DE102010043410B4 - Ionentrichter für die Massenspektrometrie - Google Patents

Abstract

Übergangsstück (103) zur Verwendung in einem Massenspektrometer (100), wobei das Übergangsstück (103) aufweist:eine erste Kammer (201), die zum Aufrechterhalten eines ersten Druckes (P) gestaltet ist, und eine zweite Kammer (202), die zum Aufrechterhalten eines zweiten Druckes (P) gestaltet ist, wobeider erste Druck (P) zwischen 2 Torr (0,27 kPa) - 100 Torr (13,3 kPa), der zweite Druck (P) zwischen 0,1 Torr (13 Pa) - 10 Torr (1,3 kPa) liegt; und der erste Druck (P) größer ist als der zweite Druck (P)einen ersten lonentrichter (203) in der ersten Kammer (201) mit einer ersten Eintrittsöffnung (205) und einer ersten Austrittsöffnung (206) und einer ersten Achse (209) zwischen der ersten Eintrittsöffnung (205) und der ersten Austrittsöffnung (206); undeinen zweiten lonentrichter (204) in der zweiten Kammer (202) und in Reihe mit dem ersten lonentrichter (203), wobei der zweite lonentrichter eine zweite Eintrittsöffnung (207) und eine zweite Austrittsöffnung (208) und eine zweite Achse (210) zwischen der zweiten Eintrittsöffnung (207) und der zweiten Austrittsöffnung (208) aufweist und die erste Achse (209) und die zweite Achse (210) gegeneinander seitlich versetzt sind oder ein Winkel einer Winkelkippung mindestens 2° und höchstens 30° beträgt; wobei eine Innenfläche (318) vorgesehen ist, so dass im Gebrauch Neutralteilchen auf einen Bereich (220) entlang der durch Elektroden (215) des zweiten lonentrichters (204) gebildete Innenfläche (318) treffen und asymmetrisch entlang der Elektrode (215) im Bereich abgeschieden werden.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Bei verschiedenen Anwendungen in Industrie und Wissenschaft werden regelmäßig chemische und biologische Trennungen durchgeführt, um das Vorhandensein und/oder die Menge einzelner Moleküle in komplexen Probengemischen zu ermitteln. Zur Durchführung solcher Trennungen gibt es verschiedene Verfahrensweisen.
• Die Massenspektrometrie (MS) stellt ein Analyseverfahren dar, das zur quantitativen chemischen Analyse von Proben eingesetzt wird. Die Moleküle in einer Probe werden ionisiert und entsprechend ihren Massen durch ein Spektrometer getrennt. Dann werden die getrennten Analytionen detektiert und ein Massenspektrum der Probe erzeugt. Das Massenspektrum liefert Informationen über die Massen und in manchen Fällen auch über die in der Probe enthaltenen Mengen der verschiedenen Analytpartikel. Insbesondere kann die Massenspektrometrie zur Bestimmung der Molmassen der Moleküle und Molekülfragmente in einem Analyt genutzt werden. Außerdem können auf der Grundlage eines Fragmentierungsmusters Komponenten des Analyten bestimmt werden.
• Die zur massenspektrometrischen Analyse vorgesehenen Analytionen können durch verschiedene lonisationssysteme erzeugt werden. Zum Beispiel können zur Erzeugung von Ionen in einem Massenspektrometriesystem Systeme wie die matrixgestützte Atmosphärendruck-Laserdesorptionsionisation (AP-MALDI), die Atmosphärendruck-Fotoionisation (APPI), die Elektrospray-Ionisation (ESI), die chemische Atmosphärendruck-Ionisation (APCI) und das induktiv gekoppelte Plasma (ICP) eingesetzt werden. Bei vielen dieser Systeme werden die Ionen bei Atmosphärendruck (760 Torr (101325 Pascal) oder bei Drücken nahe dem Atmosphärendruck erzeugt. Nachdem die Analytionen erzeugt wurden, müssen sie in ein Massenspektrometer eingeführt oder eingeschleust werden. Üblicherweise herrscht im Analysatorbereich eines Massenspektrometers ein Hochvakuum zwischen 10^-4 Torr und 10^-8 Torr. In der Praxis beinhaltet das Einschleusen der Ionen das Transportieren der Analytionen in Form eines fein gebündelten lonenstrahls von der lonenquelle durch eine oder mehrere zwischengeschaltete Vakuumkammern bis in die Hochvakuumkammer des Massenspektrometers. In jeder der zwischengeschalteten Vakuumkammern herrscht ein Grad an Vakuum, der zwischen dem der vorhergehenden und der nachfolgenden Kammer liegt. Dadurch erfahren die Analytionen des lonenstrahls einen schrittweisen Übergang vom Druck zum Zeitpunkt der Ionenbildung bis zum Druck im Massenspektrometer. Bei den meisten Anwendungen besteht der Wunsch, die Ionen ohne nennenswerte lonenverluste durch jede der verschiedenen Kammern eines Massenspektrometersystems zu transportieren. Oft wird ein lonenleitsystem verwendet, um Ionen in einer definierten Richtung in das MS-System zu lenken.
