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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Massenanalysevorrichtung. Insbesondere
betrifft sie eine Massenanalysevorrichtung oder ein Massenspektrometer
vom Stabtyp, die bzw. das einfach und kostengünstig ist und sowohl angelegte
HF-Spannungen als auch Gleichspannungen beinhaltet.
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STAND DER
TECHNIK
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Quadrupol-Massenspektrometer
haben sich als Allzweck-Massenanalysegeräte erwiesen. Diese Vorrichtungen
sind Vierstabstrukturen, und wenn diese im Auflösungs-Modus betrieben werden, weisen die Stäbe üblicherweise
eine Länge
von etwa 20 cm auf und erfordern äußerst hohe mechanische Genauigkeit
hinsichtlich Fertigung und Ausrichtung. Bei Betrieb im Auflösungs-Modus
werden auf Quadrupol-Massenspektrometer sowohl HF- als auch Gleichspannungen
angelegt und auf ein relativ hohes Vakuum (z.B. 10–5 Torr)
gepumpt. Die Werte dieser Spannungen ändern sich mit der Frequenz
und dem Massenbereich des Betriebs, wobei sie jedoch die Größenordnung
von 1.600 Volt (Spitze-Spitze-Wert) HF-Wechselspannung für den Betrieb
bei 1 MHz und ± 272
Volt Gleichspannung für
eine Stabanordnung mit einem eingeschriebenen Radius r0 von
0,415 cm und einem Massenbereich von 600 Dalton aufweisen. Der hohe
Grad an erforderlicher mechanischer und elektrischer Ausgereiftheit
bedeutet, dass die Kosten solcher Massenspektrometer hoch sind.
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Folglich
besteht seit langem die Notwendigkeit nach einem einfacheren, weniger
kostenintensiven Massenspektrometer. Während es zu Kostenreduzierungen
kam, sind Quadrupol- und andere Massenspektrometer vom Stabtyp (z.B.
Oktopole und Hexapole) nach wie vor äußerst teuer und erfordern sehr
eingeengte Toleranzen und Hochvakuumpumpgeräte sowie kostenintensive Spannungsversorgung.
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Es
wurden Versuche unternommen, der Aufbau und den Betrieb von Quadrupol-Massenspektrometern
zu vereinfachen; ein solcher Vorschlag findet sich im US-Patent 4.090.075.
Dieses Patent lehrt, dass ein Quadrupol-Massenspektrometer Massenauflösung in
Abwesenheit von angelegten Auflösungs-Gleichspannungen
bereitstellen kann. Dieser so genannte ausschließlich bei HF betriebene Betriebsmodus
("RF-only"-Betriebsmodus) weist
gegenüber
herkömmlichen
HF/Gleichspannungs-Betriebsmodi
mehrere Vorteile auf. Herkömmliche HF/Gleichspannungs-Quadrupol-Massenspektrometer
vom Stabtyp stellen Massenauflösung
bezogen auf die Eigenstabilität
oder Eigeninstabilität
von vorliegenden Ionen in der Stabstruktur zusammen mit den zeitveränderlichen
HF- und den zeitunabhängigen
Gleichfeldern bereit. Verglichen mit den gebräuchlicheren HF/Gleichspannungs-Quadrupol-Massenanalysegeräten wird
angenommen, dass es zur Massenauflösung für ein RF-only-Gerät kommt,
wenn Ionen, die mit einer bestimmten angelegten HF-Spannung nur
geringfügig
stabil sind, überschüssige kinetische
Axialenergie im Ausgangsstreufeld der Stabstruktur erlangen. Ein
Großteil
dessen, was zu einer Massenauflösung
eines RF-only-Massenanalysegeräts
führt,
findet am Ausgang der Stabanordnung statt, womit die Längeneinschränkungen,
die für
HF/Gleichspannungs-Auflösungsquadrupole
typisch ist, nicht mehr gelten, und mechanische Toleranzen bezüglich Stabrundheit
und Geradheit deutlich gelockert sind. Schließlich besteht keine Notwendigkeit
für eine
hochpräzise
Hochspannungs-Gleichstromversorgung im RF-only-Betriebsmodus. Zusammengenommen legen
die inhärenten Vorteile
des RF-only-Betriebs
die Möglichkeit
für ein viel
kleineres und weniger kostenintensives Massenanalysegerät als herkömmliche
HF/Gleichspannungs-Quadrupole nahe. Obwohl ein solches Gerät über starkes
Potential verfügt,
ergeben sich Probleme, wie beispielsweise probenabhängiges Hintergrundrauschen
von Hochgeschwindigkeitsionen und -clustern. In vorliegender Erfindung
wird ein Verfahren zur Entfernung solcher Hintergrundspezies beschrieben.
