DE102012222644A1

DE102012222644A1 - Ionenführung und Elektroden zu ihrem Aufbau

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Publication number: DE102012222644A1
Application number: DE102012222644A
Authority: DE
Inventors: Maurizio Splendore; Stephen Zanon
Original assignee: Bruker Daltonics Inc
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: GB2498437A; GB201222963D0; DE102012222644B4; GB2498437B; US20130175441A1; US8779353B2; SG192353A1; CA2801914A1; CA2801914C

Abstract

Es wird eine Ionenführung vorgestellt, die zum Ionentransport von einer Ionenquelle in einem generell hohen Druckbereich zu einem Massenanalysator in einem generell niedrigen Druckbereich dienen kann. Eine Mehrzahl von Elektroden ist mit hervorstehenden Elementen gefertigt, so dass ein Ionentunnel oder Ionentrichter entsteht, wenn die Elektroden um eine gemeinsame Längsachse herum montiert sind. Die Elektroden haben speziell gefertigte Elemente zum Erzeugen des benötigten Hochfrequenz-Felds und können im Wesentlichen aus einem massiven Block eines leitenden Materials gefertigt sein, wie z. B. Metall. Die offengelegte Anordnung vereinfacht erheblich den Herstellungsprozess, wobei auch die Kosten sinken, und die Robustheit und Stabilität der Ionenführung selbst verbessert werden.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Massenspektrometrie und insbesondere auf Ionenführungen, die vorteilhaft an Übergängen zwischen Hoch- und Niederdruckbereichen eingesetzt werden können. Mit Massenspektrometern lässt sich das Molekulargewicht von gasförmigen Substanzen bestimmen. Die Analyse von Proben mittels Massenspektrometrie besteht aus drei Hauptschritten: Erzeugen gasförmiger Ionen aus dem Probenmaterial, Massenanalyse der Ionen, um sie nach ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z zu trennen, und Nachweis der Ionen. Zur Durchführung dieser drei Schritte sind in der Massenspektrometrie verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Die spezielle Kombination der in einem bestimmten Massenspektrometer eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren ist maßgebend für die Merkmale des Instruments.
Bevor mit der Massenanalyse begonnen werden kann, müssen aus dem Probenmaterial gasförmige Ionen erzeugt werden. Wenn das Probenmaterial flüchtig genug ist, können aus den gasförmigen Probemolekülen zum Beispiel durch Elektronenstoßionisation (EI) oder chemische Ionisation (CI) Ionen erzeugt werden.
Die Ionisation bei Atmosphärendruck (API) umfasst eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Ionen. Typischerweise werden dabei Analytionen bei Atmosphärendruck aus einer flüssigen Lösung gewonnen. Bei einem der häufiger verwendeten Verfahren, der Ionisierung durch Elektrosprühen (ESI), wird der in einer flüssigen Lösung gelöste Analyt durch eine Nadel gesprüht. Das Spray wird durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der Nadel und einer Gegenelektrode erzeugt. Durch das Spray bilden sich feine geladene Tröpfchen einer Lösung mit Analytmolekülen. In der Gasphase verdampft das Lösungsmittel, so dass geladene gasförmige Analytionen zurückbleiben.
Neben ESI stehen noch andere Verfahren zum Erzeugen von Ionen bei Atmosphären- oder höherem Druck zur Verfügung. Beispielsweise wurde matrixunterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) auch für den Einsatz bei Atmosphärendruck angepasst. Ein solches Anpassen von Ionenquellen hat generell den Vorteil, dass die Ionenoptiken (d. h. die Elektrodenstruktur und der Betrieb) in dem Massenanalysator und die gewonnenen massenspektrometrischen Ergebnisse weitgehend unabhängig vom verwendeten Ionenerzeugungsverfahren sind.
Bei Hybrid-Analyseinstrumenten, wie z. B. Flüssigkeitschromatographie-/Massenspektrometrie-Instrumenten (LC/MS), bei denen zwei Analyseverfahren aneinander gekoppelt sind und die ausgegebene Flüssigkeit des einen als Eingangsflüssigkeit zur Analyse durch das andere Verfahren dient, werden Ionen bevorzugt in einer Ionenquelle erzeugt, die (nahezu) auf Atmosphärendruck gehalten wird.
Ionenquellen mit höherem Druck (d. h. erhöht im Vergleich zum Massenanalysator) und mit Atmosphärendruck haben immer einen Bereich, in dem Ionen erzeugt werden, und einen Bereich, in dem Ionen durch differentielle Pumpstufen in den Massenanalysator überführt werden. In der Regel werden Massenanalysatoren in einem Vakuum zwischen 10^– ² und 10^–8 Pascal betrieben, je nach Typ des verwendeten Massenanalysators. Bei Verwendung einer ESI-Ionenquelle oder einer MALDI-Ionenquelle mit höherem Druck werden Ionen erzeugt und bleiben zuerst in einem Trägergasbereich unter höherem Druck. Damit die Gasphasenionen in den Massenanalysator gelangen, müssen die Ionen von dem Trägergas getrennt und durch eine oder mehrere Vakuumstufen befördert werden.
Der Einsatz von Multipol-Ionenführungen hat sich als wirksames Mittel zur Beförderung von Ionen durch ein Vakuumsystem erwiesen, wie z. B. in US 4,963,736 A von Douglas et al. beschrieben. Als „Ionenführung” werden unterschiedliche elektrische Vorrichtungen verwendet, wie z. B. Quadrupol-, Hexapol- oder Oktopol-Stabsysteme, aber auch Ringstapel-Elektroden (siehe z. B. US 6,891,153 B2 von Bateman et al.). Die Funktion der Ionenführungen besteht darin, den Ionenstrahl einzuhegen und durch das von der Vorrichtung erzeugte Hochfrequenz-Feld (HF) durch die Zwischenvakuumstufen zu befördern. Der normale Betriebsdruck solcher Ionenführungen liegt etwa bei 100 bis 10.000 Pascal. Ein neues Verfahren der Mikro-Entwicklung von Ringstapel-Ionenführungen wurde vor kurzem von Syms et al. ( US 7,960,693 B2 ) beschrieben.
Einer der Hauptunterschiede zwischen Multipolstab-Ionenführungen und Ringstapelelektroden-Ionenführungen ist die Art der elektrischen Verdrahtung, d. h. der elektrischen Kontakte. Stab-Ionenführungen haben üblicherweise eine gerade Anzahl langgestreckter Polstäbe, die rotationssymmetrisch um eine Längsachse herum angeordnet sind. Die Verdrahtung oder, anders ausgedrückt, die elektrischen Kontakte sind normalerweise so strukturiert, dass zwei einander gegenüber liegende Stäbe dieselbe Phase eines HF-Potentials erhalten, während andere Paare einander gegenüber liegender Stäbe andere Phasen desselben HF-Potentials erhalten. Mit anderen Worten, die Versorgung der Polstäbe mit unterschiedlichen Phasen eines HF-Potentials erfolgt „überkreuz”.