• Ionenleitsysteme nutzen üblicherweise elektromagnetische Felder, um die Ionen radial zu bündeln und gleichzeitig den Ionentransport in axialer Richtung zuzulassen oder zu begünstigen. Bei einer Art von lonenleitsystemen wird durch Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung, die oft auch als Hochfrequenzspektrum (HF) bezeichnet wird, ein mehrpoliges Feld erzeugt. Diese so genannten mehrpoligen HF-Ionenleitsysteme haben beim Überführen von Ionen zwischen den Teilen von MS-Systemen sowie den Komponenten von lonenfallen eine Vielzahl von Anwendungen gefunden. Wenn die HF-Ionenleitsysteme in Anwesenheit eines Puffergases betrieben werden, können sie die Geschwindigkeit von Ionen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verringern. Diese Verringerung der Ionengeschwindigkeit in axialer und radialer Richtung ist unter der Bezeichnung Wärmeentzug („Thermalisierung“) oder „Kühlung“ der lonenkollektive durch Mehrfachstöße der Ionen mit den neutralen Molekülen des Puffergases bekannt. Bei gekühlten lonenstrahlen, die in radialer Richtung komprimiert sind, wird der Durchtritt des lonenstrahls durch die Öffnungen des MS-Systems verbessert und der Streubereich der radialen Geschwindigkeit in Laufzeitinstrumenten (TOF) verringert. Die mehrpoligen HF-Ionenleitsysteme erzeugen eine Pseudo-Potenzialmulde, welche die Ionen innerhalb des lonenleitsystems bündelt. Aufgrund der Abbremsung der Ionen in den lonenleitsystemen bei höheren Drücken ist der Arbeitsbereich der lonenleitsysteme normalerweise auf Drücke von weniger als ungefähr 1 Torr (133,3 Pascal) beschränkt.
• Um die Druckbeschränkungen der bekannten lonenleitsysteme zu überwinden, wurden bestimmte bekannte lonentrichteroptiken entwickelt, bei denen sowohl eine radiale Bündelung mittels eines elektrischen HF-Feldes als auch eine axiale Beschleunigung mittels eines elektrostatischen elektrischen Feldes bewirkt wird. Sowohl die HF-Felder als auch die elektrostatischen Felder werden durch eine Anordnung konzentrischer Ringe mit abnehmendem Innendurchmesser erzeugt. Ionentrichter können die Ionen auf dem Weg von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnung wirksam fokussieren und übertragen, jedoch können auch im Gasstrom enthaltene ungeladene Partikel in nennenswerter Menge von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnung transportiert werden. Da lonentrichter bei höheren Drücken arbeiten können als bekannte lonenleitsysteme und der Transport der neutralen Partikel durch den Gasdruck und den Gasstrom innerhalb des Trichters definiert ist, wird das Problem der Trennung der neutralen Partikel („Neutralteilchen“) von den Ionen umso wichtiger.
• Bei einem bekannten lonentrichter wird die Trennung der Ionen und der Neutralteilchen innerhalb der lonentrichtereinheit durch Anbringen einer zusätzlichen Mittelelektrode bewirkt, um die Neutralteilchen auszublenden, sowie durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung an diese Elektrode, um die Ionen um die Mittelelektrode herumzulenken. Obwohl dieser bekannte lonentrichter zur Trennung von Ionen und Neutralteilchen geeignet sein kann, ist die Komplexität der Zusatzelektrode und der zusätzlich angelegten Spannung nicht wünschenswert. Außerdem erweisen sich die Stabilität und die Zuverlässigkeit eines solchen lonentrichters aufgrund der Verunreinigungen auf der Zusatzelektrode als problematisch, da sie zur Aufladung der Zusatzelektrode führen und im Lauf der Zeit eine Korrektur ihrer Gleichspannung erfordern. Beispielsweise offenbart JP 2005 251 546 A ein Übergangsstück zur Verwendung in einem ICP-Massenspektrometer. DE 195 81 833 T5 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmamassenanalyse mit verringerten Raumladungseffekten. WO 98/ 49 710 A1 offenbart eine Ionen-Quelle, welche bei Atmosphärendruck arbeitet. WO 00/ 48 228 A1 beschreibt eine Ionen-Quelle für ein Massenspektrometer, welches bei einem geringen Druck betrieben wird. US 2009/ 0 218 486 A1 offenbart ein Übergangsstück zur Verwendung in einem Massenspektrometer, welche mehrere Vakuum-Stufen aufweist.
• Deshalb besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Transportieren der Analyte von einer lonenquelle zu einem Massenanalysator, der zumindest die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Einrichtungen und Verfahren beseitigt.
• Figurenliste
• Die vorliegenden Lehren lassen sich am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Die Merkmale der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht dargestellt. Sofern dies sinnvoll ist, werden gleiche Merkmale durch gleiche Bezugsnummern bezeichnet.
• 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Massenspektrometers gemäß einer Ausführungsform.
• 2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks für eine MS-Einheit gemäß einer Ausführungsform.
• 2B zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des Übergangsstücks von 2A.