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Ein
weiterer Vorschlag findet sich im US-Patent 4.189.640, worin ein
Verfahren zur Hintergrundreduktion für RF-only-Quadrupolmassenanalysegeräte beschrieben
ist. Die Erfindung lehrt, dass eine zentral positionierte geeignet
vorgespannte Scheibe mit passender Größe, die nach dem Analysequadrupol
angeordnet ist, Hochgeschwindigkeitsspezies und solche mit höherer Masse
reduziert. In der Praxis führt
dies jedoch auch zu einer Reduktion der Analytenionenintensität, was einiges
an erwartetem Nutzen im Signal-Rausch-Verhältnis ausgleicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Massenspektrometers
mit einem ersten und einem zweiten Stabsatz bereitgestellt, wobei
der zweite Stabsatz stromabwärts
des ersten Stabsatzes und eines Auslasses des Spektrometers angeordnet
ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Lenken der Ionen
in den ersten Stabsatz hinein; das Anlegen einer HF-Spannung an
den ersten Stabsatz und einer HF-Spannung an den zweiten Stabsatz;
und das Anlegen einer niedrigen Auflösungs-Gleichspannung an den
zweiten Stabsatz, die ausreicht, um ein kontinuierliches Hintergrundionensignal
zu reduzieren, um dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Massenspektrometers
anzuheben; das Energiefiltern der den zweiten Stabsatz verlassenden
Ionen vor dem Detektieren der Ionen für die Analyse, wodurch Ionen
mit einem q-Wert von im Wesentlichen 0,907 ausreichend Energie aufnehmen,
um die Energiefiltration für
die Detektion zu durchlaufen; sowie das Detektieren der den zweiten
Stabsatz verlassenden Ionen für
die Analyse.
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Wie
oben angemerkt, basiert das Verfahren auf dem so genannten RF-only
Betriebsmodus, und die an den zweiten Stabsatz angelegte HF-Spannung
kann abgetastet werden, wodurch ein m/z-Spektrum erhalten wird.
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In
einem Betriebsmodus wird die Gleichspannung in Bezug auf die HF-Spannung
in einem konstanten Verhältnis
aufrechterhalten, um die Gleichspannung mit der detektierten Masse
der Ionen abzutasten. Alternativ dazu wird eine konstante Gleichspannung
angelegt, und die Gleich- und HF-Spannungen werden anschließend ausgewählt, um
einem gewünschten
Analytenion den Durchtritt durch das Spektrometer für die Detektion
zu erlauben, aber im Wesentlichen die Abweisung schwererer Hintergrundionen
zu bewirken, wodurch die Hintergrundionen im Wesentlichen nicht
detektiert werden.
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Bei
herkömmlichem
Spektrometerbetrieb an der Spitze des a-q-Diagramms ist es erforderlich,
die HF- und Gleichspannungswerte genau zu steuern. Im Gegensatz
dazu kann die Toleranz für
das Verhältnis
Gleich- zu HF-Spannung in vorliegender Erfin dung in einem viel breiteren
Band liegen und wird vorzugsweise im Bereich von plus oder minus
15 % gehalten.
