DE69518890T2

DE69518890T2 - Verfahren zum steuern der raumladung zur verbesserung der ionenisolierung in einem ionen fallenmassenspektrometer durch dynamischadaptieve optimierung

Info

Publication number: DE69518890T2
Application number: DE69518890T
Authority: DE
Inventors: J. Wells
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-01-11
Also published as: EP1009015A3; EP1009015A2; US5448061A; WO1995019041A1; DE69518890D1; EP0711453A1; EP0711453A4; EP0711453B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Massenspektrometrie und betrifft insbesondere Verfahren zur Kontrolle der Raumladungseffekte in einem dreidimensionalen Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer zur verbesserten Ionenisolation und Massenauflösung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Verwendung des dreidimensionalen Quadrupol-Ionenfallen- Massenspektrometers ("Ionenfalle"), das anfänglich 1960 von Paul et al. (US-Pat. Nr. 2 939 952) patentiert 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 Ionenfalle besonders nützlich bei der Isolation und Behandlung einzelner Ionenspezies, wie bei einem sogenannten Doppel- MS- oder "MS/MS"-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. Trotzdem besteht ein Bedarf, die Auflösung hoher Massen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse in Ionenfallen zu verbessern. Ein Hauptfaktor, der die Massenauflösung und Reproduzierbarkeit begrenzt, ist die Raumladung, die die Einfangbedingungen von einem Experiment zum nächsten ändern kann, wenn sie nicht auf einem konstanten Niveau gehalten wird.
Die Quadrupol-Ionenfalle umfaßt eine ringförmige Elektrode und zwei Abschlußkappenelektroden. Idealerweise weisen sowohl die Ringelektrode als auch die Abschlußkappenelektroden 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 Abschlußkappen zum Erzeugen eines Quadrupol-Einfangfeldes erzeugt werden. Die Verwendung einer zusätzlichen Gleichspannung ist wahlfrei, und in kommerziellen Ausführungsbeispielen der Ionenfalle wird normalerweise keine 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 ist gut bekannt und wurde im ursprünglichen Patent von Paul et al. beschrieben. Für eine Falle mit einer Ringelektrode mit einem gegebenen Äquatorradius r&sub0;, bei der die Abschlußkappenelektroden vom Ursprung im Zentrum der Falle entlang der axialen Linie r = 0 um einen Abstand z0 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 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, in abgekürzter Weise in Form der "Masse" von Ionen zu sprechen, obwohl es genauer wäre, vom Masse-Ladungs-Verhältnis von Ionen zu sprechen, da das, was das Verhalten eines Ions tatsächlich beeinflußt, ein Einfangfeld ist. Der Bequemlichkeit halber übernimmt diese Beschreibung die allgemeine Praxis und verwendet im allgemeinen den Begriff "Masse" als Kürzel, das Masse- Ladungs-Verhältnis bedeutet).
Das typische Verfahren zur Verwendung einer Ionenfalle besteht im Anlegen von Spannungen 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 Abschlußkappenelektroden ausgestoßen und werden mit einem Elektronenvervielfacher erfaßt.
Zum Ionisieren von Probenmolekülen existieren mehrere Verfahren. Am häufigsten werden Probenmoleküle in die Falle eingeleitet und ein Elektronenstrahl wird eingeschaltet, der die Probe innerhalb des Fallenvolumens ionisiert. Dies wird als Elektronenstoß-Ionisation oder "EI" bezeichnet. Alternativ können Ionen einer Reagenzverbindung innerhalb der Ionenfalle erzeugt oder in diese eingeleitet werden, um die Ionisation der Probe aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Reagenzionen und den Probenmolekülen zu bewirken. Dieses Verfahren wird als chemische Ionisation oder "CI" bezeichnet. Andere Verfahren zum Ionisieren der Probe, wie z. B. Photoionisation, die einen Laserstrahl oder eine andere Lichtquelle verwendet, sind ebenfalls bekannt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist das zur Erzeugung von Ionen verwendete spezielle Ionisationsverfahren im allgemeinen nicht von Bedeutung.
Die verschiedenen bekannten Ionisationsverfahren beinhalten alle etwas, das als "Ionisationsparameter" bezeichnet wird, die die Anzahl der in der Zonenfalle erzeugten oder in diese eingeleiteten Ionen beeinflussen. Die Anzahl der innerhalb des Fallenvolumens gespeicherten Ionen legt wiederum die Raumladung innerhalb der Falle fest, da die Raumladung in der Falle eine Funktion der gesamten Ionenpopulation ist. Es können in Abhängigkeit von dem speziellen Verfahren der Ioneneinleitung verschiedene Ionisationsparameter verwendet werden, um die Anzahl der in die Falle eingeleiteten Ionen zu steuern. Wenn beispielsweise EI verwendet wird, ist die Anzahl der in der Falle erzeugten Ionen eine Funktion der Intensität des zum Erzeugen der Ionen verwendeten Elektronenstrahls sowie der Dauer der Zeit, in der der Strahl eingeschaltet ist. Somit sind beide von diesen Ionisationsparameter, so wie dieser Begriff in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, da die Ionenpopulation in der Falle durch Verändern der Intensität des Strahls oder durch Verändern der Dauer der Zeit, in der der Strahl eingeschaltet ist, gesteuert werden kann. Wenn Photoionisation verwendet wird, werden ebenso sowohl die Dauer der Zeit, in der der Lichtstrahl eingeschaltet ist, als auch die Intensität des Strahls als Ionisationsparameter betrachtet.
Wenn CI verwendet wird, ist die Reaktionszeit zwischen den Probenmolekülen und den Reagenzionen ein Ionisationsparameter. Es wird angemerkt, daß Reagenzionen normalerweise innerhalb der Ionenfalle durch Ionisieren von Reagenzmolekülen unter Verwendung eines Elektronenstrahls erzeugt werden. Mit anderen Worten, die Reagenzionen werden normalerweise durch EI erzeugt. In einer solchen Situation hängt die Menge der in der Ionenfalle erzeugten Reagenzionen von denselben vorstehend beschriebenen Ionisationsparametern ab, d. h. der Dauer der Zeit, in der der Elektronenstrahl eingeschaltet ist, und der Intensität des Strahls. Wenn Reagenzionen ionisiert werden, werden normalerweise Maßnahmen ergriffen, um jegliche Probenionen, die gleichzeitig in der Ionenfalle gebildet werden, zu beseitigen. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein weiteres Verfahren zum Erzeugen von Reagenzionen für ein CI-Experiment darin, anfängliche Präkursorionen mit einem Reagenzgas reagieren zu lassen, um die gewünschten Reagenzionen zu bilden. Somit werden die Reagenzionen selbst durch chemische Ionisation gebildet.
