DE4134905A1

DE4134905A1 - Tandem-massenspektrometer basierend auf flugzeitanalyse

Info

Publication number: DE4134905A1
Application number: DE4134905A
Authority: DE
Inventors: David S Alderdice; Peter J Derrick; Daniel R Jardine
Original assignee: Unisearch Ltd
Current assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1992-04-23
Also published as: US5206508A; GB2250632A; JP3219434B2; GB2250632B; JPH0513044A; GB9122012D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Tandem-Massenspektrometer-System, dessen Funktionsweise auf der Flugzeitanalyse (TOF, Time-of- flight) beruht.

Ziel derartiger Messungen ist es, die Moleküle in einer vorgege benen Probe zu identifizieren. Die Molekülmasse läßt sich mes sen, indem den Molekülen ein bestimmter Betrag kinetischer Ener gie zugeführt und ihre Geschwindigkeit durch Flugzeitanalyse gemessen wird. Verschiedene Moleküle können jedoch gleiche Masse aufweisen; diese können durch Dissoziation und anschließende Massenanalyse der erzeugten Tochterteilchen voneinander unter schieden werden. In den vergangenen Jahren ist zunehmend Bedarf entstanden, mit höchstmöglicher Sensitivität komplexe biologi sche und andere Moleküle und Molekülgemische durch Tandem-Mas senspektrometrie zu analysieren.

In bekannten Tandem-Massenspektrometer-Systemen ist es notwen dig, daß Ionen einer bestimmten Masse vor Anregung dieses Ions ausgewählt werden, um ein Tandem-Massenspektrum zu erhalten. Ein Tandem-Flugzeitanalysator, der von Cooks et al (Int. J. Mass Spectrom Ion Proc., 77, 49-61 (1987)) beschrieben wurde, sieht die Ionenauswahl vor einer oberflächeninduzierten Dissoziation und Sammlung der Fragmentionen entlang einer Richung senkrecht zur Flugrichtung des ausgewählten Mutterions vor. Das Verfahren ergibt nur niedrige Auflösung und Sensitivität, was typisch für oberflächeninduzierte Anregung und senkrechte Sammlung ist. Brechignac et al (J. Chem Phys., 88, 3022-3027 (1988)) haben einen Tandem-Flugzeitanalysator beschrieben, der Photodissozia tion eines Ions ausgewähler Masse anwendet, wobei ein linearer, niedrig auflösender Flugzeitzähler als zweiter Analysator dient.

Typisch für die bekannten Systeme ist die Anwendung von Vorrich tungen, die physikalisch Teilchen mit einer gemeinsamen Masse selektieren und jegliche Teilchen mit abweichender Masse aus scheiden. Auf einfache Weise geschieht dies, indem ein Teil der verfügbaren Probe ionisiert wird und die erzeugten Ionen entlang eines Ionenwegs durch ein Gerät wie eine magnetische Ablenk- oder Quadrupoleinrichtung geführt werden. Nach Anregung einer solchen Auswahleinrichtung haben alle Ionen auf einem bestimmten Weg eine gemeinsame Masse und eine gemeinsame kinetische Ener gie, und die Masse kann dann durch Messung der Flugzeit über eine vorgegebene Distanz bestimmt werden. Daran anschließend wird mit einem weiteren Teil der Probe ein zweites Experiment durchgeführt, indem die Mutterionen dissoziiert werden und ein elektrisches Feld über den Ionenweg angelegt wird, um so die kinetische Energie der verschiedenen Tochterionen entsprechend ihrer elektrischen Ladung zu modifizieren. Die Flugzeitanalyse dieser Tochterionen im Vergleich mit dem Mutterion erlaubt dann die Identifizierung der Konstituenten des Mutterions. Wenn eine vollständige Analyse der Probe verlangt ist, so müssen diese beiden Experimente für alle in der Probe vorhandenen Massen durchgeführt werden.

Wenn eine vollständige Analyse der Probe verlangt ist, so ist der Zeitbedarf für die Durchführung insgesamt sehr hoch und der Verbrauch an Probensubstanz erheblich. In Fällen, in denen nur eine begrenzte Probenmenge verfügbar ist, kann es erforderlich sein, jedes Experiment mit einer geringeren Probenmenge als ideal durchzuführen, wodurch die Sensitivität und Genauigkeit der Resultate beeinträchtigt wird.

