DE19501823A1 - Verfahren zur Regelung der Erzeugungsraten für massenselektives Einspeichern von Ionen in Ionenfallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Auswurf unerwünschter Ionensorten während der Einspeicherung durch das Anlegen von Hochfrequenzspannungen mit verschiedenen Frequenzkomponenten an Elektroden der Ionenfalle. Es sollen für nachfolgende Untersuchungen beliebiger Art nur Ionen mit erwünschtem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis in der Ionenfalle gespeichert werden, um eine bessere Ausnut­ zung der beschränkten Speicherfähigkeit der Ionenfallen mit Nutz-Ionen zu errei­ chen.

Die Erfindung besteht darin, die Erzeugungsrate der Ionen während des Einspei­ chervorganges so zu begrenzen oder zu regeln, daß die Raumladung der Ionen, die sich im Gleichgewicht zwischen Erzeugungsrate und Auswurfrate in der Ionenfalle befinden, das Massenauflösungsvermögen des Auswurfvorganges nicht wesentlich beeinträchtigt.

Hinweis auf ein zeitgleiches Patentbegehren

In einem zeitgleich eingereichten Patentbegehren BFA 11/95 "Verfahren zur Anre­ gung der Schwingungen von Ionen in Ionenfallen mit Frequenzgemischen" wird ganz wesentlich die gleiche Thematik angesprochen wie in diesem Patentbegehren. Es soll daher der Beschreibungstext des genannten Patentbegehrens hier vollinhalt­ lich eingeschlossen werden.

Stand der Technik

In Ionenfallen kann man Ionen mehrerer verschiedener Masse-zu-Ladungs-Verhält­ nisse in ihrer lokalen Schwingung gleichzeitig resonant so anregen, daß sie die Io­ nenfalle verlassen, andere Ionen dagegen praktisch unangeregt lassen. Ein besonders wichtiger Anwendungsfall ist die selektive Einspeicherung von Ionen eines vorge­ gebenen m/z-Verhältnisses in die Ionenfalle. Dabei werden unerwünschte Ionen bereits während des Vorgangs der Einspeicherung aus der Falle herausgeworfen, um die beschränkte Aufnahme- und Speicherkapazität der Falle voll für die er­ wünschten Ionen zu nutzen.

Die selektiv eingespeicherten Ionen können anschließend durch verschiedene Me­ thoden weiter untersucht werden. So können beispielsweise durch Stoß- oder Pho­ tonenfragmentierung charakteristische Tochterionenspektren erzeugt werden, die zur Identifizierung oder Quantifizierung bestimmter Ionensorten genutzt werden können. Oder es können durch Reaktionen mit Reaktantgasen charakteristische Pro­ dukt-Ionenspektren generiert werden.

Die Einspeicherung kann entweder dadurch erfolgen, daß man Ionen innerhalb der Falle generiert, etwa durch Einschuß von Elektronen und gleichzeitiges Einleiten von Substanzdämpfen, oder daß man Ionen außerhalb der Falle erzeugt und mit io­ nenoptischen Mitteln in die Falle überführt. In beiden Fällen ist die Erzeugungsrate der Ionen von der Substanzkonzentration abhängig.

Wie aus US 4761 545 (A. G. Marshall, T. L. Ricca, T-C. L. Wang) bekannt, kann man Ionen mit verschiedenen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen in etwa gleichzeitig reso­ nant anregen, indem man Gemische von diskreten Frequenzen an bestimmte Elek­ troden der Ionenfallen anlegt. Diese Möglichkeit ist sowohl für magnetische Ionen­ fallen nach Penning (Ionen-Zyklotron-Resonanz-Ionenfallen, ICR) wie auch für Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen nach Paul gegeben. Das Frequenzgemisch wird im genannten Patent digital erzeugt, digital gespeichert, und dann über geeig­ nete Wandler und Nachverstärker an mindestens eine Elektrode der betreffenden Ionenfalle ausgegeben. Das erwünschte Frequenzgemisch wird durch inverse Fou­ riertransformation aus einem maßgeschneiderten Frequenzprofil erhalten, wobei das Frequenzprofil die Schwingungsfrequenzen der unerwünschter Ionen enthält, und die Schwingungsfrequenzen erwünschter Ionen als Lücken des Profils ausläßt. Um den benötigten dynamischen Bereich für die Speicherung klein zu halten, werden dabei die Phasen der diskret aufeinanderfolgenden Frequenzen in einer nichtlinea­ ren, aber stetigen Funktion geändert. Bevorzugt wird dabei eine quadratische Funk­ tion der Frequenz. Abhängig von der Anzahl von Punkten, über die das Frequenz­ profil dargestellt wird, wird durch die inverse Fouriertransformation in der Zeitdo­ mäne eine Folge von Frequenzwerten für ein Zeitintervall erzeugt, dessen zeitliche Länge durch die Transformation vorgegeben ist. Diese Methode ist im Bereich der ICR-Massenspektrometrie unter dem Acronym "SWIFT" (Stored Waveform by In­ verse Fourier Transformation) weithin bekannt geworden.

Dieses Verfahren ist jedoch für den vorliegenden Fall der selektiven Einspeicherung von Ionen mit Nachteilen behaftet. Es erzeugt im wesentlichen einen kurz anhalten­ den, schnellen Frequenzdurchlauf. In dem Zeitintervall, das durch die inverse Fou­ rier-Transformation erzeugt wird, schwingt die Frequenz zunächst an, durchläuft dann die einzelnen Frequenzen im wesentlichen nacheinander, und läuft dann wie­ der aus. Ein Ion wird also - näherungsweise - nur während einer sehr kurzen Zeit­ spanne innerhalb des gesamten Zeitintervalls angeregt, in der übrigen Zeit ist seine Anregung praktisch nicht vorhanden. Wiederholt man die Ausgabe des Zeitinter­ vall-Signals mehrfach nacheinander, so erhält ein Ion je einen kurze Anregungs­ impuls in jedem Zeitintervall, dazwischen findet keine Energieübertragung auf die Ionen und damit auch kein Auswurf der Ionen statt. Da während der Ionenerzeu­ gung aber ein möglichst kontinuierlicher Auswurf der Ionen wünschenswert ist, um Überladungen der Ionenfalle zu vermeiden, ist dieses Verfahren, trotz großer Ver­ dienste in der ICR-Massenspektrometrie, für den vorliegenden Zweck sehr mangel­ haft.

