DE102022126981A1

DE102022126981A1 - Ionentransport zwischen ionenoptischen Vorrichtungen bei unterschiedlichen Gasdrücken

Info

Publication number: DE102022126981A1
Application number: DE102022126981.7A
Authority: DE
Inventors: Hamish Stewart; Dmitry GRINFELD; Christian Hock; Anastassios Giannakopulos; Alexander Wagner; Alexander Kholomeev; Matthias Biel; Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-04-20
Also published as: GB202114780D0; JP7429276B2; GB202214392D0; GB2613439A; CN115985752A; US20230118221A1; JP2023059859A

Abstract

Ein Massenspektrometer umfasst: eine erste ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck; eine zweite ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ hohem Gasdruck, wobei die erste und die zweite ionenoptische Vorrichtung entsprechende HF-Spannungen von entsprechenden HF-Stromversorgungen empfangen, um entsprechende HF-Felder zu generieren, die Ionen in entsprechenden Einfangbereichen der ionenoptischen Vorrichtungen einschließen; und eine Gasleitfähigkeitsbegrenzung, die den Gasfluss von dem Bereich mit relativ hohem Gasdruck zu dem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck begrenzt, wobei die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eine Apertur aufweist, um zuzulassen, dass Ionen von der zweiten zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung passieren. Die erste und die zweite HF-Stromversorgung sind unabhängig, um zu ermöglichen, dass die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes eine andere Amplitude als die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes aufweisen.

Description

Technisches Gebiet der Offenbarung
Die Offenbarung betrifft ein Massenspektrometer, das ionenoptische Vorrichtungen, z. B. ionenoptische Multipol-Vorrichtungen, umfasst.
Hintergrund der Offenbarung
Extraktionsionenfallen dienen als lonenakkumulations- und -aufbereitungsvorrichtungen für gekoppelte Massenanalysatoren, wobei sie einen kontinuierlichen Strahl von einer lonenquelle aufnehmen und abgekühlte lonenpakete mit räumlichen und energetischen Eigenschaften, die typischerweise an die Akzeptanz des Analysators angepasst sind, auspulsen. Derartige Vorrichtungen sind üblicherweise mit Time-of-Flight- (Flugzeit, ToF)- und Orbitalfallenmassenanalysatoren gekoppelt. Eine für ToF-Analysatoren gut geeignete Extraktionsfalle ist in US9312114 B2 beschrieben. Die Instrumentenausrüstung für eine Extraktionsfalle in Kombination mit einem Orbitalfallenmassenanalysator ist in US7425699 B2 beschrieben.
Bezugnehmend zunächst auf 1a ist eine Längsschnittansicht einer existierenden beispielhaften Extraktionsionenfalle gezeigt, und Bezugnehmend auf 1b ist eine seitliche Schnittansicht der Extraktionsionenfalle von 1a gezeigt. Diese umfasst: axiale Eintritts- und Austrittsaperturen 10; und orthogonale Extraktionsaperturen 15 zum Extrahieren von Ionen zu einem Massenanalysator 20. Die zur Extraktion angelegten HF- und Gleichspannungen sind ebenfalls gezeigt.
Derartige Fallen sind normalerweise quadrupolare Anordnungen aus vier parallelen Stabelektroden, wobei an jedes Paar einander gegenüberliegender Stäbe HF-Wellenformen mit entgegengesetzter Polarität angelegt werden, um ein radiales Einfang-Pseudopotenzial bereitzustellen. Die Stabelektroden können die Form von flachen Plattenelektroden aufweisen, wie in 1a und 1b gezeigt. Der Stabsatz wird durch Elektroden mit angelegten Gleichspannungen terminiert, um zu verhindern, dass Ionen axial entweichen. Aperturen in diesen Elektroden lassen den Zutritt von Ionen aus benachbarten ionenoptischen Vorrichtungen zu.
Eine andere übliche Struktur ist eine 3D- oder Paul-Falle, bestehend aus einer Ringelektrode mit einer angelegten HF-Spannung, zwischen einem Paar DC-Endkappenelektroden, die zusammen ein Quadrupol-Einfangfeld generieren (R.E. March et al.; „Quadrupole Storage Mass Spectrometry“, John Wiley & Sons, S. 31-110, 1989).
Beim Eintritt in die Falle werden Ionen durch Kollisionen mit Puffergas, normalerweise Stickstoff oder Helium, abgekühlt, wodurch ein komprimiertes Paket in der Mitte der Falle gebildet wird, das weiter komprimiert werden kann, indem die abstoßenden Gleichspannungen an den Eintritts- und Austrittsaperturen erhöht werden. Das lonenpaket wird extrahiert, indem ein gepulster Gleichstrom („Push“, „Pull“ in 1a und 1b) an eine oder mehrere der Stabelektroden angelegt wird, um ein starkes DC-Feld orthogonal zur Fallenachse zu erzeugen, wobei Ionen durch einen in einen Stab geschnittenen Schlitz ausgestoßen werden. Vor der Extraktion ist es üblich, dass zuerst die angelegten HF-Spannungen bei optimalen Phasen gelöscht werden, wie in US7250600 B2 und US9312114 B2 beschrieben, um räumliche Ionen- und/oder Energieverteilungen zu optimieren und Interferenzen von HF im Extraktionsprozess zu minimieren.
Das axiale Einfangen von Ionen muss nicht notwendigerweise durch Endelektroden oder Aperturen durchgeführt werden. Wenn die HF-Stäbe selbst segmentiert sind, können unterschiedliche Gleichspannungen an jedes Segment angelegt werden, wodurch entweder axiale Fallentöpfe zum Halten von Ionen oder DC-Gradienten gebildet werden, um sie zum Extraktionsbereich zu leiten (beschrieben in US8981287 B2 ). Eine weitere Alternative besteht darin, einen axialen Gleichstrom über zusätzliche DC-Einfangelektroden bereitzustellen, die im Raum zwischen den HF-Stäben montiert und nur über einen Abschnitt der gesamten Stablänge verlängert sind ( GB2570435A und Stewart et al., „A Rectilinear Pulsed-Extraction Ion Trap with Auxiliary Axial DC Trapping Electrodes“, American Society for Mass Spectrometry Conference, San Antonio, 2018). Weitere Verfahren zur Verwendung von DC-Hilfselektroden zur Generierung überlagerter axialer Gradienten oder Einfangtöpfe sind gut bekannt, einschließlich über Keilelektroden ( US20140353491 A1 ), segmentierte Stäbe ( US20140353491 A1 ) und Ketten von PCB-basierten Elektroden ( US9396919 B2 ).
Eine große Herausforderung für Extraktionsfallen ist effizientes Einfangen und schnelle Thermalisierung von injizierten Ionen mit einer Energie von mehreren eV. Dies begünstigt einen relativ hohen Druck des Puffergases, typischerweise größer als 2×10^-3 mbar (0,2 Pa). Eine effiziente gepulste Extraktion erfordert jedoch eine minimale Kollision der thermalisierten Ionen mit Puffergas, insbesondere für Ionen mit hoher Masse. Time-of-Flight-, Multireflexions-Time-of-Flight- und Orbitalfallenmassenanalysatoren erfordern sehr niedrige Drücke, wodurch eine minimale Gasleckage von der Falle zum Analysator begünstigt wird. Eine einfache Lösung besteht darin, gepulste Gasventile zu verwenden, wie in GB2439107 B beschrieben, obwohl diese langsam arbeiten, um die Wiederholrate des Analysators auf etwa 10 Hz zu begrenzen, wenn mehr als 100 Hz erforderlich sein könnten.
Eine weitere Lösung besteht darin, Ionen schnell in einem Hochdruck-Einfangbereich vorzukühlen und die Ionen dann mit geringerer Energie in einen Niederdruck-Extraktionsbereich zu überführen (Stewart et al., ‚A Robust C-Trap Ion Injection Method Incorporating Electrodynamic Squeezing‘, American Society for Mass Spectrometry Conference, 2020). Bezugnehmend nun auf 2 sind dort eine beispielhafte Doppeldruckbereichs-Extraktionsanordnung und beispielhafte angelegte axiale Gleichstrom- (DC)-Potenziale schematisch gezeigt. Die Extraktionsanordnung umfasst: eine Quadrupol-Extraktionsfalle mit gekrümmten Elektroden (C-Trap) 100, verbunden mit einer unter Druck stehenden (z. B. 1×10^- ² mbar oder 1 Pa) Quadrupol-Ionenführung mit einem zusätzlichen DC-Gradienten (als „Ionenleitmultipol, Ion Routing Multipole“ oder „IRM“) 200 bezeichnet. Die C-Falle 100 weist eine Eintrittslinse 110 und eine Austrittslinse 120 auf.
Ionen werden zuerst von einer lonenquelle durch die C-Trap 100 zu dem IRM 200 geleitet, wo sie schnell abkühlen. Dies wird unter Verwendung eines an die Eintrittslinse 110 angelegten Beschleunigungslinsenpotenzials 101 und eines IRM-Injektionspotenzials 201 erreicht, um eine loneninjektion in den IRM 200 zu bewirken. Anschließend werden die Ionen im IRM 200 abgekühlt. Nach einigen Millisekunden werden die abgekühlten Ionen dann zurück in die unter viel niedrigerem Druck stehende C-Falle 100 gespült, wobei Einfangpotenzial 102 an die Eintrittslinse 101 angelegt wird, und Spülpotenziale 202. Zusätzlich wird ein kleines dynamisches DC-Rampenpotenzial 203 an den IRM 200 und die Austrittslinse 120 der C-Falle 100 angelegt, um zu verhindern, dass reflektierte Ionen zurückkommen und auf die Linse treffen oder aus der Falle austreten, bevor sie richtig abgekühlt sind. Ein DC-Offset-Zwischenschritt ist in 2 nicht dargestellt.
Eine Einschränkung dieses Schemas besteht darin, dass Ionen immer noch durch eine Linse mit kleiner Apertur (Austrittslinse 120 der C-Falle 100) geleitet werden müssen, was den lonentransfer behindert und mehrere eV an Ionenenergie erfordert, um wesentliche Verluste zu vermeiden. Die Apertur ist erforderlich, um die Druckdifferenz zwischen den beiden Bereichen aufrechtzuerhalten, sowie Randfeldeffekte zu eliminieren, die durch Wechselwirkung der getrennten HF-Felder verursacht werden. Am wünschenswertesten wäre ein energiearmer Transfer von Ionen zwischen Bereichen, die eine barrierefreie Grenzfläche erfordert, die dennoch die Gasleitfähigkeit angemessen einschränkt.