Dagegen sind Ringstapel-Ionenführungen so verdrahtet, dass benachbarte Ringe entlang der Reihe von Ringen wechselnde Phasen (in der Regel jeweils um 180 Grad phasenverschoben) eines HF-Potentials erhalten. Mit anderen Worten, die Versorgung der Ringstapelelektroden mit unterschiedlichen Phasen eines HF-Potentials wechselt „in axialer Richtung”. Daher ist das Spektrum effektiver Geometrien bei Ringstapel-Ionenführungen in der Regel begrenzt. D. h. die Dicke der Ringe und der Spalt zwischen den Ringen müssen im Vergleich zum Durchmesser der Ringöffnung relativ gering sein. Sonst können sich Ionen in „Pseudo-Potentialtöpfen” innerhalb der Ionenführung verfangen und nicht effizient weitergeleitet werden.
Ein weiteres Mittel zur Ionenführung bei „annähernd atmosphärischen” Drücken (d. h. zwischen 10 und 10⁵ Pascal) wird von Smith et al. ( US 6,107,628 A ) beschrieben. Eine Ausführungsform besteht aus einer Reihe von Ringen, bei denen der Durchmesser der Ringöffnungen entlang der Reihe allmählich abnimmt. So bilden die Öffnungen zusammen eine Trichterform, auch Ionentrichter genannt. Der Ionentrichter hat einen Eingang, der der größten Öffnung entspricht, und einen Ausgang, der der kleinsten Öffnung entspricht. Die Reihe der Ringe ist so verdrahtet, dass die Versorgung in axialer Richtung wechselt, wie oben beschrieben. Außerdem wird mit einer Spannungsversorgung und einer Kette von Widerständen ein elektrisches DC-Potentialgefälle erzeugt, um jeden Ring mit der benötigten Spannung zu versorgen, die als Antriebskraft für den Transport der gewünschten Ionen durch den Trichter ausreicht. Ionentrichter können weitere Antriebskräfte erfordern, weil die darin entstehenden Pseudopotentiale aufgrund der schräg zulaufenden Ringöffnungen sonst in axialer Gegenrichtung ionenabstoßend wirken könnten.
Generell haben Ionentrichter den Vorteil, dass sie bei korrektem Betrieb Ionen effizient durch einen relativ hohen Druckbereich (d. h. mehr als etwa 10 Pascal) eines Vakuumsystems transportieren können, während Multipol-Ionenführungen bei solchen Drücken schlechter abschneiden. Dagegen sind Ionentrichter bei geringerem Druck weniger effizient als Multipol-Ionenführungen.
zeigt eine exemplarische Anordnung eines Massenspektrometers nach Stand der Technik. Links sieht man eine Ionenquelle mit einem Ionenquellengehäuse 6, das in diesem Fall mit einer Elektrosprühkapillare 4 ausgestattet ist, die in das Ionenquellengehäuse 6 hineinragt und der aus dem Behälter 2 eine Probenlösung zugeführt wird. Gegenüber der Sprühkapillare 4 hat das Ionenquellengehäuse 6 eine Austrittsöffnung 8 für überschüssigen Lösungsmittelnebel. Das Ionenquellengehäuse 6 ist mit einer Massenspektrometer-Baugruppe verbunden, die vier differentielle Pumpkammern 30, 32, 34 und 36 aufweist. Der Druck in diesen Pumpkammern 30, 32, 34 und 36 kann zum Beispiel jeweils 300, 3, 3 × 10^–2 und 3 × 10^–4 Pascal betragen. Die Drücke in den Pumpstufen 30, 32, 34 und 36 werden über die Vakuumpumpen 31, 33, 35 und 37 eingestellt und aufrechterhalten. Die erste Vakuumkammer 30 hat eine Einlasskapillare 10, die axial versetzt auf der Seite des Ionenquellengehäuses angeordnet ist und Ionen aus der Probenlösung aufnimmt, die in das Ionenquellengehäuse 6 eingeschossen wurden. Der axiale Versatz der Einlasskapillare 10 verhindert, dass Tröpfchen direkt bis zum Ionendetektor 48 durchfliegen.
Die andere Seite der Einlasskapillare 10 ist gegenüber einem Ringstapel-Ionentrichter 16 angeordnet, wie zum Beispiel aus der oben angegebenen Veröffentlichung von Smith et al. bekannt. Der Ionentrichter 16 ist mit einem Netzwerk zur Erzeugung von HF- und DC-Spannungen 12, 14 verbunden, das die einzelnen Ringe mit axial wechselnden Phasen einer HF-Spannung versorgt, so dass Pseudopotentiale zur radialen Speicherung generiert werden können. Die separaten Elektroden des Ringstapel-Ionentrichters 16 können auch mit einem DC-Potentialgefälle entlang der Achse versorgt werden, um eine zusätzliche Kraft zu erzeugen, die die Ionen durch den Trichter 16 zieht.
Die Ringstapel-Ionenführung 16, deren Ringelektrode mit der größten Öffnung zum Auslass der Einlasskapillare 10 und deren Ringelektrode mit der kleinsten Öffnung zu einer isolierten Blende 50 am Übergang zur nächsten differentiellen Pumpkammer 32 zeigt, wodurch ein Potentialgefälle entlang des Ionenwegs erzeugt werden kann, hat ein großes Aufnahmeprofil für den Einlass von Ionen in die Einlasskapillare 10 und fördert durch die schräg zulaufende Öffnung entlang ihrer Achse die radiale Fokussierung, so dass der Außendurchmesser des Ionenstroms bei Verlassen des Trichters 16 klein genug ist, um die isolierte Blende 50 ohne größere Ionenverluste zu passieren.
Die Vakuumkammern 32, 34, die der Vakuumkammer 30 mit dem Ionentrichter 16 nachgeschaltet sind, können dann jeweils eine Quadrupolstab-Ionenführung 42, 44 beinhalten, wie z. B. aus der oben angegebenen Veröffentlichung von Douglas et al. bekannt, und jeweils weitere isolierte Blenden 52 und 54 an den nachgeschalteten Übergängen. Aufgrund der radialen Fokussierung der Ionen im Ionentrichter 16 sind die Ionenführungen 42, 44 gut zum Weitertransport der Ionen ohne bedeutende Ionenverluste geeignet. Die letzte Vakuumkammer 36 in diesem Beispiel hat einen Quadrupolstab-Massenfilter 46, der im Stand der Technik bekannt ist. Durch Anlegen geeigneter HF- und DC-Spannungen an die Polstäbe des Massenfilters 46 kann ein Fenster von Masse-zu-Ladungsverhältnissen m/z eingestellt oder ein Bereich entsprechender Fenster durchgestimmt werden, um Ionen mit gewünschtem Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z den Massenfilter 46 passieren zu lassen, so dass sie zum Ionendetektor 48 gelangen und dort als Funktion der angelegten Spannungsbedingungen gemessen werden können.