In EP 362 432 A1 (J. Franzen, R.-H. Gabling) wurde daher für diesen Zweck prinzi­ piell ein digital hergestelltes "Breitband-Signal" vorgeschlagen, das eine Mischung diskreter, kontinuierlich präsenter Frequenzen darstellt. Diese Schrift gibt allerdings keine Auskunft, wie dieses Gemisch von Frequenzen so hergestellt werden kann, daß es in beschränkte dynamische Werte- und Spannungsbereiche paßt, wie es so­ wohl für die digitale Darstellung, aber auch für die elektronische Weiterverarbei­ tung in Verstärkern notwendig ist.

In US 5 324 939 (J.N. Louris, D. M. Taylor) wird das Verfahren nach Marshall, Ricca und Wang durch eine kritische Wahl des Proportionalitätsfaktors zwischen Phase und Frequenzquadrat, und durch kammartige Ausformung der Amplituden be­ nachbarter Frequenzen so optimiert, daß vorgeblich eine einigermaßen gleichförmi­ ge Präsenz aller Frequenzen erreicht wird. In dem zeitgleich eingereichten Patentbe­ gehren BFA 11/95 wird ausführlich Stellung bezogen, warum das Verfahren nach diesem Patent nur scheinbar besser ist als das Verfahren nach Marshall et al.

In US 5 134 286 (P. E. Kelley) wird ein Verfahren beschrieben, das für den Zweck der Ionenanregung ein elektronisches Rauschen benutzt. Durch das Ausfiltern bestimm­ ter Frequenzen kann man Ionen selektierter Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse da­ durch unangeregt lassen, daß man ihre Resonanzfrequenzen aus dem Rauschen ausfiltert. Dieses Verfahren ist für den Zweck der selektiven Einspeicherung sehr viel besser geeignet, weil im Prinzip alle Frequenzen über den gesamten Zeitraum des Rauschens kontinuierlich vorhanden sind, abgesehen von statistischen Schwan­ kungen der einzelnen Frequenzamplituden nach Frequenz und Zeit. Das Leistungs­ profil ist - wiederum abgesehen von statistischen Schwankungen, durch die ja das Rauschen im technischen Sinne definiert ist - zeitlich konstant. Das Patent macht al­ lerdings keine Aussagen über Definition oder Erzeugung des Rauschens.

In PCT/US93/07 092 A1 (P. E. Kelley) wird ein Verfahren zur digitalen Erzeugung des elektronischen Rauschens nach US 5 134 286 durch Addition von diskreten Si­ nusschwingungen angegeben. Dabei wird allerdings der Begriff des Rauschens ein­ geschränkt auf Frequenzen gleicher Amplituden und gleicher Abstände. Es wird dabei durch eine schrittweise Optimierung der Phasen der diskreten Frequenzen ein Rauschsignal erzeugt, das einen geringen dynamischen Bereich der Amplituden hat. Für jede hinzuzuaddierende Frequenz wird ausprobiert, welche Phase die geringste Vergrößerung des dynamischen Bereichs ergibt. Die Filterung kann man durch Auslassen der betreffenden Frequenzen bei der Addition erzeugen. Dieses Verfah­ ren hat den Nachteil, daß das Rechenverfahren zur Erzeugung des Frequenzgemi­ sches sehr aufwendig ist. Sowohl die erforderliche zeitliche Länge des Gemischspek­ trums, wie auch das Verfahren zu seiner Berechnung tragen zur Rechenzeit bei.

Durch das besondere Verfahren zur elektronischen Erzeugung des Frequenzgemi­ sches aus einer digitalen Wertefolge nach DE 43 16 737 (J. Franzen, R.-H. Gabling, G. Heinen) kann der Speicherbedarf für das Frequenzgemisch verringert werden. Hier­ bei wird auf Oversampling verzichtet und ausgenutzt, daß die Seitenbandstrukturen der Mathieu-Gleichung, die für die Schwingungen der Ionen in der Hochfrequenz-Io­ nenfalle gelten, und die der digitalen Frequenzerzeugung übereinstimmen, und daher so gewählt werden können, daß die Seitenbänder der digitalen Frequenzer­ zeugung die Bewegung der Ionen nicht ungewollt stören. Das Verfahren verringert nicht nur den Speicherbedarf, es wird dadurch auch gleichzeitig der Rechenbedarf verringert.

Nachteile bisheriger Verfahren und Grundlage der Erfindung

Wie oben geschildert, versuchen einige der bekannt gewordenen Verfahren, den Auswurf der Ionen kontinuierlich auf die gesamte Zeit zu verteilen, in der die Io­ nenerzeugung stattfindet, und nicht nur pulsartig Energie zuzuführen, wie es beim Verfahren von Marshall et al. geschieht. Die kontinuierliche Präsenz aller Frequen­ zen ist jedoch nur eine der notwendigen Voraussetzungen für eine effektive selektive Einspeicherung.