US20190103263 A1 beschreibt eine segmentierte Falle, in die zwei Druckbereiche eingebaut sind, die durch ein die Gasleitfähigkeit begrenzendes Segment getrennt sind. Wie in 3(a) dieses Dokuments gezeigt, ist das die Gasleitfähigkeit begrenzende Segment ein Segment mit einem kleineren eingeschriebenen Radius, der von einer Barriere umgeben ist. Eine Wechselstrom-(HF)-Spannungsversorgung liefert Spannungen, um entweder radiale Eingrenzung oder Extraktion zu bewirken. Durch Anlegen geeigneter Gleichspannungen können Ionen zwischen den beiden Bereichen mit unterschiedlichem Druck axial eingeschlossen oder überführt werden. Trotzdem wurden praktische Implementierungen einer derartigen Falle nicht verwirklicht.
Kurzdarstellung der Offenbarung
Vor diesem Hintergrund wird ein Massenspektrometer nach Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere optionale und/oder vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das in US20190103263 A1 gezeigte Design (das zwei ionenoptische Multipol-Vorrichtungen, typischerweise Quadrupole, eine in einem Bereich mit hohem Gasdruck und die andere in einem Bereich mit niedrigem Gasdruck, mit einer dazwischenliegenden Gasleitfähigkeitsbegrenzung, umfasst) könnte nützliche Vorteile bereitstellen. Beispielsweise könnten bei einer geeignet geteilten Wechselspannung auf dem Segment mit kleinem Radius, angepasst an den Einfangparameter q, im Hochdruckbereich vorgekühlte und vorakkumulierte Ionen im Prinzip mit nicht wesentlich mehr als 1 eV Energie über das Grenzflächensegment überführt werden, und daher wären im Extraktionsbereich viel niedrigere Drücke (nicht mehr als 5×10^-4 mbar oder 0,05 Pa) ohne starke lonenverluste oder übermäßige Abkühlzeiten erreichbar.
Es wurde nun jedoch erkannt, dass Randfelder, in denen sich die HF-Felder aus den Hochdruck- und Niederdruckbereichen überlappen, eine erhebliche Barriere erzeugen können, die zum Durchdringen eine höhere Ionenenergie erfordert und einen Großteil des Vorteils der Vorrichtung zunichte macht. Es wurde festgestellt, dass dies selbst dann geschieht, wenn zwar der Einfangparameter q, jedoch nicht Phase, Frequenz und/oder Amplitude angepasst sind. Ein zusätzliches Problem ergibt sich, wenn unterschiedliche lonenpopulationen bereitgestellt sind, die sich im Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) enorm unterscheiden können, da im Fall der Verwendung einer einzigen HF-Stromversorgung die HF auf jeder Seite möglicherweise nicht optimiert ist. Durch Bereitstellen unabhängiger HF-Stromversorgungen für die ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtungen in den zwei unterschiedlichen Druckbereichen, was insbesondere eine unabhängige Steuerung der HF-Amplitude zulässt, kann dieser Effekt gemildert werden. Dieses Problem kann selbst dann auftreten, wenn eine oder beide der ionenoptischen Vorrichtungen nicht ionenoptische Multipol-Vorrichtungen sind, sondern so konfiguriert sind, dass sie Ionen unter Verwendung von HF-Potenzialen einschließen. Beispiele für andere derartige ionenoptische Vorrichtungen schließen eine gestapelte Ringionenführung, eine lonentunnelvorrichtung und eine ionenoptische Vorrichtung ein, die einen oder mehrere lonenteppiche umfasst. Beispielsweise können die ionenoptischen Vorrichtungen gekreuzte lonenteppiche einschließen (wobei der/die nachgelagerte(n) lonenteppich(e) senkrecht oder orthogonal zu dem/den vorgelagerten lonenteppich(en) orientiert ist/sind).
Insbesondere kann das Randfeld so konfiguriert sein, dass die HF-Frequenz und Phase der HF-Felder in den zwei unterschiedlichen Druckbereichen gleich sind. Dies mildert insbesondere Randfelder, wo sich die HF-Felder überlappen, wobei sie eine erhebliche Barriere erzeugen.
Die Gasleitfähigkeitsbegrenzung kann eine Blende umfassen und/oder kann eine Apertur aufweisen, die größer ist als der eingeschriebene Radius (r₀) der ionenoptischen Vorrichtung. Zusätzlich oder alternativ gibt es zwischen den ionenoptischen Hochdruck- und Niederdruckvorrichtungen nichts (zum Beispiel keine ionenoptische Vorrichtung) mit einem kleineren Radius als r₀. Die HF-Elektroden einer oder beider ionenoptischer Vorrichtungen (insbesondere Multipole) können eine Lippe aufweisen, die sich in Richtung der Elektroden der anderen ionenoptischen Vorrichtungen, beispielsweise Multipole, erstreckt (und in die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eindringen kann). Die kleinen Lippen können es zulassen, dass die Quadrupolstäbe zu der oder in die Apertur (z. B. der Blende) und in die Nähe von einander gelangen, um Randfeldeffekte weiter zu reduzieren. Eine Brücke zwischen HF-Elektroden an einem Ende der ionenoptischen Niederdruckvorrichtung (Multipol) entfernt von der ionenoptischen Hochdruckvorrichtung (Multipol) kann ein HF-Pseudopotenzial zur axialen Eingrenzung der Ionen zusätzlich zur radialen Eingrenzung bereitstellen. Axiale Eingrenzung könnte alternativ mittels einer DC-Elektrode am distalen Ende der ionenoptischen Niederdruckvorrichtungen (Multipol) erreicht werden.
Ein vorteilhafter Betriebsmodus besteht daher darin, dass der Niederdruck- oder Extraktionsbereich mit einer separaten HF-Versorgung zum Hochdruckbereich arbeitet, so dass ein lonenpaket parallel (beispielsweise durch Löschen der HF) mit einer anderen lonenpopulation, die in dem Hochdruckbereich akkumuliert und abgekühlt wird, in einen Analysator extrahiert werden kann. Dadurch können eine schnelle parallelisierte Verarbeitung und niedrigere Drücke in der Extraktionsfalle erreicht werden.
Eine stark parallelisierte Füllsequenz mit drei Einfangbereichen (beispielsweise unter Verwendung eines vorgelagerten Massenfilters und/oder einer Kollisionszelle), einschließlich eines nachgelagerten Niederdruckbereichs und mindestens eines vorgelagerten Hochdruckbereichs, ermöglicht vorteilhafterweise einen schnellen Instrumentenbetrieb. Ein oder zwei lonenpakete können in der/den vorgelagerten Vorrichtung(en) akkumuliert werden, während ein anderes lonenpaket im Hochdruckbereich (Multipolbereich) der Extraktionsfalle akkumuliert wird und ein weiteres lonenpaket aus dem Niederdruckbereich (Multipolbereich) der Extraktionsfalle extrahiert wird. Optional kann gleichzeitig noch ein weiteres lonenpaket in einem nachgelagerten Massenanalysator analysiert werden. Dies unterscheidet sich deutlich von existierenden Ansätzen, die nur parallel zwei Einfangstufen vor dem Quadrupol (diesem nachgelagert) verwenden. Bei dem vorgeschlagenen Ansatz können drei, vier oder fünf lonenpakete gleichzeitig mit einer hohen Wiederholrate (200 Hz oder mehr) verarbeitet werden. Dieser Ansatz wird vorzugsweise zusammen mit dem vorstehend erörterten Massenspektrometerdesign, oder unabhängig, implementiert.
Eine oder beide der ionenoptischen Vorrichtungen (Multipole) können durch einen Elektrodenstapel (getrennt durch isolierende Abstandshalter) gebildet werden. Die erste ionenoptische (Niederdruck-) Vorrichtung (Multipol) kann durch ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden gebildet werden, an die HF-Spannungen einer ersten Phase und Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität angelegt werden, und orthogonal geteilter einander gegenüberliegender Elektroden. An die geteilten einander gegenüberliegenden Elektroden werden HF-Spannungen einer zweiten Phase angelegt, die der ersten Phase entgegengesetzt ist, und Gleichspannungen mit entgegengesetzter Polarität. Die zweite ionenoptische (Hochdruck-) Vorrichtung (Multipol) kann durch ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden mit angelegten HF-Spannungen einer ersten Phase und ein zweites Paar einander gegenüberliegender Elektroden (orthogonal zum ersten Paar orientiert) mit angelegten HF-Spannungen einer zweiten Phase, die der ersten Phase gegenüberliegt, gebildet sein.
Ein besonderer Vorteil liegt auch in der Kombination von zwei unterschiedlichen Quadrupolzellen, von denen eine mit (diagonal montierten) DC-Hilfselektroden, die das Einfangen von Ionen begünstigen, in einen anderen Quadrupol mit geteilten HF-Einfangelektroden und (äquatorial montierten) DC-Hilfselektroden übergeht, die für eine effektive lonenextraktion am besten geeignet sind. Die DC-Hilfselektroden können sich entlang der Achse der ionenoptischen Vorrichtung (Multipol) verjüngen und/oder sie können ungefähr gleichmäßig um ihren Radius herum beabstandet sein (zum Beispiel können vier DC-Hilfselektroden für eine Quadrupol-Ionenfalle vorhanden sein).
Die zwei unabhängigen HF-Stromversorgungen können einen gemeinsamen Kern-HF-Generator nutzen. Die beiden HF-Stromversorgungen können separate Spulen-(Transformator-) Anordnungen verwenden. Ein Phasensteller kann verwendet werden, um HF abzunehmen, die von dem Kern-HF-Generator oder einer der Stromversorgungen generiert wird, und sie zu verwenden, um HF an die zweite HF-Stromversorgung bereitzustellen (in diesem Fall kann ein Sampler verwendet werden, um eine der generierten HF-Spannungen abzutasten).
