DE69610158T2 - Verfahren zur Verwendung eines Quadrupolionenfallenmassenspektrometers - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Verwendung von Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometern und kann auf Verfahren zum Erfassen von ausgewählten Tonenspezies, die innerhalb solcher Vorrichtungen isoliert wurden, angewendet werden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Verwendung des dreidimensionalen Quadrupol-Ionenfallen- Massenspektrometers ("Ionenfalle"), das anfänglich von Paul et al., siehe US-Pat. Nr. 2 939 952, beschrieben wurde. In den letzten Jahren hat die Verwendung des Ionenfallen- Massenspektrometers drastisch zugenommen, teilweise aufgrund seiner relativ geringen Kosten, der leichten Herstellung und seiner einzigartigen Fähigkeit, Ionen über einen großen Bereich von Massen für relativ lange Zeiträume zu speichern. Dieses letztere Merkmal macht die Tonenfalle besonders nützlich bei der Isolation und Behandlung einzelner Ionenspezies, wie bei einem sogenannten Doppel- MS- oder "MS/MS"- oder MSn-Experiment, wo eine "Mutter"- Ionenspezies isoliert und zerlegt oder dissoziiert wird, um "Tochter"-Ionen zu erzeugen, die dann unter Verwendung von üblichen Ionenfallen-Erfassungsverfahren identifiziert oder weiter zerlegt werden können, um Enkelionen usw. zu erzeugen.
• Die Isolation einer einzelnen Ionenspezies hat auch in anderen Anwendungen außer der Isolation von Mutterionen für MS/MS-Experimente eine Bedeutung. Bei den relativ niedrigen Kosten und der Empfindlichkeit von heutigen kommerziellen Ionenfallen können sie zum Überwachen auf die Anwesenheit von speziellen Verbindungen oder Gruppen von verwandten Verbindungen, z. B. zum Überwachen auf die Freisetzung von toxischen Gasen in einem Produktionsbereich, verwendet werden. Die Steuerung einer Tonenfalle, um spezielle interessierende Ionenspezies selektiv zu isolieren, kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Falle für die ausgewählte Spezies, die ansonsten schlecht erfaßbar oder vollständig unerfaßbar wäre, zu optimieren.
• Wie gut bekannt ist, umfaßt die Quadrupol-Ionenfalle eine ringförmige Elektrode und zwei Endkappenelektroden. Idealerweise weisen sowohl die Ringelektrode als auch die Endkappenelektroden hyperbolische Oberflächen auf, die koaxial ausgerichtet und symmetrisch beabstandet sind. Durch Anlegen einer Kombination aus Wechsel- und Gleichspannungen (die üblicherweise mit "V" bzw. "U" bezeichnet werden) an diese Elektroden wird ein Quadrupol- Einfangfeld erzeugt. Ein Einfangfeld kann einfach durch Anlegen einer Wechselspannung mit fester Frequenz (üblicherweise mit "f" bezeichnet) zwischen der Ringelektrode und den Endkappen zum Erzeugen eines Quadrupol-Einfangfeldes erzeugt werden. Die Verwendung einer zusätzlichen Gleichspannung ist wahlfrei, und in kommerziellen Ausführungsbeispielen der Ionenfalle wird normalerweise keine Einfang-Gleichspannung verwendet. Es ist gut bekannt, daß unter Verwendung einer Wechselspannung mit zweckmäßiger Frequenz und Amplitude ein breiter Bereich von Massen gleichzeitig eingefangenen werden kann.
• Die Mathematik des von der Ionenfalle erzeugten Quadrupol- Einfangfeldes wurde im ursprünglichen Patent von Paul et al. beschrieben. Für eine Falle mit einer Ringelektrode mit einem gegebenen Äquatorradius r&sub0;, bei der die Endkappenelektroden vom Ursprung im Zentrum der Falle entlang der axialen Linie r = 0 um einen Abstand z&sub0; verschoben sind, und für gegebene Werte von U, V und f, hängt die Tatsache, ob ein Ion mit einem Masse-Ladungs- Verhältnis (m/e, auch häufig als m/z bezeichnet) eingefangen wird, von der Lösung der folgenden zwei Gleichungen ab:
• wobei ω gleich 2πf ist.
• Das Lösen dieser Gleichungen ergibt Werte von az und qz für eine gegebene Ionenspezies mit dem ausgewählten m/e. Wenn der Punkt (az, qz) innerhalb die "Stabilitätshüllkurve" für die Ionenfalle abgebildet wird, wird das Ion durch das Quadrupolfeld eingefangen. Wenn der Punkt (az, qz) außerhalb die Stabilitätshüllkurve fällt, wird das Ion nicht eingefangen und jegliche derartigen Ionen, die in die Ionenfalle eingeleitet werden, bewegen sich schnell aus der Falle heraus. Durch Ändern der Werte von U, V oder f kann man die Stabilität einer speziellen Ionenspezies beeinflussen. Man beachte, daß aus Gl. 1, wenn U = 0 ist (d. h. wenn keine Gleichspannung an die Falle angelegt wird), az = 0 gilt.