Sowohl bei interner Erzeugung der Ionen wie auch bei externer Erzeugung ist die Erzeugungsrate der Ionen von der Substanzkonzentration abhängig. In vielen prak­ tischen Fällen, besonders bei der Kopplung Gaschromatographie-Massenspektro­ metrie (GC-MS), bei der Kopplung mit anderen substanztrennenden Verfahren, aber auch bei der Untersuchung von pyrolytischen oder explosiven Vorgängen, schwankt die Konzentration der Untersuchungssubstanz außerordentlich stark; die Konzen­ trationen können mehr als fünf Zehnerpotenzen überstreichen.

Es ist bereits aus US 5 107 109 (G. C. Stafford, D. M. Taylor, S. C. Bradshaw) bekannt, daß es erforderlich ist, die Füllung der Ionenfalle zu begrenzen, um negative Aus­ wirkungen der Raumladung auf den Vorgang der Spektrennahme zu vermeiden. Die Regelung der Ionenfüllung erfolgt in allen praktischen Anwendungen durch die Steuerung der Ionisierungszeit, obwohl auch eine Steuerung der Stärke des Ionisie­ rungsvorganges vorgeschlagen wurde.

Die Erzeugung der Ionen bis zur optimalen Füllung der Falle kann daher je nach Konzentration der Untersuchungssubstanz kürzere oder längere Zeit dauern und sich beispielsweise über den Bereich von 10 Mikrosekunden bis 1000 Millisekunden erstrecken. Der Prozeß der Schwingungsanregung zur Eliminierung der uner­ wünschten Ionen muß daher über diese Zeitspannen hinweg anhalten können. Dar­ über wird in den oben beschrieben Patenten nichts gelehrt, es mag aber dem Fach­ mann deutlich sein, daß eine zyklische Wiederholung der Gemischperiode unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist.

Es hat sich aber zusätzlich in Versuchen herausgestellt, daß es bei selektiver Einspei­ cherung der Ionen in die Ionenfalle keineswegs ausreicht, die Füllung der Ionenfalle zu regeln. Die selektive Einspeicherung versagt vollkommen, wenn die Erzeugungs­ rate der Ionen im Vergleich zur Auswurfrate zu groß ist.

Keines der bisher bekannt gewordenen Verfahren berücksichtigt, daß auch das Gleichgewicht einer hohen Erzeugungsrate relativ zur Auswurfrate bereits zu so hohen Raumladungen führen kann, daß der Auswurfvorgang gestört wird.

Die Raumladung entfaltet darüberhinaus noch weitere nachteilige Wirkungen. So werden Ionen an weiterer Einspeicherung gehindert, wenn sich in der Ionenfalle bereits eine Wolke von Ionen nahe der Raumladungsgrenze befindet. Das betrifft besonders schwere Ionen in Gegenwart einer Wolke von leichteren Ionen, da sich wegen der Potentialverhältnisse leichte Ionen im Inneren der Wolke, schwerere da­ gegen am Rand der Wolke aufhalten. Der Pseudopotentialtopf der Hochfrequenz-Io­ nenfalle ist für schwere Ionen flacher als für leichte Ionen. Für eine Füllung mit selektierten schweren Ionen ist es also wichtig, die leichteren Ionen kontinuierlich und besonders schnell aus der Ionenfalle zu entfernen. Raumladungseffekte können daher auch massenspezifische Verzerrungen in der Füllung von Ionenfallen bewir­ ken, sie verhindern damit quantitative Analysen guter Genauigkeit.

Aufgabe der Erfindung

Es ist ein Verfahren zur selektiven Einspeicherung ausgewählter Ionensorten durch Auswurf der unerwünschten Ionen mittels angelegtem Frequenzgemisch zu finden, mit dem sich die gewählte Massenauflösung des Ionenauswurfs auch bei starken Schwankungen der Substanzkonzentrationen erhalten läßt.

Das Verfahren soll insbesondere auch für die Erzeugung von Reaktantgasionen für die chemische Ionisierung mit Auswahl der Reaktionspfade oder für andere reaktive selektive Füllungsmethoden Anwendung finden können.

Erfindungsgedanke

Wie in dem zeitgleich eingereichten Patentbegehren BFA 11/95 dargelegt, existiert eine untere Grenze für die Auswurfzeit der Ionen aus der Ionenfalle durch angelegte Frequenzgemische, wenn das Massenauflösungsvermögen des Ionenauswurfs nicht beeinträchtigt werden soll.

In der Ionenfalle stellt sich jeweils ein Füllungsgleichgewicht mit Ionen ein, das durch die Erzeugungsrate einerseits, und die Auswurfrate andererseits bestimmt ist. (In diese Auswurfrate sind auch diejenigen Ionen einzuschließen, deren Auswurf nicht durch das Frequenzgemisch, sondern durch Nicht-Stabilität im Bereich unter­ halb der Grenzmasse erfolgt, auch wenn sich diese Ionen nur sehr kurze Zeit in der Ionenfalle befinden). Es hat sich in Versuchen erwiesen, daß sich trotz optimalen Auswurfs der Ionen bei hohen Erzeugungsraten ein Füllungsgleichgewicht so ein­ stellen kann, daß das Massenauflösungsvermögen des Auswurfprozesses durch die Raumladungswirkungen völlig zerstört wird.

Es ist der Grundgedanke der Erfindung, nicht nur den Auswurf der Ionen zu opti­ mieren, sondern auch die Erzeugungsrate der Ionen so zu begrenzen oder zu regeln, daß die Gleichgewichtsfüllung nie die erstrebte Massenauflösung für den Ionenaus­ wurf vernichtet. Es hat sich in Versuchen herausgestellt, daß die maximale Ionenpo­ pulation während der Ionenerzeugung etwa beim zehnfachen Wert der Maximalpo­ pulation für die Spektrennahme liegt.

