EP0294683B1 - Verfahren zur Aufnahme von ICR-Massenspektren und zur Durchführung des Verfahrens ausgebildetes ICR-Massenspektrometer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von ICR-Massenspektren jeweils nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4. Ein solches Verfahren ist aus der US-A-3 937 955 bekannt.
• Die Ionen-Cyclotron-Resonanz ist wegen ihrer Vielseitigkeit, Empfindlichkeit und hohen Auflösung eine ausgezeichnete Methode für die Massenspektroskopie. Dabei können in einer Gasprobe enthaltene Ionen unterschiedlicher Art durch einen entsprechend breitbandigen Impuls gleichzeitig angeregt werden, so daß in dem nach dem Ende des Impulses von den angeregten Ionen induzierten Hochfrequenzsignal ein Frequenzgemisch vorliegt. Die in dem Induktionssignal enthaltenen Komponenten können dann durch eine Fourier-Transformation nach Frequenz und Intensität aufgelöst werden.
• Die ICR-Massenspektroskopie erlaubt jedoch nicht nur die Analyse von Stoffen und Stoffgemischen, sondern durch Doppelresonanz die Beobachtung von dynamischen Vorgängen, wie beispielsweise die Beobachtung der Produkte von Ionen-Molekül-Kollisionen sowie von unimolekularen Fragmentationen. Bei dieser auch als MS/MS-Experiment bezeichneten Doppelresonanz werden zunächst von den in der Meßzelle eines ICR-Massenspektrometers gefangene Ionen der zu untersuchenden Substanz durch Einstrahlung entsprechender Cyclotron-Resonanzfrequenzen alle Ionen mit Ausnahme der einen Ionensorte, die weiter untersucht werden soll, eliminiert. Soweit erforderlich, wird danach in die Meßzelle ein Kollisionsgas eingelassen. Danach wird die selektierte Ionensorte in einem solchen Maße angeregt, daß es zu Stößen untereinander oder mit den Molekülen des Kollisionsgases kommt und durch Stoß-Dissoziation sekundäre Fragmente entstehen. Danach werden die entstandenen Sekundärionen durch den üblichen ICR-Meßzyklus analysiert. Wenn das ursprüngliche Massenspektrum eine Anzahl N Linien enthält, ist für eine vollständige Analyse eine Anzahl N solcher Experimente erforderlich. Dabei entsteht für jede Linie des ursprünglichen Spektrums eine Anzahl neuer Spektrallinien, so daß ein zweidimensionales Feld von Spektrallinien erhalten wird, wenn die ursprünglichen Spektrallinien längs einer Koordinatenrichtung und die diesen Spektrallinien zugeordneten, sekundären Spektrallinien längs einer zweiten Koordinatenrichtung aufgetragen werden. Selbst wenn ein solches MS/MS-Experiment automatisch durchgeführt wird, erfordert die Durchführung eines solchen Experimentes eine sehr lange Zeit und einen erheblichen apparativen Aufwand. Außerdem versagt die Automatik, wenn die Spektren sehr komplex sind und überlappende Linien aufweisen oder wenn sie schwache, an der Detektionslinie liegende Linien enthalten.
• Bei dem aus der gattungsgemäßen US-A-3 937 955 bekannten Verfahren zur Aufnahme von ICR-Massenspektren kann es vorkommen, daß dicht zusammenliegende Peaks verschiedener Produktionen unter Umständen nicht aufgelöst werden können, da das bekannte Verfahren lediglich zwei durch eine Verzögerungszeit getrennte Anregungsimpulse verwendet und diese einzige Verzögerungszeit zwischen den zwei Anregungsimpulsen festliegt und nicht systematisch variiert wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren zur Aufnahme von ICR-Massenspektren so weiterzubilden, daß es bei geringer Meßzeit auch in komplizierten Fällen anwendbar ist, bei denen dicht zusammenliegende Peaks aufgelöst werden müssen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2, 3 und 5 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen davon.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist demgemäß in mancher Hinsicht mit dem aus der Kernresonanz bekannten Verfahren der 2D-Austausch-Spektroskopie (NOESY) vergleichbar, das dazu dient, dynamische Prozesse wie chemische Reaktionen, Isomerisation u. dgl. zu untersuchen (siehe z.B. B. H. Meier und R. R. Ernst in J. Am. Chem. Soc. 101 (1979) 6441 sowie J. Jeener et al in J. Chem. Phys. 71 (1979) 4546). Trotzdem war es nicht naheliegend, in der ICR-Spektroskopie eine analoge Methode anzuwenden, weil grundsätzliche Unterschiede zwischen der in der NMR beobachteten transversalen Magnetisierung der Spins und der kohärenten Resonanz der bei der ICR-Spectroskopie angeregten Ionen bestehen. Außerdem sind bei der NMR-Spektroskopie die auftretenden Resonanzfrequenzen sehr dicht benachbart, so daß sie allenfalls um wenige Prozent voneinander abweichen, wogegen die Resonanzfrequenzen bei der Cyclotron-Ionen-Resonanz wegen der stark unterschiedlichen Ladungs/Massen-Verhältnisse in einem Verhältnis bis zu etwa 1:50 stehen können. So können bei einem ICR-Massenspektrometer, bei dem die Meßzelle einem statischen Magnetfeld von 3T ausgesetzt ist, die Resonanzfrequenzen interessierender Substanzen etwa von 50 kHz bis 2,6 MHz variieren. Die sich daraus ergebenden Schwierigkeiten können jedoch in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder dadurch überwunden werden, daß der zweite Hochfrequenzimpuls P₃ eine andere Frequenz aufweist als die beiden Teilimpulse P₁ und P₂, oder aber auch dadurch, daß die Hochfrequenzimpulse Breitbandimpulse mit in einem vorgegebenen Bereich variierter Frequenz sind. Solche Breitbandimpulse werden auch als "Chirp-Impulse" bezeichnet (M. B. Comisarow und A. G. Marshall in Chem. Phys. Lett. 26 (1974) 489).
• Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich demnach durch die folgende Sequenz beschreiben:
     P₁ - t₁ - P₂ - τ_m - P₃ - t₂

