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Die
Erfindung betrifft das Entfernen des elektronischen Rauschens aus
solchen Massenspektren, die als Einzelspektren aufgenommen und zu
einem Summenspektrum addiert werden.
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Die
Erfindung besteht darin, die Entfernung des Rauschens in den Einzelspektren
und nicht im Summenspektrum vorzunehmen, weil sich nur in den Einzelspektren
eine Unterscheidung zwischen Ionensignalen und elektronischem Rauschen
vornehmen lässt.
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Viele
Arten von Massenspektrometern akquirieren in schneller Folge Einzelspektren,
die jeweils nur die Signale einiger weniger Ionen enthalten und
so eine schlechte Güte
in Bezug auf die Reproduzierbarkeit der Signalintensitäten für die einzelnen Ionenspezies
im Massenspektrum aufweisen. Diese Spektren, die teilweise mit einer
sehr hohen Frequenz von mehreren Kilohertz aufgenommen werden, werden
dann sofort im Rechnersystem des Massenspektrometers zu einem Summenspektrum
aufaddiert, um brauchbare Spektren mit weniger schwankenden Signalen
für die
Ionensorten verschiedener Massen zu erhalten. Die Addition dient auch
der Erhöhung
der Messdynamik, da sehr schnelle Digitalisierer mit Raten um ein
Gigahertz nur Datenbreiten von 8 bit haben. Messsysteme zur schnellen
Digitalisierung, Bearbeitung und Speicherung werden als Transientenrekorder
bezeichnet. Frühe
Beispiele für
den Einsatz von Transientenrekordern in der Flugzeitmassenspektrometrie
finden sich in den US Patenten
US
4,970,390 (Szymczak) und
US 5,367,162 A (Holland et al.).
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Es
seien hier einige extrem verschiedenartige Beispiele für diese
Arten von Massenspektrometern gegeben:
- • Flugzeitmassenspektrometer
mit einer Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI-TOF).
Hier werden typischerweise 50 bis 200, in einigen Geräten aber
auch einige 1000 Spektren addiert, die mit einer Rate von 10 bis 100
Spektren pro Sekunde und einer Messbreite von bis zu 200 000 Messpunkten
pro Spektrum aufgenommen werden. Die Digitalisierungsrate beträgt hier
etwa ein bis vier Gigahertz bei einer Wandlungsbreite von 8 bit.
Für eine
Addition der Spektren stehen je nach Aufnahmerate 5 bis 100 Millisekunden
zur Verfügung,
das sind 25 bis 500 Nanosekunden pro Messpunkt. Meist werden die Spektren
zwischen den Aufnahmen der Einzelspektren in einen Rechner überführt und
erst dort weiter verarbeitet.
- • Flugzeitmassenspektrometer
mit orthogonalem Einschuss der Ionen (OTOF), soweit hier Analog-zu-Digital-Wandler
eingesetzt werden. Es werden hier 1 000 bis 5 000 Spektren addiert,
die mit einer Rate von 20 000 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden.
Jedes Spektrum umfasst etwa 25 000 Messpunkte; die Digitalisierungsrate beträgt etwa
500 Megahertz bei einer Datenbreite von 8 bit. Die Addition findet
hier bereits in digitalisierenden Transientenrekordern statt, die
auf diese Aufgabe hin besonders entwickelt wurden. Die Spektrenaufnahme
findet hier unmittelbar aufeinanderfolgend statt; für die Addition
stehen daher nur jeweils zwei Nanosekunden zur Verfügung. Die
Transientenrekorder sind besonders auf niedriges Grundrauschen hin
gezüchtet,
das unterhalb von einem Zähler
des digitalisierten Wandlungswertes liegen soll, doch finden sich hier
immer wieder Schaltpeaks. Auch wenn diese nur jeweils ein bit betragen
und nur gelegentlich auftauchen: wenn sie sich immer wieder an derselben
Stelle befinden, so addieren sie sich leicht zu Pseudopeaks, die
nichts mit realen Ionenpeaks zu tun haben.
