Brevet FR2691835A1 — publié le 19931203

i La présente invention concerne un procédé de détection des ions dans un spectromètre de masse à piège à ions, et elle concerne plus particulièrement un procédé de détection d'ions éjectés de façon résonnante dans un spectromètre de masse à piège à ions. Les spectromètres de masse à piège à ions, ou dispositifs de stockage d'ions quadrupôles, sont connus depuis de nombreuses années et ont été décrits par plusieurs auteurs Ce sont des dispositifs dans lesquels des ions sont formés et confinés à l'intérieur d'une structure physique au moyen de champs électrostatiques, par exemple des champs RF, des champs continus et une combinaison de ceux-ci De façon générale, un champ élec- trique quadrupôle produit une région de stockage d'ions par l'utilisation d'une structure d'électrodes hyperbo- lique ou d'une structure d'électrodes sphérique qui produit un champ de piégeage quadrupôle équivalent. Le stockage d'ions dans un piège à ions est obtenu en faisant fonctionner des électrodes de piège avec des valeurs de tension RF V et de fréquence associée f, de tension continue U, et de taille de dispositif r O et z 0, telles que des ions ayant des rapports masse/charge compris dans une plage finie soient piégés de manière stable à l'intérieur du dispositif Les paramètres préci- tés sont quelquefois appelés paramètres de piégeage, et on peut déterminer à partir de ces derniers la plage de rapports masse/charge qui permettront des trajectoires stables et le piégeage d'ions Pour des ions piégés de façon stable, la composante du mouvement des ions dans la direction de l'axe du piège peut être décrite comme étant une oscillation contenant d'innombrables composantes de fréquence, la première composante (ou fréquence séculaire) étant la plus importante et ayant la fréquence la plus basse, et chaque composante de fréquence supérieure appor- tant une contribution moindre que celle de la composante qui la précède Pour un ensemble donné de paramètres de piégeage, des ions piégés ayant un rapport masse/charge particulier oscilleront avec une fréquence séculaire distincte que l'on peut déterminer par le calcul à partir des paramètres de piégeage Dans un procédé ancien pour la détection d'ions piégés, on déterminait ces fréquences séculaires au moyen d'un circuit accordé en fréquence qui était couplé au mouvement d'oscillation des ions à l'inté- rieur du piège, et qui permettait la détermination du rapport masse/charge des ions piégés (sur la base de la relation connue entre les paramètres de piégeage, la fréquence et le rapport m/z), ainsi que des abondances relatives des ions (sur la base de l'intensité du signal). Bien que des pièges à ions quadrupôles aient été utilisés pour la première fois à titre de spectromètres de masse il y a plus de trente ans, ces dispositifs n'ont pas été largement utilisés jusqu'à une période récente, du fait que les anciens procédés d'analyse de masse étaient insuffisants, difficiles à mettre en oeuvre, et donnaient une mauvaise résolution de masse et une plage de masse limitée Un nouveau procédé d'utilisation d'un piège à ions, appelé "mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse" (qui est décrit dans le brevet des E U A. n O 4 540 884), a procuré le premier procédé pratique d'analyse de masse avec un piège à ions, et a conduit à une large acceptation et à l'utilisation générale de spectromètres de masse à piège à ions pour l'analyse chimique de routine Dans ce procédé de fonctionnement, qui a été utilisé dans les premiers spectromètres de masse à piège à ions qui ont été commercialisés, on enregistre un spectre de masse en faisant varier dans un mode de balayage la tension RF qui est appliquée à l'électrode annulaire, grâce à quoi des ions ayant des rapports m/z successivement croissants adoptent des trajectoires insta- bles et ils sortent du piège à ions pour être détectés par un détecteur monté extérieurement On a également montré que la présence d'un gaz tampon léger, tel que de l'hélium à une pression d'environ 1,3 x 10-1 Pa, améliorait la sensibilité et la résolution dans ce mode de fonctionne- ment. Les possibilités des pièges à ions quadrupôles ont continué à se développer depuis l'introduction des modes de fonctionnement à instabilité sélective vis-à-vis de la masse, décrits ci-dessus La souplesse de ces spectromètres de masse relativement simples a été mise en évidence par leur sensibilité élevée à la fois dans le cas de l'ionisation électronique et dans le cas de l'ionisa- tion chimique, et par leur aptitude à remplir la fonction de réacteurs pour des ions/molécules en phase gazeuse Le fait d'avoir pu introduire avec succès dans ces disposi- tifs des ions produits de façon externe, a même permis l'étude de biomolécules en utilisant des techniques telles que la désorption par laser, la désorption par ions césium et l'ionisation par électropulvérisation L'aptitude au stockage d'ions du piège à ions quadrupôle rend possible la spectrométrie de masse de type tandem (MS/MS) (brevet des E U A N O 4 736 101), faisant intervenir de nombreux étages d'analyse de masse avec dissociation efficace d'ions Des balayages MS/MS du type "parent" ont même été signalés La plage de masse utilisable pour ces spectro- mètres de masse a été étendue jusqu'à 45 000 u m a (pour des ions portant une seule charge) et au-delà. Bien que le mode de fonctionnement à instabilité sélective vis-à-vis de la masse ait rencontré un grand succès, un nouveau procédé de fonctionnement, appelé "mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjec- tion résonnante" (décrit dans le brevet des E U A. n' 4 736 101) a fait apparaître certains avantages tels que l'aptitude à enregistrer des spectres de masse conte- nant une plus grande plage d'abondances des ions piégés. Dans ce procédé de fonctionnement, un champ supplémentaire est appliqué entre les électrodes de chapeaux d'extrémi- tés, et l'intensité du champ RF est soumise à un balayage pour amener des ions de rapportsm/z successivement crois- sants en résonance avec le champ supplémentaire, grâce à quoi ces ions sont éjectés et détectés, pour donner un spectre de masse Des spectromètres de masse à piège à ions fabriqués commercialement et basés sur ce mode de fonctionnement ont été proposés récemment, et ces instru- ments ont été