DE112004000982B4

DE112004000982B4 - Raumladungseinstellung einer Aktivierungsfrequenz

Info

Publication number: DE112004000982B4
Application number: DE112004000982.0T
Authority: DE
Inventors: Michael W. Senko
Original assignee: Thermo Finnigan LLC
Current assignee: Thermo Finnigan LLC
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: CA2528300C; WO2004112084A2; GB0524882D0; US6884996B2; WO2004112084A3; GB2418530A; US20040245461A1; GB2418530B; CA2528300A1; DE112004000982T5

Abstract

Verfahren zum Fragmentieren von Ionen in einer Quadrupol-Ionenfalle zur Analyse mittels Massenspektrometrie, wobei das Verfahren umfasst: Akkumulieren einer ersten Ionenpopulation in der Ionenfalle, wobei die erste Ionenpopulation eine Anzahl von Ionen aufweist, für die Raumladungseffekte in der Ionenfalle vernachlässigbar sind, und erste Vorläuferionen mit einem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z umfasst; Bestimmen einer kalibrierten Resonanzfrequenz νcal, bei der die Energieabsorption durch die ersten Vorläuferionen maximiert ist; Akkumulieren einer zweiten Ionenpopulation in der Ionenfalle, wobei die zweite Ionenpopulation eine größere Anzahl von Ionen als die erste Ionenpopulation aufweist, derart dass Raumladungseffekte in der Ionenfalle vorhanden sind, und zweite Vorläuferionen mit demselben Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z umfasst; Bestimmen der Anzahl N von Ionen in der zweiten Ionenpopulation; Berechnen einer Raumladungseinstellung δ für die zweiten Vorläuferionen in der zweiten Ionenpopulation basierend auf der Anzahl N von Ionen in der zweiten Ionenpopulation gemäß δ = AN/(q·m/z), wobei q = cV/(ω2r2m/z) ein Stabilitätsparameter mit der Winkelfrequenz ω und der Amplitude V eines an die Ionenfalle angelegten RF-Signals ist, wobei c eine Konstante und r ein charakteristischer Innenradius eines aktiven Bereichs der Ionenfalle ist, und wobei A ein empirischer Koeffizient ist, der für die Ionenfalle bestimmt wurde, indem Resonanzfrequenzen für Ionenpopulationen, die unterschiedliche Anzahlen N von Ionen enthielten, bei demselben Stabilitätsparameter q und Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z der eingefangenen Ionen experimentell ermittelt wurden; Berechnen einer Resonanzfrequenz νopt für die zweiten Vorläuferionen auf der Basis der kalibrierten Resonanzfrequenz νcal für die ersten Vorläuferionen gemäß νopt = νcal – δ; und Anwenden eines Wechselstrom-Signals bei der eingestellten Resonanzfrequenz νopt zum Aktivieren der zweiten Vorläuferionen und zum Bewirken, dass ein Teil davon zu Produkt-Ionen fragmentiert.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer.
Ein Massenspektrometer analysiert ein Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von Teilchen bzw. Partikeln, wie Atomen und Molekülen, und umfaßt bzw. beinhaltet typischerweise eine Ionenquelle, eine oder mehrere Massenanalysiereinrichtung(en) und einen oder mehrere Detektor(en). In der Ionenquelle werden Probenteilchen ionisiert. Die Teilchen können mit einer Vielzahl von Techniken unter Verwendung von elektrostatischen Kräften, Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder anderen Teilchenstrahlen ionisiert werden. Die Ionen werden über eine oder mehrere Massenanalysiereinrichtung(en) transportiert, welche die Ionen basierend auf ihren Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen trennt bzw. trennen. Die getrennten Ionen werden durch einen oder mehrere Detektor(en) detektiert, welche(r) Daten zur Verfügung stellt bzw. stellen, die verwendet werden, um ein Massenspektrum der Probe zu konstruieren.
Die Ionen können durch Vorrichtungen, wie Mehrpol-Ionenführungen oder lineare oder 3D-Ionenfallen geführt, gefangen und analysiert werden. Beispielsweise beinhalten Mehrpol-Stangenanordnungen, wie Vierpol-, Sechspol-, Achtpol- oder größere Anordnungen jeweils vier, sechs, acht oder mehr Mehrpolstangen. In der Anordnung sind die Mehrpolstangen angeordnet, um ein Innenvolumen, wie einen Kanal oder einen Ring, zu definieren, in welchem die Ionen gefangen oder geführt werden können, in dem Funk- bzw. Radiofrequenz (”RF”) Spannungen auf die Mehrpolstangen aufgebracht bzw. angelegt werden. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung kann die Stangenanordnung selektiv Ionen fangen, führen oder ausstoßen bzw. ausbringen, welche spezielle Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse besitzen.
Beispielsweise kann eine lineare Ionenfalle als eine stand-alone bzw. unabhängige Massenanalysiereinrichtung durch Anlegen von Spannungen, welche Teilchen entsprechend unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen ausstoßen, und Detektieren der ausgestoßenen Teilchen verwendet werden. Alternativ können lineare Fallen in einer Tandem-Massenspektrometrie verwendet werden, um spezielle Ionen zu isolieren oder zu aktivieren, welche durch eine andere Massenanalysiereinrichtung, wie eine Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysiereinrichtung (”FTICR”) analysiert werden. Bei einer Isolation werden alle Teilchen aus der Falle ausgestoßen mit Ausnahme von Ionen innerhalb eines engen Bereichs von Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen, der der Isolationsmassenbereich genannt wird, welcher Massen von Zielmolekülen entspricht. Bei der Aktivierung werden die isolierten Ionen, die Elternionen oder Vorläuferionen genannt werden, erregt und schließlich in ihre grundlegenden, aufbauenden Blöcke fragmentiert bzw. zerlegt. Ionisierte Fragmente werden Tochterionen oder Produktionen genannt. Die Aktivierung kann durch Anlegen einer Wechselspannung an Mehrpolstangen mit einer Aktivierungsfrequenz ausgeführt werden, die einer Resonanzfrequenz der Vorläuferionen entspricht. Das Massenspektrum der Produktionen kann verwendet werden, um strukturelle Komponenten der Vorläuferionen zu bestimmen.
In einer Multi- bzw. Mehrpol-Ionenfalle oder -Ionenführung werden Ionen durch elektrische Felder manipuliert, die durch die Spannungen generiert bzw. erzeugt werden, die an die Mehrpolstangen oder andere Elektroden der Ionenfalle oder der Ionenführung angelegt sind bzw. werden. Zusätzlich zu den elektrischen Feldern, die durch die angelegten Spannungen generiert sind bzw. werden, sind bzw. werden die Ionen auch elektrischen Feldern unterworfen, welche in der Ionenfalle oder Ionenführung durch die Ionen selbst generiert werden. Die selbst generierten, elektrischen Felder haben eine charakteristische Stärke, welche mit der Größe der Ionenpopulation in der Ionenfalle oder Ionenführung ansteigt. Konventionellerweise wird die Ionenfalle oder die Ionenführung mit Ionenpopulationen betrieben, für welche die selbst generierten, elektrischen Felder wesentlich kleiner als die angelegten, elektrischen Felder sind. So ist die Anzahl von Ionen in der Ionenpopulation traditionell begrenzt, um selbst generierte Felder zu vermeiden, welche eine oder mehrere spezielle Tätigkeit(en) bzw. Vorgang (Vorgänge) beeinflussen können. Derartige Grenzen sind als Raumladungsgrenzen bekannt.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fragmentieren von Ionen in einer Quadrupol-Ionenfalle zur Analyse mittels Massenspektrometrie. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Merkmale gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Aktivierungsfrequenz wird eingestellt, um eine Ionenfalle zu betreiben, wenn Raumladungseffekte aufgrund einer großen Anzahl von Ionen in der Ionenfalle vorhanden sind. Indem die eingestellte Aktivierungsfrequenz verwendet wird, kann die Effizienz einer Aktivierung in der Ionenfalle erhöht werden. Allgemein stellt in einem Aspekt die Erfindung Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Verfügung, beinhaltend Computerprogramm-Produkte zum Betreiben einer Quadrupol- bzw. Vierpol-Ionenfalle in einer Massenspektrometrie. Eine kalibrierte Resonanzfrequenz wird für Vorläuferionen in einer ersten Ionenpopulation in einer Ionenfalle bestimmt. Eine Frequenzeinstellung wird für die Vorläuferionen in einer zweiten Ionenpopulation basierend auf der Anzahl von Ionen in der zweiten Ionenpopulation bestimmt. Die Ionenfalle wird unter Verwendung einer eingestellten Resonanzfrequenz betrieben, welche auf der kalibrierten Resonanzfrequenz und der bestimmten Resonanzfrequenzeinstellung basiert.