Vor kurzem haben Kim et al. (in US 7,851,752 B2 , dessen Inhalt hiermit vollständig in diese Offenlegung einbezogen wird) eine neue Ausformung einer Ionenführung vorgestellt, die die Merkmale einer Verdrahtung zur überkreuz-Versorgung und axial wechselnden Versorgung vereint. Bei dieser Konstruktion ist jeder Ring (bzw. jede Elektrode) in einer herkömmlichen Ringstapel-Ionenführung in eine Mehrzahl elektrisch leitender Zonen segmentiert, die durch isolierende Zonen voneinander getrennt sind. Die elektrisch leitenden Zonen jeder Elektrode werden, wie bei Multipolstab-Ionenführungen bekannt, überkreuz versorgt, während ebenfalls, wie bei Ringstapel-Ionenführungen bekannt, zwischen elektrisch leitenden Zonen zueinander ausgerichteter benachbarter Elektroden in der Reihe axial wechselnde Phasenverschiebungen erzeugt werden. Dies soll vor allem unerwünschte Pseudo-Potentialtöpfe, in denen sich Ionen verfangen, zwischen benachbarten Elektroden im Stapel verhindern. Doch die Konstruktion der Ionenführung von Kim ist insofern unpraktisch, als elektrisch isolierende ringförmige Träger vorzusehen sind, die an den für die elektrisch leitenden Zonen vorgesehenen Stellen mit Metallfolien belegt werden. All diese elektrisch leitenden Zonen müssen dann der gewünschten elektrischen Schaltung entsprechend verdrahtet werden. Dieses Verfahren ist eher zeitaufwendig, da jede Elektrode im Stapel einzeln gefertigt werden muss.
Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf zur Bereitstellung einer Ionenführung, die die vorteilhaft kombinierte Verdrahtung zur axial wechselnden und überkreuz-Versorgung umfasst und dabei insbesondere leichter herzustellen und zu montieren ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Prinzipien der Erfindung weist eine HF-Ionenführung eine Mehrzahl von Elektroden auf, in denen jeweils mindestens eine Reihe von Elementen von einem Halter absteht, wobei jedes hervorstehende Element an einem distalen Ende ein eine Öffnungskontur bildendes, elektrisch leitendes Teilstück aufweist. Nach Zusammenbau der Elektroden bilden die Reihen der hervorstehenden Elemente zusammen eine Reihe im Wesentlichen eben segmentierter Öffnungskomponenten, wobei jede der segmentierten Öffnungskomponenten eine Mehrzahl isolierender Spalte zwischen den zusammenwirkenden hervorstehenden Elementen aufweist und wobei durch das Zusammenwirken der die Öffnungskontur bildenden Teilstücke eine zentrale Öffnung entsteht. Die Ausformung der offengelegten HF-Ionenführung vereinfacht erheblich den Herstellungsprozess, wobei auch die Kosten sinken, und die Robustheit und Stabilität der Ionenführung selbst verbessert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen ändert sich eine Dimension des die Öffnungskontur bildenden Teilstücks entlang mindestens einer Reihe hervorstehender Elemente in jeder der Elektroden, so dass durch das Zusammenwirken der Reihen hervorstehender Elemente der Elektroden eine Dimension der zentralen Öffnung entlang der Reihe segmentierter Öffnungskomponenten abnimmt, wodurch ein Ionentrichter entsteht.
In verschiedenen Ausführungsformen weisen die Elektroden jeweils an einem Ende Befestigungsplatten auf, über die sie mit einer Trägerplatte verbunden sind.
In weiteren Ausführungsformen weist der Halter eine Mehrzahl von Pumpöffnungen in jeder der Elektroden auf. Der Halter kann die Form einer Rückwand aufweisen.
In manchen Ausführungsformen umfasst jede Reihe hervorstehender Elemente ein erstes hervorstehendes Element, ein letztes hervorstehendes Element und eine Gruppe zwischenliegender hervorstehender Elemente, wobei in jeder der Elektroden der Halter und zumindest die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente einstückig aus einem leitenden Material gefertigt sind. Neben einer Vereinfachung der elektrischen Verdrahtung ermöglicht die Fertigung in einem einzigen Stück auch ein gleichzeitiges Erhitzen der Elektrodenteile. Durch Erhitzen lässt sich eine dauerhafte Ablagerung von Substanzen verhindern, die zu unerwünschten elektrostatischen Aufladungen und schädlichen Ausgasungen führen können. Außerdem ermöglichen moderne spanabhebende Bearbeitungsverfahren das Herausarbeiten der gewünschten Elektrodenelemente mit einer einzigen Einspannung des Werkstücks, so dass die geometrischen Toleranzen der verschiedenen Elektrodenelemente gering gehalten werden können.
In manchen Ausführungsformen sind das erste und das letzte hervorstehende Element an dem Halter befestigt, und von diesem elektrisch isoliert, und werden separat mit HF- und DC-Potentialen versorgt.
Die hervorstehenden Elemente sind vorzugsweise in zwei parallelen Reihen auf dem Halter jeder Elektrode angeordnet, wobei eine Reihe räumlich in axialer Richtung versetzt ist, so dass die hervorstehenden Elemente der einen Reihe, insbesondere zentral, einem Bereich zwischen zwei hervorstehenden Elementen der anderen Reihe gegenüber liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen bilden die hervorstehenden Elemente jeder segmentierten Öffnungskomponente einander gegenüber liegende Paare, wobei die einander gegenüber liegenden Paare so gestaltet sind, dass sie mit verschiedenen Phasen eines HF-Potentials versorgt werden.
In weiteren Ausführungsformen sind die hervorstehenden Elemente der segmentierten Öffnungskomponenten im Wesentlichen an einer gemeinsamen Achse entlang der Reihe ausgerichtet, wobei jedes hervorstehende Element in einer segmentierten Öffnungskomponente mit einer anderen Phase des HF-Potentials versorgt wird als die dazu ausgerichteten hervorstehenden Elemente in benachbarten segmentierten Öffnungskomponenten.
Dabei ist es von Vorteil, wenn alle Elektroden identisch und rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Längsachse herum montiert sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für die Massenspektrometrie, die eine Ionenquelle, einen Massenanalysator und eine wie vorstehend ausgeführte Ionenführung aufweist. Die Ionenführung umfasst eine mit der Ionenquelle verbundene Einlassseite und eine mit dem Massenanalysator verbundene Auslassseite und ist zur Führung von Ionen von der Ionenquelle bis zum Massenanalysator konfiguriert. Die Ionenquelle wird auf einem Druck gehalten, der über dem des Massenanalysators liegt. Falls die Ionenführung als Ionentrichter ausgeführt ist, zeigt die Seite mit der großen Öffnung vorteilhafterweise zur Ionenquelle und die Seite mit der kleinen Öffnung zum Massenanalysator.
Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Elektrode für eine Ionenführung, wobei die Elektrode eine Mehrzahl hervorstehender Elemente aufweist, die in mindestens zwei benachbarten Reihen von einem Halter hervorstehen, und jede der Reihen ein erstes hervorstehendes Element, ein letztes hervorstehendes Element und eine Gruppe zwischenliegender hervorstehender Elemente enthält. Jedes der hervorstehenden Elemente hat an einem distalen Ende ein eine Öffnungskontur bildendes, elektrisch leitendes Teilstück, und der Halter und zumindest die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente sind einstückig aus einem leitenden Material gefertigt, wie z. B. Metall.
In verschiedenen Ausführungsformen sind das erste hervorstehende Element, das letzte hervorstehende Element und die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente in jeder Reihe zusammen mit dem Halter einstückig aus einem leitenden Material gefertigt.
In manchen Ausführungsformen sind das erste und das letzte hervorstehende Element an dem Halter befestigt und von diesem elektrisch isoliert.
In weiteren Ausführungsformen haben die hervorstehenden Elemente die Form von Rippen und ist das die Öffnungskontur bildende Teilstück eine Einbuchtung am distalen Ende der Rippen.
