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Dokumentenidentifikation DE10152821A1 15.05.2003
Titel Massenspektren ohne elektronisches Rauschen
Anmelder Bruker Daltonik GmbH, 28359 Bremen, DE
Erfinder Brekenfeld, Andreas, 28355 Bremen, DE
DE-Anmeldedatum 25.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152821
Offenlegungstag 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse G01N 27/62
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft das Entfernen des elektronischen Rauschens aus solchen Massenspektren, die als Einzelspektren aufgenommen und zu einem Summenspektrum addiert werden.
Die Erfindung besteht darin, die Entfernung des Rauschens in den Einzelspektren und nicht im Summenspektrum vorzunehmen, weil sich nur in den Einzelspektren eine Unterscheidung zwischen Ionensignalen und elektronischem Rauschen vornehmen lässt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft das Entfernen des elektronischen Rauschens aus solchen Massenspektren, die als Einzelspektren aufgenommen und zu einem Summenspektrum addiert werden.

Die Erfindung besteht darin, die Entfernung des Rauschens in den Einzelspektren und nicht im Summenspektrum vorzunehmen, weil sich nur in den Einzelspektren eine Unterscheidung zwischen Ionensignalen und elektronischem Rauschen vornehmen lässt.

Stand der Technik

Viele Arten von Massenspektrometern akquirieren in schneller Folge Einzelspektren, die jeweils nur die Signale einiger weniger Ionen enthalten und so eine schlechte Güte in Bezug auf die Reproduzierbarkeit der Signalintensitäten für die einzelnen Ionenspezies im Massenspektrum aufweisen. Diese Spektren, die teilweise mit einer sehr hohen Frequenz von mehreren Kilohertz aufgenommen werden, werden dann sofort im Rechnersystem des Massenspektrometers zu einem Summenspektrum aufaddiert, um brauchbare Spektren mit weniger schwankenden Signalen für die Ionensorten verschiedener Massen zu erhalten. Die Addition dient auch der Erhöhung der Messdynamik, da sehr schnelle Digitalisierer mit Raten um ein Gigahertz nur Datenbreiten von 8 bit haben.

Es seien hier einige extrem verschiedenartige Beispiele für diese Arten von Massenspektrometern gegeben:

  • - Flugzeitmassenspektrometer mit einer Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI-TOF). Hier werden typischerweise 50 bis 200, in einigen Geräten aber auch einige 1000 Spektren addiert, die mit einer Rate von 10 bis 100 Spektren pro Sekunde und einer Messbreite von bis zu 200 000 Messpunkten pro Spektrum aufgenommen werden. Die Digitalisierungsrate beträgt hier etwa ein bis vier Gigahertz bei einer Wandlungsbreite von 8 bit. Für eine Addition der Spektren stehen je nach Aufnahmerate 5 bis 100 Millisekunden zur Verfügung, das sind 25 bis 500 Nanosekunden pro Messpunkt. Meist werden die Spektren zwischen den Aufnahmen der Einzelspektren in einen Rechner überführt und erst dort weiter verarbeitet.
  • - Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Einschuss der Ionen (OTOF), soweit hier Analog-zu-Digital-Wandler eingesetzt werden. Es werden hier 1 000 bis 5 000 Spektren addiert, die mit einer Rate von 20 000 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden. Jedes Spektrum umfasst etwa 25 000 Messpunkte; die Digitalisierungsrate beträgt etwa 500 Megahertz bei einer Datenbreite von 8 bit. Die Addition findet hier bereits in digitalisierenden Transientenrekordern statt, die auf diese Aufgabe hin besonders entwickelt wurden. Die Spektrenaufnahme findet hier unmittelbar aufeinanderfolgend statt; für die Addition stehen daher nur jeweils zwei Nanosekunden zur Verfügung. Die Transientenrekorder sind besonders auf niedriges Grundrauschen hin gezüchtet, das unterhalb von einem Zähler des digitalisierten Wandlungswertes liegen soll, doch finden sich hier immer wieder Schaltpeaks. Auch wenn diese nur jeweils ein bit betragen und nur gelegentlich auftauchen: wenn sie sich immer wieder an derselben Stelle befinden, so addieren sie sich leicht zu Pseudopeaks, die nichts mit realen Ionenpeaks zu tun haben.
  • - Ionenfallenmassenspektrometer (ITMS) arbeiten gewöhnlich mit einer Addition von nur etwa 5, in Grenzfällen aber bis zu 200 Spektren, abhängig von der Analysenaufgabe. Die Spektren werden mit einer Frequenz von 5 bis 10 Spektren pro Sekunde aufgenommen und umfassen jeweils bis zu 50 000 Messpunkte. Die Digitalisierungsrate liegt bei 300 Kilohertz und hat eine Breite von 12 bis 16 bit; das elektronische Rauschen beträgt hier einige Zähler des digitalisierten Messwertes. Große Anzahlen von Spektren werden besonders für die Analyse großer Biomoleküle mit Ionisierung durch statisches Nanospray benötigt, da sich hier jeweils nur wenige Ionen im auswertbaren Teil des Massenbereichs befinden. Durch die gewöhnlich angewandte Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) verteilen sich die Ionen auf viele Ladungszustände; es gibt somit sehr große Anzahlen von Jonenspezies mit Massensignalen verschiedener Massen-zu-Ladungsverhältnisse, wobei in aufeinanderfolgenden Spektrennahmen nur gelegentlich ein Ion auf eine solches Massensignal fällt.

