DE60217458T2

DE60217458T2 - Massenspektrometer und Verfahren

Info

Publication number: DE60217458T2
Application number: DE60217458T
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Knutsford Bateman; Anthony James Chapel-en-le-Frith Gilbert; Jeff Hyde Brown
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: US6794640B2; GB2388248B; GB2388248A; CA2412656C; US6770872B2; GB2388467A; CA2412657C; DE60217458D1; EP1315196A2; EP1648020A3; EP1315196A3; US20030111595A1; GB0227327D0; GB0227326D0; EP1315195B1; DE60219576D1; US20030132377A1; EP1648020B1; DE60219576T2; GB2388467B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer.
Der Tastgrad eines Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung („oaTOF") liegt typischerweise im Bereich von 20-30% bei Ionen des maximalen Masse-zu-Ladung Verhältnisses und weniger bei Ionen mit geringeren Masse-zu-Ladung Verhältnissen.
1 zeigt einen Teil der Geometrie eines konventionellen Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung. In einem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung werden Ionen durch eine Pusher-Elektrode 1 mit einer Länge L1 orthogonal in einen Driftbereich (nicht gezeigt) beschleunigt. Die Entfernung zwischen der Pusher-Elektrode 1 und dem Ionendetektor 2 kann als L2 definiert werden. Der Zeitraum, welchen Ionen benötigen, um durch den Driftbereich zu gelangen, von einem Reflektron (nicht gezeigt) reflektiert zu werden und den Ionendetektor 2 zu erreichen, ist derselbe, den die Ionen benötigt hätten, um die axiale Entfernung L1 + L2 von der Mitte der Pusher-Elektrode 1 zur Mitte des Ionendetektors 2 zurückzulegen, wenn die Ionen nicht in den Driftbereich beschleunigt worden wären. Die Länge des Ionendetektors 2 beträgt normalerweise wenigstens L1, um Verluste zu eliminieren.
Ist der Flugzeit-Massenanalysator dazu konstruiert, Ionen mit einem maximalen Masse-zu-Ladung Verhältnis M_max orthogonal zu beschleunigen, dann ist die Zykluszeit ΔT zwischen aufeinander folgenden Energetisierungen der Pusher-Elektrode 1 (und somit Ionenpulsen in den Driftbereich) die Zeit, welche Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen gleich M_max benötigen, um die axiale Entfernung L1 + L2 von der Pusher-Elektrode 1 zu dem Ionendetektor 2 zurückzulegen.
Der Tastgrad D_cy bei Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis M ergibt sich aus:
Beträgt beispielsweise L1 35 mm und die Entfernung L2 90 mm, dann ergibt sich der Tastgrad bei Ionen mit maximalem Masse-zu-Ladung Verhältnis aus L1/(L1 + L2), was 28,0% entspricht.
Das Vergrößern von L1 und/oder das Verringern von L2 vergrößert theoretisch den Tastgrad. Das Vergrößern von L1 würde einen größeren und daher teureren Ionendetektor 2 erforderlich machen und dies würde auch größere Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Ausrichtung einschließlich Gitterplanheit mit sich bringen. Eine solche Option ist daher unpraktisch.
Auf der anderen Seite wäre das Verringern von L2 ebenfalls unpraktisch. Das Verringern von L2 per se würde die Flugzeit im Driftbereich verringern und zu einem Auflösungsverlust führen. Alternativ könnte L2 verringert und die Flugzeit konstant gehalten werden, indem die Energie der Ionen verringert wird bevor sie die Pusher-Elektrode 1 erreichen. Dies würde jedoch zu Ionen führen, welche weniger begrenzt sind und es käme zu einem daraus resultierenden Übertragungsverlust.
Fachleute werden daher erkennen, dass die Werte, welche L1 und L2 annehmen können, aus mechanischen und physikalischen Gründen eingeschränkt sind, und dies führt zu einem typischen maximalen Tastgrad im Bereich von 20-30%.
Ionen werden bekanntermaßen stromaufwärts der Pusher-Elektrode 1 in einer Ionenfalle gefangen und gespeichert, welche nicht massenselektiv ist, d.h. die Ionenfalle macht keine Unterscheidung aufgrund des Masse-zu-Ladung Verhältnisses, sondern fängt alle Ionen oder gibt alle Ionen frei (eine massenselektive Ionenfalle ist hingegen in der Lage, nur einige Ionen mit spezifischen Masse-zu-Ladung Verhältnissen freizugeben und andere zurückzuhalten). Alle in der Ionenfalle gefangenen Ionen werden daher in einem Ionenpaket oder Ionenpuls freigegeben. Ionen mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladung Werten bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zur Pusher-Elektrode 1, sodass nur einige Ionen in der Nähe der Pusher-Elektrode 1 vorhanden sind, wenn die Pusher-Elektrode 1 energetisiert ist, um Ionen orthogonal in den Driftbereich zu beschleunigen. Einige Ionen befinden sich stromaufwärts der Pusher-Elektrode 1, wenn die Pusher-Elektrode 1 energetisiert ist und andere werden die Pusher-Elektrode 1 bereits passiert haben, wenn die Pusher-Elektrode 1 energetisiert ist. Entsprechend werden nur einige der von der stromaufwärts angeordneten Ionenfalle freigegebenen Ionen tatsächlich orthogonal in den Driftbereich des Flugzeit-Massenanalysators beschleunigt.
Indem erreicht wird, dass die Pusher-Elektrode 1 Ionen eine vorbestimmte Zeit nach dem Freigeben von Ionen aus der Ionenfalle orthogonal beschleunigt, ist es möglich, den Tastgrad bei einigen Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung Verhältnis auf fast 100% zu erhöhen. Der Tastgrad bei Ionen mit anderen Masse-zu-Ladung Verhältnissen kann jedoch sehr viel geringer als 100% sein und bei einem großen Bereich von Masse-zu-Ladung Verhältnissen wird der Tastgrad 0% betragen.
Die gestrichelte Linie in 2 zeigt den Tastgrad für einen Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung, welcher in herkömmlicher Weise ohne eine stromaufwärts angeordnete Ionenfalle betrieben wird. Das maximale Masse-zu-Ladung Verhältnis wird als 1000 angenommen; L1 ist auf 35 mm eingestellt und die Entfernung L2 ist auf 90 mm eingestellt. Der maximale Tastgrad beträgt 28% bei Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen von 1000 und bei geringeren Masse-zu-Ladung Verhältnissen ist der Tastgrad viel geringer.
