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Die Erfindung bezieht sich auf eine lineare Ionenfalle, die zwischen mindestens vier stabförmigen Elektroden ein im Wesentlichen quadrupolares elektrisches Hochfrequenzfeld aufspannt und Ionen orthogonal zur Achse massenselektiv auswerfen kann.
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Die Erfindung besteht darin, Feldunregelmäßigkeiten längs der Achse, die zu einem gleichzeitigem Auswurf von Ionen leicht verschiedener Massen an verschiedenen Auswurfsorten der linearen Ionenfalle führen, dadurch zu kompensieren, dass die ausgeworfenen Ionen an den verschiedenen Auswurfsorten durch eine Vielzahl von Detektoren gemessen und die verschiedenen ortsabhängig gemessenen Massenspektren der einzelnen Detektoren massenkalibriert zusammengefügt werden.
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Stand der Technik
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Lineare Ionenfallen sind in der Patentschrift
US 5 420 425 A (Bier et al.) beschrieben. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform, die auch in einem erfolgreichen kommerziellen Massenspektrometer verwendet wird, besteht darin, vier hyperbolisch geformte Stäbe zu einem sehr präzisen linearen Quadrupolsystem zusammenzufügen, zwei gegenüberliegende Stäbe mit Schlitzen zu versehen, und die in Gas gekühlten Ionen durch radiale resonante Anregung durch die Schlitze hindurch massenselektiv auszuwerfen. Bei vollkommen symmetrischer Anordnung treten die Ionen dann während eines so genannten Massenscans über die einzelnen Massensignale hinweg gleichmäßig (wenn auch durch die resonant angeregten Schwingungen der Ionenwolken in gegeneinander versetzten Ionenpulsen) durch beide Schlitze in den gegenüberliegenden Polstäben aus und werden durch zwei flächige Detektoren vor den beiden Schlitzen gemessen. Eine solche lineare Ionenfalle ist schematisch in
gezeigt, wobei allerdings nur ein Detektor sichtbar ist. Aus der Offenlegungsschrift
WO 03/067623 A1 (Schwartz et al.) sind lineare Ionenfallen mit zwei und vier geschlitzten Polstäben bekannt, wobei an den Polstäben jeweils ein einzelner flächiger Detektor angeordnet ist. Aus der Patentschrift
US 5 693 941 A (Barlow et al.) ist eine dreidimensionale Ionenfalle mit zwei Detektoren bekannt, die beide an einer Endkappenelektrode angeordnet sind.
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Für die Aufnahme eines Massenspektrums ist ein Massenscan erforderlich, der Betriebsparameter der Ionenfalle so verändert, dass die Ionen massenselektiv und massensequentiell aus der Ionenfalle zu den Detektoren hin ausgeworfen und in den Detektoren gemessen werden. Unter „Masse” ist hier, wie immer in der Massenspektrometrie, die ladungsbezogene Masse m/z zu verstehen. Es sind dem Fachmann mehrere Arten solcher Massenscans bekannt, darunter insbesondere der Auswurf durch Speicher-Instabilität am Rande des Mathieuschen Stabilitätsdiagramms, und der Auswurf der Ionen durch eine radiale resonante Anregung mit einer dipolaren Anregungshochfrequenzspannung. Im letzteren Falle kann der resonante Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt werden; es sind dann besonders schnelle Scanverfahren mit hoher Massenauflösung möglich, wie das in der Offenlegungsschrift
DE 102 36 346 A1 (J. Franzen, G. Weiß) beschrieben ist (entsprechend den Patentschriften
US 6 831 275 B2 und
GB 2 393 322 B ). Der Auswurf durch nichtlineare Resonanzen bietet darüberhinaus den Vorteil, dass die Ionen zu einer Seite hin ausgeworfen werden können, so dass nur ein Detektor erforderlich ist.
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Ein Vorteil linearer Ionenfallen gegenüber den so genannten dreidimensionalen Ionenfallen, die aus einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden aufgebaut sind, besteht in ihrer leichteren Befüllbarkeit und ihrer hohen Aufnahmekapazität für Ionen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die außerordentlich hohe Präzision, die hier für eine konstante Ausformung und Stärke des elektrischen Hochfrequenzfeldes in allen Querschnitten längs der Achse erforderlich ist. Die Präzision des Hochfrequenzfeldes wird dabei sowohl von Störungen an beiden Enden des Polstabsystems, Störungen an den Enden der Schlitze, wie auch insbesondere durch die mechanische Präzision in Form und Abstand der Polstäbe beeinflusst. Aus der Offenlegungsschrift
US 2005/0056778 A1 (Thomson et al.) ist allerdings ein Massenanalysator mit Polstäben bekannt, die nicht parallel, sondern absichtlich unter einem Winkel angeordnet sind, so dass Ionen, die stirnseitig in den Massenanalysator eingeführt werden, entsprechend ihrer Masse an unterschiedlichen Stellen entlang der Polstäbe instabil werden. Die Ionenströme der ausgeworfenen Ionen werden ortsaufgelöst nachgewiesen.