Obwohl in den meisten Fällen Probenionen innerhalb des Fallenvolumens erzeugt werden, können in einigen Fällen Ionen durch irgendeines der vorangehenden Verfahren außerhalb erzeugt werden und unter Verwendung von bekannten Ionentransportmitteln in die Ionenfalle transportiert werden. In solchen Fällen kann eine elektronische Iorsteuerungsanordnung verwendet werden, um die Strömung von Ionen in die Falle zu steuern, und die Dauer der Zeit, in der das Ionentor "offen" ist, kann verwendet werden, um die in die Ionenfalle eingeleitete Ionenpopulation zu steuern. Somit würde dies ebenfalls als Ionisationsparameter gemäß der vorliegenden Erfindung betrachtet werden.
Wie beschrieben, gibt es eine Anzahl von bekannten Verfahren zum Erzeugen der Ionen, die in einer Ionenfalle eingefangen werden. Für die Zwecke dieser Beschreibung sollen die Begriffe "eingeleitet" und "Einleiten", wenn sie in Verbindung mit Probenionen verwendet werden, alle der verschiedenen Verfahren beinhalten. Somit können Ionen entweder durch Bildung innerhalb des Fallenvolumens, wie bei herkömmlichen EI- oder CI-Verfahren in der Falle, oder durch Bildung außerhalb der Ionenfalle und Transport in das Fallenvolumen in die Ionenfalle eingeleitet werden.
Wenn die Ionen einmal erzeugt und in der Falle gespeichert sind, stehen mehrere Verfahren zum Isolieren von speziellen interessierenden Ionen und zum Durchführen sogenannter MS/MS-Experimente, die manchmal (MS)n-Experimente genannt werden, zur Verfügung. Wie bemerkt, wird bei MS/MS- Experimenten ein isoliertes Ion oder eine Gruppe von Ionen, die "Mutter"-Ionen genannt werden, unter Erzeugung von "Tochter"-Ionen zerlegt, die selbst erfaßt oder zur Erzeugung von "Enkel"-Ionen usw. zerlegt werden können. Verfahren zum Isolieren von Mutterionen, Tochterionen usw. in einer Ionenfalle beinhalten das Verändern der Einfangspannung(en) und/oder die Verwendung von zusätzlichen Spannungen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Ein besonders nützliches Verfahren zum Isolieren einer einzelnen Ionenspezies in einer Ionenfalle ist im US-Pat. Nr. 5 198 665 ('665-Patent), herausgegeben an den vorliegenden Erfinder und gemeinsam hiermit übertragen, beschrieben. Die Offenbarung des '665-Patents wird hiermit durch die Bezugnahme aufgenommen.
Das Erhalten eines Massenspektrums beinhaltet im allgemeinen das Abtasten der Falle, so daß Ionen aus der Ionenfalle entfernt und erfaßt werden. Das US-Pat. Nr. 4 540 884 von Stafford et al. beschreibt ein Verfahren zum Abtasten von einem oder mehreren der grundlegenden Einfangparameter des Quadrupol-Einfangfeldes, d. h. U, V oder f, um zu bewirken, daß eingefangene Ionen nacheinander instabil werden und die Falle verlassen. Instabile Ionen treten gewöhnlich in axialer Richtung aus und können unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren, wie vorstehend erwähnt, beispielsweise eines Elektronenvervielfachers oder eines Faraday-Bechers, die mit einer elektronischen Standard-Verstärkerschaltung verbunden sind, erfaßt werden.
Bei dem bevorzugten Verfahren, das vom '884-Patent gelehrt wird, wird die Gleichspannung U auf 0 gesetzt. Wie angemerkt, wenn U = 0 ist, dann gilt aus Gl. 1 az = 0 für alle Massenwerte. Wie aus Gl. 2 zu sehen ist, ist der Wert von qz direkt proportional zu V und invers proportional zur Masse des Teilchens. Ebenso gilt, je höher der Wert von V ist, desto höher ist der Wert von qz. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Abtastverfahren des '884- Patents durch lineares Erhöhen des Werts von V implementiert. Wenn V positiv erhöht wird, steigt der Wert von qz für eine spezielle Masse bis zu dem Punkt, wo er von einem Stabilitäts- zu einem Instabilitätsbereich übergeht. Folglich werden die Flugbahnen der Ionen mit zunehmendem Masse-Ladungs-Verhältnis nacheinander instabil und sie werden erfaßt, wenn sie aus der Ionenfalle austreten.
Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren zum Abtasten des Inhalts einer Ionenfalle wird eine zusätzliche Wechselspannung über die Abschlußkappen der Falle angelegt, um zusätzlich zum Quadrupolfeld ein schwingendes Dipolfeld zu erzeugen. (Manchmal wird diese Kombination aus einem Quadrupol-Einfangfeld und einem zusätzlichen RF-Dipolfeld als "kombiniertes Feld" bezeichnet). Bei diesem Verfahren besitzt die zusätzliche Wechselspannung eine andere Frequenz als die primäre Wechselspannung V. Die zusätzliche Wechselspannung kann bewirken, daß eingefangene Ionen mit einer speziellen Masse bei ihrer sogenannten "säkularen" Frequenz in axialer Richtung mitschwingen. Wenn die säkulare Frequenz eines Ions gleich der Frequenz der zusätzlichen Spannung ist, wird von dem Ion effizient Energie aufgenommen. Wenn genügend Energie in die Ionen mit einer speziellen Masse in dieser Weise eingekoppelt wird, werden sie in axialer Richtung aus der Falle ausgestoßen, wo sie, wie beschrieben wurde, erfaßt werden können. Das Verfahren der Verwendung eines zusätzlichen Dipolfeldes, um spezielle Ionenmassen anzuregen, wird manchmal als axiale Modulation bezeichnet. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, wird die axiale Modulation auch häufig verwendet, um ungewollte Ionen aus der Falle auszustoßen, und in Verbindung mit MS/MS-Experimenten, um Mutterionen in der Falle mit Molekülen eines Hintergrundpuffergases kollidieren zu lassen und in Tochterionen zu zerlegen. Dieses letztere Verfahren wird allgemein als stoßinduzierte Dissoziation (CID) bezeichnet. Ob ein Ion durch axiale Modulation aus der Falle ausgestoßen wird oder statt dessen nur zerlegt wird, hängt weitgehend vom Spannungspegel der zusätzlichen Dipolspannung ab, wie ebenfalls gut bekannt ist.
Die säkulare Frequenz eines Ions mit einer speziellen Masse in einer Ionenfalle hängt von der Größe der grundlegenden Einfangspannung V ab. Folglich gibt es zwei Möglichkeiten, Ionen mit unterschiedlichen Massen mit der zusätzlichen Wechselspannung in Resonanz zu bringen: Abtasten der Frequenz der zusätzlichen Spannung in einem feststehenden Einfangfeld oder Verändern der Größe V des Einfangfeldes, während die Frequenz der zusätzlichen Spannung konstant gehalten wird. Bei der Verwendung der axialen Modulation, um den Inhalt einer Ionenfalle abzutasten, wird die Frequenz der zusätzlichen Wechselspannung typischerweise konstant gehalten und V wird linear erhöht, so daß Ionen mit fortlaufend höherer Masse in Resonanz gebracht und ausgestoßen werden. Der Vorteil der linearen Erhöhung des Werts von V besteht darin, daß sie relativ einfach durchzuführen ist und eine bessere Linearität liefert als durch Ändern der Frequenz der zusätzlichen Spannung erreicht werden kann. Das Verfahren zum Abtasten der Falle unter Verwendung einer zusätzlichen Spannung wird als Resonanzausstoß-Abtastung bezeichnet.
