WO2004068531A1 - Time-of-flight massenspektrometer - Google Patents

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WO2004068531A1
WO2004068531A1 PCT/CH2003/000069 CH0300069W WO2004068531A1 WO 2004068531 A1 WO2004068531 A1 WO 2004068531A1 CH 0300069 W CH0300069 W CH 0300069W WO 2004068531 A1 WO2004068531 A1 WO 2004068531A1
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detector
substance
time
ionized
module
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PCT/CH2003/000069
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roberto Seydoux
Urs Matter
Lothar Schultheis
Original Assignee
Comet Holding Ag
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0027—Methods for using particle spectrometers
    • H01J49/0031—Step by step routines describing the use of the apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a time-of-light (ToF) mass spectrometer (time-of-flight mass spectrometer) which, for analyzing substances from an ion source, has an extractor module for accelerating the ionized substances by means of an electromagnetic field and for focusing the ionized substance on a focusing axis, a deflector for deflecting of the ionized substances, comprises at least one field-free drift path and a detector for detecting the ionized substances.
  • the invention is intended to measure the spectra of neutral and charged particles independently of one another.
  • MS mass spectrometer
  • the mode of operation of a mass spectrometer is usually based on the sample to be examined being introduced into an MS, evaporated and ionized. As moving charged particles, the ions can be separated in an analyzer in various ways according to their mass-to-charge ratio and then detected.
  • the structure of an MS can be broken down into four main components: sample acquisition, ionization, mass separation and detection. Devices based on sequentially operating mass spectrometers based on the ToF, quadrupole, ion trap or sector field principle are usually used.
  • sample acquisition, ionization and detection is comparable for all mass spectrometers, but ion traps differ from the other mass spectrometers in that they are a storage mass spectrometer with ionization in the ion trap.
  • the sample acquisition in the mass spectrometer takes place depending on the properties of the sample. Solid sample substances can be introduced directly into the ion source, for example via a push or holding rod. Coupling with a gas chromatograph (GC) or high pressure liquid chromatograph (HPLC) is suitable for liquid or gaseous samples. The main difference is in the analyzer systems that are responsible for mass separation.
  • the mass spectrometers also include so-called time-of-flight mass spectrometers (ToF-MS).
  • this type of spectrometer is still limited to pulse-shaped ion pulses, such as in laser evaporation.
  • the use of ToF-MS for element and molecular analysis is particularly advantageous because of the possibility of simultaneous measurement of all masses of interest.
  • Quadrupole or sector field systems have disadvantages due to an increased measurement time, which is associated with a larger sample requirement.
  • ions of the analyte to be investigated are accelerated to the same energy per ion charge in relatively short acceleration fields in a very short time span of only a few nanoseconds in an ion source.
  • Ie all ions with the same number of elementary charges z have the same kinetic energy Ekin (z).
  • the ions then fly through a field-free flight path and are measured at their end by a temporally high-resolution ion detector as a time-varying ion current.
  • the flight time of the different ion types can be determined.
  • the ratio m / z of mass m to charge z of the ions can be determined from their velocity v.
  • U is the potential difference from the accelerating electrode to the grounded electrode
  • E is the electric field between the two electrodes
  • d is the distance between the two electrodes.
  • the speed v of the ions is, as indicated above, in a flight tube of length L by measuring the flight time t of the ions by the equation
  • the ratio of the mass m to the charge z can thus be calculated in a simple manner from the flight time:
  • This mass scale is calibrated in using a special method using precisely known reference substances.
  • a large number of parameters generally act on the mass scale: inconsistency of the high voltages for the acceleration of the ions, changing distances of the acceleration apertures in the ion source due to the mounting of the sample carriers inserted into the vacuum, changing initial energies of the ions due to the ionization process and thermal changes in the length of the flight path etc.
  • the mass of a reference substance is therefore also measured in the same mass spectrum, the reference substance having to be added to the analyte substance (so-called measurement method with "internal reference"). In the event of deviations in the calculated mass of
  • the calculated mass for the analyte ions can then be corrected in a known manner for reference substance of the known value (e.g. DE 196 35 646).
  • reference substance of the known value e.g. DE 196 35 646
  • the different influences on mass determination go into different functional dependencies on the mass. Changes in the high voltage, for example, cause a proportional change in the energy E ⁇ n of the ions, which according to equation (iii) is linear in the mass calculation, that is to say in proportion to the mass. However, changes in flight length L are taken into account in the mass calculation in proportion to the root of the mass according to equation (iii). If the reference mass and analyte mass are very different, a successful correction is no longer possible without a precise knowledge of the type of influence.
  • thermal ionization for example a gas or vapor
  • spark discharge ionization spark source
  • electron impact electron impact
  • El electron impact
  • Photoionization Photoionization: Pl
  • chemical ionization Chemical lonization
  • Field lonization Field lonization: FI
  • field desorption Field Desorption: FD
  • multiple photoionization Multiphoton lonization: MPI
  • ionization by bombardment of fast atoms Fast Atom Bombardmet: FASS
  • plasma desorption mass spectrometry Plasma desorption mass spectrometry
  • PDMS PDMS
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • TS Thermospray
  • IRLD Infrared Laser Desorption
  • MALDI Matrix Assisted Laser Desorption
  • MALDI Electrospray Ionization
  • Nanoelectrospray ionization (NESI), chemical ionization at atmospheric pressure (Atmospheric Pressure Chemical lonization: APCI) etc.
  • the most important parameters in the ion generation are the spatial distribution and the velocity distribution as well as the mass / charge distribution of the different ionized molecules, which strongly affects the performance of the subsequent mass spectrometer components.
  • One of the most common methods used to generate ions in time-of-flight mass spectrometry is ionization by laser-induced desorption.
  • the sample carrier with substance molecules is placed constantly at a high voltage of, for example, 6 to 30 kilovolts and arranged at a distance of, for example, about 10 to 20 millimeters to an opposite base electrode at earth potential.
  • a light pulse from a laser typically lasting about 4 nanoseconds, which is focused on the sample surface, generates ions of the substance molecules, which leave the surface with a large spread of velocities and are immediately accelerated by the electric field to the base electrode.
  • the field-free drift path of the time-of-flight mass spectrometer is located beyond the base electrode.
  • MALDI matrix-assisted laser desorption
  • the substance molecules are embedded on the sample carrier in a layer of tiny crystals of a low-molecular matrix substance.
  • the laser light pulse vaporizes a small amount of the matrix substance in a quasi-explosive process, whereby the substance molecules are also transferred to the vapor cloud.
  • the vapor cloud When the vapor cloud is formed, a small part of the molecules, both the matrix and the substance molecules, is ionized. Even during the Expansion of the vapor cloud takes place through further ion-molecule reactions, a constant ionization of the larger substance molecules at the expense of the smaller matrix ions.
  • the vapor cloud expanding into a vacuum not only accelerates the molecules and ions of the matrix substance due to its adiabatic expansion, but also viscous entrainment also accelerates the molecules and ions of the test substance. If the cloud expands in the field-free space, the ions reach medium velocities, which are largely independent of the mass of the ions, but have a large velocity spread. It can be assumed that the neutral molecules have similar or identical velocities as the ions.
  • TEZ Time Lag Focusing
  • MALDI MALDI ionization
  • RS Brown and JJ Lennon Mass Resolution Improvement by Incorporation of Pulsed Ion Extraction in a Matrix-Assisted Laser Desorption / Ionization Linear Time-of-Flight Mass Spectrometer 'Anal. Chem 67, 1998, (1995) or RM Whittal and L.
  • the velocity distribution of the ions results in a spatial distribution. Only after a short propagation time is a homogeneous acceleration field suddenly turned on, ie a field with a linearly increasing acceleration potential, and the ions are accelerated through the field. However, the faster ions are further away from the sample carrier electrode, thus at a slightly lower starting potential for the acceleration, which gives them a slightly lower final speed for the drift distance of the time-of-flight spectrometer than the slower ions at the beginning. If the time lag for the acceleration is selected correctly, the ions that are slower at the beginning but faster after acceleration, and ions that are faster at the beginning but slower after acceleration can catch up exactly at the detector.
  • Ions of the same mass are thus focused in the first order with respect to the flight time at the location of the detector. It does not matter whether the ions are formed by ion-molecule reactions during the laser light pulse or only after this point in time in the expanding cloud, as long as this formation takes place in the time before the acceleration potential is switched on. Since the speed of the molecules practically does not change as a result of the ion-molecule reactions, this method also focuses on ions that fly off as initially fast neutral molecules and were ionized only later, but before the start of electrical acceleration. Time-of-flight mass spectrometers are operated with high acceleration voltages of up to about 30 kilovolts for reasons of good time resolution.
  • either the potential of the sample carrier electrode or the potential of the intermediate electrode can be switched.
  • the switching stroke is dependent on the distance of the intermediate electrode from the sample holder, since for the same acceleration field, the smaller the electrode spacing, the smaller the voltage difference.
  • the fastest ions usually have speeds of about 1500 m / s (meters per second) and the maximum time delay in the literature is given as about one microsecond, the maximum flight distance of the fastest ions in the field-free delay time is about 1.5 millimeters.
  • a distance between the intermediate electrode and the sample carrier electrode of approximately 2 to 10 millimeters is usually selected.
  • fragmentation plays a non-negligible role in all mass spectrometers.
  • Fragmentation is the decay or splitting of one molecule into several daughter molecules.
  • the second important fragmentation process is the spontaneous decay of large (metastable) molecules into smaller decay products. The high internal excitation energy comes from the ionization process, in which a strong inelastic
  • the movement trajectory of the molecules or their decay products thus remains essentially the same.
  • the decays also differ in the place where they take place.
  • the fragmentation can still take place within the ion source.
