EP0613171B1 - Massenspektrometer zur flugzeitabhängigen Massentrennung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer mit flugzeitabhängiger Massentrennung mit einer Mikro-Kanalplatten-Detektor-Anordnung sowie mit Ablenkelektroden, die mit zeitlich variablen Ablenkspannungen beaufschlagt sind, bei denen bei einem Ablenkpotential von Null Volt alle Ionen geradeaus fliegen und durch die Messung ihrer jeweiligen Flugzeiten detektiert werden.
• Es sind Massenspektrometer bekannt, die mit magnetischen und/oder elektrischen Ablenkelementen arbeiten und die einen Ionenstrom in Abhängigkeit von Masse und Ladung auftrennen, so daß ein Massenspektrum entsteht.
• Hochauflösende Geräte sind z.B. doppel-fokussierende magnetische Sektorinstrumente mit einer Auflösung von mehr als 150 000 und Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer solchen von weit über 1 Million. Sehr schwere Ionen von einigen 100 000 Masseneinheiten sind diesen Geräten unzugänglich, da sie nicht mehr abgelenkt werden können bzw. ihre Cyclotronfrequenz zu ungenau bestimmt werden kann.
• Eine andere Massenspektrometerart sind die Flugzeitmassenspektrometer, bei denen definierte Ionenpakete auf ihrem Flugweg wegen unterschiedlicher Geschwindigkeiten in zeitlich nacheinander auf einem Detektor auftreffende isobare Ionenpakete getrennt werden. Mit modernster Datenverarbeitung und Zeitmessung gewinnen die seit über 50 Jahren bekannten Flugzeitmassenspektrometer in den letzten Jahren beim Nachweis von sehr hohen Massen zunehmend an Bedeutung, obwohl sie bekannterweise eine deutlich schlechtere Auflösung haben.
• Bei Flugzeitmassenspektrometern ist die Flugzeit nicht proportional zur Ionenmasse, sondern proportional zu ihrer Wurzel. Zu höheren Massen hin wird der pro Masseneinheit anfallende Flugzeitunterschied zunehmend kleiner. So unterscheiden sich die Flugzeiten der Massen 100 und 101 um 0.5 %, die der Massen 1000 und 1001 um 0,05 %, usw. Bei diesen Spektrometern sind Flugstrecken von 1 bis 2 m oder mehr üblich. Um die Flugzeitunterschiede der jeweiligen Massen zu erfassen, werden enorme Anforderungen an die Speicher- und Prozessorkapazität des Datensystems gestellt, das jedoch seine Grenzen hat.
• Sehr schwere Ionen von einigen 100 000 Masseneinheiten sind mit Flugzeitmassenspektrometern zwar nachweisbar, aber bei den bekannten Systemen mit einer Ungenauigkeit von +/- einigen 100 Masseneinheiten behaftet. Zu einer Auflösung in Einzelmassen, die z.B. das Isotopenmuster einer Substanz erkennen ließe, ist die bekannte flugzeitmassenspektrometrie somit bislang im hohen Massenbereich nicht in der Lage.
• Darüber hinaus kann es im sehr hohen Massenbereich vorkommen, daß bei zeitlich unmittelbar aufeinander folgenden Massen nur die erste ein Signal erzeugt und die anschließend eintreffende nicht nachgewiesen wird, weil sie innerhalb der Regenerationszeit des Detektors eintrifft.
• Es sind auch Flugzeitmassenspektrometer mit Ablenkelektroden bekannt, bei denen die Ablenkspannungen jedoch nicht die Erzeugung eines Massenspektrums bewirken. Beispielsweise erreichen R.J. COTTER et al. (ANALYTICAL CHEMISTRY Bd. 64, Nr. 21, 1. November 1992, Columbus (US) Seiten 1027-1039 : "Time-of-flight Mass Spectometry for the Structural Analysis of Biological Molecules") durch Anlegen einer konstanten Spannung an die Ablenkelektroden (vgl. Fig. 7a Seite 1034), daß bei einer orthogonalen FAB-Ionenquelle die Geschwindigkeitskomponente aller Ionen senkrecht zur Massenspektrometer-Flugrichtung kompensiert wird, um die Ionen auf masseunabhängigen Bahnen zum Kanalplattendetektor zu lenken.
• So werden durch gepulstes Anlegen der konstanten Ablenkspannung bestimmte Massenbereiche, die nicht massenspektrometrisch analysiert werden sollen, sogar eliminiert. Die Massenbestimmung erfolgt dabei jedoch ausschließlich durch Messung der Flugzeit der Ionen (Gleichung 4 Seite 1028 bzw. Gleichung 5 Seite 1029).