Der Halter ist vorzugsweise eine Rückwand. Die Rückwand kann eine Mehrzahl von Pumpöffnungen aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die hervorstehenden Elemente oberflächenbehandelt, um chemische Beständigkeit zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung sind der detaillierten Beschreibung zu entnehmen, die sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht. Es sei darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen (in vielen Fällen schematisch) verschiedene, nicht einschränkende Beispiele verschiedener Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, die durch die beigefügten Ansprüche festgelegt wird.
zeigt schematisch eine Massenspektrometer-Baugruppe nach Stand der Technik
zeigt ein Teilelement einer Ionenführung mit schräg zulaufender Öffnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht.
Die –C zeigen perspektivische Ansichten einer Ionenführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die aus vier Teilelementen, wie in dargestellt, zusammengebaut ist.
zeigt eine Ausführungsform einer Elektrode, die einen DC-Gradienten entlang der Ionenflussachse erzeugt.
Die –C zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Elektroden eine Befestigungsplatte aufweisen und auf einer Trägerplatte befestigt sind.
Die –B zeigen eine andere Ausformung der Ionenführungs-Elektroden und die zusammengebaute Ionenführung.
Die , und zeigen Implementierungen der hervorstehenden Elemente mit Komponenten, die unterschiedliche Öffnungskonturen erzeugen.
zeigt ein Prinzipbild einer Massenspektrometer-Baugruppe mit einer Ionenführung, die den Prinzipien der vorliegenden Erfindung entspricht.
zeigt in einem Flussdiagramm, wie eine Elektrode für eine Ionenführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung gefertigt und eingesetzt werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Ionentrichter bereit, der Ionen von der Ionenquelle zum Massenanalysator überführt. Eine Ausführungsform ist in –C veranschaulicht. Diese Ausführungsform besteht aus vier identischen Elektroden, die aus einem massiven Block gefertigt und um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, bei der es sich um eine Ausbreitungsachse des Ionenstrahls handelt. Eine solche gefertigte Elektrode 200 ist in dargestellt. Jede der vier Elektroden 200 weist einen Halter in Form einer Rückwand 205 auf, der eine Mehrzahl von Öffnungen 215 enthalten kann, um seitliches Abpumpen zu ermöglichen. Die Elektrode 200 umfasst auch eine Mehrzahl gefertigter Elemente, wie z. B. hervorstehender Rippen 210, zum Erzeugen des benötigten HF-Multipolfelds. In dieser Ausführungsform sind die Rückwand 205 und alle Rippen 210 aus einem Block eines leitenden Materials gefertigt. In anderen Ausführungsformen können die Rippen 210 separat gefertigt und dann durch Mittel wie Schweißen, leitenden Klebstoff, Sintern, Schrauben usw. auf der Rückwand 205 befestigt sein. Die Abstände, Form und Dicke der Rippen 210 bestimmen zusammen das HF-Feld und sind leicht in eine einzelne Elektrode einzubauen. Generell ist es von Vorteil, die Dimensionen der Rippen 210 auf ein (praktikables) Minimum zu begrenzen, um auch die Kapazität möglichst gering zu halten.
Wie das Beispiel in –C zeigt, ist die Rückwand 205 mit zwei Reihen hervorstehender Rippen 210 versehen. Jede der Rippen 210 ist generell rechtwinklig und hat eine Aussparung in dem die Außenkontur bildenden Teilstück, hier in Form eines bogenförmigen Ausschnitts 225 in einer Ecke (wobei die Ecke neben einer Ionenflussachse liegt). Der bogenförmige Ausschnitt 225 entspricht in der Regel etwa einem Kreissegment. Der Radius des bogenförmigen Ausschnitts, der in den und durch den mit „r” gekennzeichneten Pfeil symbolisiert wird, nimmt von einer Rippe zur nächsten in axialer Richtung ab. Nach Zusammenbau der Elektroden 200 fallen die Radiusmittelpunkte der Kreissegmente vorzugsweise mit einer Ionenflussachse in der Ionenführung zusammen. Die Rippe, die der Ionenquelle am nächsten ist (in oben rechts), hat den größten Ausschnitt, während die Rippe, die dem Massenanalysator am nächsten ist (in unten links), den kleinsten Ausschnitt hat. Dadurch bilden die bogenförmigen Ausschnitte nach Zusammenbau der komplementären Elektroden, wie in –C gezeigt, eine Trichterform mit einer großen zentralen Öffnung zur Ionenquelle und einer kleinen zentralen Öffnung zum Massenanalysator. In –C zeigt der zusammengebaute Trichter mit der großen zentralen Öffnung zum Betrachter, d. h. man sieht die Seite der montierten Baugruppe, die zur Ionenquelle führt. Daher haben die in –C vollständig sichtbaren Rippen 210 den Ausschnitt mit dem größten Radius.
In dem speziellen Beispiel der –C haben die Rippen 210 in jeder Reihe zueinander einen Abstand „d”, der der Dicke „t” zuzüglich dem zweifachen Abstand zwischen den montierten flachen segmentierten Öffnungskomponenten (wie weiter unten erläutert) des zusammengebauten Ionentrichters entspricht. Durch diese Trennung passt eine komplementäre Rippe einer komplementären Elektrode zwischen zwei Rippen einer anderen Elektrode, wie in dargestellt. Die Anzahl der Rippen, die Dicke „t” jeder Rippe, der Abstand „d” zwischen den Rippen und der Radius „r” des bogenförmigen Ausschnitts sind so bemessen, dass ein geeignetes speicherndes Feld zur Überführung der Ionen von der Ionenquelle zum Massenanalysator entsteht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Abstand „d” nicht wie oben beschrieben begrenzt sein muss. In dieser Ausführungsform ermöglicht dies einen gleichmäßigen Abstand und eine Verschachtelung der Rippen, wie in den –C gezeigt.
In sieht man die Anordnung der Rippen in zwei Reihen, wobei eine Reihe in axialer Richtung versetzt ist, so dass die Rippen der einen Reihe mittig einem Raum zwischen zwei Rippen der anderen Reihe gegenüber liegend angeordnet sind. Dadurch lassen sich die Rippen der Elektroden, die den Trichter erzeugen, so „verschachteln”, dass sie ebene segmentierte Öffnungskomponenten bilden, die bei gleichzeitiger überkreuz- und axial wechselnder Versorgung mit HF-Spannung ein speicherndes Feld erzeugen, das zum Transport der Ionen erforderlich ist. In ist die erste ebene segmentierte Öffnungskomponente, die in dieser Ausführungsform als segmentierte Transferplatte bezeichnet werden kann, als gestricheltes Quadrat 247 dargestellt. Wie in erkennbar, ist jede der segmentierten Transferplatten 247 nicht ein separates Element, sondern resultiert aus der Kombination der Rippen, die durch ihre Ausrichtung zueinander eine Platte bilden. In ist auch ersichtlich, wie jede Rippe einer Elektrode zwischen zwei Rippen der komplementären Elektroden sitzt.