Alle einzeln aufgenommenen Massenspektren enthalten jeweils außer den Ionensignalen auch elektronisches Rauschen. Das elektronische Rauschen beträgt bei hoher Wandlungsbreite von 12 bis 16 bit meistens einige Zähler des digitalen Wandlers. Bei niedrigerer Wandlungsbreite von 8 bit ist das Rauschen auch geringer, aber hier sind die Wandlungsraten und die Anzahlen der zu addierenden Einzelspektren auch jeweils sehr groß.

Die Ionen können wiederum reguläre Ionen sein, die sich im Summenspektrum zu einem Massensignal (oder auch Massenpeak genannt) aufaddieren, oder auch Streuionen, die unter Umgehung der sauberen. massenspektrometrischen Trennung der Ionen zu irgendeinem Zeitpunkt auf den Detektor fallen und dort ein Ionensignal erzeugen. Die Streuionen liefern bei der Addition der Spektren keine Massenpeaks, die das Vorhandensein von Ionensorten bestimmter Massen-zu-Ladungsverhältnisse anzeigen, sondern addieren sich zu einem breiten Streuuntergrund, der von dem addierten elektronischen Rauschen nicht mehr zu trennen ist.

In allen oben angeführten Massenspektrometern werden Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) für die Messung der Ionenströme eingesetzt. Diese lassen sich grundsätzlich so einstellen, dass ein einzelnes Ion ein Signal ergibt, das sich aus dem elektronischen Rauschen signifikant heraushebt. Werden diese Spektren aufaddiert, so addieren sich die Ionensignale, aber es addiert sich auch das elektronische Rauschen. Der Nullpunkt des Verstärkers wird dabei meist so eingestellt, dass die Mittellinie des Rauschsignals etwas über der Nullinie liegt, so dass man am Spektrum prüfen kann, dass kein Nutzsignal abgeschnitten wird. Entsprechend steigt bei der Addition die Mittellinie des Rauschens und auch das Rauschen selbst an: die Mittellinie steigt dabei linear mit der Anzahl der Spektren, das Rauschen mit der Wurzel aus der Anzahl der Spektren an.

Ein gelegentlich benutztes Hilfsmittel für die Unterdrücken des elektronischen Rauschens besteht darin, die Mittellinie des Rauschens durch eine leichte negative Vorspannung des Vorverstärkers (des Verstärkers vor der Wandlung in einen Digitalwert) unter die Nullinie des Analog-zu-Digital-Wandlers (ADW oder ADC = analog to digital converter) zu drücken. Es wird dabei das elektronische Rauschen jedes Einzelspektrums abgeschnitten, in gleicher Weise aber auch das Nutzsignal. Da sich aber die Mittellinie des Rauschens über das Einzelspektrum über den Massenbereich hinweg ins Positive oder Negative verschieben kann, ist dieses Hilfsmittel nicht immer anwendbar, ohne größere Teile des Nutzsignals abzuschneiden. Außerdem wird dadurch dem Verfahren jede Kontrolle über Driften der Nullinie entzogen; so können beispielsweise Driften der Mittellinie durch Temperatureffekte nicht mehr wahrgenommen und korrigiert werden.