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Normalerweise verwendet man Polstäbe mit einem inneren Scheitelabstand von acht Millimetern, also einem so genannten inneren Radius von vier Millimetern. Weicht dieser Radius an einer Stelle längs der Achse nur um zwei Mikrometer von seinem Sollwert ab, so werden an dieser Stelle Ionen der Masse 2001 u (oder 3999 u) statt der gewünschten 2000 u ausgeworfen. Sollen Ionen der Masse 1000 u ausgeworfen werden, so erscheinen an der abweichenden Stelle Ionen der Masse 1000,5 u (oder 999,5 u), das heißt, ein solches Massenspektrometer bietet keine brauchbare Auflösung, wenn solche Fehlstellen mit abweichenden Maßen vorkommen. Und es ist der nutzbare Massenbereich beschränkt, da oberhalb von 2000 u keine Auflösung von nur einer Masseneinheit mehr gegeben ist. Tatsächlich muss die mechanische Präzision der Polstäbe für ein brauchbares Massenspektrometer bei weit weniger als einem Mikrometer liegen.
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Die Forderung nach einer mechanischen Präzision von weit weniger als einem Mikrometer ist aber kaum zu erfüllen: Tatsächlich sind die kommerziellen Massenspektrometer dieser Art auf einen Massenbereich von 2000 u mit einer maximalen Auflösung am oberen Ende des Massenbereichs von etwa R = 4000 beschränkt, während kommerzielle dreidimensionale Ionenfallen, die aus Drehteilen bestehen, einen Massenbereich von 3000 u mit einer Massenauflösung von mehr als R = 10 000 am oberen Ende des Massenbereichs bieten. Für viele Anwendungen, bei spielsweise in der modernen Proteinanalytik, ist dieser Unterschied entscheidend.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Massenbereich und Massenauflösung von linearen Ionenfallen zu verbessern, ohne eine hochpräzise Form des Hochfrequenzfeldes zu benötigen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung besteht darin, die zur Achse orthogonal ausgeworfenen Ionen nicht mit nur einem oder zwei längenübergreifenden Detektoren zu messen, sondern stattdessen eine Vielzahl von n Detektoren längs der Achse anzuordnen, und mit diesen Detektoren n ortsbezogene Massenspektren zu messen. Diese Massenspektren können massenkalibriert zu einem Summenspektrum zusammengefügt werden.
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Dabei können sich die n Detektoren auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Polstabanordnung befinden, aber auch nur auf einer Seite. Für letzteren Fall ist es günstig, durch eine Überlagerung des quadrupolaren Hochfrequenzfeldes mit hexapolaren und oktopolaren Anteilen einen einseitigen Auswurf der Ionen zu erzeugen. Wird dabei der Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt, so sind, wie bereits oben angemerkt, bei einer vorgegebenen Massenauflösung besonders schnelle Scanverfahren möglich.
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Die n Detektoren können einfache Faraday-Auffänger sein, aber auch Sekundärelektronenvervielfacher (SEV). Besonders geeignet ist hier eine einzelne Sekundärelektronen verstärkende Vielkanalplatte (MCP = „multi channel plate”), die aber eine Anzahl von n einzelnen Elektronenauffängern zur ortsbezogenen Messung der austretenden Elektronenlawinen besitzt.
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Die einzelnen Ionenströme der n Detektoren können in Operationsverstärkern parallel verstärkt und in DA-Wandlern parallel zu n Werteketten digitalisiert werden, die jeweils ortsbezogene Massenspektren darstellen. Die Werteketten können dann Wert für Wert mit einem jeweils einmalig kalibrierten, massenproportionalen Versatz zu einer Summenwertekette addiert werden, aus der das Zielmassenspektrum gebildet wird.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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zeigt das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach bisheriger Technik mit vier hyperbolischen Polstäben (1, 2, 3, 4), von denen Polstab (1) einen Schlitz (5) trägt, und einem längenübergreifenden Detektor (6), der die Ionen misst, die aus dem Schlitz (5) ausgeworfen werden. Unterhalb des Polstabs (3) kann ein zweiter Detektor angeordnet sein.