Die durchgezogene Linie in 2 zeigt, wie der Tastgrad bei einigen Ionen auf ungefähr 100% verbessert werden kann, wenn eine nicht massenselektive, stromaufwärts angeordnete Ionenfalle verwendet wird. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Entfernung von der Ionenfalle zu der Pusher-Elektrode 1 165 mm beträgt und dass die Pusher-Elektrode 1 dazu angeordnet ist, zu einem Zeitpunkt nach der Freigabe von Ionen von der stromaufwärts angeordneten Ionenfalle energetisiert zu werden, sodass Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis von 300 mit einem resultierenden Tastgrad von 100% orthogonal beschleunigt werden. Wie jedoch aus 2 deutlich zu erkennen ist, nimmt der Tastgrad bei Ionen mit kleineren oder größeren Masse-zu-Ladung Verhältnissen rasch ab, sodass bei Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis ≤ 200 und bei Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis ≥ 450 der Tastgrad 0% beträgt. Die bekannte Methode des Vergrößerns des Tastgrads bei nur einigen Ionen kann von Interesse sein, wenn nur ein bestimmter Teil des Massenspektrums von Interesse ist, wie beispielsweise bei der Entdeckung des Vorläuferions durch das Verfahren des Tochterionen-Scannens. Hingegen ist sie kaum oder gar nicht von Nutzen, wenn ein vollständiges Massenspektrum erforderlich ist.
WO 01/15201 beschreibt ein Mehrstufen-Massenspektrometer, welches eine lineare Anordnung von massenselektiven Ionenfallenvorrichtungen umfasst, wobei wenigstens eine Falle an einen Ionendetektor gekoppelt ist.
Es ist daher wünschenswert, ein Massenspektrometer vorzusehen, welches wenigstens einige der Nachteile der bekannten Anordnungen überwindet.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer nach Anspruch 1 vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist über WO 01/15201 durch den kennzeichnenden Abschnitt des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Die massenselektive Ionenfalle kann eine 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle, eine magnetische („Penning")-Ionenfalle oder eine lineare Quadrupol-Ionenfalle sein.
Die Ionenfalle kann bei der Verwendung ein Gas umfassen, sodass die Ionen mit solchen Energien in die Ionenfalle gelangen, dass sie durch Kollision gekühlt werden, ohne beim Kollidieren mit dem Gas wesentlich fragmentiert zu werden. Alternativ können Ionen dazu angeordnet sein, mit solchen Energien in die Ionenfalle zu gelangen, dass wenigstens 10% der Ionen dazu gebracht werden, beim Kollidieren mit dem Gas zu zerfallen, d.h. die Ionenfalle agiert auch als Kollisionszelle.
Ionen können von der massenselektiven Ionenfalle durch massenselektive Instabilität und/oder durch Resonanzausstoß freigegeben werden. Wird massenselektive Instabilität verwendet, um Ionen aus der Ionenfalle auszustoßen, dann befindet sich die Ionenfalle entweder in einem Tiefpassmodus oder in einem Hochpassmodus. So können M1_max und/oder M2_max und/oder M3_max und/oder M4_max in einem Hochpassmodus unendlich sein. In ähnlicher Weise können M1_min und/oder M2_min und/oder M3_min und/oder M4_min in einem Tiefpassmodus null sein. Wird Resonanzausstoß verwendet, um Ionen aus der Ionenfalle auszustoßen, dann kann die Ionenfalle entweder in einem Tiefpassmodus, Hochpassmodus oder Bandpassmodus betrieben werden. Andere Betriebsmodi sind ebenfalls möglich.
Der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung umfasst vorzugsweise einen Driftbereich und einen Ionendetektor, wobei die Elektrode dazu angeordnet ist, Ionen orthogonal in den Driftbereich zu beschleunigen. Das Massenspektrometer kann ferner eine Ionenquelle, einen Quadrupol-Massenfilter und eine Gaskollisionszelle für kollisionsinduzierte Fragmentierung von Ionen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Massenspektrometer eine kontinuierliche Ionenquelle, wie beispielsweise eine Elektrospray-Ionenquelle, eine APCI (chemische Ionisation unter Atmosphärendruck)-Ionenquelle, eine Elektronenstoß („EI")-Ionenquelle, eine Atmosphärendruck-Photon-Ionisation („APPI")-Ionenquelle, eine Chemische-Ionisation („CI")-Ionenquelle, eine Schneller-Atombeschuss („FAB")-Ionenquelle, eine Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie („LSIMS")-Ionenquelle, eine Induktiv-Gekoppeltes-Plasma („ICP")-Ionenquelle, eine Feldionisation („FI")-Ionenquelle oder eine Felddesorption („FD")-Ionenquelle umfassen.
Für den Betrieb mit einer kontinuierlichen Ionenquelle kann eine weitere Ionenfalle vorgesehen sein, welche kontinuierlich Ionen von der Ionenquelle bezieht und diese fängt bevor sie große Ionenmengen zur Speicherung in der massenselektiven Ionenfalle freigibt. Die weitere Ionenfalle kann eine lineare RF-Multipol-Ionenfalle oder eine lineare RF-Ringanordnungs (Ionentunnel)-Ionenfalle umfassen. Eine lineare RF-Ringanordnung (Ionentunnel) ist vorzuziehen, da sie eine Reihe programmierbarer Axialfelder umfasst. Die Ionentunnel-Ionenführung kann daher nicht nur als Ionenführung wirken, sondern die Ionentunnel-Ionenführung kann Ionen über ihre Länge bewegen und Ionen in bestimmten Positionen entlang ihrer Länge zurückhalten oder speichern. Ist ein Badegas für das Kollisionsdämpfen vorhanden, so kann die Ionentunnel-Ionenführung kontinuierlich Ionen von einer Ionenquelle aufnehmen und sie an einer geeigneten Position in der Nähe des Ausgangs speichern. Falls erforderlich, kann sie auch für die kollisionsinduzierte Fragmentierung dieser Ionen verwendet werden. Sie kann dann für die periodische Freigabe von Ionen zur Sammlung und Speicherung in der Ionenfalle programmiert werden.
Zwischen jeder Ionenfreigabe kann die massenselektive Ionenfalle eine Ionenpaket von der weiteren Ionenfalle erhalten. Das Fangen von Ionen in der Ionefalle kann auch durch das Vorhandensein eines Hintergrundgases oder Badegases zum Kollisionskühlen der Ionen unterstützt werden. Dies trägt dazu bei, ihre Bewegung zu dämpfen und verbessert das Fangen. Auf diese Weise kann die massenselektive Ionenfalle periodisch mit Ionen aufgefüllt werden, welche an den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung freigegeben werden können.
Eine Anordnung mit zwei Fallen ermöglicht das Erzielen eines hohen Tastgrads für alle Ionen, unabhängig von ihrem Masse-zu-Ladung-Wert. Ein Tandem-Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometer kann vorgesehen sein, umfassend eine Ionenquelle, eine Ionenführung, einen Quadrupol-Massenfilter, eine Gaskollisionszelle für die kollisionsinduzierte Fragmentierung, eine 3D-Quadrupol-Ionenfalle, eine weitere Ionenführung und einen Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung. Es wird deutlich, dass der Tastgrad im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen erhöht ist, unabhängig von der Tatsache, ob das Massenspektrometer im MS (keine Fragmentierung)-Modus oder im MS/MS (Fragmentierungs)-Modus betrieben wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Massenspektrometer eine pseudo-kontinuierliche Ionenquelle, wie beispielsweise eine Matrix-unterstützter Laser-Desorptions-Ionisation („MALDI")-Ionenquelle sowie ein Driftrohr oder einen Driftbereich umfassen, welcher derart angeordnet ist, dass die Ionen dispergieren. Das Driftrohr oder der Driftbereich können auch mit einem Gas versehen sein, um Ionen durch Kollision zu kühlen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Massenspektrometer eine gepulste Ionenquelle, wie beispielsweise eine Matrix-unterstützter Laser-Desorptions-Ionisation („MALDI")-Ionenquelle oder eine Laserdesorptions-Ionisations-Ionenquelle umfassen.
