DE69918904T2

DE69918904T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Massenbestimmungskorrektur in einem Flug- zeitmassenspektrometer

Info

Publication number: DE69918904T2
Application number: DE69918904T
Authority: DE
Inventors: John Brian Stockport Hoyes; Jonathan Charles Altrincham COTTRELL
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP2000513494A; JP3430250B2; US6373052B1; DE69918904D1; CA2283139C; WO1999038192A2; CA2283139A1; EP0970506B1; EP0970506A2; WO1999038192A3; GB9801565D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur von Fehlern bei den gemessenen Masse-zu-Ladung Verhältnissen von Ionen, die durch Flugzeitmassenspektrometrie bestimmt werden, besonders denjenigen aufgrund der Totzeit eines Ionenzähldetektors.
In einem Flugzeitmassenspektrometer werden Ionenpakete veranlasst, in eine feldfreie Driftregion mit im Wesentlichen der gleichen kinetischen Energie zu einzutreten. In der Driftregion bewegen sich Ionen mit unterschiedlichen Verhältnissen von Masse-zu-Ladung in jedem Paket mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fort und kommen folglich an einem am Ende der Driftregion angeordneten Ionendetektor zu den unterschiedlichen Zeiten an. Eine Messung der Ionendurchgangszeit bestimmt folglich ein Masse-zu-Ladung Verhältnis dieses Ions.
Zur Zeit ist der Ionendetektor, der im allgemeinen in Flugzeitmassenspektrometern verwendet wird, ein Einzelionen zählender Detektor, der ein elektrisches Impulssignal als Reaktion auf einen Ionenaufprall auf seiner Detektorfläche erzeugt. In der Praxis kann solch ein Detektor einen oder mehr Kanalplatten-Elektronenvervielfacher enthalten, die ein Elektronenpaket als Reaktion auf einen Ionenaufprall erzeugen. Diese Elektronen werden auf einer oder mehr Sammelelektroden gesammelt, die an einen ladungsmessenden Diskriminator angeschlossen sind. Der Diskriminator erzeugt ein elektrisches Signal als Reaktion auf die Elektronen, die an der Sammelelektrode ankommen. Das Signal, das durch den Diskriminator erzeugt wird, wird verwendet, um die Durchgangszeit des Ions, das auf den Detektor auftrifft, üblicherweise mittels eines Mehrfachstopp-Zeit-Digital- Konverters zu bestimmen, der gestartet wird, wenn ein Ionenpaket in den Driftbereich eintritt.
Um ein vollständiges Massenspektrum zu erhalten werden wiederholt Ionenpakete von einer Probe erzeugt und die Durchgangszeiten (wie vom Zeit-Digital-Konverter bestimmt) der erfassten Ionen werden dazu verwendet, um ein Histogramm der Zahl der Ionenankünfte in Anhängigkeit vom Masse-zu-Ladung-Verhältnis anzufertigen. Gewöhnlich können ungefähr 1.000 Ionenpakete analysiert werden, um ein komplettes Spektrum während einer gesamten Zeitdauer von ein paar msec zu erhalten. Der Hauptvorteil dieser Form von Flugzeitmassenspektroskopie ist folglich, dass theoretisch jedes Ion, das in die Driftregion eintritt, erfasst wird, im Gegensatz zu Messmassenanalysatoren, bei denen in jedem Augenblick nur ein kleiner Anteil der Ionen, die in den Analysator eindringen, ermittelt werden kann. Dieser theoretische Vorteil wird jedoch in der Praxis nur dann verwirklicht, wenn die Ionenpakete sehr schnell produziert werden können, andernfalls dauert es länger ein komplettes Massenspektrum zu erhalten als mit einem Messmassenanalysator.
Teilweise aus diesem Grund, und auch wegen der begrenzten Massenauflösung früherer Typen von Flugzeitmassenspektrometern, wurden die Flugzeitmassenspektrometer bis vor kurzem trotz ihrer Fähigkeit, Ionen mit sehr hohen Masse-zu-Ladung-Verhältnissen zu analysieren, nicht umfassend in der organischen Massenspektroskopie eingesetzt. Jedoch haben die Verfügbarkeit der schnellen und preiswerten Digitalrechner, die in der Lage sind die produzierten großen Datenmengen schnell genug zu verarbeiten, und die Entwicklung von Techniken zur Auflösungsverbesserung, wie Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Beschleunigung, führten dazu, dass Flugzeitmassenspektrometer die bevorzugten Analysatoren für organische Moleküle mit hoher Masse wurden.
Wie beschrieben muss der Ionendetektor zum sehr schnellen Betrieb fähig sein, um den maximalen Vorteil eines Flugzeitanalysators bei organischen Anwendungen zu erhalten. Gewöhnlich werden Ionenankunftzeiten in Abständen von 1 nsec aufgezeichnet, jedoch zeigen in der Praxis alle Detektoren eine bestimmte Totzeit, die einem Ionenaufprall folgt, während welcher der Detektor nicht auf einen weiteren Ionenaufprall reagieren kann. Eine typische Detektor-Totzeit kann von der Größenordnung von 5 nsec sein und es ist ziemlich wahrscheinlich, dass während der Aufnahme eines typischen Spektrums Ionen während der Detektor-Totzeit ankommen und infolgedessen nicht ermittelt werden. Wie unten besprochen, hat der Ausfall beim Detektieren von Ionen einen verzerrenden Effekt auf die resultierenden Massenspektren, was nur vermieden werden kann, indem die Rate verringert wird, mit der Ionen den Detektor erreichen oder, indem eine Totzeitkorrektur angewendet wird. Besonders im Fall organischer Massenspektrometrie, ist es aus oben genannten Gründen nicht annehmbar die Ionenankunftsrate zu verringern, so dass eine wirkungsvolle und zweckmäßige Methode zur Totzeitkorrektur sehr wichtig wird.