Im einfachsten Fall kann die Erzeugungsrate so begrenzt werden, daß im Fall der maximal zugeführten Substanzkonzentration (oder des maximalen Substanzpar­ tialdruckes) keine Überschreitung der Grenze für die Ionenpopulation stattfindet. Die mittlere Auswurfszeit für die Ionen wird dabei als konstant angenommen, so daß immer die Auswurfrate proportional zur Erzeugungsrate sein wird. Eine maxi­ male Substanzkonzentration ist bei GC-MS-Kopplung in bekannter Weise durch die Sättigung der Peaks in der GC-Kapillare gegeben.

Diese absolute Begrenzung der Erzeugungsrate beschränkt aber die Meßdynamik. Es ist daher besser, die Erzeugungsrate zu regeln und damit den Veränderungen der Substanzkonzentrationen anzupassen.

Die Regelgröße für diese Regelung kann in einfacher Weise durch eine unabhängige Probemessung der Erzeugungsrate erhalten werden. Die Probemessung kann vor­ zugsweise kurz vor der Hauptmessung, die mit selektiver Einspeicherung erfolgt, vorgenommen werden. Die Probemessung für die Bestimmung der Erzeugungsrate erfolgt mit nichtselektiver Einspeicherung der Ionen. Der Zeitbedarf für diese Pro­ bemessung ist vergleichsweise kurz. Es kann sowohl die Ionisierungszeit sehr kurz gewählt werden, wie auch die Meßzeit der eingespeicherten Ionen, da für diese Pro­ bemessung keinerlei Massenauflösung erforderlich ist und eine integrative Messung der Ionen genügt. US 4 771 172 beschreibt eine analoge Methode ("prescan") für die Regelung der Raumladung in Ionenfallen, wie sie für die Spektrennahme selbst für eine genügend gute Massenauflösung erforderlich ist.

Die Erzeugungsrate kann in an sich bekannter Weise geregelt werden, indem durch Vergleich der Regelgröße mit einem Sollwert entweder die Stärke des ionisierenden Vorganges (Elektronenstrahl, Photonenstrahl, Primärionenstrahl bei Sekundärio­ nenerzeugung) gesteuert wird, oder aber, indem unter Anwendung einer intermit­ tierenden Ionisierung das Längenverhältnis der Ionisierungsperioden zu den Pausen gesteuert wird. Das entspricht den bekannten Prinzipien der Intensitäts- und der Pulssteuerung. Bei externer Ionenerzeugung kann auch die Zufuhr der Ionen in die Ionenfalle hinein geregelt werden.

Für die Messung der Erzeugungsrate ist auch eine Art Probemessung zu Beginn der Ionisierungsphase möglich, indem durch ein Frequenzgemisch ohne Lücken ein Auswurfsignal erzeugt wird, das der Erzeugungsrate proportional ist. Dieses Signal wird für die weitere Steuerung der Erzeugungsrate unter Anwendung von Fre­ quenzgemischen mit Lücken verwendet.

Da die während des Ionenauswurfs durch die selektive Einspeicherung aus der Io­ nenfalle entweichenden Ionen auch ein Maß für die Erzeugungsrate bilden, kann auch dieser Ionenstrom gemessen und zu einer Regelung herangezogen werden.

Es ist aber dabei zu berücksichtigen, daß auch Ionen des Dämpfungs- oder Bremsga­ ses gebildet werden können, die dann den Meßvorgang stören. Das Bremsgas ist notwendig, um die Oszillationen der Ionen in der Falle zu dämpfen, und die Ionen in einer kleinen Wolke im Zentrum der Ionenfalle zu versammeln. Die Ionen des Bremsgases verlassen die Ionenfalle sofort nach ihrer Bildung oder Einführung, da sie in der Regel nicht den Stabilitätsbedingungen der Ionenfalle genügen. Es ist aber auf vielerlei Weise möglich, den Ionenstrom der Brems-Ionen vom Ionenstrom der Substanz-Ionen zu unterscheiden.

Wird beispielsweise Helium als Bremsgas benutzt, so kann die Erzeugung der Heli­ umionen wegen der hohen Ionisierungsenergie des Heliums unterdrückt werden. Wenn die Ionenerzeugung außerhalb der Ionenfalle erfolgt, so werden Ionen des Bremsgases häufig gar nicht erst erzeugt. Werden außerhalb der Ionenfalle erzeugte Ionen mit Hilfe von linearen Quadrupol- oder Hexapolfeldern in die Ionenfalle überführt, so können Ionen des GC-Trägergases leicht mit Hilfe der Stabilitätsgrenze dieser Felder entfernt werden. Diese wenigen Beispiele können durch jeden Fach­ mann leicht erweitert werden.

Bei Zuführung der Substanzen über gekoppelte Separationsverfahren kann die Kon­ zentration der zugeführten Substanzen auch aus den üblichen Detektionsverfahren dieser Separationsmethoden ermittelt werden. Diese werden manchmal seriell zum Massenspektrometer durchlaufen, wie beispielsweise UV-Absorptionsdetektoren, zum Teil parallele über geteilte Trägersubstanzflüsse. Aus diesen Konzentrations­ werte lassen mit genügender Genauigkeit Erzeugungsraten gewinnen.

Ist von der analytischen Aufgabe her bekannt, daß die selektierten Ionen zu den ausgeworfenen Ionen immer in einem bestimmten Verhältnis stehen, so können auch die selektierten Ionen, deren Produkt-Ionen oder deren Tochter-Ionen vorhergehen­ der Messungen als Regelgrößen für die Regelung herangezogen werden. Dabei ge­ nügt es häufig, die Menge dieser Ionen aus dem Ergebnis der vorhergehenden Spektrenaufnahme zu entnehmen. Auch eine nichtlineare Extrapolation der Konzen­ trationsentwicklung aus mehreren vorhergehenden Messungen ist möglich.