P₁

Erster Teilimpuls des ersten Hochfrequenzimpulses

P₂

Zweiter Teilimpuls des ersten Hochfrequenzimpulses

P₃

Zweiter Hochfrequenzimpuls

t₁

Variable Vorbereitungszeit (Zeitparameter in der ersten Dimension)

t₂

Meßzeit für das Interferogramm (Zeitparameter der zweiten Dimension)

τ_m

Reaktionszeit

• Wie oben erwähnt, weist der zweite Teilimpuls P₂ die gleiche Frequenz und Phase auf wie der erste Teilimpuls P₁. Wenn die Ionen am Ende der variablen Vorbereitungszeit t₁ eine Phase aufweisen, die zur Phase des zweiten Teilimpulses P₂ entgegengesetzt ist, hebt der zweite Teilimpuls P₂ die Wirkung des ersten Teilimpulses P₁ teilweise wieder auf. Die Wirkung des zweiten Teilimpulses hängt somit von der momentanen Phase der Bewegung der einzelnen Ionen nach Ablauf der ersten Zeit t₁ ab, die deshalb als Vorbereitungszeit bezeichnet wurde. Daher ist die Zahl der inkohärenten Ionen, die nach Ende des zweiten Teilimpulses P₂ und damit zu Beginn der Reaktionszeit τ_m vorhanden sind, eine Funktion der Vorbereitungszeit t₁. Die innerhalb der Reaktionszeit τ_m auftretenden Ereignisse, welche von der Anzahl der angeregten Ionen abhängen, werden deshalb entsprechend beeinflußt. Infolgedessen weist das nach der erneuten Anregung der Ionen durch den zweiten Hochfrequenzimpuls P₃ während der zweiten Meßzeit t₂ aufgezeichnete Induktionseine Abhängigkeit von der Dauer der Vorbereitungszeit t₁ auf. Gemäß der Erfindung wird die Vorbereitungszeit t₁ systematisch variiert. Die dabei in bezug auf die Zeitachse t₂ in den Frequenzbereich umgesetzten Signale werden ein zweites Mal in bezug auf die Zeitachse t₁ in frequenzabhängige Signale umgesetzt, so daß man eine zweidimensionale Darstellung der Sekundäreffekte erhält, welche für die Primärionen denkbar sind. Bei geeigneter Wahl der Parameter und bei Anwesenheit eines Kollisionsgases können auf diese Weise z.B. Spektren erzeugt werden, die den mit Hilfe des MS/MS-Experimentes erhaltenen Spektren vergleichbar sind.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von mehreren Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens und den dadurch gewonnenen, in der Zeichnung dargestellten Spektren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1a