• 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks für eine MS-Einheit gemäß einer Ausführungsform.
• 4 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Trennung von Ionen und Neutralteilchen gemäß einer Ausführungsform.
• DEFINITION DER VERWENDETEN BEGRIFFE
• Es sollte klar sein, dass die hier gebrauchten Begriffe nur zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.
• In dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen beinhalten die Einzahlformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sowohl die Einzahl- als auch die Mehrzahlbedeutung, sofern aus dem Zusammenhang nicht ausdrücklich anderes hervorgeht. Somit beinhaltet der Begriff ‚eine Einheit‘ sowohl eine als auch mehrere Einheiten.
• In dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen bedeuten die Begriffe ‚wesentlich‘ oder ‚im Wesentlichen‘ zusätzlich zu ihrer normalen Bedeutung ein vertretbares Ausmaß oder einen vertretbaren Umfang. Zum Beispiel ist unter der Begriff ‚im Wesentlichen aufgehoben‘ zu verstehen, dass die Aufhebung nach dem Verständnis des Fachmanns ein vertretbares Ausmaß erreicht hat.
• In dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen hat der Begriff ‚ungefähr‘ außer seiner normalen Bedeutung für den Fachmann auch noch die Bedeutung „innerhalb eines vertretbaren Ausmaßes oder Umfangs“. Zum Beispiel versteht der Fachmann unter ‚ungefähr gleich‘, dass zwei miteinander verglichene Objekte identisch sind.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren zu ermöglichen, werden in der folgenden detaillierten Beschreibung Ausführungsformen beschrieben, die spezielle Details offenlegen, aber nur zur Erläuterung dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Auf die Beschreibung bekannter Systeme, Einrichtungen, Materialien, Arbeitsverfahren und Herstellungsverfahren kann verzichtet werden, um Unklarheiten bezüglich der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen zu vermeiden. Ungeachtet dessen können gemäß den Ausführungsformen Systeme, Einrichtungen, Materialien und Verfahren verwendet werden, die dem Fachmann geläufig sind.
• 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines MS-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform. Das MS-System 100 weist eine lonenquelle 101, lonentrichter 102, ein Übergangsstück 103, einen Massenanalysator 104 und einen Ionendetektor 105 auf. Bei der lonenquelle 101 kann es sich um eine von mehreren bekannten Typen von Ionenquellen handeln. Bei dem Massenanalysator 104 kann es sich um einen aus einer Vielfalt bekannter Massenanalysatoren handeln, darunter, aber nicht darauf beschränkt, ein Laufzeitanalysator (TOF), ein Fouriertransformations-MS-Analysator (FTMS), eine Ionenfalle, ein Quadrupol-Massenanalysator, ein Magnetsektoranalysator oder eine geeignete Kombination von Analysatoren. Desgleichen kann es sich bei dem Ionendetektor 105 um einen von mehreren bekannten lonendetektoren handeln.
• Die lonentrichter 102 werden im Folgenden in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. Die lonentrichter 102 können im Übergangsstück 103 bereitgestellt werden, das so beschaffen ist, dass es zwischen der lonenquelle 101 und dem Massenanalysator 104 einen ein- oder mehrstufigen Druckübergang ermöglicht. In der lonenquelle 101 herrscht normalerweise Atmosphärendruck oder ein Druck nahe dem Atmosphärendruck, während im Massenanalysator 104 normalerweise ein relativ hohes Vakuum herrscht. Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die lonentrichter 102 so gestaltet sein, dass der Übergang von relativ hohem Druck zu relativ niedrigem Druck erfolgt. Bei der lonenquelle 101 kann es sich um eine aus einer Vielfalt bekannter Ionenquellen handeln. Nach der lonenquelle 101 können auch noch weitere (nicht gezeigte) Einrichtungen zur lonenbeeinflussung und Vakuumtrennwände angeordnet sein, darunter, aber nicht ausschließlich, Begrenzungsblenden, Öffnungen, Leitungen mit geringem Durchmesser und andere lonenoptiken. Bei der praktischen Verwendung werden die in der lonenquelle 101 erzeugten Ionen (deren Laufrichtung durch Pfeile gekennzeichnet ist) zu den lonentrichtern 102 gelenkt. Die lonentrichter 102 befördern die Ionen zum Massenanalysator 104 und bilden einen relativ eng gebündelten Strahl mit einem definierten Phasenraum. Im Folgenden wird ausführlicher beschrieben, dass insbesondere die Neutralteilchen im Allgemeinen nicht der lonenflugbahn folgen und vor dem Verlassen der lonentrichter 102 im Wesentlichen von den Ionen abgetrennt werden, sodass sie im Wesentlichen nicht in den Massenanalysator 104 gelangen. Dass heißt, der lonenstrahl tritt aus den den lonentrichtern 102 aus und wird in den Massenanalysator 104 eingeführt. Die Ionen durchlaufen den Massenanalysator 104 bis zum Ionendetektor 105, wo sie detektiert werden.