Weiß man aus der analytischen Aufgabe lediglich, daß die selektierten Ionen nicht unter einen bestimmten Bruchteil aller erzeugten Ionen fallen, so kann man daraus eine Grenzregelung ableiten.

Ist das Verhältnis der selektierten Ionen zu den insgesamt gebildeten Ionen nicht bekannt, so sind sogar zwei überlagerte Regelvorgänge erforderlich. Der erste Re­ gelvorgang bezieht sich, wie oben geschildert, auf die Erzeugungsrate aller Ionen und damit auf die Population während der Ionenbildung; der zweite Regelvorgang bezieht sich auf die Füllung der Ionenfalle mit selektierten Ionen und damit auf die Population während der Spektrennahme. Für den zweiten Regelvorgang können die Ionenmengen aus vorausgegangenen Hauptmessungen bestimmt und verwendet werden. Der erste Regelvorgang muß die Erzeugungsrate steuern, der zweite Regel­ vorgang die Erzeugungszeit.

Beschreibung der Bilder

Fig. 1 zeigt eine Schaltung, wie sie für die Ausgabe des Frequenzgemisches an eine Hochfrequenz-Ionenfalle nach W. Paul und für die Steuerung der Ionenerzeugungs­ rate benutzt werden kann. Die Ionenfalle wird über die Ringelektrode mit einer Speicher-Hochfrequenzspannung versorgt, die über eine HF-Ansteuerung und einen HF-Verstärker erzeugt wird. Sie wird von einem Taktgeber mit einem Megahertz abgeleitet. Sie ermöglicht die Speicherung der Ionen ab einer Grenzmasse, die von der Amplitude der Speicher-Hochfrequenz abhängt.

Ein Ionenerzeuger dient der Erzeugung von Ionen der Untersuchungssubstanz in der Ionisierungsphase. Die Ionen können entweder im Ionenerzeuger selbst gene­ riert und dann in die Ionenfalle überführt werden. Es werden zu diesem Zweck die Substanzdämpfe in den Ionenerzeuger eingeführt. Andererseits kann der Ionener­ zeuger auch nur eine ionisierende Strahlung produzieren, die in der Ionenfalle erst die Ionen erzeugt. In diesem Fall werden die Substanzdämpfe in die Ionenfalle selbst eingeführt. Die ionisierende Strahlung kann aus Elektronen, aus Photonen oder aus Primärionen bestehen.

Während der selektiven Einspeicherung von Ionen werden die Amplitudenwerte der Gemischperiode, die in dem digitalen Wertespeicher abgelegt ist, durch eine Lese- und Ausgabe-Logikschaltung im Takte des Taktgebers an einen Digital-zu- Analog-Wandler gegeben. Die in Spannungen umgewandelten Werte werden dann über einen Frequenz-Gemisch-Verstärker an die beiden Endkappen weitergegeben. Da derselbe Taktgeber für beide Vorgänge benutzt wird, haben die Seitenbänder der Ionenschwingungen nach Mathieu und die Seitenbänder der digitalen Frequenzer­ zeugung die gleiche Frequenzstruktur, die digitalen Seitenbänder stören damit die Bewegungen erwünschter Ionen nicht. Die Gemischperiode wird dabei so lange wie nötig zyklisch wiederholt ausgegeben.

Die Wertefolge der Gemischperiode für den digitalen Wertespeicher wird hier in einem eigenen Rechner erzeugt, kann aber auch im Steuerrechner berechnet werden.

Abweichend von dieser Darstellung ist es auch möglich, die Gemischspannung an nur eine Endkappenelektrode auszugeben, und die andere Endkappe auf Grundpo­ tential zu halten. Es ergibt sich dann - gegenüber einer beidseitigen Versorgung - eine Überlagerung eines Dipolfeldes halber Spannung mit einem Quadrupolfeld halber Spannung. Das Quadrupolfeld hat dabei kaum eine Wirkung, es kann daher vernachlässigt werden.

Die Erzeugungsrate der Ionen ist von den Partialdrücken der eingeführten Substan­ zen abhängig. Da die Erzeugungsrate erfindungsgemäß begrenzt oder geregelt wer­ den muß, kann in Fig. 1 der Steuerrechner den Ionenerzeuger steuern. Zur Rege­ lung der Erzeugungsrate kann entweder die Stärke des Ionenerzeugungsprozesses oder - bei intermittierender Ionenerzeugung - das Verhältnis der zeitlichen von Io­ nenerzeugungsphasen und Ionisierungspausen gesteuert werden. Als Regelgrößen können Messungen der Erzeugungsrate in vorangehenden Probemessungen, Mes­ sungen der während der selektiven Einspeicherung ausgeworfenen Ionen über den Ionendetektor, aber auch Meßergebnisse vorangegangener Spektrennahmen ver­ wendet werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Ablaufschemas für eine Spektrenmessung mit selek­ tiver Einspeicherung der Ionen. Die Spektrenmessung besteht aus einer Probemes­ sung zur Messung der Erzeugungsrate, und einer Hauptmessung mit selektiver Ein­ speicherung mehrerer Ionensorten. Die selektiv eingespeicherten Ionen werden in diesem Falle nicht weiterverarbeitet, sondern sofort nach ihrer Einspeicherung als Spektrum gemessen. Es ist aber jedem Fachmann geläufig, daß die selektiv einge­ speicherten Ionen - abweichend von diesem vereinfachten Beispiel - auch für die Messung von Tochterionenspektren (oder Enkelionenspektren) fragmentiert werden, oder für die Bildung von Produkt-Ionen in vielfältiger Weise reaktiv weiterverwen­ det werden können.