appliqués avec succès à une encore plus grande variété de problèmes d'analyse chimique que leurs prédécesseurs. Plus récemment, on a augmenté la résolution de masse du spectromètre de masse à piège à ions par un perfectionnement du mode d'instabilité sélective vis-à- vis de la masse utilisant l'éjection résonnante Dans le mode perfectionné, le balayage du champ électrique est effectué d'une manière telle que des ions soient amenés en réso- nance, éjectés et détectés à une cadence telle que l'intervalle de temps entre l'éjection d'ions de valeurs m/z successives soit au moins égal à 200 fois la période qui correspond à la fréquence de résonance Cette techni- que a permis d'utiliser le piège à ions pour faire la distinction entre des ions de même masse, et de résoudre ou de résoudre partiellement des pics dûs à des ions de masses successives, chargés de façon multiple Bien que l'amélioration du balayage avec instabilité sélective vis- à-vis de la masse, par l'utilisation de l'éjection réson- nante, permette d'obtenir une plage de masse et une résolution de masse accrues, des pics parasites sont souvent présents dans de tels spectres, à cause de l'éjec- tion à partir de sources autres que celles donnant lieu à une éjection résonante à la fréquence appliquée. Dans le balayage avec instabilité sélective vis- à-vis de la masse (sans éjection résonnante), le champ à l'intérieur du piège est soumis à un balayage d'une manière telle que les ions qui sont piégés rencontrent une région d'instabilité de façon à être éjectés séquentiel- lement Dans les premiers instruments qui ont été commer- cialisés, le champ RF était soumis à un balayage linéaire en'fonction du temps (aucun champ continu n'était uti- lisé), et les ions étaient éjectés au moment o ils fran- chissaient la limite du diagramme de stabilité de Mathieu, figure 2, à az = O et qz = 0,908 Dans ces conditions, les ions deviennent instables à la limite et ils oscillent à une fréquence égale à la moitié de la fréquence RF ( Pz 1) Lorsque l'éjection résonnante a été introduite dans des instruments du commerce, le champ RF a été soumis à un balayage d'une manière similaire, mais un champ alternatif supplémentaire, avec une fréquence qui était seulement légèrement inférieure à la moitié de la fréquence RF, était appliqué entre les électrodes de chapeaux d'extré- mités du piège Des ions étaient éjectés au moment o ils franchissaient la ligne d'état associée à la fréquence de résonance, soit une valeur bêta seulement légèrement infé- rieure à 1 Du fait que cette valeur bêta était aussi proche de la fréquence associée au bord du diagramme de stabilité, il y avait guère de possibilité que des ions puissent exister à des valeurs bêta comprises entre la valeur associée à la fréquence de résonance et le bord du diagramme de stabilité. Cependant, chaque fois qu'on utilise une fréquence de résonance qui est notablement inférieure à la moitié de la fréquence RF, il existe une possibilité que des ions soient éjectés au point de résonance ou au bord du diagramme de stabilité, pendant le balayage du champ RF Plus précisément, dans le fonctionnement du piège dans le mode de "plage de masse étendue", la fréquence de résonance peut être inférieure à dix pour cent de la valeur associée avec un bêta de 1, et il existe une grande plage de valeurs de q entre la valeur de q qui est asso- ciée au point de résonance et la valeur de q au bord du diagramme de stabilité Ceci conduit à l'apparition occa- sionnelle d'un pic à un emplacement dans le spectre qui n'est pas prévu d'après l'étalonnage de l'échelle m/z -(préparée à partir d'ions qui sont tous éjectés par éjec- tion résonnante) La valeur m/z d'un tel pic anormal sera donc attribuée de façon incorrecte. En pratique, ces pics anormaux apparaissent avec une fréquence suffisante pour conduire à une confusion considérable dans la fixation de l'échelle de masse On a identifié et rencontré de nombreuses sources de pics anormaux La cause la plus simple de ces pics anormaux réside dans l'application de la tension d'éjection réson- nante à un instant auquel des ions sont présents avec un qz compris entre le bord du diagramme de stabilité et le qz qui est associé à la fréquence d'éjection résonnante. De plus, occasionnellement, une partie seulement de la population d'ions est éjectée pendant le balayage passant par la fréquence de la tension d'éjection résonnante La résolution la plus élevée pour m/z est obtenue avec une tension d'éjection inférieure, mais une tension inférieure conduit également à un rendement d'éjection réduit Des ions quelconques qui ne sont pas éjectés restent dans le piège jusqu'à ce que la tension RF soit augmentée jusqu'au point auquel les ions rencontrent le bord du diagramme de stabilité L'éjection au bord du diagramme de stabilité s'effectue avec un excellent rendement, et le spectre de masse présentera donc deux pics différents qui résultent d'ions ayant la même valeur m/z Dans un tel cas, on dit que le second pic (qui apparaît au bord du diagramme de stabilité) est un "pic fantôme" Lorsqu'on utilise un piège ayant une configuration géométrique suffisamment distordue (c'est-à-dire avec un champ électrique suffisam- ment différent d'un champ de quadrupôle pur), une éjection peut se produire dans la région de stabilité à des raies de "résonance non linéaire" bien définies, par exemple à P 2 = 2/3 ou d + gr = 1 (en fonction des détails de la distorsion géométrique) Avec un tel piège, un pic fantôme pourrait résulter d'ions qui survivent à l'éjection résonnante, mais qui sont éjectés au moment o ils franchissent la région de résonance non linéaire, o l'éjection peut avoir lieu sans l'application d'une tension de résonance. Des pics anormaux sont fréquemment occasionnés par des ions qui sont créés pendant le processus d'éjec- tion résonnante Le balayage d'éjection résonnante est très similaire au procédé utilisé pour fragmenter des ions dans le piège pour obtenir un spectre MS/MS Ainsi, des ions fragmentés sont quelquefois créés au moment o les ions qui sont éjectés entrent en collision avec le gaz tampon Ces ions enfants ont habituellement des valeurs m/z inférieures à celles de l'ion parent, ce qui fait qu'ils sont créés avec des valeurs qz comprises entre la valeur associée à la tension d'éjection résonnante et la valeur