  • ISD in-source decay
  • the ISD takes place before the molecules are accelerated in the E field, and the fragmentation can take place very close to the surface of the ion source, so that the ions have the same properties as their ISD
  • Flight mass spectrometer The scattering range of the initial energy of the molecules can be significantly reduced by means of reflectors. With the reflectors, a mass resolution of up to> 10000 with one Time-of-flight mass spectrometers can be achieved. Ions with the same mass but higher kinetic energy Ekin and thus higher speed fly deeper into the reflector and therefore have a longer flight distance in the reflector. It can be shown that the total flight time of ions with the same mass but different kinetic energies within the reflector is the same, which means that they reach the detector at the same time. Ions from an ion source have neither the exact same starting times nor the exact same kinetic energies.
  • a so-called reflectron is an ion-optical device in which ions pass through a mirror or reflector in a time-of-flight mass spectrometer, their direction of flight being reversed.
  • a linear field reflectron allows ions with higher kinetic energy to penetrate deeper into the reflectron than ions with lower kinetic energy. Ions that penetrate deeper into the reflectron take longer to reverse to the detector. For several ions with a certain mass-to-charge ratio but with different kinetic energy, a reflectron will reduce the width of the distribution in the flight times and thus increase the resolution of the time-of-flight mass spectrometer.
  • a reflectron with a curved or non-linear field guarantees that the ideal detector position of a ToF mass spectrometer does not differ for different mass-to-charge ratios. This also creates an improved resolution for a ToF mass spectrometer.
  • BA Mamyrin introduced a new reflectron, which may be the most important
  • the reflectron consists of an ion mirror, which is a series of gratings / lenses in either a single-stage arrangement (single-stage) with two electrodes or a two-stage arrangement (double-stage) with three electrodes. In most cases there is an offset angle between the primary drift tube and a second field free drift tube. In order to obtain maximum passage with minimal divergence of an ion packet, the ion detector at the end of the second flight tube is aligned in the flight tube axis. Although field reflections and single or multiple ion scattering are possible due to the reflector, this development has proven to be extraordinary proven important for time-of-flight mass spectrometers. In addition, mass spectrometers based on reflectrons are usually expensive because they require an additional ion-optical reflection structure ("mirror"), a second detector and an additional, controllable voltage supply.
  • mirror ion-optical reflection structure
  • Time-of-flight mass spectrometers have many difficulties and disadvantages in operation, in which the spatial distribution and the speed distribution of the extracted ions with very complicated and technically demanding techniques such as e.g. Time lag focusing, extraction pulse shaping, reflectron techniques etc. have to be corrected. The goal of all these techniques is always a better spectral resolution.
  • the PSD fragments from the prior art can only be distinguished using reflective electron beams, since the PSD fragments arrive at the detector at the same time as the original ions whose linear time-of-flight mass spectrometers
  • the standard approach uses a deflector, i.e. a deflection device based on electromagnetic fields (electrostatic or magnetostatic) in the evacuated flight tube and / or near the detector of the time-of-flight mass spectrometer to deflect the charged components.
  • This means that the time-of-flight ( mass) spectrum of the neutral and charged components can be measured together, as well as the spectrum of only the uncharged components.
  • Reflectrons are also used in the prior art to separate the charged and neutral components.
  • the reflectron is a common linear time-of-flight mass spectrometer with an additional electrostatic mirror near the linear-field reflectron and an additional detector at the end of the flight path of the reflected ions.
  • the fragmented ions and their molecular predecessors Before entering the reflectron, the fragmented ions and their molecular predecessors have the same speed. After emerging from the reflectron, the fragmented ions and their molecular ones
  • Predecessors the same speed, but the fragmented ions are now ahead of the undecayed ions in space and time.
  • the neutral fragments pass through the reflectron without interaction with the reflectron and can be detected with a special detector. This also applies to the linear operating mode of the time-of-flight mass spectrometer.
  • the big disadvantage of the Reflektron is, as you can easily see, its complicated structure.
  • heavy ions have to be reflected with a correspondingly large electric field, which significantly increases the risk of field-induced fragmentation.
  • ToF-MS time-of-flight mass spectrometers
  • the selective measurement of charged or neutral particles should be possible without the selection resulting in a larger resolution range and / or a lower sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer.
  • a time-of-flight mass spectrometer for analyzing substances from an ion source, an extractor module for accelerating the ionized substances by means of an electric field and for focusing the ionized substance on a focusing axis, a deflector for deflecting the ionized substances, comprises at least one field-free drift path and a detector for detecting the ionized substances, the detector comprising a detector area which essentially corresponds to the focal area of the ion sources imaged by means of the at least one ion lens, and wherein the extractor module is arranged so as to be movable relative to the detector, in one In the first position, the focusing axis can be centered on the detector surface, while the focusing axis can be positioned in a second position outside the detector surface.
  • ToF-MS time-of-flight mass spectrometer
  • the above-mentioned embodiment has the advantage, among other things, that, compared to the prior art, it is an extremely simple mechanical combination of focusing, aligning and deflecting elements, by means of which combination neutral and charged particles can be measured separately.
  • the mass resolution is due to the inventive Device in no way affected. Consequently, three different spectra can be measured with the device according to the invention: 1. The spectrum of the neutral and charged components and fragments of the accelerated substance, 2. The spectrum of only the neutral components and fragments of the accelerated substance and 3.
  • the deflector is located as close as possible to the extraction module, so that a deflection angle of the ionized substance for detection in the second position (mode 3) is minimal.
  • This embodiment variant has the advantage that only small electrical fields are required for the deflection and thus there is only a small field-induced fragmentation of the ions.
  • the deflector is as close as possible to the detector.
  • This embodiment variant has the advantage that the energy dispersion, which is caused by the deflection field, has only a slight effect on a lateral displacement of the ions on the detector surface. An almost mass-independent detection efficiency is thus achieved.
  • the extractor module comprises a module for matrix-assisted laser desorption (MALDI), substance molecules being embedded on the sample carrier in a crystal layer of a low-molecular matrix substance.
  • MALDI matrix-assisted laser desorption
  • the extractor module comprises a module for time-lag focusing, with different desorption energies of the ionized substance are compensable.
  • This embodiment variant has the advantage, among other things, that the mass resolution can be further improved.
  • the present invention also relates to a system for carrying out this method.
  • FIG. 1 shows a block diagram which schematically shows a top view of a time-of-flight mass spectrometer 1 of the prior art.
  • the time-of-flight mass spectrometer 1 comprises an ion source 2, an extractor module 3 for accelerating and focusing the ionized substance on a focusing axis 6, a deflector 4 for deflecting the ionized substances and a detector 5 for detecting the ionized substances.
  • FIG. 2 shows a block diagram, which likewise schematically shows a top view of a time-of-flight mass spectrometer 1 of the prior art. Different fragmentation ranges, which are to be taken into account for the time-of-flight mass spectrometer 1, are designated with the reference numbers 61, 62 and 63.
  • FIG. 3 shows a block diagram which schematically illustrates a top view of a time-of-flight mass spectrometer 1 according to the invention.
  • Typical trajectories are denoted on the one hand by the ionization trajectory 64, which is determined by the initial speed of the ions on leaving the ion source 2 and the electrostatic acceleration field of the acceleration module 31, and on the other hand by the focusing trajectory 65, which is additionally given by the focusing field of the ion lenses 32.
  • FIG. 4 shows a block diagram which schematically illustrates a top view of a time-of-flight mass spectrometer 1 according to the invention.
  • the trajectories 64/65 designated in FIG. 3 the trajectories denote 66 or 67 trajectories with deflector field 41 switched on for charged or neutral components or fragments of the accelerated substance.
  • FIG. 5 shows a block diagram, which likewise schematically illustrates a top view of a time-of-flight mass spectrometer 1 according to the invention.
  • the trajectories 64/65 shown in FIG. 3 designate trajectories when the deflector field 41 is switched on for charged or neutral components or fragments of the accelerated substance.
  • the extractor module 3 was rotated through the angle ⁇ here.
  • Figure 1 illustrates a time-of-flight mass spectrometer 1 and 1, respectively
  • the time-of-flight mass spectrometer 1 comprises an ion source 2, an extractor module 3 for accelerating the ionized substances by means of an electric field and for focusing the ionized substance on a focusing axis 6 by means of at least one ion lens 32, a deflector 4 for deflecting the ionized substances, a drift path 7 and a detector 5 for detecting the ionized substances.
  • the extractor module 3 can e.g. an ionization module 33, a
  • Acceleration module 31 include one or more ion lenses 32 and a high voltage supply module.
  • the ionization can be carried out by means of the ionization module 33 of the extractor module 3, for example by thermal ionization (for example a gas or steam), spark discharge ionization (Spark Source), electron impact (Electron Impact: El), photoionization (Photoionization: Pl), chemical ionization (Chemical ionization: Cl ), Field ionization (FI), field desorption (FD), multiple photoionization (Multiphoton lonization: MPI), ionization by bombardment of fast atoms (Fast Atom Bombardmet: FAB), plasma desorption mass spectrometry (Plasma Desorption Mass Spectrometry: PDMS), secondary ion mass spectrometry (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS), thermospray (Thermospray: TS), infrared laser desorption (Infrared Laser De
  • an ionization module 33 with matrix-assisted laser desorption and ionization was chosen for this example, without restricting the inventive idea in any way, in which the sample on the sample carrier is irradiated with a pulsed laser beam.
  • the substance molecules are previously applied to the sample carrier in a crystal layer of a low-molecular matrix substance.
  • the matrix substance can have photoactive components such as, for example, gentisic acid C 7 H 6 O (2.5-dihydroxybenzoic acid: 2.5-DHBA), 4-HCCA (alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid) or dithranol.
  • photoactive components such as, for example, gentisic acid C 7 H 6 O (2.5-dihydroxybenzoic acid: 2.5-DHBA), 4-HCCA (alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid) or dithranol.
  • the energy of the laser beam absorbed by the sample produces rapid heating and expansion of the sample.