• Es sind ferner Flugzeitmassenspektrometer bekannt zur Massen- und Energieanalyse mittels positionsempfindlicher Flugzeitmessung ("Rev.Sci. Instrum." 61(1990), S 3134 - 3136). Hiernach werden gemäß Figur 1 Seite 3134 die Ionenmassen allein durch die Messung ihrer Flugzeiten bestimmt. Lediglich die Energieverteilung der Ionen kann durch die Messung des örtlichen Versatzes der Ionen entlang der Detektorebene zusätzlich bestimmt werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Massenspektrometer zu schaffen, das mit flugzeitabhängiger Massentrennung arbeitet und eine massenabhängige Aufspaltung der unterschiedlichen Teilchen in jeweils verschiedene Bahnen bewirkt gemäß ihrem Masse zu Ladungsverhältnis.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Ionenpaket aus der Flugzeitmassenspektrometrie auf seinem Flugweg an einer oder mehreren Ablenkelektroden vorbeifliegt, an denen zeitlich variable, gemäß einer kontinuierlichen Zeitfunktion ansteigende und/oder abfallende Ablenkspannungen anliegen, die zwischen zwei variablen Grenzwerten mit frei wählbaren Gradienten einstellbar sind, wodurch die gemäß ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis zeitlich nacheinander vorbeifliegenden Ionenpakete unterschiedlich stark abgelenkt werden, so daß ein räumlich aufgelöstes Massenspektrum registrierbar ist, das zusätzlich zu und unabhängig von dem zeitlich aufgelösten Massenspektrum eine Massenbestimmung auf Grund des örtlich unterschiedlichen Auftreffens der Ionen auf der Detektorebene ermöglicht.
• Durch diese Ausbildungsmerkmale wird erreicht, daß zeitlich nach einander auf einem Detektor eintreffende Massen nicht am gleichen Ort eintreffen, sondern in Abhängigkeit von ihrer Masse unterschiedlich stark abgelenkt werden und ein räumlich aufgelöstes Massenspektrum erzeugen.
• Damit ergibt sich aus der Erfindung der Vorteil, daß die mit zunehmender Masse immer kleiner werdenden Flugzeitunterschiede für die Massenbestimmung bedeutungslos werden, weil die Massenbestimmung auf anderem Wege, nämlich durch die Bestimmung der unterschiedlich starken Ablenkung der Ionen erfolgt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Massenauflösung mit zunehmender Masse besser wird, weil das auf dem Detektor nachweisbare Massenfenster ausschließlich vom Wert des Spannungsgradienten abhängt, nicht aber vom untersuchten Massenbereich.
• In Figur 1 ist die Erfindung näher dargestellt. Das Massenspektrometer besteht aus einem Massenspektrometergehäuse 1, das eine Länge von ca. 300 mm aufweist. In diesem Gehäuse ist eine Ionenquelle 7 angeordnet und eine Kanalplatte 2 als Detektor. Zwischen der Ionenquelle 7 und der Kanalplatte 2 sind zwei Ablenkelektroden 3 und 4 nach einer Wegstrecke gerechnet von der Ionenquelle 7 aus von ca. 100 mm senkrecht zur Flugrichtung der Ionen angeordnet. Des weiteren sind Abschirmelektroden 5 und 6 vorgesehen, die als Blenden und zur Begrenzung des elektrischen Feldes der Ablenkelektroden dienen.
• Ionenpakete, die von der Ionenquelle 7 mit einer Energie von z.B. 1000 eV auf die Kanalplatte 2 zu beschleunigt werden, erfahren beim Durchgang zwischen den Ablenkelektroden 3 und 4 eine jeweilige Richtungsablenkung, die von den Potentialen abhängt, die in dem Augenblick an den Elektroden 3 und 4 anliegen, in dem die Ionen zwischen den Ablenkelektroden 3 und 4 hindurchfliegen. Sind die Potentiale symmetrisch z.B. auf beiden Ablenkelektroden 3 und 4 gleich Null, so fliegen alle Ionen geradeaus. Sind sie statisch asymmetrisch, z.B. -150 V an der Elektrode 3 und +150 V an der Elektrode 4, so werden alle Ionen bekanntlich gleich stark abgelenkt unabhängig von ihrer Masse.
• Wird nun zeitabhängig graduell das Ablenkpotential einer der Ablenkelektroden, z.B der Elektrode 3 verändert oder werden beide Elektrodenpotentiale asymmetrisch z.B. um Spannungswerte mit unterschiedlichen Vorzeichen verändert, so werden unterschiedliche Ionen unterschiedlich stark abgelenkt, und zwar in Abhängigkeit von ihrer Flugzeit, d.h. die Ionen, die zu einem späteren Zeitpunkt die Ablenkelektroden 3 und 4 passieren, werden anders abgelenkt als die Ionen, die zu einem früheren Zeitpunkt hindurchgeflogen sind. Die differenziellen Änderungen der Elektrodenpotentiale muß den Ionenflugzeiten der jeweiligen Massen entsprechen. Durch die angepaßte Änderung der Potentiale der Elektroden 3 und 4 erfahren nacheinander eintreffende Ionenpakete jeweils unterschiedliche Ablenkungen und treffen an unterschiedlichen Orten auf der Kanalplatte 2 auf.
• Eine Zeitfunktion, die sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat und nach der die Ablenkelektrodenpotentiale variiert werden können, setzt sich aus einem dynamischen und einem statischen Anteil zusammen gemäß der Gleichung: $${\text{U(t) = U}}_{\text{dyn}}{\text{- U}}_{\text{stat}}$$

