2-19 im Bereich von 450 KHz bis hinunter zu 10 KHz angelegt wird, wie im Patent '665 beschrieben.
Zu dem Zeitpunkt, der dem Bereich 2-23 des Signalverlaufs des RF-Generators entspricht, wird das gewünschte Ion, wie in 4D gezeigt, isoliert und nachfolgende Experimente können durchgeführt werden, wie z.B. Anlegen einer einzelnen Rückkopplungsfrequenz 2-24, die sich von der unterscheiden kann, die in Periode 2-1 vom Generator 5 verwendet wird, und Modulation der RF-Spannung 2-23' für sanftes Ionisieren des Mutterions durch stoßinduzierte Dissoziation (CID), wie in der gleichzeitig angemeldeten, schwebenden Anmeldung mit dem Titel 'A Method of Selective Ion Trapping for Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometers" der Erfinder Wells und Wang (Varian, Fall-Nr. 93-24).
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung würden die bei WF1 und WF2 verwendeten Wellenformen aus Frequenzen bestehen, die im Frequenzbereich weniger voneinander beabstandet sind als die Breite der Ionenresonanz im Frequenzbereich. Ein alternatives Verfahren ist auch in Verbindung mit 2A gezeigt. Es ist nicht erforderlich, dass die Amplitude des RF-Generators während des Anlegens von WF1 und WF2 auf einem konstanten Pegel 2-4 bleibt. Wie dargestellt, kann der RF-Pegel, wie bei 2-20 während WF2 gezeigt, bezüglich des Werts während WF1 erhöht oder abgesenkt werden. Dies ermöglicht, dass sowohl die Massen unter als auch die Massen über dem ausgewählten Ion durch Anpassen der relativen RF-Spannung unabhängig optimiert werden können, die für jede Wellenform verwendet wird, ohne eine Neuberechnung des Frequenzspektrums für die Breitbandwellenform zu benötigen. Das Ändern des absoluten Wertes der RF-Spannung ermöglicht die Änderung von m/e des ausgewählten Ions. Bei dieser Alternative jedoch ist es nötig, dass es eine Verzögerungzeit Δt zwischen dem Abbrechen von WF1 und dem Einführen des neuen Wertes 2-20 des RF-Feldes gibt. Es ist nötig, dass die RF-Spannung stabil ist oder Möglichkeit zur Stabilisierung vor dem Schalten von WF1 erhält, um Scaneffekte zu vermeiden.
Ähnlich wird eine Verzögerungszeit Δt₂ benötigt, bevor WF2 aus dem gleichen Grund angeschaltet wird.
Nimmt man jetzt Bezug auf 2B, so wird die Anwendung der Erfindung mit spezifischer Anwendung auf chemische Ionisationsexperimente beschrieben. Bei chemischer Ionisation wird ein Reagenzgas in die Falle eingeführt und das Gas wird mit Elektronen beschossen, um Reagenz-Ionen zu erzeugen, die mit der Probe reagieren, um das Probespektrum zu erzeugen. Es gibt jedoch mehrere Probleme. Eines der Probleme bezieht sich auf die Tatsache, dass es unpraktisch ist, den Ausgangsfluss aus dem Gaschromatographen abzubrechen, was ein allgemein verwendetes Verfahren beim Einführen der Probe in eine QIT ist. Dies bedeutet, dass Probeionen während des E-Strahl-Beschusses des Reagenzes erzeugt werden. Die während der Ionisation ausgebildeten Ionen des Reagenzgases sind das Ergebnis der EI (Elektronenionisation) und erzeugen daher ein anderes Massespektrum als das, das aus CI (chemische Ionisation) der Probe erfolgt. Ein zusätzliches Problem besteht darin, dass mehrere verschiedene Reagenz-Ionen ausgebildet werden, was wiederum die Ausbildung verschiedener Sätze von CI-Produkt-Ionen zur Folge hat. Schließlich sollte man sich bewusst sein, dass sich die relative Intensität der verschiedenen Reagenz-Ionen mit unterschiedlichem m/e als eine Funktion der Zeit ändern wird, da einige der Reagenz-Ionen auch Vorläuferionen sind, die mit dem neutralen Reagensgas zur Ausbildung von Reagenz-Ionen höherer Masse reagieren werden. Das Resultat dieser verschiedenen unerwünschten Prozesse ist, dass das CI-Spektrum des Stands der Technik eine komplexe Mischung aus Ionen ist, die durch verschiedene Prozesse erzeugt werden.
