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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer und ein Massenspektrometrieverfahren.
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Verschiedene
Arten von Massenspektrometern sind bekannt, die einen Massenanalysator
verwenden, welcher einen Zeit-Digital-Konverter ("TDC"), der auch als Ionen-Ankunfts-Zähler bekannt ist, beinhaltet.
Zeit-Digital-Konverter werden z. B. bei Flugzeit-Massenanalysatoren
verwendet, bei denen Pakete von Ionen mit im wesentlichen derselben
kinetischen Energie in eine feldfreie Driftregion ejiziert bzw.
ausgestoßen
werden. In der Driftregion bewegen sich Ionen mit unterschiedlichen
Masse-Ladungs-Verhältnissen
in jedem Ionenpaket mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und
erreichen daher einen Ionendetektor, der an dem Ausgang der Driftregion
angeordnet ist, zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine Messung der
Ionen-Transitzeit bestimmt daher das Masse-Ladungs-Verhältnis dieses
speziellen Ions.
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Momentan
ist einer der am üblicherweise meisten
verwendeten Ionendetektoren in Flugzeit-Massenspektrometern ein
Einzelion-Zähl-Detektor,
bei dem ein Ion, das eine Detektionsoberfläche beaufschlagt, einen Elektronenpuls
mittels beispielsweise eines Elektronenvervielfachers erzeugt. Der Elektronenpuls
wird typischerweise von einem Verstärker verstärkt und ein resultierendes
elektrisches Signal wird produziert. Das elektrische Signal, das von
dem Verstärker produziert
bzw. erzeugt wird, wird verwendet, um die Transitzeit des Ions,
welches den Detektor beaufschlagt hat, mittels eines Zeit-Digital-Konverters,
welcher gestartet wird, sobald ein Ionenpaket das erste Mal in die
Driftregion beschleunigt wird, zu bestimmen. Der Ionendetektor und
eine zugehörige
Schaltung sind daher in der Lage, ein einzelnes Ion zu detektieren,
das auf den Detektor auftrifft bzw. diesen beaufschlagt.
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Jedoch
weisen solche Ionendetektoren eine gewisse Totzeit nach einem Ionenaufschlag
bzw. -treffen auf, währenddessen
der Detektor nicht auf einen anderen Ionenaufschlag reagieren kann.
Eine typische Detektor-Totzeit kann in der Größenordnung von 1 bis 5 ns liegen.
Wenn während
der Ermittlung eines Massenspektrums Ionen während der Detektor-Totzeit ankommen,
werden diese in der Folge nicht detektiert und dies wird einen störenden Effekt auf
die resultierenden Massenspektren haben.
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Es
ist bekannt, Totzeit-Korrektursoftware zu verwenden, um Störungen in
den Massenspektren zu korrigieren. Jedoch sind Softwarekorrekturtechniken
nur in der Lage, einen begrenzten Korrekturgrad bereitzustellen.
Sogar nach der Anwendung von Totzeit-Korrektursoftware werden Ionensignale,
die zu mehr als einer Ionenankunft im Mittel pro Ausstoßereignis
bei einem vorgegebenen Masse-Ladungswert führen, eine Sättigung
des Ionendetektors ergeben und daher zu einer nichtlinearen Antwort
und einer ungenauen Massenbestimmung führen.
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Dieses
Problem wird insbesondere bei der Gaschromatographie und ähnlichen
Massenspektrometrieanwendungen wegen der schmalen Chromatographie-Peaks
bzw. -Spitzen, welche typi scherweise dem Massenspektrometer präsentiert
werden, welche z. B. an der Basis zwei Sekunden breit sein können, verstärkt.
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Bekannte
Flugzeit-Massenspektrometer leiden daher an einem begrenzten Dynamikbereich
insbesondere bei gewissen besonderen Anwendungen.
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Die
US 5,300,774 offenbart ein
Flugzeit-Massenspektrometer mit einer Öffnung, das eingestellt werden
kann, um einen Trade-Off bzw. einen Ausgleich zwischen der Sensitivität und der
Auflösung
einzustellen.