Die Resonanzausstoß-Abtastung von eingefangenen Ionen liefert eine bessere Empfindlichkeit als unter Verwendung des Masseninstabilität-Verfahrens erreicht werden kann, welches vom '884-Patent gelehrt wird, und erzeugt schmälere, besser definierte Spitzen. Mit anderen Worten, dieses Verfahren erzeugt eine bessere Gesamtmassenauflösung. Die Resonanzausstoß-Abtastung steigert auch wesentlich die Fähigkeit, Ionen über einen größeren Massenbereich zu analysieren.
In kommerziellen Ausführungsbeispielen der Ionenfalle, die den Resonanzausstoß als Abtastverfahren verwendet, wird die Frequenz der zusätzlichen Wechselspannung auf etwa die Hälfte der Frequenz der Einfangwechselspannung eingestellt. Es kann gezeigt werden, daß die Beziehung der Frequenz der Einfangspannung und der zusätzlichen Spannung den Wert von qz (wie in Gl. 2 oben definiert) der Ionen, die sich in Resonanz befinden, festlegt. Tatsächlich wird die zusätzliche Spannung manchmal hinsichtlich des Werts von qz, bei dem sie wirkt, gekennzeichnet.
Obwohl das üblichste Verfahren zum Analysieren des Inhalts einer Ionenfalle das Bewirken, daß Ionen nacheinander die Falle in axialer Richtung verlassen, wo sie durch einen externen Detektor abgefangen werden können, beinhaltet, sind andere Erfassungsverfahren, einschließlich Verfahren zur Erfassung in der Falle, gut bekannt und können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Kommerziell werden die meisten Ionenfallen in Verbindung mit Gaschromatographen (GC's) verkauft, die im wesentlichen als Eingangsfilter für die Ionenfallen dienen. Wie gut bekannt ist, dient ein GC zum Trennen einer komplexen Probe in ihre Bestandteilsverbindungen, wodurch die Interpretation der Massenspektren erleichtert wird. Die Ionenfallentechnologie ist natürlich nicht auf die Verwendung mit GC's begrenzt und andere Probeneingabequellen sind bekannt. Mit einer geeigneten Schnittstelle kann beispielsweise ein Flüssigkeitschromatograph als Probenquelle verwendet werden. Für einige Anwendungen ist keine Probentrennung erforderlich und die Probe kann direkt in die Ionenfalle eingeleitet werden.
Die Strömung aus einem GC ist kontinuierlich und ein moderner GC mit hoher Auflösung erzeugt schmale Spitzen, die manchmal nur Sekunden dauern. Um ein Massenspektrum mit schmalen Spitzen zu erhalten, ist es erforderlich, mindestens eine vollständige Abtastung der Ionenfalle pro Sekunde durchzuführen. Die Notwendigkeit, eine schnelle Abtastung der Falle durchzuführen, fügt Bedingungen hinzu, die auch die Massenauflösung und Reproduzierbarkeit beeinträchtigen können. Ähnliche Bedingungen existieren bei der Verwendung der Ionenfalle mit einem LC oder einem anderen kontinuierlich strömenden, variablen Probenstrom.
Wie bei den meisten beliebigen Instrumenten ihrer Art ist es bekannt, daß der dynamische Bereich einer Ionenfalle begrenzt ist und daß die genauesten und nützlichsten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Falle mit der optimalen Anzahl an Ionen gefüllt wird. Ionenfallen- Massenspektrometer sind äußerst anfällig für nachteilige Wirkungen der Raumladung und Ionen-Molekül-Reaktionen. Die Raumladung in der Ionenfalle ändert das Gesamt-Einfangfeld, was die Massenauflösung und Kalibrierung stört. Überdies beeinträchtigt die Raumladung die Einfangeffizienz und die Ionen-Molekül-Reaktionen. Wenn zu wenig Ionen in der Falle vorhanden sind, ist die Empfindlichkeit gering und die Spitzen können durch Rauschen erdrückt werden. Wenn zu viele Ionen in der Falle vorhanden sind, können Raumladungseffekte das Einfangfeld signifikant verzerren und die Spitzenauflösung kann darunter leiden.
Der Stand der Technik ist dieses Problem durch die Verwendung eines Verfahrens der sogenannten automatischen Verstärkungsregelung (AGC) angegangen, welches darauf abzielt, die Gesamtladung in der Falle auf einem konstanten Pegel zu halten. Insbesondere verwenden die AGC-Verfahren des Standes der Technik eine schnelle "Vorabtastung" der Falle, um die in der Falle vorhandene Ladung abzuschätzen, und verwenden dann diese Vorabtastung, um eine anschließende analytische Abtastung zu steuern. Obwohl diese Vorgehensweise für viele Anwendungen und Experimente brauchbar war, hat der Erfinder festgestellt, daß sie keine sehr genaue Kontrolle über die Raumladung in der Ionenfalle vorsieht und folglich die Fähigkeit, eine sehr hohe Auflösung zu erhalten, begrenzt.
Es besteht ein zunehmender Bedarf für die Bereitstellung einer Anlage, die diese Begrenzungen beseitigt und die in der Lage ist, eine sehr hohe Auflösung bereitzustellen. Dieser Bedarf ist besonders vorhanden, wenn MS/MS- Experimente durchgeführt werden. Unter solchen Umständen ist es äußerst wichtig, die Gesamtmenge der Raumladung in der Ionenfalle zu kontrollieren, wie nachstehend erläutert.
Es gibt verschiedene AGC-Verfahren des Standes der Technik, die zur Kontrolle der Raumladungspegel in Ionenfallen verwendet wurden, um die Leistung der Falle für verschiedene Anwendungen zu optimieren. Diese Verfahren des Standes der Technik haben alle einen zweistufigen Prozeß zum Durchführen jeder Probenanalyse gemeinsam: Durchführen einer Vorabtastung, um die Konzentration der in der Falle vorhandenen Probenionen abzuschätzen, unter Verwendung von feststehenden, vorbestimmten Ionisationsparametern, gefolgt von einer analytischen Abtastung der Falle, die unter Verwendung der optimierten Ionisationsparameter auf der Basis der aus der Vorabtastung erhaltenen Information durchgeführt wird. Das Ziel dieser Verfahren besteht darin, immer ungefähr dieselbe Gesamtzahl an Ionen in der Falle zu speichern, wenn sich die Probenkonzentrationsniveaus ändern. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Vorabtastung auf eine Abtastung des Inhalts der Falle, die für den Zweck der Optimierung eines Ionisationsparameters durchgeführt wird. Bei einer Vorabtastung wird kein Massenspektrum zur Verwendung durch den Spektroskopiker erzeugt. Eine Vorabtastung wird normalerweise so schnell durchgeführt, daß aussagekräftige Massenspektraldaten aufgrund der mit der schnellen Abtastung verbundenen sehr schlechten Massenauflösung nicht unterscheidbar wären. Der Begriff analytische Abtastung, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Abtastung, die Massenspektraldaten des Inhalts der Ionenfalle sammeln soll.