Die Korrektur der Totzeit für Einzelteilchendetektoren oder -zähler wurde zuerst von Schift in Phys. Rev, 1936, Vol. 50, S. 88–96 behandelt. Schift nahm an, dass die Anzahl der Teilchen, die bei einem Detektor in einem gegebenen Zeitintervall ankommen, durch das Poisson'sche Gesetz geregelt wurde und leitete analytische Ausdrücke ab, die es erlaubten, eine beobachtete Zählrate zu korrigieren, sobald die Zähler-Totzeit bestimmt worden war. Seit damals hat es viele Publikationen gegeben, die Ausdrücke für eine Totzeitkorrektur für eine Vielzahl von unterschiedlichen Detektoren und experimentellen Bedingungen angeben. Coates (in J. Phys. E, 1968, Vol. 1, S. 878 ff.; J. Phys. E., Vol. 5, S. 150 ff. und Rev. Sci. Instrum, 1972, Vol. 43, S. 1855 ff.) und Donohue und Stern (in Rev. Sci. Instrum., 1972, Vol. 43, S. 791 ff.) beschreiben analytische Lösungen des Problems der Rekonstruktion der Zeitverteilung der Detektoren, die eine ausdehnbare Totzeit haben (d. h., Detektoren bei denen die Ankunft eines zweiten Teilchens, während der bereits durch die frühere Ankunft eines anderen Teilchens ausgelösten Totzeit, verursacht, dass sich die Totzeit verlängert).
Esposito et al., in Rev. Sci. Instrum., 1991, Vol. 62 (11), S. 2822 ff. haben diese Analyse ausgeweitet, um die Situation einzuschließen, in der erwartet wird, dass in jedem Messzyklus mehr als ein Teilchen detektiert wird, und für den schwierigeren Fall, in dem Detektoren eine nicht-ausdehnbare Totzeit besitzen. Coates stellt in Rev. Sci. Instrum., 1992, Vol. 63 (3), S. 2084 ff. heraus, dass in den meisten Anwendungsfällen die Korrekturen mit einfacheren Formeln erzielt werden können, und führt als ein Beispiel ein simuliertes Flugzeitmassenspektrum an, das für Totzeitverzerrungen durch Verwendung eines iterativen Verfahrens korrigiert wurde. Stephan, Zehnpfenning und Benninghoven diskutieren in J. Vac. Sci. Technol. A, 1994, Vol. 12 (2), S. 405 ff. speziell die Korrektur von Flugzeitmassenspektren für Detektortotzeiteffekte mit einem Verfahren, das den von Esposito et al. und von Coates et al. vorgeschlagenen Verfahren ähnelt.
Um diese Verfahren des Stands der Technik auf Daten anzuwenden, die ein komplettes Flugzeitspektrum darstellen, werden wiederholt Ionenpakete von einer Probe erzeugt und ihr Eintreten in den Driftbereich zugelassen. Die Ionendurchgangszeiten werden bestimmt und Zeitkanälen zugeteilt, so dass, nachdem alle Pakete erzeugt worden sind, jeder Zeitkanal eine Zählung enthält, die äquivalent zur Anzahl von Ionen ist, die diese bestimmte Durchgangszeit hatten. Der Wert der Zählung in jedem Zeitkanal wird dann mit der passenden Gleichung aus den oben besprochenen Publikationen des Stands der Technik korrigiert. Es wird hervorgehoben, dass die Korrektur, die auf die Zählung in jedem Kanal angewendet wird, von den in mindestens einigen der früheren Kanäle enthaltenen Zählungen abhängig ist, so dass es, um das gesamte Spektrum zu korrigieren, notwendig ist, die Korrekturgleichungen nacheinander auf jeden Kanal anzuwenden. Dies erfordert, dass die Rohdaten gespeichert werden, um zu ermöglichen, dass die Korrekturen durchgeführt werden, bevor die spektrale Information verarbeitet werden kann und eine Erfassung des nächsten Spektrums beginnen kann. Da die Korrekturberechnungen bedeutende Berechnungszeit erfordern, begrenzt der Korrekturvorgang die Rate, mit der Spektren erfasst und verarbeitet werden können, was, wie erklärt, die Brauchbarkeit der Flugzeitanalyse für organische Massenspektrometrie stark einschränken kann. Der einzige Weg, wodurch diese Verzögerung des Startens der Erfassung des nächsten Spektrums, vermieden werden kann, ist, indem alle Rohdaten in einem schnellen Speicher für eine nachfolgende Verarbeitung gespeichert werden, was eine ebenso uninteressante Möglichkeit ist.
Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Korrektur der durch eine Detektortotzeit bedingten Verzerrung eines Flugzeitmassenspektrums bereitzustellen ohne die Notwendigkeit, die erworbenen Daten direkt nach Erwerb entweder zu speichern oder zu verarbeiten. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Korrektur des Fehlers in der Massenkalibrierung der Flugzeitmassenspektren bereitzustellen, der manchmal von der Detektortotzeit herrührt, sowie insbesondere ein Verfahren bereitzustellen, das angewendet werden kann, sobald die Daten verarbeitet worden sind.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Korrektur von massenspektralen Daten zur Verfügung gestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst ein Verfahren nach der Erfindung ferner das Anwenden einer Korrektur auf die beobachtete Peakfläche, um einen für den Effekt der Detektortotzeit korrigierten Wert der Peakfläche zu erhalten, wobei die Korrektur von der vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die zusätzlich Peakflächenkorrekturen für unterschiedliche Werte der Verteilungsfunktion und der beobachteten Peakflächen umfasst.
Ferner ist die vorbestimmte verwendete Peak-Form-Funktion vorzugsweise eine Gauss-Funktion, die die charakteristische Form eines durch das Flugzeitmassenspektrometer erzeugten Massenpeaks darstellt, wenn die Detektortotzeit null war.
Jedoch können andere Peak-Form-Funktionen verwendet werden.
In einem in der Praxis verwendeten Spektrometer kann die Peakform bei unterschiedlichen Massen unterschiedlich sein, so dass in einem ausgedehnteren Aspekt die Erfindung die Verwendung unterschiedlicher Peak-Form-Funktionen umfassen kann, die entsprechend dem beobachteten Massenschwerpunkt ausgewählt sind.