qz du bord du diagramme de stabilité (Des ions enfants d'ions parents chargés de façon multiple ont même été observés avec une valeur m/z supérieure à la valeur m/z de leurs parents, à cause d'une perte de charge pen- dant la fragmentation De tels ions ne provoquent pas nécessairement des pics anormaux, du fait qu'ils sont créés avec un qz inférieur à la valeur qui est associée à la tension d'éjection résonnante) Des pics anormaux sont également occasionnés par des ions qui sont créés pendant le balayage par des processus autres que la dissociation pendant l'éjection résonnante Certains ions, en particulier des ions chargés de façon multiple, se dissocient spontanément pour produire des ions ayant une plus faible valeur m/z Des processus chimiques tels que l'ionisation par échange de charge peuvent produire des ions ayant une valeur m/z inférieure On rencontre également fréquemment d'autres types de réactions d'ions/molécules dans lesquels il y a création d'ions qui seront éjectés au bord du diagramme de stabilité, au lieu d'être éjectés à la valeur qz qui est associée à la tension d'éjection résonnante. Dans un spectromètre de masse qui utilise le mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjection résonnante, les pics qui résultent de l'éjection résonnante doivent être distingués de ceux qui résultent de l'éjection au bord du diagramme de stabilité, ou à des raies de résonance non linéaire, avant de pouvoir déter- miner la valeur m/z avec une confiance complète On a découvert qu'il était possible de distinguer mutuellement la structure fine de deux types de pics différents. Un but de l'invention est de procurer un procédé pour faire fonctionner un spectromètre de masse à piège à ions d'une manière telle que des pics de spectre de masse qui résultent de l'éjection résonnante puissent être distingués de pics qui résultent de l'éjection au bord du diagramme de stabilité ou à une raie de résonance non linéaire. Un but supplémentaire de l'invention est de procurer un procédé pour faire fonctionner un piège à ions dans lequel des pics qui résultent de l'éjection à une fréquence de résonance particulière peuvent être distin- gués de ceux qui résultent de l'éjection à une fréquence de résonance différente, pendant des expériences dans lesquelles on applique plus d'une fréquence d'éjection résonnante. Un but supplémentaire de l'invention est d'utiliser la structure fine des pics du spectre de masse pour renforcer le rapport signal à bruit des pics du spectre de masse. On pourra comprendre clairement le fonctionne- ment d'un piège à ions permettant d'atteindre les buts de l'invention précités, ainsi que d'autres, en se référant à la description qui suit ainsi qu'aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma simplifié d'un spectromètre de masse à piège à ions quadrupôle, accom- pagné d'un schéma synoptique de circuits électriques associés qui sont destinés à faire fonctionner le spectro- mètre de masse conformément à l'invention. La figure 2 représente l'enveloppe de stabilité pour le piège à ions du spectromètre de masse qui est représenté sur la figure 1. La figure 3 est un spectre de masse du peptide Angiotensine I qui est obtenu en utilisant le mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse, avec éjec- tion résonnante La fréquence d'éjection résonnante était de 146 761 Hz et la bande passant de l'électromètre était de 15 k Hz Le pic de base est un ion doublement chargé ayant un rapport m/z de 649,2, mais des ions qui ont ce rapport m/z produisent également un pic fantôme lorsqu'ils sont éjectés au bord du diagramme de stabilité. La figure 4 montre la réponse en fréquence des électromètres qui sont utilisés pour l'acquisition des spectres de masse. La figure 5 montre un spectre de masse du peptide Angiotensine I, observé en utilisant une fréquence d'éjection résonnante de 50 000 k Hz et un électromètre à grande largeur de bande, pour observer la structure fine des pics Le pic à m/z = 648 est un pic d'éjection réson- nante, et le pic à m/z = 1295 résulte de l'éjection au bord du diagramme de stabilité. La figure 6 a montre le spectre de fréquence du pic à m/z = 1295 de la figure 5, et la figure 6 b montre le spectre de fréquence du pic à m/z = 648 On a obtenu les spectres de fréquence par la transformation de Fourier des deux pics de la figure 5. La figure 7 a montre le spectre de masse de la figure 5, la figure 7 b montre le résultat du filtrage du spectre de la figure 7 a avec un filtre passe-bas à 15 k Hz, et la figure 7 c montre le résultat de la procédure de démodulation à 50 k Hz qui est décrite dans le texte. La figure 8 a montre la structure fine d'un pic qui a été acquis dans des conditions de charge d'espace minimale, et la figure 8 b montre le même pic lorsque le temps d'ionisation a été augmenté de façon qu'un nombre suffisant d'ions se trouvent dans le piège pour créer une condition de charge d'espace. La figure 9 a montre un spectre qui a été acquis avec la pression standard (une pression manométrique nominale d'environ 7 x 10 Pa), et la figure 9 b montre le spectre qui a été acquis à une pression inférieure (une pression manométrique nominale de 2,8 x 10 Pa) La structure fine est plus prononcée à la pression infé- rieure, mais elle est toujours présente à la pression de fonctionnement standard. La figure 10 montre une représentation schéma- tique d'un balayage à instabilité sélective vis-à-vis de la masse, avec éjection résonnante, dans lequel on utilise deux fréquences d'éjection résonnante au lieu d'une seule. Deux points de résonance sont établis et des pics dans le spectre de masse résultant peuvent être dûs à l'éjection à un point ou un autre. La figure 11 montre le résultat de trois procé- dures de traitement de données numériques différentes sur un spectre de masse acquis en utilisant un électromètre et un système d'acquisition de données à grande largeur de bande On a acquis le spectre en utilisant deux fréquences d'éjection résonnantes ( 30 k Hz et 100 k Hz), comme repré- senté sur la figure 10 Les pics entre 3,4 ms et 5,4 ms correspondent à l'éjection au point de résonance de 30 k Hz et les pics entre 12,0 ms et 14 ms correspondent à il l'éjection au point de résonance de 100 k Hz La figure lla montre le résultat du traitement du spectre avec un filtre passe-bas