Spezielle Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Ein Betreiben der Ionenfalle unter Verwendung der eingestellten Resonanzfrequenz kann ein Betreiben der Ionenfalle, beinhaltend die zweite Ionenpopulation, beinhalten. Die Anzahl von Ionen in der zweiten Ionenpopulation kann wesentlich größer als die Anzahl von Ionen in der ersten Ionenpopulation sein. Die Anzahl von Ionen kann ausreichend sein, um in wesentlichen Raumladungseffekten in der zweiten Ionenpopulation zu resultieren. Ein Betreiben der Ionenfalle basierend auf der eingestellten Resonanzfrequenz kann ein Erregen der Vorläuferionen in der Ionenfalle an bzw. bei der eingestellten Resonanzfrequenz beinhalten. Ein Erregen der Vorläuferionen an der eingestellten Resonanzfrequenz kann ein Fragmentieren der Vorläuferionen in der Ionenfalle beinhalten, um Produktionen zu generieren bzw. zu erzeugen. Ein oder mehr Produktion(en) kann bzw. können aus der Ionenfalle basierend auf den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen der Produktionen ausgeworfen bzw. ausgestoßen werden. Die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der ausgestoßenen Produktionen können analysiert werden. Das Analysieren der Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der ausgestoßenen Produktionen kann ein Analysieren der Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der ausgestoßenen Produktionen in einer FTICR oder einer anderen Massenanalysiereinrichtung beinhalten. Die Vorläuferionen können in der Ionenfalle mit einem oszillierenden Mehrpolpotential eingefangen werden, das eine Amplitude aufweist, welche eingestellt werden kann, um die eingestellte Resonanzfrequenz festzulegen. Die eingestellte Resonanzfrequenz kann kleiner als die kalibrierte bzw. geeichte Resonanzfrequenz sein. Ein Bestimmen der Frequenzeinstellung für die Vorläuferionen in der zweiten Ionenpopulation kann ein Abschätzen der Anzahl von Ionen in der zweiten Population beinhalten.
Allgemein stellt in einem weiteren Aspekt die Erfindung Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, beinhaltend Computerprogramm-Produkte zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz für eine Population von Ionen in einer Ionenfalle zur Verfügung. Eine kalibrierte Resonanzfrequenz wird von Vorläuferionen in einer ersten Ionenpopulation in einer Ionenfalle empfangen, und eine abgeschätzte Anzahl der Ionen in einer zweiten Ionenpopulation in der Ionenfalle wird ebenfalls empfangen. Die abgeschätzte Anzahl der Ionen und die kalibrierte Resonanzfrequenz werden verwendet, um eine eingestellte Resonanzfrequenz für die Vorläuferionen in der zweiten Ionenpopulation zu bestimmen.
Spezielle Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Ein Verwenden der abgeschätzten Anzahl der Ionen zum Bestimmen der eingestellten Resonanzfrequenz kann ein Bestimmen einer Frequenzeinstellung basierend auf der abgeschätzten Anzahl der Ionen und ein Einstellen der kalibrierten Resonanzfrequenz unter Verwendung der bestimmten Frequenzeinstellung beinhalten. Die Anzahl von Ionen in der zweiten Ionenpopulation kann ausreichend sein, um wesentliche Raumladungseffekte in der zweiten Ionenpopulation in der Ionenfalle zu bewirken.
Allgemein stellt die Erfindung in noch einem anderen Aspekt ein Massenspektrometrie-System zur Verfügung. Das System beinhaltet eine Ionenquelle, eine Ionenfalle, die betätigbar bzw. betreibbar ist, um Ionen von der Ionenquelle zu empfangen, und eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. einen Controller, um die Ionenfalle zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung ist konfiguriert, um Tätigkeiten auszuführen, welche ein Bestimmen einer kalibrierten Resonanzfrequenz für Vorläuferionen in einer ersten Ionenpopulation in der Ionenfalle, ein Bestimmen einer Frequenzeinstellung für die Vorläuferionen in einer zweiten Ionenpopulation basierend auf der Anzahl von Ionen in der zweiten Ionenpopulation, und ein Betreiben der Ionenfalle unter Verwendung einer eingestellten Frequenz beinhalten, welche auf der kalibrierten Resonanzfrequenz und der bestimmten Frequenzeinstellung basiert.
Spezielle Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann konfiguriert werden, um die Vorläuferionen in der Ionenfalle basierend auf der eingestellten Resonanzfrequenz zu fragmentieren, um Produktionen zu generieren. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann konfiguriert sein, um ein oder mehrere Produktion(en) aus der Ionenfalle basierend auf den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen der Produktionen auszuwerfen bzw. auszustoßen. Das System kann eine Massenanalysiereinrichtung beinhalten, um die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der ausgestoßenen Produktionen zu analysieren. Die Massenanalysiereinrichtung kann eine FTICR-Massenanalysiereinrichtung sein.
Die Erfindung kann implementiert sein bzw. werden, um einen oder mehrere der folgenden Vorteile zur Verfügung zu stellen. Eine Resonanzfrequenz von Ionen kann für große Ionenpopulationen in einer Ionenfalle abgeschätzt werden. Die Resonanzfrequenz kann als eine Funktion der Anzahl von Ionen in der Falle bestimmt werden. Die bestimmte Resonanzfrequenz kann als eine Aktivierungsfrequenz verwendet werden, um Vorläuferionen in der Falle zu aktivieren. Die Aktivierungsfrequenz kann entsprechend unterschiedlichen Aktivierungsparametern, wie der angelegten RF-Spannung und dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis der Vorläuferionen, eingestellt werden. Die Aktivierungsfrequenz kann eingestellt werden, um Raumladungseffekte zu kompensieren, die durch große Ionenpopulationen in der Falle bewirkt werden. Die Frequenzeinstellung kann auch auf ein Isolieren von Vorläuferionen angewandt werden. Die eingestellte Aktivierungsfrequenz kann verwendet werden, um eine große Anzahl von Vorläuferionen in der Falle zu aktivieren, selbst wenn Raumladungseffekte vorhanden sind. Für große Ionenpopulationen ist eine Aktivierung bedeutend effizienter an der eingestellten Aktivierungsfrequenz als einer Frequenz, die für ein Aktivieren bei kleinen Ionendichten kalibriert ist. Ein Verwenden der eingestellten Aktivierungsfrequenz macht es möglich, eine lineare Ionenfalle zur Isolierung und Aktivierung weit über das zuvor akzeptierte Raumladungslimit hinaus zu betreiben. Beispielsweise kann eine lineare Falle, für welche das akzeptierte, spektrale Raumladungslimit etwa 30.000 Ionen als eine alleinstehende Massenanalysiereinrichtung beträgt, zum Isolieren und Aktivieren unter Verwenden einer eingestellten Aktivierungsfrequenz mit einer hohen Effizienz für Populationen verwendet werden, die 500.000 Ionen übersteigen. Mit einer derartig hohen Aktivierungseffizienz bei großen Ionenpopulationen kann die lineare Falle eine ausreichende Zahl von Produktionen zur Verfügung stellen, um eine FTICR-Massenanalyse auszuführen. Die große Anzahl von Produktionen kann ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der FTICR-Massenanalyse erhöhen und ein Erhalten von präziseren Massenspektren der Produktionen ermöglichen.
Die Details von einer oder mehreren Ausbildung(en) der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der unten folgenden Beschreibung ausgeführt. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind schematische Blockdiagramme, die ein beispielhaftes Massenspektrometer illustrieren.
1C ist ein schematisches Flußdiagramm, das ein Verfahren für eine Massenspektrometrie illustriert.
2A–2C sind Diagramme, die exemplarische bzw. beispielhafte Massenspektren illustrieren, die durch eine Ionenfalle als eine alleinstehende Massenanalysiereinrichtung erhalten sind.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Isolieren von Vorläuferionenpopulationen in einer Ionenfalle illustriert.
4 ist ein schematisches Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz von Ionen in einer Ionenfalle illustriert.
5A–5C sind schematische Diagramme, die ein Aktivieren von Vorläuferionen mit unterschiedlichen Frequenzen illustrieren.
6 und 7 sind schematische Diagramme, die Aktivierungseffizienzen einer Ionenfalle für unterschiedliche Aktivierungsparameter illustrieren.
8 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Massenspektrum illustriert, das durch eine FTICR-Analysiereinrichtung unter Verwendung einer Ionenfalle zur Isolation und Aktivierung erhalten ist bzw. wird.