Es ist hergebrachte Technik, eine Glättung des Untergrundrauschens und einen Untergrundabzug nur am Summenspektrum vorzunehmen. Dabei gehen Massenpeaks, die nur aus sehr wenigen Ionen bestehen, regelmäßig verloren, da sie sich nicht mehr aus dem Rauschen herausheben. Die Technik stammt aus einer Zeit, in der die Rechner aus Gründen ihrer Langsamkeit noch nicht fähig waren, Einzelspektren in irgendeiner Weise vor dem Addieren zu bearbeiten.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, das elektronische Rauschen so weit wie möglich zu unterdrücken, dabei aber alle Signale, die von Ionen (auch von Streuionen) stammen, zu behalten.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Es ist die Grundidee der Erfindung, das elektronische Rauschen durch sehr schnelle Rechenmethoden und sehr schnelle Rechner aus den Einzelspektren (und nicht mehr aus dem Summenspektrum) zu eliminieren, da sich bei den Einzelspektren noch zwischen elektronischem Rauschen und Ionensignalen - auch den Signalen einzeln auftretender Ionen - unterscheiden lässt. Da das Aufaddieren der Einzelspektren zu den Summenspektren regelmäßig in Echtzeit erfolgt (schon weil sonst riesige Mengen an Speicherplatz erforderlich wären), steht dazu nur sehr wenig Zeit zur Verfügung; die heutigen sehr schnellen Signalprozessoren können aber, bei geschickter Programmierung, diese Aufgabe auch für sehr hohe Spektrenaufnahmefrequenzen leisten.

Steht mäßig viel Rechenzeit zur Verfügung, so wird dazu ein Rauschband um die Mittellinie des Rauschens definiert, und alle Signalwerte, die das Rauschband nicht übersteigen, werden nicht zum Summenspektrum addiert, während von allen Signalwerten, die das Rauschband übersteigen, der Wert der Mittellinie abgezogen wird, bevor sie zum Summenspektrum addiert werden. Das Rauschband wird dabei in seiner Breite kleiner gewählt als die Signalhöhe eines einzelnen Ions. Die Mittellinie des Rauschens wird dabei zweckmäßigerweise als gleitender Mittelwert über eine vorgebbare Anzahl von Messungen berechnet.

In einer einfacheren und schnelleren Ausführungsform der Erfindung werden bei der Addition der Einzelspektren nur diejenigen Messwerte addiert, die einen Schwellenwert überschreiten. Für Spektren, bei denen es auf die genaue quantitative Auswertung nicht ankommt, braucht dabei der Mittelwert des Rauschens nicht abgezogen zu werden. Aber selbst ohne Abzug des Rauschmittelwertes ist eine quantitative Auswertung möglich, wenn eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die aber mehr Rechenzeit erfordert, kann das Rauschband in seiner Breite und Lage dynamisch angepasst werden. Die Lage des Rauschbandes kann durch die Lage des gleitenden Mittelwertes mitgeführt werden. Befinden sich im Intervall für den gleitenden Mittelwert weniger als beispielsweise (einstellbar) 30% der Messwerte, so kann automatisch die Breite des Rauschbandes um eine einstellbare Breitenstufe erhöht werden. Es ist eine Erfahrung aus einigen Arten der Massenspektrometrie, dass sich das elektronische Rauschen im Spektrum von kleinen nach höheren Massen hin erhöht; in anderen Arten der Massenspektrometrie sind Bereiche von Spektren mit erhöhtem Rauschanteil zu beobachten. Für ein neues Einzelspektrum wird das Rauschband dann wieder auf den Anfangswert zurückgesetzt.

Es kann das Rauschband aber auch unsymmetrisch verbreitert werden, je nachdem, wieviel Signalwerte das Rauschband nach unten oder nach oben überschreiten.