Obgleich vorzugsweise eine weitere Ionenfalle stromaufwärts der massenselektiven Ionenfalle vorgesehen ist, wenn eine kontinuierliche Ionenquelle vorhanden ist, kann eine weitere Ionenfalle unabhängig vom Ionenquellentyp verwendet werden. In einem Betriebsmodus kann das axiale elektrische Feld entlang der weiteren Ionenfalle zeitlich und/oder räumlich variiert werden. In einem Betriebsmodus können Ionen durch ein axiales elektrisches Feld, welches sich über die Länge der weiteren Ionenfalle verändert, entlang der weiteren Ionenfalle gedrängt werden. In einem Betriebsmodus kann wenigstens ein Teil der weiteren Ionenfalle als eine exklusive AC- oder RF-Ionenführung mit einem konstanten axialen elektrischen Feld wirken. In einem Betriebsmodus kann wenigstens ein Teil der weiteren Ionenfalle Ionen an einem oder mehreren Orten entlang der Länge der weiteren Ionenfalle zurückhalten oder speichern.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die weitere Ionenfalle eine AC- oder RF-Ionentunnel-Ionenfalle, umfassend wenigstens 4 Elektroden mit Öffnungen ähnlicher Größe umfassen, durch welche Ionen bei der Verwendung übermittelt werden. Die Ionenfalle kann gemäß anderen Ausführungsformen wenigstens 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 oder 100 solcher Elektroden umfassen.
Gemäß weniger bevorzugten Ausführungsformen kann die weitere Ionenfalle eine lineare Quadrupol-Ionenfalle, eine lineare Hexapol-, Octopol-Ionenfalle oder eine Multipol-Ionenfalle höherer Ordnung, eine 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle oder eine magnetische („Penning")-Ionenfalle umfassen. Die weitere Ionenfalle kann daher selbst massenselektiv sein oder auch nicht.
Die weitere Ionenfalle empfängt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich Ionen an einem Ende.
Die weitere Ionenfalle kann bei der Verwendung ein Gas umfassen, sodass die Ionen dazu angeordnet sind, entweder in die weitere Ionenfalle mit derartigen Energien zu gelangen, dass die Ionen durch Kollision gekühlt werden, ohne beim Kollidieren mit dem Gas wesentlich fragmentiert zu werden. Alternativ können die Ionen dazu angeordnet sein, in die weitere Ionenfalle mit derartigen Energien zu gelangen, dass wenigstens 10% der Ionen beim Kollidieren mit dem Gas fragmentiert werden, d.h. die weitere Ionenfalle wirkt als eine Kollisionszelle.
Die weitere Ionenfalle gibt vorzugsweise periodisch Ionen frei und übermittelt wenigstens einige der Ionen zu der massenselektiven Ionenfalle.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren der Massenspektrometrie nach Anspruch 45 vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer vorgesehen, umfassend: eine massenselektive Ionenfalle; einen stromabwärts der Ionenfalle angeordneten Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung, wobei der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung eine Elektrode zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen umfasst; und ein Steuerungsmittel zum Steuern der massenselektiven Ionenfalle und des Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung, wobei in einem Betriebsmodus das Steuerungsmittel die massenselektive Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung so steuert, dass: (i) zu einem ersten Zeitpunkt t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem ersten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; (ii) zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t₂ nach t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem zweiten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und (iii) zu einem späteren Zeitpunkt t_push nach t₁ und t₂ die Elektrode dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten und des zweiten Bereichs orthogonal zu beschleunigen. Die Elektrode ist in der Zeit nach t₁ und vor t_push nicht energetisiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Ionen von der massenselektiven Ionenfalle in einer gepulsten Weise als eine Anzahl diskreter Ionenpakete freigegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die massenselektiven Eigenschaften der massenselektiven Ionenfalle jedoch kontinuierlich variiert werden. Daher sollte in den Ansprüchen der Bezug auf Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem ersten Bereich, welche zu einem ersten Zeitpunkt t₁ freigegeben werden, und auf Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem zweiten Bereich etc., welche zu einem zweiten etc. Zeitpunkt t₂ freigegeben werden, so verstanden werden, dass er Ausführungsformen abdeckt, bei welchen die massenselektiven Eigenschaften der massenselektiven Ionenfalle in gestufter Weise variiert werden, sowie Ausführungsformen, bei welchen die massenselektiven Eigenschaften der massenselektiven Ionenfalle auf im Wesentlichen kontinuierliche Weise variiert werden. Es werden auch Ausführungsformen berücksichtigt, bei welchen die massenselektiven Eigenschaften der Ionenfalle für einen Teil eines Betriebszyklus in einer gestuften Weise und für einen anderen Teil des Betriebszyklus in einer kontinuierlichen Weise variiert werden können.
Zum ersten Zeitpunkt t₁ werden Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs vorzugsweise im Wesentlichen in der Ionenfalle zurückgehalten. In ähnlicher Weise werden Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs zum zweiten Zeitpunkt t₂ vorzugsweise im Wesentlichen in der Ionenfalle zurückgehalten.
Der erste Bereich weist vorzugsweise ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_max auf. Der Wert M1_max M1_min fällt vorzugsweise in einen Bereich von 1-50, 50-100, 100-200, 200-300, 300- 400, 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-900, 900-1000, 1000-1100, 1100-1200, 1200-1300, 1300-1400, 1400-1500 oder > 1500.
In ähnlicher Weise weist der zweite Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_max auf. Der Wert M2_max M2_min fällt vorzugsweise in einen Bereich von 1-50, 50-100, 100-200, 200-300, 300-400, 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-900, 900-1000, 1000-1100, 1100-1200, 1200-1300, 1300-1400, 1400-1500 oder > 1500.
Vorzugsweise ist M1_max > M2_max und/oder M1_min > M2_min, d.h. die im ersten Bereich ausgeschlossene höhere Masse ist vorzugsweise größer als die im zweiten Bereich ausgeschlossene obere Masse und/oder die im ersten Bereich ausgeschlossene niedrigere Masse ist vorzugsweise größer als die im zweiten Bereich ausgeschlossene niedrigere Masse.
Das Steuerungsmittel steuert ferner vorzugsweise die massenselektive Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung derart, dass: (iv) zu einem dritten, späteren Zeitpunkt t₃ nach t₁ und t₂, aber vor t_push Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem dritten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des dritten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und wobei zu dem Zeitpunkt t_push die Elektrode dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten, zweiten und dritten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.
Zu dem dritten Zeitpunkt t₃ werden Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des dritten Bereichs vorzugsweise im Wesentlichen in der Ionenfalle zurückgehalten.