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Es
ist daher wünschenswert,
ein verbessertes Massenspektrometer und verbesserte Massenspektrometrieverfahren
anzugeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometer
gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Das
erfindungsgemäße Massenspektrometer
bietet einen erweiterten Dynamikbereich des Detektors. Insbesondere
ist es möglich,
zwischen zwei oder mehr Sensitivitätsbereichen während einer
Aufnahme zu wählen
bzw. umzuschalten. Ein Bereich ist bzw. wird eingestellt, um eine
hohe Sensitivität
aufzuweisen bzw. zu bieten. Ein zweiter Bereich ist bzw. wird eingestellt,
um bei einer um einen Faktor von bis zu 100 niedrigeren Sensitivität als der
erste Bereich zu arbeiten. Vorzugsweise ist die Sensitivitätsdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Sensitivitätsmodus wenigstens ein Faktor
x10, x20, x30, x40, x50, x60, x70, x80, x90 oder x100.
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Genaue
Massenmessungen können
durchgeführt
werden, indem eine einzelne Punktverschluss- bzw. Point-Lock-Masse
verwendet wird, die sowohl dem hohen als auch dem niedrigen Sensitivitätsbereich
gemeinsam ist.
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Obwohl
bei der bevorzugten Ausführungsform
die Sensitivität
mittels der Betätigung
einer z-Linse verändert
wird, sind andere Ausführungsformen
ebenfalls denkbar, bei denen bei einer allgemeineren Anordnung das
ionenoptische System zwischen der Ionenquelle und dem Massenanalysator geändert oder
verändert
wird, so dass Ionen, die dort hindurch passieren, fokussiert/defokussiert
werden, wodurch die Ionentransmissions-Effektivität verändert wird.
Es ist möglich,
die Ionentransmissions-Effektivität mittels einer Anzahl von
Verfahren zu verändern,
einschließlich
(i) Verändern
einer y-fokussierenden Linse, welche eine Einzel-Linse sein kann;
(ii) Verändern
einer z-fokussierenden Linse, welche eine Einzel-Linse sein kann;
(iii) Verwenden einer stigmatischen fokussierenden Linse, vorzugsweise
mit einer kreisförmigen Öffnung,
welche einen Ionenstrahl sowohl in der y- als auch in der z-Richtung fokussiert/defokussiert;
und (iv) Verwenden einer Gleichspannungs-Quadrupol-Linse, welche
in der y-Richtung und/oder der z-Richtung wie gewünscht fokussieren/defokussieren
kann.
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Das
Verwenden einer z-Fokussierung ist gegenüber anderen Arten der Veränderung
der Ionentransmissions-Effektivität bevorzugt, weil sich erwiesen
hat, dass es eine Veränderung
bei der Auflösung, der
Massenposition und dem spektralen Versatz, welche andernfalls mit
dem Fokussieren/Ablenken des Ionenstrahls in der y-Richtung verknüpft zu sein scheinen,
minimiert. Jedoch kann bei weniger bevorzugten Ausführungsformen
der Ionenstrahl in der y-Richtung entweder an stelle der z-Richtung
oder zusätzlich
zu der z-Richtung verändert
werden.
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Mit
der bevorzugten Ausführungsform
kann ein Anstieg von wenigstens einer Größenordnung beim Dynamikbereich
erreicht werden. Es ist gezeigt worden, dass der Dynamikbereich
von ungefähr
3,25 Größenordnungen
auf ungefähr
4,25 Größenordnungen
bei einer GC-Peakbreite (Gaschromatographie-Peakbreite) von ungefähr 1,5 Sekunden
bei halber Höhe
erweitert werden kann.
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Die
Ionenquelle ist vorzugsweise eine kontinuierliche Ionenquelle. Weiter
vorzugsweise ist die Ionenquelle ausgewählt aus der Gruppe, die umfasst:
(i) eine Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle"); (ii) eine Chemische-Ionisations-Ionenquelle ("CI-Ionenquelle"); und (iii) eine
Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"). All diese Ionenquellen können mit
einer Gaschromatographie-Quelle (GC-Quelle) verbunden sein. Alternativ
und insbesondere bei Verwendung einer Flüssigkeitschromatographie-Quelle
(LC-Quelle) kann
eine Elektrospray-Ionenquelle oder eine Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer
Ionisation ("APCI-Ionenquelle") verwendet werden.