Das Rücksetzen auf den Anfangswert kann auch dynamisch gesteuert werden, beispielsweise, indem als Anfangsmittelwert das Ergebnis der gleitenden Mittelwertsberechnung am Anfang des letztaufgenommenen Spektrums, und für die Festlegung der Rauschbandbreite die Anfangsstandardabweichung des letzten Spektrums verwendet wird.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der gleitende Mittelwert auch dazu benutzt, die Nullinieneinstellung durch Einstellung der Vorspannung des Vorverstärkers auf vorgegebene Werte hin zu regeln.

Das Ergebnis dieser an sich einfach klingenden, aber technisch nicht so einfachen Maßnahme ist verblüffend: es werden Spektren einer bisher nicht gekannten Güte und Rauschfreiheit erhalten. Es zeigt sich, dass für gut konstruierte Massenspektrometer, bei denen durch konstruktive Maßnahmen der Anteil an vagabundierenden Streuionen klein gehalten wurde, Spektren nicht nur ohne elektrisches Rauschen, sondern auch praktisch ohne Rauschuntergrund durch Streuionen erhalten werden. Solche Ionen, die bisher in den Einzelspektren als Streuionen angesehen wurden, addieren sich bei großen Anzahlen von Einzelspektren zu vernünftigen Massensignalen.

Letztendlich macht es diese Maßnahme überhaupt erst möglich, zwischen vagabundierenden Streuionen und solchen Ionen, die sich zu Massenpeaks addieren, unterscheiden zu können. Durch die Erfindung kann also eine Verbesserung der Massenspektrometer in Bezug auf eine Unterdrückung der vagabundierenden Streuionen vorgenommen werden.

Die Maßnahme der Eliminierung des elektronischen Rauschens führt in Ionenfallen insbesondere auch zu einer wesentlich verbesserten Steuerung der optimalen Ionenanzahl. Es kann damit bei Füllung der Ionenfallen mit Substanzen sehr niedriger Konzentration, die nur sehr schwache Ionenströme liefern, näher an die Übersteuerungsgrenze herangegangen werden, was eine deutlich verbesserte Nachweisempfindlichkeit für diese Substanzen zur Folge hat.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Abb. 1 zeigt unten einen Ausschnitt aus einem nach bisheriger Technik aufgenommenen Summenspektrum, das aus 100 Einzelspektren mit jeweils sehr niedrigem Ionenstrom besteht. Das Spektrum zeigt übliches Rauschen, bei dem nicht entschieden werden kann, ob es sich um elektronisches Rauschen oder um ein Rauschen durch Streuionen handelt.

Abb. 1 oben hingegen zeigt ein Summenspektrum, das auf dem identischen Datensatz beruht, aber behandelt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es wurden hier im Gegensatz zum üblichen Verfahren sofortiger Addition die Einzelspektren abgespeichert, um den Vergleich des herkömmlichen und des erfindungsgemäßen Verfahrens am gleichen Datensatz zu ermöglichen. Es ist deutlich zu sehen, dass im oberen Spektrum in den meisten Bereichen Ionensignale nur bei ganzzahligen Werten von Masse zu Ladung auftreten; hier sind also keine Streuionen, sondern nur elektronisches Rauschen vorhanden. Nur in einigen wenigen Breichen, beispielsweise um m/z = 130 atomare Masseneinheit pro Elementarladung herum, treten Streuionen unbekannter Herkunft auf. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist dramatisch verbessert; es lässt sich in weiten Bereichen überhaupt nicht mehr berechnen, da der Untergrund rauschfrei ist.

Das erfindungsgemäß aufgenommene obere Spektrum zeigt eine Reihe von Ionensignalen, die im Rauschen des standardmäßig aufgenommenen unteren Spektrum überhaupt nicht erkennbar sind, da die Ionensignale nicht mehr aus dem Rauschen herausragen. Das ist auf den ersten Blick sehr verwunderlich. Erst bei genauerer Analyse der statistischen Verteilungen findet man, dass diese Ionensignale, die überhaupt nur aus wenigen Ionen bestehen, sehr wohl komplett im elektronischen Rauschen und seinen Zufälligkeiten versteckt sein können.