In den –C sieht man, dass die Transferplatten 247 in dieser Ausführungsform aus vier Rippen 210 bestehen, zwischen denen längliche Spalte 260 in der Regel radial verlaufen. Die vier Spalte 260 zwischen den vier Rippen 210 und die bogenförmigen Ausschnitte 225 bilden zusammen eine kreuzförmige Öffnung, wobei die (allmählich kleiner werdende) zentrale Öffnung der bogenförmigen Ausschnitte 225 am Kreuzungspunkt der kreuzförmigen Öffnung angeordnet ist. Die Spalte 260 garantieren in der Regel eine elektrische Isolierung zwischen den Elektroden 200 der Baugruppe. Außerdem ist erkennbar, dass die Spalte 260 zwischen den Segmenten (oder zusammenwirkenden Rippen 210 einer segmentierten Transferplatte 247) in der Reihe in diesem Beispiel zusammen einen Kanal entlang dem Ionenflussweg von einem bis zum anderen Ende der Ionenführung bilden.
Die vier Elektroden sind vorzugsweise mit identischer Form der Elemente gefertigt, so dass die Rückwände, Rippen und Ausschnitte gleich sind. Die vier identischen Elektroden werden in Bezug zu den Elementen einer benachbarten Elektrode montiert, so dass die Rippen der zusammengebauten Elektroden zusammen ebene segmentierte Öffnungskomponenten mit einer Öffnung zum Ionentransfer bilden, wobei die hintereinander liegenden Öffnungskomponenten in axialer Richtung der Ionenführung in dieser Ausführungsform immer kleinere Öffnungen haben. Es ist aber auch denkbar, die Elektroden so zu konfigurieren, dass nach ihrem Zusammenbau ein „Ionentunnel” mit im Wesentlichen konstant großer Öffnung entsteht.
Der Trichter muss natürlich nicht zwingend so konstruiert sein, dass jede segmentierte Öffnungskomponente eine andere zentrale Öffnung als ihre benachbarten segmentierten Öffnungskomponenten hat. Es sind auch Ausformungen möglich, die die gleichen vorteilhaften Eigenschaften zum Transport und zur Speicherung der Ionen haben können, bei denen eine Anzahl benachbarter Öffnungskomponenten, beispielsweise zwei, eine gleich große zentrale Öffnung bilden, solange die Größe der zentralen Öffnung insgesamt entlang der Reihe der Öffnungskomponenten von der Ionenquelle bis zum Massenanalysator hin abnimmt. Solche Ausformungen sollen auch im Umfang der Erfindung eingeschlossen sein.
In montiertem Zustand sind die Elektroden elektrisch voneinander isoliert. Die Elektroden sind paarweise mit Spannungsversorgung(en) verbunden. In dem speziellen Beispiel in –C sind vier Elektroden so zusammengebaut, dass jede segmentierte Transferplatte aus vier Rippen besteht. Eine solche Anordnung ist für den Einsatz mit einem Quadrupol-Massenspektrometer geeignet, wie z. B. dem in . Daher sind die Elektroden in dieser Ausführungsform paarweise angeschlossen. In ist ein HF-Pol 233 mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden (217b und 217d) und ein anderer (um 180 Grad) phasenverschobener HF-Pol 237 mit den anderen beiden einander gegenüberliegenden Elektroden (217a und 217c) verbunden. In dieser Anordnung, bei der alle hervorstehenden Rippen 210 in einem Stück aus einem leitenden Material gefertigt sind, ist zu bemerken, dass keine DC-Vorspannung an den Elektroden anliegt.
Die Anzahl, Ausformung und Anordnung der optionalen Pumpöffnungen 215 in –C sind nur ein (praktikables) Beispiel. Zum Beispiel muss nicht jeder Bereich zwischen zwei benachbarten Rippen 210 in einer Reihe eine Pumpöffnung 215 haben. Eine kleinere Anzahl könnte auch genügen.
Auch sei darauf hingewiesen, dass die in –C dargestellte Ausführungsform einer Ionenführung mit unterschiedlichen Massenanalysatoren verwendet werden kann, wie z. B. Flugzeit-(TOF), Ionenfallen-, Magnetsektor-, Ionenzyklotronresonanz-(ICR) oder Fourier-Transform-Massenspektrometern (FTMS). Sie kann auch in gemischten Massenspektrometern eingesetzt werden, die mehr als ein massenauflösendes Gerät enthalten, wie z. B. einen Quadrupolfilter und einen TOF-Analysator, die im selben Apparat betrieben werden (qTOF).
In einem Beispiel ist die Ionenführung direkt vor dem Einlass eines Massenanalysators angeordnet, aber auch andere Anordnungen sind möglich. Beispielsweise haben manche Ausführungsformen mehr als eine Stufe zwischen der Ionenquelle und dem Massenanalysator, wie in veranschaulicht. Jede dieser Stufen kann eine Ionenführung enthalten, und eine oder mehrere dieser Ionenführungen können Ausführungsformen der Erfindung entsprechen. Außerdem kann eine Ionenführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung auch am Auslass des Massenanalysators eingesetzt werden, um die durch den Massenanalysator strömenden Ionen zu anderen Teilen des Systems zu leiten, beispielsweise zu einem Ionendetektor.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen liegt an der Ionenführung keine DC-Vorspannung an. Daher kann die gesamte Elektrode mit den hervorstehenden Elementen (z. B. Rippen) und dem Halter (z. B. Rückwand) einstückig aus einem leitenden Material gefertigt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Elektroden dagegen mit Isoliermaterial ausgeführt sein, um zwischen Einlass und Auslass der Ionenführung einen DC-Gradienten (in Volt/cm) zu halten. zeigt eine Ausführungsform einer Elektrode (für einen Trichter), die einen DC-Gradienten entlang der Ionenflussachse erzeugt. In sind die Rippen 310 über eine Isolierschicht 380 an der Rückwand 305 befestigt. Zum Beispiel können die Rippen 310 mit einem isolierenden Klebstoff 380 auf die Rückwand 305 geklebt sein. Alternativ kann zwischen den Rippen 310 und der Rückwand 305 eine Isolierplatte 380 eingefügt sein. Die Isolierplatte kann beispielsweise aus Polytetrafluorethylen bestehen.
Während in alle Rippen 310 über eine Isolierung 380 an der Rückwand 305 befestigt sind, ist dies nicht zwingend. Die Elektrode kann zum Beispiel in einem Stück aus einem leitenden Material gefertigt sein, jedoch ohne die erste und letzte Rippe 310, so dass nur die Gruppe der Rippen zwischen der ersten und letzten zusammen mit dem Halter aus einem einzigen Block gefertigt sind. Die fehlenden Rippen können separat aus einem leitenden Material hergestellt und über ein Isoliermaterial 380 an der Rückwand befestigt sein. In dieser Ausführungsform liegt an den Rippen eine DC-Vorspannung, die von einer Gleichspannungsversorgung PS (für power supply) über ein Netzwerk aus ohmschen und kapazitiven Lasten R/C bereitgestellt wird. Die DC-Vorspannung wird nur an Rippen angelegt, die zur Rückwand isoliert sind. Dagegen sind alle Rippen einer Elektrode mit derselben HF-Spannungsquelle verbunden, um das Pseudopotentialfeld zur Speicherung der Ionen zu erzeugen.
