WO2017102660A1 - Breitband-mr-tof-massenspektrometer - Google Patents

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WO2017102660A1
WO2017102660A1 PCT/EP2016/080675 EP2016080675W WO2017102660A1 WO 2017102660 A1 WO2017102660 A1 WO 2017102660A1 EP 2016080675 W EP2016080675 W EP 2016080675W WO 2017102660 A1 WO2017102660 A1 WO 2017102660A1
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WO
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ion
mass spectrometer
module
mass
ions
Prior art date
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PCT/EP2016/080675
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English (en)
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Inventor
Lutz Schweikhard
Frank WIENHOLTZ
Original Assignee
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
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Filing date
Publication date
Application filed by Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald filed Critical Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers
    • H01J49/406Time-of-flight spectrometers with multiple reflections
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/004Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/28Static spectrometers
    • H01J49/284Static spectrometers using electrostatic and magnetic sectors with simple focusing, e.g. with parallel fields such as Aston spectrometer

Definitions

  • the invention relates to a modified for broadband mass spectrometry MR ToF mass spectrometer.
  • mass spectroscopy In mass spectroscopy, ions are separated and registered according to their mass / charge ratio (m / z). The registration of the separated ions can be done as an ionic current electrically and the equipment used is referred to as a mass spectrometer.
  • a mass spectrometer consists in principle of three parts: a device for generating ions (ion source), a separation device (analyzer) and finally the detector (for example a Faraday cup or a secondary electron multiplier) for registering the ions.
  • the accessories include a data processing system and pumps for the required vacuum.
  • Mass-specific separation systems are based on different principles. Particularly important for the present invention are two separation systems, namely (i) time-of-flight MS (ToF-MS) and (ii) sector-field mass spectrometers.
  • ToF-MS time-of-flight MS
  • ii sector-field mass spectrometers.
  • the ions generated in an ion source are accelerated by a surge and distinguished only by their mass-dependent time of flight on the ion source-detector path.
  • the mass range accessible in this method is theoretically unlimited and only dependent on the length of the flight path and the resulting flight time.
  • the devices are characterized by a high recording speed, so that they can serve, for example, for the investigation of fast-running reactions. Furthermore, detection sensitivity is usually high, and even single ions can be detected. The disadvantage, however, is the only moderate resolution of this type of device.
  • Multi-reflection time-of-flight mass spectrometers consist of two ionic mirrors, between which the ions to be examined are reflected back and forth.
  • the flight path is extended by a multiple (up to hundreds or thousands) of the physical length, ie the ion mirror distance. This increases the achievable resolution and the mass accuracy by similar orders of magnitude.
  • the method has the disadvantage that in each measurement only a small mass segment is clearly accessible.
  • the various ion species "fly around" so that time-of-flight signals can no longer be unambiguously assigned without the need to systematically vary the cycles of ions in the device, so these devices are currently unimportant for larger mass applications.
  • the ions are deflected in static magnetic fields and therefore arrive at different points of the detector.
  • electronic detectors can be used. If a suitable electrostatic field is applied between the acceleration section and the magnetic field, a so-called double-focusing mass spectrometer is obtained in which both directional focusing and energy focusing of ions of the same m / z ratio occur at one point of the detector. Knowing the energy and the momentum then the mass-to-charge ratio of the ions can be determined.
  • This device type has a large mass range, but only a low resolution. Over the decades, high-resolution sector magnet devices have also been developed.
  • ion trap mass spectrometers such as Fourier Transform Ion Cyclotron Mass Spectrometer (FT-ICR) or Orbitrap Mass Spectrometer are known.
  • An FT-ICR mass spectrometer uses the ion frequency of cyclotron motion in magnetic fields for mass analysis. It is characterized by extremely high resolution at low masses and requires an ultra-high vacuum. At higher masses, the resolution decreases and the sensitivity remains good. However, the FT-ICR method generally involves the use of superconducting magnets for heavy ions, which requires considerable effort.