Das Verfahren dieser Erfindung zum Isolieren eines Ions für MS/MS, wie in 2A beschrieben, legt nacheinander zwei verschiedene Breitbandwellenformen an. Die erste Wellenform wird zeitlich gesehen gleichzeitig mit dem E-Strahl-Ionisationsbeschuss angelegt, und die zweite Wellenform wird im Wesentlichen sofort nach Ende der ersten Wellenform angelegt. Das gleiche Zweierkonzept des Wellenformablaufs, bei dem die erste Wellenform die E-Strahl-Ionisation überlappt, kann vorzugsweise auch in Verbindung mit chemischer Ionisation verwendet werden. Im CI-Fall jedoch wird die Isolation eines spezifischen Reagenz-Ions angestrebt. Im Gegensatz zum MS/MS-Verfahren, wo geringe Masseraumladung eine ungewünschte Auswirkung auf die Speicherung von Mutterionen höherer Masse hat, ist die geringe Masseladung beim CI-Verfahren nötig, da es das Reagenz-Ion ist. Es sind die Probeionen höherer Masse, die durch EI während der Reagenz-Ionausbildung ausgebildet werden, die unerwünscht sind. Daher gibt es den weiteren Unterschied, dass beim CI-Isolationsverfahren die erste Wellenform, die gleichzeitig mit der E-Strahl-Ionisation stattfindet, ein Tiefpassfilterimpuls (TPF) ist, d.h. Ionen mit geringem m/e-Verhältnis werden gespeichert und Ionen mit hohem m/e-Verhältnis werden ausgestoßen. Dieser WF1-, 2-35, -Impuls (TPF) wird verwendet, um all diese hohen, aus dem Beschuss der Probe resultierenden Massefragmente auszustoßen. Dies ist erforderlich, da die Probeionen in der Falle zusammen mit dem Ausgangs- bzw. Vorläuferprodukt für die Reagenz-Ionen vorhanden sind. Dieses Spektrum jedoch stößt nicht jedes Ausgangsreagenz aus, das nötig ist, um Reagenz-Ionen für die Reaktionsperiode zu erzeugen, nachdem der E-Strahl abgeschaltet ist. Es ist manchmal vorteilhaft, eine zusätzliche Zeitperiode nach dem Ende der Ionisationsperiode zu ermöglichen, bei der der TPF noch aktiv ist. Diese zusätzliche Zeit wird oft verwendet, um zu ermöglichen, dass Vorläuferionen vollständiger reagieren, um andere Reagenz-Ionen auszubilden. Der TPF ist so ausgestaltet, dass er alle Massen über dem letzten zu isolierendem Reagenz-Ion ausstößt. Wenn der TPF-Impuls (WF1) abgeschaltet wird, wird der WF2 (HPF), 2-3, angeschaltet. Der HPF-Impuls ist eine Breitbandwellenform, die ausgewählt wird, um die säkulare Frequenz all derjeniger Ionen anzuregen, deren m/e geringer ist als die des ausgewählten Reagenz-Ions, und um das Speichern der Ionen mit höheren m/e-Verhältnissen zu ermöglichen. Der HPF ist während der ganzen Reaktionsperiode aktiviert und eliminiert daher alle Ionen geringerer Masse, die durch Ladungstransfer und Dissoziationsprozesse ausgebildet würden.
5 veranschaulicht die Spektren von Luft, Wasser und Normgasen, die in großem Ausmaß in einer QIT vorhanden sind, die einer EI unterzogen wird. Das Spektrum wird durch resonantes Scannen erhalten. Dieses Spektrum wird als äußerst komplex angesehen. Um die Vorteile des erfinderischen Verfahrens zu veranschaulichen, habe ich das Ion mit m/e = 29 ausgewählt, um die Leistungsfähigkeit meines Verfahrens zum Auswählen eine Reagenz-Ions für CI zu demonstrieren.
6 veranschaulicht das Spektrum unter Verwendung einer zusätzlichen WF1-Breitbandwellenform, die berechnet ist, um all jene Ionen abzuweisen, die größer als m/e = 29 sind. Man beachte eine geringe Intensität von Ionen bei m/e = 32, was vom Ladungstransfer niedriger Ionen zu neutralen Sauerstoffmolekülen kommt.
7 veranschaulicht das Spektrum nach Anwendung von WF2 (ohne vorheriges WF1) bei Luft, Wasser und Normgas, wobei WF2, wie in 2B dargestellt, am Ende der Ionisationsperiode und während der übrigen Reaktionsperiode angelegt ist. WF2 ist die berechnete Breitbandwellenform zum Ausstoßen aller Ionen mit m/e = 29. Die geringe Intensität von m/e = 18 und 19 beruht auf dem Ladungstransfer zu Fragmenten von Ionen höherer Masse in der Falle.