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Wenn
ein fixer Gleichspannungswert verwendet wird, liegt die Gleichspannung
vorzugsweise im Bereich von 0 bis 15,5 Volt. Alternativ dazu kann sie
zwischen 0 Volt Gleichspannung und 40 % der Gleichspannung liegen,
die normalerweise für
den Stabsatz benötigt
wird, um an der Spitze des a-q-Stabilitätsdiagramms für den Stabsatz
betrieben zu werden.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren mit einem Massenspektrometer ausgeführt, das
zumindest einen zusätzlich,
stromaufwärts
angeordneten Stabsatz aufweist, worin das Verfahren das Anlegen einer
HF-Spannung an den stromaufwärts
angeordneten Stabsatz und einer Offset-Gleichspannung an alle Stäbe des stromaufwärts angeordneten
Stabsatzes umfasst. Der zweite Stabsatz kann einen Analysestabsatz
umfassen, das einen Quadrupolstabsatz umfasst, worin die Gleichspannung
zwischen entgegengesetzten Stabpaaren angelegt wird, wodurch ein
entgegengesetztes Stabpaar ein Potential und das andere entgegengesetzte
Stabpaar ein anderes Potential aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und zur klareren Darstellung ihrer Umsetzung
wird im Folgenden anhand von Beispielen auf die beigefügten Zeichnungen
verwiesen, worin:
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1 ein
Diagramm des allgemein bekannten a-q-Betriebs-Diagramms für Quadrupol-Massenspektrometer
ist;
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2a ein
Diagramm ist, das die Verteilung einer Ionenaxialenergie zeigt,
die von einem typischen RF-only-Quadrupolstabsatz erzeugt wird;
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2b ein
der 2a ähnliches
Diagramm ist, das die Ionenenergieverteilung hingegen nach Durchtritt
der Ionen durch die Streufelder des Ausgangsendes der RF-only-Quadrupolstäbe zeigt;
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3 eine
Diagrammansicht einer RF-only-Massenspektrometeranordnung ist;
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die 4a, 4b und 4c Diagramme der
Intensität
in Abhängigkeit
von amu sind, welche die Wirkung der Erhöhung der auf die Stäbe angelegten
Gleichspannung zeigen;
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5 ein
Diagramm der Intensität
in Abhängigkeit
von amu ist, das die Wirkung der schrittweisen Erhöhung der
Gleichspannung zeigt; und
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6 ein
Diagramm der Gleichspannung in Abhängigkeit von der HF-Spannung
ist, das die Eigenschaften eines Analyten und eines Hintergrundions
zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bezugnehmend
auf 1, die das allgemein bekannte Betriebsdiagramm
für ein
Quadrupol-Massenspektrometer zeigt, wird der a-Parameter auf der Vertikalachse
und der q-Parameter auf der Horizontalachse aufgetragen.
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Wie
allgemein bekannt, ist dabei: a = 8eU/(mω2r0 2) q = 4eV/(mω2r0 2)worin
U die Amplitude der auf die Stäbe
angelegten Gleichspannung ist, V die auf die Stäbe angelegte HF-Spannung ist,
e die Ladung auf dem Ion ist, m dessen Masse ist, ω die HF-Frequenz
ist und r0 der eingeschriebene Radius des
Stabsatzes ist.
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Im 1 sind
die Betriebsdiagrammionen im schraffierten Bereich stabil, sofern
sie über
der Betriebslinie liegen. Bei herkömmlichem HF/Gleichspannungs-Betrieb
ist die Betriebslinie so angeordnet, dass sie in der Nähe der Spitze
oder des Scheitelpunkts 14 des Betriebsdiagramms liegt.
Die Betriebslinie ist mit 12 angegeben und zeigt den Betrieb bei
einem konstanten HF/Gleichspannungs-Verhältnis. Die theoretische Auflösung eines
solchen Geräts ist
durch die Breite L1 des Maximums über der Betriebslinie geteilt
durch die Breite L2 der Basis des Betriebsdiagramms gegeben. Dies
erfordert, wie erläutert,
dass an die Stäbe
nennenswerte HF- und Gleichspannungen angelegt werden müssen. In
der Theorie ist sehr hohe Massenauflösung möglich, wenn HF/Gleichspannungsquadrupole
in der Nähe der
Spitze des Stabilitätsdiagramms
betrieben werden, wobei dies äußerst hohe
mechanische Präzision
hinsichtlich der Dimensionen der Stabstruktur und hohe Präzisionskontrolle
der HF-Spannung,
der Gleichspannung und des HF/Gleichspannungs-Verhältnisses
erfordert. Abweichungen von diesen hohen Toleranzen wirken sich
direkt auf die Massenauflösungsfähigkeiten
der Vorrichtung aus und können zu
schwachem analytischem Leistungsverhalten führen.
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Das
Betreiben eines Quadrupols im RF-only-Modus (nämlich ohne Gleichspannung)
ist allgemein bekannt und führt
wirksam dazu, dass die Betriebslinie in 1 entlang
der Horizontalachse verläuft.