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In ist das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach dieser Erfindung gezeigt, die vor dem Schlitz (5) eine Reihe von acht einzelnen Detektoren (7...14) aufweist, die längenaufgelöst einzelne ortsbezogene Ionenströme zu messen gestatten.
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zeigt schematisch die Addition einer Massenspektren-Wertekette (20) in eine Ziel-Wertekette (21) mit einem massenproportionalen Versatz, hier unter Dehnung des Massenspektrums (20), wobei die Werte (22) jeweils zweimal verwendet werden.
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zeigt schematisch die Addition einer Wertekette (23) in eine Ziel-Wertekette (24) mit einer Schrumpfung des durch die Wertekette (23) dargestellten Massenspektrums, wobei die Werte (25) jeweils ausgelassen werden.
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stellt schematisch eine lineare Ionenfalle mit Polstäben (30) und (31), einem Vorfilter mit Polstäben (32) und (33) und einem Nachfilter mit Polstäben (34) und (35) dar, wobei Vorfilter und Nachfilter in bekannter Weise den Feldverlauf im Inneren der linearen Ionenfalle verbessern sollen. Polstab (30) trägt eine Ausfräsung (36) für den Schlitz. Vor Polstab (30) befindet sich eine Sekundärelektronen verstärkende Vielkanalplatte (37), deren austretende Elektronenlawinen von den 16 Elektronenauffängern (38) aufgefangen und über Koax-Kabel (39) einer Verstärkung in Operationsverstärken (40) und Digitalisierung (41) zugeführt werden. Die digitalisierten Werte werden in FIFOs (42, „ferst-in-first-out”-Registern) zwischengespeichert, um den jeweiligen Versatz zu ermöglichen, dann in einem Rechenwerk (43), beispielsweise einem FPGA oder einem Signalprozessor, mit massenproportionalem Versatz addiert und über Leitung (44) dem weiterverarbeitenden Rechner zugeführt.
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Beste Ausführungsformen
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Eine einfache, aber sehr effektive Ausführungsform besteht aus einer linearen Ionenfalle bisheriger Bauart, bei der aber beispielsweise die beiden Sekundärelektronen vervielfachenden Vielkanalplatten durch je eine Reihe von jeweils acht Elektronenauffängern abgedeckt ist, wie das in zu sehen ist. Wie oben ausgeführt, besteht ein Massenscan aus einem massenselektiven und massensequentiellen Auswurf der Ionen, wobei verschiedene, dem Fachmann bekannte Auswurfmethoden zur Anwendung kommen können. Jeder Elektronenauffänger ist mit einem Operationsverstärker verbunden, der den Ionenstrom aus einem kleinen Teilbereich längs der Achse des Polstabsystems nachverstärkt und jeweils einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler oder ADC) zuführt. Die insgesamt 16 digitalen ortsbezogenen Massenspektren, die jeweils aus einer langen Serie von digitalen Ionenstromwerten bestehen, können dann Wert für Wert addiert werden, wobei aber ein massenproportionaler Versatz der Wertereihen zueinander so vorgenommen wird, dass gleiche Massensignale bestmöglich aufeinander addiert werden. Der bestmögliche massenproportionale Versatz muss einmal anhand von Kalibrierspektren bestimmt werden. Ein Schema einer solchen Addition mit massenproportionalem Versatz aus einem Massenspektren-Wertespeicher (20) in einen Zielspeicher (21) mit einer Dehnung des Massenspektrums durch doppelte Verwendung einiger Messwerte (22) ist in gezeigt. zeigt eine Addition unter Stauchung des Massespektrums (23), wobei einige Messwerte (25) nicht verwendet werden.
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Durch den massenproportionalen Versatz bei der Addition der einzelnen Massenspektren-Wertereihen werden dabei die Spektren aus Bereichen mit leicht verändertem Radius der Polstäbe an die übrigen Spektren angeglichen, so dass insgesamt ein Massenspektrum höherer Massenauflösung erhalten wird. Es können dabei aber auch alle anderen Arten von Störungen durch dieses Vorgehen eliminiert werden, wie beispielsweise Einflüsse der Endelektroden des Polstabsystems oder Einflüsse der Schlitzenden auf das Hochfrequenzfeld.