In weiteren bevorzugten Ausführungen können Flugzeitdaten ohne Totzeitkorrektur erfasst und verarbeitet werden, um massenspektrale Daten in Form von Ionenzählungen versus Durchgangszeit zu erbringen (das heißt, Ionenzählung versus Masse-zu-Ladung-Verhältnis). Unter Verwendung herkömmlicher massenspektraler Daten verarbeitender Algorithmen können diese Daten weiter verarbeitet werden, um Massenpeaks zu erkennen und beobachtete Massenschwerpunkte und Peakflächen der interessierenden Peaks zu bestimmen. Entsprechend der Erfindung wird die Totzeitkorrektur nur auf diese zwei Zahlen angewendet, und die Rohdaten, welche den Peak repräsentieren, können verworfen werden, sobald sie erfasst worden sind. Eine Verteilungsfunktion wird dann unter Verwendung der vorbestimmten Peak-Form-Funktion für den zu korrigierenden Massenpeak berechnet.
Im Falle einer Gauss'schen Peak-Form-Funktion kann die Verteilungsfunktion einfach die Standardabweichung sein, die durch einen einfachen Ausdruck auf die instrumentellen Auflösung bei dieser bestimmten Masse bezogen wird, wie unten erklärt ist. Eine Korrektur des beobachteten Massenschwerpunkt (und optional der beobachteten Peakfläche) wird dann aus der vorbestimmten Korrekturtabelle für die berechnete Verteilungsfunktion und den beobachteten Massenschwerpunkt erhalten.
In noch weiteren bevorzugten Ausführungen enthält die Korrekturtabelle einen Satz von "Seiten", d. h. zweidimensionale Tabellen, eine für jeden von einer Mehrzahl von Werten der Verteilungsfunktion, wobei jede Seite die auf den beobachteten Massenschwerpunkt anzuwendenden Korrekturwerte für bestimmte Werte der beobachteten Peakfläche angibt.
Optional kann jede Seite auch Korrekturen für die beobachteten Peakflächen angeben, die neben den Korrekturen für den Massenschwerpunkt gespeichert sind.
Es mag angemerkt werden, dass, indem die Methode der Erfindung verwendet wird, Totzeitkorrekturen an den interessierenden Massenpeaks angewendet werden können ohne die Notwendigkeit, große Datenmengen zu speichern oder zeitraubende Totzeitkorrekturen in Realzeit anzuwenden. Die Korrekturtabelle kann gewöhnlich im digitalen Speicher gespeichert werden, während Daten erfasst werden, jedoch liegt es auch innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung, die Totzeitkorrekturen auf vorher erworbene massenspektrale Daten anzuwenden, die nur in Form von Massenpeakintensität versus Masse-zu-Ladung-Verhältnis gespeichert worden sind. In dieser Hinsicht repräsentiert das Verfahren der Erfindung einen Hauptvorteil gegenüber Stand der Technik Verfahren zur Totzeitkorrektur, die erfordern, dass die Rohdaten gespeichert worden sind.
Die Korrekturen, die in der Korrekturtabelle enthalten sind, können durch Vorhersage der Wirkung der Detektortotzeit auf eine Mehrzahl simulierter Massenpeaks bestimmt werden, welche für jeden Wert aus einem Bereich von Werten der Verteilungsfunktionen und der Peakflächen die spezifizierte Peak-Form-Funktion haben. So können die Korrekturen erzeugt werden, indem zuerst ein Satz von simulierten gestörten Daten von den Datenpunkten erzeugt wird, die einen ungestörten Peak darstellen, welcher die gewünschte Peakformfunktion, Massenschwerpunkt und Verteilungsfunktion hat, indem der Reihe nach die Wirkung einer gegebenen Detektortotzeit auf jeden den ungestörten Peak bildenden Datenpunkt betrachtet wird, wobei ein simulierter Peak gebildet wird, der durch die Effekte der Detektortotzeit verzerrt ist. Korrekturen des Massenschwerpunkts und der Peakfläche des verzerrten Peaks (was einen momentan durch das Massenspektrometer erzeugten Peak darstellt), können dann durch Vergleichen der simulierten verzerrten mit den ungestörten Peaks etabliert werden. Dieser Vorgang muss für Bereiche der Peakflächen und der Verteilungsfunktionen und für unterschiedliche Peakformfunktionen und Detektortotzeiten, wenn nötig selbstverständlich wiederholt werden. Obgleich das Erzeugung der Korrekturtabelle offensichtlich ein zeitraubender Vorgang ist, muss er in Bezug auf irgendeine bestimmte Art von Gerät und Detektor nur einmal durchgeführt werden.
Es wird weiterhin angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Gauss'schen Peak-Form-Funktion begrenzt ist, obgleich diese für die meisten Verwendungszwecke in der Praxis geeignet ist. Jede Funktion, die zu den Spektrometereigenschaften passt, kann verwendet werden. Ferner, um eine genaue Korrektur zur Verfügung zu stellen, in der sich die Form der Massenpeaks über den Massenbereich des Spektrometers ändert, können unterschiedliche Peak-Form-Funktionen, jede mit ihrer eigenen Korrekturtabelle, verwendet werden, wobei die passende Tabelle bei der Korrekturzeit entsprechend dem beobachteten Massenschwerpunkt vorgewählt wird.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Flugzeitmassenspektrometer zur Verfügung gestellt, das eine verbesserte Totzeitkorrektur, wie in Anspruch 9 beansprucht, hat.
In einer weiteren Ausführung umfasst ein Spektrometer nach der Erfindung ferner Berechnungsmittel zur Korrektur mindestens einer der beobachteten Peakflächen, um einen Wert für die Peakfläche zu erhalten, der bezüglich des Effekts der Detektortotzeit korrigiert ist, wobei die Korrektur aus der vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die zusätzlich Peakflächenkorrekturen für unterschiedliche Werte der Verteilungsfunktion und der beobachteten Peakflächen umfasst.
In einem in der Praxis verwendeten Spektrometer umfasst jedes der Berechnungsmitteln einen oder mehrere Digitalrechner, die ein oder mehrere Digitalrechnerprogramme laufen lassen, und die in der vorbestimmten Korrekturtabelle enthaltenen Daten sind im Speicher des Computers (der Computer) enthalten.