- • Ionenfallenmassenspektrometer
(ITMS) arbeiten gewöhnlich
mit einer Addition von nur etwa 5, in Grenzfällen aber bis zu 200 Spektren,
abhängig von
der Analysenaufgabe. Die Spektren werden mit einer Frequenz von
5 bis 10 Spektren pro Sekunde aufgenommen und umfassen jeweils bis
zu 50 000 Messpunkte. Die Digitalisierungsrate liegt bei 300 Kilohertz
und hat eine Breite von 12 bis 16 bit; das elektronische Rauschen
beträgt
hier einige Zähler
des digitalisierten Messwertes. Große Anzahlen von Spektren werden
besonders für
die Analyse großer
Biomoleküle
mit Ionisierung durch statisches Nanospray benötigt, da sich hier jeweils
nur wenige Ionen im auswertbaren Teil des Massenbereichs befinden.
Durch die gewöhnlich angewandte
Elektrosprüh-Ionisierung
(ESI) verteilen sich die Ionen auf viele Ladungszustände; es
gibt somit sehr große
Anzahlen von Ionenspezies mit Massensignalen verschiedener Massen-zu-Ladungsverhältnisse,
wobei in aufeinanderfolgenden Spektrennahmen nur gelegentlich ein
Ion auf eine solches Massensignal fällt.
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Alle
einzeln aufgenommenen Massenspektren enthalten jeweils außer den
Ionensignalen auch elektronisches Rauschen. Das elektronische Rauschen
beträgt
bei hoher Wandlungsbreite von 12 bis 16 bit meistens einige Zähler des
digitalen Wandlers. Bei niedrigerer Wandlungsbreite von 8 bit ist
das Rauschen auch geringer, aber hier sind die Wandlungsraten und
die Anzahlen der zu addierenden Einzelspektren auch jeweils sehr
groß.
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Die
Ionen können
wiederum reguläre
Ionen sein, die sich im Summenspektrum zu einem Massensignal (oder
auch Massenpeak genannt) aufaddieren, oder auch Streuionen, die
unter Umgehung der sauberen. massenspektrometrischen Trennung der
Ionen zu irgendeinem Zeitpunkt auf den Detektor fallen und dort
ein Ionensignal erzeugen. Die Streuionen liefern bei der Addition
der Spektren keine Massenpeaks, die das Vorhandensein von Ionensorten bestimmter
Massen-zu-Ladungsverhältnisse
anzeigen, sondern addieren sich zu einem breiten Streuuntergrund,
der von dem addierten elektronischen Rauschen nicht mehr zu trennen
ist.
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In
allen oben angeführten
Massenspektrometern werden Sekundärelektronenvervielfacher (SEV)
für die
Messung der Ionenströme
eingesetzt. Diese lassen sich grundsätzlich so einstellen, dass ein
einzelnes Ion ein Signal ergibt, das sich aus dem elektronischen
Rauschen signifikant heraushebt. Werden diese Spektren aufaddiert,
so addieren sich die Ionensignale, aber es addiert sich auch das
elektronische Rauschen. Der Nullpunkt des Verstärkers wird dabei meist so eingestellt,
dass die Mittellinie des Rauschsignals etwas über der Nullinie liegt, so dass
man am Spektrum prüfen
kann, dass kein Nutzsignal abgeschnitten wird. Entsprechend steigt
bei der Addition die Mittellinie des Rauschens und auch das Rauschen
selbst an: die Mittellinie steigt dabei linear mit der Anzahl der
Spektren, das Rauschen mit der Wurzel aus der Anzahl der Spektren
an.
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Ein
gelegentlich benutztes Hilfsmittel für die Unterdrücken des
elektronischen Rauschens besteht darin, die Mittellinie des Rauschens
durch eine leichte negative Vorspannung des Vorverstärkers (des Verstärkers vor
der Wandlung in einen Digitalwert) unter die Nullinie des Analog-zu-Digital-Wandlers (ADW
oder ADC = analog to digital converter) zu drücken. Es wird dabei das elektronische
Rauschen jedes Einzelspektrums abgeschnitten, in gleicher Weise
aber auch das Nutzsignal. Da sich aber die Mittellinie des Rauschens über das
Einzelspektrum über den
Massenbereich hinweg ins Positive oder Negative verschieben kann,
ist dieses Hilfsmittel nicht immer anwendbar, ohne größere Teile
des Nutzsignals abzuschneiden.