  • Orbitrap ion trap there is a central, spindle-shaped electrode.
  • the ions are shot into the orbitrap radially to this electrode and move around the central electrode due to the electrostatic attraction on orbits. Since the ions are not injected in the middle of the chamber, but rather decentrally, they vibrate simultaneously along the axis of the central electrode.
  • This ion oscillation generates signals in detector plates, which are converted by Fourier transformation into the corresponding frequencies, from which the m / q ratios follow.
  • the principle is therefore similar to the FT-ICR, but works with an electrostatic field instead of a magnetic field.
  • One limitation of these devices is that individual ions can only be detected at high charge states.
  • the mass spectrometer according to the invention comprises:
  • a first module with an ion source and a multi-reflection time-of-flight unit (MR-ToF unit);
  • the invention is based on the finding that an MR-ToF analyzer can be combined with a downstream magnetic sector field and the ions can be detected with a location-sensitive time-of-flight detector.
  • a mass spectrum of low resolution is obtained.
  • the time-of-flight information By additionally using the time-of-flight information, however, the high resolution known from multireflection time-of-flight mass spectrometry results at the same time. The combination mentioned achieves this high resolution over a large mass range.
  • the core of the invention can also be described as follows:
  • the high-resolution time-of-flight spectrum which at first only exists as a superposition of the spectra of many different mass ranges, is unfolded by the fact that the magnetic sector field the mass areas spatially fanned out and to the appropriate places of the location-sensitive detector conducts.
  • the invention extends a conventional MR-ToF mass spectrometer such that broadband mass spectrometry can thus be operated and the device thus becomes interesting for analytical questions as well.
  • the broadband MR-ToF mass spectrometer of the present invention can provide high mass resolution, mass accuracy analytical information over a wide mass range.
  • Potential users include research institutions in science and industry, for example in the biological, medical and pharmaceutical fields.
  • such devices could be used, for example, in the monitoring of biomedical and pharmaceutical production processes, petroleum studies or environmental analysis.
  • the expected operating and acquisition costs of the mass spectrometer according to the invention are substantially lower.
  • the sensitivity should at least be improved compared to Orbitrap devices, since single singly charged ions can be detected, while in the Orbitrap succeed only at high charge states.
  • the ionization of the test material takes place in a high vacuum in the ion source.
  • Various ionization techniques have been developed, which are generally also useful for the purposes of the invention.
  • El electron impact ionization
  • Cl chemical ionization
  • ICP ionization by a plasma
  • ESI electrospray ionization
  • solids desorption methods such as laser desorption (LD, MALDI), desorption by atomic primary ions or cluster ions (SIMS) and feeder desorption (FD) are suitable.
  • the first module comprises an ion pulse (or even Buncher), which is arranged between the ion source and the MR-ToF unit.
  • the ion pulse for example, a section of the primary ion beam can be accelerated into the flight path at an angle to the previous beam direction.
  • the ion gun is preferably an ion trap.
  • the ion trap is particularly preferably a radio-frequency (RF) ion trap, in particular a linear radio-frequency (RF) ion trap.
  • RF radio-frequency
  • RF radio-frequency
  • RF radio-frequency
  • ions are held in place by means of electric and / or magnetic fields.
  • ions of a certain mass range you can selectively store ions of a certain mass range. Alternatively, one can keep all ions in the trap in stock and forward by changing the fields all ions or those of a certain mass. The storage of the ions takes place in vacuum and without contact to a surface.
  • the ion trap for example the Paul Trap and the Penning Trap.
  • a time-varying electric field is used to hold ions. If this field has the shape of a quadrupole, the trap is also called a quadrupole trap.
  • the Penning trap a combination of time-constant electric field and time-constant magnetic field leads to storage of the ions.