Folglich fungiert die Vorrichtung hauptsächlich als Ionenpumpe und sendet
Ionen hinsichtlich Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) in einem sehr breiten Bereich
aus. Ionen mit einem q < ~0,907
sind stabil. Ionen mit einem q-Wert über ~0,907
werden radial instabil, treffen die Stäbe und werden nicht ausgesendet.
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Es
wird angenommen, dass Massenauflösung
eines RF-only-Quadrupolmassenspektrometers auftritt, wenn Ionen
mit einem q < ~0,907
eine starke radiale Amplitude erzielen. Im Ausgangsstreufeld der
Vorrichtung werden diese Ionen mit großer Radialbahn starken Axialfeldern
unterzogen, wonach diese Ionen mit großen kinetischen Axialausgangsenergien
hervorgehen. Die Tatsache, dass das für die Massenauflösung eines
RF-only-Quadrupols verantwortliche Phänomen eher am Ausgang der Vorrichtung
statt über
die Länge
der Stabstruktur auftritt, bedeutet, dass mechani sche Toleranzen
verglichen mit einem herkömmlichen
HF/Gleichspannungs-Quadrupol-Massenspektrometer, wesentlich weniger
kritisch sind.
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Die
Ionen in der Nähe
von q < ~0,907,
welche höhere
kinetische Ausgangsaxialenergien als die niedrigeren q-Ionen aufweisen,
können
vorzugsweise mittels dieser überschüssigen kinetischen
Axialenergie detektiert werden. In der Praxis wird das Energiefiltern
durch Platzieren eines Verlangsamungsgitters entweder am Ausgang
des Quadrupols oder weiter stromabwärts erzielt. Teilchen werden
detektiert, wenn (mvn 2)/2 > eVr,
worin m die Masse des Ions ist, e die Ladung auf dem Ion ist, vn die auf der Gitterfläche normale Ionengeschwindigkeit
ist und Vr das auf das Gitter angelegte
Verlangsamungspotential ist. Es können auch optische Ionenelemente
mit unterschiedlicher Wirksamkeit angewandt werden, die keine planaren
Gitter sind.
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Die
Energieüberlegungen
sind in den 2A und 2B veranschaulicht. 2A zeigt die
Axialenergiestandardverteilung 16 der in einen RF-only-Quadrupolstabsatz
eingeführten
Ionen, aufgetragen über
der Anzahl an Ionen. Die Breite der Energieverteilungskurve 16 hängt von
der a-Anzahl der Faktoren, wie z.B. der Art der Ionenquelle und
der Ionenoptik vor den Quadrupolstäben, ab.
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2B zeigt
die Kurve 16 der 2A und auch
die Kurve für
die Verteilung der Axialenergien 18 der Ionen, deren q
etwa 0,9 beträgt
und die daher im Ausgangsstreufeld am Ende der RF-only-Quadrupolstäbe zusätzliche
Axialenergie aufgenommen haben. Wenn die zwei Kurven ausreichend
getrennt sind, kann das Energiefiltern mittels Gitter sehr wirksam
durchgeführt
werden und es werden lediglich jene Ionen detektiert, die im Ausgangsstreufeld
kinetische Axialenergie aufgenommen haben. Ein Massenspektrum kann
auf diese Weise erhalten werden, indem die an die Quadrupolstäbe angelegte HF-Spannung
abgetastet wird, um den q-Wert der Ionen verschiedener Massen in
die Nähe
von 0,907 zu bringen, wobei die zu diesem Zeitpunkt erworbenen starken
Radialenergien erhöhte
Axialenergien liefern, sodass diese Ionen getrennt werden können.
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Ein
mit diesem Energiefilterverfahren in Zusammenhang gebrachter Nachteil
besteht darin, dass es in der Energieverteilung 16 der
Ionen, die in die Quadrupolstäbe
eindringen, zu einem signifikanten Hochenergie-Ausläufer kommen
kann. Diese hochenergetischen Ionen können von der Ionenquelle selbst,
der zum Transport der Ionen aus der Quelle zu den Quadrupolstäben verwendeten
Ionenoptik oder von physikalischen und chemischen Veränderungen
(wie z.B. metastabiler Dekomposition oder kollisionsinduzierte Fragmentation)
des Ions von der Ionenquelle zu den Quadrupolstäben stammen. Dies führt zu einer
signifikanten Überlappung
der Kurven 16 und 18 der 2B und
folglich zu einem kontinuierlichen Hintergrundsignal, auf dem sich
die aufgelösten
Maxima aus den Ionen mit einem q-Wert in der Nähe von 0,907 befinden. Ionen
mit höherer
Masse und einem q-Wert von < 0,9,
jedoch mit einem gewissen Maß an
Radialanregung, können
auch zum Hintergrundionenstrom beitragen. Die Kombination dieser
Effekte kann zu einem schwachen Signal-Rausch-Verhältnis
und reduzierter analytischer Leistung führen.