das als Funktion der Vorbereitungszeit t₁ modulierte ICR-Signal S(t₁, ω₂) von ⁸¹Br-Pyridin⁺,

Fig. 1b

die Fourier-Transformierte des ICR-Signals nach Fig. 1a,

Fig. 2

ein zweidimensionales Fourier-ICR-Spektrum von ⁸¹Br-Pyridin+ und

Fig. 3

das zweidimensionale ICR-Spektrum der Reaktion CH₃CO⁺ + CH₃COCH₃ → CH₃C⁺(OH)CH₃.

• Die folgenden Versuche wurden mit einem Spectrospin-ICR-Massenspektrometer vom Typ CMS-47 durchgeführt, dessen supraleitender Magnet ein Feld von 3T erzeugt, und mit einem Rechner vom Typ Aspect 3000 ausgewertet.
• Als erstes wurde eine Mischung von ⁸¹Br-Pyridin und ⁷⁹Br-Pyridin untersucht. Diese beiden Stoffe werden im folgenden mit A und B bezeichnet. Demgemäß gilt:
• A = ⁸¹Br-Pyridin; m_A = 159 amu,
• f_A = 289.7 kHz; f_AH = 287.8 kHz
• B = ⁷⁹Br-Pyridin; m_B = 157 amu,
• f_B = 293.4 kHz; f_BH = 291.5 kHz
• Diese Stoffe können, soweit es die für diesen Versuch relevanten Prozesse angeht, in die folgenden Reaktionen eingehen, nämlich in einen Wasserstofftransfer von neutralen Teilchen zum Ion: $${\text{A}}^{\text{+·}}{\text{+ A oder B → AH}}^{\text{+}}\text{+ neutrale Produkte,}$$

  

  sowie einen Protonentransfer vom Ion zu neutralen Teilchen, nämlich $${\text{A}}^{\text{+·}}{\text{oder B}}^{\text{+·}}{\text{+ A → AH}}^{\text{+}}\text{+ neutrale Produkte.}$$

  
• Das Br-Pyridin wurde bei einem Druck von 6.10^-8 mbar mit einem 20 ms-Impuls von 70 eV Elektronen ionisiert. Die Dauer der Anregungsimpulse betrug 20 µs und deren Amplitude 35 V_pp. Die Frequenz f₀ der Anregungsimpulse hatte von der Frequenz f_A des ⁸¹Br-Pyridin einen Abstand Ω_A/2µ = 760 Hz. Das dadurch geschaffene spektrale Fenster war ausreichend groß, um die Signale von A⁺· und AH⁺ zu erfassen, wogegen die Signale von BH⁺ gegefaltet erschienen. Figur 1 zeigt die τ₁-Abhängigkeit des Signales von A⁺, das durch die eingangs behandelte Meßsequenz
     P₁ - t₁ - P₂ - τ_m - P₃ - t₂
  erhalten wird. Die scharfen Spitzen im t₁-Bereich erscheinen immer dann, wenn $${\text{Ω}}_{\text{A}}{\text{t}}_{\text{1}}\text{= (2k + 1) π, k = 0,1,2 ...,}$$