Detaillierte Beschreibung
1A illustriert ein exemplarisches bzw. beispielhaftes Massenspektrometer 100. Das Massenspektrometer 100 umfaßt bzw. beinhaltet eine Ionenquelle 110, eine Ionenfalle 120, eine Massenanalysiereinrichtung 130, Ionenübertragungsoptiken 115 und 135 und eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. einen Controller 140. Die Ionenquelle 110 generiert bzw. erzeugt Ionen aus Probenmolekülen. Die generierten Ionen werden durch die Ionentransfer- bzw. -übertragungsoptiken 115 zur Ionenfalle 120 transportiert. Die Ionenfalle 120 isoliert Vorläuferionen und aktiviert die Vorläuferionen, um sie in Produktionen zu fragmentieren bzw. zu zerlegen. Die Produktionen werden durch die Ionentransferoptik 135 zu der Massenanalysiereinrichtung 130 transportiert, welche unterschiedliche Produktionen entsprechend ihren Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen trennt und die getrennten Ionen detektiert, um ein Massenspektrum zu erhalten. Die Elemente des Massenspektrometers können durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 140 betrieben bzw. betätigt werden.
Die Ionenquelle 110 ionisiert Teilchen, wie organische Moleküle in einer biologischen Probe. In einer Implementierung verwendet die Ionenquelle 110 eine Laserdesorptions-Ionisierungstechnik (”LDI”), bei welcher Laserstrahlimpulse auf eine Oberfläche einer Probe fokussiert werden, um Probenteilchen abzutragen und zu ionisieren. Um eine Fragmentierung der Probenmoleküle zu vermeiden, kann die Ionenquelle matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisierungstechniken (”MALDI”) verwenden, in welchen Probenmoleküle in einer Matrix, beinhaltend kleine Moleküle, eingebettet sind. Die Matrixmoleküle absorbieren die Laserenergie, verdampfen und ziehen gemeinsam mit den Probenmolekülen, welche durch ein Wechselwirken mit den verdampften Matrixmolekülen ionisiert werden. In alternativen Implementierungen können die Probenteilchen durch chemische Ionisation, statische, elektrische Felder oder Partikel- bzw. Teilchenstrahlen, wie Elektronenstrahlen, ionisiert werden.
Die Ionentransferoptik 115 extrahiert und transportiert die Probenionen und spritzt sie in die Ionenfalle 120 ein. Um die Probenionen von der Probe zu der Ionenfalle 120 zu führen, kann die Ionenübertragungsoptik 115 Rohrlinsen, Aperturblenden-Linsen, Differentialpumpöffnungen, Ionentunnel, umfassend eine Mehrzahl von RF-Elektroden, die Öffnungen bzw. Aperturen aufweisen, durch welche Ionen übertragen werden, oder Multi- bzw. Mehrpol-Stangenanordnungen beinhalten, wie eine oder mehrere aus Vierpol-, Sechspol- und Achtpol-Stangenanordnungen, um einen Kanal zu definieren, in welchem die Ionen transportiert werden.
Die Ionenfalle 120 erhält die Probenionen von der Ionenquelle 110, isoliert Vorläuferionen und aktiviert die isolierten Vorläuferionen, um sie in Produktionen zu fragmentieren. Eine beispielhafte Implementierung der Ionenfalle 120 ist in 18 illustriert. Techniken zur Verwendung von Ionenfallen zur Isolierung und Aktivierung sind bzw. werden unter Bezugnahme auf 1C und 3–7 diskutiert.
Die Ionentransferoptik 135, welche eine oder mehrere Mehrpol-Stangenanordnung(en), elektromagnetische Linsen, Rohrlinsen, Ionentunnel, Aperturblenden-Linsen oder Differentialpumpenöffnungen enthalten kann, transportiert die Produktionen von der Ionenfalle 120 zu der Massenanalysiereinrichtung 130.
Die Massenanalysiereinrichtung 130 trennt und detektiert Ionen entsprechend ihren Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen. In einer Implementierung beinhaltet die Massenanalysiereinrichtung 130 eine FTICR-Massenanalysiereinrichtung, in welcher unterschiedliche Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse durch ein Erregen der Ionen mit elektromagnetischen Feldern und Messen der Ionenantwort auf die Erregung detektiert werden. In alternativen Implementierungen kann die Massenanalysiereinrichtung 130 eine Flugzeit-Analysiereinrichtung sein, in welcher die gesamte Ladung der Ionen detektiert wird. D. h. die Anwesenheit von Ionen wird detektiert, nicht nur die Ionenantwort auf Erregungen, wie in der FTICR-Analysiereinrichtung.
Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. der Controller 140 kann ein oder mehrere Element(e) des Massenspektrometers 100 betreiben. Beispielsweise kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 140 eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wie einen Computer, beinhalten, welche(r) Instruktionen eines Computerprogramms ausführen. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 140 kann auch ein Benutzerinterface für einen menschlichen Betätiger zur Verfügung stellen, um Instruktionen zum Betreiben des Massenspektrometers zu empfangen.
1B illustriert eine beispielhafte Implementierung der Mehrpol-Ionenfalle 120. In dieser Implementierung ist die Ionenfalle 120 eine lineare Falle, wie eine 62 mm Linearfalle, welche einen ersten Endabschnitt 123, einen Mittelabschnitt 125 und einen zweiten Endabschnitt 127 beinhaltet. Jeder der Abschnitte 123, 125 und 127 enthält eine entsprechende Mehrpol-Stangenanordnung 122, 124 bzw. 126. Beispielsweise ist jede der Stangenanordnungen 122, 124 und 126 eine Quadrupol- bzw. Vierpol-Stangenanordnung, welche vier Vierpolstangen beinhaltet. Die Mehrpol-Stangenanordnungen definieren ein Volumen um eine Achse 121 der Ionenfalle 120, um Ionen zu führen und zu fangen.
Allgemein sind die Ionen in der Ionenfalle 120 während eines Betriebs in einem internen bzw. Innenvolumen begrenzt bzw. beschränkt, welches als ein aktiver Bereich bezeichnet ist. Der aktive Bereich ist ein Bereich bzw. eine Region des mittleren Abschnitts 125, welcher durch die zwei Endabschnitte 123 und 127 definiert ist. Um die Ionen in der Ionenfalle 120 zu fangen, begrenzen die zwei Endabschnitte 123 und 127 die Ionen axial innerhalb des mittleren bzw. Mittelabschnitts 125, während die Mehrpolstangen 124 radial die Ionen begrenzen. Für die 62 mm Linearfalle hat jeder der Endabschnitte 123 und 127 eine Länge von etwa 12 mm und der aktive Bereich hat eine Länge von weniger als etwa 35 mm. In alternativen Implementierungen kann die Ionenfalle eine kreisförmige Falle, eine dreidimensionale Falle oder eine Falle mit einer anderen Geometrie sein, wie den Geometrien, die in US 5 420 425 A beschrieben sind.
Die Ionenfalle 120 kann als eine stand-alone bzw. unabhängige bzw. alleinstehende Analysiereinrichtung verwendet werden, um die Produktionen in einem Scan- bzw. Abtastmodus zu analysieren. In dem Abtastmodus werden die gefangenen Produktionen selektiv durch ein Anlegen von unterschiedlichen Spannungen ausgestoßen, um Ionen mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen auszustoßen. Das Massenspektrum wird durch ein Detektieren der ausgestoßenen Teilchen unter Verwendung eines Detektorsystems erhalten, welches einen oder mehrere Elektronen- oder Fotovervielfacher umfaßt. Elektronen- und Fotovervielfacher detektieren die Gesamtladung der Ionen und stellen hohe Ausbeuten bzw. Verstärkungen bei niedrigem Rauschen zur Verfügung. So können die Vervielfacher verwendbare Signale produzieren, selbst wenn ein einziges Innenoberflächen auf das Detektorsystem trifft. Beispielhafte Massenspektren, die durch eine Ionenfalle in einem Abtastmodus erhalten sind bzw. werden, sind in 2A–2C illustriert.