  • the rapid heating and expansion results in a vapor cloud (or material jet) expanding in a vacuum, which due to its expansion accelerates not only the molecules and ions of the matrix substance, but also the molecules and ions of the test substance by viscous entrainment.
  • lasers such as nitrogen lasers (337nm) or quality-controlled neodymium-yttrium-aluminum-garnet (Nd-YAG) lasers can be tripled in frequency up to 354nm or quadrupled in frequency up to 266nm, which are suitable for MALDI techniques, for example, at 20mJcm " 2.
  • nitrogen lasers 337nm
  • Nd-YAG quality-controlled neodymium-yttrium-aluminum-garnet
  • the extractor module 3 can be an M module for time-delayed focusing (TLF), wherein the scatter of the different desorption energies of the ionized substance can be reduced.
  • TLF time-delayed focusing
  • the mass accuracy is also normally given in ppm (parts per million).
  • Extractor module 3 accelerates by means of the acceleration module 31 and focuses the ions along the focusing axis 6 by means of the one or more ion lenses 32.
  • the extractor module 3 can advantageously be designed to be rotationally symmetrical, the axis of rotation being perpendicular to the x / y direction of the plane of the ion source 2.
  • the axis of rotation should be perpendicular to the plane of the ion axis, since on the other hand the extraction volume changes with the ionization volume with increasing rotation, which can lead to a smaller amount of extracted and focused ionized substance.
  • the effective extraction volume (depending on the ionization volume) is given by the
  • the deflector 4 can comprise, for example, an electromagnetic module and a high-voltage supply module, which acts on charged particles through an electromagnetic field (electrostatic or magnetic).
  • an electromagnetic module ions which have been defocused or not properly focused, for example by the extractor module 3, can be realigned and / or already aligned ions can be deflected, depending on the operating mode of the deflector 4.
  • FIG. 2 shows the different regions for PSD fragments in the Time-of-flight mass spectrometer 1. All charged PSD fragments that arise within area 61 can be focused and deflected like their original mother molecules, while the neutral fragments only have the speed of the mother molecule and can no longer be influenced by electromagnetic fields.
  • PSD fragments (charged as well as neutral), which originate from decay in area 62, are only indirectly focused via their mother molecules by means of ion lenses 32. Finally, PSD fragments from area 63 are also no longer directly captured by deflector 4. Nevertheless, the trajectories of all PSD fragments are from Regions 62 and 63, like their original molecules, are usually very close to one another or are identical, ie difficult to distinguish.
  • the detector 5 consists of a spatial opening 52 or aperture and a module for the time-resolved detection of ions, such as an MCP (Microchannel Plates). However, a module based on electron-multiplying technology can also be used for detection.
  • Electron multipliers which consist of several layers of charged dynodes, can be advantageous, for example, for certain applications, since they have proven to be very stable at high ion currents, among other things.
  • the detector 5 comprises a detector surface 51 which essentially corresponds to the focal surface of the ion source 2 imaged by the at least one ion lens 32 (ie by the focusing lens).
  • the extractor module 3 is arranged so as to be movable relative to the detector 5, the focusing axis 6 being centerable on the detector surface 51 in a first position 11, while the focusing axis 6 can be positioned outside the detector surface 51 in a second position 12.
  • the deflector 4 can be as close as possible to the extraction module 3, so that the deflection angle of the ions in mode 3 is minimal. This means that only small electrical fields are required for deflection, and there is thus only a small field-induced fragmentation of the ions. It can also be advantageous for the deflector 4 to be as close as possible to the detector 5, so that the energy dispersion caused by the deflection field has only a slight effect on a lateral displacement of the ions on the detector surface 51, which means that an almost mass-independent detection efficiency can be achieved.
  • Time-of-flight mass spectrometer 1 in operating mode 1 The focusing axis 6 of the extractor module 3 is aligned with the detector surface 51. This means that in mode 1 all accelerated particles, ie neutral and charged components as well as neutral and / or charged fragments) are replaced by the Detector 5 optimally detected. Neutral fragments, which originate from decays in or in front of the acceleration path, are naturally suppressed by the large solid angle in relation to neutral fragments which have arisen during the drift path and which were therefore focused on the focusing axis 6.
  • FIG. 4 illustrates the operating mode 2 for the detection of neutral components.
  • the focusing axis 6 of the extractor module 3 is also aligned with the detector surface 51 in order to optimally focus the accelerated substance onto the detector surface 51.
  • Deflector 4 is activated in operating mode 2, however, and charged (ionized) substance is deflected by detector 5 by means of, for example, electrostatic deflection plates that generate an electrical deflector field 41.
  • the electrical deflector field 41 can be generated, for example, perpendicular to the focusing axis 6.
  • the electric field strength is selected in such a strength that the charged particles no longer hit the detector opening 52.
  • FIG. 5 finally illustrates the operating mode 3 for the detection of charged accelerated components.
  • the extractor module 3 is brought into position 12 by the angle ⁇ relative to the detector 5.
  • the angle ⁇ is selected such that neutral accelerated components no longer hit the detector opening 52. Since the focusing axis 6 is thus also shifted by the angle ⁇ , the charged components also no longer hit the detector opening.
  • the deflector 5 is now also activated, but in such a way that the charged particles are now centered on the detector surface 51 in order to optimally detect the charged particles.
  • the deflector 4 can also be advantageous for the deflector 4 to be as close as possible to the detector 5, so that the energy dispersion caused by the deflection field has only a slight effect on a lateral displacement of the ions on the detector surface 51, which means that an almost mass-independent detection efficiency can be achieved. It is therefore important that the electrical field strength of the deflector 4 is carefully adjusted for the operating mode 3. Uncharged Primary particles as well as neutral (uncharged) fragments are not affected by the field and are no longer detected in position 12 of the extractor 3.

Abstract

Flugzeitmassenspektrometer (1), welches ein Extraktormodul (3) zum Beschleunigen ionisierter Substanzen mittels eines elektrischen Feldes und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse (6) mittels mindestens einer lonenlinse (32), einen Deflektor (4) zum Ablenken der ionisierten Substanzen, eine Driftstrecke (7) sowie einen Detektor (5) zum Detektieren der ionisierten Substanzen umfasst, wobei das Extraktormodul (3) relativ zum Detektor (5) beweglich angeordnet ist und in einer ersten Position (11) die Fokussierungsachse (6) auf die Detektorfläche (51) zentriert ist, während die Fokussierungsachse (6) in einer zweiten Position (12) ausserhalb der Detektorfläche (51) positioniert ist. Die Erfindung erlaubt insbesondere, dass die Spektren neutraler und geladener Teilchen unabhängig voneinander gemessen werden.

Description

Time-of-FIight Massenspektrometer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Time-of-FIight (ToF) Massenspektrometer (Flugzeitmassenspektrorneter), welches zur Analyse von Substanzen einer lonenquelle ein Extraktormodul zum Beschleunigen der ionisierten Substanzen mittels eines elektromagnetischen Feldes und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse, einen Deflektor zum Ablenken der ionisierten Substanzen, mindestens eine feldfreie Driftstrecke sowie einen Detektor zum Detektieren der ionisierten Substanzen umfasst. Insbesondere sollen mit der Erfindung die Spektren neutraler und geladener Teilchen unabhängig von einander gemessen werden.
Verschiedenartigste analytische Massenspektrometer sind heute im Stand der Technik bekannt. Die Funktionsweise eines Massenspektrometers (MS) basiert üblicherweise darauf, dass die zu untersuchende Probe in ein MS eingebracht, verdampft und ionisiert wird. Als bewegte geladene Teilchen lassen sich die Ionen in einem Analysator auf verschiedene Weise nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis auftrennen und anschliessend detektieren. Der Aufbau eines MS lässt sich in vier Hauptkomponenten aufgliedern: Probenaufnahme, Ionisierung, Massentrennung und Detektion. Gewöhnlich werden Geräte auf der Basis von sequentiell arbeitenden Massenspektrometern nach dem ToF-, Quadrupol-, lonenfallen- (Ion Trap) oder Sektorfeld-Prinzip angewandt. Die technische Realisierung von Probenaufnahme, Ionisierung und Detektion ist bei allen Massenspektrometern vergleichbar, lonenfallen unterscheiden sich von den anderen Massenspektrometern jedoch dadurch, dass es sich um ein Speichermassenspektrometer mit Ionisierung in der lonenfalle (Trap) handelt. Die Probenaufnahme im Massenspektrometer erfolgt je nach Eigenschaften der Probe. Feste Probensubstanzen können direkt z.B. über eine Schub- oder Haltestange in die lonenquelle eingebracht werden. Für flüssige oder gasförmige Proben eignet sich die Kopplung mit einem Gaschromatographen (GC) oder Hochdruckflüssigkeitschromatographen (HPLC). Der wesentliche Unterschied besteht in den Analysatorsystemen, die für die Massentrennung zuständig sind. Die Massenspektrometer umfassen ebenfalls sog. Flugzeitmassenspektrorneter (Time-of-FIight Mass Spectrometer: ToF-MS). Konventionelle Flugzeitmassenspektrorneter sind hinlänglich im Stand der Technik bekannt und beschrieben (Michael Guiihaus: Journal of Mass Spectrometry, vol. 30, 1519-1532 (1995) Principles and Instrumentation in Time-Of-Flight Mass Spectrometry; Duckworth et al.: Mass Spectroscopy, 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge (1986); A.M, Lawson, Mass Spectrometry, Walter de Gruyter, Berlin (1989); S.R. Shrader Introductory Mass Spectrometry, Ally & Bacon, Inc. Boston (1971 ); G. Siuzdak, Mass Spectrometry for Biotechnology, Academic Press, San Diego (1996); J.T. Watson, Introduction to Mass Spectrometry, Raven Press, New York (1985) etc.). Der analytische Einsatz von Flugzeitmassenspektrorneter ist bisher überwiegend auf die Untersuchung von impulsförmigen lonensignalen, z.B. aus Laser-Verdampfungsquellen (LAMMA: Laser Desorption Mass Spectrometer) beschränkt. Jedoch ist auch die Kopplung einer kontinuierlich emittierenden Atomstrahlquelle mit einem ToF-MS unter Benutzung einer Speicherquelle bekannt (z.B. DE 4022061.3). Ohne Speicherung der nachzuweisenden Ionen vor deren Einführung in das ToF-MS ist bis heute dieser Spektrometertyp jedoch auf impulsförmige lonenpulse, wie z.B. bei der Laserverdampfung, beschränkt. Die Verwendung von ToF-MS für die Element- und Molekülanalytik ist insbesondere wegen der Möglichkeit einer simultanen Messung aller interessierenden Massen vorteilhaft. Quadrupol- oder Sektorfeld-Systeme haben demgegenüber Nachteile durch eine erhöhte Messzeit, welche mit grösserem Probenbedarf verbunden ist.