• (Es ist auf dem Gebiet üblich, von der "Masse" eines Ions als Kürzel für sein Masse-Ladungs-Verhältnis zu sprechen. Aus praktischen Gründen werden die meisten Ionen in einer Ionenfalle einfach ionisiert, so daß das Masse-Ladungs- Verhältnis dasselbe ist wie die Masse. Der Bequemlichkeit halber übernimmt diese Beschreibung die übliche Praxis und verwendet im allgemeinen den Begriff "Masse" als Kürzel, das Masse-Ladungs-Verhältnis bedeutet)
• Jedes Ion in dem Einfangfeld weist eine "säkulare" Frequenz auf, die von der Masse des Ions und von den Einfangfeldparametern abhängt. Wie gut bekannt ist, ist es möglich, Ionen mit einer gegebenen Masse, die vom Einfangfeld stabil gehalten werden, durch Anlegen einer zusätzlichen Dipol-Wechselspannung mit einer Frequenz gleich der säkularen Frequenz der Ionenmasse an die Ionenfalle anzuregen. Ionen in der Falle können dazu gebracht werden, auf diese Weise frequenzabhängig Energie aufzunehmen. Wenn die zusätzliche Dipolspannung relativ niedrig ist, kann sie verwendet werden, um zu veranlassen, daß Ionen mit einer speziellen Masse innerhalb der Falle in Resonanz kommen, wobei sie Dissoziationsstöße mit Molekülen eines Hintergrundgases bei dem Prozeß eingehen. Dieses Verfahren, das stoßinduzierte Dissoziation oder "CID" genannt wird, wird üblicherweise bei MS/MS verwendet, um Mutterionen zur Erzeugung von Tochterionen zu dissoziieren. Bei höheren Spannungen wird durch die zusätzliche Spannung genügend Energie übertragen, um zu veranlassen, daß jene Ionen mit einer säkularen Frequenz, die der Frequenz der zusätzlichen Spannung entspricht, das Fallenvolumen verlassen. Dieses Verfahren wird nun üblicherweise verwendet, um ungewollte Ionen aus der Ionenfalle zu beseitigen und um die Falle abzutasten, um Ionen zur Erfassung durch einen externen Detektor aus der Falle auszustoßen.
• Das typische Basisverfahren zur Verwendung einer kommerziellen Ionenfalle besteht im Anlegen einer RF- Einfangspannung (Vo) an die Fallenelektroden, um ein Einfangfeld aufzubauen, das Ionen über einen breiten Massenbereich zurückhält, Einleiten einer Probe in die Ionenfalle, ionisieren der Probe und dann Abtasten des Inhalts der Falle, so daß die in der Falle gespeicherten Ionen in der Reihenfolge der zunehmenden Masse ausgestoßen und erfaßt werden. Typischerweise werden die Ionen durch Löcher in einer der Endkappenelektroden ausgestoßen und werden mit einem Elektronenvervielfacher erfaßt. Weiterentwickelte Experimente, wie z. B. MS/MS, bauen im allgemeinen auf diesem Basisverfahren auf und erfordern häufig die Isolation einer speziellen Ionenmasse in der Ionenfalle.
• Wenn die Ionen einmal erzeugt und in der Falle gespeichert sind, stehen mehrere Verfahren zum Isolieren von speziellen interessierenden Ionen zur Verfügung. Es ist gut bekannt, daß, wenn das Einfangfeld eine Gleichspannungskomponente umfaßt, die Einfangfeldparameter (d. h. U, V und f) eingestellt werden können, um eine einzelne Tonenspezies oder einen sehr schmalen Massenbereich in der Falle zu isolieren. Ein Problem bei dieser Vorgehensweise besteht darin, daß es schwierig ist, die Einfangfeldparameter mit dem hohen Grad an Präzision zu steuern, und daß es schwierig ist, die präzise Kombination von Einfangfeldparametern zu berechnen, die erforderlich ist, um eine einzelne Masse oder einen schmalen Bereich von Massen zu isolieren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die meisten kommerziellen Ionenfallen nicht die Fähigkeit aufweisen, eine Einfang-Gleichspannung anzulegen, und das Hinzufügen dieser Fähigkeit erhöht die Menge und die Kosten der Systemhardware, die erforderlich ist. Schließlich wird angemerkt, daß bei der Verwendung dieses Verfahrens die Ionen, die im Feld zurückgehalten werden sollen, nahe der Kante der Stabilitätsgrenze liegen, so daß die Einfangwirksamkeit nicht optimal ist und ziemlich schlecht sein kann.
• Das US-Pat. Nr. 4 736 101 beschreibt ein weiteres Verfahren zum Isolieren eines Ions für MS/MS-Experimente. Gemäß dem vom '101-Patent gelehrten Verfahren wird ein Einfangfeld aufgebaut, um Ionen mit Massen über einen breiten Bereich einzufangen. Dies wird in üblicher Weise ausgeführt, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt war. Als nächstes wird das Einfangfeld verändert, um andere Ionen als das interessierende ausgewählte Ion zu beseitigen. Dazu wird die an die Ionenfalle angelegte RF-Einfangspannung erhöht, um zu bewirken, daß Ionen mit niedriger Masse nacheinander instabil werden und aus der Falle beseitigt werden. Das Erhöhen der RF-Einfangspannung wird an dem Punkt gestoppt, an dem die Masse direkt unterhalb des interessierenden Ions aus der Ionenfalle beseitigt wird. Das '101-Patent lehrt nicht, wie das Einfangfeld zu behandeln ist, um Ionen mit einer Masse, die höher ist als die interessierende Masse, zu beseitigen, wenn keine Einfang-Gleichspannung angelegt wird. Nachdem der Inhalt der Ionenfalle durch das vorangehende Verfahren des Änderns der Einfangspannung begrenzt wurde, wird die Einfangspannung nachgelassen, so daß wiederum Ionen über einen breiten Bereich eingefangen werden. Als nächstes werden die Mutterionen innerhalb der Ionenfalle, vorzugsweise unter Verwendung von CID, dissoziiert, um Tochterionen zu erzeugen. Schließlich wird die Ionenfalle durch erneutes Erhöhen der Quadrupol- Einfangspannung abgetastet, so daß Ionen über den gesamten Massenbereich nacheinander instabil werden und die Falle verlassen.
• Der Hauptmangel des Verfahrens des '101-Patents ist seine Unterlassung zu lehren, wie Ionen mit hoher Masse aus der Falle beseitigt werden sollen, ohne ein Einfangfeld mit einer Gleichspannungskomponente zu verwenden. Außerdem ist das Verfahren zum Bewirken, daß die Ionen mit niedriger Masse aus der Ionenfalle beseitigt werden, durch Instabilitätsabtastung auch problematisch. Wenn mp die in der Falle zurückzuhaltende Masse ist und das Einfangfeld so behandelt wird, daß bewirkt wird, daß mp-1 instabil wird, dann liegt mp an diesem Punkt sehr nahe an der Stabilitätsgrenze. Wiederum kann dies verursachen, daß die Einfangwirksamkeit für mp ziemlich niedrig ist, und erfordert eine präzise Steuerung der Einfangspannung, wenn sie erhöht wird, um ungewollte Ionen mit niedriger Masse zu beseitigen.