In einer weiteren Ausführung können Mittel zur Speicherung der Daten zur Verfügung gestellt werden, die aus der beobachteten Peakfläche und aus dem obigen beobachteten Peakmassenschwerpunkt in für den Computer lesbarer Form (zum Beispiel, auf einer Scheibe) bestehen und Mittel zum Lesen der gespeicherten Daten zu jeder beliebigen Zeit und zur Verarbeitung werden in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Verfügung gestellt.
In noch weiteren bevorzugten Ausführungen können die Mittel für das Erzeugen von Ionenpaketen entweder eine Elektronenspray umfassen oder eine APCI (Athmosphärendruck-chemische Ionisierung)-Ionenquelle, und der Driftbereich kann einen reflektierenden Flugzeitmassenanalysator umfassen. Ferner kann der Flugzeitmassenanalysator vorzugsweise vom orthogonalen Beschleunigungstyp sein.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird jetzt nur durch ein Beispiel und mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Zeichnung eines Flugzeitmassenspektrometers ist;
2 eine Zeichnung von verzerrten und ungestörten simulierten Datenpeaks ist, die das Verfahren der Erfindung veranschaulichen; und
3 eine Zeichnung ist, welche die Struktur einer Korrekturtabelle veranschaulicht, die zum Gebrauch in der Erfindung geeignet ist.
In 1 umfasst ein Flugzeitmassenspektrometer, das im Allgemeinen durch 1 angezeigt wird, Mittel 1–16 zum Erzeugen von Ionenpaketen, eine Driftregion 18 und einen Ionendetektor 19. Ein kontinuierlicher Ionenstrahl wird durch eine Elektrospray-Ionenquelle erzeugt, die eine Elektrospray-Düse 2 umfasst, die relativ zu einer Zählerelektrode 20 auf einem hohen Potential beibehalten wird. Ein Elektrospray-Strahl 3 wird erzeugt, der Ionen enthält, die für eine Probe charakteristisch sind, die in die Elektrospray-Düse 2 eingeführt wird. Ionen werden vom Strahl 3 entlang einer Extraktionsachse 4 extrahiert und gelangen durch eine Eintrittsöffnung 6 in einen ersten evakuierten Raum 5. Ein geeignetes Potential, das an eine Extraktionselektrode 7 angelegt wird, die in der evakuierten Kammer 5 angeordnet ist, veranlasst Ionen in Form eines kontinuierlichen Ionenstrahls entlang einer Analysatoreingangsachse 12 auszutreten und in eine zweiten evakuierten Kammer 10 durch eine Eintrittsöffnung 8 und eine Elektronenfokussierlinse 9 zu gelangen. Eine Ionenquelle dieser Art wird ausführlicher in der GB-Patentanmeldung 2,308,227 beschrieben.
Ionen, die in die zweiten evakuierte Kammer 10 eintreten, werden durch eine HF-Hexapol-Linsenanordnung 11 geführt, die den Ionendurchgang maximiert und zusätzlich die Energieverbreitung der Ionen verringern kann, die entlang der Analysatoreingangsachse 12 laufen. Die Ionen gehen dann durch eine Öffnung 13 und eine elektrostatische Fokussierlinse 15 in einen in der Analysatorkammer 14 angeordneten Ionenschieber 16, der bei einem Druck von 10^–6 Torr oder weniger betrieben wird.
Elektroden im Ionenschieber 16 werden derart mit Impulsen von einem Impulsgenerator 17 versorgt, dass Ionenpakete wiederholt entlang einer Flugbahn 17 in die Driftregion 18 ausgestoßen werden. Der Driftbereich 18 wird als ein Analysator vom Reflektionstyp konfiguriert, der einen elektrostatischen Ionenspiegel 22 umfasst, der die Ausbreitungsrichtung der Ionen ändert, die der Flugbahn 17 folgen, und lenkt sie in den Ionendetektor 19. Die Verwendung eines Ionenspiegels verringert sowohl die Größe des Spektrometers, als auch verbessert die Massenauflösung, wie weithin bekannt ist, jedoch könnte eine lineare Driftregion verwendet werden, wenn dies gewünscht ist. Die Anordnung, die für den Ionenschieber 16 beschrieben wird, stellt einen Flugzeitanalysator mit orthogonaler Beschleunigung zur Verfügung, der weiter die Auflösung verbessert und wirkungsvoll Ionenpakete für die Flugzeitanalyse produziert. Der Gebrauch der orthogonalen Anordnung ist jedoch nicht obligatorisch und eine linearen Anordnung kann angenommen werden, besonders wenn die verwendete Ionenquelle inhärent gepulst wird, beispielsweise eine MALDI (Matrix unterstützte Laser-Desorption/Ionisierung)-Quelle.
Der Ionendetektor 19 erzeugt ein elektrisches Signal als Reaktion auf den Aufprall eines einzelnen Ions auf ihn und umfasst zwei Mikrokanalplatten in Reihe und eine Kollektorelektrode, auf der von den Platten freigegebene Elektronen auftreffen können. Ein ladungsmessender Diskriminator 23 erzeugt ein elektrisches Signal jedes Mal, wenn ein Ausstoß von Elektronen bei der Kollektorelektrode des Ionendetektors 19 ankommt. Dieses Signal veranlasst einen Taktgeber 24, eine Ionenankunftszeit im Speicher eines Computers 25 aufzuzeichnen. Der Taktgeber 24 veranlasst als Reaktion auf ein "Start"-Signal vom Computer 25 auch den Impulsgenerator 21 den Ionenschieber 16 zu aktivieren, und wenn er dies tut, wird eine Startzeit im Speicher des Computers 25 aufgezeichnet. Dann werden vom Computer 24 Ionendurchgangszeiten durch den Driftbereich 18 berechnet, indem die Startzeit von den Ionenankunftszeiten der Ionen subtrahiert wird, die in jedem durch den Ionenschieber 16 bereitgestellten Paket enthalten sind.