Falls große Moleküle wie komplexe biologische Arten zu analysie ren sind, so werden große elektrische Potentiale in der ersten Zelle benötigt, die zur Auswahl von Ionen einer bestimmten ge meinsamen Masse dient.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Tandem-Massenspektrometer- System zu schaffen, mit dem Tandem-Massenspektren für jedes Ion, welches im primären Massenspektrum vorhanden ist, bestimmt wer den können, ohne daß diese Ionen voneinander getrennt werden. Dieses System würde darüber hinaus die Möglichkeit bieten, ein bestimmtes Ion vor der Anregung auszuwählen, falls dies für eine gegebene Anwendung wünschenswert oder notwendig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Tandem-Massenspektrometer- System, welches gekennzeichnet ist durch: eine Ionenquelle, einen Teilchendetektor, zwei getrennte Flugzeiteinrichtungen zwischen der Quelle und dem Detektor, eine gesteuerte Ionenanre gungseinrichtung zwischen den Flugzeiteinrichtungen und eine Einrichtung zur Messung der Flugzeit zwischen der Quelle und dem Detektor, wobei alle Einrichtungen auf einem gemeinsamen Ionen weg liegen und wobei eine Ionenoptik die Flugbahn der Ionen von der Quelle innerhalb des Ionenwegs hält und ein Computersteue rungssystem die Anregungseinrichtung und die Optik steuert.

Die Einrichtung zum Erzeugen der Ionen kann auf Elektronenstoß, Feldionisation, Felddesorption, chemischer Ionisation, Elektro spray, Ionen- oder Atombeschuß (Beschuß mit schnellen Atomen, Fast Atom Bombardment), Laser-Desorption oder resonanzverstärk ter Multiphoton-Ionisierung beruhen. Die Anregung der Ionen kann durch Kollision mit Gas oder durch laserinduzierte Photodisso ziation erfolgen.

In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren der Tandem-Massenspektrometrie, das gekennzeichnet ist durch die Schritte: Herstellen eines Ionenflusses entlang eines Weges von einer Ionenquelle zu einem Detektor, Führen des Weges durch eine erste Flugzeiteinrichtung, durch eine Ionenanregungseinrichtung, anschließend durch eine zweite Flugzeiteinrichtung, und Nach weisen der Ionen am Detektor einschließlich der Messung der Flugzeit der Ionen und wahlweise Anlegen eines gesteuerten elek trischen Feldes im Bereich der Anregungseinrichtung.

Vorzugsweise weist das gesteuerte elektrische Feld, welches im Bereich der Anregungseinrichtung angelegt wird, eine solche Stärke auf, daß das nachgewiesene Massenspektrum unterscheidbare Verteilungsspitzen enthält, die dem einzelnen Tochterteilchen entsprechen und in der Nähe eines Punktes im Spektrum gruppiert sind, welcher der Spitze des zugehörigen Mutterteilchens ent spricht, die sich bei verschwindendem elektrischen Feld ergibt.

Erfindungsgemäße Ausführungsformen von Tandem-Massenspektrome ter-Systemen, die im folgenden als TOF-TOF abgekürzt werden, werden nun anhand der Figuren erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematische Darstellung eines TOF-TOF, welches lineare Flugwege anwendet;

Fig. 2 schematische Darstellung eines TOF-TOF, welches reflek tierende elektrostatische Spiegel anwendet;

Fig. 3 Darstellung eines erfindungsgemäß gemessenen Spektrums; und

Fig. 4 Darstellung eines anderen erfindungsgemäß gemessenen Spektrums, welches bei Anwesenheit von Kollisionsgas im Anregungsbereich und bei einem an die Kollisionszelle angelegten Potential erhalten wurde.

Das in Fig. 1 dargestellte TOF-TOF-System enthält eine Ionen quelle 1, eine Übertragungsoptik 2, ein Flugzeit-Massenspektro meter 3, einen Anregungsbereich mit geeigneter Übertragungsoptik 4, ein zweites Flugzeit-Massenspektrometer 5 und einen Teilchen detektor 6. Die Ionenquelle kann gepulst sein, so daß Ionen nur innerhalb definierter Zeitintervalle erzeugt werden. Alternativ können die Ionen auch kontinuierlich erzeugt werden, aber nur innerhalb definierter Zeitintervalle der in TOF-MS 3 eingeschos sen werden. Die letztere Situation kann durch Paketbildung im Ionenstrahl oder durch Ablenken des Ionenstrahls realisiert werden. Ein primäres Massenspektrum kann man erhalten, indem die Ionen von der Quelle zum Detektor ohne Anregung im Bereich 4 geführt werden, wobei die Flugzeiten entlang eines geeigneten Wegstücks für die verschiedenen Ionen gemessen werden, wie bei spielsweise von der Quelle 1 zum Detektor 6. Üblicherweise wird ein Massensprektrum, wie in Fig. 3 gezeigt, durch Zählen der Anzahl der Ionen erhalten, die in jedem Zeitintervall den Detek tor treffen. Tandem-Massenspektren können auf verschiedenen Wegen bestimmt werden. Ablenkplatten in der Übertragungsoptik des Bereichs 4 können dazu verwendet werden, ein bestimmtes Ion vor der Anregung auszuwählen. Durch die Anregung wird die Frag mentation bewirkt, und das Tandem-Massenspektrum für das ausge wählte Ion mit TOF-MS 5 gemessen. Das Tandem-Massenspektrum zeigt sowohl Ionen als auch neutrale Teilchen, die aus dem Anre gungsprozeß hervorgehen. Die Fähigkeit, neutrale Teilchen zu beobachten, ist ein Aspekt, der dieses Ausführungsbeispiel eines TOF-TOF von den meisten anderen Tandem-Massenspektrometern un terscheidet.