Wie oben beschrieben, werden benachbarte Elektroden mit um 180 Grad phasenverschobenen HF-Spannungen versorgt, um so das speichernde Feld zu generieren. In dem Beispiel der –C sind zur Erzeugung des speichernden Quadrupolfelds nur vier identische Elektroden erforderlich. In den hier beschriebenen Beispielen verläuft eine Symmetrieachse entlang der Flussachse, d. h. 360/4 = 90 Grad im Fall des Quadrupoltrichters in –C. Durch Drehen der Anordnung in um 90 Grad erhält man die gleiche Geometrie, nur mit umgekehrter Phase der HF-Spannung. Durch Drehen der Anordnung in um 360/2 = 180 Grad erhält man die gleiche geometrische und elektrische Symmetrie. Dieser Drehwinkel entspricht etwa dem Winkelbereich des bogenförmigen Ausschnitts in dem die Rippenöffnungskontur bildenden Teilstück. Das gleiche Prinzip kann auch auf andere Ausführungsformen angewandt werden, z. B. 360/2 = 180 Grad für einen Dipol mit zwei Elektroden und 360/8 = 45 Grad für einen Oktopol mit acht Elektroden.
Die –C zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Elektroden auf einer Trägerplatte befestigt sind. In diesem Beispiel sind die Elektroden nicht räumlich miteinander verbunden, doch in anderen Ausführungsformen können die Elektroden z. B. über einen isolierenden Klebstoff oder isolierende Träger miteinander verbunden sein. Die Elektroden in den –C sind insofern wie in den anderen oben beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut, als jede Elektrode einen Halter in Form einer Rückwand 405, eine Mehrzahl von Rippen 410, die von der Rückwand hervorstehen, und eine Mehrzahl optionaler Pumpöffnungen 415 aufweist. In dieser Ausführungsform befindet sich an einem Ende jeder Elektrode eine Befestigungsplatte 465. Die Befestigungsplatte 465 kann mit der Rückwand 405 in einem Stück gefertigt sein. Die Befestigungsplatte kann mit einer Bohrung 470 ausgeführt sein, so dass sie mit einem Bolzen 475 an der Trägerplatte 480 befestigt werden kann, wie in veranschaulicht. Es können auch leitende Stifte 460 von der Befestigungsplatte 465 abstehen, so dass die Stifte 460 bei der Befestigung der Elektrode an der Trägerplatte 480 helfen, die Elektrode korrekt auszurichten, und eine Verbindung zu einer AC/DC-Spannungsquelle herstellen.
Eine weitere Ausführungsform einer Ionenführung ist in –B veranschaulicht. Diese Ausführungsform hat ebenfalls vier identische Elektroden, die aus einem Block gefertigt und rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sind. Eine solche gefertigte Elektrode 500 ist in dargestellt. Jede der vier Elektroden 500 weist einen Halter in Form von zwei schmalen Balken 505 auf. Aufgrund der geringen Dimension der Balken ermöglichen die verschiedenen Öffnungen 515 zwischen den Balken und die verschiedenen hervorstehenden Elemente ein effizientes Abpumpen (Vakuum). Die Elektrode 500 hat auch eine Mehrzahl hervorstehender Elemente, die aufgrund ihrer Form als „Sicheln” 510 bezeichnet werden können. Die Abstände, Form und Dicke der Sicheln 510 bestimmen zusammen das HF-Feld und sind leicht in eine einzelne Elektrode einzubauen. Das die Öffnungskontur bildende Teilstück am distalen Ende der Sicheln 510 ist auch hier eine Einbuchtung in Form eines bogenförmigen Ausschnitts 525. Da sich der bogenförmige Ausschnitt 525 in einer Richtung entlang der Reihe von Sicheln 510 allmählich verkleinert, wirkt die dargestellte Ionenführung 500 als Ionentrichter. Die Ausformung kann jedoch ohne größeren Aufwand so geändert werden, dass die Größe der Öffnung konstant bleibt und einen „Ionentunnel” bildet.
In zeigt der zusammengebaute Trichter mit der großen zentralen Öffnung zum Betrachter, d. h. man sieht die Seite der montierten Baugruppe, die zur Ionenquelle führt. Daher haben die in vollständig sichtbaren Sicheln 510 den Ausschnitt mit dem größten Radius. Die beiden benachbarten Reihen von Sicheln 510, die an beiden Balken 505 befestigt sind, sind parallel und axial zueinander verschoben, so dass eine Sichel 510 einer Reihe in der Regel einem Raum zwischen zwei benachbarten Sicheln 510 der anderen Reihe gegenüber liegend zentriert ist. Dadurch haben die zusammengebauten Elektroden 500 gleiche Abstände zwischen den ebenen segmentierten Öffnungskomponenten, die durch vier in einer Ebene liegende Sicheln 510 gebildet werden und durch Spalte 560 getrennt sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die zentrierte Anordnung nicht zwingend ist. Andere Abstände sind ebenfalls denkbar.
In der sieht man, dass die Spalte 560 zwischen den zusammenwirkenden Sicheln 510 in dieser Ausführungsform kleiner sind als in den bisher beschriebenen Ausführungsformen, z. B. in den –C. Je kleiner die Spalte 560 sind, desto homogener sind die speichernden HF-Felder, was die Speicherung effizienter macht und Ionenverluste reduziert. Natürlich ist bei Wahl der Spaltgröße sicherzustellen, dass die elektrische Isolierung zwischen den zusammengebauten Elektroden 500 ausreicht. Die Isolierung kann bei Bedarf durch (nicht dargestellte) Abstandshalter aus Isoliermaterial gewährleistet werden, die die Zwischenräume füllen.
Die vier Elektroden 500 sind vorzugsweise mit identischer Form der Elemente gefertigt, so dass die Balken 505, Sicheln 510 und Ausschnitte 525 gleich sind. Auch hier werden die vier identischen Elektroden 500 in Bezug zu den Elementen einer benachbarten Elektrode montiert, so dass die Sicheln 510 der zusammengebauten Elektroden zusammen ebene segmentierte Öffnungskomponenten (durch in einer Ebene liegende „Sichelblätter”) mit einer Öffnung zum Ionentransfer bilden, wobei die hintereinander liegenden Öffnungskomponenten in diesem Beispiel in axialer Richtung immer kleinere Öffnungen haben.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen haben alle die Öffnungskontur bildenden Teilstücke eine Einbuchtung, d. h. konkave Form. Dies ist aber nicht zwingend. In den , und haben die hervorstehenden Elemente am distalen Ende eher eine Ausbuchtung, d. h. konvexe Form, die die Öffnungskontur bildet. zeigt zum Beispiel eine Ausführungsform einer Elektrode 600, bei der die hervorstehenden Elemente 610 dem Ende eines „Hockeyschlägers” ähneln. Insbesondere auf der Seite der Ionenoptikachse hat die Hockeyschlägerkontur eine abgerundete Form ohne Kanten. Auf diese Weise lassen sich hyperbelförmige Elektrodenformen realisieren, wie von den Querschnitten einiger Multipolstäbe nach Stand der Technik bekannt. Die hervorstehenden Elemente 710 der Ausführungsform in haben dagegen eher die Form eines Stützwinkels. Die zentrale Öffnung, die durch Zusammenbau einer bestimmten Anzahl von Elektroden der in dargestellten Art entsteht, ist dann in der Regel quadratisch. Die Spalte zwischen den zusammenwirkenden Hockeyschlägern oder Stützwinkeln in zusammengebauter Form sind auch in diesem Fall vorteilhaft klein und ermöglichen dadurch das Erzeugen eines relativ homogenen HF-Felds zur Speicherung der Ionen. Zu den Ausführungsformen mit nicht konkaven Teilstücken, die die Öffnungskontur bilden, gehört auch die Ausformung in (hier zusammengebaut dargestellt), bei der die hervorstehenden Elemente 810 jeder Elektrode generell eine einfache „Kreisbogen”-Form haben. Hier hat die lichte Weite eine Trapezform, die, wie man in der Abbildung sieht, von einem zum anderen Ende der zusammengebauten Ionenführung enger werden kann, so dass ein Ionentrichter entsteht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass mit allen dargestellten Ausformungsbeispielen auch Ionentunnel mit konstant großer Öffnung realisiert werden können.