Bei Flugzeitmassenspektrometern werden in einer lonenquelle in einer sehr kurzen Zeitspanne von nur wenigen Nanosekunden impulsartig gebildeten Ionen der zu untersuchenden Analytsubstanz in relativ kurzen Beschleunigungsfeldern auf dieselbe Energie pro lonenladung beschleunigt. D.h. alle Ionen mit der gleichen Anzahl Elementarladungen z besitzen die gleiche kinetische Energie Ekin(z). Die Ionen durchfliegen dann eine feldfreie Flugstrecke und werden an ihrem Ende durch einen zeitlich hochauflösenden lonendetektor als zeitlich variierender lonenstrom gemessen. Mittels der Messsignale des lonendetektors kann die Flugzeit der verschiedenen lonensorten bestimmt werden. Über die Grundgleichung für die kinetische Energie
E in = - mv = zeU = zeEd (i)
2, lässt sich bei gleicher Energie E aller Ionen das Verhältnis m/z von Masse m zu Ladung z der Ionen aus ihrer Geschwindigkeit v bestimmen. U ist die Potentialdifferenz von der beschleunigenden Elektrode zur geerdeten Elektrode, E ist das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden und d die Distanz zwischen den beiden Elektroden. Die Geschwindigkeit v der Ionen ist, wie oben angedeutet, in einem Flugrohr der Länge L durch die Messung der Flugzeit t der Ionen durch die Gleichung
Figure imgf000005_0001
gegeben. Aus der Flugzeit lässt sich somit in einfacher Weise das Verhältnis der Masse m zur Ladung z berechnen:
. - 2Et #...> m/z = — -— (in)
L Für eine sehr genaue Bestimmung der lonenmasse sind die oben angegebenen Gleichungen nicht ausreichend, da 1 ) den Ionen in der lonenquelle durch den lonisierungsprozess unvermeidlicherweise vor ihrer elektrischen Beschleunigung noch Anfangsenergien aus dem lonisierungsprozess mitgegeben werden und 2) die dreidimensionale Flugbahn der Ionen nicht mehr durch L alleine beschrieben wird. Durch diese Effekte wird die Beziehung zwischen Masse m und dem Quadrat der Flugzeit t nichtlinear. Diese Beziehung wird daher normalerweise experimentell ermittelt und in einem Rechenspeicher für künftige Bestimmungen der Masse als sogenannte "Massenskala" abgespeichert. Unter dem Begriff "Massenskala" soll hier die durch ein angeschlossenes Rechnersystem vorgenommene Zuordnung der aus den Messsignalen ermittelten Flugzeiten zu den Massen der Ionen (genauer: den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen) verstanden werden. Diese Massenskala wird durch ein besonderes Verfahren anhand genau bekannter Referenzsubstanzen einkalibriert. Auf die Stabilität der einkalibrierten Massenskala wirken im allgemeinen eine grosse Anzahl Parameter ein: Inkonstanz der Hochspannungen für die Beschleunigung der Ionen, wechselnde Abstände der Beschleunigungsblenden in der lonenquelle durch die Montage der ins Vakuum eingeführten Probenträger, wechselnde Anfangsenergien der Ionen durch den lonisierungsprozess und thermische Veränderungen in der Länge der Flugstrecke etc.. Für hochpräzise Messungen der Massen einer Analytsubstanz wird deshalb im gleichen Massenspektrum die Masse einer Referenzsubstanz mit vermessen, wobei die Referenzsubstanz der Analytsubstanz beigegeben werden muss (sogenanntes Messverfahren mit "interner Referenz"). Bei Abweichungen der berechneten Masse der
Referenzsubstanz vom bekannten Wert kann dann die berechnete Masse für die Analytionen in bekannter Weise korrigiert werden (z.B. DE 196 35 646). Leider gehen jedoch die verschiedenen Einflüsse auf die Massenbestimmung in verschiedenen funktionalen Abhängigkeiten von der Masse ein. Änderungen der Hochspannung beispielsweise bewirken eine proportionale Veränderung der Energie E^n der Ionen, die nach Gleichung (iii) linear in die Massenberechnung, also massenproportional, eingeht. Veränderungen der Fluglänge L gehen jedoch nach Gleichung (iii) proportional zur Wurzel aus der Masse in die Massenberechnung ein. Sind Referenzmasse und Analytmasse sehr verschieden, so ist eine erfolgreiche Korrektur ohne genaue Kenntnis der Art des Einflusses nicht mehr möglich. Bei sehr ähnlichen Massen für Analyt- und Referenzsubstanz kann immer noch mit einigermassen gutem Erfolg korrigiert werden. Heute werden mit Hochleistungs- Flugzeitmassenspektrometern unter Bezug auf Referenzsubstanzen, die nicht in der Analytprobe enthalten sind ("Verfahren mit externer Referenz"), Massengenauigkeiten von etwa 30 parts per million (ppm) erhalten. Durch Referenzsubstanzen, die der Analytprobe beigegeben sind ("interne Referenz"), werden Genauigkeiten von 10 ppm erreicht. Für Proteinchemiker und andere Benutzer werden heute Massengenauigkeiten von 1 bis 5 ppm angestrebt, um die für die Forschung benötigten Messwerte zu erhalten.
Verschiedenste Verfahren zur Generierung ionisierter Moleküle aus festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen sind im Stand der Technik bekannt: Thermische Ionisation (z.B. eines Gases oder Dampfes), Funkenentladungsionisation (Spark Source), Elektronenstoss (Electron Impact: El), Photoionisation (Photoionization: Pl), chemische Ionisation (Chemical lonization: Cl), Feldionisation (Field lonization: FI), Feiddesorption (Field Desorption: FD), Mehrfachphotoionisation (Multiphoton lonization: MPI), Ionisation durch Beschuss schneller Atome (Fast Atom Bombardmet: FAß), Plasmadesorptionmassenspektrometrie (Plasma Desorption Mass
Spectrometry: PDMS), Sekundärionenmassenspektrometrie (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS), Thermosprühverfahren (Thermospray: TS), Infrarotlaserdesorption (Infrared Laser Desorption: IRLD), matrixunterstützte Laserdesorption (Matrix-Assisted Laser Desorption: MALDI), Elektrosprühionisation (Electrospray lonization: ESI),
Nanoelektrosprühionisation (Nanoelectrospray lonization: NESI), chemische Ionisation bei Normaldruck (Atmospheric Pressure Chemical lonization: APCI) etc.. Die wichtigsten Parameter bei der lonengeneration sind die räumliche Verteilung und die Geschwindigkeitsverteilung sowie die Masse/Ladungsverteilung der verschiedenen ionisierten Moleküle, was stark die Leistung der darauf folgenden Massenspektrometerkomponenten beeinflusst. Eines der üblichsten zur lonengenerierung verwendeten Verfahren bei der Flugzeitmassenspektrometrie ist die Ionisierung durch laserinduzierte Desorption. Der Probenträger mit Substanzmolekülen wird dabei konstant auf eine Hochspannung von z.B. 6 bis 30 Kilovolt gelegt und in einer Entfernung von beispielsweise etwa 10 bis 20 Millimetern zu einer gegenüberliegenden Grundelektrode auf Erdpotential angeordnet. Ein Lichtimpuls eines Lasers von typischerweise etwa 4 Nanosekunden Dauer, der auf die Probenoberfläche fokussiert wird, erzeugt Ionen der Substanzmoleküle, die die Oberfläche mit einer grossen Streuung der Geschwindigkeiten verlassen und sofort durch das elektrische Feld zur Grundelektrode hin beschleunigt werden. Jenseits der Grundelektrode befindet sich die feldfreie Driftstrecke des Flugzeitmassenspektrometers. Für die Ionisierung von Substanzmolekülen durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) werden die Substanzmoleküle auf dem Probenträger in eine Schicht winziger Kristalle einer niedermolekularen Matrixsubstanz eingelagert. Der Laserlichtimpuls verdampft in einem quasi-explosiven Prozess eine geringe Menge der Matrixsubstanz, wobei auch die Substanzmoleküle in die Dampfwolke überführt werden. Bei der Bildung der Dampfwolke wird ein geringer Teil der Moleküle, und zwar sowohl der Matrix- wie auch der Substanzmoleküle, ionisiert. Auch während der Ausdehnung der Dampfwolke findet durch weitere lon-Molekül-Reaktionen eine ständige Ionisierung der grösseren Substanzmoleküle auf Kosten der kleineren Matrixionen statt. Die ins Vakuum expandierende Dampfwolke beschleunigt durch ihre adiabatische Ausdehnung nicht nur die Moleküle und Ionen der Matrixsubstanz, sondern durch viskose Mitnahme auch die Moleküle und Ionen der Untersuchungssubstanz. Dehnt sich die Wolke im feldfreien Raum aus, so erreichen die Ionen mittlere Geschwindigkeiten, die weitgehend unabhängig von der Masse der Ionen sind, jedoch eine grosse Geschwindigkeitsstreuung aufweisen. Es ist anzunehmen, dass die neutralen Moleküle ähnliche oder gleiche Geschwindigkeiten besitzen wie die Ionen.