Um ein komplettes Massenspektrum zu erhalten, werden wiederholt Ionenpakete durch den Ionenschieber 16 produziert und die Durchgangszeiten der erfassten Ionen werden durch den Computer 25 gespeichert. Die Zahl der Ionen, die jeweils eine aus einer Mehrzahl von Durchgangszeiten für alle so erzeugten Pakete aufweisen, wird so bestimmt, dass ein Massenspektrum, das als Histogramm der Anzahl von Ionen darstellbar ist, die jeweils eine aus einer Mehrzahl der Durchgangszeiten haben, erhalten wird. Jedes Massenspektrum wird dann mit herkömmlicher massenspektrografischer Analysesoftware verarbeitet (beispielsweise mit dem Programmpaket, bekannt als Mass Lynx^TM, erhältlich bei Micromass UK Ltd), um Datenteile im Spektrum zu erkennen, die Massenpeaks entsprechen. Die Software berechnet eine beobachtete Peakfläche und einen Massenschwerpunkt für jeden dieser Peaks, danach werden die ursprünglichen Histogrammdaten verworfen und das Spektrum einfach als Liste gespeichert, die eine beobachtete Peakfläche und einen Massenschwerpunkt für jeden Peak enthält. Diese Daten können auf Diskette oder sogar in der Hardcopyform für eine nachfolgende Korrektur für Totzeiteffekte, wie unten beschrieben, gespeichert werden oder können sofort bearbeitet werden.
In der Praxis werden die Daten, die vom Ionendetektor aufgenommen, durch die Effekte der Detektortotzeit verzerrt. In einem Spektrometer der oben beschriebenen Art können Ionenzählungsdaten mit einer Zeitauflösung von 1 nsec erfasst werden, während die Totzeit eines typischen Detektors von der Größenordnung 5 nsec sein kann. So werden in der Zeitspanne von 5 nsec direkt nach einem Ionenaufprall keine weiteren Ionenankünfte registriert. Da die Totzeit in erster Linie am ladungsmessenden Diskriminator 23 liegt und nicht an der Kanalplatte, die den Detektor selbst bildet, ist diese Totzeit charakteristisch vom Ausdehnungstyp, d. h., eine zweite Ionenankunft während der Totzeit, die durch eine erste Ankunft ausgelöst ist, verlängert die Totzeit auf 5 nsec seit der zweiten Ankunft und so weiter. Der Effekt hiervon auf Peakflächen und Massenschwerpunkte ist, dass der Massenschwerpunkt des Peaks zur niedrigen Masse hin gedrängt wird, weil die Ionen mit den kürzesten Durchgangszeiten auf der niedrigen Massenseite des Schwerpunkts mit höherer Wahrscheinlichkeit gezählt werden, als die auf der hohen Massenseite, wobei die letzteren mit höherer Wahrscheinlichkeit innerhalb der Totzeit am Detektor ankommen, die durch die Ankunft eines Ions mit niedriger Masse initiiert wurde. Die beobachtete Peakfläche wird ebenfalls verringert, weil weniger Ionen gezählt werden als wirklich im Peak präsentiert werden.
Diese Schiefstellung des Massenschwerpunkts ist besonders signifikant, wenn das Massenspektrometer für genaue Massenbestimmung bei verhältnismäßig niedriger Auflösungen (< 5,000) benutzt wird, was eine wichtige Funktion für gegenwärtige Flugzeitmassenspektrometer in der organischen Analyse ist. Obgleich der Effekt beim Stand der Technik kommentiert worden ist, geht die einzige für seine Korrektur vorgeschlagene Methode einher mit dem Anwenden einer vom Wert früherer Datenpunkte abhängenden, errechneten Korrektur auf jeden in dem Peak enthaltenen Datenpunkt, um das gesamte Peakprofil zu rekonstruieren und um dadurch das Berechnen eines genaueren Massenschwerpunkts zu ermöglichen. Sogar mit heutigen Hochgeschwindigkeits-Computern ist dieser Vorgang noch zu langsam, um angewendet zu werden ohne die Datenerfassungsrate auszugleichen oder große Rohdatenmengen zu speichern. Aus der oben genannten Beschreibung wird deutlich, dass die in einem Spektrometer nach der Erfindung die Rohdaten auf zwei Größen (Peakfläche und Massenschwerpunkt) für jeden Massepeak reduziert werden, bevor irgendeine Totzeitkorrektur angewendet wird, die dieses Problem beseitigt.
Das Verfahren der Erfindung ist abhängig von der Erkenntnis, dass beim Fehlen von überlappenden Massepeaks die Form eines durch ein Spektrometer mit einem Null-Totzeitdetektor erzeugten Massenpeaks durch eine vorbestimmte Peak-Form-Funktion dargestellt werden kann, die in einer bevorzugten Ausführung eine einfache Gauss-Funktion ist (siehe 2). Für ein Flugzeitmassenspektrometer ist
wobei m/z das Masse-zu-Ladung-Verhältnis eines Ions ist, das eine Durchgangszeit t durch die Driftregion hat und A ist eine Kalibrierungskonstante. Für den Zweck der Erfindung ist es notwendig, eine Verteilungsfunktion abzuleiten, die für die Peakbreite bei jeder einzelnen Masse charakteristisch ist (d. h., Durchgangszeit). Vorzugsweise wird die Verteilungsfunktion als die Standardabweichung (σ) eines Gauss'schen Peak genommen, wie im folgenden gezeigt:
Für einen wirklichen Gauss-Peak und der Einfachheit halber unter der Annahme, dass z = 1, gilt
wobei R die Massenauflösung des Spektrometers ist, (δM/M) und fwhm die Breite des Peaks auf halber Höhe ist, d. h. die Bedingung ist in Bezug auf welche R definiert ist (siehe 2).
Für einen Gauss-Peak gilt
Aus Gleichung (1) kann gesehen werden, dass eine Verteilungsfunktion leicht für jeden Massepeak lediglich aus dem beobachteten Massenschwerpunkt M bestimmt werden kann, wenn die Kalibrierungskonstante A und Massenauflösung R für das Instrument bekannt sind.