Beim Verfahren des Standes der Technik von Stafford et al. (US-Pat. Nr. 5 107 109) wird die Probenkonzentration in der Falle bei einer Vorabtastung durch Anlegen eines kurzen Elektronenstrahls mit feststehender Dauer an die Falle, um eine Probenionisation zu bewirken, gefolgt von einer schnellen Messung des gesamten Ionengehalts der Falle gemessen. Diese Messung wird zur Steuerung der Anzahl an Probenionen in der Ionenfalle während der anschließenden analytischen Abtastung verwendet. Es wird nicht gelehrt, die Falle von irgendwelchen ungewollten Ionen entweder während der Vorabtastung oder der anschließenden analytischen Abtastung zu befreien.
Beim Verfahren des Standes der Technik von Weber-Grabau et al. (US-Pat. Nr. 4 771 172) wird wieder eine Vorabtastung mit feststehender Dauer in einer Art und Weise ähnlich dem Verfahren von Stafford et al. in Verbindung mit einer chemischen Ionisation verwendet, um die Probenkonzentration in der Falle vor der analytischen Abtastung zu messen. Dieses Patent lehrt auch die Beseitigung von ungewollten Probenionen aus der Falle während des Zeitraums, in dem Reagenzionen in der Falle erzeugt werden. Wie bei Stafford et al. sind sowohl die Dauer der Zeit, in der der Elektronenstrahl eingeschaltet ist, um die Reagenzionen zu ionisieren, als auch die Dauer der Zeit, in der die Reagenzionen mit der Probe reagieren, um sie zu ionisieren, fest.
Das Verfahren des Standes der Technik von Kelley (US-Pat. Nr. 5 200 613) offenbart ebenfalls eine Vorabtastung, die eine kurze, feststehende Ionisationszeit wie beim Verfahren von Stafford et al. verwendet, wobei die Verbesserung im zusätzlichen Schritt des Anlegens eines durch einen Sperrfilter gefilterten Rauschens an die Falle, um unerwünschte Ionen frequenzabhängig auszustoßen, besteht. Der Ionenausstoß mittels des gefilterten Rauschens, um Mutterionen zu isolieren, wird in Verbindung mit sowohl der Vorabtastung als auch der analytischen Abtastung durchgeführt. Kelley lehrt auch die Verwendung dieses Prozesses bei MS/MS-Experimenten.
Alle diese Verfahren des Standes der Technik leiden unter der Verwendung von feststehenden, vorbestimmten Ionisationsparametern während des Vorabtastungsschritts, um die Probenkonzentration in der Falle abzuschätzen und während der anschließenden analytischen Abtastung einen Ionisationsparameter einzustellen. Es können jedoch eine Vielzahl von Ionen-Molekül-Reaktionen in der Ionenfalle auftreten, die die Ionenintensität eines speziellen interessierenden Ions verändern, wie z. B. des Mutterions bei einem MS/MS-Experiment. Diese Prozesse sind Funktionen des Niveaus (oder der Anzahl) der Ionen, die sich in der Falle befinden, sowie des Probenkonzentrationsniveaus, das vorhanden ist. Die Verwendung einer feststehenden Ionisationsbedingung für die Vorabtastung erzeugt eine variable Anzahl von Ionen in Abhängigkeit davon, wieviel Probe relativ zur Matrix vorhanden ist. Wie für Fachleute verständlich ist, beinhaltet der Begriff "Matrix" z. B. jene Moleküle, die zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt aus dem GC eluieren, welche von der (den) interessierenden Probenverbindung(en) verschieden sind. Solche Hintergrundmoleküle können aus einer Vielzahl von Gründen vorhanden sein.
Das Verfahren des '109-Patents besitzt die zusätzliche Einschränkung, daß die Vorabtastung das integrierte Ionensignal von einem breiten Massenbereich von Ionen mißt, die während des Ionisationszeitraums der Vorabtastung eingefangen werden. In einer komplexen Matrix, die aus einem GC eluiert, kann sich das Verhältnis der Probe zur Matrix während der Elution einer Probenspitze aus dem Chromatographen drastisch ändern. Feststehende Ionisationsbedingungen während der Vorabtastung können den Fehler bei der Probenniveaubestimmung durch den Einschluß von unerwünschten Ionen aus der Matrix erhöhen. Die Ionisation der Matrix erzeugt häufig eine große Anzahl an Ionen mit Massen unterhalb jener des Mutterions.
Insbesondere Ionen mit niedriger Masse sind in einer Ionenfalle unangenehm, da sie die Einfangeffizienz der Mutterionen mit höherer Masse senken. Wenn sehr hohe Konzentrationsniveaus der Matrix vorliegen, kann die Verwendung einer feststehenden Vorabtastung verursachen, daß sich die Anzahl der Probenionen, die eingefangen werden, mit dem Niveau der Matrix ändert, selbst wenn das Probenniveau konstant ist.
Das Verfahren von Kelley versucht, das Probe/Matrix-Problem zu verringern durch Verbessern des Verfahrens des '109- Patents durch Hinzufügen des zusätzlichen Schritts des Anlegens eines durch einen Sperrfilter gefilterten Rauschens an die Falle während der Ionisation, um ungewollte Ionen auszustoßen und das Mutterion zu isolieren. Dieses Verfahren besitzt die Begrenzung des Anlegens des durch einen Sperrfilter gefilterten Rauschfeldes an die Falle während des Ionisationszeitraums, wenn die RF-Einfangspannung auf einen relativ niedrigen Pegel eingestellt wird, um einen breiten Bereich von Massen einzufangen. Bei niedrigen RF-Einfangspannungen überlappen die Resonanzlinienbreiten von Ionen mit benachbarten hohen Massen, so daß selbst die im Kelley-Patent offenbarten schmalen Frequenzschlitze (z. B. 1 kHz) Ionen über einen Bereich von mehreren Massen einfangen würden. Ein Bereich von 12-15 Masseneinheiten würde beispielsweise bei der Masse 400 innerhalb einen Frequenzschlitz von 1 kHz fallen. Dasselbe durch einen Sperrfilter gefilterte Rauschen wird verwendet, um sowohl ungewollte Ionen während des Ionisationszeitraums auszustoßen als auch Mutterionen für die anschließende Dissoziation in einem MS/MS-Experiment zu isolieren. Auf diese Weise verwendet, ist das durch einen Sperrfilter gefilterte Rauschen sowohl für den Ionenausstoß als auch für die Ionenisolation nicht optimal, da sie gleichzeitig durchgeführt werden. Aufgrund der kontinuierlichen Frequenzverteilung des Rauschens sind überdies große Leistungspegel erforderlich, damit bei der säkularen Frequenz aller ungewollten Ionen genügend Leistung vorhanden ist, um sie vollständig auszustoßen. Dies führt zur Leistungsverbreiterung der Ionenresonanz. Wenn die Schlitzbreite kleiner gemacht wird, um die Auflösung der Ionenisolation des Mutterions zu verbessern, ist die Folge ein drastischer Verlust in der Mutterionenspeicherung. Dies liegt daran, daß die Linienbreite unter den von Kelley gelehrten Einfangbedingungen ungefähr 1,5 kHz beträgt, d. h. ein gegebenes interessierendes Ion wird mit allen Frequenzen innerhalb eines 1,5 kHz breiten Frequenzbandes in Resonanz gebracht. Unter diesen Bedingungen ist ein Einfang mit hoher Auflösung nicht möglich.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verfahrens des Kelley-Patents gilt für MS/MS-Prozesse, bei denen die Vorabtastung den Schritt der Mutterionendissoziation zur Erzeugung von Tochterionen und die anschließende Integration des Tochterionensignals als Mittel zum Ermitteln der Optimierungsparameter für die analytische Abtastung umfaßt. Eine Begrenzung bei der Verwendung von Tochterionen besteht darin, daß die Erzeugung von Tochterionen und die Reproduzierbarkeit der Tochterionenspektren unter anderen Faktoren von dem Mutterionenniveau und der Umwandlungseffizienz von Mutter- zu Tochterionen abhängt. Somit ist einer der Parameter, der durch Änderungen des Probenniveaus und der Raumladungspegel in der Falle am meisten beeinflußt wird, der von Kelley zur Verwendung bei der Ermittlung der Ionisationsparameter für die analytische Abtastung ausgewählte. Überdies ist dies ein spezielles Problem, wenn ein relativ kurzer, festgelegter Ionisationszeitraum verwendet wird, da die relative Anzahl der Tochterionen, die erzeugt werden, niedrig ist, so daß unbedeutende Änderungen große Änderungen der berechneten optimalen Ionisationszeit verursachen könnten.