Wenn die Ionenfalle 120 eine kurze, lineare Falle ist, nimmt sie traditionell 20.000–50.000 Ionen auf, ohne an Raumladungseffekten zu leiden. In einer Konfiguration, wo die lineare Falle Ionen für eine FTICR-Analysiereinrichtung zur Verfügung stellt, können die 20.000–50.000 Ionen unzureichend sein, um akzeptable Signal-zu-Rausch-Niveaus mit der FTICR-Analysiereinrichtung zu erzeugen, welche eine niedrigere Detektionseffizienz als die Ionenfalle 120 aufweist, wenn sie als eine unabhängige Analysiereinrichtung verwendet wird. In der FTICR-Analysiereinrichtung bewegen sich die Ionen in einem starken Magnetfeld gemäß einer Zyklotronbewegung und erzeugen einen Bildstrom, welcher detektiert und analysiert wird. Gegenwärtig kann der Bild- bzw. Abbildungsstrom nicht effizient verstärkt werden, ohne das Rauschen zu erhöhen. Somit erfordert die FTICR-Massenanalysiereinrichtung mehr Produktionen, um Massenspektren mit demselben Signal-zu-Rausch-Verhältnis wie die lineare Falle in dem Abtastmodus zu erhalten. Beispielsweise stellt eine typische FTICR-Analysiereinrichtung ein drei-zu-eins Signal-zu-Rausch-Verhältnis für 180 Ionen zur Verfügung, welche dasselbe Masse-zu-Ladungs-Verhältnis besitzen. Die Frequenz des Abbildungsstroms kann jedoch sehr präzise bestimmt werden, was zu einer hohen Auflösung und Massengenauigkeit in den erhaltenen Spektren führt.
1C illustriert ein Verfahren 150, um eine Massenspektrometrie-Analyse auszuführen. Das Verfahren 150 kann durch das Massenspektrometer 100 ausgeführt werden.
Die Ionenquelle 110 generiert bzw. erzeugt Ionen von einer Probe (Schritt 160) und die Ionenfalle 120 isoliert Vorläuferionen aus den generierten Ionen (Schritt 170). Um Vorläuferionen mit speziellen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen zu isolieren, werden die generierten bzw. erzeugten Probenionen zuerst in die Ionenfalle 120 injiziert. Als nächstes stößt die Ionenfalle Probenionen aus, die andere Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse besitzen als die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der Vorläuferionen. Somit bleiben nur die Vorläuferionen in der Ionenfalle 120 gefangen. Gegebenenfalls kann die Ionenfalle 120 die Probenionen empfangen und einige der Nicht-Vorläuferionen gleichzeitig ausstoßen, wie dies weiter unter Bezugnahme auf 3 diskutiert werden wird.
Produktionen werden durch ein Aktivieren der Vorläuferionen unter Verwenden einer Aktivierungsfrequenz generiert, welche auf die Ionenpopulation in der Ionenfalle 120 eingestellt ist (Schritt 180). Die Vorläuferionen werden durch ein Anlegen von elektromagnetischen Feldern aktiviert, welche die Vorläuferionen erregen, bis sie in Fragmente bzw. Bruchstücke zerfallen. Die erregten Vorläuferionen können durch ein Kollidieren mit anderen Teilchen, wie Molekülen von Hintergrundgasen in der Ionenfalle, fragmentiert werden. Die Vorläuferionen absorbieren mehr Energie von den angelegten Feldern und die Aktivierung wird effizienter, wenn das angelegte, elektromagnetische Feld eine Frequenz aufweist, welche nahezu oder an bzw. bei der Resonanzfrequenz der Vorläuferionen liegt. Eine Aktivierung bei unterschiedlichen Frequenzen wird weiters unter Bezugnahme auf 5A–5C diskutiert.
Die Resonanzfrequenz hängt von der Ionenpopulation ab. Je größer die Anzahl der Ionen in der Ionenfalle 120 ist, desto mehr Ionen wechselwirken miteinander. So können die Wechselwirkungen zwischen den Ionen relativ zu den elektrischen Feldern signifikant werden, welche durch Spannungen erzeugt werden, die an Elektroden in der Ionenfalle angelegt sind bzw. werden. Somit können die angelegten, elektrischen Felder im Inneren der Ionenfalle durch eine nicht gleichmäßige Ladungsverteilung gescreent bzw. untersucht werden, die durch die Ionen in der Falle erzeugt wird. Diese und andere Raumladungseffekte bilden einen Unterschied zwischen dem angelegten, elektrischen Feld und dem elektrischen Feld, das durch die Ionen in der Falle gefühlt wird. Diese Unterschiede können Scan- bzw. Abtast-, Isolations- und Aktivierungsarten bzw. -moden der Ionenfalle beeinflussen. Beispielsweise können die Raumladungseffekte die Resonanzfrequenz für eine Aktivierung verändern. Die Resonanzfrequenz kann für große Ionenpopulationen bestimmt werden, wie dies unten unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wird.
Die Massenanalysiereinrichtung 130 erhält ein Massenspektrum der Produktionen (Schritt 190). Das erhaltene Spektrum identifiziert unterschiedliche Massen der Produktionen und eine relative Anzahl von Produktionen für jede der unterschiedlichen Massen. Da die Produktionen aus den Vorläuferionen generiert wurden, kann das Massenspektrum der Produktionen verwendet werden, um strukturelle Komponenten der Vorläuferionen zu identifizieren. In einer Implementierung ist die Massenanalysiereinrichtung 130 eine FTICR-Massenanalysiereinrichtung, welche eine hohe Auflösung und eine genaue Massendetektion für das Massenspektrum der Produktionen zur Verfügung stellt, während die Ionenfalle 120 eine leicht zu benutzende Vorrichtung zur Isolierung und Aktivierung zur Verfügung stellt.
2A, 2B und 2C illustrieren jeweils beispielhafte Massenspektren 210, 220 bzw. 230, die durch eine Ionenfalle in einem Abtastmodus als eine unabhängige Massenanalysiereinrichtung erhalten wurden. Jedes der Massenspektren wird durch ein Abtasten unterschiedlicher Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse unter Verwendung eines Resonanzausstoßes bzw. eines Resonanzauswurfs erhalten.
Ionen sind in einem aktiven Bereich einer linearen Ionenfalle durch ein oszillierendes Vierpolfeld gefangen, das durch ein elektrisches RF-Signal generiert ist, das auf die Vierpolstangen der linearen Falle angelegt ist. Das oszillierende Feld fängt Ionen in dem aktiven Bereich mit unterschiedlicher Stabilität ein, welche von den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen der Ionen abhängt. Eine Stabilität der eingefangenen Ionen kann durch einen Stabilitätsparameter (”q”) gemessen werden, der von der Winkelfrequenz (”ω”) und der Amplitude (”V”) des angelegten RF-Signals, dem Ionen-Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (”m/z”) und der Größe der Geometrie des Aktivierungsbereichs abhängt. Für eine lineare Falle mit einem charakteristischen Innenradius (”r”) des aktiven Bereichs kann der Stabilitätsparameter q berechnet werden als q = cV/(ω²r²m/z) (Gleichung 1) wo c eine Konstante ist. Ionen werden eingefangen, wenn ihr Stabilitätsparameter q in einem Stabilitätsbereich liegt. Der Stabilitätsbereich hängt von Parametern, wie einer Vorspannung des RF-Signals, ab. In einer Implementierung beinhaltet der Stabilitätsbereich Stabilitätsparameterwerte zwischen etwa Null und etwa 0,9.
Ionen können aus der Falle durch ein Anlegen eines zusätzlichen Wechselstromsignals an die lineare Falle ausgestoßen bzw. ausgebracht werden. Das Wechselstromsignal hat eine Frequenz, welche im wesentlichen einer Resonanzfrequenz (”ν”) von Ionen mit einem spezifischen Stabilitätsparameter q entspricht. Bei kleinen Ionenpopulationen, wo die selbst generierten, elektrischen Felder nicht signifikant relativ zu den angelegten, elektrischen Feldern sind, hängt die Resonanzfrequenz ν von dem Stabilitätsparameter q gemäß einer bekannten Funktion ab, welche im wesentlichen linear für q < 0,4 ist, und beinhaltet nicht lineare Beiträge für größere Werte. Wenn das Wechselstromsignal angelegt ist bzw. wird, absorbieren die Ionen mit dem entsprechenden Stabilitätsparameterwert q Energie von dem angelegten Signal und werden instabil, während Ionen mit anderen Stabilitätsparameterwerten im wesentlichen keine Energie von dem Signal erhalten und gefangen bleiben.
In einer Abtastart werden Ionen mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen sequentiell durch Anlegen ihrer Resonanzfrequenz ausgestoßen, um das Massenspektrum zu generieren. Beispielsweise wird die Frequenz des Wechselstromsignals auf einem konstanten Wert entsprechend einer Resonanz eines bestimmten bzw. speziellen Stabilitätsparameterwerts, wie q = 0,88, gehalten und die unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse werden durch ein Verändern der Amplitude des RF-Signals abgetastet. Wenn sich die RF-Amplitude verändert, werden unterschiedliche Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse durch den speziellen Stabilitätsparameterwert der Abtastung dargestellt bzw. repräsentiert. Alternativ kann die Frequenz des Wechselstromsignals verändert werden, um unterschiedliche Stabilitätsparameterwerte abzutasten.