  • the Paul trap has an alternating voltage in the radio frequency range at the end cap and ring electrodes. With proper tension, the trajectories of the masses become unstable, and only the ions of exactly matching m / z ratio remain trapped, so that ion selection can occur.
  • the first module comprises a potentiallift which is arranged between the ion source and the MR ToF unit or, if an ion pulse is present, is located between the ion pulse generator and the MR ToF unit.
  • the ion gun is usually designed as a tube, which is switched to a suitable new potential during the ion flight, in order to adjust the ion energy for the subsequent MR-ToF unit.
  • the MR-ToF unit can be designed in a conventional manner and comprises at least two ionic mirrors, between which the ions to be examined are reflected back and forth.
  • the MR-ToF unit also includes an integrated potentiallift (in-trap potentiallift).
  • an integrated potentiallift in-trap potentiallift
  • a further preferred embodiment provides that the MR-ToF unit is followed by a further ion mirror (reflectron) for additional time focusing of the ion pulses.
  • the additional ion mirror is arranged between the MR-ToF unit and the second module.
  • the ion beam is directed into the second module with a magnetic sector field and a downstream location and time resolution detector.
  • the second module preferably comprises an electric sector field, which is arranged between the MR ToF unit and the magnetic sector field.
  • the second module is therefore constructed like a double-focusing mass spectrometer.
  • the electrical sector field and the magnetic sector field are preferably arranged in Mattauch-Herzog geometry.
  • the location-sensitive detector is used to detect the previously separated ions.
  • a detector for example, microchannel plates (MCP), in which the signal recording takes place with a corresponding anode arrangement (“delay-line”) are used.
  • FIG. 1 a schematic diagram to illustrate the construction of an embodiment of the broadband MR-ToF mass spectrometer according to the invention.
  • the mass spectrometer 10 is divided into two modules 20, 50.
  • the first module 20 largely corresponds in structure to a conventional MR-ToF mass spectrometer and the second module 50, which directly adjoins it, is in principle a mass spectrometer with a magnetic sector field.
  • an ion beam 24 is first generated in the first module 20.
  • the ion source 22 may be used to generate a pulsed or continuous ion beam be designed. According to the present embodiment, the ionization is carried out continuously, wherein the respective ionization method can be adapted to the examination material.
  • the ion beam 24 passes through an ion pulse generator 26, whose inlet electrode 28, outlet electrode 30 and multipole rods 32 are shown.
  • the ion pulse generator 26 is designed here as a linear high-frequency ion trap.
  • a potentiallift 34 Downstream of the ion pulse generator 26 is a potentiallift 34, which comprises a tube which is switched to a suitable new potential during the passage of ions in order to adapt the ion energy for the MR-ToF unit 36 then following.
  • the MR-ToF unit 36 includes a source-side ion mirror 38, a detector-side ion mirror 40, and according to the present example, an additional in-trap potentiallift 42.
  • the first module 20 accordingly delivers a high-resolution time-of-flight spectrum which, however, initially exists only as a superimposition of the spectra of many different mass ranges.
  • the second module 50 directly adjoining serves for the unfolding.
  • a further ion mirror may be arranged between the MR-ToF unit 36 and the second module 50 for additional time focusing of the ion pulses (not shown in the drawing).
  • the ion beam 24 initially enters the second module 50 via an entrance slit 52 and is fed to a position-and time-resolved detector 58 in an electrostatic sector field 54 and an adjoining magnetic sector field 56, which are arranged in Mattauch-Herzog geometry ,

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zur Breitband-Massenspektroskopie modifiziertes MR-ToF-Massenspektrometer. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer, umfasst dazu: ein erstes Modul mit einer lonenquelle und einer Multireflektions-Flugzeit-Einheit (MR-ToF-Einheit); und ein sich dem ersten Modul anschließendes zweites Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor.

Description

Breitband-MR-ToF-Massenspektrometer
Die Erfindung betrifft ein zur Breitband-Massenspektroskopie modifiziertes MR-ToF- Massenspektrometer.