• 2A zeigt eine Querschnittsansicht des Übergangsstücks 103 gemäß einer Ausführungsform. Das Übergangsstück 103 weist eine erste Kammer 201 und eine zweite Kammer 202 auf. Zur Erläuterung sei gesagt, dass es sich bei den Kammern 201, 202 um Vakuumkammern handelt, die verschieden stark evakuiert sind, während der Umgebungsdruck an der lonenquelle 101 ungefähr Atmosphärendruck beträgt. In der ersten Kammer 201 herrscht ein erster Druck P₁ und in der zweiten Kammer 202 ein zweiter Druck P₂, wobei P₁ > P₂ ist. Zur Erläuterung sei gesagt, dass der erste Druck P₁ im Bereich von ungefähr 2 Torr (0,27 kPa) bis ungefähr 100 Torr (13,3 kPa) und der zweite Druck P₂ im Bereich von ungefähr 0,1 Torr (13 Pa) bis ungefähr 10 Torr (1,3 kPa) liegt. Bei einer anschaulichen Ausführungsform beträgt der Druck P₁ 10 Torr (1,3 kPa) und der Druck P₂ 3 Torr (4 kPa). Es wird darauf hingewiesen, dass der Druckbereich für den ersten Druck P₁ und den zweiten Druck P₂ nur zur Veranschaulichung dient und andere Druckbereiche denkbar sind.
• Ein erster lonentrichter 203 wird in der ersten Kammer 201 und ein zweiter lonentrichter 204 in der zweiten Kammer 202 bereitgestellt. Der erste lonentrichter 203 und der zweite lonentrichter 204 sind hintereinandergeschaltet. Anschaulich bedeutet das, dass die Trichter 203, 204 direkt ohne weitere Bauelemente dazwischen oder mit weiteren dazwischen angeordneten Bauelementen (z. B. lonenoptiken) hintereinandergeschaltet sein können.
• Der erste lonentrichter 203 weist eine erste Eintrittsöffnung 205 und eine erste Austrittsöffnung 206 und der zweite lonentrichter 204 eine zweite Eintrittsöffnung 207 und eine zweite Austrittsöffnung 208 auf. Eine erste Achse 209 reicht von der ersten Eintrittsöffnung 205 bis zur ersten Austrittsöffnung 206 und eine zweite Achse 210 von der zweiten Eintrittsöffnung 207 bis zur zweiten Austrittsöffnung 208. Bei dieser Ausführungsform dient die erste Austrittsöffnung 206 als Begrenzungsblende zwischen der ersten Kammer 201 und der zweiten Kammer 202 und stellt zugleich das letzte aktive Bauelement des lonentrichters 203 dar, das unter HF-Spannung steht. Die an der Begrenzungsblende anliegende HF-Spannung verhindert eine Aufladung und verbessert dadurch die Stabilität des lonentransports durch das Übergangsstück 103.
• Die erste Austrittsöffnung 206 ist angrenzend an eine Öffnung 211 in einer Trennwand 212 zwischen der ersten Kammer 201 und der zweiten Kammer 201 angeordnet; und die zweite Eintrittsöffnung 207 ist an einer gegenüberliegenden Seite angrenzend an die Öffnung 211 in der Trennwand 212 angeordnet. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform ist in der Öffnung 211 in der Trennwand 212 eine elektrostatische Triftröhre 213 angeordnet. Gemäß der hier gegebenen ausführlicheren Beschreibung kann die elektrostatische Triftröhre 213 dazu verwendet werden, Ionen durch die Öffnung 211 und von der ersten Austrittsöffnung 206 in die zweite Eintrittsöffnung 207 zu beschleunigen. Die elektrostatische Triftröhre 213 kann bekannte lonenoptiken aufweisen, beispielsweise typische Trift-Ionenoptiken mit mehreren Elektroden und einer zur Beschleunigung dienenden Potenzialdifferenz zwischen diesen.
• Anschaulich stellt der erste lonentrichter 203 einen aus mehreren Segmenten bestehenden lonentrichter dar, der eine Vielzahl von Elektroden 214 aufweist. Desgleichen stellt der zweite lonentrichter 204 anschaulich einen aus mehreren Segmenten bestehenden lonentrichter dar, der eine Vielzahl von Elektroden 215 aufweist. Zahlreiche Details zu den segmentierten lonentrichtern, die eine Vielzahl von Elektroden aufweisen sind zu finden in den US-Patentschriften: US 6 107 628 A von Smith et al.; US 6 583 408 B2 von Smith et al.; und US 7 495 212 B2 von Kim et al. Die jeweiligen vollständigen Beschreibungen der Patentschriften von Smith et al. sowie von Kim et al. sind hierin ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen. Es können auch andere bekannte lonentrichter verwendet werden.