Der dritte Bereich weist vorzugsweise ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_max auf. Der Wert M3_max-M3_min fällt vorzugsweise in einen Bereich von 1-50, 50-100, 100-200, 200-300, 300- 400, 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-900, 900-1000, 1000-1100, 1100-1200, 1200-1300, 1300-1400, 1400-1500 oder > 1500.
Vorzugsweise ist M2_max > M3_max und/oder M2_min > M3_min.
Das Steuerungsmittel steuert ferner vorzugsweise die Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung derart, dass: (v) zu einem vierten, späteren Zeitpunkt t₄ nach t₁, t₂ und t₃, aber vor t_push Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem vierten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des vierten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und wobei zu dem Zeitpunkt t_push die Elektrode dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten, zweiten, dritten und vierten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.
Zu dem vierten Zeitpunkt t₄ werden Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des vierten Bereichs vorzugsweise im Wesentlichen in der Ionenfalle zurückgehalten.
Der vierte Bereich weist vorzugsweise ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_max auf. Der Wert M4_max-M4_min fällt vorzugsweise in einen Bereich 1-50, 50-100, 100-200, 200-300, 300-400, 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-900, 900-1000, 1000-1100, 1100-1200, 1200-1300, 1300-1400, 1400-1500 oder > 1500.
Vorzugsweise ist M3_max > M4_max und/oder M3_min > M4_min. Die Elektrode wird nach dem Zeitpunkt t₁ und vor dem Zeitpunkt t_push nicht energetisiert.
Ionen können von der massenselektiven Ionenfalle durch massenselektive Instabilität und/oder durch Resonanzausstoß freigegeben werden. Wird massenselektive Instabilität gewählt, um Ionen aus der Ionenfalle auszustoßen, so ist die Ionenfalle entweder in einem Tiefpassmodus oder in einem Hochpassmodus. So können M1_max und/oder M2_max und/oder M3_max und/oder M4_max in einem Hochpassmodus unendlich sein. In ähnlicher Weise können M1_min und/oder M2_min und/oder M3_min und/oder M4_min in einem Tiefpassmodus null betragen. Wird der Resonanzausstoß verwendet, um Ionen aus der Ionenfalle auszustoßen, so kann die Ionenfalle entweder in einem Tiefpassmodus, oder in einem Hochpassmodus oder in einem Bandpassmodus betrieben werden. Andere Betriebsmodi sind auch möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer vorgesehen, umfassend: eine 3D-Quadrupol-Ionenfalle; einen stromabwärts der 3D-Quadrupol-Ionenfalle angeordneten Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung, wobei der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung eine Elektrode zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen umfasst; und ein Steuerungsmittel zum Steuern der Ionenfalle und der Elektrode, wobei das Steuerungsmittel bewirkt, dass: (i) zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ein erstes Ionenpaket mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem ersten Bereich von der Ionenfalle freigegeben wird, und (ii) zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t₂ nach t₁ ein zweites Ionenpaket mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem zweiten (verschiedenen) Bereich von der Ionenfalle freigegeben wird, und dann (iii) zu einem späteren Zeitpunkt t_push nach t₁ und t₂ die Elektrode das erste und zweite Ionenpaket orthogonal beschleunigt. Die Elektrode wird nach t₁ und vor t_push nicht energetisiert.
Vorzugsweise bewirkt das Steuerungsmittel ferner, dass: (iv) zu einem Zeitpunkt t₃ nach t₁ und t₂, aber vor t_push ein drittes Ionenpaket mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem dritten (verschiedenen) Bereich von der Ionenfalle freigegeben wird, und (v) zu einem Zeitpunkt t₄ nach t₁, t₂ und t₃, aber vor t₄ ein viertes Ionenpaket mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem vierten (verschiedenen) Bereich von der Ionenfalle freigegeben wird.
Vorzugsweise sind der erste, zweite, dritte und vierte Bereich voneinander verschieden. Vorzugsweise sind wenigstens der Abschnitt der oberen Masse und/oder der Abschnitt der unteren Masse des ersten, zweiten, dritten und vierten Bereichs voneinander verschieden.
Vorzugsweise weist der erste Bereich ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_max, der zweite Bereich ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_max, der dritte Bereich ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_max, und der vierte Bereich ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_max auf, wobei gilt, dass M1_max > M2_max > M3_max > M4_max. Alternativ können im Fall massenselektiver Instabilität M1_max, M2_max, M3_max, M4_max etc. alle unendlich sein.
Vorzugsweise weist der erste Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_min, der zweite Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_min, der dritte Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_min, und der vierte Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_min auf, wobei gilt, dass M1_min > M2_min > M3_min > M4_min. Alternativ können im Fall massenselektiver Instabilität M1_min, M2_min, M3_min, M4_min etc. alle gleich null sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren der Massenspektrometrie vorgesehen, umfassend: Ausstoßen von Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb eines ersten Bereichs von einer massenselektiven Ionenfalle, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs in der Ionenfalle zurückgehalten werden; dann Ausstoßen von Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb eines zweiten Bereichs von der massenselektiven Ionenfalle, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs in der Ionenfalle zurückgehalten werden; und dann orthogonale Beschleunigung von Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten und zweiten Bereichs, wobei der erste und der zweite Bereich voneinander verschieden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Ionen in einer massenselektiven Ionenfalle gespeichert und werden dann vorzugsweise sequentiell in umgekehrter Reihenfolge zum Masse-zu-Ladung Verhältnis freigegeben. Ionen mit den höchsten Masse-zu-Ladung Verhältnissen werden zuerst freigegeben und Ionen mit den niedrigsten Masse-zu-Ladung Verhältnissen werden zuletzt freigegeben.