Technologischer Hintergrund
In der Massenspektroskopie werden Ionen entsprechend ihrem Verhältnis Masse/Ladung (m/z) aufgetrennt und registriert. Die Registrierung der getrennten Ionen kann als lonenstrom elektrisch erfolgen und die verwendeten Geräte bezeichnet man entsprechend als Massenspektrometer. Ein Massenspektrometer besteht prinzipiell aus drei Teilen: einer Einrichtung zur Erzeugung von Ionen (lonenquelle), einer Trennvorrichtung (Analysator) und schließlich dem Detektor (beispielsweise ein Faraday-Becher oder ein Sekundärelektronen- Vervielfacher) zur Registrierung der Ionen. Zum Zubehör zählen neben der notwendigen Elektronik eine Datenverarbeitungsanlage sowie Pumpen für das benötigte Vakuum.
Massenspezifische Trennsysteme beruhen auf unterschiedlichen Prinzipien. Für die vorliegende Erfindung sind insbesondere zwei Trennsysteme von Bedeutung, nämlich (i) Flugzeit-Massenspektrometer (time-of-flight MS; ToF-MS) und (ii) Sektorfeld-Massen- spektrometer.
Bei ToF-Massenspektrometern werden die in einer lonenquelle erzeugten Ionen durch einen Spannungsstoß beschleunigt und allein durch ihre massenabhängige Flugzeit auf der Strecke zwischen lonenquelle und Detektor unterschieden. Der bei diesem Verfahren zugängliche Massenbereich ist theoretisch unbegrenzt und nur von der Länge der Flugstrecke und der sich daraus ergebenden Flugzeit abhängig. Die Geräte zeichnen sich durch eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit aus, so dass sie beispielsweise zur Untersuchung schnell ablaufender Reaktionen dienen können. Ferner ist die Nachweisempfindlichkeit in der Regel hoch, und es können selbst einzelne Ionen nachgewiesen werden. Nachteilig ist jedoch die nur mäßige Auflösung dieses Gerätetyps.
Multireflektions-Flugzeit-Massenspektrometer (MR-ToF) bestehen aus zwei lonenspiegeln, zwischen denen die zu untersuchenden Ionen hin und her reflektiert werden. Damit wird die Flugstrecke um ein Vielfaches (bis zu hunderte oder tausende) der physikalischen Länge, d.h. des lonenspiegelabstandes, verlängert. Dadurch erhöhen sich das erreichbare Auflösungsvermögen und die Massengenauigkeit um ähnliche Größenordnungen. Die Methode hat für die breite analytische Anwendung den Nachteil, dass in jeder Messung jeweils nur ein kleiner Massenausschnitt eindeutig zugänglich ist. Bei größeren Massenbereichen „überrunden" sich die verschiedenen lonensorten, sodass die Flugzeitsignale nicht mehr eindeutig, ohne aufwendiges systematisches Variieren der Umläufe der Ionen im Gerät, zugeordnet werden können. Daher spielen diese Geräte für Anwendungen mit größeren Massenbereichen derzeit keine Rolle.
In Sektorfeld-Massenspektrographen werden die Ionen in statischen magnetischen Feldern abgelenkt und treffen daher an verschiedenen Stellen des Detektors ein. Dieser bestand früher aus Fotoplatten, die nach der Bestrahlung im Massenspektrographen entwickelt wurden. Inzwischen werden können elektronische Detektoren eingesetzt werden. Bringt man zwischen Beschleunigungsstrecke und Magnetfeld noch ein geeignetes elektrostatisches Feld an, so erhält man ein sogenanntes doppelfokussierendes Massenspektrometer, bei dem sowohl eine Richtungsfokussierung als auch eine Energiefokussierung von Ionen gleichen m/z-Verhältnisses auf jeweils einen Punkt des Detektors erfolgt. In Kenntnis der Energie und des Impulses kann dann das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis der Ionen bestimmt werden. Dieser Gerätetyp verfügt über einen großen Massenbereich, jedoch nur über eine geringe Auflösung. Über die Jahrzehnte wurden auch hochauflösende Sektormagnet-Geräte entwickelt. Allerdings sind diese Weiterentwicklungen, bei denen kein ortsempfindlicher Detektor eingesetzt wird, sondern die Ionen auf eng begrenzen Sollbahnen geführt werden, auf sehr kleine Massenbereiche beschränkt, beziehungsweise es dauert lange, bis ein größerer Massenbereich analysiert werden kann. Außerdem sind diese Geräte relativ groß (und damit praktisch nicht transportabel) und kostenaufwendig, sodass sie inzwischen aus der praktischen Anwendung fast vollständig verschwunden sind.