Figurenliste
Die Erfindung kann auf unterschiedliche Art und Weise praktisch umgesetzt werden, und an dieser Stelle werden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nun lediglich beispielhaft beschrieben, wobei:

1a eine Längsschnittansicht einer existierenden beispielhaften Extraktionsionenfalle zeigt;
1b eine seitliche Schnittansicht der Extraktionsionenfalle von 1a zeigt;
2 eine beispielhafte Doppeldruckbereichs-Extraktionsanordnung und beispielhaft angelegte axiale DC-Potenziale schematisch zeigt;
3 ein beispielhaftes schematisches Layout für eine Ausführungsform einer Konfiguration einer verbundenen lonenfalle gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
4 eine graphische Darstellung des axialen DC-Potenzials gegenüber dem Abstand entlang einer Längsachse für die Ausführungsform von 3 darstellt;
5a eine Endansicht einer beispielhaften Elektrodenstruktur für die ionenoptische Multipol-Vorrichtung im Niederdruckbereich zeigt;
5b eine perspektivische Ansicht der Elektrodenstruktur von 5a zeigt;
6a eine Endansicht einer beispielhaften Elektrodenstruktur für die ionenoptische Multipol-Vorrichtung im Hochdruckbereich zeigt;
6b eine perspektivische Ansicht der Elektrodenstruktur von 6a zeigt;
7 ein Blockdiagramm einer ersten möglichen Stromversorgungsanordnung schematisch veranschaulicht;
8 ein Blockdiagramm einer zweiten möglichen Stromversorgungsanordnung schematisch veranschaulicht;
9 den simulierten Druck gegenüber dem Abstand entlang der Längsachse der verbundenen lonenfalle gemäß der Ausführungsform der 5 und 6 grafisch darstellt;
10 Kurvendiagramme der Geschwindigkeit gegenüber der Zeit aus der Simulation für ein Ensemble von Ionen zeigt, die die Grenzfläche zwischen zwei Quadrupolen gemäß der Ausführungsform der 5 und 6 passiert haben;
11 eine normierte Signalfläche gegen die Transferzeit von Hochdruck zu Niederdruck für Ionen mit 1022 m/z bei zwei unterschiedlichen Drücken grafisch darstellt;
12 einen Signalbereich gegenüber einer Druckschätzung im Niederdruckbereich für Ionen von 202 m/z mit drei unterschiedlichen Transferzeiten von Hochdruck zu Niederdruck zeigt;
13 die Signalfläche gegenüber dem relativen Spannungsoffset zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereichen, wenn die an die beiden Bereiche angelegte HF entweder gleichphasig oder um 180 Grad phasenverschoben ist, grafisch darstellt;
14 ein schematisches Diagramm eines Massenspektrometers, in das die offenbarte Extraktionsfalle eingebaut ist, zeigt;
15 eine verbesserte Verarbeitungssequenz für das Massenspektrometer von 14 schematisch darstellt;
16A eine Draufsicht einer beispielhaften Konfiguration von zwei ionenoptischen Vorrichtungen schematisch darstellt, die jeweils einen entsprechenden lonenteppich umfassen, gemäß der Offenbarung; und
16B eine Vorderansicht des Beispiels von 16A schematisch veranschaulicht.

Die Verwendung der gleichen Bezugszahl zwischen verschiedenen Zeichnungen soll das gleiche Merkmal zeigen. Zeichnungen sollten, sofern nicht anderweitig beschrieben, als schematisch betrachtet werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Wie vorstehend erörtert, wurde bisher davon ausgegangen, dass effizientes Einfangen und schnelle Thermalisierung von injizierten Ionen von mehreren eV Energie unter Verwendung einer verbundenen lonenfalle bereitgestellt werden könnte. Darin eingebaut sind ein Hochdruck-Kühlbereich, ein Niederdruck-Extraktionsbereich und eine Minimum-Barriere an der Grenzfläche zwischen den Bereichen, um den Transfer von Ionen zwischen den Bereichen mit reduzierter Energie zuzulassen, um Abkühlzeit und lonenverluste zu minimieren. Um die Vorteile dieser Konfiguration zu realisieren, werden Ionen wünschenswerterweise in den Extraktionsbereich überführt, ohne dass ein übermäßiger Puffergasdruck in dem Extraktionsbereich oder übermäßige Transfer- und Abkühlzeiten erforderlich sind.
Der Ansatz der vorliegenden Offenbarung stellt eine Extraktions-HF-Falle bereit, die mit einer hohen Wiederholrate über eine effiziente parallelisierte Akkumulation und Extraktion verschiedener injizierter Ionen arbeiten kann. Dies kann insbesondere durch einen barrierefreien Niederenergietransfer über die Druckgrenzfläche hinweg erreicht werden, um schnelle lonenthermalisierung innerhalb des Niederdruckextraktionsbereichs zuzulassen.
Mit anderen Worten sind in die verbundene Extraktionsfalle ein Hochdruck-Kühl-(und/oder Fragmentierungs-)Bereich und ein parallelisierter Niederdruck-Extraktionsbereich eingebaut, die durch eine Leitfähigkeitsbegrenzung getrennt sind, aber keine wesentliche Barriere für den Ionentransport darstellen. In jedem Bereich ist eine gesonderte ionenoptische Multipol-Vorrichtung bereitgestellt. Vorteilhafterweise werden die Multipole auf beiden Seiten der Grenzfläche über zwei unabhängige HF-Generatoren mit HF versorgt. Vorteilhafterweise sind die Ausgänge der zwei unabhängigen HF-Generatoren phasen- und frequenzsynchronisiert, zum Beispiel durch gemeinsame Nutzung eines Kernfrequenzgenerators.
Unter Bezugnahme nun auf 3 ist dort ein beispielhaftes schematisches Layout für eine Ausführungsform einer Konfiguration einer verbundenen lonenfalle gemäß der Offenbarung veranschaulicht. Diese umfasst einen Niederdruckbereich 300 und einen Hochdruckbereich 400. Erste Einfangelektroden 310 mit einer ersten HF-Spannung (HF₁) sind in dem Niederdruckbereich 300 bereitgestellt und zweite Einfangelektroden 410 mit einer zweiten HF-Spannung (HF₂) sind in dem Hochdruckbereich 400 bereitgestellt. Eine Längsachse (x) ist ebenfalls gezeigt, um die Bewegung von Ionen zu verstehen.
Im Niederdruckbereich 300 wird Vakuumpumpen 320 mit einer Rate von etwa 20 I/s bereitgestellt. Im Hochdruckbereich 400 wird N₂-Puffergas 420 durch eine Kapillare 425 bereitgestellt. Eine Membran 350 ist zwischen dem Niederdruckbereich 300 und dem Hochdruckbereich 400 bereitgestellt.
Sowohl im Niederdruckbereich 300 als auch im Hochdruckbereich 400 sind DC-Hilfselektroden bereitgestellt. Die Profile der Niederdruck-DC-Hilfselektroden 330 und der Hochdruck-DC-Hilfselektroden 430 sind schematisch oberhalb der Falle gezeigt, um deren Formen zu veranschaulichen.
Die ersten Einfangelektroden 310 und die zweiten Einfangelektroden 410 bilden jeweilige Einfang-HF-Multipolanordnungen mit einer Länge von 100 mm und einem eingeschriebenen Radius r₀ von 2 mm, getrennt durch eine Leitfähigkeitsbegrenzung, in diesem Fall die Membran 350. Die Membran 350 ist eine dünne Wand mit einer Apertur, die viel größer ist als der Multipol r₀, um die loneneinfangbereiche nicht zu stören. Die zwei Einfang-HF-Multipol-Anordnungen sollten den gleichen eingeschriebenen Radius aufweisen, um zu der Quadrupol-Feldstruktur zu passen. Ein gewisses Maß an Toleranz gegenüber Schwankungen ist zwar möglich, aber jede Schwankung ist normalerweise unbedeutend. Die Membran 350 hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Kapazität zwischen den Multipolanordnungen minimiert, wodurch das Design der HF-Stromversorgung praktikabler wird.
In die ersten Einfangelektroden 310 ist eine kleine Lippe 315 eingeschnitten, und in ähnlicher Weise weisen die zweiten Einfangelektroden 410 eine kleine eingeschnittene Lippe 415 auf. Diese Lippen können es zulassen, dass die kritischen Kanten einander so nahe wie möglich kommen (vielleicht sogar innerhalb der Membran), ohne an der Membran 350 zusammenzubrechen. Die Multipol-Elektroden sind idealerweise so nahe wie möglich beieinander, ohne elektrischen Durchschlag zu verursachen. Ein Spalt von etwa 0,5 mm wäre normalerweise zu bevorzugen. Die Membran 350 kann diesen Abstand um weitere 0,5 mm verlängern, so dass das Vorhandensein der Lippen 315, 415 bewirken kann, dass der Abstand um 0,5 mm oder mehr verringert wird.
Einfang-HF wird den beiden Multipolanordnungen von zwei Stromversorgungen (nicht gezeigt) zugeführt, mit unabhängiger Steuerung der Amplitude (um zwei unterschiedliche lonenpakete parallel zu handhaben), aber identischer Frequenz und Phase. Dies mildert die Bildung einer HF-Barriere und einen Erwärmungsprozess an der Grenzfläche zwischen Bereichen ab. Die DC-Offsets jeder Multipolanordnung sind vorzugsweise unabhängig steuerbar. Das Problem von Randfeldern in einem segmentierten Multipolleiter wird in US7034292B1 berichtet, wobei Abmilderungen wie etwa das Maximieren des Abkühlens von Ionen vor dem Transfer angeführt werden.
Das Stickstoffpuffergas 420 wird in die zweiten Einfangelektroden 410 oder den Hochdruckbereich 400 durch die Kapillare 425 zugeführt, so dass es einen Druck im Bereich von 5×10^-3 mbar (0,5 Pa) erreicht, obwohl ein beliebiger Wert von 1 bis 20×10^-3 mbar (0,1 Pa bis 2 Pa) in Abhängigkeit von den Analytionen normal wäre. Die Kombination der Gasleitfähigkeitsbegrenzung plus ungefähr 20 I/s Pumpgeschwindigkeit im Niederdruckbereich 300 sollte einen 5- bis 10-fachen Druckabfall am Punkt der lonenextraktion sicherstellen.
Die DC-Hilfselektroden 330, 430 sind keilförmig (d. h. entlang ihrer Länge verjüngt) und zwischen den HF-Einfangelektroden 310, 410 eingebaut, um einen überlagerten axialen DC-Gradienten entlang der Länge der Falle zu erzeugen. Diese sind wünschenswert, um die Ionen schnell durch die gasgefüllten Einfangbereiche zu leiten und sie am Extraktionspunkt zu akkumulieren. Als Alternative kann der axiale DC-Gradient durch starke Segmentierung der HF-Einfangelektroden 310, 410 bereitgestellt werden, es wird jedoch erwartet, dass dies mechanisch und elektronisch wesentlich komplexer zu erreichen ist. Ionen 360 treten über eine Eintrittslinse 440 in den Hochdruckbereich 400 ein. Die Polaritäten der an die in den Zeichnungen gezeigten Hilfselektroden angelegten Gleichspannungen sind für das Einfangen und die Transmission von positiv geladenen Ionen geeignet. Es versteht sich, dass durch Umschalten der Polaritäten der Spannungen negativ geladene Ionen eingefangen und auf diese Weise übertragen werden können.
Optional kann eine Brücke 340 auf der Rückseite bereitgestellt werden, um die ersten HF-Einfangelektroden 310 im Niederdruckbereich 300 zu überbrücken. Dies kann ein zusätzliches HF-verzögerndes Pseudopotenzial erzeugen, um zu verhindern, dass Ionen axial aus der Falle entweichen. Alternativ kann der gleiche Effekt durch Bereitstellen einer zusätzlichen DC-Elektrode erzielt werden.