Die grosse Streuung der Geschwindigkeiten bei den verschiedenen laserinduzierten Ionisierungen beeinträchtigt und begrenzt die Massenauflösung der Flugzeitmassenspektrorneter. Selbst bei Anwendung hoher Beschleunigungsspannungen, die die Streuung der Anfangsgeschwindigkeiten relativ zur mittleren Geschwindigkeit gering werden lässt, ist die Auflösung linearer Flugzeitspektrometer auf Werte von etwa R = m/Δm = 1000 bei m = 1000 beschränkt und Genauigkeit der Massenmessungen auf 0.1 % begrenzt. Das Grundprinzip für eine Verbesserung des Massenauflösungsvermögens ist bei solchen Verfahren für die Geschwindigkeitsstreuung schon seit langem bekannt (W. C. Wiley and I. H. McLaren, "Time-of-FIight Mass Spectrometer with Improved Resolution' Rev. Scient. Instr. 26, 1150,1955). Dieses Verfahren ist unter dem Namen Time Lag Focusing (TLF) bekannt. In jüngster Zeit wurde dieses Verfahren auch unter anderem Namen wie beispielsweise "Delayed Extraction" in wissenschaftlichen Arbeiten in Bezug auf die MALDI-Ionisierung bekannt und wird bereits für kommerziell erhältliche Flugzeitmassenspektrorneter angeboten. Als Stand der Technik können neuere Veröffentlichungen wie beispielsweise R. S. Brown and J. J. Lennon, "Mass Resolution Improvement by Incorporation of Pulsed Ion Extraction in a Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Linear Time-of- Flight Mass Spectrometer' Anal. Chem 67, 1998, (1995) oder R. M. Whittal and L. Li, "High-Resolution Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization in a Linear Time-of Flight Mass Spectrometer", 67, 1950, (1995) erwähnt werden. Das Prinzip des "Time Lag Focusing" zur Verbesserung des Auflösungsvermögens ist einfach: Die Ionen der Extraktionswolke werden zunächst für eine kurze Zeit in einem feldfreien Raum ohne jede elektrische Beschleunigung fliegen gelassen. Die schnelleren Ionen entfernen sich dabei weiter von der Probenträgerelektrode als die langsameren. Aus der
Geschwindigkeitsverteilung der Ionen ergibt sich eine Ortsverteilung. Erst nach einer kurzen Ausbreitungszeit wird plötzlich ein homogenes Beschleunigungsfeld, d.h. einem Feld mit linear ansteigendem Beschleunigungspotential, eingeschaltet und die Ionen werden durch das Feld beschleunigt. Die schnelleren Ionen sind jedoch weiter von der Probenträgerelektrode entfernt, somit auf einem etwas geringeren Anfangspotential für die Beschleunigung, was ihnen eine etwas geringere Endgeschwindigkeit für die Driftstrecke des Flugzeitspektrometers vermittelt als den zu Beginn langsameren Ionen. Bei richtiger Wahl der Zeitverzögerung (time lag) für den Einsatz der Beschleunigung können die zu Beginn langsameren, aber nach Beschleunigung schnelleren Ionen, die zu Beginn schnelleren, aber nach Beschleunigung langsameren Ionen genau am Detektor wieder einholen. Es werden somit Ionen gleicher Masse am Ort des Detektors in Bezug auf die Flugzeit in erster Ordnung fokussiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Ionen während des Laserlichtimpulses oder erst nach diesem Zeitpunkt in der sich ausdehnenden Wolke durch lon-Molekül-Reaktionen gebildet werden, solange diese Bildung in der Zeit vor dem Einschalten des Beschleunigungspotentials stattfindet. Da sich die Geschwindigkeit der Moleküle durch die lon-Molekül-Reaktionen praktisch nicht ändert, werden durch dieses Verfahren auch solche Ionen fokussiert, die als anfänglich schnelle Neutralmoleküle losfliegen, und erst später, aber noch vor Einsetzen der elektrischen Beschleunigung, ionisiert wurden. Flugzeitmassenspektrorneter werden aus Gründen guter Zeitauflösung mit hohen Beschleunigungsspannungen von bis zu etwa 30 Kilovolt betrieben. Zum Einschalten des Beschleunigungsfeldes kann man entweder das Potential der Probenträgerelektrode oder das Potential der Zwischenelektrode umschalten. Der Schalthub ist dabei von der Entfernung der Zwischenelektrode vom Probenträger abhängig, da für dasselbe Beschleunigungsfeld die Spannungsdifferenz umso kleiner wird, je geringer der Elektrodenabstand ist. Unter "hohem" Potential, oder unter "Hochspannung", soll hier ein Potential verstanden werden, das die Ionen entsprechend abstösst und beschleunigt. Es kann vorteilhaft sein, die Zwischenelektrode möglichst nahe vor der Probenträgerelektrode anzubringen und einen kleinen Spannungshub zu verwenden, da das schnelle Schalten der Spannung technisch umso leichter zu bewerkstelligen ist und umso preiswerter wird, je geringer der Spannungshub ist. Es gibt jedoch eine untere Grenze für diesen Abstand. Sie ist dadurch gegeben, dass sich die schnellsten Ionen während der Zeitverzögerung stets im feldfreien Raum aufhalten müssen. Da die schnellsten Ionen üblicherweise Geschwindigkeiten von etwa 1500 m/s (Meter pro Sekunde) aufweisen und die maximale Zeitverzögerung in der Literatur mit etwa einer Mikrosekunde angegeben ist, beträgt die maximale Flugstrecke der schnellsten Ionen in der feldfreien Verzögerungszeit etwa 1.5 Millimeter. In der Praxis wird üblicherweise ein Abstand der Zwischenelektrode von der Probenträgerelektrode von etwa 2 bis 10 Millimetern gewählt.
Bei allen Massenspektrometern spielt der Effekt der Fragmentierung eine nicht vernachlässigbare Rolle. Unter Fragmentierung versteht man den Zerfall oder die Spaltung von einem Molekül in mehrere Tochtermoleküle. Es gibt im wesentlichen zwei Prozesse der Fragmentierung bzw. Spaltung. Zum einen kann Streuung an Restmolekülen in der nicht perfekt evakuierten Flugröhre die Moleküle bei ihren schwächsten Bindungen spalten. Der effektive Impulsübertrag ist dabei gewöhnlich klein, wodurch die Flugtrajektorie der Moleküle im wesentlichen erhalten bleibt. Der zweite wichtige Fragmentierungsprozess ist der spontane Zerfall von grossen (metastabilen) Molekülen in kleinere Zerfallsprodukte. Die hohe innere Anregungsenergie stammt vom lonisierungsprozess, bei welchem eine starke inelastische
Streuung an den Matrixmolekülen die innere Anregungsenergie eines Moleküls erhöhen kann. Fragmentation von schweren Molekülen durch beinahe elastische Streuung ist durch den Erhalt der Energie sowie der Masse gekennzeichnet:
Ekin = Ekin ι + Ekin2 (iv)
eU = - mv2 = - mιvf = - m2v* (v)
Figure imgf000011_0001
wobei Ekin die kinetische Energie, m die Masse der Moleküle und U die Potentialdifferenz von der beschleunigenden Elektrode zur geerdeten Elektrode ist. Die Geschwindigkeiten für kleine Impulsüberträge ändern sich auf den Geschwindigkeitsskalen des Flugzeitmassenspektrometers nur unwesentlich, d.h. es gilt näherungsweise:
v = v-t ≤ v2 (vii)
Somit bleibt auch die Bewegungstrajektorie der Moleküle bzw. ihrer Zerfallsprodukte im wesentlichen gleich. Die Zerfälle unterscheiden sich weiter auch durch den Ort, wo sie stattfinden. Zum einen kann die Fragmentierung noch innerhalb der lonenquelle stattfinden. In diesem Fall wird von einem sogenannten In-Source Zerfall (In-Source Decay: ISD) gesprochen. Der ISD findet noch vor der Beschleunigung der Moleküle im E-Feld statt, wobei die Fragmentierung sehr nahe der Oberfläche der lonenquelle stattfinden kann, so dass die Ionen die gleichen Eigenschaften erhalten, wie ihre ISD
Zerfallsprodukte. Beim sog. Post-Source Zerfall (Post-Source Decay: PSD) ereignet sich der Zerfall nachdem die Ionen die lonenquelle bereits verlassen haben, d.h. in der Driftstrecke. Die wichtigsten Zerfälle von Molekülen M in Zerfallsprodukte für den ToF-Massenspektrometer sind beispielsweise:
M+ = M + + M2 (viii)
M2+ = M + + M + (ix)
M2+ = M?+ + M2 (x)
Die Ionen besitzen auch ohne den Effekt der Fragmentierung bereits eine gewisse Breite der Energieverteilung, wenn sie die lonenquelle verlassen. Diese Verteilung limitiert die Massenauflösung des
Flugzeitmassenspektrometers. Mittels Reflektoren lässt sich der Streubereich der Anfangsenergie der Moleküle wesentlich verringern. Mit den Reflektoren kann eine Massenauflösung von bis zu >10000 mit einem Flugzeitmassenspektrorneter erreicht werden. Ionen mit der gleichen Masse aber höherer kinetischer Energie Ekin und damit höherer Geschwindigkeit fliegen tiefer in den Reflektor und besitzen damit eine längere Flugstrecke im Reflektor. Es kann gezeigt werden, dass die totale Flugzeit von Ionen mit der gleichen Masse aber unterschiedlichen kinetischen Energien innerhalb des Reflektors die gleiche ist, wodurch sie den Detektor so zur gleichen Zeit erreichen. Ionen einer lonenquelle haben weder die genau gleichen Startzeiten, noch die genau gleichen kinetischen Energien. Verschiedenste Time-Of-Flight Massenspektrometer-Anordnungen wurden entwickelt, um Unterschiede, die durch diesen Effekt entstehen, auszugleichen. Ein sog. Reflektron ist eine ionenoptische Vorrichtung, in welcher Ionen in einem Flugzeitmassenspektrorneter einen Spiegel oder Reflektor passieren, wobei ihre Flugrichtung umgekehrt wird. Ein Reflektron mit linearem Feld (linear-field reflectron) erlaubt Ionen mit höherer kinetischer Energie tiefer in das Reflektron einzudringen, als Ionen mit niedriger kinetischer Energie. Ionen, welche tiefer in das Reflektron eindringen, brauchen entsprechend länger bis sie zum Detektor umkehren. Für folglich mehrere Ionen mit einem bestimmten Massen-zu- Ladungsverhältnis aber mit unterschiedlicher kinetischer Energie wird ein Reflektron die Breite der Verteilung in den Flugzeiten verringern und damit die Auflösung des Flugzeitmassenspektrometers vergrössern. Ein Reflektron mit gekrümmtem oder nichtlinearem Feld garantiert, dass die ideale Detektorposition eines ToF-Massensspektrometers für unterschiedliche Masse- zu-Ladungsverhältnisse sich nicht unterscheidet. Dies erzeugt ebenfalls eine verbesserte Auflösung für ein ToF-Massenspektrometer. 1973 stellte B.A. Mamyrin ein neues Reflektron vor, welches sich als vielleicht wichtigste
Entwicklung bei ToF-Massenspektrometeren in den letzten Jahren erwies. Das Reflektron besteht aus einem lonenspiegel, der eine Reihe von Gitter/Linsen in entweder einer einstufigen Anordnung (single-stage) mit zwei Elektroden oder einer zweistufigen Anordnung (double-stage) mit drei Elektroden. In den meisten Fällen gibt es einen Offset-Winkel zwischen dem primären Driftrohr zu einem zweiten feldfreien Driftrohr. Um einen maximalen Durchlass bei minimaler Divergenz eines lonenpaketes zu erhalten, wird der lonendetektor am Ende der zweiten Flugröhre in Flugrohrachse ausgerichtet. Obwohl durch den Reflektor Feldverzerrungen und Ionen-Einfach- oder lonen- Mehrfachstreuung möglich wird, hat sich diese Entwicklung als ausserordentlich wichtig für Flugzeitmassenspektrometer erwiesen. Zudem sind Massenspektrometer basierend auf Reflektrons gewöhnlich teuer, da sie eine zusätzliche ionenoptische Reflexionsstruktur ("Spiegel"), einen zweiten Detektor und eine zusätzliche, steuerbare Spannungsversorgung benötigen.