  

  mit:

U(t) =

Ablenkelektrodenspannung als Funktion der Zeit

U_dyn =

dynamischer Spannungsanteil

U_stat =

statischer Spannungsanteil

• Die Erfindung kann vorteilhafterweise weiter ausgebildet werden, indem der dynamische Anteil mit dem Quadrat der Zeit variiert wird. Darüber hinaus kann der dynamische Spannungsanteil zur Ionenflugzeit versetzt werden entsprechend der Gleichung: $${\text{U}}_{\text{dyn}}{\text{= (t}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{delay}}{\text{) x U}}_{\text{deflect}}$$

  

  mit:

t =

Zeit, gemessen vom Start des Ionenpakets

t_delay =

wählbare Verzögerungszeit

U_deflect =

Ablenkspannungsgradient

• Wird Gleichung 2 in Gleichung 1 eingesetzt, so ergibt sich: $${\text{U(t) = (t}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{delay}}{\text{) x U}}_{\text{deflect}}{\text{- U}}_{\text{stat}}$$

  
• Eine flugzeitabhängige Massenablenkung wird erreicht, wenn eine nach Gleichung 3 zeitabhängige Spannung an eine der Ablenkelektroden 3 oder 4 gelegt wird. Eine vergleichsweise stärkere Ablenkung ergibt sich, wenn an die Elektroden 3 und 4 Potentiale unterschiedlichen Vorzeichens, beispielsweise an Elektrode 3 die Spannung -U(t) und an Elektrode 4 die Spannung +U(t) gelegt werden.
• Aus der Flugzeitmassenspektrometrie ist die folgende Beziehung bekannt: $${\text{t}}^{\text{2}}\text{= c x M(t)/U\hspace{1em}\hspace{1em}\hspace{1em}als}$$

  

  bezeichnet mit:

M(t) =

Ionenmasse in Abhängigkeit von der Flugzeit

U =

Beschleunigungsspannung und

c =

eine Gerätekonstante.