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Das
Problem eines bestehenden kontinuierlichen Hintergrunds kann signifikant
sein und bei Ionen, die mittels Elektrospray oder Luftchemieionisierung
aus der Atmosphäre
eingeführt
werden, zu Leistungseinschränkungen
führen.
Diese Vorrichtungen können
Ionen und Ionencluster mit sehr unterschiedlichen Größen und
Energien bilden. Optimale Leistungseigenschaften, wie sie durch
das höchste
Signal-Rausch-Verhältnis nach
erfolgter Massenanalyse definiert sind, werden durch Entclustern
der größeren Spezies
mit einer Kombination aus Gegenstromgasen, Erhitzen und kollisionsinduzierter
Dissoziation vor den Quadrupolstäben
erzielt. Hinsichtlich des vorliegenden Instruments wird eine Gegenstromgasströmung und
eine kollisionsinduzierte Clusterdissoziation in einem differentiell
gepumpten Bereich angewandt, um die Intensität des Ions von Interesse zu maximieren.
Diese für
Instrumente dieses Typs kennzeichnenden Bedingungen können zu
einem sehr breiten Hintergrundionensignal führen, wenn das Quadrupol im
RF-only-Modus betrieben wird. Darüber hinaus wurde dieser breite
Hintergrund für
proben- und lösungsmittelabhängig befunden
und kann das RF-only-Signal-Rausch-Verhältnis stark reduzieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde herausgefunden, dass das Anlegen einer niedrigen Auflösungs-Gleichspannung
an einen RF-only-Sollstabsatz diesen leistungsmindernden Hintergrund
signifikant verändern
kann, indem ermöglicht
wird, dass der Quadrupol als veränderliches
Tiefpassfilter fungiert, während
die Vorteile des RF-only-Betriebsmodus beibehalten werden.
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Es
ist bekannt, dass ein Quadrupol mit niedriger, an die Stäbe angelegter
Auflösungs-Gleichspannung
theoretisch als Tiefpassfilter fungiert. Bezugnehmend auf das Betriebsdiagramm
in 1 bedeutet dies einfach, dass der a-Wert ungleich
Null ist und die Breite von L1 der Breite von L2 ähnlich,
jedoch kleiner als diese ist. Die Wirkung liegt in der Bereitstellung
zusätzlicher
Diskriminierung gegen Ionen mit hoher Masse. Die herkömmliche
Lehre besagt jedoch, dass das eine in einem der zwei Modi betrieben wird,
nämlich
mit signifikanter Gleichspannung an der Spitze 14 oder
am Scheitelpunkt wie in 1, oder in einem wie oben detailliert
beschriebenen reinen RF-only-Modus.
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In 3 ist
ein Gerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt, das zur Erlangung eines Massenspektrums angewandt
werden kann. Eine Probenquelle 20 (die eine flüssige oder
gasförmige Quelle
sein kann) führt
Proben zu einer Ionenquelle 22, die zur Bildung von Ionen
daraus dient und diese in einen Grenzflächenbereich 24 lenkt,
der, wie im US-Patent 4.137.750 angeführt, mit inertem Vorhanggas 26 versorgt
wird. Ionen, die den Gasvorhang passieren, wandern durch eine Öffnung in
der Platte 25 zu einem differentiell gepumpten Bereich 28 bei
einem Druck von etwa 2 Torr. Die Ionen passieren anschließend eine Öffnung in
einer weiteren Platte 27. Der Grenzflächenbereich 24 und
der differentiell gepumpte Bereich dienen zur Steuerung, um die
Ionen in einen RF-only-Quadrupolstabsatz Q0 in Kammer 30 zu
lenken, die auf einen Druck von etwa 8 Millitorr gepumpt wird. Der
Stabsatz Q0 dient zur Übertragung
der Ionen zusammen mit der Entfernung von einigem Gas. Zudem dient
Q0 aufgrund des darin vorhandenen relativ hohen Drucks auch zur
Stoßabdämpfung für die Ionen
und trägt
zu deren Abkühlung bei,
um deren Energiestreuung zu reduzieren, wie im US-Patent 4.963.736
beschrieben ist.