à 15 k Hz, la figure 11 b montre le résultat de la démodulation utilisant une fréquence de 60 k Hz pour la fréquence de démodulation, et la figure 11 c montre le résultat d'une démodulation similaire utilisant une fréquence de 200 k Hz pour la fréquence de démodulation. La figure 12 a montre la structure fine des pics résultant de l'éjection à 30 k Hz, pour des acquisitions utilisant quatre relations de phase différentes entre les deux fréquences d'éjection résonnante: figure 12 a, tension = +sin( 30000 * 21 r*t)+ 5 sin( 100000 * 2 Tf*t); figure 12 b, tension = -sin( 30000 * 27 rt)+ 5 sin( 100000 lx 2 ir*t);figure 12 c, tension = +sin( 3000 * 21 *t)-5 sin( 100000 * 21 T*t); et figure 12 d, tension = -sin( 30000 * 21 T*t)-5 sin( 100000 * 2 W *t). La figure 13 représente la somme des quatre spectres qui sont représentés sur la figure 12. La figure 14 a montre la transformée de Fourier des pics de la figure 13 et la figure 14 b montre la trans- formée de Fourier des pics qui résultent de l'éjection à k Hz. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un piège à ions tridimensionnel qui comprend une électrode annulaire 11 et deux chapeaux d'extrémités 12 et 13 dispo- sés face à face Un générateur de tension radiofréquence 14 est connecté à l'électrode annulaire 11 pour appliquer une tension RF Vsin wt (la tension fondamentale)-entre les chapeaux d'extrémités et l'électrode annulaire, qui produit un champ pratiquement quadrupôle pour piéger des ions à l'intérieur de la région ou du volume de stockage d'ions 16 Le champ nécessaire pour le piégeage est formé en appliquant la tension RF entre l'électrode annulaire 11 et les deux électrodes de chapeaux d'extrémités 12 et 13 qui sont mises à la masse en mode commun, par l'intermé- diaire d'un transformateur de couplage 32, comme repré- senté Un générateur RF supplémentaire 35 est couplé aux chapeaux d'extrémités 22, 23 pour appliquer une tension radiofréquence entre les chapeaux d'extrémités Un filament 17 qui est alimenté par une alimentation de filament 18 est disposé de façon à pouvoir produire un faisceau d'électrons d'ionisation pour ioniser les molé- cules d'échantillon qui sont introduites dans la région de stockage d'ions 16 Une lentille de transmission sélective 19, de forme cylindrique, est alimentée par une unité de commande de lentille de filament 21 Cette lentille transmet ou interrompt le faisceau d'électrons, comme on le désire Le chapeau d'extrémité 12 comporte une ouver- ture à travers laquelle passe le faisceau d'électrons. Au lieu de former les ions en ionisant un échan- tillon à 1 tintérieur de la région de piège 16 avec un faisceau d'électrons, on peut former des ions à l'exté- rieur du piège et on peut les injecter dans le piège par un mécanisme similaire à celui que l'on utilise pour injecter des électrons Par conséquent, sur la figure 1, la source d'ions externe remplacerait le filament 17, et des ions, au lieu d'électrons, seraient introduits sélec- tivement dans le volume de piège 16 par la lentille de transmission sélective 19 On utilise le potentiel et la polarité appropriés sur la lentille de transmission sélec- tive 19 de façon à focaliser des ions à travers l'ouver- ture dans le chapeau d'extrémité 12 et à les faire péné- trer dans le piège La source d'ionisation externe peut employer par exemple l'ionisation par électrons, l'ioni- sation chimique, la désorption par ions césium, la désorp- tion par laser, l'ionisation par électropulvérisation, l'ionisation par thermopulvérisation, un faisceau de particules et n'importe quel autre type de source d'ions. Dans l'appareil considéré, la région de la source d'ions externe est pompée de façon différenteille par rapport à la région de piégage. Le chapeau d'extrémité 13 opposé est perforé en 23 pour que des ions instables qui se trouvent dans les champs dans le piège à ions puissent sortir et être détec- tés par un multiplicateur d'électrons 24 qui génère un signal d'ions sur une ligne 26 Un électromètre 27 conver- tit le signal sur la ligne 26 d'un courant en une tension. Le signal est sommé et mémorisé par l'unité 28, et il est traité dans l'unité 29. L'unité de commande 31 est connectéeau généra- teur de tension RF fondamentale 14, pour permettre d'effectuer un balayage de l'amplitude et/ou de la fré- quence de la tension RF fondamendale, de façon à amener des ions successifs à la condition de résonance avec le champ supplémentaire appliqué entre les chapeaux d'extré- mités, pour réaliser une sélection de masse L'unité de commande 31 est également connectée au générateur de tension RF supplémentaire 35, pour permettre de commander l'amplitude et/ou la fréquence de la tension RF supplé- mentaire L'unité de commande 31 est connectée par la ligne 32 à l'unité de commande de lentille de filament 21, pour transmettre sélectivement vers le piège le faisceau d'électrons d'ionisation ou un faisceau d'ions formé de façon externe, seulement pendant des périodes autres que l'intervalle de balayage Des détails mécaniques de pièges à ions ont été représentés par exemple dans le brevet des E U A n' 2 939 952 et plus récemment dans le brevet des E.U A N O 4 540 884, cédé à la demanderesse de la présente invention. Les champs symétriques dans le piège à ions 10 conduisent au diagramme de stabilité bien connu qui est représenté sur la figure 2 Les paramètres a et q sur la figure 2 sont définis de la façon suivante a = -8 e U/mr 2 2 q = 4 e V/mr 2 w o en désignant respectivement par e et m la charge et la masse d'une particule chargée Pour toute particule ioni- que, les valeurs de a et q doivent être comprises à l'intérieur de l'enveloppe de stabilité pour que la parti- cule soit piégée à l'intérieur des champs quadrupôles dans le dispositif de piège à ions Cette figure montre égale- ment des lignes iso-bêta ( A), avec ( = 2 W 1 W, en dési- gnant par Lu la fréquence séculaire du mouvement des ions à l'intérieur du champ de piégeage Dans le mode d'insta- bilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjection résonnante, on applique de façon caractéristique un balayage à la tension RF, V, qui est appliquée à l'élec- trode annulaire, tandis qu'on applique entre les électro- des de chapeaux d'extrémités une tension supplémentaire, V 2, ayant une fréquence particulière décrite par (z-eject et une