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Noch günstiger ist es, durch eine Überlagerung des Quadrupolfeldes mit Hexapol- und Oktopolfeldern zu erreichen, dass die Ionen nur einseitig aus dem Polstabsystem ausgeworfen werden. Es sind dann nicht mehr zwei Vielkanalplatten mit insgesamt 16 Elektronenauffängern notwendig, sondern eine gleiche Massenauflösung kann mit nur einer Vielkanalplatte und acht Elektronenauffängern erzielt werden. Gleichzeitig wird dabei auch die Anzahl der Operationsverstärker und ADCs verringert. In besonderer Weise kann dabei auch eine Unterstützung des Ionenauswurfs durch nichtlineare Resonanzen verwendet werden, die den Auswurf beschleunigt und schärfer macht, so dass ein besseres Massenauflösungsvermögen bei gleicher Scangeschwindigkeit erreicht wird. Bei Überlagerung mit einem Hexapolfeld tritt eine starke nichtlineare Resonanz bei einem Drittel der Hochfrequenz auf, die bevorzugt verwendet werden kann, indem auch die dipolare Anregungshochfrequenz bei dieser Frequenz gewählt wird und der Massenscan durch eine stetige Erhöhung der Hochfrequenzspannung an den Polstäben durchgeführt wird.
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Eine solche lineare Ionenfalle wird üblicherweise mit einer Frequenz der Hochfrequenzspannung von etwa einem Megahertz betrieben. Ein resonanter Auswurf mit Unterstützung durch nichtlineare Resonanz tritt dann bei etwa 333 Kilohertz auf. Es ist hiermit möglich, in einem Schnellscan eine schwingungssynchrone Abtastung der ausgeworfenen Ionenpakete mit 333 Kilohertz so vorzunehmen, dass pro ladungsbezogener Masseneinheit (atomare Masseneinheit u) genau 8 Abtastungen des Ionenstroms vorgenommen werden. Durch die Verwendung von acht Elektronenauffängern und durch die Addition der Spektren mit massenproportionalem Versatz kann erreicht werden, dass die maximale Abweichung der Massenspektren voneinander nur bei einem Achtel einer Masseneinheit liegt; damit lassen sich gut zwei Ionenstromsignale bei einer Masseneinheit trennen. Das bedeutet, dass man auch doppelt geladene Ionen noch gut massenaufgelöst messen kann. Es ist damit auch die Obergrenze für den sinnvollen Massenbereich erweitert, mit dieser Art des Ionenstromnachweises kann man durchaus einen Massenbereich bis zu 3000 u und darüber erreichen. Ein voller Massenschnellscan bis zur Masse 3000 u braucht nur etwa 80 Millisekunden.
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Mit langsamerem Massenscan, wie er beispielsweise für die Messung von Peptiden angewandt wird, kann man 16 Abtastungen pro Masseneinheit einstellen. Ein voller Massenscan bis zur Masse 3000 u dauert selbst dann nur etwa 160 Millisekunden. Im Hinblick auf eine höhere Massenauflösung ist es günstig, nicht nur acht, sondern 16 Elektronenauffänger längs der Achse des Polstabsystems zu verwenden, wie in dargestellt. Man kann dann auch bei mäßiger Präzision des Polstabsystems und entsprechend kalibriert massenproportional versetzter Addition eine Massenauflösung von vier Ionensignalen („Peaks”) pro Masseneinheit erzielen. Es ist damit möglich, die Isotopengruppen von vierfach geladenen Ionen aufzulösen. Durch die Verwendung von 16 Elektronenauffängern (38), 16 Operationsverstärkern (40) und 16 Analog-Digital-Wandlern (41) ist es möglich, statt eines üblicherweise verwendeten DAC mit 16 bit Breite 16 DACs mit nur jeweils 12 bit Breite zu verwenden. Für einen hohen dynamischen Messbereich ist es noch günstiger, 16 DACs mit jeweils 14 bit Breite einzusetzen, die dann als Ergebnis ein Summenspektrum liefern, das dem eines DAC mit 18 bit Breite entspricht. Damit können Massenspektren aus Füllmengen der linearen Ionenfalle mit 100 000 Ionen noch intensitätstreu gemessen werden. 14-bit-DACs sind heute für unter 10 US-Dollar zu bekommen; es gibt auch Kombinationen von jeweils acht 14-bit-ADCs in nur einem Baustein (41), wie in schematisch dargestellt. Die gesamte Technik mit 16 Operationsverstärkern, 16 AD-Wandlern, Adressierern und entsprechendem Speicher für die Digitalwerte ist heute leicht auf einer relativ kleinen Platine unterzubringen und preiswert herzustellen.