Die Spuren zeigen (A) den Verlauf der Speicherhochfrequenzspannung, (B) die Io­ nisierung mit Andeutung der Ionisierungsstärke, (C) die Ausgabe des Frequenzge­ misches zum Auswurf unerwünschter Ionen, und (D) das Meßsignal des Ionende­ tektors mit dem Spektrum der selektiv gespeicherten Ionen.

Die Speicherhochfrequenzspannung wird für die beiden Ionisierungsperioden der Probe- und der Hauptmessung auf den gleichen, konstanten Wert eingestellt. Durch einen nachfolgenden, linearen Anstieg werden die gespeicherten Ionen massense­ quentiell ausgeworfen und gemessen. Für die Probemessung ergibt sich dabei ein nicht aufgelöstes Massenspektrum, aus dessen Integration ein Wert für die Erzeu­ gungsrate abgeleitet werden kann. Dieses wird benutzt, um in der nachfolgenden Hauptmessung die Stärke des Ionisierungsvorganges zu steuern.

Während des Ionisierungsprozesses der Hauptmessung ist die Ausgabe des Fre­ quenzgemisches zum Auswurf unerwünschter Ionen eingeschaltet. Dadurch wird kontinuierlich ein Teil der unerwünschten Ionen ausgeworfen. Sie bilden einen Io­ nenstrom, der ebenfalls den Ionendetektor erreicht und dort gemessen werden kann. In einer anderen Betriebsart als oben unter Verwendung der Probemessung be­ schrieben, kann auch dieser Auswurfstrom zur Messung der Erzeugungsrate genutzt werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Ablaufschemas für eine Spektrenmessung mit selektiver Einspeicherung der Ionen. Die Spektrenmessung enthält keine Probe­ messung zur Messung der Erzeugungsrate, sondern nur die Hauptmessung mit se­ lektiver Einspeicherung von drei Ionensorten. Die selektiv eingespeicherten Ionen werden hier ebenfalls nicht weiterverarbeitet, sondern sofort nach ihrer Einspeiche­ rung als Spektrum der drei Ionensorten gemessen.

Die Spuren zeigen (A) den Verlauf der Speicherhochfrequenzspannung, (B) einen hier intermittierend verlaufenden Ionisierungsprozeß, (C) die Ausgabe des Fre­ quenzgemisches zum Auswurf unerwünschter Ionen, und (D) das Meßsignal des Ionendetektors mit dem Ionensignal während Ionisierung und Ionenauswurf und dem Spektrum der selektiv drei gespeicherten Ionensorten.

Während des intermittierenden Ionisierungsprozesses werden in den Ionisierungs­ phasen diejenigen Ionen bevorzugt ausgeworfen, die nicht in der Ionenfalle gespei­ chert werden können, da sie leichter sind als die Grenzmasse zum instabilen Bereich.

Sie bilden scharfe Pulse, deren zeitliche Lage praktisch mit den Ionisierungsphasen übereinstimmt. In den Ionisierungspausen werden nur Ionen durch resonante Anre­ gung durch das Frequenzgemisch ausgeworfen. Der Pegel dieses Ionenstroms ist proportional zur Erzeugungsrate dieser Ionen, und kann daher zur Steuerung der Erzeugungsrate verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein berechnetes Frequenzgemisch. Es wird der beson­ ders günstigen Fall stufenweise veränderter Frequenzabstände mit Ausgleich der Energiedichte durch stufenweise Veränderung der Amplituden gezeigt. Die Aus­ wahl der Phasen wurde einem Zufallsgenerator überlassen.

Spur A zeigt das Frequenzgemisch einer Zeitperiode.

Spur B gibt die Fourier-Analyse des Gemisches über die gesamte Gemischperiode wieder. Da die FFT-Analyse darauf beruht, daß das Intervall zyklisch unendlich fortgesetzt wird, ist das Frequenzspektrum identisch mit dem (nichtgezeigten) Aus­ gangsspektrum, aus dem das Gemisch A erzeugt wurde. Es wurde hier im Gegen­ satz zu sonstigen Darstellungen, die immer von einer konstanten Amplitude ausge­ hen, eine Amplitudenfunktion benutzt, bei der die Amplitude proportional zur Wurzel aus der Masse verändert wurde. Da ab 200 kHz die Frequenzabstände hal­ biert und ab 350 kHz geviertelt wurden, erscheint in diesem Bereich eine kammarti­ ge Struktur der Frequenzen, die hier mangels graphischer Auflösung durchgehend schwarz erscheint. Es ist aber die jeweilige Verdoppelung der Amplitude sichtbar, überlagert mit der Abhängigkeit von der Wurzel aus der Masse.

Spur C stellt die Fourieranalyse der linken Hälfte der Frequenzperiode dar. Da nur jeweils jede zweite Frequenz dargestellt wird, ist bei 200 kHz nur der Amplituden­ sprung, jedoch nicht der Übergang auf die kammartige Struktur sichtbar. Erst ab 350 kHz wird die kammartige Struktur sichtbar, da hier im Frequenzgemisch nur noch jede vierte Frequenz vorhanden ist.

Spur F zeigt die Fourier-Analyse des dritten Viertels der Frequenzperiode. Die glatte Struktur ab 350 kHz deutet an, daß die Frequenzen oberhalb 350 kHz in der Ge­ mischperiode genau viermal wiederholt ausgegeben werden. Es werden die leichten Ionenmassen besonders schnell herausgeworfen, weil erstens wegen der vergrößer­ ten Frequenzabstände weniger Übergänge auf Nachbarfrequenzen nötig sind, und zweitens die Frequenzfolge viermal pro Gemischperiode ausgegeben wird, somit auch vier Übergänge der weiteren Anregung auf Nachbarfrequenzen stattfinden können.