• Die Elektroden 214, 215 weisen zur Veranschaulichung einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf, jedoch können die Elektroden auch einen anderen, zum Beispiel elliptischen Querschnitt aufweisen. Bei einer Ausführungsform weisen der erste lonentrichter 203 und der zweite lonentrichter 204 unmittelbar an ihren jeweiligen Eintrittsöffnungen 205, 207 gelegene Bereiche, die im Wesentlichen zylindrisch sind, und unmittelbar an ihren jeweiligen Austrittsöffnungen gelegene Bereiche auf, die im Wesentlichen kegelförmig sind. Zum Beispiel weist der erste lonentrichter 203 einen Bereich 216 auf, der angrenzend an die erste Eintrittsöffnung 205 im Wesentlichen zylindrisch ist, und der zweite lonentrichter 204 weist einen Bereich 217 auf, der angrenzend an die zweite Eintrittsöffnung 207 im Wesentlichen zylindrisch ist. Außerdem weist der erste lonentrichter 203 einen Bereich 218 auf, der angrenzend an die erste Austrittsöffnung 206 im Wesentlichen kegelförmig ist, und der zweite lonentrichter 204 weist einen Bereich 219 auf, der angrenzend an die zweite Austrittsöffnung 208 im Wesentlichen kegelförmig ist. Somit sind die Elektroden 214, 215 bei bestimmten Ausführungsformen im Wesentlichen kreisförmig mit einem im Wesentlichen konstanten Radius in den Bereichen 216, 217; und die Elektroden 214, 215 sind im Wesentlichen kreisförmig mit kleiner werdenden Radien in den Bereichen 218, 219, wobei die kleinsten Radien unmittelbar an den entsprechenden Austrittsöffnungen 206, 208 liegen. Es wird darauf hingewiesen, dass die in Verbindung mit dem ersten und zweiten lonentrichter 203, 204 gezeigte und beschriebene Anordnung der Elektroden 215, 216 nur zur Veranschaulichung dient und nicht als Einschränkung der dargestellten Lehren zu verstehen ist. Desgleichen sind auch andere Anordnungen denkbar. Zum Beispiel können sich die Elektroden 215, 216 von den entsprechenden Eintrittsöffnungen 205, 207 bis zu den entsprechenden Austrittsöffnungen 206, 208 in Längsrichtung einander immer weiter annähern. Im ersten lonentrichter 203 und im zweiten lonentrichter 204 werden elektrische HF- und Gleichfelder erzeugt. Diese Felder dienen dazu, die Ionen entlang einer Flugbahn parallel zur ersten Achse 209 im ersten lonentrichter 203 und entlang einer Flugbahn parallel zur zweiten Achse 210 im zweiten lonentrichter 204 zu lenken. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der erste lonentrichter 203 in seiner Längsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zur ersten Achse 209, und der zweite lonentrichter 204 ist in seiner Längsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zur zweiten Achse 210.
• 2B zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des Übergangsstücks 103, um die Winkelbeziehung zwischen dem ersten lonentrichter 203 und dem zweiten lonentrichter 204 einer Ausführungsform zu veranschaulichen. Der erste lonentrichter 203 ist unter einem Winkel gegenüber dem zweiten lonentrichter 204 gekippt, sodass die erste Achse 209 gegenüber der zweiten Achse 210 einen Winkel 219 bildet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird der Winkel 219 so gewählt, dass er im Bereich von ungefähr 2° bis ungefähr 30° liegt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Bereich des Winkels 219 nur zur Veranschaulichung dient und dass ein Winkel innerhalb dieses Bereichs gewählt werden kann, bei dem der Durchsatz der Ionen von der ersten Eintrittsöffnung 205 bis zur zweiten Austrittsöffnung 208 erhöht und der Durchsatz der Neutralteilchen verringert wird.
• Die den ersten lonentrichter 203 durchlaufenden Ionen werden durch das Potenzialfeld entlang einer zur ersten Achse 209 parallelen Flugbahn gelenkt. Die Neutralteilchen werden durch den zwischen der ersten Kammer 201 und der zweiten Kammer 202 erzeugten Druckunterschied ebenfalls entlang einer zur ersten Achse 209 parallelen Flugbahn gelenkt. Desgleichen gelangen die durch die Öffnung 212 in der Trennwand 211 tretenden Ionen in den zweiten lonentrichter 204 und werden entlang der zweiten Achse 210 gelenkt. Die Neutralteilchen werden jedoch durch die elektrischen Felder des ersten lonentrichters 203 bzw. des zweiten lonentrichters 204 nicht beeinflusst, sondern lediglich durch den zwischen der ersten Kammer 201 und der zweiten Kammer 202 erzeugten Druckunterschied vorangetrieben. Das führt dazu, dass die Neutralteilchen von ihrer Flugbahn entlang der ersten Achse 209 nicht auf die Flugbahn entlang der zweiten Achse 210 umgelenkt, sondern durch die Trennwand 211 und entlang einer zur ersten Achse 209 in den zweiten lonentrichter durchgelassen werden. Außerdem treffen die Neutralteilchen auf einen Bereich 220 entlang einer durch die Elektroden 215 des zweiten lonentrichters 204 gebildeten Innenfläche auf. Insbesondere werden die Neutralteilchen entlang der Elektroden 215 im Bereich 220 (entlang einer Seite des durch die segmentierten Elektroden 215 gebildeten Zylinders oder Kegels oder beider) asymmetrisch abgeschieden und nicht von vornherein gleichmäßig auf die Elektroden verteilt.