Weil die Peak-Form-Funktion dieselbe für alle Massenpeaks (d. h., gaussförmig) ist, können Totzeitkorrekturen für den Fall einer bestimmten Detektortotzeit ausgearbeitet werden, indem simulierte Daten verwendet werden, die einen Gauß-Peak darstellen, der die passende Standardabweichung hat, und Korrekturwerte für Massenschwerpunkt und Peakfläche, die in einer Korrekturtabelle gespeichert sind, das in 3 gezeigte Format haben. In 3, stellt λ' die beobachtete Peakfläche dar, λ die für Totzeiteffekte korrigierte Peakfläche und C_CORR die auf den beobachteten Massenschwerpunkt anzuwendende Korrektur dar. Aus der Korrekturtabelle können Werte für C_CORR und λ aus der beobachteten Peakfläche λ' und der berechneten Verteilungsfunktion erhalten werden, (in diesem Fall ist die Standardabweichung σ). Da σ zu √M proportional ist (von Gleichung (1)), ist es tatsächlich möglich, die Werte von A und von R in den Werte für σ entlang der σ-Achse in 3 zu berücksichtigen, so dass jede Korrekturtabelle mit einem Wert des beobachteten Massenschwerpunkts liiert ist, wobei die Notwendigkeit vermieden wird σ für jeden Peak zu berechnen bevor die Korrekturen aus der Korrekturtabelle erhalten werden, vorausgesetzt, dass A und R beide konstant und bekannt sind.
Es wird positiv aufgenommen werden, dass, obgleich die Verwendung einer Gauß'schen Peak-Form-Funktion für die meisten Fälle in der Praxis geeignet ist, es möglich ist, unterschiedliche Peak-Form-Funktionen zu verwenden und eine andere Verteilungsfunktion zum Identifizieren der tatsächlichen Peakform abzuleiten. Eine Korrekturtabelle muss selbstverständlich unter Verwendung der gleichen Peak-Form-Funktion konstruiert werden. Es wird auch ins Auge gefasst, dass unterschiedliche Peak-Form-Funktionen und ihre dazugehörigen Korrekturtabellen, die entsprechend den beobachteten Massenschwerpunkten ausgewählt wurden, benutzt werden können, wenn sich die Form der Peaks erheblich über den Massenbereich des Spektrometers verändert.
Wie erklärt, kann eine Korrekturtabelle, die zur Verwendung in der Erfindung geeignet ist, aus einem Satz simulierter Daten erzeugt werden, die Peaks der gewünschten Peak-Form-Funktion mit passenden Verteilungsfunktionen und Peakflächen repräsentieren. Für den Fall eines ungestörten in 2 dargestellten Gauß-Peaks 27 wird beispielsweise der Peak zuerst in eine Anzahl von Zeitintervallen 26 eingeteilt (gewöhnlich entsprechend den Taktsignalen des Taktimpulsgenerators 24 in 1) und eine Schätzung des Wertes wird durchgeführt, den jeder Datenpunkt bei Vorliegen einer gegebenen Detektortotzeit erwartungsgemäß haben würde. Auf diese Art kann ein simulierter gestörter Peak 28 (2) konstruiert werden, und Werte von C_CORR und von λ (die korrigierte Peakfläche, die der beobachteten Peakfläche λ' entspricht) können durch Vergleichen des ungestörten Peaks 27 mit dem gestörten Peak 28 erhalten werden. Diese Werte werden dann in der Korrekturtabelle gespeichert. Der Vorgang wird für simulierte Peaks über der gesamten erwarteten Bereich der Peakflächen wiederholt, so dass eine "Seite" der für den Peak einer gegebenen Verteilungsfunktion relevanten Daten erzeugt wird (siehe 3). Seiten für Peaks, die andere Verteilungsfunktionen haben, werden durch Wiederholen des gesamten Vorgangs erzeugt.
Wenn die Korrekturtabelle vervollständigt ist, wird sie in maschinell lesbarer Form auf einer Diskette oder im Read-only-Speicher wie einem EPROM gespeichert, und Kopien von ihr können dann für den Gebrauch mit jeglichem Spektrometer des Typs, für die die Simulationen durchgeführt wurden, vorgesehen werden.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die simulierten Ionenzählungen bei Vorliegen einer gegebenen Detektortotzeit zu schätzen. Daten können, wie von Esposito et al. (s. o.) gelehrt, experimentell mit einem elektronischen Simulator erzeugt werden, der das Verhalten des Detektorsystems nachahmt. Noch vorteilhafter können numerische Methoden als Mittel zur Prüfung der in diesem Artikel gelehrten Korrekturalgorithmen eingesetzt werden, wie von Coates (Rev. Sci. Instrum., 1992, Vol. 63 (3), S. 2084 ff.) angedeutet wurde. Speziell kann eine Poissonverteilung der Ionenankünfte angenommen werden und eine Monte-Carlo Simulation verwendet werden, um die Ionenzählungen an jedem Punkt auf dem simulierten gestörten Peak zu schätzen. So ist ein bevorzugtes numerisches Verfahren zur Berechnung von λ und von C_CORR für gegebene Werte von σ und von λ' wie folgt:
Zuerst wird ein simulierter Peak, der die gewünschte Peak-Form-Funktion aufweist (gewöhnlich eine Gauß-Peak) konstruiert durch Berechnen der vorhergesagten Ionenankunftsrate für jede von N Zeitscheiben über dem Peak mit den Gleichungen: rate[t] = e–a²/2 wobei:
Typischerweise ist N = 2000.
Diesen Daten werden dann so normiert, dass sie 1 Ion darstellen, das im Peak ankommt, d. h., so dass:
und mit λ' multipliziert, um eine Peak-Form-Funktion zu erhalten, die repräsentativ für einen Peak für die gewählte Verteilungsfunktion σ und die beobachtete Fläche λ' ist. Der Schwerpunkt c dieses Peaks wird dann gefunden durch Verwenden der Gleichung:
Werte von zwei Korrekturakkumulatoren sum₀ und sum₁ werden gleich 0 gesetzt und die folgende Monte-Carlo Simulation wird verwendet, um ihre Werte für einen Peak zu berechnen, der die Verteilungsfunktion σ und die beobachtete Fläche λ' aufweist. Die Symbole, die in der Simulation verwendet werden, haben die folgenden Bedeutungen:
f = die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ion noch nicht angekommen ist;
a = die Wahrscheinlichkeit eines Ions in einer gegebenen Zeitscheibe anzukommen; t_old = die Zeit, zu der das letzte Ion ankam; und
Totzeit = die bekannte Totzeit des Detektorsystems.