Besonders günstige Ausführungsformen

Es werde die Erfindung hier an einem Verfahren zur Einspeicherung von Ionen in eine Hochfrequenz-Ionenfalle nach W. Paul geschildert, ohne daß jedoch damit die Erfindung auf diesen Fall beschränkt werden soll. Die Übertragung auf andere Zwecke und auf andere Arten von Ionenfallen kann von jedem Fachmann leicht vollzogen werden.

Die einfachste Ausführungsform nach dieser Erfindung ist eine Beschränkung der maximal möglichen Erzeugungsrate, so daß es bei optimaler Auswurfrate niemals zu einer Überladung der Ionenfalle während der selektiven Einspeicherung kom­ men kann. Diese Ausführungsform hat zur Voraussetzung, daß es eine maximale Substanzkonzentration gibt. Bei der Zuführung der Substanzen über chromatogra­ phische oder elektrophoretische Kapillar-Separationsverfahren ist diese Vorausset­ zung im allgemeinen gegeben, da alle diese Separationsverfahren maximale Kapazi­ täten der Kapillarsäulen haben.

Wegen der beschränkten Nachweisdynamik ist aber durch diese einfache Beschrän­ kung der Erzeugungsraten auch die Nachweisgrenze des Verfahrens beschränkt. Es ist daher besser, die Erzeugungsrate der Ionen zu regeln, und nicht einfach zu be­ schränken.

Eine besonders einfache Form der Regelung der Erzeugungsrate für Ionen während des selektiven Einspeicherns ist die Einfügung einer Probemessung vor jeder mas­ senselektiven Einspeicherung. Dieses Verfahren ist allerdings nicht besonders zeit­ sparsam, da die Probemessungen zusätzlich eingeführt werden müssen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird für die Probemessung die gleiche Spannung der Speicherhochfrequenz eingestellt, wie sie für die Hauptmessung gewählt wird, um exakt die gleichen Verhältnisse der Ionenspeicherung herzustellen. Es wird aber für die Probemessung kein Frequenzgemisch für den Auswurf unerwünschter Ionen eingestrahlt, um alle oberhalb der Grenzmasse erzeugten Ionen auch einspeichern zu können.

Ionisierungszeit und Ionisierungsstärke werden beide für die Probemessung relativ klein gewählt, um keine Überladung der Ionenfalle zu erzeugen.

Nach der Ionisierungsphase wird eine Dämpfungsphase eingeschaltet, um die Ionen in einer kleinen Wolke zu versammeln. Für den anschließenden massensequentiellen Auswurf der Ionen ist es wichtig, daß die Ionenwolke eine optimal kleine Form be­ sitzt, damit alle Ionen durch das Lochgitter der Endkappe im gleichen Verhältnis entweichen können, wie bei der Hauptmessung.

Der massensequentielle Auswurf erfolgt durch eine lineare Erhöhung der Speicher­ spannung. Es wird eine sehr schnelle Erhöhung vorgenommen, da es hier auf eine Auflösung der Massensignale nicht ankommt. Das Signal der ausgeworfenen Ionen wird vom Ionendetektor gemessen, und vor oder nach Digitalisierung integriert.

Aus dem Integral des ausgeworfenen Ionenstroms und der bekannten Ionisierungs­ zeit und -stärke kann die Erzeugungsrate für eine Normstärke der Ionisierung be­ rechnet werden. Diese Erzeugungsrate wird mit einem Sollwert verglichen, und der Quotient wird für die Steuerung der Erzeugungsrate für die nachfolgende Haupt­ messung herangezogen.

Dieses Verfahren kann bei schnellen Wiederholungen von Probe- und Hauptmes­ sungen noch verbessert werden. Aus vorangehenden Probemessungen kann bereits durch lineare oder nichtlineare Extrapolation ein Trend der Erzeugungsstärken (oder ein Trend der Substanzkonzentrationen) berechnet werden. Diese Trendberechnung kann verwendet werden, um Ionisierungszeit und -stärke der Probemessung so zu steuern, daß sie immer im optimalen Bereich für die Bestimmung der Erzeugungsra­ te liegen.

Auf die Probemessungen kann aber unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft verzichtet werden. Es ist dann eine schnellere Abfolge aufeinanderfolgenden Mes­ sungen möglich, wie sie bei chromatographischen Trennungen, aber auch bei der Analyse zeitkritischer Vorgänge, beispielsweise pyrolytischer Vorgänge, nötig ist.

Werden bei der Ionenerzeugung keine Ionen der Trägergase der chromatographi­ schen Separationsverfahren, oder keine Ionen des Dämpfungsgases der Ionenfalle erzeugt, so bildet der ausgeworfene Ionenstrom während der selektiven Einspeiche­ rung ein gutes Maß für die Ionenerzeugung. Dieser Ionenstrom kann im Ionendetek­ tor gemessen und direkt zur Steuerung der Ionenerzeugung verwandt werden.