Ein Tandem-Massenspektrum kann auch gemessen werden, ohne daß ein bestimmtes Ion vor der Anregung ausgewählt wird, sondern indem nur ein ausgewähltes Ion selektiv angeregt wird. Dies kann beispielsweise durch Anwendung von Laserpulsen für die Anregung in der Weise geschehen, daß sich im Moment der Anregung nur das ausgewählte Ion im Anregungsbereich befindet.

Tandem-Massenspektren aller Ionen in einem primären Massenspek trum (d. h. in einer ursprünglichen Probe) können gleichzeitig gemessen werden, indem man alle Ionen in den Anregungsbereich eintreten läßt und alle Ionen anregt. Im Fall eines vollständig linearen TOF-TOF-Systems, wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Anregungsbereich 4 auf einem elektrischen Potential gehalten, welches von dem der TOF-MS 3 und 5 während der Messung der Tan dem-Massenspektren verschieden ist. Wenn sich die TOF-MS auf Erdpotential und der Anregungsbereich auf positivem Potential befinden, so haben positiv geladene Fragmentionen von einem positiv geladenen Mutterion kürzere Flugzeiten durch TOF-MS 5 als das Mutterion, da die Ladung ähnlich, aber die Masse gerin ger ist. Unter diesen Bedingungen haben neutrale Teilchen eine höhere Flugzeit als das Mutterion, da das positive Feld die neutralen Tochterteilchen nicht beschleunigt. Wenn sich die TOF- MS auf Erdpotential und der Anregungsbereich auf negativem Po tential befinden, so haben positiv geladene Fragmentionen von einem positiv geladenen Mutterion eine höhere Flugzeit durch TOF-MS 5 als das Mutterion. Neutrale Fragmente haben unter die sen Bedingungen eine geringere Flugzeit als das Mutterion. Wenn alle Ionen im primären Spektrum angeregt werden, so enthält das Tandem-Massenspektrum alle Mutterionen, alle Fragmentionen von allen Mutterionen und alle neutralen Fragmente von allen Mutte rionen. Die Fragmente von jedem Mutterion lassen sich durch Betrachtung der Verschiebungen in den Flugzeiten, wenn das Po tential in dem Anregungsbereich variiert wird, identifizieren. Diese Verschiebungen werden vorzugsweise deutlich kleiner als die Streuung der Flugzeiten der Mutterionen gehalten, damit deutlich bleibt, welche Verteilungsspitzen zusammengehören. Bei spielsweise könnte das Potential umgekehrt werden. Die Masse jedes Fragmentions kann bei gegebener Flugzeit durch TOF MS 5 und gegebemem Potential des Anregungsbereichs berechnet werden. TOF-TOF-Systeme können vollständig computergesteurt betrieben und die Massenzuordnung automatisch von dem Computer durchge führt werden.

Ein TOF-TOF-System kann aus einem linearen TOF-MS kombiniert mit einem reflektierenden elektrostatischen Spiegel TOF-MS bestehen. Das lineare TOF-MS kann dem elektrostatischen Spielgel TOF-MS vorangestellt sein oder darauf folgen. Ein aus zwei elektrosta tischen Spiegeln bestehendes TOF-TOF-System kann ebenfalls (sie he Fig. 2) in der gleichen Weise wie ein vollständig lineares TOF-TOF-System benutzt werden. Bei Verwendung reflektierender elektrostatischer Spiegel kann es notwendig sein, das Potential des Anregungsbereichs abhängig von den Ionen-optischen Eigen schaften der Spiegel anzupassen. Ein elektrostatischer Spiegel kann von dem von Manyrin et al (Sov. Phys. JETP 37, 45-48 (19-3)) beschriebenen Typ, der einen Grad von Energiekompensation und eine leichte räumliche Defokussierung aufweist, oder von dem von Hamilton et al (Rev, Sci Instrum., 3104-3106 (1990)) be schriebenen Typ sein, der eine vollständige Energiekompensation eines Ions in Beziehung auf sein Masse/Ladung-Verhältnis bietet, sogar wenn Ionen verschiedener Masse die gleiche Geschwindigkeit haben. Ein Detektor 7 schafft die Fähigkeit zum Nachweis neutra ler Teilchen.