• Durch die asymmetrische Ansammlung von Neutralteilchen im Bereich 220 wird eine isolierende oder dielektrische Schicht auf den Elektroden 215 im Bereich 220 erzeugt. Es ist natürlich klar, dass auch ein kleiner Teil der Ionen, die den Bereich 220 im zweiten lonentrichter durchlaufen, auf den Bereich 220 auftrifft. Aufgrund der im Bereich 220 gebildeten dielektrischen oder isolierenden Schicht bewirken diese Ionen ein Abstoßen der Hauptmenge der Ionen vom verunreinigten Bereich 220 und dadurch eine vollständigere Übertragung der Hauptmenge der Ionen zur zweiten Austrittsöffnung 208 des zweiten lonentrichters 204. Dadurch wird schließlich der Durchsatz der Ionen zum Massenanalysator 104 stabilisiert und der Massenanalysator 104 selbst weniger anfällig gegen Verunreinigungen.
• Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegenden Lehren nicht auf die Verwendung von zwei lonentrichtern (z. B. einen ersten lonentrichter 203 und einen zweiten lonentrichter 204) oder auf einen einzigen lonentrichter in jeder Kammer beschränkt sind. Zum Beispiel ist ein in einer (nicht gezeigten) dritten Kammer angeordneter dritter lonentrichter denkbar. Die dritte Kammer kann an die zweite Kammer 202 angrenzend in einer Reihe mit der zweiten Kammer 202 und der ersten Kammer 201 angeordnet werden. Die Achse der dritten Kammer wäre dann entweder um einen Winkel gegenüber der zweiten Achse 210 gekippt oder seitlich zu ihr verschoben. Bei dieser Anordnung herrscht in der dritten Kammer ein dritter Druck (P₃), der niedriger als der zweite Druck P₂ ist. Alternativ kann die dritte Kammer an den ersten lonentrichter 203 angrenzend und in einer Reihe mit dem ersten lonentrichter 203 und dem zweiten lonentrichter 204 angeordnet werden. Bei dieser Anordnung herrscht in der dritten Kammer ein dritter Druck (P₃), der höher als der zweite Druck P₂ ist. Die Achse der dritten Kammer wäre dann entweder um einen Winkel gegenüber der ersten Achse 209 gekippt oder seitlich zu ihr versetzt.
• 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Übergangsstücks 103 für eine MS-Einheit gemäß einer Ausführungsform. Viele in Verbindung mit 3 beschriebene Details des Übergangsstücks 103 gleichen denen in der Beschreibung der 1 und 2A und werden nicht wiederholt, um Unklarheiten bezüglich der hier beschriebenen Ausführungsformen zu vermeiden.
• Das Übergangsstück 103 weist eine erste Kammer 301 und eine zweite Kammer 302 auf. Zur Erläuterung sei gesagt, dass es sich bei den Kammern 301, 302 um Vakuumkammern handelt, die verschieden stark evakuiert sind. Ebenso wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen herrscht in der ersten Kammer 301 ein erster Druck P₁ und in der zweiten Kammer 302 ein zweiter Druck P₂, wobei P₁ > P₂ ist. In der ersten Kammer 301 wird ein erster lonentrichter 303 und in der zweiten Kammer 302 ein zweiter lonentrichter 304 bereitgestellt. Bei dem ersten und zweiten lonentrichter 303, 304 handelt es sich wie bei der obigen Beschreibung in Verbindung mit 2A um segmentierte lonentrichter, die eine Vielzahl von Elektroden aufweisen. Außerdem können die lonentrichter 303, 304 zylindrische und kegelförmige Abschnitte oder kegelförmige Abschnitte gemäß der obigen Beschreibung aufweisen.
• Der erste lonentrichter 303 weist eine erste Eintrittsöffnung 305 und eine erste Austrittsöffnung 306 und der zweite lonentrichter 304 eine zweite Eintrittsöffnung 307 und eine zweite Austrittsöffnung 308 auf. Eine erste Achse 309 reicht von der ersten Eintrittsöffnung 305 bis zur ersten Austrittsöffnung 306 und eine zweite Achse 310 von der zweiten Eintrittsöffnung 307 bis zur zweiten Austrittsöffnung 308. Die erste Austrittsöffnung 306 ist angrenzend an eine Öffnung 311 in einer Trennwand 312 zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer 302 und die zweite Eintrittsöffnung 307 ist an einer gegenüberliegenden Seite angrenzend an die Öffnung 311 in der Trennwand 312 angeordnet. Die erste Austrittsöffnung 306 und die Öffnung 311 weisen einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Von der ersten Austrittsöffnung 306 und der Öffnung 311 dient die jeweils kleinere Öffnung als Begrenzungsblende zwischen den Kammern 301 und 302. Der Radius der Begrenzungsblende ist mit r₁ definiert. Bei der Ausführungsform ist die zweite Eintrittsöffnung 307 im Wesentlichen kreisförmig und weist einen Radius r2 auf. Die zweite Austrittsöffnung 308 ist angrenzend an eine Trennwand 314 angeordnet und im Wesentlichen auf eine darin befindliche Öffnung 315 ausgerichtet. Bei einer Ausführungsform weist die Trennwand 312 ein Gleichspannungspotenzial auf, das zwischen den Werten des Gleichspannungspotenzials für die Ausgangsöffnung 306 des ersten lonentrichters 303 und für die Eingangsöffnung 307 des zweiten lonentrichters 304 liegt und dazu dient, die Ionen in die Richtung zur Eingangsöffnung 307 des zweiten lonentrichters zu beschleunigen.