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Vorzugweise
umfasst der Massenanalysator einen Zeit-Digital-Konverter.
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Vorzugweise
ist der Massenanalysator ausgewählt
aus der Gruppe, die umfasst: (i) einen Quadrupol-Massenanalysator;
(ii) einen Magnetsektor-Massenanalysator; (iii) einen Ionenfallen-Massenanalysator;
(iv) einen Flugzeit-Massenanalysator, vorzugsweise
einen Orthogonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator.
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Das
Massenspektrometer weist ferner Steuerungsmittel auf, welche angeordnet
bzw. eingerichtet werden können,
um die z-Linse, oder allgemeiner die Ionenoptiken, alternierend
oder auf andere Weise regelmäßig hin
und her zwischen wenigstens dem ersten und dem zweiten Modus umzuschalten.
Bei dieser Anordnung werden zwei Datenströme als zwei diskrete Funktionen,
die zwei diskrete Datensätze darstellen,
gespeichert. Sobald das Verhältnis
der Daten mit hoher Sensitivität
zu den Daten mit niedriger Sensitivität bestimmt worden ist, können die
Daten verwendet werden, um lineare quantitative Kalibrierungskurven über vier
Größenordnungen
zu erreichen. Ferner kann das System angeordnet bzw. eingerichtet
werden, so dass exakte Massendaten aus jeder Spur extrahiert werden
können.
Wenn daher ein spezieller Eluent einen Massenspektral-Peak erzeugt,
der in dem Datensatz mit hoher Sensitivität gesättigt ist, und daher eine geringe
Massenmessgenauigkeit zeigt, kann derselbe Massenspektral-Peak ungesättigt sein
und die Masse in der Spur mit geringerer Sensitivität korrekt
gemessen werden. Durch Verwendung einer Kombination von beiden Spuren,
wie sie eine Probe eluiert, können
exakte Massenmessungen über
einen weiten Bereich einer Probenkonzentration erzeugt werden.
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Die
relativen Aufenthaltszeiten in dem Modus mit hoher und niedriger
Sensitivität
können
entweder dieselben sein, oder mehr Zeit kann in dem Modus mit höherer Sensitivität als in
dem Modus mit niedrigerer Sensitivität verbracht werden.
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Z.
B. kann die relative Zeit, die in einem Modus mit hoher Sensitivität im Vergleich
zu einem Modus mit niedriger Sensitivität verbracht wird, zumindest
50:50, 60:40, 70:30, 80:20 oder 90:10 sein. Mit anderen Worten kann
zumindest 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der Zeit in dem Modus mit
höherer Sensitivität im Vergleich
zu dem Modus mit niedrigerer Sensitivität verbracht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Steuerungsmittel eingerichtet sein, um die z-Linse oder allgemeiner
die Ionenoptik bzw. -optiken aus dem ersten Modus in den zweiten
Modus zu schalten, wenn sich der Detektor einer Sättigung
nähert
oder eine erfährt
und/oder die z-Linse oder allgemeiner die Ionenoptiken aus dem zweiten
Modus in den ersten Modus zu schalten, wenn eine höhere Sensitivität möglich ist,
ohne dass der Detektor im wesentlichen im ersten Modus sättigt. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
können
Niedrigmassenpeaks bei der Bestimmung, ob die Sensitivitäten umgeschaltet
werden sollen oder nicht, ignoriert werden, und bei einer Ausführungsform
ereignet es sich nur, dass die Steuerungsmittel die Sensitivitätsmoden
umschalten, wenn Massenpeaks, die in einen speziellen Massen-Ladungs-Bereich
(z. B. m/z ≥ 50
oder 75 oder 100) fallen, sättigen oder
sich einer Sättigung
nähern.