Ionen mit hohen Masse-zu-Ladung Verhältnissen bewegen sich langsamer, und indem diese Ionen zuerst freigegeben werden, haben sie gegenüber den Ionen mit niedrigeren Masse-zu-Ladung Verhältnissen einen Vorsprung. Die Ionen können zu einer konstanten Energie beschleunigt werden, indem eine geeignete Spannung an die Ionenfalle angelegt wird, und können sich dann entlang einem feldfreien Driftbereich bewegen. Durch eine geeignete Wahl des Massenscan-Gesetzes der 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle oder einer anderen massenselektiven Ionenfalle können Ionen aus der Ionenfalle ausgestoßen werden, sodass alle Ionen unabhängig von ihrem Masse-zu-Ladung Verhältnis an der Pusher-Elektrode im Wesentlichen zum selben Zeitpunkt und mit derselben Energie ankommen. Dies ermöglicht, dass der Tastgrad für Ionen aller Masse-zu-Ladung Verhältnisse auf ungefähr 100% angehoben wird und stellt ebenfalls einen deutlichen Fortschritt in der Technik dar.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn in dieser Anmeldung auf eine massenselektive Ionenfalle Bezug genommen wird, die Ionenfalle selektiv bezüglich der Masse-zu-Ladung Verhältnisse der von der Ionenfalle freigegebenen Ionen ist, im Gegensatz zu einer nicht massenselektiven Ionenfalle, bei welcher Ionen, die von der Ionenfalle freigegeben werden, unabhängig von und ohne Rücksicht auf ihr Masse-zu-Ladung Verhältnis freigegeben werden.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben, für welche gilt:
1 zeigt einen Teil der Geometrie eines herkömmlichen Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung;
2 zeigt, wie sich der Tastgrad mit dem Masse-zu-Ladung Verhältnis bei einer herkömmlichen Anordnung ohne eine stromaufwärts angeordnete Ionenfalle und bei einer bekannten Anordnung mit einer nicht massenselektiven, stromaufwärts angeordneten Ionenfalle verändert;
3 zeigt den Zeitpunkt, zu dem Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen im Bereich 1-1500 von einer massenselektiven Ionenfalle freigegeben werden müssen, damit die Ionen die Pusher-Elektrode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen gleichzeitig erreichen;
4 zeigt eine bekannte 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle; und
5 zeigt ein Stabilitätsdiagramm für die bekannte 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine massenselektive Ionenfalle, wie beispielsweise eine 3D-Quadrupol-Ionenfalle. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Ionenpakete von der Ionenfalle freigegeben, aber die Masse-zu-Ladung Verhältnisse der freigegebenen Ionen und das Timing der Freigabe der Ionen sind derart, dass im Wesentlichen alle der von der Ionenfalle freigegebenen Ionen an der Pusher-Elektrode im Wesentlichen gleichzeitig ankommen und durch eine einzige Energetisierung der Pusher-/Puller-Elektrode orthogonal in den Driftbereich beschleunigt werden. Ionen können entweder in gestufter oder in im Wesentlichen kontinuierlicher Weise freigegeben werden. Obgleich der Ansatz der zweiten Hauptausführungsform von demjenigen der ersten Hauptausführungsform verschieden ist, ist der Effekt derselbe, nämlich der Verlust nur sehr weniger Ionen und ein entsprechend sehr hoher Tastgrad.
Ist die Driftlänge vom Ausgang der massenselektiven Ionenfalle stromaufwärts der Pusher-Elektrode 1 zur Mitte der Pusher-Elektrode 1 gleich L, dann kann die Entfernung L in zwei oder mehr Längenbereiche L1, L2 etc. unterteilt werden, und die Ionendriftenergie in jedem Bereich kann als V1, V2 etc. definiert werden. Die Flugzeit T1 für Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis von 1 beträgt:
Wird T1 in μs, L in Metern und V in Volt angegeben, so ist die Konstante „a" gleich 72.
Ist das maximale Masse-zu-Ladung Verhältnis der zu detektierenden und aufzuzeichnenden Ionen M_max, dann sollte, wenn alle Ionen gemäß der zweiten Ausführungsform gleichzeitig an der Pusher-Elektrode ankommen sollen, das Masse-zu-Ladung Verhältnis M der von der Ionenfalle freigegebenen Ionen als eine Funktion der Zeit T gemäß der folgenden Formel variieren:
Wird die Entfernung L in zwei Bereiche aufgeteilt, einen ersten Bereich L1 der Länge 80 mm, wobei die Ionendriftenergie V1 in diesem Bereich auf 10 eV eingestellt wird, und einen zweiten Bereich L2 der Länge 90 mm, wobei die Ionendriftenergie V2 in diesem Bereich auf 40 eV eingestellt wird, dann ist die Flugzeit T1 für Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis von 1 gleich 2,846 μs.
Beträgt M_max 1500 und werden Ionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis von 1500 zum Zeitpunkt null freigegeben, dann sollten Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen < 1500 von der Ionenfalle zu einem späteren Zeitpunkt freigegeben werden, wie in 3 gezeigt ist. Wie zu sehen ist, sollten Ionen mit niedrigen Masse-zu-Ladung Verhältnissen ungefähr 80-100 μs nach Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen von 1500 freigegeben werden. Ist dies der Fall, so erreichen im Wesentlichen alle von der Ionenfalle freigegebenen Ionen die Pusher-Elektrode im Wesentlichen gleichzeitig, und so beschleunigt die Pusher-Elektrode im Wesentlichen alle von der Ionenfalle freigegebenen Ionen in einer einzigen Energetisierung orthogonal. Die Ionenfalle kann im Wesentlichen kontinuierlich ein Massenscan-Gesetz verfolgen, ähnlich dem in 3 gezeigten, oder die Ionenfalle kann einem Massenfreigabe-Gesetz folgen, welches ein gestuftes Profil aufweist.
Eine 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle ist in 4 gezeigt, und das Stabilitätsdiagramm für die Ionenfalle ist in 5 zu sehen. Es gibt zahlreiche Arten, Quadrupol-Feld-Ionenfallen zu scannen oder ihre massenselektiven Eigenschaften auf andere Weise einzustellen oder zu verändern, um Ionen sequentiell auszustoßen. Methoden zum Ausstoßen von Ionen aus massenselektiven Ionenfallen gehören tendenziell zwei Kategorien an.
Ein erster Ansatz besteht in der Nutzung von massenselektiver Instabilität, wobei die RF-Spannung und/oder die DC-Spannung gescannt werden kann, um Ionen sequentiell zu Ordnungen instabiler Bewegung zu bewegen, was dazu führt, dass die Ionen nicht mehr in der Ionenfalle eingeschlossen sind. Die massenselektive Instabilität weist entweder ein Hochpass- oder ein Tiefpassmerkmal auf. Es wird darauf hingewiesen, dass der obere Massenausschluss (für den Niedrigpassbetrieb) oder der untere Massensausschluss (für den Hochpassbetrieb), falls gewünscht, progressiv verändert werden können.
Ein zweiter Ansatz besteht in der Anwendung des Resonanzausstoßes, wobei eine ergänzende AC-Spannung (oder „Rückkopplungs"-Spannung) angewendet werden kann, sodass Ionen eines spezifischen Masse-zu-Ladung Verhältnisses durch Resonanz erregt und irgendwann ausgestoßen werden. Die RF-Spannung oder AC-Frequenz kann gescannt oder in anderer Weise verändert werden, um Ionen mit unterschiedlichem Masse-zu-Ladung Verhältnis sequentiell auszustoßen.
Der Resonanzausstoß ermöglicht, dass Ionen bestimmter Masse-zu-Ladung Verhältnisse ausgestoßen werden, während Ionen mit höheren und niedrigeren Masse-zu-Ladung Verhältnissen zurückgehalten werden. Eine zusätzliche AC-Spannung mit einer Frequenz, die der Frequenz der axialen langfristigen Bewegung der Ionen mit den gewählten Masse-zu-Ladung Verhältnissen entspricht, kann auf die Endkappen der 3D-Quadrupol-Feld-Ionenfalle angewendet werden. Die Frequenz der axialen langfristigen Bewegung beträgt f/2β_z, wobei f die Frequenz der RF-Spannung ist. Diese Ionen werden dann von der Ionenfalle in axialer Richtung durch Resonanz ausgestoßen. Der Bereich der auszustoßenden Masse-zu-Ladung Werte kann durch Überlagern der RF-Spannung mit einer festen AC-Frequenz oder durch Überlagern der AC-Frequenz mit einer festen RF-Spannung vergrößert werden. Alternativ kann eine Anzahl von AC-Frequenzen gleichzeitig angewendet werden, um Ionen in einem bestimmten Bereich von Masse-zu-Ladung Verhältnissen auszustoßen.