Als nächstes wird auf 4 Bezug genommen, in der ein Diagramm des axialen Gleichspannungspotenzials 500 gegen den Abstand entlang der Längsachse (x) für die Ausführungsform von 3 dargestellt ist, um den Prozess von loneninjektion, -transfer und - extraktion in einen (Time-of-Flight- oder ToF-) Massenanalysator zu erläutern. Wo die gleichen Bezugszeichen wie in 3 verwendet werden, sind die gleichen Merkmale veranschaulicht.
In einem ersten Schritt 510 werden Ionen von einer Quelle in den Hochdruckbereich 400 durch die Eintrittslinse injiziert, die vorzugsweise auf einem höheren DC-Offset als der Hochdruckbereich 400 gehalten wird. Der Hochdruckbereich 400 sollte an diesem Punkt auch einen niedrigeren DC-Offset aufweisen als der Niederdruckextraktionsbereich 300, um zu verhindern, dass Ionen entweichen. Dieser kann auch auf ein Niveau eingestellt werden, um eine Fragmentierung der injizierten Ionen zu induzieren, und/oder die Kollisionsenergie kann zur Fragmentierung verwendet werden. Die Ionen werden dann abgekühlt und bewegen sich durch den überlagerten DC-Gradienten zu der Bereichsgrenzfläche am entfernten Ende des Hochdruckbereichs 400 (distal von der Eintrittslinse 440).
Nach einer angemessenen Abkühlperiode (etwa 1 ms) findet ein zweiter Schritt 520 statt. Die an die DC-Hilfselektroden im Hochdruckbereich 400 angelegten Potenziale werden geringfügig (+10 V) auf knapp über die an die DC-Hilfselektroden im Niederdruckbereich 300 angelegten Potenziale angehoben. Infolgedessen driften die Ionen 525 in den Niederdruckbereich 300 und kühlen in diesem Bereich in der Mitte der Falle ab, da das axiale DC-Feld so konfiguriert ist, dass es einen Potenzialtopf in der Mitte der Falle erzeugt, wie in der Zeichnung gezeigt. Der im Hochdruckbereich 400 angelegte DC-Offset wird auf ein Niveau gerade über dem im Niederdruckbereich 300 angelegten Offset (ungefähr 0,25 V) erhöht, so dass Ionen mit einem Minimum an Energie in den Niederdruckbereich injiziert werden und zum Extraktionspunkt hin (in diesem Fall die Mitte der Falle) abkühlen.
Nach 0,5 ms bis 20 ms Abkühlzeit findet optional ein dritter Schritt 530 statt, bei dem der an den DC-Hilfselektroden im Niederdruckbereich 300 anliegende Offset erhöht wird, beispielsweise auf 4 kV. Folglich bleiben die Ionen eingefangen und sind bereit für die Injektion in den (ToF)-Massenanalysator. Während dieses Zeitraums werden die an die DC- und HF-Elektroden im Hochdruckbereich 400 angelegten Potenziale nicht durch das Feld im Niederdruckbereich 300 eingeschränkt. Daher können zu diesem Zeitpunkt neue Ionen (ein neues lonenpaket) in die lonenfalle in dem Hochdruckbereich 400 injiziert werden, beispielsweise von der lonenquelle.
Schließlich wird in einem vierten Schritt 540 die an die Elektroden im Niederdruckbereich 300 angelegte HF gelöscht und eine Extraktions-Gleichstromimpulsspannung angelegt. Dadurch werden die Ionen in den Massenanalysator ausgestoßen.
Es versteht sich, dass eine Segmentierung der HF-Einfangelektroden zwischen den zwei Druckbereichen nicht grundsätzlich notwendig ist, da DC-Hilfselektroden verwendet werden könnten, um sowohl Ionen im Hochdruckbereich einzufangen als auch sie zu einem Niederdruckbereich zu leiten. Dies würde jedoch eine parallele Verarbeitung unterschiedlicher Ionen in beiden Bereichen ausschließen, da der Hochdruckbereich die elektronischen Signale sehen würde, die Ionen aus dem Extraktionsbereich ausstoßen, und somit der Fallenbetrieb erheblich verlangsamt würde.
Allgemein ausgedrückt kann ein Massenspektrometer betrachtet werden, umfassend: eine erste ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck; eine zweite ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ hohem Gasdruck; und eine Gasleitfähigkeitsbegrenzung, die dazu konfiguriert ist, den Gasfluss von dem Bereich mit relativ hohem Gasdruck zu dem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck zu begrenzen. Die erste ionenoptische Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie HF-Spannungen von einer ersten HF-Stromversorgung empfängt, um ein erstes HF-Feld zu generieren, das Ionen in einem Einfangbereich der ersten ionenoptischen Vorrichtung einschließt. Die zweite ionenoptische Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie HF-Spannungen von einer zweiten HF-Stromversorgung empfängt, um ein zweites HF-Feld zu generieren, das Ionen in einem Einfangbereich der zweiten ionenoptischen Vorrichtung einschließt. Die Gasleitfähigkeitsbegrenzung weist eine Apertur auf, um zuzulassen, dass Ionen von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung passieren. Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite HF-Stromversorgung unabhängig, insbesondere um zuzulassen, dass die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes eine andere Amplitude als die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes haben.
Obwohl ein Aspekt der Offenbarung in Form einer Anordnung von ionenoptischen Vorrichtungen oder eines Massenspektrometers betrachtet werden kann, kann er auch als ein Verfahren zum Verarbeiten von Ionen betrachtet werden. Ein derartiges Verfahren kann Schritte des Bereitstellens und/oder Betreibens der strukturellen Komponenten der Anordnung oder des Massenspektrometers entsprechend ihrer konfigurierten Funktionalität umfassen. Alle hier erörterten strukturellen Merkmale können äquivalent als Prozessschritte in einem Verfahren zum Bereitstellen oder Betreiben eines Massenspektrometers betrachtet werden.
In Ausführungsformen ist jede der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtungen eine jeweilige ionenoptische Multipol-Vorrichtung. Die Vorteile der Offenbarung können auf ionenoptische Vorrichtungen (zum Beispiel lonenführungen) anwendbar sein, die ein HF-Feld zur Eingrenzung verwenden, insbesondere ionenoptische Multipol-Vorrichtungen (die zum Beispiel einen Quadrupol, Hexapol, Oktupol, Dekapol und so weiter einschließen können).
Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite HF-Stromversorgung dazu konfiguriert, die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes und die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes mit identischer Frequenz und ausgerichteter Phase bereitzustellen.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite HF-Stromversorgung so konfiguriert, dass sie die HF-Spannungen liefern, um das zweite HF-Feld zu generieren, um Ionen in der zweiten ionenoptischen Vorrichtung einzufangen, und gleichzeitig die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes konfigurieren, um Ionen aus der ersten ionenoptischen Vorrichtung auszustoßen oder zu extrahieren (die HF-Spannungen zum Ausstoßen oder Extrahieren können eine Null-Amplitude haben, das heißt, das erste HF-Feld kann gelöscht sein).
In einigen Implementierungen umfasst die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eine Membran. Zusätzlich oder alternativ ist die Apertur der Gasleitfähigkeitsbegrenzung (die eine Apertur in der Membran sein kann) größer als ein eingeschriebener Radius r₀ der ersten ionenoptischen Vorrichtung und/oder der zweiten ionenoptischen Vorrichtung. Vorzugsweise gibt es keine ionenoptische Vorrichtung zwischen der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtung, die einen kleineren Radius als die Radien der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtung aufweist.
Vorteilhafterweise weist mindestens eine Multipol- oder HF-Elektrode von einer oder beiden der ersten ionenoptischen Vorrichtung und der zweiten ionenoptischen Vorrichtung (optional mehr als eine Multipol- oder HF-Elektrode und weist eine Lippe auf, die sich in Richtung der Elektroden der anderen ionenoptischen Vorrichtung erstreckt. Die Lippe kann in die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eindringen.
Optional wird Puffergas in den Bereich mit relativ hohem Druck durch eine Kapillare zugeführt, um einen gewünschten Druck zu erreichen. Zusätzlich oder alternativ wird eine Pumpgeschwindigkeit des Bereichs mit relativ niedrigem Druck ausgewählt, um den gewünschten Druck in dem Bereich mit relativ hohem Druck zu erreichen. Vorzugsweise können das Puffergas und/oder die Pumpgeschwindigkeit dazu eingestellt werden, einen 5- bis 10-fachen Druckabfall in einem Bereich der lonenextraktion (in der zweiten ionenoptischen Vorrichtung oder dem Multipol) zu erreichen.
In bestimmten Implementierungen können Multipol- oder HF-Elektroden der ersten ionenoptischen Vorrichtung ferner eine Brücke umfassen, so dass das zweite HF-Feld sowohl eine radiale als auch eine axiale Eingrenzung bereitstellt, insbesondere aufgrund der Brücke, die ein HF-Pseudopotenzial für eine axiale Eingrenzung bewirkt.
Auf weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung wird in allgemeiner Form nochmals weiter unten eingegangen. Zunächst werden andere spezifische Implementierungsdetails präsentiert.
Es werden nun weitere Einzelheiten über eine spezifische Ausführungsform von HF-Elektroden für die verbundene lonenfalle bereitgestellt. Unter Bezugnahme als nächstes auf 5a ist dort eine Endansicht einer beispielhaften Elektrodenstruktur für die ionenoptische Multipol-Vorrichtung (lonenfalle) im Niederdruckbereich (die erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung in der allgemeinen Bedeutung) gezeigt. Es wird auch auf 5b Bezug genommen, die eine perspektivische Ansicht der Elektrodenstruktur von 5a zeigt. Diese Struktur folgt einem ähnlichen Schema mit ähnlichen angelegten Potenzialen wie derjenigen, die in GB2570435A und Stewart et al., „A Rectilinear Pulsed-Extraction Ion Trap with Auxiliary Axial DC Trapping Electrodes“, American Society for Mass Spectrometry Conference, San Antonio, 2018, gezeigt ist.
Die Falle wird aus einem Stapel länglicher Elektroden gebildet, die durch isolierende Abstandshalter getrennt sind. Die Elektrodenstruktur umfasst (die angelegten HF- und DC-Potenziale sind in Klammern gezeigt): Pull-Elektrode 610 (+HF₁, -DC_PP); Push-Elektrode 620 (+HF₁, +DC_PP); Split-Pull-Elektrode 630 (-HF₁, -DC_PP); Split-Push-Elektrode 640 (-HF₁, +DC_PP); DC-Hilfselektroden 650; Abstandshalter 660; Isolierstäbe 670; und den Ausstoßschlitz 680.