  

  also immer dann, wenn die im Verlauf der Vorbereitungszeit t₁ sich entwickelnde Phasenverschiebung Ω_A t₁ gegenüber der Hochfrequenz-Schwingung des esten Teilimpulses P₁ eine Phasenverschiebung von 180° aufweist. Demgemäß erscheinen diese Spitzen in Zeitintervallen von 1,32 ms. Das bei der Aufnahme dieser Kurve verwendete Digitalisierungsintervall betrug Δ t₁ = 166 µs. Unter diesen Bedingungen hat der zweite Teilimpuls P₂ in der vorstehend erwähnten Sequenz die Wirkung einer "Aberregung" der Ionen, die ursprünglich von dem ersten Anregungsimpuls P₁ angeregt worden waren, so daß sie in dem Reaktionsintervall τ_m eine fast verschwindende kinetische Energie aufweisen und durch den zweiten Hochfrequenzimpuls P₃ in die Cyclotronbahnen zurückgebracht werden können, in denen sie beobachtet werden. Fig. 1b zeigt dann die Fourier-Transformierte des ICR-Signals nach Fig. 1a, in dem geradzahlige und ungeradzahlige Seitenbänder mit positiver bzw. negativer Amplitude erscheinen.
• Fig. 2 zeigt das vollständige zweidimensionale Spektrum. Die ω₂-Frequenzachse entspricht der Fourier-Transformierten in bezug auf die Beobachtungszeit t₂. Der vertikale ω₁-Bereich, der durch eine reelle Cosinus-Transformation in bezug auf die Vorbereitungszeit t₁ erhalten wurde, zeigt Seitenbandfamilien, die zur Verdeutlichung durch Bogen verbunden sind. Der Querschnitt, d.h. die Spalte für ω₂ = Ω_A, entspricht der in Fig. 1b dargestellten Fourier-Transformierten. Die ersten Seitenbänder in allen Familien liegen auf einer der Diagonalen, die in Fig. 2 durch gestrichelte Linien dargestellt sind, abgesehen von der Resonanz bei Ω_BH, die gefaltet erscheint. Der Frequenzursprung im Schnittpunkt der gestrichelten Diagonalen entspricht der HF-Trägerfrequenz f₀. Die Spalte bei ω₂ = Ω_AH enthält nicht nur eine Diagonallinie mit ihrer Serie von Seitenbändern, sondern auch eine Kreuzlinie bei ω₁ = Ω_A und ω₂ = Ω_AH mit den ihr zugeordneten Seitenbändern, die alle durch Vierecke hervorgehoben sind. Diese Signale bilden einen direkten Beweis für die oben angegebene Reaktion A⁺·→ AH⁺· Wegen ihrer abwechselnden Vorzeichen können diese Linien unzweideutig identifiziert werden. Die Spektralbreite betrug 3000 Hz in beiden Bereichen. Die Anzahl der beobachteten Punkte betrug 240 x 2048 in den beiden Zeitbereichen t₁ und t₂, die durch Nullen auf 256 x 2048 Punkte vor der Fourier-Transformation aufgefüllt wurden. Es erfolgte eine Linienverbreiterung von 20 Hz im ω₂-Bereich und von 40 Hz im ω₁-Bereich.
• Trotz der Eindeutigkeit der Linien kann die Interpretation solcher zweidimensionaler Spektren wegen des Vorliegens von sowohl Diagonal- als auch Kreuzlinien mit ihren zugeordneten Seitenbandfamilien schwierig werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, das Auftreten von Seitenbändern. zu vermeiden, wenn anstelle einer Fourier-Transformation die Methode maximaler Entropie verwendet wird, um die zeitabhängigen Resonanzsignale in frequenzabhängige Signale umzusetzen. Hiervon bleibt jedoch das erfindungsgemäße Meßverfahren unberührt, so daß davon abgesehen wurde, ein Beispiel für ein unter Verwendung der Methode der maximalen Entropie erhaltenes Spektrum darzustellen.
• Um die Variante des Verfahrens zu veranschaulichen, bei der für den zweiten Hochfrequenzimpuls P₃ eine andere Frequenz verwendet wird als für die ersten beiden Teilimpulse P₁ und P₂ der ersten Hochfrequenzimpulse, wurde die folgende Reaktion gewählt: $${\text{CH}}_{\text{3}}{\text{CO}}^{\text{+}}{\text{+ CH}}_{\text{3}}{\text{COCH}}_{\text{3}}{\text{→ CH}}_{\text{3}}{\text{C}}^{\text{+}}{\text{(OH) CH}}_{\text{3}}\text{.}$$