amplitude particulière Les ions sont ainsi amenés séquentiellement vers la résonance à la ligne bêta sélec- tionnée, ils oscillent le long de l'axe du piège avec une amplitude accrue, et ils sont éjectés à travers des perfo- rations dans l'électrode de chapeau d'extrémité, pour être détectés par un détecteur d'ions externe Cette éjection séquentielle d'ions conformément à leur valeur m/z permet la détermination du rapport m/z des ions Cette éjection a lieu en un point éloigné du bord de l'enveloppe de stabi- lité. Il y a cependant de nombreuses autres manières d'appliquer les champs et de produire un balayage des champs appliqués, qui peuvent réaliser une analyse de masse de façon équivalente, en utilisant l'instabilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjection résonnante. Par exemple, la tension supplémentaire V 2 pourrait être appliquée à un seul des chapeaux d'extrémités Selon une variante, la tension RF V peut être appliquée aux deux chapeaux d'extrémités, tandis que la tension supplémen- taire V 2 est appliquée à l'électrode annulaire Par l'utilisation d'une composante de tension continue appli- quée à l'électrode annulaire, on peut faire en sorte que l'éjection d'ions ait lieu à un certain point dans le diagramme de stabilité ailleurs que le long de l'axe az = O Ainsi, la tension RF pourrait rester constante pendant l'analyse de masse, tandis que la tension continue serait augmentée (ou diminuée) pour amener successivement des ions à la résonance Enfin, on pourrait appliquer un balayage à la fréquence de la tension supplémentaire pour amener successivement des ions à la résonance Il est possible d'envisager des techniques plus élaborées qui ont toutes pour caractéristiques d'amener successivement des ions de rapport m/z croissant (ou décroissant) à un point de résonance, dans le but de conduire à l'éjection, à la détection d'ions et à la détermination des valeurs m/z des ions. La figure 3 représente un exemple de spectre de masse qui est obtenu dans une expérience d'éjection réson- nante caractéristique dans laquelle la tension RF fait l'objet d'un balayage en sens montant La fréquence d'éjection résonnante était de 146 761 Hz et la bande passante de l'électromètre 27 était de 15 k Hz, c'est-à- dire une bande passante similaire à la bande passante des électromètres que l'on utilise dans tous les spectromètres de masse à piège à ions qui sont commercialisés Le pic de base correspond à un ion doublement chargé ayant un rapport m/z de 649,2, mais des ions ayant ce rapport m/z produisent également un pic fantôme lorsqu'ils sont éjec- tés au bord du diagramme de stabilité. Jusqu'à une époque récente, tous les spectres de masse à piège à ions qui étaient acquis en utilisant le mode d'instabilité sélective vis-à- vis de la masse (avec ou sans éjection résonnante), étaient acquis en utilisant un électromètre à bande passante relativement étroite, avec une réponse en fréquence appropriée pour définir la forme globale de chaque pic de masse Plus précisément, tous les instruments commercialisés étaient équipés d'un électromètre ayant un point à 3 d B d'environ 15 k Hz, cette fréquence étant celle à laquelle le niveau de sortie est atténué jusqu'à 71 % du niveau de sortie qui est produit par un signal d'entrée de fréquence basse Du fait que la tension RF de l'instrument du commerce est soumise à un balayage de façon que les ions correspondant aux pics de masse soient éjectés à une cadence de 180 microsecondes par pic de masse, la section analogique du système de détection est capable de définir la forme grossière du pic,mais n'est guère capable de fournir une information détaillée concernant les détails de la dépendance tempo- relle de l'éjection des ions au cours de l'éjection correspondant à chaque pic de masse Le système numérique de traitement de données a également une largeur de bande limitée et il effectue l'acquisition d'un point de données toutes les 30 microsecondes, ce qui donne un total d'envi- ron 6 points par pic de masse. Pour obtenir une meilleure résolution avec une plage de masse étendue, nous avons commencé récemment à effectuer le balayage du piège de façon que chaque pic de masse soit éjecté à des cadences beaucoup plus lentes que la cadence qui est utilisée dans l'instrument du commerce, et de façon que la fréquence d'éjection résonnante soit très inférieure à celle qui est utilisée dans l'instrument du commerce En utilisant une fréquence d'éjection réson- nante particulièrement basse, inférieure à 20 k Hz, ou inférieure à la fraction 1/20 de la fréquence qui est utilisée dans l'instrument du commerce, on a découvert que chaque pic de masse consistait en une série de pics ou de "paquets d'ions". Du fait que la structure fine ne pouvait être observée que pendant des expériences avec une très basse fréquence d'éjection résonnante, on a suspecté la bande passante du système de détection de limiter l'aptitude à observer le phénomène On a donc construit un électromètre ayant une bande passante comprise entre 200 et 300 k Hz, et on a commencé à utiliser un oscilloscope numérique, avec une bande passante et une bande passante numérique s'éle- vant jusqu'à 1 gigahertz, pour acquérir le signal de sortie de l'électromètre La figure 4 montre une compa- raison de la réponse en fréquence de l'électromètre standard et de l'électromètre à grande largeur de bande. La figure 5 montre un spectre de masse du peptide Angiotensine I, acquis en utilisant le système d'acquisition à grande largeur de bande L'ion doublement chargé de rapport m/z égal à 648 a été éjecté par éjection résonnante, à 50 k Hz, dans un piège ayant une fréquence RF de 880 k Hz Le pic pour lequel m/z est égal à 1295 a été éjecté au bord du diagramme de stabilité Le pic pour lequel m/z est égal à 648 montre une série de paquets d'ions, mais le pic pour lequel m/z est égal à 1295 montre peu de structure fine évidente La figure 6 a montre le spectre de fréquence du pic pour lequel m/z est égal à 648 sur la figure 5, et la figure 6 b montre le spectre de fréquence du pic pour lequel m/z est égal à 1295 La figure 6 b montre que les paquets d'ions dans le pic pour lequel m/z est égal à 648 apparaissent à la fréquence de la tension d'éjection résonnante ( 50 k Hz) et aux harmoni- ques de cette fréquence La figure 6 b montre que le pic pour