Jedes der Massenspektren 210, 220 und 230 stellt ein Massenspektrum dar, welches unter Verwendung eines Resonanzausstoßes generiert ist. Jedes Massenspektrum assoziiert Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse (m/z, horizontale Achse) mit einer entsprechenden, relativen Zahl von ausgestoßenen Ionen (vertikale Achse). Die Massenspektren 210, 220 und 230 werden unter Verwendung derselben Standardkalibriermischung von Ionen erhalten, ohne zusätzliche Isolation oder Aktivierung für Ionenpopulationen von unterschiedlichen Größen. Das Massenspektrum 210 (2A) entspricht einer ersten Ionenpopulation von etwa 30.000 Ionen in der Falle; das Spektrum 220 (2B) entspricht einer zweiten Ionenpopulation von etwa 300.000 Ionen in der Falle; und das Spektrum 230 (2C) entspricht einer dritten Ionenpopulation von etwa 3.000.000 Ionen in der Falle.
In dem Beispiel ist die erste Ionenpopulation von 30.000 Ionen der Spektralraumladungsgrenzwert der Ionenfalle. Über dem Spektralraumladungslimit bzw. -grenzwert verzerren Raumladungseffekte die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse in dem erhaltenen Spektrum um mehr als etwa 0,1 m/z. Dementsprechend sind für die zweite Ionenpopulation von 300.000 die Peaks in dem erhaltenen Spektrum zu höheren Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen relativ zu dem Spektrum bei der ersten Population verschoben. Die Verschiebungen sind üblicherweise größer als 0,1 m/z, obwohl in einer nicht gleichmäßigen Weise. D. h. das Ausmaß der Verschiebung ist unterschiedlich bei unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen. Bei der dritten Ionenpopulation von 3.000.000 haben die Peaks in dem erhaltenen Spektrum eine im wesentlichen verzerrte Form zusätzlich zu einer größeren Verschiebung relativ zu dem Spektrum bei kleineren Populationen. Dies zeigt, daß über dem spektralen Raumladungsgrenzwert die Ionenfalle ein nicht gleichförmig verzerrtes Spektrum generiert, wenn sie als unabhängige Massenanalysiereinrichtung verwendet wird.
3 illustriert ein schematisches Diagramm 300, das die Anzahl von Vorläuferionen darstellt, die in einer Ionenfalle als eine Funktion einer Einspritzzeit isoliert sind. Die Anzahl von Ionen, die die Ionenfalle enthalten kann, ist durch einen Speicherraumladungsgrenzwert begrenzt, welcher proportional zu der Länge des aktiven Bereichs der Falle ist, und hängt von dem RF-Signal ab, das an die Ionenfalle angelegt ist. Beispielsweise ist für die 62 mm Linearfalle, die oben diskutiert ist, der Speicherraumladungsgrenzwert mehr als 5 Millionen Ionen für Standard-RF-Signale. Über 5 Millionen Ionen kann die Linearfalle unfähig sein, effektiv Ionen mit großen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen zu speichern, wie Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse über eintausend fünfhundert. Zum Erhalten von guten Signal-zu-Rausch-Verhältnissen unter Verwendung einer FTICR-Massenanalysiereinrichtung kann die Falle mit etwa einer Million Ionen gefüllt sein bzw. werden.
Typischerweise erhält bzw. empfängt die Ionenfalle zahlreiche unterschiedliche Probenionen, von welchen die Vorläuferionen, die zu isolieren sind, nur einen kleinen Anteil bzw. Bruchteil darstellen. Daher kann es vorteilhaft sein, kontinuierlich unerwünschte Ionen mit einer geschneiderten Wellenform während des Einspritzverfahrens bzw. -prozesses auszustoßen. Beispielsweise tragen mit der Standard-Kalibriermischung, die in 2 gezeigt ist, die Vorläuferionen, die ein Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von etwa 524 besitzen, nur etwa zehn Prozent der gesamten Ionenpopulation bei. Die unerwünschten Ionen können mit geschneiderten Wellenformen ausgestoßen werden, wie sie beispielsweise in US 4 761 545 A beschrieben sind.
Eine schematische Funktion 310 illustriert, daß, wenn unerwünschte Ionen ausgestoßen werden, wenn Ionen in der Ionenfalle eingespritzt bzw. eingebracht werden, die Anzahl von Vorläuferionen monoton mit der Zeit ansteigt. Somit kann eine abschließende bzw. Endisolation in der Ionenfalle an einer Ionenpopulation ausgeführt werden, welche in erster Linie aus den gewünschten Vorläuferionen besteht.
Eine schematische Funktion 320 illustriert, daß ohne simultanes Ausstoßen die Anzahl von isolierten Vorläuferionen wesentlich kleiner ist. Ohne simultanes bzw. gleichzeitiges Ausstoßen bzw. Auswerfen kann die gesamte Ionenpopulation in der Ionenfalle zu irgendeinem Zeitpunkt während der Isolation etwa zehnmal größer sein. Die große Ionenpopulation generiert große Raumladungseffekte, welche die gewünschten Vorläuferionen außerhalb des engen Bereichs von stabilen Massen verschieben kann, die während des Isolationsverfahrens erzeugt werden. Die Raumladungsverschiebung kann groß genug sein, um die gewünschten Vorläuferionen nahezu vollständig außerhalb des stabilen Isolationsmassenbereichs zu verschieben, wie dies durch den Abfall der schematischen Funktion 320 bei Einspritzzeiten über 400 ms gezeigt ist.
Die maximale Anzahl von Vorläuferionen, welche eine Ionenfalle isolieren kann, wird als ein Isolationsraumladungsgrenzwert bezeichnet. Wie dies durch die schematischen Funktionen 310 und 320 gezeigt ist, kann der Isolationsraumladungsgrenzwert mehr als fünfmal größer unter Verwendung eines simultanen Ausstoßens als ohne dies sein.
Eine Isolation in der Ionenfalle ist weniger für Raumladungseffekte anfällig als ein Erhalten eines Massenspektrums mit der Ionenfalle in einem Scan- bzw. Abtastverfahren. Wenn die Ionenfalle eine unabhängige Massenanalysiereinrichtung ist, können die Raumladungseffekte Verschiebungen in dem erhaltenen Massenspektrum bei großen Ionenpopulationen bewirken. Weil diese Verschiebungen typischerweise in dem erhaltenen Massenspektrum nicht akzeptabel sind, können dieselben Verschiebungen unzureichend sein, um ein Vorläuferion von Interesse während einer Isolation zu destabilisieren.
4 illustriert ein Verfahren 400 zum Bestimmen von Resonanzfrequenzen bei unterschiedlichen Ionenpopulationen in einer Ionenfalle. Die bestimmten Resonanzfrequenzen können zum Aktivieren von Vorläuferionen in der Ionenfalle verwendet werden.
Eine Resonanzfrequenz wird für ein Vorläuferion in einer ersten Ionenpopulation in der Ionenfalle (Schritt 410) kalibriert bzw. geeicht. Die erste Ionenpopulation beinhaltet eine relativ kleine Anzahl von Ionen, für welche Raumladungseffekte vernachlässigbar sind. In einer 62 mm Linearfalle kann die erste Ionenpopulation weniger als etwa 10.000 Ionen beinhalten. Während einer Kalibrierung wird ein Wechselstromsignal mit einer charakteristischen Frequenz angelegt, um die Vorläuferionen, die in der Ionenfalle gefangen sind, durch Felder zu erregen, die unter Verwendung eines RF-Signals generiert sind bzw. werden. Die Resonanzfrequenz wird durch ein Maximieren einer Energieabsorption der Vorläuferionen gefunden. Um die Energieabsorption zu maximieren, wird die Amplitude des RF-Signals optimiert und die charakteristische Frequenz des Wechselstromsignals wird konstant gehalten. Alternativ kann die Frequenz des Wechselstromsignals variiert werden, um die Energieabsorption zu maximieren, während die RF-Amplitude unverändert ist. Bei der maximalen Absorption ist die Frequenz des Wechselstromsignals die kalibrierte Resonanzfrequenz der Vorläuferionen für die entsprechende Amplitude des RF-Signals.