Die Konstruktion der Übertragungsoptiken 2 und 4 wird die Anfor derung berücksichtigen, eine übermäßige zeitliche Streuung der Pulse zu vermeiden, um dadurch eine hohe Auflösung in den TOF-MS 3 und 5 zu gewährleisten.

Das TOF-TOF-System kann sowohl auf positive als auch auf negati ve Ionen angewendet werden und bietet einen unbegrenzten Masse bereich. Das TOF-TOF-System schafft eine parallele Sammlung der Ionen nicht nur für das primäre Massenspektrum, sondern auch für alle Tandem-Massenspektren gleichzeitig. Dieses System bietet Eigenschaften und Fähigkeiten, die bei Verwendung von magneti schen Sektorinstrumenten und Feldanordnungen oder bei Verwendung von Quadrupolen nicht erreichbar sind. Das TOF-TOF-System wird besonders Anwendung bei Analysen von großen Molekülen finden, beispielsweise in der Biotechnologie, der Biochemie, der Biolo gie, der Medizin, der Polymerwissenschaft und Materialwissen schaft.

Insbesondere werden sich auch Anwendungen im Bereich der Analyse von Gemischen ergeben, beispielsweise bei Umweltstudien. Das TOF-TOF-System bietet eine größere Sensitivität als mit anderen Tandem-Massenspektrometern erreichbar ist, wie beispielsweise Vier-Sektor- und Feldanordnungen oder dreifach-Quadrupole, ins besondere wenn nur eine begrenzte Probenmenge verfügbar ist.

Die folgende Beschreibung eines speziellen Anwendungsfalls soll die Erfindung weiter beispielhaft erläutern.

Eine einfache Modellverbindung CsI wurde mit neutralen Xenon atomen mit einer Energie von 5,3 keV bombardiert. Das TOF-TOF-System besteht aus zwei linearen TOF-Analysatoren 3 und 5, einer Kollisionszelle 4, an die negative oder positive Potentiale angelegt werden können und die den Anregungsbereich bildet, und einer Mikrokanalplatte, die als Teilchendetektor 6 dient.

Fig. 3 zeigt ein Flugzeitspektrum, welches mit dem Detektor 6 am Ende des zweiten TOF-MS 5 gemessen wurde, wobei der Anre gungsbereich 4 weder Kollisionsgas enthielt noch ein Potential daran angelegt war. Die Kanalnummern auf der X-Achse sind ein Maß für die Flugzeiten, welche das Masse/Ladungs-Verhältnis m/z der Ionen definieren. Größere Kanalnummern bedeuten längere Flugzeiten und höhere m/z. Die Verteilungshöhe deutet die Anzahl von Teilchen an, die während einer Zeitperiode in der zugehöri gen Kanalnummer nachgewiesen wurden. Es sind drei starke Vertei lungsspitzen zu beobachten, die Cs₂⁺, bezeichnet mit A, Cs₂I⁺, bezeichnet mit B, und Cs₃I₂⁺, bezeichnet mit C, zugeordnet wer den.

Fig. 4 zeigt ein anderes Spektrum, das mit dem Detektor 6 am Ende des zweiten TOF-MS 5 erhalten wurde. Dieses Spektrum wurde bei Anwesenheit von Argon in der Kollisionszelle 4 gemessen, wobei der Argondruck ausreichend war, um die Ionentransmission um 50% zu reduzieren. Ferner wurde die Kollisionszelle 4 auf freiem Potential bei -450 Volt gehalten. Die scharfen Vertei lungsspitzen A, B, und C sind nun jeweils von vorhergehenden und nachfolgenden Nebenspitzen X¹, X² (wobei X an die Stelle der Bezeichnungen A, B und C tritt) begleitet. Die vorangehenden Nebenspitzen X¹ geben Hinweis auf die verschiedenen neutralen Teilchen, welche aus den Ionenkollisionen hervorgehen, und die nachfolgenden Nebenspitzen X² stellen die Fragmente mit der gleichen kollisionsinduzierten Zusammensetzung dar, A²-Cs⁺, B²- Cs⁺ und C²-Cs₂I⁺. Sowohl die Mutterionen als auch die Frag mentionen, die beide positiv geladen sind, wurden beim Verlassen der Kollisionszelle 4 und beim Eintritt in den zweiten TOF-MS 5 abgebremst aufgrund des an die Kollisionszelle 4 angelegten negativen Potentials, wobei die Geschwindigkeit neutraler Teil chen unberührt blieb. Die Fragmentionen sind aufgrund ihrer geringeren Masse stärker verlangsamt als die Mutterionen.