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Aus
der Kammer 30 wandern die Ionen durch eine Öffnung 32 in
eine Grenzflächenplatte 34 und
durch einen kurzen Satz an RF-only-Stäben 35 in einen Satz
an Analysestäben
Q1. Die kurzen RF-only-Stäbe 35 dienen
zur Bündelung
der Ionen, die in das Analysequadrupol Q1 wandern. Ein aus einem
Gitterpaar bestehendes herkömmliches
Energiefilter 40 befindet sich stromabwärts der Analysestäbe Q1 im
Ionenweg, gefolgt von einem herkömmlichen
Detektor 42.
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Die
Q0-Stäbe
können üblicherweise
eine Länge
von etwa 20 cm aufweisen, die Stäbe 35 sind üblicherweise
24 mm lang und die Q1-Stäbe
verfügen üblicherweise über eine
Länge von
48 mm. Analysestäbe
Q1 werden mit HF durch den Kondensator C1 aus der Energiequelle 36 versorgt.
Die gleiche HF wird durch die Kondensatoren C2, C3 an die Stäbe Q0 und
die Stäbe 35 angelegt.
Herkömmliche
Offset-Gleichspannungen werden ebenfalls an die verschiedenen Stäbe und die
Grenzflächenplatten
aus einer Gleichspannungs-Energiequelle 38 angelegt.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung ist ansonsten relativ konventionell,
und kann ein Massenspektrum erzeugen, wenn die HF auf den Analysestäben abgetastet
wird.
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Wie
erwähnt,
erhalten Ionen, die sich einem q-Wert von 0,907 nähern, zusätzliche
kinetische Axialenergie aus ihrer Radialenergie im Ausgangsstreufeld
am Ausgang der Analysestäbe
Q1, und können die
vom Energiefilter gebildete Potentialschranke überwinden und den Detektor
erreichen. Ionen mit einem q-Wert von < 0,907 können ebenfalls das Energiefilter
passieren, wenn ihre kinetische Energie ausreicht. Diese Ionen erlangen
keine signifikante Energie im Ausgangsstreufeld und werden als eher
unbedeutender Hintergrundbeitrag zum Massenspektrum betrachtet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde umgesetzt, dass ein an den Stabsatz Q1 angelegtes Signal
mit niedriger Gleichspannungs-Auflösung zahlreiche Vorteile aufweist
und bei Anwendung in geeigneter Weise dazu dient, ungewollte Hintergrundionen
signifikant zu eliminieren.
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Anders
als das an die anderen Stabsätze Q0, 35 angelegte
Gleichspannungssignal, bei dem sämtliche
Stäbe jedes
der Sätze
das gleiche Potential aufweisen, legt das Auflösungs-Gleichspannungssignal
das Gleichspannungs-Potential zwischen zwei Stabpaaren im Stabsatz
Q1 an, sodass sich ein entgegengesetztes Stabpaar an einem Potential
und das andere Stabpaar am anderen Potential befindet, wobei der
Unterschied im Auflösungs-Gleichspannungs-Potential
liegt. Wie nachstehend detailliert beschrieben, wird das Potential
ferner vorzugsweise mit Masse abgetastet. Zudem kann das Gleichspannungs-Potential
für einen
bestimmten Analyten ausgewählt
werden, damit ungewollte Hintergrundionen stark eliminiert werden.
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Bezugnehmend
auf 4, wird dadurch die Wirkung von
schrittweise ansteigenden Gleichspannungen auf einem RF-only-Sollmassenspektrum
veranschaulicht. Die höchste
Schreibspur 50 in 4a ist
das Massenspektrum eines Gemischs aus quaternären Ammoniumsalzen (0,5 Picomol/μl jeweils
von Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Tetrahexylammoniumhydroxid,
Tetraoctylammoniumbromid und Tetradecylammoniumbromid in 50:50 Methanol
Wasser), wobei 0 V Gleichspannung an die Stäbe Q1 angelegt sind. Dies zeigt ein
breites kontinuierliches Hintergrundionensignal mit einem Beginn
(onset) 52 bei etwa m/z 74. 4b zeigt
ein Spektrum 56, worin 7,6 V Gleichspannung angelegt wurden
und der Beginn (onset) 58 auf etwa m/z 280 gewandert ist.