Ferner sind lonenfallen-Massenspektrometer, wie Fouriertransform-Ionenzyklotron- Massenspektrometer (FT-ICR) oder Orbitrap-Massenspektrometer, bekannt.
Ein FT-ICR-Massenspektrometer benutzt zur Massenanalyse die lonenfrequenz der Zyklotronbewegung in Magnetfeldern. Es zeichnet sich durch extrem hohe Auflösung bei niedrigen Massen aus und benötigt dazu ein ultrahohes Vakuum. Bei höheren Massen nimmt die Auflösung ab, wobei die Empfindlichkeit gut bleibt. Allerdings beinhaltet die FT-ICR- Methode im Allgemeinen bei schweren Ionen den Einsatz von supraleitenden Magneten, was einen erheblichen Aufwand bedeutet.
In der Orbitrap-Ionenfalle findet sich eine zentrale, spindelförmige Elektrode. Die Ionen werden radial zu dieser Elektrode in die Orbitrap hineingeschossen und bewegen sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung auf Kreisbahnen (Orbits) um die zentrale Elektrode herum. Da die Ionen nicht in der Mitte der Kammer, sondern dezentral injiziert werden, schwingen sie gleichzeitig entlang der Achse der Zentralelektrode. Diese lonenschwingung erzeugt in Detektorplatten Signale, die durch Fouriertransformation in die entsprechenden Frequenzen umgewandelt werden, aus denen die m/q-Verhältnisse folgen. Das Prinzip ist daher ähnlich zum FT-ICR, funktioniert aber mit einem elektrostatischen Feld statt einem Magnetfeld. Eine Limitierung dieser Geräte besteht unter anderem darin, dass einzelne Ionen nur bei hohen Ladungszuständen nachgewiesen werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere der Probleme des Standes der Technik können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Massenspektrometers gelöst oder zumindest gemindert werden. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer, umfasst dazu:
- ein erstes Modul mit einer lonenquelle und einer Multireflektions-Flugzeit-Einheit (MR- ToF-Einheit); und
- ein sich dem ersten Modul anschließendes zweites Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein MR-ToF Analysator mit einen nachgelagerten magnetischen Sektorfeld kombinieren lässt und sich die Ionen mit einem ortsempfindlichen Flugzeitdetektor nachweisen lassen. Durch Einsatz des magnetischen Sektorfelds und des ortsempfindlichen Detektors erhält man ein Massenspektrum geringer Auflösung. Durch zusätzliche Verwendung der Flugzeitinformation ergibt sich aber gleichzeitig die aus der Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometrie bekannte hohe Auflösung. Die genannte Kombination erzielt diese hohe Auflösung über einen großen Massenbereich.
Alternativ kann man das den Kern der Erfindung auch folgendermaßen beschreiben: Bei der hier auch als Breitband-MR-ToF-Massenspektrometrie bezeichneten Methode wird das hochaufgelöste Flugzeitspektrum, das zunächst nur als Überlagerung der Spektren vieler verschiedener Massenbereiche vorliegt, dadurch entfaltet, dass das magnetischen Sektorfeld die Massenbereiche räumlich auffächert und an die entsprechenden Stellen des ortsempfindlichen Detektors leitet.