Das im unteren Spektrum sichtbare Rauschband ist übrigens nicht mit dem Rauschband der Einzelspektren identisch, da es sich ja additiv aus den Rauschbändern der Einzelspektren zusammensetzt. Es ist jedoch interessant zu sehen, dass aus diesem Rauschband nicht wenige einzelne Ausreissersignale nach unten herausschauen. Diese Ausreissersignale können nur statistisch erklärt werden. Es muss nun die etwa gleiche Anzahl von Ausreissersignalen auch nach oben aus dem Rauschband herausschauen; diese Betrachtung zeigt, dass den nach oben herausschauenden Signalen nicht die Bedeutung als Ionensignal zugesprochen werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen

Im Folgenden wird das Verfahren zunächst für Ionenfallenmassenspektrometer geschildert. Normalerweise werden in einem solchen Massenspektrometer nur etwa 3 bis 6 Spektren addiert. In diesen Fällen ergibt die klassische Methode des Untergrundabzugs am Summenspektrum nach der Addition der Einzelspektren keine wesentliche Verschlechterung der Spektren gegenüber dem Verfahren nach dieser Erfindung. Es gibt jedoch spezielle Analysenaufgaben, bei denen eine sehr große Anzahl von Spektren zu addieren ist; hier ergibt das Verfahren nach dieser Erfindung, das hier leichter durchzuführen ist als in den anderen Arten der oben geschilderten Massenspektrometer, bereits eine signifikante Verbesserung.

Es soll hier als Beispiel eine Analyse eines STR (Short Tandem Repeat) betrachtet werden. STRs bestehen aus einem Strang DNA (Desoxiribo-Nucleic Acid), worin sich eine kurze Sequenz von 2, 3, 4 oder 5 Basen mehrfach (etwa 5- bis 20-fach) wiederholen. Die Anzahl der Wiederholungen ist individuell verschieden, man ererbt je eine Wiederholungszahl vom Vater und von der Mutter. STRs haben mit den beiderseitig notwendigen Kontrollabschnitten Längen von 60 bis 150 Basen, entsprechend Molekülgewichten von etwa 15 000 bis 50 000 atomaren Masseneinheiten. Dabei kommen in einer Analyse die beiden Allele von Vater und Mutter und die beiden Signale von Strang und Gegenstrang vor, dazu noch Artefaktlinien, so dass im Allgemeinen 6 bis 8 Moleküle, deren Molekülgewichte relativ eng beieinanderliegen, zu messen sind.

Diese DNA-Segmente werden durch statisches Nanoelektrospray von einer Probe ionisiert, die sich gelöst in einer Kapillarnadel befindet. Dabei entstehen Ionen, die vielfach geladen sind und eine breite Verteilung der Ladungen haben. Es kommen für Moleküle der Größe von etwa 30 000 atomaren Masseneinheiten durchaus alle Ladungszustände von 1-fach bis 50-fach geladen vor, ein breites Maximum liegt etwa zwischen 15- bis 30-facher Ladung.

Ein Massenspektrometer kann grundsätzlich immer nur Ionen mit verschiedenem Masse-zu- Ladungs-Verhältnis m/z unterscheiden. (m = Masse in atomaren Masseneinheiten, z = Anzahl der Elementarladungen). Gute Ionenfallenmassenspektrometer haben einen Messbereich, der maximal bis zu m/z = 3000 atomaren Masseneinheiten pro Elementarladung reicht. Wird eine solche Obergrenze des Massenbereichs eingestellt, so ist damit eine untere Einspeichergrenze von etwa 300 Massen pro Ladung verbunden. Damit werden in der Ionenfalle alle Ionen des DNA-Segments von 1-fach bis 50-facher Ladung eingespeichert, es können aber nur die Ionen mit 10- bis 50-facher Ladung gemessen werden, da die Ionen mit 1- bis 9-facher Ladung oberhalb des für das Massenspektrum erfassbaren Massen-zu-Ladungs-Bereichs liegen. Immerhin wird damit das Maximum der Verteilung gut überstrichen. (In besonders eingerichteten Ionenfallenmassenspektrometern werden die Ionen, die über m/z = 3000 atomaren Masseneinheiten pro Elementarladung liegen, nicht in die Ionenfalle eingelassen; das ändert aber nicht die hier angestellte grundsätzliche Überlegung).

