DE4326549C1 - Verfahren für eine Regelung der Raumladung in Ionenfallen - Google Patents

Description

Die Erzeugung von Ionen für die Speicherung in massenspektrometrischen Ionen­ fallen ist von der Konzentration der zu ionisierenden Substanzen abhängig. Das Ionenfallen-Massenspektrometer wird, wie andere Massenspektrometer auch, häufig mit chromatographischen Separationsverfahren gekoppelt, die naturgemäß extreme Schwankungen der Substanzkonzentrationen im Trägergasstrom erzeugen. Aber auch solche Verfahren, die Substanzdämpfe stoßweise produzieren, wie Pyrolyse oder Verdampfer, produzieren extreme Schwankungen der Konzentration.

Werden Ionenfallen als Massenspektrometer benutzt, so darf die Anzahl der maximal zur gleichen Zeit gespeicherten Ionen über eine recht scharf definierte Grenze nicht hinausgehen, da sonst das Massenspektrum in zweifacher Hinsicht schlechter wird: Erstens verschieben sich die Massenlinien des Spektrums gegenüber einer korrekten Eichung um mehr als einige Zehntel einer atomaren Masseneinheit, und zweitens werden die Massenlinien breiter, das Massenauflösungsvermögen nimmt ab. Der Grund für diese Effekte ist die durch die Ionen erzeugte Raumladung, die die Funktion der Ionenfalle beeinträchtigt.

Andererseits ist die Anzahl von Ionen, die für die Messung eines Spektrums unter­ halb der Raumladungsgrenze zur Verfügung stehen, relativ klein. Je nach Ausfüh­ rung der Ionenfalle stehen pro Spektrum nur etwa 1000 bis 10 000 Ionen für die Messung des gesamten Spektrums mit all seinen Massenlinien zur Verfügung. Damit ist der dynamische Meßbereich innerhalb eines Spektrums sehr klein und beträgt nur knapp zwei bis drei Größenordnungen. Für die Aufnahme eines Massenspektrums ist aber eine Messung von schwachen Massenlinien bis herab zu 0,1% üblich, was in Ionenfallen meist nur über eine Addition mehrerer Spektren gut gelingt. Selbst in diesem Falle ist für die Messung der schwachen Massenlinien keine gute Präzision zu erwarten. Die Dynamik ist noch weniger ausreichend, um zwei Substanzen zu messen, die sich gleichzeitig in der Ionenfalle befinden und sich in ihrer Konzen­ tration unterscheiden.

Es ist daher notwendig, die maximale Anzahl der Ionen vor Erreichen der Raum­ ladungsgrenze möglichst gut auszunutzen.

Wie schon aus dem ähnlich gelagerten Fall der Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massen­ spektrometrie (ICR) bekannt, ist es zweckmäßig, die Erzeugung der Ionen so zu steuern, daß die Raumladungsgrenze gerade nicht erreicht wird.

Für diese Art der Steuerung bedarf es dabei einer Meßgröße, die repräsentativ für die Raumladung (besser: für die Anzahl der gespeicherten Ionen) ist, und die für die Regelung benutzt werden kann. Da die starken Schwankungen der Konzentration nicht quantitativ voraussehbar sind, hat sich als vernünftiges Ziel erwiesen, ein Toleranzintervall anzusteuern, das etwa zwischen der Raumladungsgrenze selbst und einem Wert liegt, der etwa 20% unter der Raumladungsgrenze liegt. Dazu ist es erfor­ derlich, die Erzeugungsrate der Ionen zur Zeit der Ionisierung für die Spektren­ messung auf etwa 10% genau zu kennen.