• Im ersten lonentrichter 303 und im zweiten lonentrichter 304 werden elektrische HF- und Gleichfelder erzeugt. Diese Felder dienen dazu, die Ionen entlang einer Flugbahn parallel zur ersten Achse 309 im ersten lonentrichter 303 und entlang einer Flugbahn parallel zur zweiten Achse 310 im zweiten lonentrichter 304 zu lenken. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der erste lonentrichter 303 in seiner Längsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zur ersten Achse 309, und der zweite lonentrichter 304 ist in seiner Längsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zur zweiten Achse 310.
• Der erste lonentrichter 303 ist seitlich gegenüber dem zweiten lonentrichter 304 verschoben, sodass die erste Achse 309 im Wesentlichen parallel dazu verläuft, aber um einen Abstand 316 gegenüber der zweiten Achse 310 versetzt ist. Der zweite lonentrichter 304 ist gemäß dem in 3 gezeigten Koordinatensystem entlang der y-Achse in negativer Richtung gegenüber dem ersten lonentrichter 303 versetzt. Dieses Beispiel dient lediglich zur Veranschaulichung, und der zweite lonentrichter 304 kann auch in positiver Richtung versetzt sein. Im Allgemeinen ist der Versatz-Abstand 316 größer als der Radius r₁ und kleiner als der Radius r₂. Zu beachten ist, dass der Versatz um den Abstand 316 in jeder radialen Richtung von der ersten Achse 309 erfolgen kann. Es sollte klar sein, dass die erste Achse 309 bei einem seitlichen Versatz im Wesentlichen nicht unbedingt parallel zur zweiten Achse 310 verlaufen muss.
• Die den ersten lonentrichter 303 durchlaufenden Ionen werden durch das Potenzialfeld entlang einer zur ersten Achse 309 parallelen Flugbahn gelenkt. Die Neutralteilchen werden durch den zwischen der ersten Kammer 301 und der zweiten Kammer 302 erzeugten Druckunterschied ebenfalls entlang einer zur ersten Achse 309 parallelen Flugbahn gelenkt. Desgleichen gelangen die durch die Öffnung 311 in der Trennwand 312 tretenden Ionen in den zweiten lonentrichter 304 und werden entlang der zweiten Achse 310 gelenkt. Somit ist die Flugbahn der Ionen infolge der relativen Verschiebung im elektrischen Feld des zweiten lonentrichters 304 um den Abstand 316 gegenüber dem elektrischen Feld des ersten lonentrichters 303 versetzt. Die Neutralteilchen werden jedoch durch die elektrischen Felder des ersten lonentrichters 316 bzw. des zweiten lonentrichters 204 nicht beeinflusst, sondern lediglich durch den zwischen der ersten Kammer 301 und der zweiten Kammer 302 erzeugten Druckunterschied vorangetrieben. Das führt dazu, dass die Neutralteilchen von ihrer Flugbahn entlang der ersten Achse 309 nicht auf die Flugbahn entlang der zweiten Achse 310 umgelenkt, sondern durch die Trennwand 312 und in den zweiten lonentrichter 304 durchgelassen und seitlich gegenüber der zweiten Achse 310 versetzt werden. Außerdem wandern die Neutralteilchen gemäß der Darstellung in 3 entlang der Flugbahn 317 und treffen auf eine durch die Elektroden des zweiten lonentrichters 304 gebildete Innenfläche 318 auf. Insbesondere werden die Neutralteilchen entlang der Elektroden im Bereich 318 (entlang einer Seite des durch die segmentierten Elektroden gebildeten Zylinders oder Kegels oder beider) asymmetrisch abgeschieden und nicht von vornherein gleichmäßig auf die Elektroden verteilt.
• Durch die asymmetrische Ansammlung von Neutralteilchen im Bereich 318 wird eine isolierende oder dielektrische Schicht auf den Elektroden des zweiten lonentrichters 304 im Bereich 318 erzeugt. Es ist natürlich klar, dass auch ein kleiner Teil der Ionen, die den Bereich 318 im zweiten lonentrichter durchlaufen, auf den Bereich 318 auftrifft. Aufgrund der im Bereich 318 gebildeten dielektrischen oder isolierenden Schicht bewirken diese Ionen ein Abstoßen der Hauptmenge der Ionen vom verunreinigten Bereich 318 und dadurch eine vollständigere Übertragung der Hauptmenge der Ionen zur Austrittsöffnung 208 des zweiten lonentrichters. Dadurch wird schließlich der Durchsatz der Ionen zum Massenanalysator 104 stabilisiert und der Massenanalysator 104 selbst weniger anfällig gegen Verunreinigungen.