Ionen des Träger- oder Dämpfungsgases sind im allgemeinen sehr leicht in bezug auf die durch das Frequenzgemisch ausgeworfenen Ionen, sie können daher auch leicht auf der Strecke zwischen Endkappe und Ionendetektor durch relativ grobe massenspektrometrische Mittel entfernt werden. Auch eine Entfernung der Träger­ gasionen auf dem Wege zwischen Ionenerzeugung und Ionenfalle kann benutzt werden, wenn die Ionen extern erzeugt und dann in die Ionenfalle überführt wer­ den. Die groben massenspektrometrischen Mittel können in schwachen Magnetfel­ dern, aber auch in Instabilitäten ionenoptischer Überführungsglieder bestehen. Bei intermittierender Ionisierung können die leichten Ionen, die nicht im stabilen Speicherbereich oberhalb der Grenzmasse gebildet werden, sehr leicht von ausge­ worfenen unerwünschten Ionen unterschieden werden. Ionen unterhalb der Grenz­ masse werden überhaupt nicht gespeichert. Ihr Auswurf erfolgt daher in wenigen Mikrosekunden nach ihrer Bildung oder Einführung und damit praktisch in der Io­ nisierungsphase selbst, da ihre Amplitude durch das Speicherfeld selbst exponentiell vergrößert wird. Diejenigen Ionen dagegen, die durch das Frequenzgemisch aus­ geworfen werden, brauchen einige Gemischperioden, in der Regel also einige Milli­ sekunden, zu ihrem Auswurf. Sie erscheinen größtenteils in der Ionisierungspause. Durch eine Zeitsteuerung des Ionendetektors, oder durch Analyse des Signals der ausgeworfenen Ionen, läßt sich so ein Maß für die Erzeugungsrate ableiten.

Schließlich können auch Ergebnisse aus vorangehenden Spektrenmessungen mit selektiver Einspeicherung der Ionen dazu benutzt werden, Regelgrößen für die Re­ gelung der Erzeugungsraten bereitzustellen. Ist es beispielsweise bekannt, in wel­ chem Verhältnis die unerwünschten zu den selektierten Ionen stehen, so können Si­ gnale der selektierten Ionen für die Regelung herangezogen werden. Dieses Ver­ hältnis ist beispielsweise immer bekannt, wenn der Ionenfalle nur eine einzige Sub­ stanz mit bekanntem Spektrum zugeführt wird. Ändert sich die zugeführte Substanz laufend, etwa bei chromatographischer Separation, ist aber im Prinzip bekannt, so kann diese Methode ebenfalls angewandt werden. Sie braucht dann allerdings eine intelligente Auswertungsmethode.

Die Füllung der Ionenfalle darf während des Ionenauswurfs durch das Frequenz­ gemisch im allgemeinen sehr viel größer sein als die Füllung, die zur optimalen Spektrenmessung erlaubt ist. Experimentell wurde etwa ein Faktor 10 für den Quo­ tient der beiden Füllmengen ermittelt. Der Faktor hängt aber vom Ziel der Messun­ gen ab und muß daher dem Problem angepaßt werden. Es hat sich daher als günstig erwiesen, die der Regelgröße zugeordnete Sollgröße experimentell einzueichen, zu­ mal die Regelgröße meist nicht den vollständigen Ionenstrom aus der Erzeugungsra­ te wiedergibt, sondern nur einen dazu proportionalen Wert.

Claims (14)

1. Verfahren zur m/z-selektiven Einspeicherung von Ionen in eine Ionenfalle, mit an sich bekannter Erzeugung der Ionen innerhalb oder außerhalb der Ionenfalle, und mit Auswurf der nicht-selektierten Ionen durch resonante dipolare oder quadrupolare Anregung ihrer Schwingungen durch ein Frequenzgemisch wäh­ rend der Einspeicherung in die Ionenfalle, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate der Ionen so beschränkt oder geregelt wird, daß das ange­ strebte Massenauflösungsvermögen des Auswurfvorganges nicht durch die Raumladung der Ionenpopulation, die sich im Gleichgewicht aus Erzeugungsra­ te und Auswurfrate bildet, wesentlich gestört wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate der Ionen bestimmt und der Bestimmungswert als Regelgröße für die Regelung der Erzeugungsrate verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate durch eine Probemessung mit nicht-selektiver Einspeicherung kurz vor der Aus­ führung der selektiven Einspeicherung gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate durch Messung des durch den Auswurf erzeugten Ionenstroms bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zyklischer Wie­ derholung des Verfahrens mit anschließenden Messungen der selektierten Ionen oder ihrer Folgeprodukte die Erzeugungsrate aus dem Ergebnis der Messung aus dem vorhergehenden Zyklus abgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate aus Werten der Substanzkonzentrationen bestimmt wird, wobei die Substanz­ konzentrationen in an sich üblicher Weise mit Detektoren vorgeschalteter Sepa­ rationsverfahren ermittelt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erzeugungsrate durch Steuerung der Stärke der Ionenerzeugung geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine intermittierende Ionenerzeugung verwendet wird, und daß die mittlere Erzeu­ gungsrate durch die Steuerung des Verhältnisses der zeitlichen Längen von Io­ nisierungsperioden und Ionisierungspausen geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Erzeugungsrate wie auch die Erzeugungszeitdauer geregelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9; dadurch gekennzeichnet, daß bei zyklischer Wie­ derholung des Verfahrens mit anschließenden Messungen der selektierten Ionen oder ihrer Folgeprodukte die Füllung der Ionenfalle nach Abschluß der selekti­ ven Einspeicherung aus einer oder mehrerer vorhergehenden Messungen be­ stimmt und als Regelgröße für die Steuerung der Erzeugungszeitdauer verwen­ det wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dipolare oder quadrupolare Anregung der Schwingungen für den Aus­ wurf der Ionen dadurch erfolgt, daß ein gespeichertes Frequenzgemisch kurzer Zeitdauer zyklisch ausgegeben wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzgemisch eine zeitlich gleichmäßige Präsenz aller Frequenzen zeigt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anregung der Ionen dadurch begonnen oder abgebrochen wird, daß die mittlere Spannung des Frequenzgemisches durch stetige Veränderung der Ausgabeverstärkung entweder von Null auf die Maximalamplitude oder von der Maximalamplitude auf den Wert Null gesteuert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate der Ionen nicht geregelt, sondern nur so beschränkt wird, daß für die höchste zu erwartende Substanzkonzentration gerade keine Störung des Massenauflösungs­ vermögens des Auswurfs unerwünschter Ionen eintritt.