• Ein weiteres Verfahren zum Isolieren einer einzelnen Ionenspezies in einer Ionenfalle ist im US-Patent Nr. 5 198 665 ('665-Patent), herausgegeben an den vorliegenden Erfinder und gemeinsam hiermit übertragen, beschrieben. Gemäß dem '665-Patent werden niedrigere Massen als die zurückzuhaltende Masse (mp) zuerst unter Verwendung von Resonanzausstoß nacheinander durch Abtastung aus der Falle ausgestoßen. Dies hat den Vorteil, daß mp-1 aus der Falle beseitigt werden kann, während mP von der Stabilitätsgrenze weit entfernt ist. Nachdem die Ionen mit niedriger Masse so beseitigt sind, wird ein zusätzliches Breitbandsignal an die Falle angelegt, um die Ionen mit höherer Masse zu beseitigen. Die Einfangspannung kann geringfügig verringert werden, während die zusätzliche Breitbandspannung angelegt wird, um Ionen direkt oberhalb mP in Resonanz zu bringen. Dieses Verfahren ist in der Lage, sehr genaue Ergebnisse zu erzeugen. Da die Ionen mit hoher Masse in der Falle verbleiben, während die Ionen mit niedriger Masse beseitigt werden, verbleibt eine signifikante Raumladung. Wenn nicht zweckmäßige Maßnahmen ergriffen werden, kann diese Raumladung die Genauigkeit der Experimente unter Verwendung des Verfahrens stören.
• Im Stand der Technik ist es auch bekannt, verschiedene Arten von zusätzlichen Breitbandspannungssignalen an die Ionenfalle anzulegen, um gleichzeitig mehrere ungewollte Ionenspezies aus der Falle zu beseitigen. Der Stand der Technik lehrt im allgemeinen die Verwendung von (1) Breitbandsignalen, die aus diskreten Frequenzkomponenten entsprechend den Resonanzfrequenzen der ungewollten Ionen aufgebaut sind; und (2) Breitband-Rauschsignalen, die im wesentlichen alle Frequenzen enthalten, so daß sie auf das gesamte Massenspektrum einwirken, und die gefiltert werden, um Frequenzkomponenten entsprechend der (den) säkularen Frequenz(en) der Ionen, die in der Ionenfalle zurückgehalten werden sollen, zu beseitigen. Bei allen der bekannten Verfahren des Standes der Technik wird das Einfangfeld konstant gehalten, während die zusätzliche Breitbandspannung an die Ionenfalle angelegt wird. Beispiele solcher Verfahren sind in US-Pat. Nrn. 5 134 286; 5 256 875; und 4 761 545 gezeigt.
• Keines der Patente, die die Verwendung von Breitband- Anregungssignalen lehren, um ungewollte Ionen aus der Ionenfalle massenhaft zu beseitigen, wendet sich angemessen der Tatsache zu, daß der Abstand der säkularen Frequenzen von benachbarten Ionenmassen über das Massenspektrum variiert. Für niedrige Massen liegen die säkularen Frequenzen von benachbarten ganzzahligen Massen weit auseinander, wohingegen sie bei hohen Massen ziemlich eng liegen. Wenn das interessierende Ion bei niedrigen Massen keine ganzzahlige Masse aufweist oder wenn eine Raumladung oder Einfangfeld-Unregelmäßigkeiten eine Verschiebung der nominalen säkularen Frequenz verursacht haben, besteht folglich die Gefahr, daß die Masse nicht angeregt und beseitigt wird. Andererseits kann im hohen Massenbereich eine einzelne Frequenzkomponente die Resonanz von mehreren Massenwerten verursachen, wobei in diesem Fall eine schmale "Kerbe" im Breitbandsignal nicht ausreichen könnte, um sicherzustellen, daß ein gewünschtes Ion in der Ionenfalle zurückgehalten wird.
• Ein Nachteil des Standes der Technik, der auf Wellenformen beruht, die eine sehr große Anzahl von Frequenzkomponenten enthalten, sind die hohen Leistungsanforderungen, die damit verbunden sind, daß jede der Frequenzkomponenten mit ausreichend hohen Leistungspegeln vorhanden sein muß, um die Anregung von Ionen über das Massenspektrum zu bewirken. Dieser Nachteil existiert sowohl für Rauschsignale als auch für konstruierte Wellenformen, d. h. Wellenformen, bei denen die Frequenzkomponenten entweder durch direkte Frequenzauswahl oder durch einen Algorithmus, wie z. B. eine inverse Fouriertransformation eines Frequenzbereichs- Anregungsspektrums zur Erzeugung einer Zeitbereichs- Anregungswellenform, vorbestimmt werden. Bei einer konstruierten Wellenform ist es wichtig, ferner die Phasen der Frequenzkomponenten zu steuern, um den dynamischen Bereich der Anregungswellenform zu minimieren. Wenn die Anzahl der Frequenzkomponenten zunimmt, sind elegantere und zeitaufwendigere Verfahren erforderlich, um ein Zeitbereichssignal mit einem vernünftigen dynamischen Bereich, d. h. einer minimierten Spitze-Spitze-Spannung, zu erzeugen. Das '875-Patent lehrt beispielsweise ein ziemlich komplexes und zeitaufwendiges Iterationsverfahren zum Erzeugen einer zusätzlichen Spannungswellenform.