  
• Dabei hat CH₃CO⁺ das Massenverhältnis m_c = 43 amu und eine Resonanzfrequenz von f_c = 1071 kHz. Das Reaktionsprodukt CH₃C⁺(OH)CH₃ hat das Massenverhältnis m_D = 59 amu und die Resonanzfrequenz f_D = 779.9 kHz.
• Für die beiden Teilimpulse P₁ und P₂ des esten Hochfrequenzimpluses wurde eine Frequenz gewählt, deren Abstand von f_c 79 Hz betrug, während für den zweiten Hochfrequenzimpuls P₃ eine Frequenz gewählt wurde, deren Abstand von f_D 100 Hz betrug. Das in der beschriebenen Weise aufgenommene 2D-ICR-Spektrum ist in Fig. 3 dargestellt. Das Auftreten einer Kreuzlinie in dem hier senkrecht dargestellten ω₂-Bereich bei ω₂/2π = 100 Hz und im ω₁-Bereich bei ω₁/2π = 79 Hz beweist klar, daß die oben angegebene Reaktion stattgefunden hat. Die Kreuzlinie ist wiederum im horizontalen ω₁-Bereich von einer Seitenbandfamilie begleitet, deren Mitglieder bei Vielfachen von 79 Hz erscheinen. Die Spektralbreite der vollen Matrix betrug 500 x 500 Hz, von der nur 40 % dargestellt sind. Es wurden 56 x 4048 Datenpunkte, durch Nullen auf 128 x 4048 Datenpunkte aufgefüllt, verarbeitet. Die Linienverbreiterung betrug 30 Hz im ω₁-Bereich und 20 Hz im ω₂-Bereich.
• Statt für den zweiten Hochfrequenzimpuls P₃ eine andere Frequenz als für die beiden Teilimpulse P₁, P₂ zu verwenden, wobei die Frequenzen auf die Resonanzfrequenzen der Ausgangsprodukte und der Endprodukte abgestimmt sind, besteht die Möglichkeit, Breitbandimpulse in Form sogenannter Chirp-Impulse einzusetzen, deren Frequenz über einen bestimmt Bereich variiert wird, der die Resonanzfrequenzen der Ausgangsstoffe sowie der zu erwartenden Reaktionsprodukte umfaßt. Auch durch die Anwendung solcher Breitbandimpulse ändert sich an dem grundsätzlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens nichts.
• Wie bereits oben erwähnt, liefert das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen die gleichen Ergebnisse, wie sie auch mit einem MS/MS-Experiment erhalten werden können. Trotzdem hat das erfindungsgemäße Verfahren viele Vorteile, die vor allem dann zum Tragen kommen, wenn komplexe Netzwerke zu untersuchen sind, bei denen eine Vielzahl von Austauschprozessen gleichzeitig stattfindet, die alle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig erfaßt werden, wogegen bei einem MS/MS-Experiment alle möglichen Austauschprozesse durch nacheinander durchzuführende, einzelne Messungen erfaßt werden müssen. Dabei erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren auch, die Kinetik von Reaktionen zu untersuchen, indem die Amplitude der erhaltenen Signale als Funktion der Dauer des Reaktionsintervalles τ_m oder auch in Abhängigkeit von verschiedenen Manipulationen beobachtet wird, denen das untersuchte System während der Reaktionszeit τ_m ausgesetzt wird, wie beispielsweise Laser-Impulsen, Elektronenstrahl-Impulsen oder impulsförmig eingeführten neutralen Gasen, deren Moleküle zu Stoßreaktionen Anlaß geben.
• Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß das neue Verfahren dem Fachmann viele Möglichkeiten massenspektroskopischer Untersuchungen bietet, die mit den bisherigen Methoden nur unter großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht durchführbar waren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufnahme von ICR Massenspektren, bei dem