Somit wird eine HF-Phase an die oberen und unteren Elektroden (Pull-Elektrode 610 und Push-Elektrode 620) angelegt, und eine um 180 Grad phasenverschobene HF wird an die vier Elektroden angelegt, die aus der Äquatorebene versetzt sind (Split-Pull-Elektrode 630 und Split-Push-Elektrode 640), wodurch das Einfang-Pseudopotenzial erzeugt wird. Bei einer 2 mm r₀-Falle ist eine angelegte HF von 4 MHz mit einer Amplitude im Bereich von 200-2000 V_Spitze- _Spitze für übliche Analytionen geeignet.
Die DC-Hilfselektroden 650 (die wie in 3 gezeigt keilförmig sind) befinden sich entlang der Äquatorialebene, an die eine kleine Spannung angelegt wird, um einen schwachen axialen Potenzialgradienten zu erzeugen, beispielsweise einen Potenzialtopf am Extraktionspunkt der Falle. Optional können Isolierstäbe 670 zwischen die Elektroden eingefügt werden, die sich vom Eintritt bis etwa zur Hälfte der Länge der Falle erstrecken, um die Leitfähigkeitsbegrenzung zwischen den Bereichen weiter zu verbessern.
Wenn Ionen am Ausstoß- (oder Extraktions-) Schlitz 680 eingefangen und ausreichend abgekühlt werden, kann optional das Potenzial des gesamten Extraktionsbereichs angehoben werden, dann werden die HF-Potenziale gelöscht, vorzugsweise zuerst die Pull-Elektrode 610 und die Push-Elektrode 620 und dann nach einem halben Zyklus die Split-Push/Pull-Elektroden 630, 640 (wie in den vorstehend genannten ähnlichen Schemata erörtert). Negative Extraktion oder Push/Pull pp, DC (relativ zur lonenpolarität) wird an die Pull-Elektrode 610 und die Split-Pull-Elektrode 630 angelegt, während positive DC an die Push-Elektrode 620 und die Split-Push-Elektroden 640 angelegt wird, wodurch Ionen durch den Extraktionsschlitz 680 ausgestoßen werden. Dieses relativ komplexe Anlegen von Spannungen erzeugt ein starkes und gleichmäßiges Feld in der Mitte der Falle, obwohl auch einfachere Verfahren funktionieren, wie z. B. das Anlegen von Extraktionsgleichstrom nur an die Pull-Elektrode 610 oder die Push-Elektrode 620 oder beide. Ein Extraktionsfeld von 250-500 V/mm wird als geeignet für den Ausstoß zu Flugzeitanalysatoren angesehen. Da die DC-Hilfselektroden 650 an der Nullpotenziallinie des Extraktions-DC-Gradienten sitzen, benötigen sie kein zusätzliches Potenzial, das am Extraktionspunkt angelegt wird.
Die geteilten HF-Elektroden können zwei unabhängige Vorteile haben. Erstens kann ihre Verwendung das gepulste Extraktionsfeld in der Mitte der Falle verstärken und zweitens können sie für die Einführung der DC-Hilfselektroden 650 Raum schaffen. Andernfalls können nicht-äquatoriale DC-Hilfselektroden (d. h. von den vier Ecken kommend) bereitgestellt werden, aber dann müsste auf sie der Extraktionsgleichstrom angelegt werden, was elektronisch sehr kompliziert sein kann.
Unter Bezugnahme nun auf 6a ist dort eine Endansicht einer beispielhaften Elektrodenstruktur für die ionenoptische Multipol-Vorrichtung (lonenfalle) im Hochdruckbereich (die zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung in der allgemeinen Bedeutung) gezeigt. Es wird auch auf 6b Bezug genommen, die eine perspektivische Ansicht der Elektrodenstruktur von 6a zeigt. Die Eintrittsapertur (Linse) ist in dieser Zeichnung nicht gezeigt.
Die Elektrodenstruktur umfasst: äußere Einfangelektroden (an die ein HF-Potenzial +HF₂ angelegt wird) 710; innere Einfangelektroden 720 (an die ein HF-Potenzial -HF₂ angelegt wird); Abstandshalter 730; und DC-Hilfselektroden 740. Dieser Elektrodenstapel ist einfacher als der entsprechende Stapel für den Extraktionsbereich, da es nur vier Einfangelektroden mit abwechselnd gleichphasiger und um 180 Grad phasenverschobener HF gibt, die von einer frequenzsynchronen zweiten HF-Versorgung angelegt werden.
In diesem Fall gibt es vier DC-Hilfselektroden 740, die so montiert sind, dass sie in die Ecken des Umfangs des Einfangbereichs vorstehen (zwischen den HF-Elektroden 710, 720 verschachtelt) und so verkeilt sind, dass der Vorsprung entlang der Länge des Bereichs abnimmt. Der entgegengesetzte Trend ist ebenfalls möglich, kann es aber etwas schwieriger machen, das absolute DC-Potenzial an der Grenzfläche zu bestimmen, da es die Summe aus Stabpotenzial plus Störung von den DC-Hilfselektroden 740 wird. Die Verwendung von vier DC-Hilfselektroden 740 wird für diesen Bereich bevorzugt, da das radiale Trapping-Pseudopotenzial durch das überlagerte oktupolare DC-Feld weit weniger gestört wird als die quadrupolare Störung, die durch die DC-Äquatorialelektroden 650 in dem Extraktionsbereich verursacht wird.
Das Umschalten zwischen einem Quadrupol-Layout der ionenoptischen Multipol-Vorrichtung im Hochdruckbereich mit Hilfselektroden, die für das Einfangen oder die Transmission geeignet sind, zu einem Layout, das zur Extraktion im Niederdruckbereich geeignet ist, ist sehr vorteilhaft. Es ist leicht ersichtlich, wie derartige Elektrodenlayouts von isolierenden Abdeckungen umschlossen werden können, um den Gasfluss zu steuern.
Um auf die allgemeine Bedeutung der vorstehend erörterten Offenbarung zurückzukommen, können weitere optionale und/oder bevorzugte Details in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die erste und/oder zweite ionenoptische (Multipol-) Vorrichtung durch einen Stapel länglicher Elektroden gebildet sein, die durch isolierende Abstandshalter getrennt sind. Vorteilhafterweise kann die erste ionenoptische Vorrichtung so konfiguriert sein, dass sie Ionen von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung entlang einer gemeinsamen Achse der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtungen empfängt und eine Extraktion der empfangenen Ionen in einer Richtung orthogonal zu der Achse zulässt.
Vorteilhafterweise umfassen die erste ionenoptische Vorrichtung und/oder die zweite ionenoptische Vorrichtung DC-Hilfselektroden, die dazu angeordnet sind, ein DC-Potenzial zu empfangen, um so einen axialen DC-Gradienten zu erzeugen, der dem jeweiligen HF-Feld überlagert ist. Die DC-Hilfselektroden können entlang einer Achse der jeweiligen ionenoptischen Vorrichtung verjüngt sein. In einigen Implementierungen sind die DC-Hilfselektroden um einen Radius der jeweiligen ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung herum ungefähr gleichmäßig beabstandet. Die erste ionenoptische (Multipol-) Vorrichtung kann einen Elektrodenstapel umfassen, wobei sich die DC-Hilfselektroden in der Mitte des Elektrodenstapels befinden. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite ionenoptische (Multipol-) Vorrichtung gleich beabstandete HF-Elektroden zum Generieren des HF-Feldes umfassen, und die DC-Hilfselektroden können zwischen den HF-Elektroden verschachtelt sein.
In einer Implementierung, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung ist, umfasst die erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung: ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die dieselben HF-Spannungen einer HF-Größe angelegt sind, und eine erste Phase und Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität mit einem Gleichspannungspegel; und ein zweites Paar einander gegenüberliegender Elektrodenanordnungen. Jede der einander gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen umfasst: eine geteilte HF-Elektrode, die zwei getrennte Elektrodenteile umfasst, an die die gleichen HF-Spannungen der HF-Größe angelegt sind, und eine zweite Phase, die der ersten Phase entgegengesetzt ist, und Gleichspannungen mit entgegengesetzter Polarität des Gleichspannungspegels. Eine DC-Hilfselektrode kann dann zwischen den zwei getrennten Elektrodenteilen der geteilten HF-Elektrode bereitgestellt werden. Optional umfasst die erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung ferner eine Brücke zwischen dem ersten Paar einander gegenüberliegender Elektroden der ersten ionenoptischen Multipol-Vorrichtung, so dass das erste HF-Feld sowohl eine radiale als auch eine axiale Eingrenzung bereitstellt. Zusätzlich oder alternativ ist die zweite ionenoptische Vorrichtung eine zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung und die zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung umfasst: ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die die gleichen HF-Spannungen einer HF-Größe und einer ersten Phase angelegt sind; und ein zweites Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die HF-Spannungen der HF-Größe und eine zweite, der ersten Phase entgegengesetzte, Phase angelegt ist. DC-Hilfselektroden können zwischen jeder des ersten Paares von einander gegenüberliegenden Elektroden und entsprechenden des zweiten Paares von einander gegenüberliegenden Elektroden bereitgestellt sein.
Die erste und/oder zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung kann Isolierstäbe zwischen Multipol-Elektroden der ionenoptischen Vorrichtung umfassen. Dann können sich die Isolierstäbe von einem Eintritt der ionenoptischen Vorrichtung bis ungefähr zur Hälfte der Länge der ionenoptischen Vorrichtung erstrecken.
Nun werden zusätzliche spezifische Details der Offenbarung erörtert. Eine weitere Beschreibung entsprechend der allgemeinen Bedeutung wird nachfolgend detailliert ausgeführt.
Nun werden mögliche Ausführungsformen von HF-Stromversorgungen für die ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtungen im Hoch- und Niederdruckbereich betrachtet. Es ist sehr wünschenswert, dass die HF-Stromversorgungen für beide Druckbereiche dieselbe Frequenz gemeinsam nutzen, da dies die Generierung starker Randfeldeffekte an der Bereichsgrenzfläche abschwächen kann. Nichtsdestoweniger sind die HF-Stromversorgungen vorteilhafterweise als getrennte Versorgungen konfiguriert, zum Beispiel so, dass das im Hochdruckbereich angelegte HF-Feld die Löschung des HF-Feldes bei Löschung im Niederdruckbereich und den Hochspannungs-Offset für die Extraktion überlebt.
Selbst ein kleiner Frequenzfehler kann in jedem Bereich über kurze Zeit zu völlig unterschiedlichen Feldern führen, so dass die beiden Versorgungen vorteilhafterweise frequenzsynchronisiert sind. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Primärspulen jeder Versorgung von demselben Frequenzgenerator anzusteuern, möglicherweise auch durch Einbauen von Mitteln zum Generieren einer Phasenverschiebung an einer Versorgung, um eine Ausrichtung der HF-Ausgangsphasen zuzulassen.