Zusätzlich/alternativ
zum Ignorieren einer Sättigung
von Niedrigmassenpeaks und zum Konzentrieren auf Massenpeaks in
einem oder mehreren speziellen Massenbereichen (welche vorzugsweise
vorbestimmt sind, aber bei weniger bevorzugten Ausführungsformen
dies nicht notwendigerweise sein müssen) können die Steuerungsmittel die
Sensitivitätsmodi
basierend darauf, ob sich spezielle, vorzugsweise vorbestimmte,
Massenpeaks einer Sättigung
annähern
oder gesättigt sind,
oder wenn ein verbessertes Massenspektrum einschließlich dieses
speziellen Massenpeaks durch Umschalten in einen anderen Sensitivitätsmodus
erhalten werden könnte,
umschalten.
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Vorzugsweise
weist das Massenspektrometer ferner eine Energieversorgung auf,
die in der Lage ist, die z-Linse mit Gleichspannung von –100 bis +100
Volt zu versorgen. Bei einer Ausführungsform kann die z-Linse
eine dreiteilige Einzel-Linse sein, bei der die fordere und hintere
Elektrode auf im wesentlichen derselben Gleichspannung, z. B. für positive Ionen
ungefähr –40 V Gleichspannung,
gehalten werden und eine mittlere Elektrode variiert werden kann,
für positive
Ionen von ungefähr –100 V Gleichspannung
in dem (fokussierenden) Modus mit hoher Sensitivität bis zu
ungefähr
+100 V Gleichspannung in dem (defokussierenden) Modus mit niedriger
Sensitivität.
Z. B. kann bei dem Modus mit niedriger Sensitivität eine Spannung
von –50
V Gleichspannung, 0 V Gleichspannung, 25 V Gleichspannung, 50 V Gleichspannung
oder 100 V Gleichspannung an die zentrale Elektrode angelegt werden.
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Vorzugsweise
wird der Ionenstrahl divergiert, um ein Profil oder eine Fläche aufzuweisen,
welche im wesentlichen das Profil oder die Fläche einer Eingangsöffnung bzw. –apertur
zu dem Massenanalysator um wenigstens einen Faktor x2, x4, x10,
x25, x50, x75 oder x100 übersteigt,
wenn die z-Linse einen Ionenstrahl, der durch die z-Linse passiert,
defokussiert.
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Vorzugsweise
werden in dem ersten Modus zumindest 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%,
99% oder im wesentlichen 100% der Ionen angeordnet bzw. eingerichtet
bzw. ausgerichtet, um durch die Eingangsöffnung zu passieren.
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Vorzugsweise
werden in dem zweiten Modus weniger als oder gleich 15%, 10%, 5%,
4%, 3%, 2% oder 1% der Ionen angeord net bzw. eingerichtet bzw. ausgerichtet,
um durch die Eingangsöffnung
zu passieren.
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Vorzugsweise
ist der Sensitivitätsunterschied
zwischen dem ersten und dem zweiten Modus zumindest x10, x20, x30,
x40, x50, x60, x70, x80, x90 oder x100.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometrieverfahren
gemäß Anspruch
20 vorgeschlagen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird bzw. ist das ionenoptische System angeordnet und eingerichtet,
um in wenigstens drei verschiedenen Sensitivitätsmodi betrieben zu werden.
Bei weiteren Ausführungsformen
können
vier, fünf,
sechs usw. bis zu praktisch einer unendlichen Anzahl von Sensitivitätsmodi vorgesehen
sein.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun rein beispielhaft und mit
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Anordnung von y-Fokussierungslinsen und einer z-Linse stromaufwärts eines
Massenanalysators zeigt;
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2(a) und 2(b) Seitenansichten
eines Massenspektrometers gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
zeigen;
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3 eine
Draufsicht bzw. ebene Ansicht eines Massenspektrometers, das mit
einem Gaschromatographen verbunden ist, zeigt; und
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4 experimentelle
Daten zeigt, die den erweiterten Dynamikbereich zeigen, welcher
mit der bevorzugten Ausführungsform
erreichbar ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. 1 zeigt
eine Ionenquelle 1, vorzugsweise eine Elektronenstoß- oder
chemische Ionisiations-Ionenquelle. Ein Ionenstrahl 2,
der aus der Ionenquelle 1 emittiert wird, bewegt sich entlang
einer Achse, die üblicherweise
als die x-Achse bezeichnet wird. Die Ionen in dem Strahl 2 werden
in einer ersten y-Richtung,
wie in der Figur gezeigt, durch die y-Fokussierungs- und Kollimations bzw.