   - in der Meßzelle eines ICR-Massenspektrometers Ionen und neutrale Moleküle vorhanden sind,

   - die Ionen durch einen an die Meßzelle angelegten ersten Hochfrequenzimpuls (P1, P2) zu Schwingungen angeregt werden,

   - anschließend mit den neutralen Molekülen während einer vorgegebenen Mischzeit (τ_m) in Wechselwirkung treten können,

   - sodann ein zweiter Hochfrequenzimpuls (P3) eingestrahlt wird und danach die dadurch induzierten Resonanzsignale während einer vorgegebenen Meßzeit t₂ empfangen, aufgezeichnet und in frequenzabhängige Signale umgesetzt werden,

      dadurch gekennzeichnet,
      daß der erste Hochfrequenzimpuls aus zwei Teilimpulsen (P1, P2) besteht, die die gleiche Frequenz enthalten und deren zeitlicher Abstand t₁ systematisch variiert wird, so daß die Amplitude des induzierten Resonanzsignals von t₁ abhängt, und daß die von der Variation des Abstands t₁ abhängigen Sätze der von der Meßzeit t₂ abhängigen Resonanzsignale unter Eliminierung der Abhängigkeit von der Meßzeit t₂ und dem Abstand t₁ in zweidimensional frequenzabhängige Signale umgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die HF-Impulse eine in einem vorgegebenen Bereich variierte Frequenz aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hochfrequenzimpuls (P3) eine andere Frequenz aufweist als die beiden Teilimpulse (P1,P2) des ersten Hochfrequenz-Impulses.
4. ICR-Massenspektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Meßzelle, einer daran angeschlossenen Sendeeinrichtung zum Erzeugen von HF-Impulsen, einer ebenfalls daran angeschlossenen Empfangseinrichtung für die induzierten HF-Signale und einem an die Empfangseinrichtung angeschlossenen Rechner zum Umsetzen der empfangenen zeitabhängigen HF-Signale in entsprechende frequenzabhängige Signale,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Sendeeinrichtung zum Erzeugen von zwei durch einen zeitlichen Abstand (t₁) getrennten Teilimpulse gleicher Frequenz eines ersten aus zwei Teilimpulsen bestehenden HF-Impulses und eines zweiten HF-Impulses einer gleichen oder anderen einstellbaren Frequenz eingerichtet ist und mindestens ein Zeitglied zum fortlaufenden Verändern des Zeitabstandes (t₁) zwischen den Teilimpulsen aufweist,
   daß die Empfangseinrichtung zum Speichern einer Vielzahl von zeitabhängigen HF-Signalen eingerichtet ist und daß der Rechner zum Umsetzen der zeitabhängigen HF-Signale zum Erzeugen von zweidimensional frequenzabhängigen Signalen aus den gespeicherten Sätzen der zeitabhängigen HF-Signale eingerichtet ist.
5. ICR-Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung zum Erzeugen von HF-Impulsen mit während ihrer Dauer variierender Frequenz eingerichtet ist.

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