zeigt ein Beispiel eines Massenspektrometer-Aufbaus, der dem in entspricht, doch eine Ionenführung (bzw. in diesem Fall einen Ionentrichter) gemäß Ausführungsformen der Erfindung enthält. Einander entsprechende Elemente in den und sind weitgehend durch gleiche Referenznummern gekennzeichnet. Außerdem werden nachfolgend in erster Linie die Unterschiede in der Implementierung in gegenüber der Implementierung in beschrieben.
Die Einlasskapillare 10 ist in einem Gasströmungsführungszylinder 20 zur besseren Kanalisierung der Gasströmungen in der ersten Vakuumkammer 30 angeordnet. Eine kanalisierte Gasströmung kann Ionen mitführen und so eine treibende Kraft zum Transport der Ionen durch die Trichterarchitektur erzeugen, insbesondere wenn kein DC-Potentialgefälle zwischen dem Ende mit der großen und dem Ende mit der kleinen Trichteröffnung vorliegt.
Gegenüber dem Auslass der Einlasskapillare 10 befindet sich der Ionentrichter, der gemäß Ausführungsformen der Erfindung montiert ist. Der Ionentrichter kann eine Quadrupol-Konstruktion haben und besteht in dem Fall aus vier Elektroden, von denen zwei in der Draufsicht in mit den Nummern 24 und 26 gekennzeichnet sind. Die Ionenführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist so verdrahtet, dass die HF-Spannungsversorgung der die Öffnungskontur bildenden Teilstücke axial wechselnd (wie bei Ringstapel-Ionenführungen bekannt) und gleichzeitig überkreuz (wie bei Multipolstab-Baugruppen bekannt) erfolgt. In dieser Ausführungsform ist der HF-Generator 22 außerhalb des Vakuums angeordnet. Von dort führen Anschlussdrähte durch eine vakuumdichte Durchführung in die erste Vakuumkammer 30.
Ein Vorteil der gemischten Verdrahtung der Ionenführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass am Ende des Ionentrichters eine weitere Multipol-Ionenführung (in durch 28 gekennzeichnet) angeordnet werden kann. Die zusätzliche Multipol-Ionenführung 28 wird mit dem gleichen HF-Spannungsphasenmuster versorgt wie die äußerste ebene segmentierte Öffnungskomponente des gemischt verdrahteten Ionentrichters, so dass ein glatter Übergang der HF-Felder zwischen dem Ionentrichter gegenüber der Einlasskapillare 10 und der Ionenführung 28 besteht. Auf diese Weise lassen sich Interferenzen mit dem Ionenfluss von einer Ionenführung zur anderen minimieren und Ionenverluste reduzieren. Außerdem sorgt die zusätzliche Ionenführung 28 für mehr Platz vor der isolierten Blende 50 am Übergang zwischen der ersten Vakuumkammer 30 und der zweiten Vakuumkammer 32 zur seitlichen Einleitung von Gas. Je geringer die Gaslast, der die zweite Vakuumkammer 32 ausgesetzt ist, desto besser.
zeigt in einem Flussdiagramm, wie eine Elektrode für eine Ionenführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung gefertigt und in einer Elektrodenbaugruppe eingesetzt werden kann, die als Ionenführung dient.
Im Einzelnen sind folgende Arbeitsschritte dargestellt: 1000: Bereitstellen eines soliden (leitfähigen oder nicht-leitfähigen) Materialblocks 1002: Herausarbeiten (z. B. Fräsen) eines Halters und Reihen davon hervorstehender Elemente aus dem Block 1004: Herausarbeiten eines elektrisch leitfähigen (eingebuchteten oder ausgewölbten), eine Öffnungskontur bildenden Teilstücks an einem distalen Ende jeden hervorstehenden Elements 1006: Abschließen der Elektrodenfertigung 1008: Zusammenfügen einer geraden Anzahl von wenigstens vier (identischen) Elektroden (z. B. rotationssymmetrisches Anordnen um eine gemeinsame Achse) 1010: Anlegen verschiedener Phasen eines HF-Potentials an verschiedene Paare einander gegenüber liegender Elektroden 1012: Einsetzen der Elektrodenbaugruppe als Ionenführung in einem Massenspektrometer
Wie der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung eine relativ einfache Herstellung, weil die vier Elektroden identisch sind. Das Gerät kann auch miniaturisiert werden, und die elektrischen Verbindungen lassen sich vereinfachen, denn die Anzahl der Anschlüsse entspricht nur der Polarität der Ionenführung, d. h. vier für eine Quadrupol-Ionenführung, sechs für eine Hexapol-Ionenführung usw., anstatt jede einzelne Ringelektrode zu verdrahten, wie dies nach Stand der Technik der Fall ist. Der Aufbau der Ionenführung bietet Flexibilität in der Gestaltung des HF-Felds durch einfache Formänderung der Merkmale der hervorstehenden Elemente, d. h. Dicke, Abstände und Größe der Ein- oder Ausbuchtung. Außerdem sind alle hervorstehenden Elemente an dem Halter befestigt oder in einem Stück mit ihm gefertigt, so dass die genauen Abstände und Positionen der ebenen segmentierten Öffnungskomponenten gesichert sind. Diese Konstruktion erfordert auch kein DC-Feld entlang der Ionenstrahlachse in der Ionenführung. Die Verbreitung der Ionen in axialer Richtung lässt sich zum Beispiel durch eine Gasströmung von der Zone mit höherem Druck auf der Anströmseite, z. B. gegenüber der Ionenquelle, zu der Zone mit niedrigerem Druck auf der Abströmseite, z. B. gegenüber dem Massenanalysator, fördern. Die Spalte zwischen den Segmenten der ebenen segmentierten Öffnungskomponenten sorgen für elektrische Isolierung zwischen den zusammengebauten Elektroden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Quadrupol-Ionenführung präsentiert, die durch Herausarbeiten einer integrierten Elektrode, d. h. in diesem Beispiel mit den Rippen, aus einem einzigen Block hergestellt wird und zusammen mit den komplementären Rippen der komplementären Elektroden das HF-Feld und die Form der zentralen Öffnung der Ionenführung bestimmt. Dieser Aufbau ist einfach und kostengünstig. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Elektroden nicht einstückig mit den hervorstehenden Elementen gefertigt werden müssen, sondern dass die hervorstehenden Elemente auch separat gefertigt und dann an einem Halter der Elektrode befestigt werden können. Und während die hier dargestellte Baugruppe vier Elektroden hat, kann die Ionenführung gemäß Ausführungen der Erfindung auch mit mehr Elekroden gebaut werden (z. B. sechs für Hexapol, acht für Oktopol usw.). Ebenso können der Halter und die hervorstehenden Elemente, die in den beschriebenen Ausführungsformen in einem Stück aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall gefertigt sind, auch in einem Block aus einem Isoliermaterial gefertigt werden, das dann mit einem leitenden Material beschichtet wird, wobei es vorteilhaft ist, nur die die Öffnungskontur bildenden Teilstücke zu beschichten, an denen die HF-Felder erzeugt werden müssen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Prozesse und Techniken an keine spezielle Vorrichtung gebunden sind und durch jede geeignete Kombination von Komponenten realisiert werden können. Außerdem können verschiedene Universalgerätetypen gemäß den hier beschriebenen Lehren verwendet werden. Es kann sich auch als vorteilhaft erweisen, spezielle Vorrichtungen zu bauen, um die hier beschriebenen Schritte des Verfahrens auszuführen