Unter Bezugnahme als nächstes auf 7 ist ein Blockdiagramm einer ersten möglichen Stromversorgungsanordnung schematisch veranschaulicht. Diese umfasst: Frequenzgenerator 800; HF₁-Spulenanordnung 810 mit einer Primärwicklung 811 und Sekundärwicklungen 815, 816, 817, 818; eine V_Push-DC-Versorgung 821; eine V_Pull-DC-Versorgung 822; HF₂-Spulenanordnung 830, umfassend eine Primärwicklung 831 und Sekundärwicklungen 835, 836; und einen Phasenanpassungsblock 840. Somit wird durch den Einbau von Sekundärspulen in jede Versorgung jede HF-Ausgangsphase angesteuert, sowie das Hinzufügen von Push- und Pull-Extraktions-DC-Potenzialen. Dadurch werden das Push-Elektrodenpotenzial 825; das Split-Push-Elektrodenpotenzial 826; das Split-Push-Elektrodenpotenzial 827; das Split-Pull-Elektrodenpotenzial 828; +HF für den Hochdruckbereich 838; und -HF für den Hochdruckbereich 839 bereitgestellt. Dies ähnelt dem in US6340814B1 verfolgten Ansatz, bei dem HF-Stromversorgungen für benachbarte Segmente frequenzsynchronisiert sind, indem sie einen gemeinsamen Frequenzgenerator oder Taktgeber gemeinsam nutzen.
Der Nachteil eines derartigen Systems besteht darin, dass die zwei Bereiche unter Umständen nicht unabhängig frequenzabgestimmt werden können. Normalerweise würde die Frequenz für jede Stromversorgung auf eine Resonanz feinabgestimmt werden. Ein weiterer Nachteil, der bei einem derartigen Stromversorgungsschema festgestellt wird, besteht darin, dass sich die Phase mit der Amplitude verschieben kann, so dass auch eine alternative Anordnung in Betracht gezogen wird.
Bezugnehmend als nächstes auf 8 ist ein Blockdiagramm einer zweiten möglichen Stromversorgungsanordnung schematisch veranschaulicht. Dort, wo die gleichen Blöcke wie in 7 veranschaulicht sind, werden die gleichen Bezugszahlen verwendet. Dies stellt eine Frequenz- und/oder Phasensynchronisation bereit, indem der Ausgang einer Phase der ersten HF-Versorgung (zum Beispiel das Split-Pull-Elektrodenpotenzial 828) verwendet wird, dieser Ausgang unter Verwendung des Messblocks 841 abgetastet wird und er dann verwendet wird, um die zweite Stromversorgung anzusteuern (durch den Phasenanpassungsblock 840), wobei die zweite Stromversorgung vor Phasenverschiebungen in der ersten Stromversorgung geschützt wird.
Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen allgemeinen Bedeutungen können die erste und die zweite HF-Stromversorgung zumindest einen Teil eines Stromversorgungssystems bilden. Dann kann das Stromversorgungssystem Folgendes umfassen: einen Kern-HF-Generator, der dazu konfiguriert ist, eine HF-Wellenform mit einer bestimmten Frequenz bereitzustellen; eine erste Spulenkonfiguration (oder einen Transformator), die/der zum Empfangen der HF-Wellenform und zum Liefern der HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes konfiguriert ist; und eine zweite Spulenkonfiguration (oder einen Transformator), die/der zum Empfangen eines HF-Signals, das von der HF-Wellenform abgeleitet ist, und zum Liefern der HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes konfiguriert ist. Der Kern-HF-Generator und die erste Spulenkonfiguration können die erste HF-Stromversorgung definieren und der Kern-HF-Generator und die zweite Spulenkonfiguration können die zweite HF-Stromversorgung definieren.
Optional umfasst das Stromversorgungssystem ferner einen Phasensteller, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das die HF-Wellenform oder eine aus der HF-Wellenform generierte Wellenform ist, und das von der HF-Wellenform abgeleitete HF-Signal an die zweite Spulenkonfiguration (oder alternativ an die erste Spulenkonfiguration), basierend auf dem empfangenen Signal, durch Einstellen einer Phase des HF-Signals auf einen gewünschten Pegel bereitzustellen.
In einigen Implementierungen umfasst das Stromversorgungssystem ferner einen Sampler, der dazu konfiguriert ist, eine der HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes aus der ersten Spulenkonfiguration (oder alternativ eine der HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes aus der zweiten Spulenkonfiguration) abzutasten und dem Phasensteller die aus der HF-Wellenform generierte Wellenform basierend auf der abgetasteten HF-Spannung bereitzustellen.
Leistungsergebnisse und zusätzliche Details spezifischer Implementierungen werden weiter beschrieben, bevor zu den nun erörterten allgemeinen Bedeutungen zurückgekehrt wird.
Simulationsergebnisse werden nun präsentiert, um Wirkungen der beschriebenen Ausführungsformen zu veranschaulichen. Unter Bezugnahme nun auf 9 ist dort der simulierte Druck gegen den Abstand entlang der Längsachse (Z) der verbundenen lonenfalle gemäß der Ausführungsform von 5 und 6 aufgetragen. Dieses Diagramm zeigt die Ergebnisse von Gasdynamiksimulationen, die in einem lonenoptik-Modellierungssoftwarepaket (MASIM 3D) an einem Modell der verbundenen Extraktionsfalle durchgeführt wurden, wobei entweder leitfähigkeitsbegrenzende Zylinder zwischen den Elektroden des Extraktionsbereichs eingebaut wurden oder nicht. Es wurden Flugbahnen von 10.000 Gaspartikeln berechnet und Druckgradienten über die Länge der Falle abgeleitet.
Vom Hochdruckbereich bis zum Extraktionspunkt wird ein fast 10-facher Druckabfall beobachtet, unabhängig von den zusätzlichen Leitfähigkeitsbegrenzern. Diese Zylinder sind jedoch nützlich, um einen höheren Druck in der Grenzfläche aufrechtzuerhalten, was eine etwas bessere Abkühlung der Ionen zulässt, wenn sie zum Extraktionspunkt transportiert werden.
10 zeigt Kurvendiagramme der Geschwindigkeit gegen die Zeit aus der Simulation für ein Ensemble von Ionen, die die Grenzfläche zwischen zwei Quadrupolen gemäß der Ausführungsform von 5 und 6 passiert haben. Die zwei oberen Diagramme zeigen die Radialgeschwindigkeit und die zwei unteren Diagramme zeigen die Axialgeschwindigkeit. Die Simulation verwendet 4 MHz 400 V HF, wobei die Diagramme auf der linken Seite eine synchrone Frequenz und 5 % Phasen- und Amplitudenfehler verwenden und die auf der rechten Seite einen Frequenzfehler von 10 % verwenden (3,8 MHz bis 4,2 MHz).
Es ist offensichtlich, dass die lonenbewegung nicht wesentlich durch die kleinen Phasen- oder Amplitudendifferenzen behindert wird, die leicht in einer realen Stromversorgung vorhanden sein könnten, wie durch die kleine Änderung der axialen Energie bei 900 gezeigt wird. Der Frequenzfehler erzeugt jedoch eine beträchtliche radiale Erwärmung der Ionen 910 und stellt eine derart starke axiale Barriere (große axiale Energieänderungen) 920 dar, dass einige Ionen reflektiert werden.
Weitere Ergebnisse wurden erhalten, indem eine Extraktionsfalle konstruiert wurde, die repräsentativ für die in den 5 und 6 offenbarte Vorrichtung war, die mit einem Flugzeitanalysator verbunden war und Ionen über eine Elektrosprayionenquelle zuführte. Nun werden Versuchsergebnisse daraus beschrieben.
Bezugnehmend nun auf 11 ist dort ein normierter Signalbereich gegen die Transferzeit von Hochdruck zu Niederdruck für Ionen mit 1022 m/z bei zwei unterschiedlichen Drücken (ungefähr 4×10^-3 mbar oder 0,4 Pa und 9×10^-4 mbar oder 0,09 Pa) aufgetragen. Es wird auch auf 12 Bezug genommen, die einen Signalbereich gegenüber einer Druckschätzung im Niederdruckbereich für Ionen von 202 m/z mit drei unterschiedlichen Transferzeiten von Hochdruck zu Niederdruck zeigt. Die Transferzeit von Hochdruck zu Niederdruck schließt die Zeit für Transfer und Abkühlen der Ionen ein, wenn sie von Hochdruckzu Niederdruckbereichen vor der 4-kV-Anhebung und Extraktion übergehen, wie unter Bezugnahme auf 4 gezeigt und erörtert. Unzureichend abgekühlte Ionen gehen während der 4-kV-Anhebung aus dem Extraktionsbereich verloren und werden nicht erfasst.
Bei einem herkömmlichen Extraktionsbereichsdruck von etwa 4×10^-3 mbar (0,4 Pa) werden Ionen mit m/z 1022 bei fast jeder Transferzeit vollständig zurückgehalten, selbst bis hinunter zu den minimalen 2 ms. Das Bewegen auf einen niedrigen Druck von weniger als 1×10⁴ mbar (0,1 Pa) bedeutet jedoch, dass eine beträchtliche Abkühlzeit erforderlich ist, um das Signal zu maximieren. Dieser Effekt ist auch in einem viel geringeren Ausmaß bei Ionen mit m/z 202 vorhanden, die einige Einfangverluste bei 2 ms Abkühlzeit erleiden, wenn der Druck niedriger als 2×10^-3 mbar (0,2 Pa) ist, obwohl keine Verluste bei 5 ms oder 10 ms Transferzeit beobachtet wurden.
Dies kann eine Einschränkung dieses Designs darstellen, wobei es für einen sehr schnellen Betrieb (etwa 5 ms Gesamtzyklus) normalerweise wünschenswert ist, einen Druck von 1×10^-3 mbar (0,1 Pa) bis 2×10^-3 mbar (0,2 Pa) zu haben, um sogar Ionen schnell abzukühlen, die mit weniger als 1 eV Energie injiziert werden. Niedrigere Drücke und längere Wartezeiten scheinen im Falle großer mehrfach geladener Ionen erwünscht zu sein, wo die Gefahr unerwünschter Kollisionen während der Extraktion oder innerhalb des Analysators einen Mindestgasdruck erfordern kann. Es sollte beachtet werden, dass einige experimentelle Faktoren, wie zum Beispiel eine Welligkeit von etwa 0,5 V im DC-Offset des Extraktionsbereichs, den Ionen Energie hinzugefügt und die Abkühlzeiten etwas verlängert haben können.