Bei einer anderen RF-Amplitude oder für Vorläuferionen, die ein anderes Masse-zu-Ladungs-Verhältnis besitzen, kann die Resonanzfrequenz durch standardmäßige theoretische Formeln bestimmt werden. Beispielsweise ist gemäß Gleichung 1 bei einer konstanten Winkelfrequenz ω des RF-Signals die RF-Amplitude V proportional zu einem Koeffizienten (”K”), dem Stabilitätsparameter q und dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z des Vorläuferions als V = Kqm/z (Gleichung 2)
Da sich der Stabilitätsparameter q auf die Resonanzfrequenz und die RF-Amplitude bezieht, kann der Koeffizient K aus der Kalibrierung unter Verwendung der angelegten Resonanzfrequenz und der korrespondierenden RF-Amplitude V für ein Vorläuferion mit einem bekannten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z bestimmt werden. Sobald der Koeffizient K bekannt ist, kann die Resonanzfrequenz oder die entsprechende RF-Amplitude V für jegliches spezielle Masse-zu-Ladungs-Verhältnis berechnet werden.
Gegebenenfalls kann die Kalibrierung für unterschiedliche Parameterwerte wiederholt werden, um Abweichungen von den vorhergesagten, theoretischen Werten zu detektieren. Die Abweichungen können durch Nichtlinearitäten bewirkt sein, welche die Theorie nicht vorhersagt, wie nicht lineare Quadrupolpotentiale oder nicht lineare Druckänderungen. In einer Implementierung werden zwei Kalibrierungen für zwei unterschiedliche Frequenzen des Wechselstromsignals ausgeführt. Jede Kalibrierung kann dasselbe Vorläuferion und die Frequenz des eingefangenen RF-Signals verwenden und die Amplitude des einfangenden bzw. Einfang-RF-Signals variieren. Für jede Frequenz des Wechselstromsignals ergibt die Kalibrierung eine RF-Amplitude entsprechend der Resonanz. Wenn diese Amplituden von den theoretischen Werten abweichen, können Interpolations- oder Extrapolationstechniken verwendet werden, um Abweichungen für andere Wechselstromfrequenzen oder RF-Amplituden vorherzusagen.
Eine Resonanzfrequenz wird für eine zweite Ionenpopulation basierend auf der anfänglichen Kalibrierung und der zweiten Ionenpopulation bestimmt (Schritt 420). Die zweite Ionenpopulation beinhaltet eine große Anzahl von Ionen, für welche Raumladungseffekte vorhanden sind. In einer 62 mm Linearfalle kann die zweite Ionenpopulation mehr Ionen als der Spektralraumladungsgrenzwert von etwa 30.000 Ionen enthalten. Beispielsweise kann die zweite Ionenpopulation von etwa 500.000 bis etwa einer Million Ionen beinhalten. Derartige Ionenpopulationen können eine ausreichende Zahl von Produktionen für eine nachfolgende Massenanalyse durch eine FTICR-Massenanalysiereinrichtung zur Verfügung stellen, wie dies in 1A gezeigt ist.
Die Resonanzfrequenz (”ν_opt”) an der zweiten Ionenpopulation hängt von einer kalibrierten Frequenz (”ν_cal”) und einer Raumladungseinstellung (”δ”) ab wie ν_opt = ν_cal – δ (Gleichung 3)
Die kalibrierte Frequenz ν_cal ist die Resonanzfrequenz, die entsprechend der Kalibrierung berechnet wurde. Wenn das Einfang-RF-Signal dieselbe Frequenz wie während einer Kalibrierung besitzt, kann die kalibrierte Frequenz berechnet werden, wie dies oben unter Bezugnahme auf Gleichung 2 diskutiert ist. Wenn das Einfang-RF-Signal eine unterschiedliche Frequenz als während einer Kalibrierung besitzt, kann die kalibrierte Frequenz mit anderen bekannten, theoretischen Formeln berechnet werden, wie Gleichung 1, welche Abhängigkeiten des Einfang-RF-Signals auf die Frequenz beschreibt. Gegebenenfalls können empirische Interpolations- oder Extrapolationsformeln ebenfalls verwendet werden, um die kalibrierte Frequenz zu berechnen.
Die Raumladungseinstellung δ beschreibt einen Unterschied zwischen der kalibrierten Resonanzfrequenz, welche auf der Kalibrierung bei der ersten Ionenpopulation basiert, und der Resonanzfrequenz, welche eine Resonanz für die zweite Ionenpopulation zur Verfügung stellt. Die Raumladungseinstellung δ hängt von der Anzahl von Ionen in der zweiten Ionenpopulation ab. Typischerweise ist, je größer die Anzahl (”N”) der Ionen in der zweiten Ionenpopulation ist, umso größer die Raumladungseinstellung und, entsprechend Gleichung 3, umso kleiner die Resonanzfrequenz bei der zweiten Ionenpopulation. Für einige Ionenfallen oder Ionenpopulationen kann jedoch die Raumladungseinstellung δ ein negatives Vorzeichen oder eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Anzahl von Ionen in der Population besitzen.
Die Gesamtanzahl von Ionen in der Falle kann durch ein Ausstoßen der Ionen aus der Ionenfalle und Detektieren der ausgestoßenen Ionen durch Elektronen- oder Fotovervielfacher ähnlich zu einem Erhalten eines Massenspektrums mit der Ionenfalle als eine unabhängige Massenanalysiereinrichtung bestimmt werden. Basierend auf den detektierten Signalen kann die Anzahl von Ionen in der Ionenfalle durch ein Einstellen der Verstärkung der Elektronen- oder Fotovervielfacher bzw. -vervielfachereinrichtungen und der Umwandlungsfunktion der Strom-zu-Spannungs-Schaltung bestimmt werden.
Die Raumladungseinstellung δ hängt auch von der Amplitude V des Einfang-RF-Signals ab. Typischerweise ist, je größer die RF-Amplitude ist, umso kleiner die Raumladungseinstellung. Wenn Raumladungseffekte bei der ersten Ionenpopulation vernachlässigbar sind, hängt die Raumladungseinstellung von der zweiten Ionenpopulation und der RF-Amplitude im wesentlichen als δ = A'N/V (Gleichung 4a) ab, wo A' ein empirischer Koeffizient ist. Wie oben unter Bezugnahme auf Gleichung 2 diskutiert, ist die RF-Amplitude V proportional zu dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z des Vorläuferions und dem Stabilitätsparameter q. Dementsprechend kann Gleichung 4a umgeschrieben werden als δ = AN / qm/z (Gleichung 4b) wo A ein anderer empirischer Koeffizient ist. Der Koeffizient A (oder A') kann bestimmt werden, indem die Resonanzfrequenzen für Ionenpopulationen, die unterschiedliche Anzahl von Ionen enthalten, bei demselben Stabilitätsparameter q und Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z des Vorläuferions gefunden werden. Typischerweise hängt der Koeffizient A von der Frequenz des Einfang-RF-Signals und der Geometrie der Ionenfalle ab.
Die Raumladungseinstellung δ kann auch von anderen Parametern der Ionenfalle oder dem Aktivierungsverfahren bzw. -prozeß abhängen. Beispielsweise kann die Raumladungseinstellung von einem dämpfenden bzw. Dämpfungsgasdruck innerhalb der Ionenfalle oder der Anzahl von Ionen in der ersten Ionenpopulation abhängen. Derartige Abhängigkeiten sind basierend auf einem Kalibrieren der Resonanz bei unterschiedlichen Ionenpopulationen und unterschiedlichen Parametern vorhersagbar. So kann die Raumladungseinstellung eine komplexere Funktion der Ionenpopulation, des Stabilitätsparameters oder des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses der Vorläuferionen sein, als dies durch Gleichungen 3–4b beschrieben ist. Diese komplexeren Funktionen können durch nicht lineare Funktionen oder durch Einbringen von Abhängigkeiten in den Koeffizienten A modelliert werden.
Basierend auf Gleichung 3 können entsprechende Formeln für Resonanzparameter verschieden von der Resonanzfrequenz generiert werden. Beispielsweise können Gleichung 3 und die Beziehung bzw. der Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und der RF-Amplitude verwendet werden, um eine Resonanzamplitude des Einfang-RF-Signals an einer festgelegten Frequenz des Wechselstromsignals zu bestimmen. Somit kann eine Einstellung auf eine kalibrierte RF-Amplitude für Ionenpopulationen spezifiziert werden, welche unterschiedliche Anzahlen von Ionen enthalten. Da die Frequenzeinstellung die kalibrierte Frequenz verringert, wenn die Anzahl von Ionen in der Ionenpopulation ansteigt, erhöht die entsprechende Amplitudeneinstellung die RF-Amplitude.