Eine Regelung der Ionenanzahl entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist für Ionenfallen bereits bekannt. US 5 107 109 beschreibt eine Art der Regelung für die Erzeugung der Ionen durch Elektronenstoß in Ionenfallen, und US 4 771 172 beschreibt eine äquivalente Regelung für chemische Ionisierung. In beiden Fällen wird vor der Erzeugung der Ionen für die Messung des Spektrums zunächst, in einer Vorphase, eine Messung der Erzeugungsrate der Ionen vorgeschaltet. Dazu wird in der Vorphase zunächst eine erste Ionisierung mit einer kurzen, konstanten Ionisierungszeit unter konstanten Ionisierungsbedingungen vorgenommen. Nach einer Abbremszeit für die entstandenen Ionen, in der sie sich im Zentrum der Ionenfalle sammeln, werden die so in der Vorphase erzeugten Ionen in einem kurzzeitigen Ejektionsvorgang weitgehend aus der Ionenfalle ausgeworfen und in einem integrierenden Vorgang gemessen. Aus der so in der Vorphase gemessenen Menge der Ionen wird dann eine Ionisierungszeit berechnet, die eine optimale Anzahl von Ionen in der Ionenfalle für die anschließende Spektrenmeßphase ergibt. Die Ionenfalle wird sodann zur Beendigung der Vorphase vollständig geleert, neu eingestellt, und dann in der eigentlichen, zweiten Ionisierung für die Spektrenmeß­ phase mit Ionen befüllt.

Die aus der Regelung folgende Steuerung des Ionisierungsvorgangs bezieht sich in der Praxis meist auf die Zeitdauer der Ionisierung, wobei die Ionisierungsstärke konstant gehalten wird. Bei Elektronenstoßionisierung wird der Elektronenstrahl konstant gehalten, und die Zeit der Einwirkung des Elektronenstrahles auf die Substanz wird durch Elektronenstrahlschalter (Shutter) begrenzt. Die Steuerung der Zeitdauer kann sich leicht über einen weiten Bereich erstrecken, in der Praxis über gut 3,5 Zehnerpotenzen von 5 Mikrosekunden bis 20 Millisekunden. Eine Steuerung der Stärke des Elektronenstrahls ist zwar ebenfalls denkbar, doch schwierig, und bisher nicht angewendet worden.

Die Regelung der Ionenanzahl in Ionenfallen durch eine vorhergehende Messung der Ionenerzeugungsrate hat eine starke Verbesserung der Spektren aus chromatographi­ schen Separationen ergeben. Die Verschiebung der Massenlinien wurde in Grenzen gehalten, und das Massenauflösungsvermögen blieb weitgehend konstant.

Die Messung der Erzeugungsrate in einer Vorphase zeigt bei sehr schneller Chro­ matographie immer noch erhebliche Nachteile.

Zwischen der Erzeugung der Ionen in der Vorphase und der Erzeugung der Ionen für die Spektrenmeßphase vergehen etwa 10 Millisekunden. In dieser Zeit erfolgen nacheinander die Ionenbremsung, die Ionenejektion mit Messung, die Leerung der Ionenfalle und die Neueinstellung. Andererseits kann sich die Konzentration in 10 Millisekunden bereits leicht um einen Faktor 2 ändern, wenn es sich um schnelle Chromatographie mit schmalen Peaks handelt.

Im Falle der chemischen Ionisierung liegen die Verhältnisse noch weit ungünstiger, weil die Zeit zwischen den beiden Ionisierungsphasen wesentlich länger ist.

Zudem wird in der Vorphase naturgemäß die Raumladungsdichte nicht geregelt. Die Konzentrationen können sich aber in einem Chromatogramm leicht über vier bis sechs Zehnerpotenzen (gemessen über dem Rauschuntergrund) ändern. Abhängig von der gerade herrschenden Konzentration, können in der Vorphase so wenige Ionen gebil­ det werden, daß die Messung der Erzeugungsrate eine große Unsicherheit aufweist. Andererseits können soviele Ionen gebildet werden, daß die Raumladungsgrenze bereits erheblich überschritten wird, und der Ejektionsvorgang und damit die Messung der Erzeugungsrate bereits beeinträchtigt ist. In beiden Fällen beeinträchtigt ein fehlerhafter oder unsicherer Wert der Ionenerzeugungsrate die Berechnung der optimalen Ionisierungszeit für die nachfolgende Ionisierungsphase für die Spektren­ aufnahme.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Erzeugung der Ionen in einer massenspektro­ metrisch benutzten Ionenfalle so zu steuern, daß eine optimal große Anzahl von Ionen unterhalb der Raumladungsgrenze gebildet und gespeichert wird. Unter Raum­ ladungsgrenze wird diejenige Anzahl von Ionen verstanden, oberhalb der eine deutliche Verschlechterung der Spektren zu beobachten ist. Diese Anzahl von Ionen kann in einer vorausgehenden Kalibrierung festgelegt werden. Es soll insbesondere möglich sein, die Anzahl der für die Spektrenaufnahme gespeicherten Ionen auf wenige Prozent genau zu steuern, auch bei sich zeitlich stark ändernden Substanz­ konzentrationen, wie sie bei schneller Chromatographie auftreten.