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Außerdem wird
dadurch dem Verfahren jede Kontrolle über Driften der Nullinie entzogen;
so können
beispielsweise Driften der Mittellinie durch Temperatureffekte nicht
mehr wahrgenommen und korrigiert werden.
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Es
ist hergebrachte Technik, eine Glättung des Untergrundrauschens
und einen Untergrundabzug nur am Summenspektrum vorzunehmen. Dabei gehen
Massenpeaks, die nur aus sehr wenigen Ionen bestehen, regelmäßig verloren,
da sie sich nicht mehr aus dem Rauschen herausheben. Die Technik stammt
aus einer Zeit, in der die Rechner aus Gründen ihrer Langsamkeit noch
nicht fähig
waren, Einzelspektren in irgendeiner Weise vor dem Addieren zu bearbeiten.
Ein weiteres Verfahren für
die Erkennung von Massenpeaks in Massenspektren ist aus
DE 198 08 584 C1 (Franzen)
bekannt, in dem die Massenspektren nur auf das Vorhandensein von Massenpeaks
an vorbekannten Massen untersucht werden, und zwar durch eine gewichtete
Summenbildung unter Benutzung besonderer Gewichtsfunktionen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, das elektronische Rauschen so weit
wie möglich
zu unterdrücken,
dabei aber alle Signale, die von Ionen (auch von Streuionen) stammen,
zu behalten.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Es
ist die Grundidee der Erfindung, das elektronische Rauschen durch
sehr schnelle Rechenmethoden und sehr schnelle Rechner aus den Einzelspektren
(und nicht mehr aus dem Summenspektrum) zu eliminieren, da sich
bei den Einzelspektren noch zwischen elektronischem Rauschen und
Ionensignalen – auch
den Signalen einzeln auftretender Ionen – unterscheiden lässt. Da
das Aufaddieren der Einzelspektren zu den Summenspektren regelmäßig in Echtzeit
erfolgt (schon weil sonst riesige Mengen an Speicherplatz erforderlich
wären),
steht dazu nur sehr wenig Zeit zur Verfügung; die heutigen sehr schnellen
Signalprozessoren können
aber, bei geschickter Programmierung, diese Aufgabe auch für sehr hohe
Spektrenaufnahmefrequenzen leisten.
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Steht
mäßig viel
Rechenzeit zur Verfügung, so
wird dazu ein Rauschband um die Mittellinie des Rauschens definiert,
und alle Signalwerte, die das Rauschband nicht übersteigen, werden nicht zum Summenspektrum
addiert, während
von allen Signalwerten, die das Rauschband übersteigen, der Wert der Mittellinie
abgezogen wird, bevor sie zum Summenspektrum addiert werden. Das
Rauschband wird dabei in seiner Breite kleiner gewählt als
die Signalhöhe
eines einzelnen Ions. Die Mittellinie des Rauschens wird dabei zweckmäßigerweise
als gleitender Mittelwert über
eine vorgebbare Anzahl von Messungen berechnet.
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In
einer einfacheren und schnelleren Ausführungsform der Erfindung werden
bei der Addition der Einzelspektren nur diejenigen Messwerte addiert,
die einen Schwellenwert überschreiten.
Für Spektren, bei
denen es auf die genaue quantitative Auswertung nicht ankommt, braucht
dabei der Mittelwert des Rauschens nicht abgezogen zu werden. Aber
selbst ohne Abzug des Rauschmittelwertes ist eine quantitative Auswertung
möglich,
wenn eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die aber mehr Rechenzeit erfordert, kann das Rauschband
in seiner Breite und Lage dynamisch angepasst werden. Die Lage des
Rauschbandes kann durch die Lage des gleitenden Mittelwertes mitgeführt werden.