Der obenerwähnte Stand der Technik konventioneller
Flugzeitmassenspektrometer besitzt viele Schwierigkeiten und Nachteile im Betrieb, bei welchem die räumliche Verteilung und die Geschwindigkeitsverteilung der extrahierten Ionen mit sehr komplizierten und technisch anspruchsvollen Techniken, wie z.B. das "Time Lag Focusing", Extraction Pulse Shaping, Reflektron-Techniken etc. korrigiert werden müssen. Das Ziel all dieser Techniken ist stets eine bessere spektrale Auflösung. Im Gegensatz zu den relativ langsamen ISD-Fragmente können die PSD- Fragmente vom Stand der Technik nur mit Reflektrons unterschieden werden, da die PSD-Fragmente bei linearen Flugzeitmassenspektrometern zur gleichen Zeit am Detektor ankommen, wie die ursprünglichen Ionen, deren
Zerfallsprodukte sie sind. Der Standardansatz benutz ein Deflektor, d.h. eine Ablenkungsvorrichtung, basierend auf elektromagnetischen Feldern (elektrostatisch oder magnetostatisch) in der evakuierten Flugröhre und/oder nahe dem Detektor des Flugzeitmassenspektrometers, um die geladenen Komponenten abzulenken. Damit kann das Flugzeit(=Massen)-Spektrum der neutralen und geladenen Komponenten als gemeinsames gemessen werden, als auch das Spektrum nur der ungeladenen Komponenten. Ebenso werden im Stand der Technik Reflektrons verwendet, um die geladenen und neutralen Komponenten zu separieren. Wie erwähnt, ist das Reflektron ein gewöhnliches lineares Flugzeitmassenspektrometer mit einem zusätzlichen elektrostatischen Spiegel nahe dem Detektor mit linearem Feld (linear-field reflectron) und einem zusätzlichen Detektor am Ende der Flugstrecke der reflektierten Ionen. Vor dem Eintritt in das Reflektron haben die fragmentierten Ionen und ihre molekularen Vorgänger die gleiche Geschwindigkeit. Nach dem Austritt aus dem Reflektron haben die fragmentierten Ionen und ihre molekularen
Vorgänger die gleiche Geschwindigkeit, die fragmentierten Ionen sind jedoch räumlich und zeitlich nun vor den unzerfallenen Ionen. Die neutralen Fragmente passieren das Reflektron ohne Wechselwirkung mit dem Reflektron und können mit einem speziellen Detektor detektiert werden Dies gilt auch für den linearen Betriebsmodus des Flugzeitmassenspektrometers. Der grosse Nachteil des Reflektron ist, wie leicht ersichtlich, sein komplizierter Aufbau. Zudem müssen schwere Ionen mit einem entsprechend grossen elektrischen Feld reflektiert werden, was die Gefahr von feldinduzierter Fragmentierung wesentlich erhöht.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, Flugzeitmassenspektrometer (ToF-MS) zur Analyse von ionisierten Substanzen vorzuschlagen, die die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll das selektive Messen geladener bzw. neutraler Teilchen möglich sein, ohne dass durch die Selektion eine grössere Auflösungsbreite und/oder eine geringere Empfindlichkeit des Flugzeitmassenspektrometer entsteht.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele insbesondere durch die Elemente der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprü- chen und der Beschreibung hervor.
Insbesondere werden diese Ziele dadurch erreicht, dass ein Flugzeitmassenspektrometer (ToF-MS) zur Analyse von Substanzen einer lonenquelle ein Extraktormodul zum Beschleunigen der ionisierten Substanzen mittels eines elektrischen Feldes und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse, ein Deflektor zum Ablenken der ionisierten Substanzen, mindestens eine feldfreie Driftstrecke sowie ein Detektor zum Detektieren der ionisierten Substanzen umfasst, wobei der Detektor eine Detektorfläche umfasst, die im wesentlichen der Fokalfläche der mittels der mindestens einen lonenlinse abgebildeten lonenquellen entspricht, und wobei das Extraktormodul relativ zum Detektor beweglich angeordnet ist, wobei in einer ersten Position die Fokussierungsachse auf die Detektorfläche zentrierbar ist, während die Fokussierungsachse in einer zweiten Position ausserhalb der Detektorfläche positionierbar ist. Die oben erwähnte Ausführung hat u.a. den Vorteil, dass sie im Vergleich zum Stand der Technik eine äusserst einfache mechanische Kombination von Fokussier-, Ausricht- und Ablenkelementen ist, mittels welcher Kombination neutrale und geladene Teilchen separat gemessen werden können. Die Massenauflösung wird durch die erfindungsgemässe Vorrichtung in keiner Weise beeinflusst. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung können folglich drei unterschiedliche Spektren gemessen werden: 1. Das Spektrum der neutralen und geladenen Komponenten und Fragmente der beschleunigten Substanz, 2. Das Spektrum nur der neutralen Komponenten und Fragmente der beschleunigten Substanz und 3. Das
Spektrum nur der geladenen Komponenten und Fragmente der beschleunigten Substanz. Das unabhängige Messen der drei Spektren, wobei die Messfehler durch die unabhängige Kontrollmessung minimiert werden können, ist in dieser einfachen Anordnung im Stand der Technik so nicht möglich.
In einer Ausführungsvariante befindet sich der Deflektor möglichst nahe am am Extraktionsmodul, so dass ein Ablenkwinkel der ionisierten Substanz zur Detektion in der zweiten Position (Modus 3) minimal wird. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass nur geringe elektrische Felder zum Ablenken benötigt werden und sich damit auch nur eine geringe feldinduzierte Fragmentierung der Ionen ergibt.
In einer weiteren Ausführungsvariante befindet sich der Deflektor möglichst nahe am Detektor. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass die Energiedispersion, die durch das Ablenkfeld verursacht wird, sich nur in geringem Masse auf ein laterale Verschiebung der Ionen auf der Detektorfläche auswirkt. Damit wird eine nahezu massenunabhängige Detektionseffizienz erzielt.
In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Extraktormodul ein Modul zur matrixunterstützten Laserdesorption (MALDI), wobei Substanzmoleküle auf dem Probeträger in einer Kristallschicht einer niedermolekularen Matrixsubstanz eingelagert sind. Diese Ausführungsvariante hat u.A. den Vorteil, dass bereits geringe Mengen der Analytsubstanz ionisiert und analysiert werden können.
In einer wieder anderen Ausführungsvariante umfasst das Extraktormodul ein Modul zur zeitverzögerten Fokussierung (time-lag focusing), wobei unterschiedliche Desorptionsenergien der ionisierten Substanz ausgleichbar sind. Diese Ausführungsvariante hat u.a. den Vorteil, dass die Massenauflösung weiter verbessert werden kann.
An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass sich die vorliegende Erfindung neben dem erfindungsgemässen Verfahren auch auf ein System zur Ausführung dieses Verfahrens bezieht.