Es ist durch besondere Spektrenaufnahmeverfahren möglich geworden, die Anzahl der pro Sekunde aufzunehmenden Massenspektren in Ionenfallen stark zu erhöhen. Konnten früher nach dem Verfahren des "massenselektiven Instabilitäts-Scans" etwa 5 bis maximal 10 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden, so erhöht sich bei der Benutzung nichtlinearer Resonanzen (US 4 882 484 und US 4 975 577) die Anzahl der Spektren (je nach Länge der Ionisierungszeit und des Massenbereiches) auf 20 bis 50 Spektren pro Sekunde, da die Aufnahmegeschwindig­ keit von etwa 5000 auf etwa 30 000 atomaren Masseneinheiten pro Sekunde erhöht werden kann. Moderne Elektronik ist in der Lage, die Meßwerte für das Spektrum sofort zu digitalisieren und zu summieren, so daß unmittelbar nach der Messung ein digitaler Wert für den integrierten Ionenstrom über das ganze Spektrum zur Verfü­ gung steht. Mit diesen Verfahren kann man, unter Zuziehung der Kenntnisse über Ionisierungsstärke und -dauer, Daten über die Erzeugungsraten der Ionen in zeitlichen Abständen von 50 bis herab zu 20 Millisekunden gewinnen. Die Erzeu­ gungsraten sind dabei den Konzentrationen proportional.

Es ist nun der Grundgedanke dieser Erfindung, die unbekannte Erzeugungsrate für eine bevorstehende Ionisierung durch eine Extrapolation aus mehreren vorher­ gehenden Werten der Erzeugungsraten abzuschätzen. Bereits aus zwei Messungen läßt sich eine lineare Extrapolation durchführen. Eine solche lineare Extrapolation aus Werten, die je 20 Millisekunden auseinanderliegen, ergibt meist schon besser stim­ mende Erwartungswerte, als das oben beschriebene Verfahren, bei dem der in der Vorphase ermittelte Wert über 10 Millisekunden hinweg als konstant angenommenen wird. Weitere Verbesserungen ergeben sich aus der Benutzung mehrerer Messungen: Aus drei vorausgehenden Spektrenmessungen kann eine quadratische, aus vier Messungen eine kubische Extrapolation durchgeführt werden.

Es ist ein weiterer Vorteil dieser Methode, daß keine zu den Spektrenmessungen zusätzlichen Messungen vorgenommen werden müssen. Die Meßwerte für die Regelung werden aus den Nutzmessungen selbst erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die Messungen bei dieser Methode immer im optimalen Bereich der Anzahl der gespeicherten Ionen liegen, und damit immer im Gebiet höchster Zuverlässigkeit.

Eine Erweiterung dieser Methode kann auch ein Rauschen der Meßwerte berücksich­ tigen. Wird eine quadratische oder kubische Extrapolationsmethode durch mehr als die erforderlichen drei bzw. vier Punkte hindurchgezogen und dabei gemittelt, so werden dabei Rauschanteile mit ausgemittelt. In der Praxis zeigt sich allerdings, daß die durch Integration über das Spektrum ermittelten totalen Ionenströme sehr genau sind und nur wenig rauschen. Eine Mittelung bringt daher in der Regel keine weite­ ren Verbesserungen, wenn das Rauschen nicht als Konzentrationsrauschen vorliegt.