Bezugnehmend auf 4c zeigt das niedrigste Spektrum 60 mit
15,3 V Gleichspannung eine weitere Bewegung des Beginns 62 des
Hintergrunds auf etwa m/z 405. Es wird angemerkt, dass es aufgrund
der verschiedenen Gleichspannungswerte zu einer Verschiebung der
Peakposition kommt. Dies wird vom Stabilitätsdiagramm erwartet. Die Wirkung
kann eliminiert werden, indem einfach die Massenachse des Geräts nachkalibriert wird.
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Die
Daten in 4 zeigen die Vorteile der niedrigen
Gleichspannungswerte auf die kontinuierliche Hintergrundintensität klar.
Die dabei angewandten Gleichspannungswerte sind viel niedriger als
jene, die normal in herkömmlicher
HF/Gleichspannungs-Quadrupol-Massenspektrometrie
verwendet werden. Für
die dabei angewandte HF-Spannung wären normalerweise
160 V Gleichspannung bei m/z 350 erforderlich. Die Daten in 3 wurden
mit weniger als 10 % des Normalwerts erhalten.
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Die
Spektren in 4 wurden mit einer fixierten
Gleichspannung und daher einem veränderlichen HF/Gleichspannungs-Verhältnis über den
Spektren erhalten. In 1 konnte diese fixierte Gleichspannung
als horizontale Linie dargestellt werden, die über der horizontalen Achse
beabstandet ist, jedoch klar unter der Spitze oder dem Scheitelpunkt 14 liegt. Der
Vergleich der Peakintensitäten
mit geringer Masse unter den drei Spektren in 4 ergibt
einen Verlust an einigem der Analytenintensität, wenn die Gleichspannung
erhöht
wird. Die Gleichspannung kann jedoch ohne weiteres mittels Masse über dem gewünschten
Bereich abgetastet werden, um die Peakintensitäten mit geringer Masse beizubehalten. Ein
Beispiel dieses Betriebsmodus ist in 5 dargestellt,
worin die Gleichspannung linear mit Masse von einem Wert von 0 V
bei m/z 30 bis 38 V bei m/z 600 abgetastet wurde, sodass das HF/Gleichspannungsverhältnis während der
Abtastung konstant gehalten wird. In 5 ist das
Spektrum bei 64 angegeben. Dieser Modus konnte mit einer
Linie dargestellt werden, welche der Linie 12 in 2 ähnelt,
jedoch mit einem viel geringeren Winkel geneigt ist, nämlich mit einem
relativ großen
L1-Wert, aufweist. 5 zeigt, dass dieser Abtastmodus
das Problem der Intensitätsverluste
mit geringer Masse beseitigt und ein Massenspektrum mit ausgezeichnetem
Signal-Rausch-Verhältnis bildet.
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Obwohl
das HF/Gleichspannungs-Verhältnis in 5 in
etwa konstant gehalten wird, ist keine genaue Kontrolle des Verhältnisses
erforderlich; im Gegensatz dazu erfordert der herkömmliche
HF/Gleichspannungs-Quadrupolstabbetrieb das Betreiben in der Nähe des Scheitels
der Stabilitätsgrenze,
was wiederum die genaue Kontrolle des HF/Gleichspannungs-Verhältnisses
erfordert, um den gewünschten L1-Wert zu ergeben.
Dabei wird die Gleichspannung lediglich dazu verwendet, dass die
Quadrupolstäbe Spezies
mit hoher Masse, die den Hintergrund kontaminieren, vor der Detektion
wirksamer entfernen können,
anstatt Mittel für
die Massenspektralauflösung bereitzustellen.
Folglich ist der L1-Wert groß,
und geringe Veränderungen
im HF/Gleichspannungsverhältnis
beeinflussen den L1-Wert nicht signifikant. In Versuchen wurde herausgefunden,
dass das HF/Gleichspannungs-Verhältnis
in der vorliegenden Erfindung durch mehr als 15 % abweichen und
dennoch ausgezeichnete Hintergrundreduktion bereitstellen kann.