lequel m/z est égal à 1295 présente une composante de fréquence à 880 k Hz, c'est-àdire la fréquence RF du piège, mais le critère de Nyquist de l'acquisition des données permettait une mesure de fréquence maximale de 1,4 M Hz, ce qui fait que des harmoniques éventuels ne pouvaient pas être observés. Du fait que l'on sait que la résolution concer- nant m/z dans un spectromètre de masse à piège à ions se dégrade lorsqu'une condition de charge d'espace existe (la forme générale du pic devient large), la question se pose de savoir si la structure fine du pic de la figure 5 persiste lorque la charge d'espace augmente La figure 8 a montre le pic pour lequel m/z est égal à 648, dans le cas de l'acquisition avec un temps d'ionisation de 30 ms, et la figure 8 b montre le même pic dans le cas o l'acquisi- tion est effectuée avec un temps d'ionisation de 700 ms. Le décalage de position important pour le pic pour lequel m/z est égal à 648, par rapport au pic pour lequel m/z est égal à 659, indique que le pic est éjecté dans une condi- tion de charge d'espace, mais la structure fine du pic est pratiquement la même que dans le cas de l'éjection avec une faible charge d'espace. Du fait que la source des paquets d'ions est évidemment la cohérence du mouvement des ions qui est induit par la tension d'éjection résonnante, des colli- sions avec le gaz tampon ou avec d'autres gaz pourraient détruire la structure fine du pic On trouve que des pressions inférieures favorisent effectivement l'existence de la structure fine du pic, mais qu'à la pression de fonctionnement standard la structure fine est effective- ment présente La figure 9 a montre un spectre qui a été acquis avec la pression standard (une pression manométri- que nominale d'environ 7 x 10 Pa), et la figure 9 b montre le spectre qui a été acquis à une pression infé- rieure (une pression manométrique nominale de 2,8 x 10 3 Pa) La structure fine est plus prononcée à la pression inférieure, mais elle demeure présente à la pression de fonctionnement standard. La découverte du fait que le spectre de fréquence de pics qui sont éjectés par éjection résonnante est distinct du spectre de fréquence de pics qui sont éjectés au bord du diagramme de stabilité, offre un procédé pratique pour distinguer les deux types de pics. La figure 7 c montre le résultat d'un procédé de distinction des pics La figure 7 a montre le spectre qui a été acquis avec l'électromètre et l'oscilloscope numérique à grande largeur de bande La figure 7 b montre le résultat de l'application d'un filtre passe-bas numérique (avec une largeur de bande de 15 k Hz) au spectre de la figure 7 a La structure fine n'est plus évidente, et le spectre apparaît de façon très semblable à ce qu'il serait s'il avait été acquis avec l'électromètre standard Ceci montre la néces- sité d'un électromètre à grande largeur de bande. * On a préparé la figure 7 c en traitant les don- nées de la figure 7 a de manière à pouvoir distinguer les deux types de pics Plus précisément, on a traité le spectre de façon que seule l'information apparaissant à la fréquence de la tension d'éjection résonnante donne une réponse Le traitement des données de la figure 7 a pour produire la figure 7 c est fondamentalement une démodula- tion numérique utilisant à titre de fréquence centrale la fréquence de la modulation axiale On a employé les étapes suivantes: 1) on a tout d'abord multiplié le signal de la figure 7 a par sin( 50000 * 2 lrt), et on a élevé au carré le résultat de cette multiplication; 2) on a multiplié séparément le signal de la figure 7 a par cos( 50000 * 27 tt), et on a élevé également au carré le résultat de cette multiplication; et 3) on a ensuite filtré à 15 k Hz la racine carrée de la somme des deux carrés, et on a repré- senté graphiquement le résultat, ce qui a donné la figure 7 c Comme représenté, le pic qui résulte de l'éjection pour laquelle m/z est égal à 1295, au bord du diagramme de stabilité, a été éliminé. Une utilisation encore plus large du fait que l'on peut distinguer des pics sur la base de leur fré- quence d'éjection de résonance, consiste à employer inten- tionnellement plus d'une fréquence de résonance, avec des amplitudes suffisantes pour l'éjection Par exemple, du fait que l'on peut étendre aisément la plage de masse du piège en abaissant la fréquence à laquelle une résonance a lieu, on peut enregistrer simultanément deux plages de masse différentes, en utilisant simultanément deux fré- quences Lorsqu'on utilise de très basses fréquences d'éjection résonnante, on peut accéder à des plages correspondant à des rapports masse/charge très élevés. Cependant, en pratique, il existe une limitation observa- ble en ce qui concerne les rapports masse/charge les plus bas Les pics qui résultent des deux raies de résonance différentes seront dispersés dans le spectre résultant, et le procédé d'utilisation de la structure fine d'un pic éjecté pour déterminer la fréquence à laquelle il a été éjecté, est applicable de façon générale et peut être utilisé avec ces formes d'onde plus complexes. La figure 10 représente une telle expérience sous une forme schématique Dans cette expérience, la tension d'éjection résonnante est la somme de deux ten- sions sinusoïdales, ce qui fait qu'il y a deux points de résonance sur l'axe q auquel une éjection résonnante aura lieu Comme représenté sur la figure, au début de l'expé- rience, deux masses ont des valeurs q telles qu'elles sont amenées en résonance au premier point de résonance, tandis que deux autres masses ont des valeurs q telles qu'elles sont amenées en résonance au second point de résonance. Pendant l'expérience, on applique un balayage à la tension RF, et le détecteur enregistre des pics qui résultent de l'éjection aux deux points de résonance. La figure lia montre le résultat d'une telle expérience dans laquelle on a utilisé deux fréquences d'éjection résonnante, soit 30 k Hz et 100 k Hz, et le signal de sortie de l'électromètre est simplement filtré avec un filtre passe-bas à 15 k Hz Les pics pour lesquels m/z est égal à 433,2 et 587,3 (ces pics résultent d'ions portant des charges multiples) sont éjectés au premier point de résonance ( 30 k Hz), et les pics pour lesquels m/z est égal à 649,2 et 880,5, sont éjectés au second point de résonance On ne peut pas distinguer les pics