Die vorliegende Erfindung wurde anhand spezieller Beispiele beschrieben, die in jeder Hinsicht zur Veranschaulichung dienen und keine Einschränkung darstellen. Fachleute auf dem Gebiet werden anerkennen, dass viele verschiedene Kombinationen von Hardware, Software und Firmware zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Außerdem werden Fachleute auf dem Gebiet bei Betrachtung der Spezifikation und Umsetzung der hier offengelegten Erfindung auf weitere Implementierungen der Erfindung kommen. Die Spezifikation und Beispiele haben nur eine exemplarische Funktion, während der genaue Umfang und das Wesen der Erfindung durch die folgenden Ansprüche festgelegt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4963736 A [0007]
US 6891153 B2 [0007]
US 7960693 B2 [0007]
US 6107628 A [0010]
US 7851752 B2 [0016]

Claims

Eine Hochfrequenz-Ionenführung, aufweisend eine Mehrzahl von Elektroden, die jeweils mindestens eine Reihe von Elementen umfassen, die von einem Halter hervorstehen und an einem distalen Ende jeweils ein elektrisch leitendes, eine Öffnungskontur bildendes Teilstück aufweisen, wobei die Reihen der hervorstehenden Elemente, nach Zusammenbau der Elektroden, derart zusammenwirken, dass eine Reihe im Wesentlichen ebener segmentierter Öffnungskomponenten, jeweils mit einer Mehrzahl isolierender Spalte zwischen den zusammenwirkenden hervorstehenden Elementen, und eine zentrale, durch das Zusammenwirken der die Öffnungskontur bildenden Teilstücke definierte Öffnung entstehen.
Die Ionenführung gemäß Anspruch 1, wobei sich in jeder der Elektroden eine Dimension des die Öffnungskontur bildenden Teilstücks entlang mindestens einer Reihe hervorstehender Elemente ändert, so dass durch das Zusammenwirken der Reihen hervorstehender Elemente der Elektroden eine Dimension der zentralen Öffnung entlang der Reihe segmentierter Öffnungskomponenten kleiner wird.
Die Ionenführung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden an einem Ende Befestigungsplatten aufweisen, über die sie mit einer Trägerplatte verbunden sind.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in jeder der Elektroden der Halter eine Mehrzahl von Pumpöffnungen aufweist.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede Reihe hervorstehender Elemente ein erstes hervorstehendes Element, ein letztes hervorstehendes Element und eine Gruppe zwischenliegender hervorstehender Elemente umfasst und wobei in jeder der Elektroden der Halter und zumindest die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente einstückig aus einem leitenden Material gefertigt sind.
Die Ionenführung gemäß Anspruch 5, wobei das erste und das letzte hervorstehende Element an dem Halter befestigt, und von diesem elektrisch isoliert, sind und mit Hochfrequenz- und Gleichspannungs-Potentialen versorgt werden, die von an andere hervorstehende Elemente angelegten Hochfrequenz- und Gleichspannungs-Potentialen getrennt sind.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in jeder der Elektroden die hervorstehenden Elemente in zwei parallelen Reihen auf dem Halter angeordnet sind und wobei eine Reihe räumlich in axialer Richtung versetzt ist, so dass die hervorstehenden Elemente der einen Reihe einem Bereich zwischen zwei hervorstehenden Elementen der anderen Reihe gegenüber liegen.
Die Ionenführung gemäß Anspruch 7, wobei die hervorstehenden Elemente der einen Reihe den Bereichen zwischen zwei hervorstehenden Elementen der anderen Reihe jeweils mittig gegenüber liegen.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die hervorstehenden Elemente jeder segmentierten Öffnungskomponente so zusammenwirken, dass gegenüberliegende Paare entstehen, die so gestaltet sind, dass sie mit verschiedenen Phasen eines Hochfrequenz-Potentials versorgt werden.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die hervorstehenden Elemente der segmentierten Öffnungskomponenten im Wesentlichen an einer gemeinsamen Achse entlang der Reihe ausgerichtet sind und wobei jedes hervorstehende Element in einer segmentierten Öffnungskomponente mit einer anderen Phase eines Hochfrequenz-Potentials versorgt wird als die dazu ausgerichteten hervorstehenden Elemente in benachbarten segmentierten Öffnungskomponenten.
Die Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei alle Elektroden identisch und rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Längsachse herum montiert sind.
Eine Vorrichtung für die Massenspektrometrie, aufweisend eine Ionenquelle, einen Massenanalysator und eine Ionenführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, die eine mit der Ionenquelle verbundene Einlassseite und eine mit dem Massenanalysator verbundene Auslassseite hat und zur Führung von Ionen von der Ionenquelle bis zum Massenanalysator ausgelegt ist, wobei die Ionenquelle unter einem höheren Druck gehalten wird als der Massenanalysator.
Eine Elektrode für eine Hochfrequenz-Ionenführung, aufweisend einen Halter und eine Mehrzahl hervorstehender Elemente, die in mindestens zwei benachbarten Reihen von dem Halter hervorstehen, wobei jede der Reihen ein erstes hervorstehendes Element, ein letztes hervorstehendes Element und eine Gruppe zwischenliegender hervorstehender Elemente enthält, wobei jedes der hervorstehenden Elemente an einem distalen Ende ein elektrisch leitendes, eine Öffnungskontur bildendes Teilstück aufweist und wobei der Halter und zumindest die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente einstückig aus einem leitenden Material gefertigt sind.
Die Elektrode gemäß Anspruch 13, wobei das erste hervorstehende Element, das letzte hervorstehende Element und die Gruppe der zwischenliegenden hervorstehenden Elemente in jeder Reihe zusammen mit dem Halter einstückig aus einem leitenden Material gefertigt sind.
Die Elektrode gemäß Anspruch 13, wobei das erste und das letzte hervorstehende Element an dem Halter befestigt, und von diesem elektrisch isoliert, sind.
Die Elektrode gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die hervorstehenden Elemente die Form von Rippen haben und das die Öffnungskontur bildende Teilstück eine Einbuchtung am distalen Ende der Rippen ist.
Die Elektrode gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Halter eine Rückwand ist.
Die Elektrode gemäß Anspruch 17, wobei die Rückwand eine Mehrzahl von Pumpöffnungen aufweist.
Die Elektrode gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die hervorstehenden Elemente oberflächenbehandelt sind, um chemische Beständigkeit zu erhalten.