• Welches Verfahren auch immer verwendet wird, um eine ausgewählte Ionenspezies in einer Ionenfalle zu isolieren, jedes der Verfahren verwendet im wesentlichen dasselbe Verfahren zum anschließenden Erfassen der isolierten Spezies, d. h. Abtasten des Inhalts der Falle. Bei dem Verfahren des Standes der Technik zum Abtasten des Inhalts der Falle wird eine zusätzliche Wechselspannung über die Endkappen der Ionenfalle angelegt, um ein Schwingungsdipolfeld zusätzlich zum Quadrupol-Einfangfeld zu erzeugen. (Manchmal wird die Kombination des Quadrupol- Einfangfeldes und des zusätzlichen RF-Dipolfeldes als "kombiniertes Feld" bezeichnet.) Bei diesem Abtastverfahren weist die zusätzliche Wechselspannung eine andere Frequenz auf als die primäre Einfang-Wechselspannung. Die zusätzliche Wechselspannung bewirkt, daß eingefangene Ionen mit einer speziellen Masse bei ihrer säkularen Frequenz in axialer Richtung in Resonanz kommen. Wenn die säkulare Frequenz eines Ions gleich der Frequenz der zusätzlichen Spannung ist, wird von dem Ion effizient Energie aufgenommen. Wenn auf diese Weise genügend Energie in die Ionen mit einer speziellen Masse eingekoppelt wird, werden sie in axialer Richtung aus der Falle ausgestoßen, wo sie von einem Detektor erfaßt werden. Das Verfahren zur Verwendung eines zusätzlichen Dipolfeldes, um spezielle Tonenmassen anzuregen, wird manchmal axiale Modulation genannt.
• Bei diesem Abtastverfahren des Standes der Technik gibt es zwei Arten, um Ionen mit Massen, die in der Falle vorliegen, mit der zusätzlichen Wechselspannung in Resonanz zu bringen: Abtasten der Frequenz der zusätzlichen Spannung in einem festen Einfangfeld, oder Verändern der Größe V der Einfang-Wechselspannung, während die Frequenz der zusätzlichen Spannung konstant gehalten wird. Wenn die axiale Modulation verwendet wird, um den Inhalt einer Tonenfalle abzutasten, wird typischerweise die Frequenz der zusätzlichen Wechselspannung konstant gehalten und V wird erhöht, so daß Ionen mit fortlaufend höherer Masse in Resonanz gebracht und ausgestoßen werden. Der Vorteil der Erhöhung des Werts von V besteht darin, daß sie relativ einfach durchzuführen ist und eine bessere Linearität vorsieht als durch Ändern der Frequenz der zusätzlichen Spannung erreicht werden kann. Das Verfahren zum Abtasten der Falle unter Verwendung einer zusätzlichen Spannung wird als Resonanzausstoßabtastung bezeichnet.
• In kommerziellen Ausführungsbeispielen der Ionenfalle unter Verwendung des Resonanzausstoßes als Abtastverfahren wird die Frequenz der zusätzlichen Wechselspannung auf ungefähr die Hälfte der Frequenz der Einfang-Wechselspannung festgelegt. Es kann gezeigt werden, daß die Beziehung der Frequenz der Einfangspannung und der zusätzlichen Spannung den Wert von qz (wie in obiger Gl. 2 definiert) der Ionen, die sich in Resonanz befinden, festlegt.
• Ein Verfahren, das allgemein als "Masseninstabilitätsabtastung" bezeichnet wird, welches im US-Pat. Nr. 4 540 884 beschrieben ist, ist ebenfalls im Stand der Technik bekannt, um den Inhalt der Ionenfalle zur Erfassung und Analyse abzutasten. Das '884-Patent lehrt das Abtasten von einem oder mehreren der grundlegenden Einfangparameter des Quadrupol-Einfangfeldes, d. h. U, V oder f, um nacheinander zu bewirken, daß eingefangene Ionen instabil werden und die Falle verlassen. Das '884-Patent lehrt das Abtasten eines Einfangparameters derart, daß die instabilen Ionen gewöhnlich in axialer Richtung austreten, wo sie unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren, beispielsweise, wie vorstehend erwähnt, eines Elektronenvervielfachers oder Faraday-Bechers, der mit einer elektronischen Standard-Verstärkerschaltung verbunden ist, erfaßt werden können. Trotzdem stellt die Resonanzausstoßabtastung von eingefangenen Ionen eine bessere Empfindlichkeit bereit als unter Verwendung des Masseninstabilitätsverfahrens, das vom '884-Patent gelehrt wird, erreicht werden kann, und erzeugt schmälere, besser ausgeprägte Spitzen, d. h. die Resonanzausstoßabtastung erzeugt eine bessere Gesamtmassenauflösung. Die Resonanzausstoßabtastung verbessert auch die Fähigkeit, Ionen über einen größeren Massenbereich zu analysieren, wesentlich.
• Review of Scientific Instruments, Oktober 1992, USA, Band. 63, Nummer 10, Seiten 4277-4284, offenbart ein Ionenfallen- Speicherspektrometer, in dem die Ionen durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die Austrittsendkappe ausgestoßen werden.
• Review of Scientific Instruments, November 1969, USA, Band 40, Nummer 11, Seiten 1444-1450, offenbart ebenfalls eine Vorrichtung, in der Ionen durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die Austrittsendkappe ausgestoßen werden.