Um Ionen in umgekehrter Reihenfolge des Masse-zu-Ladung Verhältnisses gemäß der bevorzugten Ausführungsform auszustoßen, ist es erforderlich, relativ schnell im Masse-zu-Ladung Verhältnis hinab zu scannen. Um Ionen in der axialen Richtung in umgekehrter Reihenfolge unter Verwendung massenselektiver Instabilität freizugeben, ist es erforderlich so zu scannen, dass Ionen die β_z = O-Grenze der Stabilitätsordnung sequentiell kreuzen. Dies kann durch progressives Anwenden einer umgekehrten DC-Spannung zwischen dem Mittelring und den Endkappen oder durch Scannen sowohl dieser DC-Spannung als auch der RF-Spannung erfolgen.
Alternativ kann ein kleiner DC-Dipol zwischen den Endkappen derart angewendet werden, dass Ionen mit den geringsten β_z-Werten zu der negativen Kappe hin verlagert werden. Wenn diese Spannung vergrößert wird, werden Ionen mit hohen Masse-zu-Ladung Verhältnissen anfänglich ausgestoßen, gefolgt von Ionen mit relativ geringen Masse-zu-Ladung Verhältnissen. Diese Methode hat den Vorteil, dass Ionen nur in einer axialen Richtung ausgestoßen werden.
Das Massenscan-Gesetz der massenselektiven Ionenfalle und das Timing der Pusher-Elektrode in Bezug zu der Freigabe von Ionen von der Ionenfalle kann vorzugsweise die Effekte einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem Erreichen von Bedingungen für den Ausstoß von Ionen eines bestimmten Masse-zu-Ladung Verhältnisses und dem tatsächlichen Ausstoß dieser Ionen berücksichtigen. Eine solche zeitliche Verzögerung kann in der Größenordnung von mehreren Dutzenden μs liegen. Vorzugsweise wird diese Verzögerung berücksichtigt, wenn die Zeitverzögerung zwischen dem Scannen der Ionenfalle und dem Anwenden des Pusher-Pulses auf den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung eingestellt wird. Das Scan-Gesetz der angelegten Spannungen kann ebenfalls angepasst werden, um diese Zeitverzögerung zu korrigieren und sicherzustellen, dass Ionen die Falle gemäß dem erforderlichen Scan-Gesetz verlassen.
Der Resonanzausstoß kann auch verwendet werden, um Ionen in umgekehrter Reihenfolge zum Masse-zu-Ladung Verhältnis gemäß der bevorzugten Ausführungsform auszustoßen. Der Resonanzausstoß ist jedoch im Hinblick auf die für den Resonanzausstoß von Ionen erforderliche Zeit und die für das Scannen der Ionenfalle zur Verfügung stehende begrenzte Zeit weniger bevorzugt. Ein vollständiger Scan ist vorzugsweise in weniger als 1 ms erforderlich.
Die Verwendung einer Kombination von massenselektiver Instabilität und Resonanzausstoß wird in Betracht gezogen, um Ionen aus der 3D-Ionenfalle gemäß der bevorzugten Ausführungsform auszustoßen.
Ionen können potenziell aus der Ionenfalle mit recht hohen Energien ausgestoßen werden, d.h. mit vielen Dutzend Elektronenvolt oder mehr, abhängig von der Scan-Methode. Die Ionen-Energien können abhängig von der Scan-Methode auch mit der Masse variieren. Da es erwünscht ist, dass alle Ionen im Bereich der orthogonalen Beschleunigung mit ungefähr denselben Ionenenergien ankommen, kann das DC-Potential der Ionenfalle vorzugsweise synchron zu den die Ionenfalle verlassenden Ionen gescannt werden. Die Korrektur der Ionenenergie könnte an jeder Position zwischen der Ionenfalle und der Pusher-Elektrode erfolgen. Es ist jedoch vorzuziehen, dass die Korrektur an dem Punkt erfolgt, an dem die Ionen die Ionenfalle verlassen, vor dem Driftbereich, sodass das erforderliche Massenscan-Gesetz ähnlich bleibt wie in dem oben genannten Beispiel.
Nach jedem Scan können die Ionen aus der massenselektiven Ionenfalle entfernt werden. Die Ionenfalle kann dann erneut mit Ionen aus einer weiteren, stromaufwärts angeordneten Ionenfalle gefüllt werden, wie zuvor beschrieben.
Die Ionenfalle kann dann den Zyklus wiederholen und gemäß dem oben genannten Scan-Gesetz die Ionen sequentiell ausstoßen.
Die Pusher-Spannung wird vorzugsweise auf die Pusher-Elektrode 1 des Flugzeit-Massenspektrometers mit orthogonaler Beschleunigung synchron zu dem Scannen der Ionenfalle und mit der erforderlichen Zeitverzögerung, vorzugsweise unter Beachtung der Zeitverzögerungseffekte ausgeübt.
Obgleich eine weitere Ionenfalle stromaufwärts der massenselektiven Ionenfalle vorgesehen sein kann, ist das Vorsehen einer weiteren Ionenfalle optional. Beispielsweise würde der Betrieb mit einer gepulsten Ionenquelle, wie beispielsweise einer Laserablations- oder Matrix-unterstützter Laser-Desorptions-Ionisation („MALDI")-Ionenquelle nicht notwendigerweise zwei Ionenfallen erforderlich machen, um den Tastgrad zu optimieren. Der Prozess der massenselektiven Freigabe von Ionen und des Abtastens mit einem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung könnte in dem Zeitraum zwischen Pulsen abgeschlossen werden. Entsprechend könnten alle Ionen über den vollständigen interessierenden Massenbereich massenanalysiert werden bevor die Ionenquelle erneut energetisiert wird und so wäre es nicht erforderlich, Ionen von der Quelle in einer weiteren Ionenfalle zu speichern.
Um dies weiter zu erläutern, könnte man nur zu Erläuterungszwecken davon ausgehen, dass das interessierende Masse-zu-Ladung Verhältnis 400-3500 beträgt. Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem bestimmten Bereich könnten von der Ionenfalle ausgestoßen werden und auf eine Energie von 40 eV beschleunigt werden bevor sie eine Entfernung von 10 cm zur Mitte des Bereichs der orthogonalen Beschleunigung des Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung zurücklegen. Es wird angenommen, dass die ausgestoßenen Ionen eine Energieabweichung von ±4 eV bei einer mittleren Energie von 40 eV aufweisen. Ferner wird angenommen, dass die Länge des Bereichs der orthogonalen Beschleunigung 3 cm beträgt, sodass der Bereich der Bahnlängen ±1,5 cm bei einer mittleren Bahnlänge von 10 cm für die Akzeptanz von Ionen in den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung beträgt. Schließlich wird angenommen, dass die Ionen in dem gewählten Bereich von Masse-zu-Ladung Verhältnissen über einen Zeitraum von 2 μs ausgestoßen werden. Aus den nachfolgend genannten Berechnungen wird deutlich, dass der vollständige, interessierende Massenbereich in einer Sequenz von nur acht massenselektiven Ausstößen abgedeckt werden kann, welche in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst werden.