Bündellinsen 3 fokussiert.
Eine z-Linse 4, vorzugsweise stromabwärts der y-Linse 3, ist angeordnet bzw.
eingerichtet, um die Ionen in eine zweite z-Richtung, welche senkrecht
sowohl zu der ersten y-Richtung als auch zu der x-Achse verläuft, abzulenken
oder zu fokussieren. Die z-Linse 4 kann eine Anzahl von
Elektroden aufweisen und kann bei einer Ausführungsform eine Einzel-Linse
aufweisen, bei der die vordere und hintere Elektrode im wesentlichen
auf derselben festen Gleichspannung gehalten werden und die Gleichspannung,
die an eine mittlere Elektrode angelegt wird, variiert werden kann,
um den Grad der Fokussierung/Defokussierung eines Ionenstrahls 2,
der hindurch passiert, zu verändern.
Eine Einzel-Linse kann auch für
die y-Linse 3 verwendet werden. Bei weniger bevorzugten
Anordnungen können
entweder eine z-Linse 4 oder eine y-Linse 3 (aber
nicht beide) vorgesehen werden.
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Die 2(a) und 2(b) zeigen
Seitenansichten eines Massenspektrometers. In 2(a) ist gezeigt, dass der Ionenstrahl 2,
der von einer Ionenquelle 1 emittiert wird, durch die y-Fokussierungs- und
Bündellinse 3 passiert.
Die z-Linse 4, die in einem ersten Modus (mit höherer Sensitivität) arbeitet, fokussiert
den Strahl 2 im wesentlichen innerhalb der Akzeptanzfläche und
des Akzeptanzwinkels eines Eingangsschlitzes 10 des Massenanalysators 9,
so dass ein wesentlicher Anteil der Ionen (d. h. eine Normalintensität) in der
Folge in den Analysator 9 eindringt, welcher stromabwärts des
Eingangsschlitzes 10 angeordnet ist.
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2(b) zeigt die z-Linse 4, die in einem zweiten
Modus (mit niedrigerer Sensitivität) arbeitet, wobei die z-Linse
4 den Ionenstrahl 2 defokussiert, so dass der Ionenstrahl 2 einen
viel größeren Durchmesser
oder eine viel größere Fläche als
der Eingangsschlitz 10 in den Massenanalysator 9 hat. Dementsprechend
wird ein viel kleinerer Anteil der Ionen (d. h. eine reduzierte
Intensität)
in der Folge in den Analysator 9 in diesem Betriebsmodus
im Vergleich zu dem Betriebsmodus, der in 2(a) gezeigt
ist, eindringen, weil ein großer
Prozentsatz der Ionen außerhalb
der Akzeptanzfläche
und des Akzeptanzwinkels des Eingangsschlitzes 10 liegen wird.
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3 zeigt
eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform. Eine entfernbare
Ionenquelle 1 ist zusammen mit einer Gaschromatographieschnittstelle
oder Wiedereintrittsröhre 7 gezeigt,
welche mit einem Gaschromatographieofen 6 in Verbindung steht.
Ein Verschlussmasseninlet ist typischerweise vorhanden, aber nicht
gezeigt. Ein Ionenstrahl 2, der von der Ionenquelle 1 emittiert
wird, passiert durch den Linsenstapel und die Bündelplatten 3, 4,
welche eine schaltbare z-Linse 4 aufweisen. Die z-Fokussierungslinse 4 ist
in einer feldfreien Region der Optik angeordnet und mit einer schnell
schaltenden Energieversorgung, die eine Gleichspannung von –100 bis
+100 V anlegen kann, verbunden. Bei positiven Ionen wird eine Gleichspannung
von –100
V einen Ionenstrahl 2, der hindurch passiert, fokussieren
und eine positivere Spannung, z. B. bis zu +100 V Gleichspannung,
wird einen Ionenstrahl 2, der hindurch passiert, im wesentlichen
defokussieren und dadurch die Intensität der Ionen, die in den Analysator 9 eindringen,
reduzieren.