Nachfolgend werden Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Die Beispiele der Ausführungen werden durch folgende beigelegten Figuren illustriert:
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Aufsicht eines Flugzeitmassenspektrometer 1 des Standes der Technik zeigt. Das Flugzeitmassenspektrometer 1 umfasst eine lonenquelle 2, ein Extraktormodul 3 zum Beschleunigen und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse 6, ein Deflektor 4 zum Ablenken der ionisierten Substanzen sowie ein Detektor 5 zum Detektieren der ionisierten Substanzen.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch ebenfalls eine Aufsicht eines Flugzeitmassenspektrometer 1 des Standes der Technik zeigt. Verschiedene Fragmentierungsbereiche, welche für das Flugzeitmassenspektrometer 1 zu berücksichtigen sind, sind mit den Referenznummern 61 , 62 und 63 bezeichnet.
Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Aufsicht eines erfindungsgemässen Flugzeitmassenspektrometers 1 illustriert. Typische Trajektorien sind zum einen bezeichnet durch die lonisierungstrajektorie 64, die durch die Anfangsgeschwindigkeit der Ionen beim Austritt aus der lonenquelle 2 und dem elektrostatischen Beschleunigungsfeld des Beschleunigungsmoduls 31 , zum anderen durch die Fokussierungstrajektorie 65, die zusätzlich gegeben ist durch das fokussierende Feld der lonenlinsen 32.
Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Aufsicht eines erfindungsgemässen Flugzeitmassenspektrometer 1 illustriert. Zusätzlich zu den in Figur 3 bezeichneten Trajektorien 64/65 bezeichnen die Trajektorien 66 bzw. 67 Trajektorien bei eingeschaltetem Deflektorfeld 41 für geladene bzw. neutrale Komponenten oder Fragmente der beschleunigten Substanz.
Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm, welches ebenfalls schematisch eine Aufsicht eines erfindungsgemässen Flugzeitmassenspektrometer 1 illustriert. Zusätzlich zu den in Figur 3 bezeichneten Trajektorien 64/65 bezeichnen die Trajektorien 68 bzw. 69 Trajektorien bei eingeschaltetem Deflektorfeld 41 für geladene bzw. neutrale Komponenten oder Fragmente der beschleunigten Substanz. Das Extraktormodul 3 wurde hier um den Winkel α gedreht.
Figur 1 illustriert ein Flugzeitmassenspektrometer 1 bzw. ein
Verfahren zur flugzeitmassenspektrometrischen Analyse von Substanzen einer lonenquelle 2, wie sie bei der Realisierung der Erfindung verwendet werden kann. Gleiche Referenznummern in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Flugzeitmassenspektrometer 1 eine lonenquelle 2, ein Extraktormodul 3 zum Beschleunigen der ionisierten Substanzen mittels eines elektrischen Feldes und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse 6 mittels mindestens einer lonenlinse 32, ein Deflektor 4 zum Ablenken der ionisierten Substanzen, eine Driftstrecke 7 sowie ein Detektor 5 zum Detektieren der ionisierten Substanzen. Das Extraktormodul 3 kann z.B. ein lonisationsmodul 33, ein
Beschleunigungsmodul 31 , ein oder mehrere lonenlinsen 32 und ein Hochspannungsversorgungsmodul umfassen. Die Ionisierung kann mittels des lonisationsmodul 33 des Extraktormoduls 3 z.B. durch thermische Ionisation (z.B. eines Gases oder Dampfes), Funkenentladungsionisation (Spark Source), Elektronenstoss (Electron Impact: El), Photoionisation (Photoionization: Pl), chemische Ionisation (Chemical lonization: Cl), Feldionisation (Field lonization: FI), Feiddesorption (Field Desorption: FD), Mehrfachphotoionisation (Multiphoton lonization: MPI), Ionisation durch Beschuss schneller Atome (Fast Atom Bombardmet: FAB), Plasmadesorptionsmassenspektrometrie (Plasma Desorption Mass Spectrometry: PDMS), Sekundärionenmassenspektrometrie (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS), Thermosprühverfahren (Thermospray: TS), Infrarotlaserdesorption (Infrared Laser Desorption: IRLD), matrixunterstützte Laserdesorption und lonistation (Matrix-Assisted Laser Desorption and lonization: MALDI), Elektrosprühionisation (Electrospray lonization: ESI), Nanoelektrosprühionisation (Nanoelectrospray lonization: NESI), chemische Ionisation bei Normaldruck (Atmospheric Pressure Chemical lonization: APCI) etc. durchgeführt werden. Ohne in irgend einer Weise einschränkend auf den Erfindungsgedanken zu wirken, wurde für dieses Beispiel ein lonisationsmodul 33 mit matrixunterstützter Laserdesorption (Matrix-Assisted Laser Desorption and lonization: MALDI) gewählt, bei welchem die Probe auf dem Probenträger mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt wird. Die Substanzmoleküle werden dazu vorgängig auf dem Probeträger in einer Kristallschicht einer niedermolekularen Matrixsubstanz aufgebracht. Die
Matrixsubstanz kann photoaktive Komponenten wie z.B. Gentisinsäure C7H6O (2.5-Dihydroxybenzoesäure: 2.5-DHBA), 4-HCCA (Alpha-Cyano-4- Cydroxycinnamylsäure) oder Dithranol besitzen. Die von der Probe absorbierte Energie des Laserstrahls erzeugt eine schnelle Erhitzung und Expansion der Probe. Die schnelle Erhitzung und Expansion resultiert in einer ins Vakuum expandierenden Dampfwolke (oder Materialjet), die durch ihre Ausdehnung nicht nur die Moleküle und Ionen der Matrixsubstanz, sondern durch viskose Mitnahme auch die Moleküle und Ionen der Untersuchungssubstanz beschleunigt. Als Laser können je nach Anwendung z.B. Stickstofflaser (337nm) oder gütegesteuerte Neodymium-Yttrium-Aluminium-Granat (Nd-YAG) Laser frequenzverdreifacht bis 354nm oder frequenzvervierfacht bis 266nm verwendet werden, welche sich z.B. für MALDI-Techniken eignen, die z.B. bei 20mJcm"2 ausstrahlen. Beispielsweise für Protein-Analyse kann es auch sinnvoll sein, Laser mit grösserer Wellenlänge zu wählen, da grösserer Wellenlängen langsamer von der Matrixsubstanz aufgenommen werden. Dehnt sich die Wolke im feldfreien Raum aus, so erreichen die Ionen mittlere Anfangsgeschwindigkeiten v0 von etwa 700 Metern pro Sekunde. Die Geschwindigkeiten sind dabei weitgehend unabhängig von der Masse der Ionen, haben aber eine grosse Geschwindigkeitsstreuung, die von etwa 200 bis zu 2000 Metern pro Sekunde reicht. Es ist anzunehmen, dass auch die neutralen Moleküle diese Geschwindigkeiten besitzen. Die Dauer des Laserpulses ist typischerweise im Nanosekundenbereich. Das Extraktormodul 3 kann ein Modul zur zeitverzögerten Fokussierung (TLF) umfassen, wobei die Streuung der unterschiedlichen Desorptionsenergien der ionisierten Substanz verringert werden kann. Allgemein kann gesagt werden, dass es vorteilhaft ist, dass die Ionen innerhalb eines kleinen lonisationsvolumens mit einer möglichst geringen Geschwindigkeitsverteilung bzw. Streuung der Anfangsgeschwindigkeiten Vo erzeugt werden, um eine möglichst gute Massenauflösung zu erreichen. Die Massengenauigkeit wird wie im Folgenden ebenfalls im Normalfall in ppm (parts per million) angegeben. Das
Extraktormodul 3 beschleunigt mittels des Beschleunigungsmodul 31 und fokussiert mittels der ein oder mehreren lonenlinsen 32 die Ionen entlang der Fokussierungsachse 6. Das Extraktormodul 3 kann vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein, wobei die Rotationsachse senkrecht zu x/y-Richtung der Ebene der lonenquelle 2 steht. Die Rotationsachse sollte senkrecht zur Ebene der lonenachse stehen, da anderseits das Extraktionsvolumen sich mit dem lonisationsvolumen mit zunehmender Rotation ändert, was zu einer kleineren Menge an extrahierter und fokussierter ionisierter Substanz führen kann. Das effektive Extraktionsvolumen (in Abhängigkeit vom lonisationsvolumen) ist gegeben durch die
Abbildungseigenschaften der lonenlinsen 32 und der Öffnung 52 der Detektors 5.