Durch die Erfindung wird demnach ein herkömmliches MR-ToF-Massenspektrometer derart erweitert, dass damit Breitband-Massenspektrometrie betrieben werden kann und das Gerät damit auch für analytische Fragestellungen interessant wird. Das erfindungsgemäße Breitband-MR-ToF-Massenspektrometer kann analytische Informationen mit hoher Massenauflösung und Massengenauigkeit über einen großen Massenbereich liefern. Zu den potentiellen Anwendern gehören Forschungseinrichtungen in der Wissenschaft und Industrie, zum Beispiel in biologischen, medizinischen und pharmazeutischen Bereich. Darüber hinaus könnten entsprechende Geräte zum Beispiel auch in der Überwachung von biomedizinischen und pharmazeutischen Produktionsprozessen, zu Erdöluntersuchungen oder der Umweltanalytik eingesetzt werden.
Im Vergleich zu FT-ICR- oder Orbitrap-Geräten sind die zu erwartenden Betriebs- und Anschaffungskosten des erfindungsgemäßen Massenspektrometers wesentlich geringer. Zudem dürfte die Empfindlichkeit zumindest gegenüber Orbitrap-Geräten verbessert sein, da auch einzelne einfach geladene Ionen nachgewiesen werden können, während dies bei der Orbitrap nur bei hohen Ladungszuständen gelingt.
Die Ionisation des Untersuchungsmaterials erfolgt im Hochvakuum in der lonenquelle. Es sind verschiedenste lonisationstechniken entwickelt worden, die generell auch für die Zwecke der Erfindung nutzbar sind. So ist für die Ionisation in der Gasphase zum Beispiel Elektronenstoß-Ionisation (El), chemische Ionisation (Cl) oder die Ionisation durch ein Plasma (ICP) nutzbar. Bei Flüssigkeiten kann man unter anderem Elektrospray-Ionisation (ESI) verwenden. Bei Feststoffen eignen sich unter anderem Desorptionsverfahren, wie Laserdesorption (LD, MALDI), Desorption durch atomare Primärionen oder Clusterionen (SIMS) und Feiddesorption (FD).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere soweit die lonenquelle nicht schon selbst gepulst arbeitet, umfasst das erste Modul einen lonenpulser (oder auch Buncher), der zwischen der lonenquelle und der MR-ToF-Einheit angeordnet ist. Mit dem lonenpulser kann zum Beispiel einen Ausschnitt des Primärionenstrahls in einem Winkel zur bisherigen Strahlrichtung in die Flugstrecke hinein beschleunigt werden. Wird eine kontinuierliche lonenquelle eingesetzt, so ist der lonenpulser vorzugsweise eine lonenfalle. Besonders bevorzugt ist in dieser Konstellation die lonenfalle eine Hochfrequenz(RF)- lonenfalle, insbesondere eine lineare Hochfrequenz(RF)-lonenfalle. In einer lonenfalle werden Ionen mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder festgehalten. Abhängig von Art und Stärke der einwirkenden Felder kann man gezielt Ionen eines bestimmten Massenbereichs speichern. Alternativ kann man sämtliche Ionen in der Falle vorrätig halten und durch Veränderung der Felder alle Ionen oder auch die einer bestimmten Masse weiterleiten. Die Speicherung der Ionen erfolgt im Vakuum und ohne Kontakt zu einer Oberfläche. Es gibt verschiedene Ausführungen der lonenfalle, zum Beispiel die Paul-Falle und die Penning-Falle. In der Paul-Falle wird ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld verwendet, um Ionen festzuhalten. Hat dieses Feld die Form eines Quadrupols, wird die Falle auch als Quadrupol-Falle bezeichnet. Bei der Penning-Falle führt eine Kombination von zeitlich konstantem elektrischen Feld und ebenfalls zeitlich konstantem Magnetfeld zu einer Speicherung der Ionen. Bei der Paul-Falle liegt an Endkappen- und Ringelektrode eine Wechselspannung im Radiofrequenzbereich an. Bei richtiger Spannung werden die Flugbahnen der Massen instabil, und nur die Ionen mit genau passendem m/z- Verhältnis bleiben in der Falle, so dass eine lonenselektion erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Modul einen Potentiallift, der zwischen der lonenquelle und der MR-ToF-Einheit angeordnet ist oder, sofern ein lonenpulser vorhanden ist, sich zwischen dem lonenpulser und der MR-ToF- Einheit befindet. Der lonenpulser ist in der Regel als Röhre ausgelegt, die beim lonendurchflug auf ein passendes neues Potential geschaltet wird, um so die lonenenergie für die sich anschließende MR-ToF-Einheit anzupassen.