Für jede Iteration der Monte-Carlo Simulation werden die Werte von f, a und t_old anfänglich wie folgt eingestellt:
f = 1 (d. h., kein Ion ist angekommen)
a = 0 > (eine nach dem Zufallsprinzip erzeugte Zahl) < 1
t_old = –2 × Totzeit (um sicherzustellen, dass der Detektor beim Start auf Empfang ist) = t nach der ersten Iteration (siehe später).
Für jeden Wert von t im Ratenarray, wird f dann erneut berechnet nach: fnext = flast × (1 – rate[t])
Diese Gleichung spiegelt intuitiv die Tatsache wider, dass die Wahrscheinlichkeit eines Ions nicht angekommen zu sein sich verringert, wenn t sich erhöht.
Jeder so berechnete Wert von f wird mit a verglichen, und wenn die Bedingungen:

(a) f < a und
(b) t > t_old + Totzeit

₀

₁

sum1 = sum1(last) + t – c

Die Werte von f, a und t_old werden dann jeweils auf 1, auf eine weitere Zahl nach dem Zufallsprinzip und t gesetzt.
Jede Iteration umfasst das Durchführen der oben genannten Berechnungen für jedes t im Array des rate[t]-Datenfeldes, d. h. N (typischerweise 2000) Sätze von Berechnungen. Um ein statistisch relevantes Modell aufzubauen werden die Iterationen so oft wiederholt, wie die verfügbare Rechenzeit es zulässt (gewöhnlich zwischen 5 und 10 × 10⁶ mal), wobei die Werte von sum₀ und von sum₁ nach jeder Iteration geändert werden. Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, werden Werte für λ und C_CORR für die gewählten Werte λ' und σ erhalten aus: λ = sum0/Anzahl der Iterationenund CCORR = sum1/sum0
Mit einem Desktop PC mit einem 200 MHz Pentium-Prozessor dauert der gesamte Vorgang ungefähr 1 Stunde.
Für ein typisches TOF-Massenspektrometer nach der Erfindung sind ungefähr 15 Werte von λ' und 15 Werte von σ erforderlich (225 insgesamt in der kompletten Monte-Carlo Simulation). Folglich dauert es wahrscheinlich bis zu 10 Tagen (225 Stunden), um die notwendige Nachschlagetabelle von 225 Werten zu berechnen. Durch Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung muss dies jedoch nur einmal für ein gegebenes Detektorsystem ausgeführt werden, und nachfolgende Verwendung der so berechneten Nachschlagetabelle erlaubt eine statistisch rigorose und genaue Totzeitkorrektur auf flugzeitmassenspektrometrische Daten anzuwenden und die Genauigkeit der Massenmessung bei Ionen mit hohem Masse-zu-Ladung Verhältnissen wesentlich zu verbessern.

Claims

Verfahren zur Korrektur massenspektraler Daten, die durch Verwendung eines Flugzeitmassenspektrometers (1) erhalten wurden, welches einen Driftbereich und einen am Ende dieses Driftbereichs (18) angeordneten Ionendetektor (19) aufweist, der als Reaktion auf das Einwirken eines einzelnen Ions auf ihn ein elektrisches Signal erzeugt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen von Ionenpaketen aus einer Probe; Zuführen der Pakete in die Driftregion (18), Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf das Einwirken von mindestens einem der Ionen in mindestens einigen der Pakete auf den Ionendetektor (19); Bestimmen der Durchgangszeiten durch den Driftbereich (18) von mindestens einigen auf den Ionendetektor einwirkenden Ionen; Zählen der Anzahl der Ionen, die jeweils eine aus einer Mehrzahl von verschiedenen Durchgangszeiten haben, Verarbeitung von Daten, die aus Durchgangszeiten durch den Driftbereich und der Anzahl von Ionen, die jeweils eine aus einer Mehrzahl verschiedener Durchgangszeiten haben, bestehen, um mindestens ein beobachtetes Massenspektrum zu erzeugen, das Daten umfasst, welche die Anzahl der Ionen repräsentieren, die bestimmte Durchgangszeiten aufweisen; Erkennen von Datenteilen in einem beobachteten Massenspektrum, die Massenpeaks entsprechen; Bestimmen einer beobachteten Peakfläche und eines beobachteten Massenschwerpunkts aus mindestens einem der Datenteile; unter Verwendung einer vorbestimmten Peak-Form-Funktion-Eigenschaft des Flugzeitmassenspektrometers (1), die entsprechend dem beobachteten Massenschwerpunkt ausgewählt ist, Bestimmen einer Verteilungsfunktion aus dem beobachteten Massenschwerpunkt, die auf die Form des Massenpeaks hinweist; und Anwenden einer Korrektur auf den beobachteten Massenschwerpunkt, um einen Wert für den Massenschwerpunkt zu erhalten, der für den Effekt der Detektortotzeit korrigiert ist, wobei die Korrektur aus einer vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die Korrekturwerte für verschiedene Werte der Verteilungsfunktion und der beobachteten Peakflächen angibt, wobei die vorbestimmte Tabelle erhalten wurde durch Vorhersagen des Effekts der Detektortotzeit auf jede von einer Mehrzahl von simulierten Massenpeaks, welche die Peak-Form-Funktionen für geeignete Bereiche der Verteilungsfunktionen und Peakflächen aufweisen.
Verfahren zur Korrektur massenspektraler Daten nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Anwendens einer Korrektur auf die beobachtete Peakfläche, um einen für den Detektortotzeiteffekt korrigierten Wert für die Peakfläche zu erhalten, wobei die Korrektur aus einer vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die zusätzlich Peakflächenkorrekturen für verschiedene Werte der Verteilungsfunktion und der Peakflächen umfasst.