Die allgemeinen Begrenzungen der Verfahren des Standes der. Technik sind: (1) die Unfähigkeit, während einer Vorabtastung nur das Mutterion zu isolieren; (2) die Unfähigkeit, selektiv und reproduzierbar nur das Mutterion mit einem konstanten Niveau zu speichern, da sich die Proben- und Matrixniveaus während einer Vorabtastung ändern (3) bei der Verwendung von Vorabtastungen mit feststehenden Ionisationsbedingungen ändern sich die Raumladungsbedingungen der Vorabtastung mit dem Probe/Matrix-Verhältnis, was die Massenkalibrierung für einen Ionenisolationsschritt mit hoher Auflösung, wie z. B. im '665-Patent beschrieben, sowie das Ausmaß der unerwünschten Ionen-Molekül-Reaktionen, die in der Falle stattfinden, beeinflußt; und (4) die Abschätzung der Probenkonzentration und die Ermittlung der Optimierungsparameter sind fehlerhaft infolge einer ungenauen Messung der Anzahl der Ionen in der Falle während der Vorabtastung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verwendung einer Ionenfalle bereitzustellen, um eine Kontrolle der Raumladung in der Falle auf einen sehr konstanten Pegel bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Vorabtastverfahrens, das adaptiv ist, so daß es zu einer sehr gleichmäßigen Raumladung von gewünschten Ionenspezies in einer Ionenfalle führt.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, die für übliche Fachleute nach Lesen der vorliegenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich sind, werden bei dem vorliegenden Verfahren zum Betreiben eines Quadrupol- Ionenfallen-Massenspektrometers realisiert. Die Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im allgemeinen beinhaltet das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Vorabtastung, die adaptiv ist, d. h. bei der die Ionisationsparameter, die während der Vorabtastung verwendet werden, nicht feststehend sind, sondern vielmehr auf einer Ermittlung des Inhalts der Ionenfalle aus einer vorherigen Messung basieren. In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren der vorliegenden Erfindung Aufbauen eines Einfangfeldes in einer Ionenfalle, Einleiten von Probenionen in die Ionenfalle, Durchführen einer Vorabtastung des Inhalts der Ionenfalle, Einstellen eines Ionisationsparameters, um die Anzahl der Ionen in der Ionenfalle zu optimieren, Einleiten von weiteren Probenionen in die Ionenfalle auf der Basis des eingestellten Ionisationsparameters, Durchführen einer analytischen Abtastung der Ionenfalle, Einleiten von weiteren Probenionen in die Ionenfalle auf der Basis des eingestellten Ionisationsparameters, und danach Durchführen einer anschließenden Vorabtastung des Inhalts der Ionenfalle für das nächste analytische Experiment. Bei vielen Anwendungen beinhaltet der Schritt des Einleitens von Probenionen in die Ionenfalle einfach das Aussetzen der Probenmoleküle innerhalb des Fallenvolumens einem Elektronenstrahl, und der Ionisationsparameter, der eingestellt wird, ist die Dauer der Zeit, in der der Elektronenstrahl eingeschaltet ist. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung besitzt eine spezielle Anwendung zur Durchführung von MS/MS-Experimenten, wobei eine gewünschte Ionenspezies in der Ionenfalle isoliert wird. In solchen Fällen besteht das erfindungsgemäße bevorzugte Verfahren zum Isolieren einer gewünschten Ionenspezies in der Ionenfalle mit hoher Auflösung darin, zuerst Ionen mit niedriger Masse durch Abtastung aus der Ionenfalle auszustoßen unter Verwendung einer zusätzlichen Dipolspannung, die an die Abschlußkappenelektroden der Ionenfalle angelegt wird, und Abtasten durch die Resonanzfrequenzen der Ionen mit niedriger Masse, so daß sie durch Resonanzausstoß nacheinander ausgestoßen werden. Anschließend kann eine zusätzliche Breitbandspannung an die Abschlußkappenelektroden angelegt werden, um Ionen mit hoher Masse frequenzabhängig aus der Ionenfalle auszustoßen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Breitbandspannung Frequenzlücken enthalten und die Einfangspannung kann über einen schmalen Bereich durchlaufen oder moduliert werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schritt zum Isolieren einer gewünschten Masse innerhalb der Ionenfalle sowohl in Verbindung mit den Vorabtastungen als auch mit den analytischen Abtastungen durchgeführt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Massenspektrum, das die Isolation einer einzelnen Masse aus einer Probe von PFTBA zeigt.
Fig. 2 ist ein Massenspektrum unter denselben Bedingungen wie Fig. 1, außer daß die Raumladung in der Ionenfalle wesentlich erhöht wurde.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung der Art, die bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist ein Ablaufplan, der das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Verbesserung der Massenauflösung, des Rauschabstandes und der Massenkalibrierungsgenauigkeit von kommerziellen Quadrupol- Ionenfallen-Massenspektrometern, so daß sie zum Abtasten mit hoher Massenauflösung verwendet werden können. Das Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer (hierin als "Ionenfalle" bezeichnet) ist eine gut bekannte Vorrichtung, die sowohl kommerziell als auch wissenschaftlich von Bedeutung ist. Das allgemeine Betriebsmittel der Ionenfalle wurde vorstehend erörtert und muß nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben werden, da es ein gut etabliertes wissenschaftliches Werkzeug ist, das der Gegenstand von umfangreicher Literatur war. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet das wiederholte Abtasten der Falle, wie es auf dem Fachgebiet üblich ist, insbesondere wenn die Ionenfalle mit einem GC verwendet wird. Bei jeder Abtastung wird ein schmaler Massenbereich oder schmale Massenbereiche, die die Massen der interessierenden Probenionen enthalten, in der Ionenfalle wie vorstehend beschrieben isoliert.
