(19) *DE102015121830A120170622* (10) DE 10 2015 121 830 A1 2017.06.22 (12) Offenlegungsschrift (21) Aktenzeichen: 10 2015 121 830.5 (22) Anmeldetag: 15.12.2015 (43) Offenlegungstag: 22.06.2017 (71) Anmelder: Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, 17489 Greifswald, DE (74) Vertreter: Gulde & Partner Patent- und Rechtsanwaltskanzlei mbb, 10179 Berlin, DE (51) Int Cl.: H01J 49/26 (2006.01) H01J 49/10 (2006.01) H01J 49/06 (2006.01) (56) Ermittelter Stand der Technik: DE 101 16 536 A1 DE 11 2013 003 058 T5 US 6 191 419 B1 US 2011 / 0 240 845 A1 US 2013 / 0 221 216 A1 US 4 472 631 A (72) Erfinder: Schweikhard, Lutz, Prof. Dr., 17489 Greifswald, DE; Wienholtz, Frank, 17509 Kemnitz, DE Prüfungsantrag gemäß 44 PatG ist gestellt. Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen (54) Bezeichnung: Breitband-MR-ToF-Massenspektrometer (57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein zur Breitband-Massenspektroskopie modifiziertes MR-ToF-Massenspektrometer. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer, umfasst dazu: ein erstes Modul mit einer Ionenquelle und einer Multireflektions-Flugzeit-Einheit (MR-ToF-Einheit); und ein sich dem ersten Modul anschließendes zweites Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor.
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein zur Breitband- Massenspektroskopie modifiziertes MR-ToF-Massenspektrometer. Technologischer Hintergrund [0002] In der Massenspektroskopie werden Ionen entsprechend ihrem Verhältnis Masse/Ladung (m/z) aufgetrennt und registriert. Die Registrierung der getrennten Ionen kann als Ionenstrom elektrisch erfolgen und die verwendeten Geräte bezeichnet man entsprechend als Massenspektrometer. Ein Massenspektrometer besteht prinzipiell aus drei Teilen: einer Einrichtung zur Erzeugung von Ionen (Ionenquelle), einer Trennvorrichtung (Analysator) und schließlich dem Detektor (beispielsweise ein Faraday-Becher oder ein Sekundärelektronen-Vervielfacher) zur Registrierung der Ionen. Zum Zubehör zählen neben der notwendigen Elektronik eine Datenverarbeitungsanlage sowie Pumpen für das benötigte Vakuum. [0003] Massenspezifische Trennsysteme beruhen auf unterschiedlichen Prinzipien. Für die vorliegende Erfindung sind insbesondere zwei Trennsysteme von Bedeutung, nämlich (i) Flugzeit-Massenspektrometer (time-of-flight MS; ToF-MS) und (ii) Sektorfeld-Massenspektrometer. [0004] Bei ToF-Massenspektrometern werden die in einer Ionenquelle erzeugten Ionen durch einen Spannungsstoß beschleunigt und allein durch ihre massenabhängige Flugzeit auf der Strecke zwischen Ionenquelle und Detektor unterschieden. Der bei diesem Verfahren zugängliche Massenbereich ist theoretisch unbegrenzt und nur von der Länge der Flugstrecke und der sich daraus ergebenden Flugzeit abhängig. Die Geräte zeichnen sich durch eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit aus, so dass sie beispielsweise zur Untersuchung schnell ablaufender Reaktionen dienen können. Ferner ist die Nachweisempfindlichkeit in der Regel hoch, und es können selbst einzelne Ionen nachgewiesen werden. Nachteilig ist jedoch die nur mäßige Auflösung dieses Gerätetyps. [0005] Multireflektions-Flugzeit- Massenspektrometer (MR-ToF) bestehen aus zwei Ionenspiegeln, zwischen denen die zu untersuchenden Ionen hin und her reflektiert werden. Damit wird die Flugstrecke um ein Vielfaches (bis zu hunderte oder tausende) der physikalischen Länge, d.h. des Ionenspiegelabstandes, verlängert. Dadurch erhöhen sich das erreichbare Auflösungsvermögen und die Massengenauigkeit um ähnliche Größenordnungen. Die Methode hat für die breite analytische Anwendung den Nachteil, dass in jeder Messung jeweils nur ein kleiner Massenausschnitt eindeutig zugänglich ist. Bei größeren Massenbereichen überrunden" sich die verschiedenen Ionensorten, sodass die Flugzeitsignale nicht mehr eindeutig, ohne aufwendiges systematisches