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Anfangs
kann das System auf eine volle (hohe) Sensitivität eingestellt werden. Die Spannung
an der z-Fokussierungslinse
kann anschließend
variiert werden, vorzugsweise manuell, bis die erwünschte niedrigere
Sensitivität
erreicht ist. Bei einer Anordnung führt die Aufnahme anschließend zu
einem schnellen Umschalten der z-Linsen-Energieversorgung zwischen zwei (oder
mehr) vorbestimmten Spannungen, um wiederholt zwischen dem Betriebsmodus
mit hoher Sensitivität
und dem Betriebsmodus mit niedriger Sensitivität umzuschalten. Spektren mit
hoher Sensitivität
und mit niedriger Sensitivität können als
getrennte Funktionen gespeichert werden, um nachbearbeitet zu werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
schaltet die z-Linse 4 nur zwischen dem Modus mit höherer Sensitivität und dem
Modus mit niedrigerer Sensitivität
um (und umgekehrt), wenn entweder der Detektor 13 in einem Modus
gesättigt
ist oder die Sensitivität
in einem anderen Modus ohne Sättigung
erhöht
werden kann.
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Stromabwärts der
Ionenoptik bzw. Ionenoptiken 3, 4 ist ein automatisches
pneumatisches Isolationsventil 8 angeordnet. Der Ionenstrahl 2,
der durch die Ionenoptiken 3, 4 passiert ist,
passiert anschließend
durch einen Eingangsschlitz oder eine Öffnung 10 in den Analysator 9.
Ionenpakete werden dann in die Driftregion des bevorzugen Orthogonalbeschleu nigungs-Flugzeit-Massenanalysators 9 durch
eine Druckplatte 11 injiziert. Ionenpakete werden anschließend vorzugsweise
von einem Reflektron reflektiert. Die Ionen, die in einem Paket
enthalten sind, werden temporär
in der Driftregion getrennt und anschließend von dem Detektor 13 detektiert,
welcher vorzugsweise einen Zeit-Digital-Konverter in seiner angeschlossenen
Schaltung enthält.
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4 zeigt
experimentelle Daten, die zeigen, dass der Dynamikbereich von ungefähr 3,25 Größenordnungen
auf ungefähr
4,25 Größenordnungen
(für eine
GC-Peakbreite von 1,5 Sekunden bei halber Höhe) unter Verwendung einer
Kombination der Daten aus sowohl dem Datensatz mit hoher Sensitivität als auch
aus dem Datensatz mit niedriger Sensitivität erweitert werden kann. In
diesem speziellen Fall wurde das System eingestellt, um ein Verhältnis von
ungefähr
80:1 zwischen dem Datensatz mit hoher Sensitivität und dem Datensatz mit niedriger Sensitivität zu bieten.
Das Experiment ermöglichte eine
gleiche Aufnahmezeit für
beide Datensätze durch
Alternieren zwischen den zwei Sensitivitätsbereichen zwischen den Spektren.
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Standardlösungen in
einem Konzentrationsbereich von 10 pg bis 100 ng HCB (Hexachlorbenzol) wurden über den
Gaschromatographen injiziert. Die Peakflächenantwort (äquivalent
zur Ionenzahl bzw. -Zählung)
für das
wiederhergestellte Ionenchromatogramm eines Masse-Ladungs-Verhältnisses
von 283,8102 wurde gegen die Konzentration aufgetragen. Die Ergebnisse
aus den Datensätzen
mit niedriger Sensitivität
wurden vor der Auftragung mit einem Faktor x80 multipliziert, um
sie auf den Datensatz mit hoher Sensitivität zu normalisieren.