• Welches Verfahren auch immer zum Abtasten der Falle verwendet wird, die Ionen bewegen sich wahrscheinlich gleichermaßen in beide Richtungen entlang der Fallenachse. Somit bewegt sich die Hälfte der Ionen in axialer Richtung vom Detektor weg und die andere Hälfte bewegt sich zum Detektor hin. Dies begrenzt signifikant die Erfassungswirksamkeit der Vorrichtung. Ein zusätzlicher Nachteil des Resonanzabtastverfahrens des Standes der Technik ist mit Bezug auf Fig. 1 zu sehen. Diese Figur zeigt das Signal direkt am Ausgang des Detektors (d. h. vor irgendeiner Filterung oder anderen Verarbeitung), das sich aus einer einzelnen Abtastung einer isolierten Masse (Perfluortributylamin, "PFTBA", m/z = 131) ergibt. Die auf der horizontalen Achse dargestellten Einteilungen sind Schritte von 50 us, und die zum Abtasten der einzelnen isolierten Masse erforderliche Zeit beträgt etwa 180 us. Die Hochfrequenzschwingungen, die im Tonensignal ersichtlich sind, sind das Ergebnis einer Frequenzschwebung zwischen der RF-Einfangspannung bei 1050 kHz und der zusätzlichen Dipol-Ausstoßspannung bei 485 kHz. Die resultierende Schwebungsfrequenz beträgt 80 kHz. Um die schlechte Qualität der Spitze aus einer einzelnen Abtastung zu beseitigen, war es im Stand der Technik erforderlich, mehrere Abtastungen zu mitteln, um eine glatte Spitze mit einem genau zentrierten Massenwert zu erhalten. Ein solcher Mittelwert, der aus vielen Abtastungen gewonnen wird, ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Spitze von Fig. 2, nachdem sie durch einen Integrator weiterverarbeitet wurde.
• Die Strömung aus einem GC ist kontinuierlich, und ein modernes GC mit hoher Auflösung erzeugt schmale Spitzen, die manchmal nur einige Sekunden dauern. um ein Massenspektrum mit schmalen Spitzen zu erhalten, ist es erforderlich, mindestens eine vollständige Abtastung der Ionenfalle pro Sekunde durchzuführen. Das Erfordernis, eine schnelle Abtastung der Falle durchzuführen, fügt Einschränkungen hinzu, die auch die Massenauflösung und Reproduzierbarkeit beeinflussen können. Ähnliche Einschränkungen existieren, wenn die Ionenfalle mit einem LC oder einem anderen kontinuierlich strömenden, variablen Probenstrom verwendet wird. Das Mitteln von Abtastungen, um genaue Massenspitzen zu erhalten, verringert die Abtastzykluszeit und daher die Anzahl von verschiedenen Massen, die pro Zeiteinheit über einer chromatographischen Spitze überwacht werden können. Es wird angemerkt, daß die Zeit für eine einzelne Abtastung länger ist als nur die Abtastzeit selbst, da sie auch die Ionisations- und Ionenisolationszeit beinhalten muß, von denen beide im allgemeinen länger sind als die Abtastung selbst. Daher ist die Abtastmittelung für die Zwecke der Spitzenglättung ein von Natur aus uneffizienter Prozeß.
• Die Erfindung ist alternativ in den verschiedenen unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Vorzugsweise umfaßt der Schritt des schnellen Änderns der Einfangparameter das wesentliche Beseitigen der Einfangfeldspannung.
• Beispiele der Erfindung werden nun mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
• Fig. 1 ist eine Kurve, die den Detektorstrom des Ions von PFTBA zeigt, das vorher in einer Ionenfalle isoliert und unter Verwendung des Resonanzausstoß-Abtastverfahrens des Standes der Technik abgetastet wurde.
• Fig. 2 ist eine Kurve, die den mittleren Detektorstrom zeigt, der nach mehreren Wiederholungen der Abtastung von Fig. 1 erzeugt wird.
• Fig. 3 ist eine Kurve, die die in Fig. 2 dargestellten Ergebnisse nach Computer-Weiterverarbeitung zum Glätten und Zentrieren der Spitze zeigt.
• Fig. 4 ist eine teilweise schematische Darstellung eines Ionenfallen-Massenspektrometersystems der Art, die zum Ausführen der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
• Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Folge von Ereignissen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 6 ist eine Kurve, die das Signal zeigt, das erhalten wird, wenn eine Ionenspezies, die in einer Ionenfalle isoliert wurde, durch schnelles Erhöhen des Einfangfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung schnell ausgestoßen wird.
• Fig. 7 ist eine Kurve, die das Signal zeigt, das erhalten wird, wenn das in Fig. 6 verwendete Verfahren mit der synchronisierten Anlegung eines Dipolimpulses an die Endkappenelektroden der Ionenfalle kombiniert wird.
• Fig. 8 ist eine Kurve, die das Signal zeigt, das erhalten wird, wenn das Verfahren von Fig. 7 derart modifiziert wird, daß das Einfangfeld schnell auf Null verringert anstatt erhöht wird.
• Eine Vorrichtung der Art, die bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in Fig. 4 dargestellt und ist auf dem Fachgebiet gut bekannt. Die Ionenfalle 10, die schematisch im Querschnitt dargestellt ist, umfaßt eine Ringelektrode 20, die zu oberen und unteren Endkappenelektroden 30 bzw. 35 koaxial ausgerichtet ist. Diese Elektroden legen ein inneres Einfangvolumen fest. Vorzugsweise weisen die Fallenelektroden hyperbolische Innenflächen auf, obwohl andere Formen, beispielsweise Elektroden mit einem Querschnitt, der einen Kreisbogen bildet, ebenfalls verwendet werden können, um Einfangfelder zu erzeugen, die für viele Zwecke angemessen sind. Die Auslegung und Konstruktion von Ionenfallen-Massenspektrometern ist Fachleuten gut bekannt und muß nicht im einzelnen beschrieben werden. Eine Ionenfalle eines kommerziellen Modells der hierin beschriebenen Art wird vom Anmelder hiervon unter der Modellbezeichnung "Saturn" vertrieben.
• Eine Probe, beispielsweise aus einem Gaschromatographen ("GC") 40, wird in die Ionenfalle 10 eingeleitet. Da GCs typischerweise bei Atmosphärendruck arbeiten, während Ionenfallen bei stark verringerten Drücken arbeiten, sind Druckreduktionsmittel (z. B. eine Vakuumpumpe und geeignete Ventile usw., nicht dargestellt) erforderlich. Solche Druckreduktionsmittel sind üblich und Fachleuten gut bekannt. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines GC als Probenquelle beschrieben wird, wird die Quelle für die Probe nicht als Teil der Erfindung betrachtet und es besteht nicht die Absicht, die Erfindung auf die Verwendung mit Gaschromatographen zu begrenzen. Andere Probenquellen, wie beispielsweise Flüssigkeitschromatographen mit spezialisierten Schnittstellen, können ebenfalls verwendet werden. Für einige Anwendungen ist keine Probentrennung erforderlich, und ein Probengas kann direkt in die Ionenfalle eingeleitet werden.