Da in diesem Fall die Isotopenhinien nicht aufgelöst werden können, entstehen aus jedem Molekül im aufgenommenen Spektrum 40 Massenpeaks. Werden 6 verschiedene Moleküle überlagert, so ergeben sich 240 Massenpeaks: ein außerordentlich kompliziertes Spektrum, das überhaupt nur durch eine so genannte Dekonvolutierung auseinandergerechnet werden kann. Auf die Beschreibung von Einzelheiten werde hier verzichtet.

In einer Ionenfalle können aber nur mäßig viele Ionenenladungen eingespeichert werden, wenn das Spektrum ungestört aufgenommen werden soll. Die Anzahl ist relativ klein: oberhalb von etwa 1000 Ionenladungen machen sich Raumladungseffekte negativ bemerkbar. Bei einer durchschnittlichen Anzahl von 25 Elementarladungen pro Ion sind das nur 40 Ionen, also in unserem Beispiel nur etwa 1/6 Ion pro Massensignal. Für ein gutes Spektrum, in dem auch die etwas kleineren Massensignale noch erkannt werden sollen, müssen also durchaus etwa 100 bis 200 Spektren aufgenommen werden, um wenigstens etwa 15 bis 30 Ionen im Mittel in einem Massenpeak zu finden. Hat ein einzelnes Ion im Einzelspektrum eine mittlere Maximalhöhe von etwa 10 Zählern über dem mittleren Rauschen, das Rauschen einen Mittelwert von etwa drei Zählern und eine Standardabweichung von etwa zwei Zählern, so ist das Ionensignal im Einzelspektrum signifikant vom Rauschen zu unterscheiden. Bei der Addition der 200 Einzelspektren ohne Eliminierung des Rauschens wächst die Standardabweichung des Untergrundrauschens auf etwa 30 Zähler. Die Signale der einzelnen Ionen addieren sich aber nicht in ihrer Höhe, da sie - schon wegen der Zugehörigkeit zu verschiedenen Isotopenzusammensetzungen - nicht präzise im Spektrum aufeinanderfallen. Die Höhe des Peaks von 30 Ionen addiert sich nur auf etwa 50 bis 100 Zähler und ist damit mit dem 2- bis 3-fachen der Standardabweichung kaum signifikant aus dem Rauschen herauszulesen.

Wendet man dagegen das Verfahren nach dieser Erfindung an, so erhält man ein hervorragend auswertbares Spektrum, wie es die Abb. 1 oben zeigt.

Besonders schwierig ist die Implementation der Erfindung bei Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss und einer Spektrenaufnahme mit Analog-zu-Digital-Wandlern. Bisher wurden für Flugzeitmassenspektrometer mit Orthogonaleinschuss nur Ereigniszähler eingesetzt, bei denen die zeitlich registrierten Ereignisse (jeweils ein auftreffendes Ion) im Nachhinein zu Spektren zusammengesetzt wurden. Diese Art des Nachweises eliminiert ebenfalls das elektronische Rauschen, ergibt aber auch nur Spektren mit sehr eingeschränkten dynamischen Bereich, da der primäre Ionenstrom so klein gehalten werden muss, dass keine Doppel- oder Vielfachionen in einem Ereignis auftreten.

Die Beschränkung des dynamischen Bereichs kann nur durch die Verwendung von Analog-zu- Digital-Wandlern (ADCs) aufgehoben werden. Die Anwendung von ADCs ist aber kritisch, wenn es nicht gelingt, ADCs vollständig ohne Grundrauschen zu bauen, da hier extrem hohe Anzahlen von Einzelspektren addiert werden müssen. Die Anwendung von preiswerten Analog-zu-Digitalwandlern mit leichtem Grundrauschen wird durch diese Erfindung überhaupt erst möglich, da nur durch diese Erfindung gute Spektren erzeugt werden können.