qui sont obtenus en utilisant une telle acquisition à faible bande passante. Contrairement aux pics qui résultent d'une acquisition à faible bande passante, les pics qui résul- tent d'une acquisition à bande passante élevée peuvent être distingués par simple inspection Cependant, dans une expérience à deux fréquences, on a trouvé que l'on obte- nait des résultats plus fiables en effectuant l'acquisi- tion du spectre en employant des relations de phase diffé- rentes entre les deux fréquences d'éjection résonnante, et en faisant ensuite la somme des signaux de sortie résul- tants des électromètres La figure 12 montre la structure fine des pics pour lesquels m/z est égal à 433,2 et à 587,3, qui ont été acquis en utilisant quatre relations de phase différentes entre les deux fréquences d'éjection résonnante. On a utilisé un "générateur de forme d'onde arbitraire" pour produire la tension d'éjection réson- nante Ce dispositif utilise une opération de consultation de table pour déterminer la tension à émettre à un instant donné, de façon que l'on puisse commander aisément la phase relative des deux signaux d'éjection résonnante On a calculé les tables conformément aux formules suivantes figure 12 a, tension = +sin( 30000 * 2 Xt*t)+ 5 sin( 100000 * 21 T *t); figure 12 b, tension = -sin( 30000 * 2 ir*t)+ 5 sin( 100000 * 2 Wt*t); figure 12 c, tension = +sin( 30000 * 2 W *t)-5 sin( 100000 * 2 Tr*t); et figure 12 d, tension = -sin( 30000 * 2 i *t)-5 sin ( 100000 * 21 T*t). L'examen des quatre spectres de la figure 12 montre que les ions sont éjectés à l'intervalle de 33,3 microsecondes qui est prévu avec une fréquence d'éjection résonnante de 30 k Hz, mais que l'amplitude relative d'éjections successives ne présente pas l'enveloppe approximativement triangulaire d'un spectre monofréquence (comme le pic de la figure 5 pour lequel m/z est égal à 648) Apparemment, le signal à 100 k Hz module l'amplitude en influant sur le fait que les ions seront éjectés ou non à l'excursion maximale d'une oscillation particulière Par exemple, si la composante du signal à 100 k Hz sur le chapeau d'extrémité du côté de l'éjection des ions est positive et élevée au moment auquel l'oscillation de résonance qui est due à la résonance à 30 k Hz serait par ailleurs suffisamment élevée pour provoquer l'éjection et la détection, l'éjection peut être atténuée Inversement, une tension négative peut favoriser l'éjection. L'effet de cette modulation ajoutée est de réduire l'information qui est présente à une fréquence particulière (par exemple à 30 k Hz) Un moyen de contour- ner cette difficulté consiste à faire la somme des données de sortie de l'électromètre qui sont obtenues en utilisant les diverses relations de phase Par exemple, la figure 13 montre la somme des figures 12 a-12 d; on obtient une enveloppe de pic beaucoup plus lisse qu'à partir de l'un quelconque des spectres de la figure 12 Le spectre de fréquence de la figure 13 est représenté sur la figure 14 a, et le spectre de fréquence des données correspondan- tes pour le pic pour lequel m/z est égal à 649,2, est représenté sur la figure 14 b Le spectre de fréquence sur la figure 14 a montre que la composante de fréquence la plus intense est à 60 k Hz; de façon similaire, la figure 14 b montre sa composante de fréquence la plus intense à k Hz Le doublement de fréquence apparent résulte de la sommation de spectres (toujours positifs) qui sont dépha- sés de 180 degrés. La figure llb montre le résultat de l'accomplis- sement d'une démodulation sur les spectres sommés, en utilisant la fréquence de 60 k Hz pour la fréquence de démodulation Les pics qui sont éjectés avec la tension d'éjection résonnante de 100 k Hz (m/z égal à 649,2 et m/z égal à 880,5) sont éliminés de manière nette La figure lic montre les résultats d'une démodulation simi- laire utilisant une fréquence de démodulation de 200 k Hz. Les pics éjectés avec la tension d'éjection résonnante de k Hz (m/z égal à 433,2 et m/z égal à 587,3) sont atté- nués par rapport aux pics à 100 k Hz, mais ils ne sont pas nettement éliminés Ces pics n'ont pas été entièrement éliminés à cause de la composante de fréquence considé- rable dans leur spectre de fréquence à 200 k Hz, comme on le voit en examinant la figure 14 a Malgré l'élimination incomplète des pics à 30 k Hz, la procédure est toujours utile pour déterminer la nature des pics éjectés. Le procédé de la "somme des carrés" est bien connu pour déterminer la quantité d'information à une fréquence particulière De façon formelle, si on repré- sente par S(t) un signal variant dans le temps (tel que le signal de sortie d'électromètre d'un spectre de masse à piège à ions), on peut déterminer l'information à une fréquence f et une phase e particulières, en formant le produit S(t)*sin(f* 2 Trt + ?), et en filtrant ensuite le résultat Fondamentalement, S(t) est soumis à un mélange de changement de fréquence qui fait descendre sa fréquence jusqu'à zéro, et d'autres fréquences sont éliminées en utilisant un filtre passe-bas Si la phase optimale,, pour le mélange n'est pas connue, on peut effectuer le mélange en utilisant deux phases qui diffèrent de 90 degrés, et on peut déterminer une amplitude indépendante de la phase par la racine carrée de la somme des carrés des deux résultats: amplitude = \TUS(t)*sin(f* 21 Tt +V))2 + (S(t)*cos(f* 2-rt + e))2) La procédure de "somme des carrés" qui est donnée ci-dessus détermine fondamen- talement l'amplitude à la fréquence intéressante On peut obtenir un degré de discrimination encore plus élevé en utilisant à la fois la fréquence et la phase des paquets d'ions On accomplit ceci en multipliant le spectre par sin( 50000 * 2 Wt+ e), et en appliquant ensuite un filtrage passe-bas, au lieu d'utiliser la racine carrée de la somme des carrés des composantes en sinus et en cosinus Un choix approprié de la phase, e, peut procurer une discri- mination considérable, mais on a trouvé que la procédure se complique par une variation de la phase des paquets d'ions avec la masse. On peut utiliser de nombreux autres types de traitement de signal (analogique ou numérique) dans ce but et dans des buts similaires, mais ils sont tous basés sur l'utilisation de la structure fine des pics d'éjection résonnante Par exemple, on pourrait utiliser un amplifi- cateur à verrouillage approprié