• Eine Quelle für ein Reagenzgas 50 kann zur Durchführung von Experimenten mit chemischer Ionisation ebenfalls mit der Ionenfalle verbunden sein. Die Probe und das Reagenzgas, das in das Innere der Ionenfalle 10 eingeleitet wird, können unter Verwendung eines Strahls von Elektronen, wie von einem Glühfaden 60, der durch eine Glühfaden- Stromversorgung 65 gespeist wird, welcher durch eine Steuerelektrode 67 gesteuert wird, ionisiert werden. Die Mitte der oberen Endkappenelektrode 30 ist durchlöchert, um den durch den Glühfaden 60 und die Steuerelektrode 67 erzeugten Elektronenstrahl in das Innere der Falle eintreten zu lassen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Hardware zur Erzeugung und Steuerung des Elektronenstrahls durch eine Steuereinheit 70 gesteuert. Wenn der Elektronenstrahl durchgelassen wird, tritt er in die Falle ein, wo er mit Proben- und, falls angebracht, Reagenzmolekülen innerhalb der Falle zusammenstößt, wodurch sie ionisiert werden. Die Elektronenstoß-Ionisation der Proben- und Reagenzgase ist auch ein gut bekannter Prozeß, der nicht ausführlicher beschrieben werden muß. Natürlich ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung der Elektronenstrahl-Ionisation innerhalb des Fallenvolumens begrenzt: Zahlreiche andere Ionisationsverfahren sind auf dem Fachgebiet ebenfalls gut bekannt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist das zum Einleiten von Probenionen in die Falle verwendete Ionisationsverfahren im allgemeinen unwichtig.
• Obwohl nicht dargestellt, kann mehr als eine Quelle für ein Reagenzgas mit der Ionenfalle verbunden sein, um Experimente unter Verwendung von verschiedenen Reagenzionen zu ermöglichen oder ein Reagenzgas als Quelle für Präkursorionen zu verwenden, um ein anderes Reagenzgas chemisch zu ionisieren. Außerdem wird typischerweise ein Hintergrundgas in die Ionenfalle eingeleitet, um die Schwingungen der eingefangenen Ionen zu dämpfen. Ein solches Gas kann auch für die CID verwendet werden und enthält vorzugsweise eine Spezies, wie z. B. Helium, mit einem hohen Ionisationspotential, d. h. oberhalb der Energie des Elektronenstrahls oder einer anderen Ionisationsquelle. Bei der Verwendung einer Ionenfalle mit einem GC wird vorzugsweise auch Helium als GC-Trägergas verwendet.
• Ein Einfangfeld wird durch das Anlegen einer Wechselspannung mit einer gewünschten Frequenz und Amplitude erzeugt, um Ionen innerhalb eines gewünschten Bereichs von Massen stabil einzufangen. Ein RF-Generator 80 wird verwendet, um dieses Feld zu erzeugen, und wird an die Ringelektrode 20 angelegt. Der Betrieb des RF-Generators 80 geschieht vorzugsweise unter der Steuerung der Steuereinheit 70. Eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) kann auch verwendet werden, um eine Gleichspannungskomponente an das Einfangfeld anzulegen, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch keine Gleichspannungskomponente in dem Einfangfeld verwendet.
• Die Steuereinheit 70 kann ein Computersystem mit Standardmerkmalen, wie z. B. einer Zentraleinheit, einem flüchtigen und nicht-flüchtigen Speicher, Eingabe/Ausgabe- (E/A) Vorrichtungen, Digital-Analog- und Analog-Digital- Wandlern (DACs und ADCs), Digitalsignalprozessoren und dergleichen, umfassen. Außerdem kann eine Systemsoftware zum Implementieren der Steuerungsfunktionen und der Befehle von dem Systemoperator in den nicht-flüchtigen Speicher integriert sein und während des Betriebs in das System geladen werden. Diese Merkmale werden alle als Standard betrachtet und erfordern keine weitere Erörterung, da sie nicht als wesentlich für die vorliegende Erfindung betrachtet werden.
• Die in der Ionenfalle verwendete zusätzliche Dipolspannung kann durch einen Zusatzwellenform-Generator 100 erzeugt werden, welcher über einen Transformator 110 mit den Endkappenelektroden 30, 35 gekoppelt ist. Der Zusatzwellenform-Generator 100 ist von der Art, die nicht nur in der Lage ist, eine einzelne zusätzliche Frequenzkomponente für die axiale Modulation einer einzelnen Spezies zu erzeugen, sondern auch in der Lage ist, eine Spannungswellenform mit einem breiten Bereich von diskreten Frequenzkomponenten zu erzeugen. Ein beliebiger geeigneter Generator für willkürliche Wellenformen, der der Steuerung der Steuereinheit 70 unterliegt, kann verwendet werden, um die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten zusätzlichen Wellenformen zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine vom Generator 100 erzeugte Mehrfrequenz-Zusatzwellenform an die Endkappenelektroden der Ionenfalle angelegt, während das Einfangfeld moduliert wird, um gleichzeitig mehrere Tonenmassen aus der Falle frequenzabhängig auszustoßen, wie bei einem Ionenisolationsverfahren. Der Zusatzwellenform-Generator 100 kann auch verwendet werden, um ein Resonanzsignal mit niedriger Spannung zu erzeugen, um Mutterionen in der Falle durch CID zu zerlegen, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist.