• 4 veranschaulicht einen Ablaufplan eines Verfahrens 400 zum Trennen von Ionen und Neutralteilchen gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren kann mittels des oben beschriebenen Übergangsstücks 103 durchgeführt werden. Gemäß dem Verfahren werden in Schritt 401 Ionen und Neutralteilchen einem Übergangsstück zugeführt. Das Übergangsstück weist einen ersten lonentrichter, der eine erste Eintrittsöffnung und eine zweite Austrittsöffnung aufweist, und einen zweiten lonentrichter, der eine zweite Eintrittsöffnung und eine zweite Austrittsöffnung aufweist, in einer Reihe mit dem ersten lonentrichter auf. Die Achse des ersten lonentrichters und die Achse des zweiten lonentrichters sind gemäß der Beschreibung in Verbindung mit den obigen Ausführungsformen gegeneinander versetzt. Gemäß dem Verfahren werden in Schritt 402 Ionen und Neutralteilchen entlang einer ersten Achse zwischen der ersten Eintrittsöffnung der ersten Austrittsöffnung gelenkt. Gemäß dem Verfahren werden in Schritt 403 die Ionen, aber nicht die Neutralteilchen, entlang einer zweiten Achse zwischen der zweiten Eintrittsöffnung der zweiten Austrittsöffnung gelenkt.
• Angesichts dieser Beschreibung wird festgestellt, dass die Verfahren und Systeme im Einklang mit den vorliegenden Lehren realisiert werden können. Die Achse des ersten lonentrichters und die Achse des zweiten lonentrichters sind gemäß der Beschreibung in Verbindung mit den obigen Ausführungsformen gegeneinander versetzt, wobei als Versatz ein Kippung um einen Winkel oder eine seitliche Verschiebung infrage kommt. Bei dem Versatz kann es sich sowohl um eine Kippung um einen Winkel als auch um eine seitliche Verschiebung handeln. Die verschiedenen aufgeführten Komponenten, Werkstoffe, Strukturen und Parameter dienen nur zur Veranschaulichung und als Beispiel und sind nicht als Einschränkung zu verstehen. Angesichts dieser Beschreibung kann der Fachmann die vorliegenden Lehren unter Festlegung eigener Anwendungen und benötigter Komponenten, Werkstoffe, Strukturen und Ausrüstungen zur Realisierung dieser Anwendungen umsetzen, ohne den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche zu verlassen.

Claims (3)

1. Übergangsstück (103) zur Verwendung in einem Massenspektrometer (100), wobei das Übergangsstück (103) aufweist: eine erste Kammer (201), die zum Aufrechterhalten eines ersten Druckes (P₁) gestaltet ist, und eine zweite Kammer (202), die zum Aufrechterhalten eines zweiten Druckes (P₂) gestaltet ist, wobei der erste Druck (P₁) zwischen 2 Torr (0,27 kPa) - 100 Torr (13,3 kPa), der zweite Druck (P₂) zwischen 0,1 Torr (13 Pa) - 10 Torr (1,3 kPa) liegt; und der erste Druck (P₁) größer ist als der zweite Druck (P₂) einen ersten lonentrichter (203) in der ersten Kammer (201) mit einer ersten Eintrittsöffnung (205) und einer ersten Austrittsöffnung (206) und einer ersten Achse (209) zwischen der ersten Eintrittsöffnung (205) und der ersten Austrittsöffnung (206); und einen zweiten lonentrichter (204) in der zweiten Kammer (202) und in Reihe mit dem ersten lonentrichter (203), wobei der zweite lonentrichter eine zweite Eintrittsöffnung (207) und eine zweite Austrittsöffnung (208) und eine zweite Achse (210) zwischen der zweiten Eintrittsöffnung (207) und der zweiten Austrittsöffnung (208) aufweist und die erste Achse (209) und die zweite Achse (210) gegeneinander seitlich versetzt sind oder ein Winkel einer Winkelkippung mindestens 2° und höchstens 30° beträgt; wobei eine Innenfläche (318) vorgesehen ist, so dass im Gebrauch Neutralteilchen auf einen Bereich (220) entlang der durch Elektroden (215) des zweiten lonentrichters (204) gebildete Innenfläche (318) treffen und asymmetrisch entlang der Elektrode (215) im Bereich abgeschieden werden.
2. Übergangsstück nach Anspruch 1, wobei die erste Achse (209) und die zweite Achse (210) im Wesentlichen parallel zueinander sind und der seitliche Versatz größer als ein Radius (r₁) einer Begrenzungsblende zwischen der ersten Kammer (201) und der zweiten Kammer (202) und kleiner als ein Radius (r2) der zweiten Eintrittsöffnung des zweiten lonentrichters (204) ist.
3. Massenspektrometer (100), das aufweist: eine lonenquelle (101); einen Massenanalysator (104); und ein Übergangsstück (103) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Übergangsstück (103) zwischen der lonenquelle (101) und dem Massenanalysator (104) angeordnet ist.

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