Variieren der Umläufe der Ionen im Gerät, zugeordnet werden können. Daher spielen diese Geräte für Anwendungen mit größeren Massenbereichen derzeit keine Rolle. [0006] In Sektorfeld-Massenspektrographen werden die Ionen in statischen magnetischen Feldern abgelenkt und treffen daher an verschiedenen Stellen des Detektors ein. Dieser bestand früher aus Fotoplatten, die nach der Bestrahlung im Massenspektrographen entwickelt wurden. Inzwischen werden können elektronische Detektoren eingesetzt werden. Bringt man zwischen Beschleunigungsstrecke und Magnetfeld noch ein geeignetes elektrostatisches Feld an, so erhält man ein sogenanntes doppelfokussierendes Massenspektrometer, bei dem sowohl eine Richtungsfokussierung als auch eine Energiefokussierung von Ionen gleichen m/z-verhältnisses auf jeweils einen Punkt des Detektors erfolgt. In Kenntnis der Energie und des Impulses kann dann das Massezu-Ladungs-Verhältnis der Ionen bestimmt werden. Dieser Gerätetyp verfügt über einen großen Massenbereich, jedoch nur über eine geringe Auflösung. Über die Jahrzehnte wurden auch hochauflösende Sektormagnet-Geräte entwickelt. Allerdings sind diese Weiterentwicklungen, bei denen kein ortsempfindlicher Detektor eingesetzt wird, sondern die Ionen auf eng begrenzen Sollbahnen geführt werden, auf sehr kleine Massenbereiche beschränkt, beziehungsweise es dauert lange, bis ein größerer Massenbereich analysiert werden kann. Außerdem sind diese Geräte relativ groß (und damit praktisch nicht transportabel) und kostenaufwendig, sodass sie inzwischen aus der praktischen Anwendung fast vollständig verschwunden sind. [0007] Ferner sind Ionenfallen-Massenspektrometer, wie Fouriertransform-Ionenzyklotron-Massenspektrometer (FT-ICR) oder Orbitrap-Massenspektrometer, bekannt. [0008] Ein FT-ICR-Massenspektrometer benutzt zur Massenanalyse die Ionenfrequenz der Zyklotronbewegung in Magnetfeldern. Es zeichnet sich durch extrem hohe Auflösung bei niedrigen Massen aus und benötigt dazu ein ultrahohes Vakuum. Bei höheren Massen nimmt die Auflösung ab, wobei die Empfindlichkeit gut bleibt. Allerdings beinhaltet die FT-ICR- Methode im Allgemeinen bei schweren Ionen den Einsatz von supraleitenden Magneten, was einen erheblichen Aufwand bedeutet. [0009] In der Orbitrap-Ionenfalle findet sich eine zentrale, spindelförmige Elektrode. Die Ionen werden radial zu dieser Elektrode in die Orbitrap hineingeschossen und bewegen sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung auf Kreisbahnen (Orbits) um die zentrale Elektrode herum. Da die Ionen nicht in der Mitte der Kammer, sondern dezentral injiziert wer- 2/6
den, schwingen sie gleichzeitig entlang der Achse der Zentralelektrode. Diese Ionenschwingung erzeugt in Detektorplatten Signale, die durch Fouriertransformation in die entsprechenden Frequenzen umgewandelt werden, aus denen die m/q-verhältnisse folgen. Das Prinzip ist daher ähnlich zum FT-ICR, funktioniert aber mit einem elektrostatischen Feld statt einem Magnetfeld. Eine Limitierung dieser Geräte besteht unter anderem darin, dass einzelne Ionen nur bei hohen Ladungszuständen nachgewiesen werden können. Zusammenfassung der Erfindung [0010] Ein oder mehrere der Probleme des Standes der Technik können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Massenspektrometers gelöst oder zumindest gemindert werden. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer, umfasst dazu: ein erstes Modul mit einer Ionenquelle und einer Multireflektions-Flugzeit-Einheit (MR-ToF-Einheit) ; und ein sich dem ersten Modul anschließendes zweites Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor. [0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein MR-ToF Analysator mit einen nachgelagerten magnetischen Sektorfeld kombinieren lässt und sich die Ionen mit einem ortsempfindlichen Flugzeitdetektor nachweisen lassen. Durch Einsatz des magnetischen Sektorfelds und des ortsempfindlichen Detektors erhält man ein Massenspektrum geringer Auflösung. Durch zusätzliche Verwendung der Flugzeitinformation ergibt sich aber gleichzeitig die aus der Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometrie bekannte hohe Auflösung. Die genannte Kombination erzielt diese hohe Auflösung über einen großen Massenbereich. [0012] Alternativ kann man das den Kern der Erfindung auch folgendermaßen beschreiben: Bei der hier auch als Breitband-MR-ToF-Massenspektrometrie bezeichneten Methode wird das hochaufgelöste Flugzeitspektrum, das zunächst nur als Überlagerung der Spektren vieler verschiedener Massenbereiche vorliegt, dadurch entfaltet, dass das magnetischen Sektorfeld die Massenbereiche räumlich auffächert und an die entsprechenden Stellen des ortsempfindlichen Detektors leitet. [0013] Durch die Erfindung wird demnach ein herkömmliches MR-ToF-Massenspektrometer derart erweitert, dass damit Breitband-Massenspektrometrie betrieben werden kann und das Gerät damit auch für analytische Fragestellungen interessant wird. Das erfindungsgemäße Breitband-MR-ToF-Massenspektrometer kann analytische Informationen mit hoher Massenauflösung und Massengenauigkeit über einen großen Massenbereich liefern. Zu den potentiellen Anwendern gehören Forschungseinrichtungen in der Wissenschaft und Industrie, zum Beispiel in biologischen, medizinischen und pharmazeutischen Bereich. Darüber hinaus könnten entsprechende Geräte zum Beispiel auch in der Überwachung von biomedizinischen und pharmazeutischen Produktionsprozessen, zu Erdöluntersuchungen oder der Umweltanalytik eingesetzt werden. [0014] Im Vergleich zu FT-ICR- oder Orbitrap-Geräten sind die zu erwartenden Betriebs- und Anschaffungskosten des erfindungsgemäßen Massenspektrometers wesentlich geringer. Zudem dürfte die Empfindlichkeit zumindest gegenüber Orbitrap-Geräten verbessert sein, da auch einzelne einfach geladene Ionen nachgewiesen werden können, während dies bei der Orbitrap nur bei hohen Ladungszuständen gelingt. [0015] Die Ionisation des Untersuchungsmaterials erfolgt im Hochvakuum in der Ionenquelle. Es sind verschiedenste Ionisationstechniken entwickelt worden, die generell auch für die Zwecke der Erfindung nutzbar sind. So ist für die Ionisation in der Gasphase zum Beispiel Elektronenstoß-Ionisation (EI), chemische Ionisation (CI) oder die Ionisation durch ein Plasma (ICP) nutzbar. Bei Flüssigkeiten kann man unter anderem Elektrospray-Ionisation (ESI) verwenden. Bei Feststoffen eignen sich unter anderem Desorptionsverfahren, wie Laserdesorption (LD, MALDI), Desorption durch atomare Primärionen oder Clusterionen (SIMS) und Felddesorption (FD). [0016] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere soweit die Ionenquelle nicht schon selbst gepulst arbeitet, umfasst das erste Modul einen Ionenpulser (oder auch Buncher), der zwischen der Ionenquelle und der MR-ToF-Einheit angeordnet ist. Mit dem Ionenpulser kann zum Beispiel einen Ausschnitt des Primärionenstrahls in einem Winkel zur bisherigen Strahlrichtung in die Flugstrecke hinein beschleunigt werden. Wird eine kontinuierliche Ionenquelle eingesetzt, so ist der Ionenpulser vorzugsweise eine Ionenfalle. Besonders bevorzugt ist in dieser Konstellation die Ionenfalle eine Hochfrequenz (RF)-Ionenfalle, insbesondere eine lineare Hochfrequenz(RF)-Ionenfalle. [0017] In einer Ionenfalle werden Ionen mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder festgehalten. Abhängig von Art und Stärke der einwirkenden Felder kann man gezielt Ionen eines bestimmten Massenbereichs speichern. Alternativ kann man sämtliche Ionen in der Falle vorrätig halten und durch Veränderung der Felder alle Ionen oder auch die einer bestimmten Masse weiterleiten. Die Speicherung der Ionen erfolgt im Vakuum und ohne Kontakt zu einer Oberfläche. Es gibt verschiedene Ausführungen der Ionenfalle, zum Beispiel die Paul-Falle und die Pen- 3/6