5A–5C illustrieren aktivierende Vorläuferionen (”A+”) mit Wechselstromsignalen, welche unterschiedliche Frequenzen besitzen. Wie dies in 5A gezeigt ist, absorbieren, wenn das Wechselstromsignal eine Frequenz verschieden von der Resonanzfrequenz besitzt, die Vorläuferionen eine kleine Energiemenge von dem Wechselstromsignal und nur wenige Fragmente (Produktionen ”D+”) werden durch die Aktivierung generiert. Nicht-Resonanzaktivierung kann auftreten, wenn die Population von Vorläuferionen große Raumladungseffekte zeigt bzw. ausübt und die Vorläuferionen unter Verwendung einer Aktivierungsfrequenz erregt werden, welche basierend auf einer Kalibrierung bei Ionenpopulationen berechnet wird, beinhaltend eine kleine Anzahl von Ionen, für welche Raumladungseffekte vernachlässigbar sind.
Wie dies in 5B gezeigt ist, werden mehr Produktionen generiert, wenn die Aktivierungsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz der Vorläuferionen liegt. Eine Aktivierung nahe einer Resonanzfrequenz kann auftreten, wenn die Population von Vorläuferionen kleine Raumladungseffekte zeigt und die Vorläuferionen unter Verwendung einer Aktivierungsfrequenz erregt werden, welche nicht auf die Ionenpopulation eingestellt ist, oder wenn die Aktivierungsfrequenz auf die Ionenpopulation eingestellt ist, jedoch eine nicht optimale Einstellung getätigt wurde.
Wie dies in 5C gezeigt ist, absorbieren, wenn die Aktivierungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, die Vorläuferionen das meiste der Energie des Wechselstromsignals und sie zerfallen in eine große Anzahl von Produktionen 32. Wie dies oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wurde, kann die Aktivierungsfrequenz auf Ionenpopulationen eingestellt werden, welche eine große Anzahl von Ionen beinhalten. Somit kann eine Aktivierungseffizienz wesentlich durch ein Einstellen der Aktivierungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz in der Ionenpopulation verbessert werden.
6 ist ein schematisches Diagramm 600, das eine Aktivierungseffizienz in einer linearen Ionenfalle, wie der 62 mm Linearionenfalle, illustriert. Die Aktivierungseffizienz ist in Prozentsätzen (vertikale Achse) für unterschiedliche Ionenpopulationen illustriert, beinhaltend etwa 30.000 bis etwa 650.000 Ionen (horizontale Achse). Vorläuferionen werden durch ein Anlegen eines Wechselstromsignals zusätzlich zu einem Einfang-RF-Signal an die Ionenfalle aktiviert. Die Frequenz des Wechselstromsignals wird als die Aktivierungsfrequenz bezeichnet.
Das Diagramm 600 illustriert eine erste Funktion 610 und eine zweite Funktion 620. Die erste Funktion 610 spezifiziert Aktivierungseffizienzen, wenn die Aktivierungsfrequenz auf einer Kalibrierung an Ionenpopulationen basiert, beinhaltend eine kleine Anzahl von Ionen, wie etwa 10.000 Ionen, und die Aktivierungsfrequenz nicht auf größere Ionenpopulationen eingestellt wurde. In diesem Beispiel spezifiziert die erste Funktion 610 eine große Aktivierungseffizienz von etwa 75 für Ionenpopulationen, beinhaltend etwa 30.000 Ionen. Wenn bzw. da die Anzahl von Ionen in der Population ansteigt, sinkt die Aktivierungseffizienz ab. Für eine Population von etwa 650.000 sinkt die Effizienz auf etwa 25 ab. Es wird angenommen, daß der Abfall in erster Linie durch eine Differenz zwischen der Resonanzfrequenz, die bei kleinen Ionenpopulationen kalibriert ist, und der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Vorläuferionen in einer großen Ionenpopulation bewirkt ist, welche Raumladungseffekten unterworfen ist.
Wie oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert, ist die Differenz zwischen kalibrierten und tatsächlichen Resonanzfrequenzen vorhersagbar und erlaubt, daß eine Einstellung der Aktivierungsfrequenz besser mit der Resonanzfrequenz der Vorläuferionen übereinstimmt. Somit kann die Einstellung Aktivierungseffizienzen für große Ionenpopulationen, d. h. unter hohen Raumladungsbedingungen, verbessern.
Die zweite Funktion 620 spezifiziert Aktivierungseffizienzen, wenn die Aktivierungsfrequenz eingestellt ist, um größere Ionenpopulationen zu kompensieren. In einer Implementierung ist bzw. wird die Aktivierungsfrequenz um etwa 1,5 kHz reduziert, ohne das Einfang-RF-Signal zu verändern. Aufgrund der Einstellung beschreibt die zweite Funktion 620 eine Aktivierungseffizienz, welche über 50 selbst für große Ionenpopulationen, beinhaltend bis etwa 650.000 Ionen bleibt. Somit stellt, verglichen mit dem nicht eingestellten Fall, der durch die erste Funktion 610 gekennzeichnet ist, die Einstellung der Aktivierungsfrequenz einen etwa zweifachen Anstieg in der Aktivierungsfrequenz für Ionenpopulationen, beinhaltend etwa 500.000 Ionen, zur Verfügung. Für größere Ionenpopulationen kann der Anstieg noch größer sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem Ändern der Aktivierungseffizienz kann die Resonanzfrequenz durch ein Verändern der Amplitude des Einfang-RF-Signals eingestellt werden.
Das Diagramm 600 illustriert eine Effizienz einer Aktivierung, welche bei einem relativ kleinen Stabilitätsparameterwert q von etwa 0,25 ausgeführt ist bzw. wird. Der Stabilitätsparameter kann als ein Kompromiß zwischen einem Maximieren der kinetischen Energie, die den Vorläuferionen verliehen ist, und einem Aufrechterhalten von Produktionen gewählt sein, welche die kleinsten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse im Inneren der Falle besitzen. Da die Amplitude des Einfang-RF-Signals proportional zu dem Stabilitätsparameter ist, hat die RF-Amplitude einen relativ kleinen Wert, bei welchem eine Aktivierung für Raumladungseffekte anfälliger bzw. wahrscheinlicher ist als eine Isolation. Diese Effekte können durch ein Erhöhen des Stabilitätsparameters q (und somit des Einfang-RF-Signals) abgesenkt werden.
7 illustriert schematische Diagramme 700 und 750, die zeigen, wie eine Aktivierungseffizienz von dem Wert des Stabilitätsparameters q in einer Ionenfalle abhängt, welche eine Ionenpopulation, beinhaltend zwischen etwa 30.000 und etwa 600.000 Ionen, aufweist.
Das Diagramm 700 illustriert Aktivierungseffizienzen, wenn die Aktivierungsfrequenz auf kleine Ionenpopulationen kalibriert ist. Das Diagramm 700 illustriert eine erste 720, eine zweite 725 und eine dritte 730 Funktion, die Aktivierungseffizienzen für Stabilitätsparameterwerte q = 0,2, q = 0,25 bzw. q = 0,3 beschreibt. Jede dieser Funktionen beschreibt abnehmende Aktivierungseffizienzen, wenn die Ionenpopulation ansteigt. Die Verringerung wird kleiner für größere Werte des Stabilitätsparameters q. Für q = 0,2 (Funktion 720) fällt die Effizienz um etwa 60% von etwa 75% auf etwa 15%, wenn die Anzahl von Ionen von 30.000 auf 600.000 ansteigt. Für dieselben Ionenpopulationen bei q = 0,25 (Funktion 722) fällt die Effizienz um etwa 50% von etwa 75% auf etwa 25%. Für q = 0,3 (Funktion 730) ist der Abfall nur etwa 30% von etwa 65% auf etwa 35%.
Das Diagramm 750 illustriert Aktivierungseffizienzen, wenn die Aktivierungsfrequenz eingestellt ist bzw. wird, um große Ionenpopulationen zu kompensieren. Das Diagramm 750 illustriert eine vierte 770, eine fünfte 775 und eine sechste 780 Funktion, die Aktivierungseffizienzen für dieselben Stabilitätsparameterwerte beschreiben, d. h. q = 0,2, q = 0,25 und q = 0,3, wie die Funktionen 720, 725 bzw. 730. Für alle diese Werte des Stabilitätsparameters q resultiert die Einstellung in einer wesentlichen Verbesserung in der Aktivierungseffizienz bei großen Ionenpopulationen, und diese verbesserten Aktivierungseffizienzen hängen weniger von dem Stabilitätsparameter q ab.
8 illustriert ein Diagramm 800, das ein beispielhaftes bzw. exemplarisches Massenspektrum darstellt, das durch eine FTICR-Analysiereinrichtung unter Verwendung einer linearen Ionenfalle für eine Isolation und Aktivierung erhalten ist bzw. wird. Ein Abschnitt des Massenspektrums 800 ist in einem Diagramm 810 vergrößert.