• Der Detektor 90 wird entlang der Mittelachse der Falle angeordnet, um den Strom der Ionen, die die Ionenfalle verlassen, bei einem Experiment zu messen. Löcher in der Endkappenelektrode 35 ermöglichen, daß die Ionen die Falle in axialer Richtung verlassen. Die Konstruktion, Verwendung und Steuerung von Ionenfallendetektoren sind gut bekannt und müssen nicht im einzelnen beschrieben werden. Im Stand der Technik bestand das bevorzugte Verfahren zum Erfassen von Ionen, die in der Ionenfalle eingefangen werden, insbesondere von Ionen einer Spezies, die vorher in der Ionenfalle isoliert wurde, darin, die Ionen frequenzabhängig auszustoßen. Die Verwendung des Resonanzausstoßes für die Erfassung von isolierten Ionen weist gewisse Nachteile auf, wie vorher beschrieben, und wird daher bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet.
• Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Folge der verschiedenen Spannungen, die gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Implementieren der vorliegenden Erfindung angelegt werden. Wie in Fig. 5A gezeigt, wird anfänglich das Elektronengatter durchgesteuert und ein Elektronenstrahl wird in die Ionenfalle gerichtet, wie beschrieben, um die Ionisation der Probe in der Falle zu bewirken. Wie in Fig. 5F gezeigt, wird eine Mehrfrequenz- Wellenform wie beschrieben an die Endkappen 30, 35 während des Ionisationsschritts mittels des Zusatzwellenform- Generators 100 angelegt, wodurch die Ansammlung der Zielionenspezies innerhalb der Ionenfalle ermöglicht wird. Wie beschrieben, wird als nächstes unter Verwendung einer Kombination des Abtastens der Einfangspannung, während eine Zusatzspannung angelegt wird, um die Falle von Ionen mit niedriger Masse zu befreien, und des anschließenden Anlegens einer zweiten zusätzlichen Breitbandwellenform, während die Einfangspannung geringfügig gesenkt wird, um die Falle von jeglichen Ionen mit höherer Masse als der ausgewählten Ionenspezies zu befreien, eine einzelne Ionenspezies in der Falle isoliert. Diese Tätigkeiten sind in Fig. 5C-F dargestellt. Obwohl das vorangehende Verfahren zum Isolieren einer einzelnen Ionenspezies in der Ionenfalle bevorzugt ist, kann gemäß dem breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Verfahren zum Isolieren einer Ionenspezies verwendet werden, von denen mehrere vorstehend in Verbindung mit dem Hintergrund der Erfindung beschrieben wurden.
• Wie vom Erfinder hiervon erkannt, ist es, wenn eine einzelne Ionenspezies in der Ionenfalle isoliert wurde, nicht erforderlich, die Falle zur Ionenerfassung abzutasten. Statt dessen werden gemäß der vorliegenden Erfindung alle Ionen durch schnelles Ändern der RF- Einfangspannung, so daß die Ionen nicht mehr stabil innerhalb der Ionenfalle gehalten werden, schnell ausgestoßen. In diesem Zusammenhang bedeutet "schnell" das Bewirken der gewünschten Änderung in einem Zeitintervall, das in der Größenordnung von 10 Einfangfrequenzperioden oder weniger liegt.
• Fig. 6 zeigt das Signal, das erhalten wird durch Ausstoßen der gespeicherten Ionenspezies PFTBA durch schnelles Erhöhen der RF-Einfangspannung, wodurch der Arbeitspunkt des Tons außerhalb die Stabilitätshüllkurve bewegt wird, wodurch das Ion in axialer Richtung durch Instabilitätsausstoß ausgestoßen wird. Ein schneller Instabilitätsausstoß ist ein von Natur aus schnellerer Prozeß als der Resonanzausstoß des Standes der Technik, wodurch sich ein Tonenstrom mit größerer Spitze ergibt. Außerdem weist der schnelle Instabilitätsausstoß keine nachteiligen Auswirkungen auf, die von der Anwesenheit der Schwebungsfrequenzen zwischen der Einfangspannung und der Resonanzabtastspannung herrühren, wodurch die beispielsweise in der Abtastung von Fig. 1 des Standes der Technik vorliegenden Spitzenanomalien beseitigt werden. Die schnelle Erhöhung der Einfangspannung, die zum Erhalten der Ergebnisse von Fig. 6 verwendet wird, ist in Fig. 5C durch die gestrichelte Linie dargestellt, und wird im Anschluß an das Anlegen der zweiten zusätzlichen Einfangspannung von Fig. 5E angewendet.
• Sowohl der Abtastresonanzausstoß als auch der Instabilitätsausstoß bewirken, daß gleiche Zahlen von Ionen in beiden Richtungen entlang der Symmetrieachse ausgestoßen werden. Somit wird ungefähr die Hälfte der Ionen in der Falle nicht erfaßt, wenn eines der Verfahren verwendet wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein großes Dipolfeld an die Falle entlang der Symmetrieachse gleichzeitig mit der Änderung der Einfangspannung angelegt, um die Ionen vorzugsweise in Richtung des Detektors auszustoßen, wodurch der Prozentsatz der Ionen in der Falle, die erfaßt werden, drastisch erhöht wird. Fig. 7 zeigt ein Signal, das erhalten wird, wenn der Instabilitätsausstoß mit dem Anlegen eines großen Dipolfeldes entlang der z-Achse synchronisiert wird, um die eingefangenen Ionen vorzugsweise in einer Richtung auszustoßen. Obwohl eine merkliche Erhöhung des Ionenstroms zu sehen ist, ist die Erhöhnung keine Verdoppelung, wie erwartet worden sein könnte. Es wird angenommen, daß, wenn die Einfangspannung schnell erhöht wird, die Ionen beträchtliche kinetische Energie gewinnen, wenn sie die Stabilitätsgrenze überqueren. Die kinetische Energie reicht aus, um das Dipolfeld zu überwinden, so daß viele der Ionen die Falle nach wie vor in axialer Richtung vom Detektor weg verlassen. Es wird angenommen, daß ein sehr großes Dipolfeld erforderlich wäre, um die kinetische Energie, die von den Ionen gewonnen wird, wenn sie instabil werden, zu überwinden. Überdies wäre das erforderliche Dipolfeld eine Funktion der Ionenmasse, wobei Ionen mit höherer Masse ein größeres Feld erfordern würden.