Im Gegensatz dazu muss das HF/Gleich spannungs-Verhältnis in
herkömmlichen HF/Gleichspannungs-Quadrupol-Massenspektrometern üblicherweise
auf mehr als 1 % gehalten werden. Obwohl in der vorliegenden Erfindung
eine geringe Menge an Gleichspannung angewandt wird, wirkt sich
dies nicht auf das Filtern aus, und die Quadrupolstäbe werden
im RF-only-Sollmodus
betrieben und benötigen
dennoch ein stromabwärts
angeordnetes Energiefilter. Die vorliegende Gleichspannungsmenge
filtriert nicht, indem sie ein geringes L1/L2-Verhältnis in 1 ergibt.
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Die
Tatsache, dass niedrige Auflösungs-Gleichspannungen
den RF-only-Hintergrund reduzieren, scheint die Quelle des Hintergrunds
als Spezies mit hoher Masse zu identifizieren, die ausreichend kinetische
Energie aufweisen, um die Repulsionsgrenze am Ausgang der Quadrupolstäbe zu überwinden.
Dabei handelt es sich möglicherweise
um Ionen und Ionencluster, die im atmosphärischen Druck-Vakuum-Grenzflächenbereich
mittels Entclusterungs-Spannungen auf sehr hohe kinetische Energien
beschleunigt wurden. Weitere Hinweise ergeben sich aus der Tatsachen,
dass die Zugabe von Modifikatoren zum Lösungsmittel, wie z.B. Säuren und
Puffer, zur Verstärkung
des Hintergrunds führt.
Von diesen Lösungsmitteln
ist bekannt, dass sie die Bildung von Gasphasenclustern in Elektrospray-Ionisierungsverfahren
verstärken.
Hohe Entclusterungs-Spannungen zwischen den Düsen 25 und 27 erhöhen auch
den Beitrag des breiten kontinuierlichen Ionensignals, da in diesem
Bereich mehrfach geladene Ionen und Ionencluster auf proportional
höhere
kinetische Energien beschleunigt werden als einzeln geladene Spezies.
Es wurde nun herausgefunden, dass die Zugabe geringer Gleichspannungen
ausreicht, um diese Spezies mit höherer Masse in den Quadrupolstäben instabil
zu machen, sodass sie nicht durch die gesamte Stabanordnung durchtreten
können
und folglich nicht detektiert werden.
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Die
Mechanismen zur Hintergrundreduktion sind anhand der 6 besser
verständlich.
Darin sind die Betriebsdiagramme eines exemplarischen Analytenions 97 und
eines exemplarischen Hintergrundions 98 in Bezug auf V
(HF-Spannung) und U (Gleichspannung) anstatt des q-Werts und der
a-Parameter veranschaulicht. Folglich sind Flächen unter den Kurven 97, 98 Flächen, in
denen die jeweiligen Ionen stabil wären und durch das Spektrometer
für die
Detektion hindurchtreten würden.
Wenn angenommen wird, dass die Spezies mit der höheren Masse die Quelle des
kontinuierlichen Hintergrundionensignals ist, wovon gegenwärtig ausgegangen wird,
führt das
Betreiben eines RF-only-Quadrupolanalysegeräts entlang der Gleichspannung=0-Achse zu
einem Analytenmaximum bei einer HF-Spannung, der dem Punkt 100 entspricht
sowie zu einem Hintergrundsignal mit einem Beginn bei einer HF-Spannung, die dem
Punkt 101 entspricht und sich auf die HF-Spannung 102 erstreckt.
Die Zugabe einer geringen konstanten Gleichspannung 99 verschiebt
die Analyten-Peakposition zu einem 103 entsprechenden Punkt,
und der Beginn des breiten Hintergrunds zu Punkt 104 hin.
Die Optimierung der Gleichspannung kann eine vollständige Trennung
zwischen HF-Spannung, bei welcher das Analytenmaximum auftritt,
und der HF-Spannung bereitstellen, bei welcher der kontinuierliche
Hintergrund beginnt, damit das Signal-Rausch-Verhältnis verstärkt wird
und folglich die Analytendetektierbarkeit verbessert wird.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Verwendung dieses Verfahrens das
Signal-Rausch-Verhältnis eines
RF-only-Sollquadrupolmassenanalysegeräts signifikant verstärkt, indem
die Hintergrundbeiträge
von Spezies mit hoher Geschwindigkeit und hoher Masse, die häufig vorliegen,
reduziert werden.