Der Deflektor 4 kann z.B. ein elektromagnetisches Modul und ein Hochspannungsversorgungsmodul umfassen, welches auf geladene Teilchen durch ein elektromagnetisches Feld (elektrostatisch oder magnetisch) wirkt. Mittels des elektromagnetischen Moduls können Ionen, welche z.B. durch das Extraktormodul 3 defokussiert oder nicht sauber fokussiert wurden, neu ausgerichtet werden und/oder bereits ausgerichtete Ionen abgelenkt werden, je nach Betriebsmodus des Deflektors 4. Figur 2 zeigt die unterschiedlichen Regionen für PSD-Fragmente im Flugzeitmassenspektrometer 1. Alle geladenen PSD-Fragmente, die innerhalb des Gebietes 61 entstehen, lassen sich wie ihre ursprünglichen Muttermoleküle fokussieren und auch ablenken, während die neutralen Fragmente nur noch die Geschwindigkeit des Muttermoleküls besitzten und sich von elektromagnetischen Feldern nicht mehr beeinflussen lassen. PSD-Fragmente (geladene, wie auch neutrale), welche von Zerfällen aus dem Gebiet 62 stammen, sind nur noch indirekt über ihre Muttermoleküle mittels der lonenlinsen 32 fokussiert. PSD-Fragmente aus dem Gebiet 63 schliesslich werden auch durch den Deflektor 4 nicht mehr direkt erfasst. Trotzdem liegen die Trajektorien aller PSD-Fragmente aus den Gebieten 62 und 63 so wie ihrer ursprünglichen Moleküle im Normalfall sehr nahe beieinander oder sind identisch, d.h. nur schwer unterscheidbar. Der Detektor 5 besteht aus einer räumlichen Öffnung 52 bzw. Blende und einem Modul zum zeitlich aufgelösten Detektieren von Ionen, wie z.B. einem MCP (Microchannel Plates). Zur Detektion ist aber z.B. auch ein Modul basierend auf Elektronmultipiertechnologie vorstellbar. Elektronenmultipier, die aus mehreren Layers von geladenen Dynoden bestehen, können z.B. für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, da sie sich u.a. als sehr stabil bei hohen lonenströmen erwiesen haben. Der Detektor 5 umfasst eine Detektorfläche 51 , die im wesentlichen der Fokalfläche der durch die mindestens eine lonenlinse 32 (d.h. durch die Fokussierlinse) abgebildeten lonenquelle 2 entspricht. Das Extraktormodul 3 ist relativ zum Detektor 5 beweglich angeordnet, wobei in einer ersten Position 11 die Fokussierungsachse 6 auf die Detektorfläche 51 zentrierbar ist, während die Fokussierungsachse 6 in einer zweiten Position 12 ausserhalb der Detektorfläche 51 positionierbar ist. Als Ausführungsvariante kann es vorteilhaft sein, dass sich der Deflektor 4 möglichst nahe am am Extraktionsmodul 3 befindet, so dass der Ablenkwinkel der Ionen im Modus 3 minimal wird. Damit werden nur geringe elektrische Felder zum Ablenken benötigt und es ergibt sich damit auch nur eine geringe feldinduzierte Fragmentierung der Ionen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass sich der Deflektor 4 möglichst nahe am Detektor 5 befindet, so dass sich die Energiedispersion, die durch das Ablenkfeld verursacht wird, nur in geringem Masse auf ein laterale Verschiebung der Ionen auf der Detektorfläche 51 auswirkt, womit eine nahezu massenunabhängige Detektionseffizienz erzielt werden kann.
Durch diese Anordnung sind mit dem erfindungsgemässen Flugzeitmassenspektrometer 1 drei unterschiedliche Betriebsmodi möglich. In der Grundeinstellung bzw. Modus 1 befindet sich das Extraktormodul 3 in der ersten Position 11 und die ionisierte und beschleunigte Substanz wird durch den Deflektor 4 nicht abgelenkt. Figur 3 zeigt das erfindungsgemässe
Flugzeitmassenspektrometer 1 im Betriebsmodus 1. Die Fokussierungsachse 6 des Extraktormoduls 3 ist auf die Detektorfläche 51 ausgerichtet. Damit werden im Modus 1 alle beschleunigten Teilchen, d.h. neutrale und geladene Komponenten sowie neutrale und/oder geladene Fragmente) durch den Detektor 5 optimal detektiert. Neutrale Fragmente, die von Zerfällen in oder vor der Beschleunigungsstrecke stammen, werden auf natürliche Weise durch den grossen Raumwinkel gegenüber neutralen Fragmenten, die während der Driftstrecke entstanden sind und deshalb auf die Fokussierungsachse 6 fokussiert wurden, unterdrückt. Figur 4 illustriert den Betriebsmodus 2 zur Detektion neutraler Komponenten. Im Modus 2 ist die Fokussierungsachse 6 des Extraktormoduls 3 ebenfalls auf die Detektorfläche 51 ausgerichtet, um die beschleunigte Substanz optimal auf die Detektorfläche 51 zu fokussieren. Der Deflektor 4 ist im Betriebsmodus 2 jedoch aktiviert und geladene (ionisierte) Substanz wird vom Detektor 5 mittels z.B. elektrostatischen Ablenkungsplatten, die ein elektrische Deflektorfeld 41 erzeugen, abgelenkt. Das elektrisches Deflektorfeld 41 kann z.B. senkrecht zur Fokussierungsachse 6 erzeugt werden. Die elektrische Feldstärke wird in solcher Stärke gewählt, dass die geladenen Teilchen die Detektoröffnung 52 nicht mehr treffen. Figur 5 schliesslich illustriert den Betriebsmodus 3 zur Detektion geladener beschleunigter Komponenten. Im Modus 3 wird das Extraktormodul 3 um den Winkel α gegenüber dem Detektor 5 in die Position 12 gebracht. Der Winkel α ist so gewählt, dass neutrale beschleunigte Komponenten die Detektoröffnung 52 nicht mehr treffen. Da damit die Fokussierungsachse 6 ebenfalls um den Winkel α verschoben ist, treffen ebenfalls die geladenen Komponenten die Detektoröffnung nicht mehr. In Modus 3 wird nun der Deflektor 5 ebenfalls aktiviert, jedoch so, dass die geladenen Teilchen nun auf die Detektorfläche 51 zentriert werden, um die geladenen Teilchen optimal zu detektieren. Wie oben erwähnt, kann es vorteilhaft sein, dass sich der Deflektor 4 möglichst nahe am am Extraktionsmodul 3 befindet, so dass der Ablenkwinkel der Ionen im Modus 3 minimal wird. Damit werden nur geringe elektrische Felder zum Ablenken benötigt und es ergibt sich damit auch nur eine geringe feldinduzierte Fragmentierung der Ionen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass sich der Deflektor 4 möglichst nahe am Detektor 5 befindet, so dass sich die Energiedispersion, die durch das Ablenkfeld verursacht wird, nur in geringem Masse auf ein laterale Verschiebung der Ionen auf der Detektorfläche 51 auswirkt, womit eine nahezu massenunabhängige Detektionseffizienz erzielt werden kann. Es ist deshalb wichtig, dass für den Betriebsmodus 3 die elektrische Feldstärke des Deflektors 4 sorgfältig justiert wird. Ungeladene Primärteilchen wie auch neutrale (ungeladene) Fragmente sind durch das Feld nicht berührt und werden in Position 12 des Extraktors 3 nicht mehr detektiert.

Claims

Ansprüche
1. Flugzeitmassenspektrometer (1 ) zur Analyse von Substanzen einer lonenquelle (2), welches Flugzeitmassenspektrometer (1 ) ein Extraktormodul (3) zum Beschleunigen der ionisierten Substanzen mittels eines elektrischen Feldes und zum Fokussieren der ionisierten Substanz auf eine Fokussierungsachse (6) mittels mindestens einer lonenlinse (32), ein Deflektor (4) zum Ablenken der ionisierten Substanzen, eine Driftstrecke (7) sowie ein Detektor (5) zum Detektieren der ionisierten Substanzen umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass der Detektor (5) eine Detektorfläche (51) umfasst, die im wesentlichen der Fokalfläche der mittels der mindestens einen lonenlinse (32) abgebildeten lonenquelle (2) entspricht,
dass das Extraktormodul (3) relativ zum Detektor (5) beweglich angeordnet ist, wobei in einer ersten Position (11) die Fokussierungsachse (6) auf die Detektorfläche (51 ) zentrierbar ist, während die Fokussierungsachse (6) in einer zweiten Position (12) ausserhalb der Detektorfläche (51 ) positionierbar ist.
2. Flugzeitmassenspektrometer (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Deflektor (4) möglichst nahe am am Extraktionsmodul (3) befindet, so dass ein Ablenkwinkel der ionisierten Substanz zur Detektion in der zweiten Position (12) minimal wird.
3. Flugzeitmassenspektrometer (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Deflektor (4) möglichst nahe am Detektor (5) befindet.
4. Flugzeitmassenspektrometer (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktormodul (3) ein Modul zur matrixunterstützten Laserdesorption umfasst, wobei Substanzmoleküle auf dem Probeträger in einer Kristallschicht einer niedermolekularen Matrixsubstanz eingelagert sind.
5. Flugzeitmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktormodul (3) ein Modul zur zeitverzögerten Fokussierung (TLF) umfasst, wobei unterschiedliche Desorptionsenergien der ionisierten Substanz ausgleichbar sind.
6. Verfahren zur flugzeitmassenspektrometrischen Analyse von
Substanzen einer lonenquelle (2), wobei die ionisierten Substanzen mittels eines elektrischen Feldes eines Extraktormoduls (3) beschleunigt werden, mittels mindestens einer lonenlinse (32) des Extraktormoduls (3) auf eine Fokussierungsachse fokussiert werden, über eine Driftstrecke (7) zu einem Detektor (5) gelangen und mittels des Detektors (5) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet,
dass für eine erste Messung die ionisierten Substanzen durch ein Deflektor (4) von der Detektorfläche (51 ) des Detektors (5) abgelenkt werden, während die Fokussierungsachse (6) auf die Detektorfläche (51 ) zentriert ist, wobei neutrale Komponenten der Substanz gemessen werden,
dass für eine zweite Messung das Extraktormodul (3) relativ zum Detektor (5) bewegt wird, so dass die Fokussierungsachse (6) derart ausserhalb der Detektorfläche (51 ) zu liegen kommt, dass die neutralen Fragmente der Substanz nicht auf die Detektoroberfläche (51 ) auftreffen, und
dass die ionisierte Substanz mittels des Deflektors (4) auf die
Detektorfläche (51 ) abgelenkt wird, wobei die ionisierten Substanzen gemessen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detekorfläche (51) der Fokalfläche der mittels der mindestens einen lonenlinse (32) abgebildeten lonenquelle (2) entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deflektor (4) möglichst nahe am am Extraktionsmodul (3) angeordnet wird, so dass ein Ablenkwinkel der ionisierten Substanz zur Detektion in der zweiten Position (12) minimal wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deflektor (4) möglichst nahe am Detektor (5) angeordnet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzmoleküle auf dem Probenträger in einer Kristallschicht einer niedermolekularen Matrixsubstanz eingelagert werden, wobei die Substanz mittels eines Moduls durch matrixunterstützte Laserdesorption ionisiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierte Substanz im Extraktormodul (3) mittels eines Time-Lag-Focusing-Modul zeitverzögert beschleunigt wird, wobei unterschiedliche Desorptionsenergien der ionisierten Substanz ausgeglichen werden.
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