pour donner une réponse seulement à la fréquence de la tension d'éjection réson- nante. L'aptitude à effectuer des balayages du type "parent" et des balayages de pertes de neutres est basée sur une expérience à deux fréquences Dans les deux types de balayage, on applique un balayage à la première fré- quence sur une plage de masse choisie, et cette fréquence a une amplitude appropriée pour exciter et dissocier des ions rencontrés, mais théoriquement insuffisante pour les éjecter La seconde fréquence a une amplitude suffisante pour éjecter des ions de façon résonnante pour la détec- tion, et elle est soit fixée à une fréquence d'un ion enfant particulier, dans le cas d'un balayage du type iparent", soit soumise à un balayage sur des fréquences correspondant à des masses liées à la première fréquence par une différence de masse fixe, pour un balayage de perte de neutres Cependant, en pratique, la première fréquence d'excitation peut provoquer une éjection, au cours de son balayage, et elle fera apparaître des pics parasites dans le spectre En effectuant la détection seulement à la seconde fréquence d'éjection résonnante, ces pics parasites seraient éliminés, du fait qu'ils auraient tous une fréquence d'éjection différente de la seconde fréquence qui est utilisée pour l'éjection. REVENDICATIONS 1 Procédé d'utilisation d'un spectromètre de masse à piège à ions, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on définit un volume de piège ( 16) dans lequel existe un champ tridimensionnel pratiquement quadrupôle, pour piéger des ions dans une plage prédéter- minée de rapport masse/charge; on forme ou on injecte des ions à l'intérieur du volume de piège ( 16), de façon que les ions qui sont compris dans la plage prédéterminée de rapport masse/charge soient piégés; on applique un champ alternatif supplémentaire, superposé au champ tridimen- sionnel quadrupôle, pour former des champs combinés; et on change ces champs combinés pour éjecter séquentiellement de façon résonnante des ions à partir du volume de piège ( 16), pour détecter les ions éjectés et pour produire un signal de sortie dans lequel le signal de sortie des ions éjectés de façon résonnante a une composante de fréquence à la fréquence du champ alternatif supplémentaire. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de traitement du signal précité pour identifier des composantes de signal ayant les composantes de fréquence précitées, pour identifier ainsi les ions éjectés de façon résonnante. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de traitement comprend l'amplification du signal avec un amplificateur à verrouillage. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal est traité de façon numérique pour identifier les ions éjectés de façon résonnante. 5 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal est traité en le multipliant par sin(f* 2 Zt +p)pour identifier les ions éjectés de façon résonnante. 6 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal est traité par le calcul de la quan- tité \US(t)*sin(f* 2 lrt+))2 + (S(t)*cos(f* 2 ltt+p))2), dans laquelle S(t) est l'instant auquel chaque point est acquis. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le signal traité est représenté graphiquement pour donner un spectre de masse. 8 Procédé d'utilisation d'un spectromètre de masse à piège à ions dans le mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjection résonnante, caracté- risé en ce que: on applique un champ alternatif supplé- mentaire à une fréquence sélectionnée, grâce à quoi les ions éjectés de façon résonnante ont une composante de fréquence à la fréquence sélectionnée, on détecte les ions éjectés et on produit un signal de sortie qui contient une composante ayant la fréquence sélectionnée, pour identi- fier les ions éjectés de façon résonnante. 9 Procédé d'utilisation d'un piège à ions dans le mode d'instabilité sélective vis-à-vis de la masse avec éjection résonnante d'ions, caractérisé en ce qu'il comprend la détection de tous les ions éjectés, incluant les ions éjectés de façon résonnante et de façon non résonnante, et l'identification des ions éjectés de façon résonnante. 10 Procédé d'utilisation d'un spectromètre de masse à piège à ions, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on définit un volume de piège ( 16) dans lequel existe un champ tridimensionnel pratiquement quadrupôle, pour piéger des ions dans une plage prédéter- minée de rapport masse/charge; on forme ou on injecte des ions à l'intérieur du volume de piège ( 16), de façon que les ions qui sont compris dans la plage prédéterminée de rapport masse/charge soient piégés; on applique au moins deux champs alternatifs supplémentaires à des fréquences différentes, superposés sur le champ tridimensionnel quadrupôle, pour former des champs combinés; on change les champs combinés pour éjecter des ions séquentiellement et de façon résonnante à partir du volume de piège ( 16), pour détecter des ions éjectés et pour produire un signal de sortie dans lequel le signal de sortie des ions éjectés de façon résonnante a une composante de fréquence à la fréquence du champ alternatif supplémentaire. 11 Procédé selon la revendication 10, caracté- risé en ce qu'il comprend l'étape de traitement du signal précité pour identifier des composantes de signal ayant les composantes de fréquence précitées, pour identifier ainsi les ions éjectés de façon résonnante. 12 Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce que l'étape de traitement comprend l'amplifi- cation du signal avec un amplificateur à verrouillage. 13 Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce que le signal est traité de façon numérique pour identifier les ions éjectés de façon résonnante. 14 Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce que le signal est traité en le multipliant par sin(f* 2 jtt + p)pour identifier les ions éjectés de façon résonnante. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le signal est traité par le calcul de la quantité F((S(t)*sin(f* 2 l Tt+e))2 + (S(t)*cos(f* 2 rit + ?>)), dans laquelle S(t) est l'instant auquel chaque point est acquis. 16 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 10, 11, 12, 13, 15 ou 15, caractérisé en ce que le signal traité est représenté graphiquement pour donner un spectre de masse.