Befinden sich im Intervall für
den gleitenden Mittelwert weniger als beispielsweise (einstellbar)
30 % der Messwerte, so kann automatisch die Breite des Rauschbandes
um eine einstellbare Breitenstufe erhöht werden. Es ist eine Erfahrung
aus einigen Arten der Massenspektrometrie, dass sich das elektronische
Rauschen im Spektrum von kleinen nach höheren Massen hin erhöht; in anderen
Arten der Massenspektrometrie sind Bereiche von Spektren mit erhöhtem Rauschanteil
zu beobachten. Für
ein neues Einzelspektrum wird das Rauschband dann wieder auf den
Anfangswert zurückgesetzt.
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Es
kann das Rauschband aber auch unsymmetrisch verbreitert werden,
je nachdem, wieviel Signalwerte das Rauschband nach unten oder nach oben überschreiten.
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Das
Rücksetzen
auf den Anfangswert kann auch dynamisch gesteuert werden, beispielsweise, indem
als Anfangsmittelwert das Ergebnis der gleitenden Mittelwertsberechnung
am Anfang des letztaufgenommenen Spektrums, und für die Festlegung der
Rauschbandbreite die Anfangsstandardabweichung des letzten Spektrums
verwendet wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird der gleitende Mittelwert auch dazu benutzt, die
Nullinieneinstellung durch Einstellung der Vorspannung des Vorverstärkers auf
vorgegebene Werte hin zu regeln.
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Das
Ergebnis dieser an sich einfach klingenden, aber technisch nicht
so einfachen Maßnahme
ist verblüffend:
es werden Spektren einer bisher nicht gekannten Güte und Rauschfreiheit
erhalten. Es zeigt sich, dass für
gut konstruierte Massenspektrometer, bei denen durch konstruktive
Maßnahmen
der Anteil an vagabundierenden Streuionen klein gehalten wurde,
Spektren nicht nur ohne elektrisches Rauschen, sondern auch praktisch
ohne Rauschuntergrund durch Streuionen erhalten werden. Solche Ionen,
die bisher in den Einzelspektren als Streuionen angesehen wurden,
addieren sich bei großen
Anzahlen von Einzelspektren zu vernünftigen Massensignalen.
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Letztendlich
macht es diese Maßnahme überhaupt
erst möglich,
zwischen vagabundierenden Streuionen und solchen Ionen, die sich
zu Massenpeaks addieren, unterscheiden zu können. Durch die Erfindung kann
also eine Verbesserung der Massenspektrometer in Bezug auf eine
Unterdrückung
der vagabundierenden Streuionen vorgenommen werden.
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Die
Maßnahme
der Eliminierung des elektronischen Rauschens führt in Ionenfallen insbesondere auch
zu einer wesentlich verbesserten Steuerung der optimalen Ionenanzahl.
Es kann damit bei Füllung der
Ionenfallen mit Substanzen sehr niedriger Konzentration, die nur
sehr schwache Ionenströme
liefern, näher
an die Übersteuerungsgrenze
herangegangen werden, was eine deutlich verbesserte Nachweisempfindlichkeit
für diese
Substanzen zur Folge hat.
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Kurze Beschreibung
der Abbildungen
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1 zeigt
unten einen Ausschnitt aus einem nach bisheriger Technik aufgenommenen
Summenspektrum, das aus 100 Einzelspektren mit jeweils sehr niedrigem
Ionenstrom besteht. Das Spektrum zeigt übliches Rauschen, bei dem nicht
entschieden werden kann, ob es sich um elektronisches Rauschen oder
um ein Rauschen durch Streuionen handelt.
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1 oben
hingegen zeigt ein Summenspektrum, das auf dem identischen Datensatz
beruht, aber behandelt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es wurden hier
im Gegensatz zum üblichen
Verfahren sofortiger Addition die Einzelspektren abgespeichert,
um den Vergleich des herkömmlichen und
des erfindungsgemäßen Verfahrens
am gleichen Datensatz zu ermöglichen.