• Durch Einsetzen von Gleichung 4 in Gleichung 3 und Auflösen nach M ergibt sich: $${\text{M(t) = ((U(t) + U}}_{\text{stat}}{\text{)/U}}_{\text{deflect}}{\text{+ t}}_{\text{delay}}\text{) x U/c}$$

  
• Bei U(t) = 0 sind beide Ablenkelektroden 3 und 4 spannungslos. Für die zu diesem Zeitpunkt zwischen den Ablenkelektroden 3 und 4 hindurch fliegende, nicht abgelenkte Masse vereinfacht sich Gleichung 5 wie folgt: $${\text{M}}_{\text{g}}{\text{= (U}}_{\text{stat}}{\text{/U}}_{\text{deflect}}{\text{+ t}}_{\text{delay}}\text{) x U/c}$$

  

  mit:

M_g =

geradeaus fliegende, nicht abgelenkte Masse.

• Damit ist die Masse bestimmt, die in der Mitte des abgebildeten Spektrums liegt. Für eine um den Betrag +y abgelenkte Masse erhält man Gleichung 5 als: $${\text{M(t}}_{\text{+y}}{\text{) = ((U(t}}_{\text{+y}}{\text{) + U}}_{\text{stat}}{\text{)/U}}_{\text{deflect}}{\text{+ t}}_{\text{delay}}\text{) x U/c}$$

  
• Für eine um den Betrag -y abgelenkte Masse erhält man Gleichung 5 als: $${\text{M(t}}_{\text{-y}}{\text{) = ((U(t}}_{\text{-y}}{\text{) + U}}_{\text{stat}}{\text{)/U}}_{\text{deflect}}{\text{+ t}}_{\text{delay) x U/c}}$$

  
• Da die Spannungen U(t) für die nach oben und die nach unten gleich weit um die Beträge +y bzw. -y abgelenkten Massen im Betrag gleich, aber im Vorzeichen verschieden sind, erhält man durch Subtraktion der Gleichungen 7 und 8 für das auf dem Detektor auftreffende Massenfenster von M(t_+y) bis M(t_-y): $${\text{M}}_{\text{window}}{\text{x U}}_{\text{deflect}}\text{= konstant}$$

  

  mit

M_window =

Massenfenster M(t_+y) - M(t_-y)