ning-falle. In der Paul-Falle wird ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld verwendet, um Ionen festzuhalten. Hat dieses Feld die Form eines Quadrupols, wird die Falle auch als Quadrupol-Falle bezeichnet. Bei der Penning-Falle führt eine Kombination von zeitlich konstantem elektrischen Feld und ebenfalls zeitlich konstantem Magnetfeld zu einer Speicherung der Ionen. Bei der Paul-Falle liegt an Endkappen- und Ringelektrode eine Wechselspannung im Radiofrequenzbereich an. Bei richtiger Spannung werden die Flugbahnen der Massen instabil, und nur die Ionen mit genau passendem m/z-verhältnis bleiben in der Falle, so dass eine Ionenselektion erfolgen kann. [0018] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Modul einen Potentiallift, der zwischen der Ionenquelle und der MR-ToF- Einheit angeordnet ist oder, sofern ein Ionenpulser vorhanden ist, sich zwischen dem Ionenpulser und der MR-ToF-Einheit befindet. Der Ionenpulser ist in der Regel als Röhre ausgelegt, die beim Ionendurchflug auf ein passendes neues Potential geschaltet wird, um so die Ionenenergie für die sich anschließende MR-ToF-Einheit anzupassen. [0019] Die MR-ToF-Einheit kann in herkömmlicher Weise konzipiert werden und umfasst mindestens zwei Ionenspiegel, zwischen denen die zu untersuchenden Ionen hin und her reflektiert werden. Vorzugsweise umfasst die MR-ToF-Einheit ebenfalls einen integrierten Potentiallift (in-trap Potentiallift). Alternativ kann auch ohne den Potentiallift zwischen den Ionenspiegel gearbeitet werden. Dann müssen allerdings die Potentiale der Ionenspiegel selbst beim Ein- und Ausschuss der Ionen geschaltet werden. [0020] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der MR-ToF-Einheit ein weiterer Ionenspiegel (Reflektron) zur zusätzlichen Zeitfokussierung der Ionenpulse nachgeordnet ist. Der zusätzliche Ionenspiegel ist zwischen der MR-ToF-Einheit und dem zweiten Modul angeordnet. Mit dem optional integrierten Potentiallift der MR-ToF-Einheit kann man die Zeitfokussierung für eine bestimmte Umlaufanzahl erreichen. Das reicht beim Betrieb von schmalen Massenbereichen in der Regel aus. Für den Breitbandbetrieb, bei dem die Ionen je nach Masse sehr unterschiedliche Umlaufzahlen haben werden, kann es jedoch von Vorteil sein, die Fokussierung separat durchzuführen, da man dies so für alle Ionensorten erreicht. [0021] Nach der MR-ToF-Einheit wird der Ionenstrahl in das zweite Modul mit einem magnetischen Sektorfeld und einem nachgeordnetem ort- und zeitauflösenden Detektor gelenkt. Dabei umfasst das zweite Modul vorzugsweise ein elektrisches Sektorfeld, das zwischen der MR-ToF-Einheit und dem magnetischen Sektorfeld angeordnet ist. Das zweite Modul ist also wie ein doppelfokussierendes Massenspektrometer aufgebaut. Dabei sind das elektrische Sektorfeld und das magnetische Sektorfeld vorzugsweise in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet. [0022] Der ortsempfindliche Detektor dient zur Erfassung der zuvor separierten Ionen. Als Detektor können beispielsweise Mikrokanalplatten (MCP), bei denen die Signalaufnahme mit einer entsprechenden Anodenanordnung ( delay-line ) erfolgt, eingesetzt werden. [0023] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Kurzbeschreibung der Figuren [0024] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt: [0025] Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Breitband-MR-ToF-Massenspektrometers. Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0026] Der Fig. 1 ist eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Breitband-MR-ToF-Massenspektrometers 10 zu entnehmen. Das Massenspektrometer 10 ist in zwei Module 20, 50 gegliedert. Das erste Modul 20 entspricht dabei weitestgehend im Aufbau einem herkömmlichen MR-ToF-Massenspektrometer und das sich direkt daran anschließende zweite Modul 50 prinzipiell einem Massenspektrometer mit magnetischem Sektorfeld. [0027] Mit einer Ionenquelle 22 wird im ersten Modul 20 zunächst ein Ionenstrahl 24 erzeugt. Die Ionenquelle 22 kann zur Erzeugung eines gepulsten oder kontinuierlichen Ionenstrahls ausgelegt sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Ionisation kontinuierlich, wobei die jeweilige Ionisationsmethode dem Untersuchungsmaterial angepasst werden kann. [0028] Nachfolgend durchläuft der Ionenstrahl 24 einen Ionenpulser 26, dessen Eintrittselektrode 28, Austrittselektrode 30 und Multipolstäbe 32 dargestellt sind. Der Ionenpulser 26 ist vorliegend als lineare Hochfrequenz-Ionenfalle konzipiert. [0029] Dem Ionenpulser 26 nachgeordnet ist ein Potentiallift 34, der eine Röhre umfasst, die beim Ionendurchflug auf ein passendes neues Potential geschaltet wird, um so die Ionenenergie für die dann folgende MR-ToF-Einheit 36 anzupassen. 4/6
[0030] Die MR-ToF-Einheit 36 beinhaltet einen quellenseitigen Ionenspiegel 38, einen detektorseitigen Ionenspiegel 40 und gemäß dem vorliegendem Beispiel einen zusätzlichen in-trap Potentiallift 42. [0031] Insgesamt liefert das erste Modul 20 demnach ein hochaufgelöstes Flugzeitspektrum, das jedoch zunächst nur als Überlagerung der Spektren vieler verschiedener Massenbereiche vorliegt. Zur Entfaltung dient das sich direkt anschließende zweite Modul 50. [0032] Optional kann zwischen der MR-ToF-Einheit 36 und dem zweiten Modul 50 ein weiterer Ionenspiegel (Reflektron) zur zusätzlichen Zeitfokussierung der Ionenpulse angeordnet sein (in die Zeichnung nicht dargestellt). [0033] Der Ionenstrahl 24 tritt zunächst über einen Eintrittspalt 52 in das zweite Modul 50 ein und wird in einem elektrostatischen Sektorfeld 54 und einem sich daran anschließenden magnetischen Sektorfeld 56, die in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet sind, doppelfokussierend einem orts- und zeitauflösenden Detektor 58 zugeführt. und der Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) angeordnet ist. 7. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem die Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) einen integrierten Potentiallift (42) umfasst. 8. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) und dem zweiten Modul (50) ein Ionenspiegel angeordnet ist. 9. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem das zweite Modul (50) ein elektrisches Sektorfeld (54) umfasst, das zwischen der Multireflektions-Flugzeit- Einheit (36) und dem magnetischen Sektorfeld (56) angeordnet ist. 10. Massenspektrometer nach Anspruch 8, bei dem das elektrische Sektorfeld (54) und das magnetische Sektorfeld (56) in Mattauch-Herzog-Geometrie angeordnet sind. Es folgt eine Seite Zeichnungen Patentansprüche 1. Massenspektrometer (10), umfassend: ein erstes Modul (20) mit einer Ionenquelle (22) und einer Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36); und ein sich dem ersten Modul (20) anschließendes zweites Modul (50) mit einem magnetischen Sektorfeld (56) und einem nachgeordnetem orts- und zeitauflösenden Detektor (58). 2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem das erste Modul einen Ionenpulser (26) umfasst, der zwischen der Ionenquelle (22) und der Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) angeordnet ist. 3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, bei dem die Ionenquelle (22) eine kontinuierliche Ionenquelle ist und der Ionenpulser (26) eine Ionenfalle ist. 4. Massenspektrometer nach Anspruch 3, bei dem die Ionenfalle (26) eine Hochfrequenz(RF)-Ionenfalle ist. 5. Massenspektrometer nach Anspruch 4, bei dem die Hochfrequenz(RF)-Ionenfalle eine lineare Hochfrequenz(RF)-Ionenfalle ist. 6. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Modul (20) einen Potentiallift (34) umfasst, der zwischen der Ionenquelle (22) und der Multireflektions-Flugzeit-Einheit (36) angeordnet ist oder, sofern ein Ionenpulser (26) vorhanden ist, zwischen dem Ionenpulser (26) 5/6
Anhängende Zeichnungen 6/6