Es ist deutlich zu sehen, dass im oberen Spektrum in den meisten
Bereichen Ionensignale nur bei ganzzahligen Werten von Masse zu
Ladung auftreten; hier sind also keine Streuionen, sondern nur elektronisches
Rauschen vorhanden. Nur in einigen wenigen Bereichen, beispielsweise
um m/z = 130 atomare Masseneinheit pro Elementarladung herum, treten
Streuionen unbekannter Herkunft auf. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist dramatisch
verbessert; es lässt
sich in weiten Bereichen überhaupt
nicht mehr berechnen, da der Untergrund rauschfrei ist.
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Das
erfindungsgemäß aufgenommene
obere Spektrum zeigt eine Reihe von Ionensignalen, die im Rauschen
des standardmäßig aufgenommenen unteren
Spektrum überhaupt
nicht erkennbar sind, da die Ionensignale nicht mehr aus dem Rauschen herausragen.
Das ist auf den ersten Blick sehr verwunderlich. Erst bei genauerer
Analyse der statistischen Verteilungen findet man, dass diese Ionensignale,
die überhaupt
nur aus wenigen Ionen bestehen, sehr wohl komplett im elektronischen
Rauschen und seinen Zufälligkeiten
versteckt sein können.
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Das
im unteren Spektrum sichtbare Rauschband ist übrigens nicht mit dem Rauschband
der Einzelspektren identisch, da es sich ja additiv aus den Rauschbändern der
Einzelspektren zusammensetzt. Es ist jedoch interessant zu sehen,
dass aus diesem Rauschband nicht wenige einzelne Ausreissersignale
nach unten herausschauen. Diese Ausreissersignale können nur
statistisch erklärt
werden. Es muss nun die etwa gleiche Anzahl von Ausreissersignalen auch
nach oben aus dem Rauschband herausschauen; diese Betrachtung zeigt,
dass den nach oben herausschauenden Signalen nicht die Bedeutung
als Ionensignal zugesprochen werden kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird das Verfahren zunächst für Ionenfallenmassenspektrometer
geschildert. Normalerweise werden in einem solchen Massenspektrometer
nur etwa 3 bis 6 Spektren addiert. In diesen Fällen ergibt die klassische
Methode des Untergrundabzugs am Summenspektrum nach der Addition
der Einzelspektren keine wesentliche Verschlechterung der Spektren
gegenüber
dem Verfahren nach dieser Erfindung. Es gibt jedoch spezielle Analysenaufgaben,
bei denen eine sehr große
Anzahl von Spektren zu addieren ist; hier ergibt das Verfahren nach
dieser Erfindung, das hier leichter durchzuführen ist als in den anderen
Arten der oben geschilderten Massenspektrometer, bereits eine signifikante Verbesserung.
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Es
soll hier als Beispiel eine Analyse eines STR (Short Tandem Repeat)
betrachtet werden. STRs bestehen aus einem Strang DNA (Desoxiribo-Nucleic
Acid), worin sich eine kurze Sequenz von 2, 3, 4 oder 5 Basen mehrfach
(etwa 5- bis 20-fach) wiederholen. Die Anzahl der Wiederholungen
ist individuell verschieden, man ererbt je eine Wiederholungszahl
vom Vater und von der Mutter. STRs haben mit den beiderseitig notwendigen
Kontrollabschnitten Längen
von 60 bis 150 Basen, entsprechend Molekülgewichten von etwa 15 000
bis 50 000 atomaren Masseneinheiten. Dabei kommen in einer Analyse die
beiden Allele von Vater und Mutter und die beiden Signale von Strang
und Gegenstrang vor, dazu noch Artefaktlinien, so dass im Allgemeinen
6 bis 8 Moleküle,
deren Molekülgewichte
relativ eng beieinanderliegen, zu messen sind.
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Diese
DNA-Segmente werden durch statisches Nanoelektrospray von einer
Probe ionisiert, die sich gelöst
in einer Kapillarnadel befindet. Dabei entstehen Ionen, die vielfach
geladen sind und eine breite Verteilung der Ladungen haben. Es kommen für Moleküle der Größe von etwa
30 000 atomaren Masseneinheiten durchaus alle Ladungszustände von
1-fach bis 50-fach geladen vor, ein breites Maximum liegt etwa zwischen
15- bis 30-facher Ladung.