Diese Spektrometer haben Spektrenaufnahmeraten von 20 000 Spektren pro Sekunde mit jeweils etwa 25 000 Messpunkten pro Spektrum. Die Spektren werden in einem schnellen Transientenrekorder mit etwa 500 Megahertz Wandlungsrate addiert, es stehen also pro Messwert nur zwei Nanosekunden für Rauscheliminierung und Addition zur Verfügung. Hier kann die Elimierung des elektronischen Rauschens nur im Transientenrekorder selbst erfolgen, was aber mit superschnellen Signalprozessoren möglich wird. Es bietet sich hier an, die . digitalisierten Ionenstromwerte nur dann zum Summenspektrum zu addieren, wenn die Werte jeweils eine Schwelle überschreiten. Das kann unter extremer Zeitnot beipielsweise durch die Prüfung geschehen, ob im Messwert ein bit oberhalb des ersten bits (oder oberhalb des zweiten bits) gesetzt ist. Da dann nicht nur das erste bit gesetzt ist (oder nicht nur die ersten zwei bits), beträgt hier die Schwelle genau ein bit (oder zwei bit): es werden nur Werte addiert, die mindestens den Wert 2 (oder 4) haben. Solche Prüfungen können in Signalprozessoren in einem einzigen Prozessoerzyklus erfolgen. Der Sekundärelektronenvervielfacher wird dabei so eingestellt, dass ein Ion ein Signal einer mittleren Höhe mindestens vom Wert 8 erzeugt.

Im dritten Beispiel sei die Flugzeitmassenspektrometrie mit Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption betrachtet. Hier werden regelmäßig etwa 50 bis 200, in einigen Fällen auch einige Tausend Spektren addiert. Es werden auch hier Sekundärelektronenverviefacher eingesetzt, allerdings in der Ausführungsform einer Vielkanalplatte. Daher gilt hier prinzipiell in Bezug auf das Untergrundrauschen etwa das gleiche, wie es oben für den Fall der Ionefallenmassenspektrometer geschildert wurde.

Als Analog-zu-Digital-Wandler werden hier aber Transientenrekorder eingesetzt, die eine Wandlungsrate von 1 bis 4 Gigahertz haben und eine Korrektur des Rauschens in Echtzeit nicht erlauben. Da jedoch die Aufnahmerate nur etwa 10 bis 100 Einzelspektren pro Sekunde beträgt, und in modernen Transientenrekordern jüngster Generation die Einzelspektren zwischen den Spektrenaufnahmen durch superschnelle Übertragungsbusse in den Computer überführt und dort weiterverarbeitet werden können, kann hier die erfindungsgemäße Rauschbeseitigung vor der Addition zum Summenspektrum im Rechner erfolgen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren für die Akquisition von Massenspektren verbesserter Güte in solchen Massenspektrometern, in denen viele Einzelspektren digitalisiert aufgenommen und zu Summenspektren addiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Addition zu Summenspektren durch eine Rechenroutine das elektronische Rauschen aus den Einzelspektren entfernt wird, die Signale der Ionen aber belassen werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rechenroutine alle Werte des Einzelspektrums, die in einem vorgegebenen Rauschband um den Mittelwert des Rauschens herum liegen, nicht zum Summenspektrum addiert werden, und dass von allen Werten, die das Rauschband übersteigen, der Mittelwert des Rauschens abgezogen wird, bevor sie zum Summenspektrum addiert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rechenroutine der Mittelwert des elektronischen Rauschens als gleitender Mittelwert über eine vorher festgelegte Anzahl von Messpunkten berechnet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Rauschbandes durch die Berechnung des laufenden Mittelwertes mitgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rechenroutine die Breite des Rauschbandes jeweils um einen vorgegebenen Wert erhöht wird, wenn weniger als eine vorgebene Anzahl von Messpunkten der gleitenden Mittelwertbildung im Rauschband liegen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rechenroutine Lage und Breite des Rauschbandes wieder auf einen Anfangswert zurückgesetzt werden, wenn die Bearbeitung eines neuen Einzelspektrums beginnt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rechenroutine nur die Werte des Einzelspektrums, die einen Schwellenwert überschreiten, zum Summenspektrum hinzuaddiert werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer quantitativen Auswertung des Summenspektrums eine Kalibrierung von Höhen oder Flächen der Massenpeaks stattfindet.
  9. 9. Transientenrekorder für die Aufnahme und Addition von Massenspektren, dadurch gekennzeichnet, dass zum Summenspektrum nur diejenigen Werte der Einzelspektren addiert werden, die eine Schwelle überschreiten.






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