Die MR-ToF-Einheit kann in herkömmlicher Weise konzipiert werden und umfasst mindestens zwei lonenspiegel, zwischen denen die zu untersuchenden Ionen hin und her reflektiert werden. Vorzugsweise umfasst die MR-ToF-Einheit ebenfalls einen integrierten Potentiallift (in-trap Potentiallift). Alternativ kann auch ohne den Potentiallift zwischen den lonenspiegel gearbeitet werden. Dann müssen allerdings die Potentiale der lonenspiegel selbst beim Ein- und Ausschuss der Ionen geschaltet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der MR-ToF-Einheit ein weiterer lonenspiegel (Reflektron) zur zusätzlichen Zeitfokussierung der lonenpulse nachgeordnet ist. Der zusätzliche lonenspiegel ist zwischen der MR-ToF-Einheit und dem zweiten Modul angeordnet. Mit dem optional integrierten Potentiallift der MR-ToF-Einheit kann man die Zeitfokussierung für eine bestimmte Umlaufanzahl erreichen. Das reicht beim Betrieb von schmalen Massenbereichen in der Regel aus. Für den Breitbandbetrieb, bei dem die Ionen je nach Masse sehr unterschiedliche Umlaufzahlen haben werden, kann es jedoch von Vorteil sein, die Fokussierung separat durchzuführen, da man dies so für alle lonensorten erreicht.
Nach der MR-ToF-Einheit wird der lonenstrahl in das zweite Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem ort- und zeitauflösenden Detektor gelenkt. Dabei umfasst das zweite Modul vorzugsweise ein elektrisches Sektorfeld, das zwischen der MR- ToF-Einheit und dem magnetischen Sektorfeld angeordnet ist. Das zweite Modul ist also wie ein doppelfokussierendes Massenspektrometer aufgebaut. Dabei sind das elektrische Sektorfeld und das magnetische Sektorfeld vorzugsweise in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet.
Der ortsempfindliche Detektor dient zur Erfassung der zuvor separierten Ionen. Als Detektor können beispielsweise Mikrokanalplatten (MCP), bei denen die Signalaufnahme mit einer entsprechenden Anodenanordnung („delay-line") erfolgt, eingesetzt werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt: Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Breitband-MR-ToF-Massenspektrometers.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Figur 1 ist eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Breitband-MR-ToF-Massenspektrometers 10 zu entnehmen. Das Massenspektrometer 10 ist in zwei Module 20, 50 gegliedert. Das erste Modul 20 entspricht dabei weitestgehend im Aufbau einem herkömmlichen MR-ToF-Massenspektrometer und das sich direkt daran anschließende zweite Modul 50 prinzipiell einem Massenspektrometer mit magnetischem Sektorfeld.
Mit einer lonenquelle 22 wird im ersten Modul 20 zunächst ein lonenstrahl 24 erzeugt. Die lonenquelle 22 kann zur Erzeugung eines gepulsten oder kontinuierlichen lonenstrahls ausgelegt sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Ionisation kontinuierlich, wobei die jeweilige lonisationsmethode dem Untersuchungsmaterial angepasst werden kann.