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Ein
Massenspektrometer kann grundsätzlich immer
nur Ionen mit verschiedenem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z unterscheiden. (m
= Masse in atomaren Masseneinheiten, z = Anzahl der Elementarladungen).
Gute Ionenfallenmassenspektrometer haben einen Messbereich, der
maximal bis zu m/z = 3000 atomaren Masseneinheiten pro Elementarladung
reicht. Wird eine solche Obergrenze des Massenbereichs eingestellt,
so ist damit eine untere Einspeichergrenze von etwa 300 Massen pro
Ladung verbunden. Damit werden in der Ionenfalle alle Ionen des
DNA-Segments von 1-fach bis 50-facher Ladung eingespeichert, es
können
aber nur die Ionen mit 10- bis 50-facher Ladung gemessen werden,
da die Ionen mit 1- bis 9-facher Ladung oberhalb des für das Massenspektrum
erfassbaren Massen-zu-Ladungs-Bereichs liegen. Immerhin wird damit
das Maximum der Verteilung gut überstrichen.
(In besonders eingerichteten Ionenfallenmassenspektrometern werden
die Ionen, die über
m/z = 3000 atomaren Masseneinheiten pro Elementarladung liegen,
nicht in die Ionenfalle eingelassen; das ändert aber nicht die hier angestellte
grundsätzliche Überlegung).
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Da
in diesem Fall die Isotopenlinien nicht aufgelöst werden können, entstehen aus jedem Molekül im aufgenommenen
Spektrum 40 Massenpeaks. Werden 6 verschiedene Moleküle überlagert, so
ergeben sich 240 Massenpeaks: ein außerordentlich kompliziertes
Spektrum, das überhaupt
nur durch eine so genannte Dekonvolutierung auseinandergerechnet
werden kann. Auf die Beschreibung von Einzelheiten werde hier verzichtet.
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In
einer Ionenfalle können
aber nur mäßig viele
Ionenenladungen eingespeichert werden, wenn das Spektrum ungestört aufgenommen
werden soll. Die Anzahl ist relativ klein: oberhalb von etwa 1000 Ionenladungen
machen sich Raumladungseffekte negativ bemerkbar. Bei einer durchschnittlichen
Anzahl von 25 Elementarladungen pro Ion sind das nur 40 Ionen, also
in unserem Beispiel nur etwa 1/6 Ion pro Massensignal. Für ein gutes
Spektrum, in dem auch die etwas kleineren Massensignale noch erkannt
werden sollen, müssen
also durchaus etwa 100 bis 200 Spektren aufgenommen werden, um wenigstens
etwa 15 bis 30 Ionen im Mittel in einem Massenpeak zu finden. Hat
ein einzelnes Ion im Einzelspektrum eine mittlere Maximalhöhe von etwa
10 Zählern über dem
mittleren Rauschen, das Rauschen einen Mittelwert von etwa drei
Zählern
und eine Standardabweichung von etwa zwei Zählern, so ist das Ionensignal
im Einzelspektrum signifikant vom Rauschen zu unterscheiden. Bei
der Addition der 200 Einzelspektren ohne Eliminierung des Rauschens wächst die
Standardabweichung des Untergrundrauschens auf etwa 30 Zähler. Die
Signale der einzelnen Ionen addieren sich aber nicht in ihrer Höhe, da sie – schon
wegen der Zugehörigkeit
zu verschiedenen Isotopenzusammensetzungen – nicht präzise im Spektrum aufeinanderfallen.
Die Höhe
des Peaks von 30 Ionen addiert sich nur auf etwa 50 bis 100 Zähler und
ist damit mit dem 2- bis 3-fachen der Standardabweichung kaum signifikant
aus dem Rauschen herauszulesen.
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Wendet
man dagegen das Verfahren nach dieser Erfindung an, so erhält man ein
hervorragend auswertbares Spektrum, wie es die 1 oben zeigt.
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Besonders
schwierig ist die Implementation der Erfindung bei Flugzeitmassenspektrometern
mit orthogonalem Ioneneinschuss und einer Spektrenaufnahme mit Analog-zu-Digital-Wandlern.