Die Berechnungen für diese Extrapolationen sind einfach und lassen sich mit schnel­ len Prozessoren gut in der Zeit durchführen, die für eine vollständige Leerung der Ionenfalle vor Beginn der nächsten Ionisierungsperiode vorgesehen sind (etwa eine Millisekunde).

Ist der Verlauf der Konzentrationsänderung grundsätzlich bekannt, und sind zur Beschreibung dieses Funktionsverlaufes nur wenige Parameter notwendig, so kann sogar die bekannte Funktion zur Extrapolation herangezogen werden. Das Verfahren läuft dann auf die Anpassung der Funktionsparameter an den bisherigen Verlauf hinaus, wobei dann die angepaßten Parameter zur Vorausberechnung des nächsten Wertes herangezogen werden. Auch hier kann Rauschen ausgemittelt werden, wenn mehr Punkte benutzt werden, als unbedingt erforderlich sind.

In der Chromatographie kann beispielsweise die Konzentrationsänderung in einem chromatographischen Peak mit einer hier durchaus genügend guten Näherung als Gauß-Kurve angesehen werden. Eine Anpassung der beiden Parameter Maximalhöhe und Halbwertsbreite erlaubt die Berechnung des nächsten Wertes in einer für den vorliegenden Zweck ausgezeichneten Weise. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die Anpassung nicht etwa die ganze Kurve gut beschreiben muß, sondern einzig und allein den nächsten Wert der Ionenerzeugungsrate.

Fig. 1 zeigt vier verschiedene Arten der Regelung, jeweils ausgeführt in der Anfangsphase eines chromatographischen Peaks. In dieser anfänglichen Anstiegs­ phase des Peaks erfolgt eine ungefähr exponentielle Zunahme der Konzentration. In den Teilfig. 1b bis 1d sind jeweils Messungen des integralen Ionenstromes der Spektren mit einem zeitlichen Abstand von rund 20 Millisekunden schematisch eingezeichnet, in Teilfig. 1a beträgt der Meßtakt 80 Millisekunden. Die gestrichelten vertikalen Linien geben den Meßtakt mit je 20 Millisekunden Abstand wieder. Der anstieg mit etwa 80% Zuwachs pro 20 Millisekunden entspricht etwa einem chromatographischen Peak von einer Sekunde Halbwertsbreite.

Fig. 1a zeigt die Regelung durch eine Messung der Ionenerzeugungsrate in der Vorphase, mit einem zeitlichen Abstand von 10 Millisekunden zwischen den Ioni­ sierungen der Vorphase und der Spektrenmeßphase. Die so ermittelte Erzeugungsrate liegt etwa 30% unter dem optimalen Wert, der natürlich gleich dem wahren Wert der Erzeugungsrate ist. Die Differenz ist mit "Δ" gekennzeichnet. Es ist zu beachten, daß bei fallender Konzentration in der Schlußphase des Peaks die so ermittelten Erzeu­ gungsraten zu Ionenfüllungen über dem optimalen Wert führen müssen. Dieser Tat­ bestand muß bei Verfahren dieser Art durch eine große Sicherheitstoleranz berück­ sichtigt werden, so daß bei diesem Verfahren ein erheblicher Abstand zum optimalen Wert eingehalten werden muß. Diese Art der Messung mit einer Vorphase ist unreali­ stisch für eine Messung im Takt von 20 Millisekunden, daher sind auch nur die Messungen im Takt von 80 Millisekunden eingezeichnet. Selbst dieser Meßtakt ist noch schnell für das Verfahren des "massenselektiven Instabilitäts-Scans".

Fig. 1b gibt die Verhältnisse bei linearer Extrapolation und einem gleichbleibenden Meßtakt von 20 Millisekunden wieder. Der vorausberechnete Wert liegt nur noch um etwa 25% unter dem optimalen Wert. Auch hier kann es zu Werten über dem opti­ malen Wert kommen, wenn auch an anderen Stellen des Peaks als bei der vorherge­ henden Methode. Deshalb muß auch hier eine erhebliche Sicherheitstoleranz einge­ halten werden. Die lineare Extrapolation ist unter den gewählten Umständen nicht viel besser als die Messung in einer Vorphase, sie erspart aber die Zeit der Vorphasenmessung.