8 ist das Ergebnis der Anwendung des Ablaufs der Erfindung unter Verwendung von WF1 und WF2, wie in 2B dargestellt. Man kann sehen, dass im Wesentlichen alle Ionen außer dem ausgewählten Ion aus der Falle entfernt sind.
9 stellt das Verfahren der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Verwendung von Methan als Reagenzgas für ein chemisches Ionisationsexperiment dar. Das Spektrum in 9 ist das Standard-E-Strahl-Spektrum für Methan und PFTBA-Normgas. Die große Intensität von Ionen bei m/e = 19 beruht auf der Protonisierung von neutralem Wasser. 10 zeigt das Spektrum für die Methan-plus-PFTBA-Isolation für das Methanreagenz-Ion mit m/e = 29 unter Verwendung der Technik der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt das Spektrum für Methan-plus-PFTBA unter Verwendung von WF1 und WF2 dieser Erfindung, die zum Isolieren des Ions bei m/e = 41 berechnet sind. Es wird auch angemerkt, dass für die gleiche Ionisationszeit die Ionenintensität für m/e = 41 viel größer als die Intensität von m/e ist, wie man in 9 sieht. Dies veranschaulicht, wie diese Technik ermöglicht, dass die Falle nur mit dem gewünschten Reagenz-Ion gefüllt wird.
In 2B sind mehrere alternative Breitbandwellenformen für WF2 dargestellt. Die Alternative 2-41, als A1WF2 gezeigt, beinhaltet eine Kerbe in der Frequenzbereichdarstellung. Für die Isolation von m/e = 29 beispielsweise würde die Wellenform A1WF2 Frequenzen beinhalten, um Ionen von der Stabilitätsgrenze der geringeren Masse, d.h. in diesem Falle von m/e = 12 bis zu und mit m(p)–1, d.h. m/e = 28, und dann von der Masse m(p) + 1, d.h. m/e = 30 bis zur größten Masse, die durch das Reagenzgas erzeugt werden kann, d.h. m/e = 41 auszustoßen.
Eine weitere Alternative A2FWF2, 2-42 für WF2 ermöglicht das Zuschneidern der Amplituden von den Frequenzkomponenten der Wellenform, um den Ausstoß der Ionen über den Massebereich zu maximieren und dabei noch gute Masseauflösung beizubehalten. Eine noch weitere Alternative für WF2 ist A3WF2, 2-43, die ein Frequenzbereich ist, bei dem die Frequenzen beabstandet sind, um zu den säkularen Frequenzen der unerwünschten Ionen zu passen.
Die vorangegangenen Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele wurden in Verbindung mit der Bestimmung des Spektrums von mittels Quadrupol-Ionenfalle eingefangenen Ionen mittels eines externen Detektors beschrieben. Diese Erfindung wäre auch in Verbindung mit anderen Techniken zum Bestimmen des Spektrums eingefangener Ionen nützlich, wie beispielsweise mit den beim Hintergrund der Erfindung beschriebenen Techniken, die keinen Ausstoß und keine externe Detektion von ausgestoßenen Ionen verwenden.

Claims

Verfahren zum Isolieren eines ausgewählten Ions mit einer Masse m(p) in einem Quadrupol-Ionenfallen-(QIT)-System, wobei das QIT-System eine Ringelektrode (2), ein Endkappenpaar (3, 3'), eine an die Ringelektrode angelegte RF-Spannung und einen zusätzlichen, mit den Endkappen (3, 3') verbundenen Spannungsgenerator (24) aufweist, wobei das Verfahren zum Isolieren eines ausgewählten Ions mit einer Masse m (p) umfasst (a) Festlegen der RF-Spannung auf einen niedrigen Wert (2-4; 2-32); (b) Ionisieren des Gases durch Elektronenbeschuss innerhalb der QIT während eines ersten Zeitraums (2-22; 2-30); (c) Anlegen einer ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform an die Endkappen (3, 3') mit dem zusätzlichen RF-Generator (24) während des ersten Zeitraums (2-15; 2-35); (d) Bestimmen des Massespektrums der Ionen in der QIT; gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: (e) Anlegen einer zweiten Breitbandspektrum-RF-Wellenform (WF2) an die Endkappen (3, 3') mit dem zusätzlichen RF-Generator (24) unmittelbar nach Abschalten der ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform (WF1) (2-16, 2-17; 2-37), wobei Schritt (c) das Anlegen der ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform mit einem Frequenzspektrum zum Ausstoßen der Ionen mit m/e kleiner als m(p) und das Speichern der Ionen mit m/e größer als m(p) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (e) das Anlegen der zweiten Breitbandwellenform mit einem Frequenzspektrum zum Ausstoßen von Ionen mit m/e größer als m(p) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die RF-Einfangspannung abrupt auf einen anderen Einfangspannungspegel geschaltet wird (2-20) und sich vor Beginn von Schritt (e) stabilisieren kann.