Fig. 1 zeigt die Isolation einer einzelnen Masse (m/z 414) einer Probe von Perfluortributylamin (PFTBA), die unter Verwendung von EI ionisiert wird und unter Verwendung des Verfahrens des '665-Patents isoliert wird. Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Erhöhung der Ionenpopulation in der Falle um einen Faktor von drei. Um die Ionenpopulation in dem Experiment von Fig. 2 zu erhöhen, wurde die Ionisationszeit um einen Faktor von drei verlängert. In beiden Fällen wurde zuerst eine Vorabtastung unter Verwendung von festen Ionisationsparametern durchgeführt. Aufgrund der erhöhten Raumladung in der Falle ist zu sehen, daß die Isolation der Masse 414 beeinflußt wurde, wie durch das Auftreten der Masse 415 nachgewiesen. Dies ist die Folge der Raumladung, die die säkulare Frequenz des eingefangenen Ions verschiebt, so daß es sich nicht mehr genau mit dem angelegten zusätzlichen Breitbandfeld, das für einen Ausstoß von hohen Massen verwendet wird, in Resonanz befindet. Ein ähnlicher Effekt tritt während der Vorabtastung auf, wenn sich die Probenkonzentration für eine feste Vorabtastungsionisationszeit ändert.
Die Vorrichtung der Art, die bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in Fig. 3 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 Abschlußkappenelektroden 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 Querschnitten, die einen Kreisbogen bilden, ebenfalls verwendet werden können, um Einfangfelder zu erzeugen. Die Auslegung und Konstruktion der Ionenfallen-Massenspektrometer 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 40, wird in die Ionenfalle 10 eingeleitet. Da GC's typischerweise bei Atmosphärendruck arbeiten, während Ionenfallen bei stark verringerten Drücken arbeiten, sind Druckreduktionsmittel (z. B. eine Vakuumpumpe, 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.
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 z. B. von einem Glühfaden 60, der durch eine Glühfaden- Stromversorgung 65 gespeist wird, welcher durch eine Torsteuerelektrode 70 gesteuert wird, ionisiert werden. Die Mitte der oberen Abschlußkappenelektrode 30 ist durchlöchert (nicht dargestellt), um den durch den Glühfaden 60 und die Torsteuerelektrode 70 erzeugten Elektronenstrahl in das Innere der Falle eintreten zu lassen. Der Elektronenstrahl kollidiert mit Proben- und Reagenzmolekülen innerhalb der Falle, 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. 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 kann ein Hintergrundgas in die Ionenfalle eingeleitet werden, 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 oberhalb der Energie des Elektronenstrahls oder einer anderen Ionisationsquelle. Bei der Verwendung einer Ionenfalle mit einem GC wird vorzugsweise Helium als Trägergas verwendet.
Ein Einfangfeld wird durch 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 angelegt. Eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um eine Gleichspannungskomponente an das Einfangfeld anzulegen, wie es auf dem Fachgebiet gut bekannt ist.
Das bevorzugte Verfahren zum Abtasten der Falle beinhaltet die Verwendung einer zusätzlichen Dipol-Wechselspannung, die über die Abschlußkappen 30 und 35 der Ionenfalle 10 angelegt wird. Eine solche Spannung kann durch einen Zusatzwellenform-Generator 100 erzeugt werden, welcher über einen Transformator 110 mit den Abschlußkappenelektroden gekoppelt ist. Das zusätzliche Wechselstromfeld wird verwendet, um Ionen in der Falle frequenzabhängig auszustoßen, wie vorstehend beschrieben. Jedes Ion in der Falle besitzt eine Resonanzfrequenz, die eine Funktion seiner Masse und der Einfangfeldparameter ist. Wenn ein Ion durch ein zusätzliches RF-Feld bei seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, gewinnt es aus dem Feld Energie und, wenn genügend Energie in das Ion eingekoppelt wird, überschreiten seine Schwingungen die Grenzen der Falle, d. h. es wird aus der Falle ausgestoßen. Ionen, die aus der Falle ausgestoßen werden, werden durch einen Elektronenvervielfacher 90 oder einen äquivalenten Detektor erfaßt. Alternativ kann das Verfahren der Masseninstabilität-Abtastung (vorstehend in Verbindung mit dem '884-Patent beschrieben) verwendet werden, um den Inhalt der Ionenfalle zu ermitteln, oder auf dem gleichzeitigen Ausstoßen des Inhalts der Falle durch Anlegen eines zusätzlichen Feldes basierende Verfahren wie bei einem Flugzeit-Verfahren. Es ist auch für Fachleute zu erkennen, daß Verfahren der Erfassung in der Falle, wie z. B. die bei Kelley beschriebenen, oder das Einbeziehen der Messung von induzierten Strömen ebenfalls zum Ermitteln des Inhalts der Ionenfalle 10 nach einem Experiment verwendet werden können.
Der Zusatzwellenform-Generator 100 ist von der Art, die in der Lage ist, ein Breitbandsignal zu erzeugen, das aus einem breiten Bereich von diskreten Frequenzkomponenten besteht. Eine Breitbandwellenform, die vom Generator 100 erzeugt wird, wird an die Abschlußkappenelektroden der Ionenfalle angelegt, um einen breiten Bereich von Ionenmassen gleichzeitig frequenzabhängig aus der Falle auszustoßen. Der Zusatzwellenform-Generator 100 kann auch verwendet werden, um Mutterionen in der Falle durch CID zu zerlegen, wie es auf dem Fachgebiet gut bekannt ist.
Wie vorher beschrieben, ist das Verfahren des '665-Patents in der Lage, ein einzelnes Ion in der Falle mit hoher Auflösung zu isolieren, leidet jedoch unter der Empfindlichkeit der Massenkalibrierung aufgrund der variablen Pegel der Raumladung in der Falle. Selbst wenn Ionen mit nur einer einzelnen Masse in der Falle nach der Isolation vorliegen, hängen die exakten Speicherbedingungen (RF-Spannung), die bewirken, daß die angelegte Zusatzfrequenz eine spezielle Masse in Resonanz bringt, von dem Raumladungspegel des Ions, das isoliert wurde, ab. Somit wird die Massenkalibrierung beeinflußt, mit dem Ergebnis, daß einige der gewünschten Mutterionen versehentlich ausgestoßen werden und der Ausstoß der benachbarten Massen unvollständig ist. Die Tochterionenspektren hängen aufgrund von Schwankungen der während des Schritts der stoßinduzierten Dissoziation (CID) in die Mutterionenbewegung eingekoppelten Energiemenge ebenfalls von der Menge des in der Falle vorhandenen Mutterions ab. Um diese Situation zu bessern, ist es erwünscht, ein konstantes Niveau des Mutterions in der Falle bei allen Probenkonzentrationen sehr genau aufrechtzuerhalten. Dies kann durch Verwendung von Vorabtastschritten durchgeführt werden, die auf der Basis des bei der vorherigen analytischen Abtastung des isolierten Mutterions gemessenen Ionenniveaus an veränderliche Bedingungen anpassen.