Bisher wurden für
Flugzeitmassenspektrometer mit Orthogonaleinschuss nur Ereigniszähler eingesetzt,
bei denen die zeitlich registrierten Ereignisse (jeweils ein auftreffendes
Ion) im Nachhinein zu Spektren zusammengesetzt wurden. Diese Art
des Nachweises eliminiert ebenfalls das elektronische Rauschen,
ergibt aber auch nur Spektren mit sehr eingeschränkten dynamischen Bereich,
da der primäre
Ionenstrom so klein gehalten werden muss, dass keine Doppel- oder
Vielfachionen in einem Ereignis auftreten.
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Die
Beschränkung
des dynamischen Bereichs kann nur durch die Verwendung von Analog-zu-Digital-Wandlern
(ADCs) aufgehoben werden. Die Anwendung von ADCs ist aber kritisch,
wenn es nicht gelingt, ADCs vollständig ohne Grundrauschen zu
bauen, da hier extrem hohe Anzahlen von Einzelspektren addiert werden
müssen.
Die Anwendung von preiswerten Analog-zu-Digitalwandlern mit leichtem
Grundrauschen wird durch diese Erfindung überhaupt erst möglich, da
nur durch diese Erfindung gute Spektren erzeugt werden können.
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Diese
Spektrometer haben Spektrenaufnahmeraten von 20 000 Spektren pro
Sekunde mit jeweils etwa 25 000 Messpunkten pro Spektrum. Die Spektren
werden in einem schnellen Transientenrekorder mit etwa 500 Megahertz
Wandlungsrate addiert, es stehen also pro Messwert nur zwei Nanosekunden
für Rauscheliminierung
und Addition zur Verfügung.
Hier kann die Elimierung des elektronischen Rauschens nur im Transientenrekorder
selbst erfolgen, was aber mit superschnellen Signalprozessoren möglich wird.
Es bietet sich hier an, die digitalisierten Ionenstromwerte nur
dann zum Summenspektrum zu addieren, wenn die Werte jeweils eine
Schwelle überschreiten.
Das kann unter extremer Zeitnot beipielsweise durch die Prüfung geschehen,
ob im Messwert ein bit oberhalb des ersten bits (oder oberhalb des zweiten
bits) gesetzt ist. Da dann nicht nur das erste bit gesetzt ist (oder
nicht nur die ersten zwei bits), beträgt hier die Schwelle genau
ein bit (oder zwei bit): es werden nur Werte addiert, die mindestens
den Wert 2 (oder 4) haben. Solche Prüfungen können in Signalprozessoren in
einem einzigen Prozessoerzyklus erfolgen. Der Sekundärelektronenvervielfacher wird
dabei so eingestellt, dass ein Ion ein Signal einer mittleren Höhe mindestens
vom Wert 8 erzeugt.
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Im
dritten Beispiel sei die Flugzeitmassenspektrometrie mit Ionisierung
durch matrixunterstützte
Laserdesorption betrachtet. Hier werden regelmäßig etwa 50 bis 200, in einigen
Fällen
auch einige Tausend Spektren addiert. Es werden auch hier Sekundärelektronenvervielfacher
eingesetzt, allerdings in der Ausführungsform einer Vielkanalplatte.
Daher gilt hier prinzipiell in Bezug auf das Untergrundrauschen
etwa das gleiche, wie es oben für
den Fall der Ionefallenmassenspektrometer geschildert wurde.
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Als
Analog-zu-Digital-Wandler werden hier aber Transientenrekorder eingesetzt,
die eine Wandlungsrate von 1 bis 4 Gigahertz haben und eine Korrektur
des Rauschens in Echtzeit nicht erlauben. Da jedoch die Aufnahmerate
nur etwa 10 bis 100 Einzelspektren pro Sekunde beträgt, und
in modernen Transientenrekordern jüngster Generation die Einzelspektren
zwischen den Spektrenaufnahmen durch superschnelle Übertragungsbusse
in den Computer überführt und
dort weiterverarbeitet werden können, kann
hier die erfindungsgemäße Rauschbeseitigung vor
der Addition zum Summenspektrum im Rechner erfolgen.