Unter Bezugnahme nun auf 13 ist dort ein Signalbereich gegen einen relativen Spannungsversatz zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereiche aufgetragen, wenn die an die beiden Bereiche angelegte HF entweder gleichphasig oder um 180 Grad phasenverschoben ist. Dies zeigt daher Scans von Injektionsenergie, die durch eine Verschiebung des Offsets der Hochdruck- und Niederdruckbereiche und deren Auswirkung auf das detektierte Signal von Ionen von m/z 524 definiert sind. Es wird beobachtet, dass bei phasenverschobener HF die Ionen eine erheblich größere Injektionsenergie benötigen, um die HF-Grenzflächenbarriere zu überwinden, und dass es im Vergleich zu dem phasengleichen HF-Experiment immer zu Signalverlusten kommt.
Der gleichphasige HF-Scan zeigt auch einen „Sweet Spot“ mit hohem Signal bei niedriger Injektionsenergie, was auf eine optimale Abkühlung zurückzuführen sein kann, oder weil angenommen wurde, dass einige Ionen bei überschüssiger Energie in der Lage sind, die relativ schwache verwendete Einfang-HF (700 V) zu durchdringen und auf die DC-Hilfsstifte oder das Ende der Falle aufzutreffen. Dies kann den praktischen Vorteil nicht nur der Frequenzsynchronisation der beiden HF-Versorgungen sondern auch des Aufrechterhaltens einer guten Phasenausrichtung zeigen.
Als nächstes wird auf 14 Bezug genommen, in der ein schematisches Diagramm eines Massenspektrometers gezeigt ist, in das die offenbarte Extraktionsfalle eingebaut ist. Diese umfasst: eine Elektrosprayionisations-(ESI)-Ionenquelle 1010; eine HF-Linse 1020; lonenführungen 1030; einen Massenfilter 1040; ein lonengatter 1050; weitere lonenführung 1060; gekrümmte lonenfalle (C-Falle) 1070; eine Z-Linse 1080; einen Orbitalfallenmassenanalysator 1090; eine Kollisionszelle 1100; eine nachgelagerte lonenfalle 1110; eine Extraktionsfalle 1120; geneigte lonenspiegel 1140; Deflektoren 1150; Korrekturstreifenelektrode 1160; und einen Detektor 1170.
Dies ist ein Hybridinstrument, das einen Quadrupol-Massenfilter 1040, einen Orbitalfallenmassenanalysator 1090 und einen Multireflexions-Flugzeit-(MR-ToF)-Massenanalysator 1130 kombiniert. Die Extraktionsfallenvorrichtung 1120 wird in diesem Beispiel verwendet, um den MR-ToF-Analysator 1130 zu versorgen. Ein derartiges allgemeines Instrumentenlayout wurde zuvor zum Beispiel in US10699888B2 und US10593525B2 beschrieben. US10699888B2 beschreibt ein allgemeines datenunabhängiges Erfassungsverfahren, wobei der vollständige lonenstrahl von der Quelle 1010 gelegentlich durch die C-Falle 1070 (eine Form einer Extraktionsfalle) abgetastet und durch den Orbitalfallenmassenanalysator 1090 gemessen wird, aber meistens wird der Strahl massensequenziell gefiltert, in der Kollisionszelle 1100 fragmentiert und die Fragmente werden im MR-ToF-Analysator 1130 analysiert. Der MR-ToF-Analysator 1130 ist ausführlich in WO2013110587A2 beschrieben, obwohl er durch konventionellere Flugzeitanalysatoren ersetzt werden könnte.
Ein erhebliches Problem kann auftreten, wenn ein derartiges Instrument mit hohen Wiederholraten betrieben wird. Die Zeit, die Ionen brauchen, um durch einen kurzen Bereich von etwa 10^-2 mbar (1 Pa) Druck zu wandern, liegt in der Größenordnung von etwa 1 ms, zusätzlich zu der Zeit, die erforderlich ist, um Ionen zu thermalisieren. Die Zeit zum Umschalten eines auflösenden Quadrupols (Massenfilter 1040) und zum Übertragen eines neuen Pakets isolierter Ionen liegt ebenfalls in etwa auf diesem Niveau. Bei einem Instrument, das mit einer Wiederholrate von 200 Hz arbeitet, kann die Zeit zum Umschalten des Quadrupols, Senden von Ionen durch den Hochdruckbereich der Extraktionsfalle 1120, Abkühlen und Überführen zum Extraktionsbereich der Falle und dann Abkühlen und Extrahieren in den MR ToF 1130 leicht die von der Wiederholrate zugelassenen 5 ms überschreiten.
Das Parallelisieren von Stufen durch Voreinfangen von Ionen im Hochdruckbereich der Extraktionsfalle 1120, während der Niederdruckbereich seine Sequenz abschließt (lonenkühlung, 4 kV-Anhebung, Extraktion nach ToF), wie in US20190103263A1 beschrieben, verschafft etwas Zeit. Der Ratenbestimmungsschritt des lonentransfers vom Hochdruck- zum Niederdruckbereich der Extraktionsfalle 1120 kann jedoch immer noch die Wiederholrate begrenzen. Schlimmer noch, dies kann dazu führen, dass der Quadrupol selbst keine Zeit hat, Ionen zu übertragen, so dass sehr wenig des Strahls abgetastet werden kann (niedriges Tastverhältnis), sofern es nicht einen Vorakkumulationsschritt vor dem Massenfilter 1040 gibt. Dies ist zutiefst unerwünscht, da Raumladungseffekte schnell unbeherrschbar werden.
Eine sorgfältige Verwendung der Extraktionsfalle gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Leistung wesentlich verbessern. Unter Bezugnahme auf 15 ist dort eine verbesserte Verarbeitungssequenz für das Massenspektrometer von 14 schematisch dargestellt. Wo die Merkmale von 14 veranschaulicht sind, wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Jede Operation wird durch einen Pfeil angezeigt, der chronologisch von links nach rechts angeordnet ist, und wobei die vertikale Ebene des Pfeils angibt, welches lonenpaket ihn in einem Zeitschnitt belegt.
Der Prozess umfasst gleichzeitig: Datenabhängige Erfassungs- (Data Dependent Acquisition, DDA-) Quellenumschaltung 1200; schnelles Quadrupol-Umschalten 1210 des lonenpakets 5; Füllzeit und Einfangen 1230 in der Kollisionszelle 1100 des lonenpakets 4; Transfer 1240 des lonenpakets 3 von der Kollisionszelle 1100 zum Hochdruckbereich 1121 der Extraktionsfalle 1120 und Transfer 1250 des lonenpakets 3 vom Hochdruckbereich 1121 der Extraktionsfalle 1120, zum Niederdruckbereich 1122 der Extraktionsfalle 1120; Extraktionsprozess 1260 des lonenpakets 2 über eine 4-kV-Anhebung und Extraktion; und ToF-Analyse 1270 des lonenpakets 1. Die maximale Injektionszeit bei einer Wiederholrate von 200 Hz beträgt 4 ms.
Dieser Ansatz verwendet eine zusätzliche Einfangstufe neben dem Quadrupol-Massenfilter 1040, in diesem Fall die Kollisionszelle 1100. Dann können Ionen vom Quadrupol 1040 parallel zu den Transferstufen akkumuliert werden und der langsame Transfer vom Quadrupol 1040 zum Niederdruckbereich 1122 der Extraktionsfalle wird in zwei viel schnellere parallele Schritte 1230, 1240, 1250 aufgeteilt.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 4 erörtert, sollte HF₂ (an den Multipol im Hochdruckbereich 400 angelegt) in der Kollisionszellen-Transferstufe 1240 eine Amplitude aufweisen, die so eingestellt ist, dass sie das ankommende lonenpaket akzeptiert. Im Gegensatz dazu sollten HF₁ (an den Multipol im Niederdruckbereich 300 angelegt) und HF₂ in der Niederdruck-Transferstufe 1250 eine ungefähr gleiche Amplitude aufweisen (obwohl HF₂ etwas höher als HF₁ sein kann), um den Transfer von barrierefreien Ionen vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich zu erleichtern.
In 15 wird eine stark parallelisierte Sequenz von Stufen verwendet, einschließlich der gleichzeitigen Berücksichtigung von fünf verschiedenen lonenpaketen und des gleichzeitigen Einfangens in drei druckbeaufschlagten Bereiche. Auf diese Weise ist die Quadrupol-Kollisionszellen-Füllstufe 1230 vollständig parallelisiert und hat nur eine minimale Zeit von etwa 1 ms, wodurch 4 ms für das lonenfüllen in einer 5-ms-200-Hz-Sequenz verfügbar bleiben; ein Tastverhältnis von 80 %. Die verbleibenden 20 % können besser durch Voreinfangen vor dem Massenfilter 1040 wiederhergestellt werden, da eine so kleine Menge nicht notwendigerweise so raumladungsbegrenzend ist, obwohl Vorsicht geboten ist. Es sollte auch beachtet werden, dass die anderen Stufen alle auf etwa 2 ms eingestellt sind, was etwas Overhead für schwierigere Ionen oder noch höhere Wiederholraten ergibt. Im Prinzip ist die Parallelisierung des Extraktionsprozesses 1260 (4-kV-Anhebung) und der ToF-Analyse 1270 bei einer Wiederholrate von 200 Hz nicht notwendig, aber im Vergleich zu den anderen Stufen problemlos zu erreichen und lässt eine Verlängerung der gesamten lonenkühlzeit im Extraktionsbereich zu.
Es sollte hervorgehoben werden, dass bei einem niedrigen Druck für den Niederdruckbereich 1122 von 0,25×10^-3 mbar (0,025 Pa) bis 2×10^-3 mbar (0,2 Pa) die Transferstufe 1250 nur auf eine so kurze Zeitspanne eingestellt werden kann, wenn Ionen schnell und mit niedriger Energie überführt werden. Die Fähigkeit, dies zu erreichen, ist ein Schlüsselvorteil der offenbarten Vorrichtung. Wünschenswerte Injektionsenergien sollten selbst im besten Fall immer noch mindestens gleich oder größer als 0,05 eV sein, um eine ausreichende lonengeschwindigkeit zuzulassen, um eine Distanz zurückzulegen und sogar gut kontrollierte Restbarrieren zu überwinden, die durch Rauschen der Stromversorgung und Fehlausrichtungen verursacht werden. Eine Energie von mindestens 0,1 eV und sogar 0,5 eV ist als loneninjektionsenergie praktisch; höhere Energien bis 2 eV oder mehr können funktionieren, jedoch zu Lasten der Vorteile der Vorrichtung.