Das Verfahren wird am besten mit Bezug auf Fig. 4 und 5 erläutert, denen wir uns nun zuwenden. Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm, das die Vorabtastung (Sp-1) darstellt, bei der die Ionisationszeit durch Tp(s-1) gegeben ist. Ein Einfangfeld wird erzeugt (500) und das interessierende Ion wird unter Verwendung des Verfahrens des '665-Patents isoliert (510) und das resultierende Mutterionenpopulationsniveau wird durch Erfassen der Anzahl der Mutterionen in der Falle gemessen (520). Die Messung der Mutterionenpopulation kann durch Erhöhen des Einfang- RF-Pegels geringfügig über den Wert, der zum Ausstoßen des Ions entweder durch Resonanzausstoß, Instabilitätsausstoß oder durch Anlegen eines Gleichstromimpulses an eine Abschlußkappe oder irgendein anderes der gut bekannten Verfahren zum Ionenausstoß oder zur Ionenerfassung erforderlich ist, durchgeführt werden. Natürlich können auch Verfahren zur Erfassung in der Falle verwendet werden. Nach dem Messen der Mutterionenpopulation bei der ersten Vorabtastung werden die geeigneten Ionisationsparameter, wie z. B. die Ionisationszeit, berechnet und bei der anschließenden analytischen Abtastung verwendet (530). In Fig. 4 ist die Ionisationszeit für die analytische Abtastung (Sa-1) als Ta(s-1) gegeben. Im Anschluß an die analytische Abtastung (540), die auch die Isolation des Mutterions umfaßt (530), wird die folgende Vorabtastung (Sp) (560) unter Verwendung der Ionisationsparameter durchgeführt, die bei der vorherigen analytischen Abtastung berechnet und verwendet wurden, Tp(s) = Ta(s-1) (550). Wieder wird im Anschluß an den Vorabtastungsionisationszeitraum das Mutterion isoliert und das Ionenniveau gemessen durch Ausstoß der Ionen zur Erfassung unter Verwendung einer Ionisationszeit Ta(s), die aus dem bei der Vorabtastung gemessenen Mutterionenniveau berechnet wird. Diese Schritte werden während des gesamten Massenabtastprozesses wiederholt. Die Ionisationszeiten sind folglich: Ta(s) = Tp(s)*Xa/Ip(s); wobei Xa ein benutzerdefiniertes "Ziel"- Ionenniveau ist und Ip(s) das gemessene Mutterionenniveau aus der Vorabtastung ist, und Tp(s) = Xp*Ta(s-1). Die Größe 5% ist eine benutzerdefinierte Vorabtastungs- Zielionenpopulation und kann gleich Eins gesetzt werden.
Das Anpassen der Vorabtastungsionisationsparameter an das Probenniveau unter Verwendung der Werte der vorherigen analytischen Abtastung ermöglicht, daß das Mutterionenniveau, das isoliert wird, sowohl bei der Vorabtastung als auch der analytischen Abtastung im wesentlichen derselbe konstante Wert ist. Somit wird die Vorabtastung unter nahezu identischen Bedingungen wie die analytische Abtastung durchgeführt, so daß die Raumladungsbedingungen nahezu identisch sind. In dieser Hinsicht besteht der Hauptunterschied zwischen der Vorabtastung und der analytischen Abtastung darin, daß die Vorabtastung die Mutterionen zur Erfassung ausstößt, während die analytische Abtastung die zusätzlichen Schritte der Dissoziation der Mutterionen in Tochterionen, gefolgt von einer Abtastung der Ionen, um das Tochterionenspektrum zu ermitteln, hinzufügt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Vorabtastung beseitigt werden und die Ionisationsparameter für jede analytische Abtastung können statt dessen auf der Information aus der vorherigen analytischen Abtastung basieren. Diese Vorgehensweise besitzt den zusätzlichen Vorteil der Zeitersparnis, so daß analytische Abtastungen häufiger durchgeführt werden können.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden für jede analytische Abtastung zwei Vorabtastungen durchgeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel würde die erste Vorabtastung feste, vorbestimmte Ionisationsparameter verwenden. Eine zweite Vorabtastung würde dann unter Verwendung der Information aus der ersten Vorabtastung, um eingestellte Ionisationsparameter zur Optimierung der Zielionenpopulation festzulegen, durchgeführt werden. Diese zweite Vorabtastung würde dann wiederum verwendet werden, um die Ionisationsparameter für eine analytische Abtastung festzulegen. Das Verfahren dieses alternativen Ausführungsbeispiels ist in Verbindung mit der Durchführung von sehr genauen MS/MS-Experimenten unter Umständen nützlich, unter denen die Probe nicht wiederholt analysiert wird, beispielsweise wenn die Probenquelle nicht ein GC oder eine andere kontinuierlich strömende Quelle ist.
Das bevorzugte Verfahren zum Durchführen von MS/MS mit hoher Auflösung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im vorstehend erwähnten US-Pat. Nr. 5 198 665 vom Erfinder hiervon dargelegt. Kurz gesagt werden gemäß dem '665- Patent, nachdem Ionen in die Ionenfalle eingeleitet wurden, Mutterionen in einer Ionenfalle in einem zweistufigen Prozeß isoliert. Zuerst werden ungewollte Ionen mit niedriger Masse durch Abtastresonanzausstoß unter Verwendung einer zusätzlichen RF-Dipolspannung mit fester Frequenz, die wie vorstehend beschrieben an die Abschlußkappenelektroden angelegt wird, aus der Falle ausgestoßen. Anschließend werden ungewollte Ionen mit hoher Masse unter Verwendung einer zusätzlichen Breitband-RF- Dipolspannung, die an die Abschlußkappenelektroden angelegt wird, aus der Ionenfalle ausgestoßen. Nachdem die Breitbandspannung angelegt wurde, wird die Einfangspannung vorzugsweise geringfügig verringert, um alle Ionen über der Masse des Mutterions zu beseitigen. Das Breitbandsignal kann aus einer Reihe von diskreten Frequenzkomponenten bestehen und kann zwischen den Frequenzkomponenten Lücken aufweisen. Die Verringerung der Einfangspannung durchläuft effektiv die Resonanzfrequenzen der eingefangenen Ionen. Andere konstruierte oder Rausch-Breitbandsignale können ebenfalls verwendet werden. Es wird angemerkt, daß die Ionenisolation auf diese Weise eine viel höhere Massenauflösung aufweist als die Vorgehensweise mit durch einen Sperrfilter gefiltertem Rauschen, die in dem Vorabtastschritt des Kelley-Patents gezeigt ist, da die ungewollten Ionen in der Massennähe zum Mutterion unter sehr unterschiedlichen Einfangbedingungen ausgestoßen werden. Bei einer Verbesserung an dem, was im '665-Patent offenbart ist, kann das Abtasten von niedrigen Massen in zwei Stufen ausgeführt werden.