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Die massenabhängig versetzte Addition kann in einem angeschlossenen PC durchgeführt werden. Bei einem Massenbereich von 3000 u und 16 Werten zu 16 bit Breite pro Masseneinheit braucht ein einzelnes Massenspektrum nur 96 Kilobyte. Es kann aber hier leicht ein Engpass auftreten, wenn aus einem Massenspektrum eine sofortige Rückmeldung zur Steuerung eines nächsten Massenspektrums vorzunehmen ist, beispielsweise zur Messung eines Tochterionenspektrums einer bestimmten Ionensorte. Für diesen Fall kann vorgesehen werden, dass eines der 16 Massenspektren in Echtzeit in den PC übertragen wird, und dieses Spektrum wird zur Rücksteuerung ausgewertet. Dieses Spektrum hat zwar ein schlechteres Verhältnis der Signale zum Rauschen, sonst aber die gleiche Güte wie das Summenspektrum.
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Eine bessere elektronische Variante verwendet ein Rechenwerk (43) für die Summierung der 16 Einzelspektren mit massenproportionalem Versatz. Dieser Baustein (43) kann auf der gleichen Platine untergebracht werden und kann das Summenspektrum fast in Echtzeit (nur mit einer leichten Vorlaufzeit für den Versatz) über einen Bus (44) an den PC weiterleiten. So sind Rück steuerungen möglich, die auf einer Auswertung der Summenspektren beruhen. Als Rechenwerk (43) kann beispielsweise ein FPGA („field programmable gate array”), es kann aber auch ein schneller Signalprozessor (43) zur Addition eingesetzt werden. Um für die versetzte Addition immer die entsprechend versetzten Werte bereitzuhalten, ist es günstig, FIFO-Register (42, „first-in-first-out”) zwischenzuschalten. Die FIFOs werden zu Beginn etwa halb gefüllt, bevor die Addition beginnt, ihr Inhalt beziehungsweise ihr Leerstand kann die für das versetzte Addieren notwendige Pufferung übernehmen. Günstig sind FIFOs, die etwa jeweils 32 Messwerte zwischenspeichern können, es kann dann ein Versatz von 16 Messwerten, also einer vollen Masseneinheit nach oben und unten, aufgefangen werden, also Abweichungen der Präzision in der parallelen Ausrichtung der Polstäbe von plus/minus acht Mikrometern. Die acht Mikrometer Abweichung sollten jedoch vermieden werden, da dadurch restliche Beeinträchtigungen der Massenauflösung entstehen, die nicht ausgeglättet werden können.
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Es ist aber nicht unbedingt notwendig, acht oder 16 Analog-Digital-Wandler einzusetzen. Man kann die einzeln verstärkten Ionenströme auch durch einstellbare, massenproportional verstellbare Verzögerungsglieder so gegeneinander verzögern, dass wiederum ein hohes Auflösungsvermögen entsteht. Die massenproportionalen Verzögerungen werden nur ein einziges Mal (möglichst im Herstellerwerk) relativ zueinander einjustiert. Die justiert verzögerten analogen Ionenströme werden dann analog addiert und dem Analog-Digital-Wandler zugeführt.
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Die einzelnen Elektronenauffänger über der Vielkanalplatte brauchen nicht alle gleich groß zu sein. Es kann eine andere Teilung günstiger sein, beispielsweise, um Störungen an den Enden der Schlitze des Polstabsystems durch schmalere Auffänger feiner ausgleichen zu können.
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Ein hoher Massenbereich mit hoher Massenauflösung ist gerade für Anwendungen in den Biowissenschaften von hohem Wert, da der Trend zu Untersuchungen immer größerer Biomoleküle geht, die dann vielfach erst im Massenspektrometer fragmentiert werden. Moderne Ionenfallen-Massenspektrometer sind ganz überwiegend mit Elektrosprüh-Ionenquellen ausgerüstet, die von größeren Biomolekülen dann vielfach geladene Ionen erzeugen. Schon aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn der Massenanalysator auch die Isotopengruppen nicht nur von zweifach geladenen Ionen, sondern auch von drei- und vierfach geladenen Biomolekülen auflösen kann. Setzt man Deprotonierungsverfahren ein, um die Anzahl z der Ladungen zu vermindern, so ist wiederum ein hoher Massenbereich gefragt, da dann die im Massenspektrometer gemessene ladungsbezogene Masse m/z sehr groß wird.
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Statt der Messeinrichtung einer oder zwei längenübergreifenden Vielkanalplatten mit geteilten Elektronenauffängern können auch eine Vielzahl von andersartigen Messeinrichtungen verwendet werden, beispielsweise Faraday-Auffänger, einzelne Dynoden-Multiplier, einzelne Channeltron-Multiplier, oder auch einzelne Vielkanalplatten-Multiplier.
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Der Fachmann auf diesem Gebiet kann in Kenntnis dieser Erfindung leicht weitere technische Anpassungen einer linearen Ionenfalle an die analytischen Aufgaben vornehmen.