Nachfolgend durchläuft der lonenstrahl 24 einen lonenpulser 26, dessen Eintrittselektrode 28, Austrittselektrode 30 und Multipolstäbe 32 dargestellt sind. Der lonenpulser 26 ist vorliegend als lineare Hochfrequenz-Ionenfalle konzipiert.
Dem lonenpulser 26 nachgeordnet ist ein Potentiallift 34, der eine Röhre umfasst, die beim lonendurchflug auf ein passendes neues Potential geschaltet wird, um so die lonenenergie für die dann folgende MR-ToF-Einheit 36 anzupassen.
Die MR-ToF-Einheit 36 beinhaltet einen quellenseitigen lonenspiegel 38, einen detektorseitigen lonenspiegel 40 und gemäß dem vorliegendem Beispiel einen zusätzlichen ,in-trap' Potentiallift 42.
Insgesamt liefert das erste Modul 20 demnach ein hochaufgelöstes Flugzeitspektrum, das jedoch zunächst nur als Überlagerung der Spektren vieler verschiedener Massenbereiche vorliegt. Zur Entfaltung dient das sich direkt anschließende zweite Modul 50.
Optional kann zwischen der MR-ToF-Einheit 36 und dem zweiten Modul 50 ein weiterer lonenspiegel (Reflektron) zur zusätzlichen Zeitfokussierung der lonenpulse angeordnet sein (in die Zeichnung nicht dargestellt).
Der lonenstrahl 24 tritt zunächst über einen Eintrittspalt 52 in das zweite Modul 50 ein und wird in einem elektrostatischen Sektorfeld 54 und einem sich daran anschließenden magnetischen Sektorfeld 56, die in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet sind, doppelfokussierend einem orts- und zeitauflösenden Detektor 58 zugeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Massenspektrometer (10), umfassend:
- ein erstes Modul (20) mit einer lonenquelle (22) und einer Multireflektions-Flugzeit- Einheit (36); und
- ein sich dem ersten Modul (20) anschließendes zweites Modul (50) mit einem magnetischen Sektorfeld (56) und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor (58).
2. Massenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem das erste Modul einen lonenpulser (26) umfasst, der zwischen der lonenquelle (22) und der Multireflektions-Flugzeit- Einheit (36) angeordnet ist.
3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, bei dem die lonenquelle (22) eine kontinuierliche lonenquelle ist und der lonenpulser (26) eine lonenfalle ist.
4. Massenspektrometer nach Anspruch 3, bei dem die lonenfalle (26) eine Hochfrequenz(RF)-lonenfalle ist.
5. Massenspektrometer nach Anspruch 4, bei dem die Hochfrequenz(RF)-lonenfalle eine lineare Hochfrequenz(RF)-lonenfalle ist.
6. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Modul (20) einen Potentiallift (34) umfasst, der zwischen der lonenquelle (22) und der Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) angeordnet ist oder, sofern ein lonenpulser (26) vorhanden ist, zwischen dem lonenpulser (26) und der Multireflektions-Flugzeit- Einheit (36) angeordnet ist.
7. Massenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) einen integrierten Potentiallift (42) umfasst.
8. Massenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem zwischen der Multireflektions- Flugzeit-Einheit (36) und dem zweiten Modul (50) ein lonenspiegel angeordnet ist.
9. Massenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem das zweite Modul (50) ein elektrisches Sektorfeld (54) umfasst, das zwischen der Multireflektions-Flugzeit- Einheit (36) und dem magnetischen Sektorfeld (56) angeordnet ist.
10. Massenspektrometer nach Anspruch 8, bei dem das elektrische Sektorfeld (54) und das magnetische Sektorfeld (56) in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet sind.
PCT/EP2016/080675 2015-12-15 2016-12-12 Breitband-mr-tof-massenspektrometer WO2017102660A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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