Wie dies in 8 gezeigt ist, ist die lineare Ionenfalle fähig, Ionenpopulationen zu isolieren und zu aktivieren, welche ausreichend sind, um hochqualitative Massenspektren unter Verwendung der FTICR-Analysiereinrichtung zu sammeln. In dem beispielhaften Massenspektrum wird das Peptid MRFA (chemische Formel C₂₃H₃₇N₇O₅S) isoliert und in der Ionenfalle unter Verwendung von etwa zwei Millionen Ionen aktiviert. Die Ionen werden dann zu der FTICR-Analysiereinrichtung transferiert, welche ein Massenspektrum mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von etwa 1000:1 für den Basispeak erzeugt. Der mittlere Massenfehler für die Fragmente in diesem Spektrum ist etwa 1 ppm.
Aspekte der Erfindung, beinhaltend einige oder alle der funktionellen Tätigkeiten, die hierin beschrieben sind, können in einer digitalen, elektronischen Schaltung oder in Computer-Hardware, Firmware, Software oder Kombinationen davon implementiert sein. Die Verfahren der Erfindung können als ein Computerprogramm-Produkt implementiert sein, d. h. ein Computerprogramm, das fühlbar bzw. greifbar in einem Informationsträger, beispielsweise einer maschinenlesbaren Speichervorrichtung oder in einem übertragenen Signal zur Ausübung durch oder zum Steuern bzw. Regeln des Betriebs einer Datenverarbeitungsvorrichtung, z. B. eines programmierbaren Prozessors, eines Computers oder mehreren Computern, verkörpert ist. Ein Computerprogramm kann in jeder Form einer Programmiersprache, beinhaltend kompilierte oder interpretierte Sprachen, geschrieben sein, und kann in jeglicher Form, beinhaltend ein unabhängiges Programm oder als ein Modul, eine Komponente, Subroutine oder eine andere Einheit eingesetzt sein, die zur Verwendung in einer Berechnungsumgebung geeignet ist. Ein Computerprogramm kann eingesetzt sein, um auf einem Computer oder auf mehreren Computern an einer Stelle oder verteilt über mehrere Stellen und miteinander verbunden durch ein Kommunikationsnetzwerk ausführbar zu sein.
Verfahrensschritte der Erfindung können durch einen oder mehrere programmierbare Prozessor(en) durchgeführt werden, die ein Computerprogramm ausführen, um Funktionen der Erfindung durch ein Arbeiten an Eingabedaten und ein Generieren bzw. Erzeugen einer Ausgabe auszuführen. Verfahrensschritte können auch ausgeführt werden durch und Vorrichtungen der Erfindung können implementiert sein als eine Logikschaltung für spezielle Zwecke, beispielsweise FPGA (feldprogrammierbares Gatearray) oder ein ASIC (anwendungsspezifische, integrierte Schaltung).
Prozessoren, die für die Ausführung eines Computerprogramms geeignet sind, beinhalten in beispielhafter Weise Mikroprozessoren sowohl für allgemeine als auch spezifische Zwecke, und irgendeinen oder mehrere Prozessoren von irgendeiner Art eines digitalen Computers. Allgemein wird ein Prozessor Instruktionen bzw. Anweisungen und Daten von einem Nur-Lese-Speicher oder einem Direktzugriffsspeicher oder beiden erhalten. Die wesentlichen Elemente eines Computers sind ein Prozessor zum Ausführen von Instruktionen und eine oder mehrere Speichervorrichtung(en) zum Speichern von Instruktionen und Daten. Allgemein wird ein Computer auch enthalten oder operativ gekoppelt sein mit einer oder mehreren Massenspeichervorrichtung(en) zum Speichern von Daten, beispielsweise magnetischen, magneto-optische Disketten oder optische Disketten, um Daten von denselben zu erhalten oder zu denselben zu übertragen oder beides. Informationsträger, die für ein Verkörpern von Computerprogramminstruktionen und Daten geeignet sind, beinhalten alle Formen von nicht flüchtigen Speichern, beinhaltend in beispielhafter Weise Halbleiterspeichervorrichtungen, z. B. EPROM, EEPROM und Flash-Speichervorrichtungen; Magnetdisketten, z. B. interne Festplatten oder entfernbare Disketten, magneto-optische Disketten, CD-ROM- und DVD-ROM-Disketten. Der Prozessor und der Speicher können durch eine Logikschaltung für spezielle Zwecke unterstützt bzw. ergänzt sein oder in dieser inkorporiert sein.
Um eine Wechselwirkung mit einem Benutzer zur Verfügung zu stellen, kann die Erfindung auf einem Computer implementiert sein, der eine Anzeige, beispielsweise einen CRT (Kathodenstrahlröhre) oder LCD (Flüssigkristallanzeige) Monitor, um Information dem Benutzer anzuzeigen, und eine Tastatur und eine Zeigevorrichtung besitzt, wie eine Maus oder einen Track-Ball, durch welche(n) der Benutzer Eingaben dem Computer zur Verfügung stellen kann. Andere Arten von Vorrichtungen können verwendet werden, um auch eine Wechselwirkung mit einem Benutzer zur Verfügung zu stellen; beispielsweise eine Rückmeldung, die dem Benutzer zur Verfügung gestellt wird, kann in jeder Form einer fühlbaren Rückmeldung, z. B. sichtbaren Rückmeldung, hörbaren Rückmeldung oder spürbaren Rückmeldung, vorliegen, und eine Eingabe von dem Benutzer kann in jeder Form, umfassend bzw. beinhaltend eine akustische, Spracheingabe oder fühlbare Eingabe, erhalten werden.
Eine Anzahl von Ausbildungen der Erfindung wurde beschrieben. Nichtsdestotrotz wird verstanden werden, daß verschiedene Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem Geist und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die Schritte des beschriebenen Verfahrens in einer unterschiedlichen Reihenfolge ausgeführt werden und immer noch wünschenswerte Ergebnisse ergeben. Die beschriebenen Techniken können auf andere Ionenfallen, wie 3D-Ionenfallen, angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Fragmentieren von Ionen in einer Quadrupol-Ionenfalle zur Analyse mittels Massenspektrometrie, wobei das Verfahren umfasst: Akkumulieren einer ersten Ionenpopulation in der Ionenfalle, wobei die erste Ionenpopulation eine Anzahl von Ionen aufweist, für die Raumladungseffekte in der Ionenfalle vernachlässigbar sind, und erste Vorläuferionen mit einem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z umfasst; Bestimmen einer kalibrierten Resonanzfrequenz ν_cal, bei der die Energieabsorption durch die ersten Vorläuferionen maximiert ist; Akkumulieren einer zweiten Ionenpopulation in der Ionenfalle, wobei die zweite Ionenpopulation eine größere Anzahl von Ionen als die erste Ionenpopulation aufweist, derart dass Raumladungseffekte in der Ionenfalle vorhanden sind, und zweite Vorläuferionen mit demselben Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z umfasst; Bestimmen der Anzahl N von Ionen in der zweiten Ionenpopulation; Berechnen einer Raumladungseinstellung δ für die zweiten Vorläuferionen in der zweiten Ionenpopulation basierend auf der Anzahl N von Ionen in der zweiten Ionenpopulation gemäß δ = AN/(q·m/z), wobei q = cV/(ω²r²m/z) ein Stabilitätsparameter mit der Winkelfrequenz ω und der Amplitude V eines an die Ionenfalle angelegten RF-Signals ist, wobei c eine Konstante und r ein charakteristischer Innenradius eines aktiven Bereichs der Ionenfalle ist, und wobei A ein empirischer Koeffizient ist, der für die Ionenfalle bestimmt wurde, indem Resonanzfrequenzen für Ionenpopulationen, die unterschiedliche Anzahlen N von Ionen enthielten, bei demselben Stabilitätsparameter q und Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z der eingefangenen Ionen experimentell ermittelt wurden; Berechnen einer Resonanzfrequenz ν_opt für die zweiten Vorläuferionen auf der Basis der kalibrierten Resonanzfrequenz ν_cal für die ersten Vorläuferionen gemäß ν_opt = ν_cal – δ; und Anwenden eines Wechselstrom-Signals bei der eingestellten Resonanzfrequenz ν_opt zum Aktivieren der zweiten Vorläuferionen und zum Bewirken, dass ein Teil davon zu Produkt-Ionen fragmentiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst: Auswerfen von einem oder mehreren Produkt-Ion(en) aus der Ionenfalle basierend auf den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen der Produkt-Ionen.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: Analysieren der Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der ausgeworfenen Produkt-Ionen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die ausgeworfenen Produkt-Ionen in einer FTICR-Massenanalysiereinrichtung analysiert werden.