Verfahren zur Korrektur massenspektraler Daten nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vorbestimmte Peak-Form-Funktion eine Gauss-Funktion ist.
Verfahren zur Korrektur massenspektraler Daten nach Anspruch 3, wobei die Verteilungsfunktion die Standardabweichung der Gauss-Funktion ist.
Verfahren zur Korrektur massenspektraler Daten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrektur auf früher erhaltene massenspektrale Daten angewendet wird, die in Form von Massenpeakintensitäten versus Masse-zu-Ladung-Verhältnis gespeichert worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in der Korrekturtabelle gespeicherten Korrekturen am Massenschwerpunkt vorher durch die folgenden Schritte berechnet worden sind: (a) Bilden eines Datenfeldes von Ionenankunftraten für N Werte der Zeit (t) für einen gewählten Wert der Verteilungsfunktion σ und die beobachtete Peakfläche λ' für einen in N Zeitintervalle geteilten, simulierten Gauss-Peak nach: rate[t] = e–a²/2 wobei:
(b) Normalisieren der Werte im rate[t]-Datenfeld derart, dass:
und Multiplizieren dieser Werte mit λ'; (c) Berechnen des Massenschwerpunkts c des so definierten, simulierten Peaks unter Verwendung der Gleichung:
(d) Setzen der Variablen sum₀ und sum₁ auf Null; (e) Setzen des Werts einer Variablen t_old nach: told = –2 × Totzeit(f) Setzen der Werte der Variablen f und a auf 1 beziehungsweise eine zufällig erzeugte Zahl zwischen 0 und 1; (g) Berechnen eines neuen Wertes für f für jeden Wert von t im rate[t] – Datenfeld nach: fnext = flast × (1 – rate[t])und falls f < a und t > t_old + Detektortotzeit, Inkriminieren der Variablen sum₀ um 1 und Berechnen der Variablen sum₁ nach: sum1 = sum1(last) + t – c(h) Wiederholen der Schritte (d)–(g) viele Male; (i) Berechnen eines Korrekturfaktors C_CORR für den Massenschwerpunkt nach Gleichung: CCORR = sum1/sum0 (j) Wiederholen der Schritte (a)–(i) unter Verwendung eines anderen Wertes für σ oder eines anderen Wertes für λ' um Werte für C_CORR für Peaks zu erhalten, die für Peaks, wie sie vom Flugzeitmassenspektrometer erzeugt werden, typisch sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt (i) zusätzlich ein korrigierter Wert von λ' unter Verwendung folgender Gleichung berechnet wird: λ = sum0/N
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in der Korrekturtabelle gespeicherten Korrekturen mindestens am Massenschwerpunkt vorher durch folgende Schritte berechnet wurden: Erzeugen eines Satzes von simulierten gestörten Daten aus Datenpunkten, die einen eine gewünschte Peak-Form-Funktion, einen Massenschwerpunkt und eine Verteilungsfunktion aufweisenden, ungestörten Peak repräsentieren, durch nacheinander Berücksichtigen des Effekts einer gegebenen Detektortotzeit auf jeden den ungestörten Peak bildenden Datenpunkt; und Vergleichen der simulierten gestörten Daten mit den Datenpunkten, die den ungestörten Peak repräsentieren.
Flugzeitmassenspektrometer (1) umfassend: Mittel (1–16) zum Erzeugen von Ionenpaketen aus einer Probe; einen Driftbereich (16); einen Ionendetektor (19), der ein elektrisches Signal als Reaktion auf die Einwirkung eines einzelnen Ions darauf erzeugt; Mittel zur Bestimmung der Durchgangszeit durch den Driftbereich (16) von wenigstens einigen der so erzeugten Ionen, die auf den Ionendetektor einwirken (19); Mittel zum Zählen der Anzahl von Ionen, die jeweils eine einer Mehrzahl von Durchgangszeiten aufweisen; Rechenmittel, um in den Daten, die aus der Anzahl von Ionen bestehen, die jeweils eine einer Mehrzahl von Durchgangszeiten aufweisen, Datenteile zu erkennen, die Massenpeaks entsprechen und um aus mindestens einem dieser Datenteile eine beobachtete Peakfläche und einen beobachteten Massenschwerpunkt zu bestimmen; wobei das Spektrometer ferner umfasst: Rechenmittel zum Bestimmen einer Verteilungsfunktion aus dem beobachteten Massenschwerpunkt unter Verwendung einer vorbestimmten Peak-Form-Funktion-Eigenschaft des Spektrometers (1), die entsprechend dem Massenschwerpunkt ausgewählt wird; und Rechenmittel zum Anwenden einer Korrektur auf den beobachteten Massenschwerpunkt, um einen Wert für den Massenschwerpunkt zu erhalten, der für den Effekt der Detektortotzeit korrigiert ist, wobei die Korrektur aus einer vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die Korrekturwerte für verschiedene Werte der Verteilungsfunktion und der beobachteten Peakflächen angibt, wobei die vorbestimmte Korrekturtabelle erhalten wurde durch Vorhersagen des Effekts der Detektortotzeit auf jede von einer Mehrzahl von simulierten Massenpeaks, welche die Peak-Form-Funktionen für geeignete Bereiche der Verteilungsfunktionen und Peakflächen aufweisen.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 9, ferner umfassend Rechenmittel zur Korrektur von mindestens einer der beobachteten Peakflächen, um einen Wert der Peakfläche zu erhalten, der für den Effekt der Detektortotzeit korrigiert ist, wobei die Korrektur aus der vorbestimmten Korrekturtabelle erhalten wird, die zusätzlich Peakflächenkorrekturen für verschiedene Werte der Verteilungsfunktion und der beobachteten Peakflächen enthält.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Mittel (1–16) zum Erzeugen von Ionenpaketen entweder eine Elektrospray-Ionenquelle oder eine "Atmosphärendruck-chemische Ionisierung"-Ionenquelle umfassen.
Flugzeitmassenspektrometer nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei der Driftbereich (16) einen reflektierenden Flugzeitmassenanalysator umfasst.
Flugzeitmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 9–12, wobei das Flugzeitmassenspektrometer vom orthogonalen Beschleunigungstyp ist.