Die quadratischen bzw. kubischen Extrapolationen der Fig. 1c und 1d zeigen demgegenüber erhebliche Verbesserungen, die bei kubischer Extrapolation hier schon unter 10% Abweichung vom optimalen Wert liegen. Entsprechend besser liegen auch die Verhältnisse, wenn Werte oberhalb des optimalen Wertes vorausgeschätzt werden, so daß auch die Sicherheitstoleranz sehr viel kleiner gewählt werden kann.

Noch besser wäre die Vorausschätzung des optimalen Wertes der Ionenerzeugung, wenn für diesen Fall des Konzentrationsanstieges am Fuß des chromatographischen Peaks von vornherein eine exponentielle Steigerung angenommen würde. Eine Bestimmung des Zunahmefaktors aus den beiden letzten Messungen würde ausrei­ chen, um eine recht genaue Schätzung der optimalen Erzeugungsrate für den nächsten Ionisierungsvorgang zu erhalten.

Das hier geschilderte Verfahren ist besonders auf schnelle Chromatographie ausge­ richtet. Es werde hier angenommen, daß eine Chromatographie mit dünnen Kapil­ laren vorliegt, die im Anfang des Chromatogramms Substanzpeaks mit einer Halbwertsbreite von einer Sekunde liefert. Im Verlaufe des Chromatogramms werden die Peaks breiter, ihre Breite steigt bekanntlich - bei isothermer Chromatographie - mit der Wurzel aus der Retentionszeit an.

Die Massenspektrometrie in der Ionenfalle soll auf einen Massenbereich beschränkt sein, der von Masse 50 u bis 350 u reicht. Damit werden alle leicht- und mittel­ flüchtigen Substanzen erfaßt. Bei einer Aufnahmegeschwindigkeit von 30 000 u/s (atomare Masseneinheiten pro Sekunde) dauert die gesamte Spektrenaufnahme nur 10 Millisekunden.

Die Ionenfalle werde mit interner Ionisierung durch einen von außen eingeschossenen Elektronenstrahl betrieben. In der Ionenfalle befinden sich unvermeidbar immer einige Untergrundsubstanzen, die aus Verunreinigungen des Bremsgases oder aus desorbierten Substanzen von den Wänden bestehen. Es werde nun die Ionisierung durch den ionisierenden Elektronenstrahls so eingestellt, daß in einer maximalen Ionisierungszeit von 24 Millisekunden die Ionenfalle nicht mit Ionen übersteuert wird, wenn sich außer dem Untergrund keine weiteren Substanzen in der Ionenfalle befinden.

Rechnet man nun 5 Millisekunden für das Abbremsen der Ionen in der Ionenfalle nach ihrer Ionisierung hinzu, und eine Millisekunde für das vollständige Ausleeren der Ionenfalle nach der Spektrenaufnahme, so werden insgesamt 40 Millisekunden für den gesamten Vorgang einer Spektrenaufnahme benötigt. Es können also 25 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden.

Gewöhnlich werden je 10 dieser Spektren zu einem Summenspektrum aufaddiert. Ist ein einziges Spektrum durch etwa 10 000 Ionen repräsentiert, so stehen für das Summenspektrum 100 000 Ionen zur Verfügung. Damit wird der dynamische Meßbereich erhöht, es können jetzt auch überlappende (nichtseparierte) Spektren zweier Substanzen aufgenommen werden, wenn sich ihre Konzentration um nicht mehr als etwa einen Faktor 10 unterscheiden.

Solange nur Untergrund aufgenommen wird, werden also 2,5 Summenspektren pro Sekunde aufgenommen. Beginnt sich jetzt ein chromatographischer Peak abzuzeich­ nen, so wird zunächst näherungsweise ein exponentielles Wachstum angenommen. Da die Breite des Peaks aufgrund seiner Retentionszeit näherungsweise bekannt ist, ist damit auch der Wachstumsfaktor für jeweils 40 Millisekunden Zeitdauer bekannt. Dieser Wachtumsfaktor wird für die ersten Punkte angewandt, die aus dem Unter­ grundrauschen herausführen; für die nächsten Meßpunkte wird der Wachtumsfaktor anhand der Messungen korrigiert.