Für jede Stufe der Sequenz ist die Zeitverzögerung zwischen dem Ionenausstoß und dem orthogonalen Beschleunigungs-Puls gegeben. Es wird angenommen, dass die Entfernung zwischen der Mitte des Bereichs der orthogonalen Beschleunigung und dem Ionendetektor 10 cm beträgt, was der Entfernung zwischen der Ionenfalle und dem Bereich der orthogonalen Beschleunigung entspricht. Die Flugzeit entspricht damit der Zeitverzögerung. Schließlich wird angenommen, dass die Zeit für den Ionenausstoß aus der Ionenfalle 20 μs beträgt und die Overhead-Zeit für die Datenverarbeitung, das Programmieren der Stromzufuhr etc. zwischen jeder Stufe der Sequenz 250 μs beträgt.
Bei diesem Beispiel ist zu sehen, dass die für die vollständige Sequenz der acht Stufen des Ionenausstoßes benötigte Gesamtzeit nur 2,8 ms beträgt. Bei MALDI liegt die Laserwiederholungsrate derzeit typischerweise bei 20 Hz. So liegt die Zeit zwischen den Laserschüssen bei 50 ms und so kann die vollständige Sequenz acht massenselektiver Ausstoß-Stufen leicht in den Zeitraum zwischen Laserpulsen eingepasst werden.
Da Fortschritte zu beobachten sind, ist wahrscheinlich, dass sich die Laserwiederholungsrate für MALDI auf beispielsweise 100 oder 200 Hz erhöht. Jedoch beträgt auch bei 200 Hz der Zeitraum zwischen den Laserschüssen nur 5 ms, sodass weiterhin ausreichend Zeit für die Sequenz der acht massenselektiven Ausstoß-Stufen bietet. Bei gepulsten Ionenquellen, wie beispielsweise MALDI kann der Ionentastgrad für den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung bei Verwendung nur einer massenselektiven Ionenfalle auf ungefähr 100% erhöht werden.
Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen und anderen Anordnungen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Veränderungen bezüglich Form und Details erfolgen können, ohne vom Rahmen der Erfindung gemäß den beiliegenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Massenspektrometer, umfassend: eine massenselektive Ionenfalle; einen stromabwärts der Ionenfalle angeordneten Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung, wobei der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung eine Elektrode (1) zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen umfasst; und ein Steuerungsmittel zum Steuern der massenselektiven Ionenfalle und des Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsmodus das Steuerungsmittel die massenselektive Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung so steuert, dass: (i) zu einem ersten Zeitpunkt t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem ersten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; (ii) zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t₂ nach t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem zweiten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und (iii) zu einem späteren Zeitpunkt t_push nach t₁ und t₂ die Elektrode (1) dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten und des zweiten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, wobei zu dem ersten Zeitpunkt t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs im Wesentlichen in der massenselektiven Ionenfalle zurückgehalten werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs im Wesentlichen in der massenselektiven Ionenfalle zurückgehalten werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der erste Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M1_max aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 4, wobei der Wert M1_max-M1_min in einen Bereich fällt, welcher aus der folgenden Gruppe gewählt ist: (i) 1-50; (ii) 50-100; (iii) 100-200; (iv) 200-300; (v) 300-400; (vi) 400-500; (vii) 500-600; (viii) 600-700; (ix) 700-800; (x) 800-900; (xi) 900-1000; (xii) 1000-1100; (xiii) 1100-1200; (xiv) 1200-1300; (xv) 1300-1400; (xvi) 1400-1500 und (xvii) > 1500.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M2_max aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 6, wobei der Wert M2_max-M2_min in einen Bereich fällt, welcher aus der folgenden Gruppe gewählt ist: (i) 1-50; (ii) 50-100; (iii) 100-200; (iv) 200-300; (v) 300-400; (vi) 400-500; (vii) 500-600; (viii) 600-700; (ix) 700-800; (x) 800-900; (xi) 900-1000; (xii) 1000-1100; (xiii) 1100-1200; (xiv) 1200-1300; (xv) 1300-1400; (xvi) 1400-1500 und (xvii) > 1500.
Massenspektrometer nach Anspruch 6 oder 7, wobei M1_max > M2_max und/oder M1_min > M2_min.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuerungsmittel ferner die massenselektive Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung so steuert, dass: (iv) zu einem dritten, späteren Zeitpunkt t₃ nach t₁ und t₂, aber vor t_push Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem dritten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des dritten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und wobei zu diesem Zeitpunkt t_push die Elektrode (1) dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb dieses ersten, zweiten und dritten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.
Massenspektrometer nach Anspruch 9, wobei zu dem dritten Zeitpunkt t₃ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des dritten Bereichs im Wesentlichen in der massenselektiven Ionenfalle zurückgehalten werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 9 oder 10, wobei der dritte Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M3_max aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 11, wobei der Wert M3_max-M3_min in einen Bereich fällt, welcher aus der folgenden Gruppe gewählt ist: (i) 1-50; (ii) 50-100; (iii) 100-200; (iv) 200-300; (v) 300-400; (vi) 400-500; (vii) 500-600; (viii) 600-700; (ix) 700-800; (x) 800-900; (xi) 900-1000; (xii) 1000-1100; (xiii) 1100-1200; (xiv) 1200-1300; (xv) 1300-1400; (xvi) 1400-1500 und (xvii) > 1500.
Massenspektrometer nach Anspruch 11 oder 12, wobei M2_max > M3_max und/oder M2_min > M3_min.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 9-13, wobei das Steuerungsmittel ferner die massenselektive Ionenfalle und den Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung so steuert, dass: (v) zu einem vierten, späteren Zeitpunkt t₄ nach t₁, t₂ und t₃, aber vor t_push Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem vierten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des vierten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und wobei zu diesem Zeitpunkt t_push die Elektrode (1) dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb dieses ersten, zweiten, dritten und vierten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.
Massenspektrometer nach Anspruch 14, wobei zu dem vierten Zeitpunkt t₄ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des vierten Bereichs im Wesentlichen in der massenselektiven Ionenfalle zurückgehalten werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 14 oder 15, wobei der vierte Bereich ein minimales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_min und ein maximales Masse-zu-Ladung Verhältnis M4_max aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 16, wobei der Wert M4_max-M4_min in einen Bereich fällt, welcher aus der folgenden Gruppe gewählt ist: (i) 1-50; (ii) 50-100; (iii) 100-200; (iv) 200-300; (v) 300-400; (vi) 400-500; (vii) 500-600; (viii) 600-700; (ix) 700-800; (x) 800-900; (xi) 900-1000; (xii) 1000-1100; (xiii) 1100-1200; (xiv) 1200-1300; (xv) 1300-1400; (xvi) 1400-1500 und (xvii) > 1500.