• Fig. 8 ist ähnlich zu Fig. 7, außer daß das Einfangfeld auf Null verringert anstatt erhöht wird, um die Ionen auszustoßen. Dies ist durch die durchgezogene Linie von Fig. 5C im Anschluß an das Anlegen der zusätzlichen Breitbandwellenform von Fig. 5E dargestellt. Normalerweise ermöglicht das Beseitigen des Einfangfeldes, daß Ionen in einer beliebigen Richtung entweichen. Es ist jedoch zu sehen, daß, wenn die Einfangspannung auf einen kritischen Wert verringert wird, das Dipolfeld leicht alle Ionen in der Falle in der gewünschten Richtung ausstoßen kann und fast eine Verdoppelung des Ionensignals erhalten wird.
• Die Kombination des verringerten Einfangfeldes von Fig. 8 und des starken axialen Dipolfeldes führt dazu, daß die Ionen aus der Ionenfalle in einem Zeitraum ausgestoßen werden, der neunmal kürzer (-20 us) ist, und zu einem Signal, das fast die gesamte Tonenpopulation der Ionenfalle enthält. Dies verdoppelt fast den Ionenstrom gegenüber dem Stand der Technik. Die Kombination dieser zwei Schritte sieht eine Gesamtverbesserung um einen Faktor von achtzehn relativ zum normalen Verfahren des Abtastresonanzausstoßes vor. Es ist nicht erforderlich, das Massenzentrum der Spitze zu ermitteln wie bei einem Abtastverfahren, da nur Ionen mit einer Masse in der Ionenfalle vorliegen und die Frequenzschwebung kein Problem darstellt. Der resultierende Ionenstrom kann integriert und mittels eines A/D-Wandlers, der mit dem Ausstoßimpuls synchronisiert ist, digital umgewandelt werden, um ein Meßsignal für die gesamte Ladung in der Falle zu erhalten. Falls erwünscht, könnte die vorliegende Erfindung natürlich eine Abtast- und Halteschaltung verwenden, um den Spitzenstrom anstelle des integrierten Stroms zu messen.
• Es ist zu sehen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine schnellere Ermittlung des Inhalts einer Ionenfalle ermöglicht, wodurch die Anzahl der Zyklen, die pro Sekunde durchgeführt werden können, erhöht wird und die Notwendigkeit für eine Mikromittelung beseitigt wird.
• Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit deren bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, werden Fachleute weitere Variationen und Äquivalente für den beschriebenen Stoff erkennen. Daher ist beabsichtigt, daß der Schutzbereich der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verwendung eines Quadrupol-Ionenfallen- Massenspektrometers mit Endkappenelektroden (30, 35) und einem externen Detektor (90) aufweisend die Schritte: Isolieren einer gewählten Ionenspezies innerhalb der Ionenfalle (10), und rasches Ändern der Parameter des Einfangfelds während im wesentlichen gleichzeitig ein Dipolimpuls über die Endkappenelektroden (30, 35) der Ionenfalle (10) derart angelegt wird, dass die isolierten Ionenspezies innerhalb des Einfangfelds nicht mehr stabil eingefangen ist, und derart, dass ein Dipolfeld zwischen den Endkappen (30, 35) derart gebildet ist, dass das isolierte Ionenspezies veranlasst wird, eine Flugbahn bevorzugt in Richtung auf den externen Detektor (90) einzunehmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einfangspannung geändert wird und die Dipolspannung innerhalb eines Zeitintervalls von nicht mehr als 20 Mikrosekunden oder weniger angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt, das Einfangfeld rasch zu ändern, im wesentlichen das Verringern der Einfangfeldspannung umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt, das Einfangfeld rasch zu ändern, im wesentlichen das Beseitigen der Einfangfeldspannung umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend den Schritt, instabile Ionen unter Verwendung des externen Detektors (90) zu ermitteln und den Ionenstrom zu integrieren, der durch den externen Detektor (90) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das isolierte Ionenspezies ein Tochterion in einem MSn- Experiment ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der- Schritt, ein gewähltes Tonenspezies innerhalb der Ionenfalle zu isolieren, aufweist:

Anlegen eines Einfangfelds, umfassend eine Einfangwechselspannung an die Ionenfalle (10);

Anlegen einer zusätzlichen Dipolspannung an die Falle (10);

Abtasten der Einfangspannung zum Beseitigen von Ionen mit einer Masse geringer als eine gewünschte Tonenmasse aus der Falle (10); und

Anlegen einer Breitbandwellenform an die Tonenfalle (10) zum Beseitigen von Ionen mit einer Masse größer als die gewünschte Masse aus der Ionenfalle (10) derart, dass ausschließlich die gewünschte Ionenmasse in der Falle (10) verbleibt.

8. Vorrichtung zum Steuern eines Quadrupol-Ionenfallen- Massenspektrometers, welches Massenspektrometer zwei Endkappenelektroden (30, 35) und einen externen Detektor (90) und Mittel (20, 40, 50, 60, 65, 67, 80, 100, 110) zum Isolieren einer gewählten Ionenspezies innerhalb der Ionenfalle (10) umfasst;

wobei die Vorrichtung Mittel (70) zum raschen Ändern der Einfangfeldparameter umfasst, während sie im wesentlichen gleichzeitig einen Dipolimpuls über die Endkappenelektroden (30, 35) der Ionenfalle (10) derart anlegt, dass die isolierte Tonenspezies innerhalb des Einfangfelds nicht weiterhin stabil eingefangen ist, so dass ein Dipolfeld zwischen den Endkappen (30, 35) derart gebildet ist, dass das isolierte Ionenspezies veranlasst wird, einer Flugbahn bevorzugt in Richtung auf den externen Detektor (90) einzunehmen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Mittel (70) zum raschen Ändern des Einfangfelds im wesentlichen die Einfangfeldspannung beseitigen.

10. Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer aufweisend die Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9.