• Die fundamentale Gleichung 9 besagt, daß das Massenfenster, das auf dem Detektor nachgewiesen werden kann, bei einem derart ausgebildeten Gerät von der Masse der nachgewiesenen Ionen unabhängig ist. Wenn beim Übergang von kleinen zu hohen Massen das detektierbare Massenfenster gleich bleibt, stellt dies einen Zoomeffekt zu hohen Massen hin dar mit steigender Auflösung zu höheren Massen hin. Dies ist ein wertvoller Vorteil im Vergleich zu den bekannten mit höherer Masse kleiner werdenden Flugzeitdifferenzen.
• Gegen Energieunschärfen der Ionenquellen kann ein in der Massenspektrometrie gebräuchlicher Energiefilter in den Figuren 1 und 2 senkrecht zum aufgefächerten Ionenstrom vorgesehen werden. Ein solcher Energiefilter, der zwischen der Ionenquelle 7 und den Ablenkelektroden 3 und 4 angeordnet ist, sorgt dafür, daß nur homoenergetische Ionen durch die Blende 5 gelangen. Wird der Energiefilter dagegen zwischen den Ablenkelektroden 3 und 4 einerseits und der Kanalplatte 2 andererseits angeordnet, so ergibt sich eine Signalausdehnung senkrecht zum aufgefächerten Ionenstrom mit einer zusätzlichen Information über die Energieverteilung der Ionenquelle, ohne daß dadurch die Massenauflösung wesentlich gestört wird.
• In Figur 2 zeigt eine prinzipiell bekannte Fragmentiereinrichtung 8, die zum Zweck der MS/MS--Fragment-Ionenanalyse in die Flugbahn der nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis aufgetrennten Ionen derart einführbar ist, daß nur Ionen einer gewünschten Masse die Fragmentiereinrichtung 8 passieren können. Des weiteren sind Separations-Elektroden 9 und 10 vorgesehen, die alle Ionen, die die Fragmentiereinrichtung 8 verlassen, nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis örtlich auftrennen, und zwar sowohl die durch Fragmention entstandenen Tochter-Ionen als auch unfragmentierte Mutter-Ionen.
• Mehrere nacheinander in der Flugbahn angeordnete Einheiten von Fragmentiereinrichtungen 8 und Separations-Elektroden 9,10 sind für die Untersuchung konsekutiver Fragmentierungen duch MS/MS/MS...-Analysen vorgesehen.

Claims (12)

1. Massenspektrometer mit flugzeitabhängiger Massentrennung mit einer Kanalplatte als Vielzahl von in der Detektorebene angeordneten Einzeleldetektoren sowie mit Ablenkelektroden, die mit zeitlich variablen Ablenkspannungen beaufschlagt sind, bei denen bei ausgeschaltetem Ablenkpotential alle Ionen geradeaus fliegen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ablenkelektroden (3,4) mit kontinuierlicher Zeitfunktion ansteigende und/oder abfallende Ablenkspannungen anliegen, die zwischen zwei variablen Grenzwerten mit frei wählbaren Gradienten einstellbar sind, so daß die Ionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis auf unterschiedliche Flugbahnen ablenkbar sind und eine Massenbestimmung auf Grund ihres örtlich unterschiedllichen Auftreffens auf der Kanalplatte (2) ermöglichen.
2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspannungen an den Elektroden (3, 4) aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammengesetzt sind.
3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich variablen Ablenkspannungen der Gleichung $${\text{U(t) = ( t}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{delay}}{\text{) x U}}_{\text{deflect}}{\text{- U}}_{\text{stat}}$$

   

   folgt.
4. Massenspektrometer nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ablenkelektroden (3, 4) in der Flugbahn angeordnet sind.
5. Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden (3,4) mit zeitlich variablen Potentialen unterschiedlicher Vorzeichen beaufschlagt sind.
6. Massenspektrometer nach den Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Anteil der Ablenkspannungen der Zeit proportional ist.
7. Massenspektrometer nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Anteil der Ablenkspannungen mit einer Verzögerung einsetzt.
8. Massenspektrometer nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse, die in der Mitte des abgebildeten Spektrums liegt, durch die Gleichung $${\text{M}}_{\text{g}}{\text{= (U}}_{\text{stat}}{\text{/U}}_{\text{deflect}}{\text{+ t}}_{\text{delay}}\text{) x U/c}$$

   

   bestimmt ist.
9. Massenspektrometer nach einem der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Richtung des aufgefächerten Ionenstrahls ein Energiefilter vorgesehen ist.
10. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtlichen Auflösung des auf der Kanalplatte auftreffenden Massenfensters unabhängig vom aufzulösenden Massenbereich der Gleichung $${\text{M}}_{\text{window}}{\text{x U}}_{\text{deflect}}\text{= konstant}$$

    

    folgt.
11. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fragmentiereinrichtung (8) und Separations-Elektroden (9, 10) in der Flugbahn angeordnet sind.
12. Massenspektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einheiten von Fragmentiereinrichtungen (8) und Separations-Elektroden (9, 10) in der Flugbahn angeordnet sind.

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