Gemäß dieser Verbesserung werden die meisten der niedrigeren Massen schnell durch Abtastung aus der Ionenfalle ausgestoßen; wenn sich jedoch die Abtastung dem ausgewählten interessierenden Ion nähert, beispielsweise wenn die Abtastung innerhalb etwa 5 oder 6 Atommasseneinheiten der ausgewählten Masse liegt, wird die Abtastgeschwindigkeit verlangsamt. Die verlangsamte Geschwindigkeit kann beispielsweise die Geschwindigkeit sein, mit der die analytische Abtastung normalerweise durchgeführt wird. Ebenso wird die Abwärtsabtastung des Breitbandsignals, die zum Beseitigen von Ionen mit höherer Masse aus der Ionenfalle verwendet wird, vorzugsweise in zwei ähnlichen Stufen durchgeführt, d. h. ein schnelles Durchlaufen, gefolgt von einer langsamen Abtastung, wenn sich das Signal der Resonanzfrequenz des ausgewählten Ions nähert. Vorzugsweise wird das Breitbandsignal für einen kurzen Zeitraum (z. B. 3-5 ms), nachdem die Abtastung gestoppt wurde, weiter angelegt.
Obwohl das bevorzugte Verfahren zur Verwendung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit MS/MS-Experimenten die Verfahren des '665-Patents verwendet, sind andere Arten zum Isolieren von Mutterionen im Stand der Technik bekannt und können verwendet werden.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind: (1) die verbesserte Reproduzierbarkeit des Konzentrationsniveaus der isolierten Mutterionen unter Verwendung der optimierten Ionisationsparameter, die durch die Verwendung einer Vorabtastung, bei der die Mutterionen vor der Erfassung isoliert wurden, ermittelt werden; (2) die Isolation des Mutterions bei demselben Ionenniveau und unter im wesentlichen denselben Bedingungen für die Vorabtastung, die für die analytische Abtastung verwendet werden, unter Verwendung der optimierten Ionisationsparameter für die Vorabtastungsionisation, die aus der vorherigen Vorabtastung ermittelt wurden; (3) die verbesserte Reproduzierbarkeit der Tochterionenspektren infolge der Dissoziation der Mutterionen unter Bedingungen von im wesentlichen konstanten Mutterionenniveaus; (4) ein Verfahren zur Raumladungskontrolle des Mutterionenniveaus ohne die Verwendung einer Vorabtastung; und (5) die verbesserte Einfangeffizienz durch Ausstoßen der Ionen mit niedriger Masse unterhalb des Mutterions mit Hilfe einer an die Falle angelegten Breitbandwellenform.

Claims

1. Verfahren zur Verwendung eines Quadrupol-Ionenfallen- Massenspektrometers mit den Schritten:

(a) Aufbauen (500) eines Einfangfeldes innerhalb der Ionenfalle (10), so daß Ionen in einem interessierenden Bereich stabil in der Ionenfalle (10) gehalten werden;

(b) Einleiten von Probenionen in die Ionenfalle (10);

(c) Durchführen einer Vorabtastung (530) des Inhalts der Ionenfalle (10);

(d) Einstellen eines Ionisationsparameters, um die Anzahl der Ionen in der Ionenfalle (10) während der anschließenden analytischen Abtastung (540) zu optimieren, und Einleiten von Probenionen in die Ionenfalle (10) auf der Basis des eingestellten Ionisationsparameters;

(e) Durchführen einer analytischen Abtastung (540) des Inhalts der Ionenfalle (10);

(f) nach Schritt (e) Einleiten (550) von Probenionen in die Ionenfalle (10) auf der Basis eines eingestellten Ionisationsparameters und Durchführen einer weiteren Vorabtastung (560) des Inhalts der Ionenfalle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Probenionen innerhalb der Ionenfalle (10) ionisiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Probenionen unter Verwendung eines Elektronenstrahls ionisiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Ionisationsparameter die Dauer der Zeit ist, in der der Elektronenstrahl eingeschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt der Beseitigung von zumindest einigen ungewollten Ionen aus der Ionenfalle (10) vor der Bestimmung des Inhalts der Ionenfalle während der Schritte (c), (e) und (f) umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Beseitigung von zumindest einigen der ungewollten Ionen das Isolieren einer einzelnen Ionenspezies in der Ionenfalle (10) umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Isolierens einer einzelnen Ionenspezies in der Ionenfalle (10) die Schritte des Abtastens der Ionenfalle (10), um Ionen mit niedriger Masse zu beseitigen, gefolgt vom Anlegen einer Breitband-Zusatzspannung an die Ionenfalle (10), um ungewollte Ionen mit hoher Masse zu beseitigen, umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Abtastens der Ionenfalle, um Ionen mit niedriger Masse zu beseitigen, das Anlegen einer Zusatzspannung und das Durchlaufen der Einfangspannung über den Bereich von Resonanzfrequenzen der Ionen mit niedriger Masse umfaßt, so daß die Ionen mit niedriger Masse aus der Ionenfalle frequenzabhängig ausgestoßen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner den Schritt des Einstellens der Einfangspannung während des Anlegens der Breitband-Zusatzspannung umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Breitband- Zusatzspannung Frequenzlücken aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Probenionen unter Verwendung der chemischen Ionisation ionisiert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Reagenzionen innerhalb der Falle durch Aussetzen von Reagenzmolekülen einem Elektronenstrahl erzeugt werden, und wobei der Ionisationsparameter, der eingestellt wird, die Dauer der Zeit ist, in der die Reagenzmoleküle dem Elektronenstrahl ausgesetzt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Ionisationsparameter, der eingestellt wird, die Dauer der Zeit ist, in der die Reagenzionen mit Probenmolekülen reagieren lassen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner den Schritt des Isolierens umfaßt, wobei die Reagenzionen in der Ionenfalle vor der chemischen Ionisation der Probenmoleküle isoliert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verwendung eines Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometers mit dem zusätzlichen Schritt:

Durchführen einer ersten Vorabtastung, die den Schritt (b) des Einleitens von Probenionen in die Ionenfalle (10) unter Verwendung von festen, vorbestimmten Ionisationsparametern umfaßt;

wobei der Schritt (c) des Durchführens einer Vorabtastung des Inhalts der Ionenfalle (10) den Schritt des Einleitens von Probenionen in die Ionenfalle (10) unter Verwendung von Ionisationsparametern, die auf der Basis der ersten Vorabtastung berechnet werden, umfaßt; und

wobei das Durchführen der analytischen Abtastung (e) den Schritt des Einleitens von Probenionen in die Ionenfalle unter Verwendung von Ionisationsparametern, die auf der Basis der zweiten Vorabtastung berechnet werden, umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner den Schritt des Isolierens eines Mutterions während jeder Vorabtastung und der analytischen Abtastung umfaßt.