Es ist klar, daß es in dieser Vorrichtung überflüssig ist, die drei Mutterionen vor ihrer durch Kollisionen bedingten Zerlegung zu trennen, und daher die Daten aus einer wesentlich kleineren Probenmenge gewonnen werden können als in anderen Typen von Spektrometern erforderlich wäre.

Wenn das Mutterion unbekannt ist, wird ein zweiter Lauf der Vorrichtung bei verschiedenem Potential an der Kollisionszelle 4 durchgeführt, beispielsweise durch Anlegen eines Potentials von + 450 Volt an die Kollisionszelle 4, wodurch die vorherge henden und die nachfolgenden Nebenspitzen vertauscht werden. Durch mathematische Analyse des gemessenen Spektrums können die Beziehungen von Mutterionen und Fragmentionen identifiziert und die Fragmentionenmassen bestimmt werden.

Claims

1. Tandem-Massenspektrometer-System, welches zur Aufnahme von Tandem-Massenspektren für jedes Mutterion ohne Trennung der Mutterionen verschiedener Massen geeignet ist, gekennzeich net durch:

- eine Ionenquelle (1),
- einen Teilchendetektor (6),
- zwei getrennte Flugzeiteinrichtungen (3, 5),
- eine gesteuerte Ionenanregungseinrichtung (4) zwischen den Flugzeiteinrichtungen, und
- Einrichtungen zur Messung der Flugzeit für Teilchen, die den Detektor (6) erreichen, wobei alle Komponenten auf einem gemeinsamen Ionenweg liegen und wobei eine Ionenoptik (2) die Flugbahn der Ionen von der Ionenquelle (1) innerhalb des Ionenwegs führt und ein Compu tersteuersystem die Anregungseinrichtung (4) und die Ionen optik (2) steuert.

2. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenanregungseinrichtung (4) eine gasgefüllte Kollisionszelle ist.

3. Tandem-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ionenanregungseinrichtung (4) eine Ein richtung zur laserinduzierten Photodissoziation ist.

4. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Elektronenstoß einrichtung ist.

5. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Feldionisie rungseinrichtung ist.

6. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Feld desorptionseinrichtung ist.

7. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Einrichtung zur chemischen Ionisation ist.

8. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Elektrospray- oder Ionenspray-Einrichtung ist.

9. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Teilchenbe schußeinrichtung ist.

10. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Laserdesorp tionseinrichtung ist.

11. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) eine Einrichtung zur resonanzverstärkten Multiphoton-Ionisierung ist.

12. Tandem-Massenspektrometer-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Flugzeiteinrichtun gen eine Flugzeiteinrichtung vom Typ eines elektrostatischen Spiegels ist.

13. Verfahren zur Aufnahme eines Tandem-Massenspektrums, gekenn zeichnet durch die Schritte: Ionisieren einer Probe und Einschießen der Ionen auf einen Ionenweg, welcher durch eine erste Flugzeiteinrichtung (3) führt, ohne Ionen einer be stimmten Masse auszuwählen, Führen der Ionen durch eine gesteuerte Ionenanregungseinrichtung (4), an die wählbar ein gesteuertes elektrisches Potential angelegbar ist, dann durch eine zweite Flugzeiteinrichtung (5) zu einem Teilchen detektor (6), wo die Flugzeit jedes nachgewiesenen Teilchens gemessen und simultan ein Tandem-Massenspektrum für jedes Mutterion erhalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Experiment mehrfach durchgeführt wird, wobei jedesmal ein verschiedener Wert des elektrischen Potentials an die Ionen anregungseinrichtung (4) angelegt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten elektrischen Potentiale so bemessen sind, daß die Flugzeitmessungen entsprechender Mutter- und Tochter teilchen genügend auseinandergezogen sind, um sie separieren zu können, ohne daß sie die Tandem-Massenspektren benach barten Mutterionen überlappen.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenanregungseinrichtung (4) eine gasgefüllte Kollisions zelle ist.