Massenspektrometer nach Anspruch 16 oder 17, wobei M3_max > M4_max und/oder M3_min > M4_min.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die massenselektive Ionenfalle gewählt ist aus der Gruppe, umfassend: (i) eine 3D-Quadrupol-Ionenfalle; (ii) eine magnetische („Penning")-Ionenfalle und (iii) eine lineare Quadrupol-Ionenfalle.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die massenselektive Ionenfalle bei der Verwendung ein Gas umfasst und wobei die Ionen dazu angeordnet sind, entweder: (i) mit solchen Energien in die Ionenfalle zu gelangen, dass die Ionen durch Kollision gekühlt werden, ohne beim Kollidieren mit dem Gas wesentlich fragmentiert zu werden; oder (ii) mit solchen Energien in die Ionenfalle zu gelangen, dass wenigstens 10% der Ionen beim Kollidieren mit dem Gas zum Fragmentieren gebracht werden.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Ionen von der massenselektiven Ionenfalle durch massenselektive Instabilität freigegeben werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 21, wobei M1_max und/oder M2_max und/oder M3_max und/oder M4_max unendlich sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 21, wobei M1_min und/oder M2_min und/oder M3_min und/oder M4_min gleich Null sind.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Ionen von der massenselektiven Ionenfalle durch Resonanzausstoß freigegeben werden.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung einen Driftbereich und einen Ionendetektor (2) umfasst, wobei die Elektrode (1) dazu angeordnet ist, Ionen orthogonal in den Driftbereich zu beschleunigen.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Ionenquelle; einen Quadrupol-Massenfilter; und eine Gaskollisionszelle für eine kollisionsinduzierte Fragmentierung von Ionen.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ferner eine kontinuierliche Ionenquelle umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 27, wobei die kontinuierliche Ionenquelle gewählt ist aus der Gruppe, umfassend: (i) Elektrospray-Ionenquelle; (ii) APCI-Ionenquelle (chemische Ionisation unter Atmosphärendruck); (iii) Elektronenstoß („EI")-Ionenquelle; (iv) Atmosphärendruck-Photon-Ionisation („APPI")-Ionenquelle; (v) Chemische-Ionisation („CI")-Ionenquelle; Schneller-Atombeschuss („FAB")-Ionenquelle; (vii) Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie („LSIMS")-Ionenquelle; (viii) Induktiv-Gekoppeltes-Plasma („ICP")-Ionenquelle; (ix) Feldionisation („FI")-Ionenquelle; (x) Felddesorption („FD")-Ionenquelle.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1-26, welches ferner eine pseudo-kontinuierliche Ionenquelle umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 29, wobei die pseudo-kontinuierliche Ionenquelle eine Matrix-unterstützte Laser-Desorptions-Ionisation („MALDI")-Ionenquelle sowie ein Driftrohr oder einen Driftbereich umfasst, welcher derart angeordnet ist, dass die Ionen dispergieren.
Massenspektrometer nach Anspruch 30, wobei ein Gas in dem Driftrohr oder dem Driftbereich angeordnet ist, um die Ionen durch Kollision zu kühlen.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1-26, welches ferner eine gepulste Ionenquelle umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 32, wobei die gepulste Ionenquelle gewählt ist aus der Gruppe, umfassend: (i) Matrix-unterstützte Laser-Desorptions-Ionisation („MALDI")-Ionenquelle und (ii) Laserdesoptions-Ionisation („LDI")-Ionenquelle.
Massenspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ferner eine weitere Ionenfalle stromaufwärts der massenselektiven Ionenfalle umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 34, wobei in einem Betriebsmodus das axiale elektrische Feld entlang der weiteren Ionenfalle variiert wird.
Massenspektrometer nach Anspruch 35, wobei das axiale elektrische Feld zeitlich und/oder räumlich variiert wird.
Massenspektrometer nach Anspruch 34, 35 oder 36, wobei in einem Betriebsmodus Ionen durch ein axiales elektrisches Feld, welches sich über die Länge der weiteren Ionenfalle verändert, entlang der weiteren Ionenfalle gedrängt werden.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-37, wobei in einem Betriebsmodus wenigstens ein Teil der weiteren Ionenfalle als eine exklusive AC- oder RF-Ionenführung mit einem konstanten, axialen elektrischen Feld wirkt.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-38, wobei in einem Betriebsmodus wenigstens ein Teil der weiteren Ionenfalle Ionen an einem oder mehreren Orten entlang der Länge der weiteren Ionenfalle zurückhält oder speichert.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-39, wobei die weitere Ionenfalle eine AC- oder RF-Ionentunnel-Ionenfalle, umfassend wenigstens 4 Elektroden mit Öffnungen ähnlicher Größe umfasst, durch welche Ionen bei der Verwendung übermittelt werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 34, wobei die weitere Ionenfalle gewählt ist aus der Gruppe, umfassend: (i) lineare Quadrupol-Ionenfalle; (ii) lineare Hexapol-, Octopol- oder Multipol-Ionenfalle höherer Ordnung; (iii) 3D- Quadrupol-Ionenfalle und (iv) magnetische („Penning")-Ionenfalle.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-41, wobei die weitere Ionenfalle an einem Ende im Wesentlichen kontinuierlich Ionen aufnimmt.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-42, wobei die weitere Ionenfalle bei der Verwendung ein Gas umfasst und die Ionen dazu angeordnet sind, entweder: (i) mit solchen Energien in die weitere Ionenfalle zu gelangen, dass die Ionen durch Kollision gekühlt werden ohne beim Kollidieren mit dem Gas wesentlich fragmentiert zu werden; oder (ii) mit solchen Energien in die weitere Ionenfalle zu gelangen, dass wenigstens 10% der Ionen beim Kollidieren mit dem Gas zum Fragmentieren gebracht werden.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 34-43, wobei die weitere Ionenfalle periodisch Ionen freigibt und wenigstens einige der Ionen zu der massenselektiven Ionenfalle übermittelt.
Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend: Vorsehen einer massenselektiven Ionenfalle; Vorsehen eines stromabwärts der Ionenfalle angeordneten Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung, wobei der Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung eine Elektrode (1) zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen umfasst; und Steuern der massenselektiven Ionenfalle und des Flugzeit-Massenanalysators mit orthogonaler Beschleunigung, sodass (i) zu einem ersten Zeitpunkt t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem ersten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des ersten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; (ii) zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t₂ nach t₁ Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen in einem zweiten Bereich so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen von der massenselektiven Ionenfalle zu dem Flugzeit- Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen, während Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen außerhalb des zweiten Bereichs nicht im Wesentlichen zu dem Flugzeit-Massenanalysator mit orthogonaler Beschleunigung gelangen; und (iii) zu einem späteren Zeitpunkt t_push nach t₁ und t₂ die Elektrode (1) dazu angeordnet ist, Ionen mit Masse-zu-Ladung Verhältnissen innerhalb des ersten und des zweiten Bereichs orthogonal zu beschleunigen.