Verfahren nach Anspruch 2, das das Ansteigen (2-5, 2-6, 2-7; 2-21) der Einfangspannung und während Schritt (d) das Abfallen (2-8, 2-10) der RF-Einfangspannung umfasst, wobei während des Schritts des Ansteigens der RF-Einfangspannung (2-5, 2-6, 2-7; 2-21) eine zusätzliche, einzelne Frequenzwellenform an die Endkappen (3, 3') angelegt wird (2-1) und während des Abfallens (2-8, 2-10) eine zusätzliche, feste Breitbandwellenform an die Endkappen (3, 3') angelegt wird (2-18, 2-19).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt (d) des Ansteigens das Ansteigen bei einer ersten und zweiten, anderen Geschwindigkeit (2-6, 2-7) umfasst, wobei die schnellere Anstiegsgeschwindigkeit zeitlich früher ist als die zweite, andere Geschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Abfallen das Abfallen bei einer ersten und zweiten, anderen Abfallgeschwindigkeit (2-8, 2-10) umfasst, wobei die schnellere Abfallgeschwindigkeit zeitlich früher ist als die zweite, andere Abfallgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die RF-Einfangspannung nach dem Abfallen abrupt auf eine niedrigere Spannung (2-23) reduziert wird und die niedrigere Spannung für einen CID-Anregungszeitraum beibehalten wird, und wobei während des Beibehaltens der niedrigeren RF-Einfangspannung ein zusätzlicher Generator eine Rückkopplungsspannung zum stoßmäßigen Induzieren des ausgewählten Ions m(p) für schonendes Fragmentieren in Tochterionen vorsieht.
Verfahren zum Isolieren eines Reagensions für chemische Ionisierung (CI) mit einer Masse m(p) in einem Quadrupolionenfallen-(QIT)-System, wobei dieses QIT-System eine Ringelektrode (2), ein Endkappenpaar (3, 3'), eine an die Ringelektrode (2) angelegte RF-Einfangspannung und einen zusätzlichen, mit den Endkappen (3, 3') verbundenen Spannungsgenerator (24) aufweist, wobei das Verfahren zum Isolieren eines ausgewählten Ions mit einer Masse m(p) umfasst (a) Festlegen der RF-Einfangspannung bei einem niedrigen Wert (2-4; 2-32); (b) Ionisieren des Gases innerhalb der QIT durch Elektronenbeschuss für einen ersten Zeitraum (2-22; 2-30); (c) Anlegen einer ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform an die Endkappen (3, 3') mit dem zusätzlichen RF-Generator (24) während des ersten Zeitraums (2-15, 2-35); (d) Bestimmen des Massespektrums der Ionen in der QIT; gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: (e) Anlegen einer zweiten Breitbandspektrum-RF-Wellenform (WF2) an die Endkappen (3, 3') mit dem zusätzlichen RF-Generator (24) unmittelbar nach dem Abschalten der ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform (WF1) (2-16, 2-17; 2-37), wobei Schritt (c) das Anlegen einer ersten Breitbandspektrum-RF-Wellenform zum Ionenausstoß mit m/e größer als m(p) und das Speichern der Ionen mit m/e kleiner als m(p) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (e) das Anlegen einer Breitbandanregung zum Ionenausstoß mit m/e kleiner als m(p) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Breitbandwellenform-Schritt (e) zumindest einen höheren Frequenzbereich und einen niedrigeren Frequenzbereich aufweist, die durch eine Frequenzkerbe getrennt sind, wobei die Kerbe die säkulare Frequenz entsprechend der Masse m(p) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Breitbandwellenform-Schritt (e) verschiedene Amplituden für verschiedene Frequenzen im Frequenzbereich der Frequenzen in der Breitbandwellenform (2-43) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Breitbandwellenform-Schritt (e) Frequenzen im Frequenzbereich umfasst, die den säkularen Frequenzen der unerwünschten Ionen in der QIT entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei sich der höhere Frequenzbereich in der Frequenz nach oben ausdehnt, um die säkulare Frequenz der geringsten, speicherfähigen Masse in der Ionenfalle einzuschließen, und der niedrigere Frequenzbereich sich nach unten auf eine Frequenz über der säkularen Frequenz der höchsten, auszustoßenden Masse ausdehnt.