Die Steuerung der Ionenanzahl in der Ionenfalle geschieht über eine Verkürzung der Ionisierungszeit. Steigt der chromatographische Peak jetzt über das sechsfache der Untergrundkonzentration hinaus, so verkürzt sich die Ionisierungszeit auf unter vier Millisekunden. Der Zeittakt für die komplette Spektrennahme wird jetzt durch Software-Steuerung von 40 auf 20 Millisekunden verkürzt. Der chromatographische Peak ist immer noch sehr klein, und es kann immer noch die Annahme eines exponentiellen Wachstums gemacht werden.

Wenn nun einige Meßwerte des neuen Meßtaktes von 20 Millisekunden vorliegen, kann die Art der Vorausberechnung für den Schätzwert der Erzeugungsrate umgestellt werden.

Es werde hier eine Umstellung auf eine kubische Extrapolation vorgestellt. Dazu werden aus den Werten für den integrierten Ionenstrom der vergangenen vier Spektren die ersten, zweiten, und dritten Differenzenquotienten gebildet, und aus diesen dann, ausgehend vom letzten Meßwert, durch Summation der Wert der zukünftigen Erzeugungsrate abgeschätzt. (Tatsächlich brauchen nicht einmal die Differenzenquotienten, sondern wegen der gleichen Zeitabstände nur die Differenzen gebildet werden, so daß die Berechnung auf wenige Subtraktionen und Additionen beschränkt bleibt).

Diese Berechnungen sind so einfach, daß sie leicht in der Millisekunde, die für die Leerung der Ionenfalle benötigt wird, durchgeführt werden können.

Auch über den chromatographischen Peak hinweg werden jeweils zehn Spektren zu einem Summenspektrum addiert. Es stehen damit hier fünf Summenspektren pro Sekunde zur Verfügung, oder etwa acht Spektren über den Hauptteil des Peaks hinweg. Mit dieser Anzahl von Spektren für einen Peak läßt sich hervorragend arbeiten, die Anzahl ist sogar ideal für eine mathematische Entfaltung von über­ lappenden Peaks, die von der Chromatographie nicht voll separiert werden konnten.

Die Ionisierungszeit kann aus praktischen Gründen nur bis auf etwa 5 Mikrosekun­ den verkürzt werden. Somit kann die Konzentration in einem chromatographischen Peak bis auf das 5000fache der Konzentration des Untergrundes steigen, bevor eine Übersteuerung stattfindet. Ist der Untergrund niedrig, so daß er nicht zur Füllung der Ionenfalle ausreicht, oder wird die Stärke des Elektronenstrahls entsprechend stärker eingestellt, so kann die chromatographische Dynamik auch größer als 1 : 5 000 sein.

Claims (4)

1. Verfahren für die Einspeicherung einer von Spektrenaufnahme zu Spektrenauf­ nahme möglichst konstanten Anzahl von Ionen in eine massenspektrometrisch benutzte Ionenfalle trotz laufender Änderung der Konzentrationen der zu ionisierenden Substanzen durch eine Regelung der Ionenerzeugung, bei der der für die Regelung benötigte Istwert der Erzeugungsrate der Ionen aus der Integration mindestens einer vorhergehenden Spektrenmessung extrapoliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abhängigkeit mehrerer derartiger zuvor gemessener Integralwerte für die Extrapolation auf den Istwert herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Regelung benötigte Wert der Erzeugungsrate durch lineare Extrapolation der Erzeu­ gungsraten aus zwei vorhergehenden Spektrenmessungen berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Regelung benötigte Wert der Erzeugungsrate aus mehr als zwei Spektrenmessungen durch nichtlineare Extrapolation berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Regelung benötigte Wert der Erzeugungsrate aus mehreren vorher­ gehenden Spektrenmessungen durch eine Kurvenanpassung einer an sich bekannten Änderungsfunktion der Konzentrationen vorherberechnet wird.