In der Sequenz eingeschlossen ist eine relativ lange (3 ms bis 5 ms) Stufe, damit die Quelloptik umschalten kann 1200. Dies spielt bei der datenunabhängigen Erfassung (data independent acquisition, DIA) keine Rolle, sofern der Transmissions-m/z-Bereich breiter ist als die Verschiebungen zwischen m/z. Bei der datenabhängigen Erfassung (data dependent acquisition, DDA), bei der der Quadrupol sehr große m/z-Sprünge zwischen Zielspitzen machen kann, kann diese Verzögerung jedoch einschränkend werden. Die für jede Stufe zugelassene Zeitsteuerung kann von der Steuerung basierend auf der Kenntnis der Transmissionszeit des injizierten Ions m/z oder der Zielreichweite irgendwelcher Fragmente festgelegt oder dynamisch modifiziert werden. Es sollte beachtet werden, dass es häufig zu einer nicht parallelisierbaren Überlappung zwischen parallelen Stufen kommen kann, zum Beispiel sollte das Leeren der Kollisionszelle 1100 etwa 100 µs dauern, und es versteht sich, dass alle Stromversorgungen ihre eigenen Umschaltzeiten haben, was eine gewisse weitere Verzögerung einführen kann.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass in 15 die parallele Verarbeitung nur entlang der Kette auf den MR-ToF-Massenanalysator 1130 (ToF-Modus) angewendet wird. Die C-Falle 1070 und die lonenführungen 1060, 1110 wurden in dieser Zeichnung weggelassen, da Ionen sie lediglich passieren und zu schnell sind, um für das Zeitsteuerungsschema relevant zu sein. Die C-Trap 1070 kann als Falle deaktiviert werden, wenn das Instrument im ToF-Modus arbeitet, und wird stattdessen zu einer sehr kurzen lonenführung. Der Betrieb des Orbitalfallenmassenanalysators 1090 ist in dieser Zeichnung ebenfalls nicht gezeigt, unterbricht jedoch die Kette und schließt nur das Füllen der C-Falle 1070 oder der Kollisionszelle 1100 ein, die dann Ionen zur C-Falle 1070 zurückführt.
Unter erneuter Bezugnahme auf die allgemeine Bedeutung der Offenbarung kann das Massenspektrometer mit weiteren Vorrichtungen implementiert werden. Beispielsweise kann mindestens eine weitere der zweiten ionenoptischen (Multipol)-Vorrichtung vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung bereitgestellt sein. Die mindestens eine weitere ionenoptische Vorrichtung kann für eines oder mehrere von loneneinfang, lonenauswahl (zum Beispiel ein Massenfilter) und lonenverarbeitung (zum Beispiel eine Kollisionszelle) konfiguriert sein. Das Massenspektrometer umfasst ferner einen Massenanalysator, der der ersten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung nachgelagert ist. Eine weitere der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung vorgelagerte lonenextraktionsfalle kann bereitgestellt sein. Dann kann die weitere lonenextraktionsfalle dazu konfiguriert sein, Ionen selektiv in Richtung der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung oder in Richtung eines vorgelagerten Massenanalysators zu leiten (um zum Beispiel ein Hybrid-Massenspektrometer, Tandem-Massenspektrometer oder eine MSⁿ-Konfiguration bereitzustellen).
In Implementierungen ist mindestens eine weitere der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung bereitgestellt. Dann kann das Massenspektrometer ferner eine Steuerung umfassen, die gleichzeitig dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass: eine erste lonenprobe in der vorgelagerten mindestens einen weiteren ionenoptischen Vorrichtung gespeichert (akkumuliert) und/oder verarbeitet wird; eine zweite lonenprobe in der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung gespeichert wird; und eine dritte lonenprobe in der ersten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung gespeichert oder daraus ausgestoßen wird. Optional kann die mindestens eine vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung zwei ionenoptische Vorrichtungen umfassen. Dann kann die Steuerung gleichzeitig dazu konfiguriert sein, zu bewirken, dass: eine erste lonenprobe in einer ersten der zwei vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtungen gespeichert oder verarbeitet wird; eine zweite lonenprobe in einer zweiten der zwei vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtungen gespeichert oder verarbeitet wird; eine dritte lonenprobe in der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung gespeichert wird; und eine vierte lonenprobe in der ersten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung gespeichert oder daraus ausgestoßen wird. Die mindestens eine vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung kann einen Massenfilter und/oder eine Kollisionszelle umfassen.
Das Massenspektrometer kann ferner einen der zweiten ionenoptischen (Multipol-) Vorrichtung nachgelagerten Massenanalysator umfassen. Dann kann die Steuerung ferner dazu konfiguriert sein, gleichzeitig mit dem Speichern und/oder Verarbeiten von Ionen in der vorgelagerten mindestens einen weiteren ionenoptischen Vorrichtung die erste ionenoptische (Multipol-) Vorrichtung und die zweite ionenoptische (Multipol-) Vorrichtung zu veranlassen, eine weitere lonenprobe in dem Massenanalysator zu analysieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung (der mit beliebigen anderen Merkmalen von hierin offenbarten Aspekten kombiniert werden kann) kann ein Verfahren zum Betreiben eines Massenspektrometers in Betracht gezogen werden. Das Verfahren umfasst: Extrahieren einer ersten lonenprobe während eines ersten Zeitraums von einer ersten ionenoptischen Vorrichtung in einem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck in eine nachgelagerte lonenverarbeitungsvorrichtung; Verarbeiten einer zweiten lonenprobe während des ersten Zeitraums in einer zweiten ionenoptischen Vorrichtung in einem Bereich mit relativ hohem Gasdruck, der von der ersten ionenoptischen Vorrichtung durch einen Gasleitfähigkeitsbereich getrennt und ihr vorgelagert ist; und Verarbeiten einer dritten lonenprobe während des ersten Zeitraums in einer dritten ionenoptischen Vorrichtung, die der zweiten ionenoptischen Vorrichtung vorgelagert ist. Dann kann das Verfahren während eines zweiten Zeitraums, der auf den ersten Zeitraum unmittelbar folgt, ferner das Überführen der zweiten lonenprobe von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung und das Überführen der dritten lonenprobe von der dritten ionenoptischen Vorrichtung zu der zweiten ionenoptischen Vorrichtung umfassen. Typischerweise sind eine, einige oder alle der ersten, zweiten und dritten ionenoptischen Vorrichtungen ionenoptische Multipol-Vorrichtungen. Dieses Verfahren kann auch als Massenspektrometer mit einer entsprechend konfigurierten Steuerung implementiert werden. Das Massenspektrometer kann einem wie hier offenbarten Massenspektrometer entsprechen, oder es können Unterschiede bestehen (zum Beispiel können unter Umständen eine oder mehrere der ionenoptischen Vorrichtungen nicht ionenoptische Multipol-Vorrichtungen sein und können zum Beispiel eine gestapelte Ringionenführung, lonentunnelvorrichtung oder eine ionenoptische Vorrichtung, die einen lonenteppich umfasst, sein).
Bei diesem Ansatz werden mindestens drei lonenproben (oder Pakete) parallel verarbeitet. Die Verarbeitung kann zum Beispiel eines oder mehrere von Empfangen, Eingrenzen und Überführen von Ionen umfassen (obwohl es auch Abkühlen, Massenselektieren oder Analysieren von Ionen einschließen kann). Vorteilhafterweise kann diese parallele Verarbeitung der Ionen besonders vorteilhaft für einen schnellen Instrumentenbetrieb sein. Insbesondere können sowohl der erste Zeitraum als auch der zweite Zeitraum eine Dauer von nicht mehr als (und vorzugsweise weniger als) 5 ms und möglicherweise 4 ms oder 3 ms haben.
Vorzugsweise ist die nachgelagerte lonenverarbeitungsvorrichtung ein Massenanalysator, der in bestimmten Implementierungen ein Flugzeit-Massenanalysator oder ein Orbitalfallenmassenanalysator sein kann. Beispielsweise kann während des ersten Zeitraums eine fünfte lonenprobe in der nachgelagerten lonenverarbeitungsvorrichtung analysiert werden.
Während des ersten Zeitraums kann die dritte lonenprobe durch Kollisionskühlung oder Massenselektion verarbeitet werden. Optional kann eine vierte lonenprobe auch in einer vierten ionenoptischen Vorrichtung verarbeitet werden, die der dritten ionenoptischen Vorrichtung vorgelagert ist, und die Verarbeitung kann Kollisionskühlung oder Massenselektion umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann während des zweiten Zeitraums eine vierte lonenprobe von der vorgelagerten Position (zum Beispiel von der vierten ionenoptischen Vorrichtung oder einer vorgelagerten lonenquelle) zu der dritten ionenoptischen Vorrichtung überführt werden.
In Implementierungen sind die erste und die zweite (und optional die dritte) ionenoptische Vorrichtung entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet. Dann kann der Schritt des Extrahierens das Überführen der ersten lonenprobe zu der nachgelagerten lonenverarbeitungsvorrichtung orthogonal zu der gemeinsamen Achse umfassen.
Obwohl Ausführungsformen gemäß der Offenbarung unter Bezugnahme auf bestimmte Arten von Vorrichtungen und Anwendungen (insbesondere Massenspektrometer) beschrieben wurden und die Ausführungsformen in einem derartigen Fall besondere Vorteile aufweisen, wie hierin erörtert, können Ansätze gemäß der Offenbarung auf andere Arten von Vorrichtungen und/oder Anwendungen angewendet werden. Die spezifische Struktur, Anordnung, Herstellungsdetails und Betriebsdetails (z. B. Potenziale) des Massenspektrometers und/oder der lonenextraktionsvorrichtung und zugeordnete Verwendungen können, obwohl sie potenziell vorteilhaft sind (insbesondere im Hinblick auf bekannte Herstellungseinschränkungen und - fähigkeiten), erheblich variiert werden, um zu Vorrichtungen oder Arbeitsweisen mit ähnlicher oder gleicher Funktionsweise zu gelangen. Jedes in dieser Patentschrift offenbarte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel für eine generische Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Als Alternative zu keilförmigen oder sich verjüngenden DC-Hilfselektroden kann es möglich sein, die DC-Hilfselektroden in einem Winkel zu der Achse zu positionieren, die durch die HF-Einfangelektroden entlang deren Länge definiert ist. Zusätzlich oder alternativ können die DC-Hilfselektroden im Niederdruckbereich, die dazu neigen, am Extraktionspunkt einen Potenzialtopf zu bilden, um Ionen einzuschließen, in anderen Formen bereitgestellt werden, zum Beispiel: in einer begrenzenden „Stift“-Form, wie in 2 von US-10,734,210 gezeigt; oder eine einschließende erste oder zweite DC-Elektrodenform, wie sie in der gleichzeitig anhängigen UK-Patentanmeldung Nr. 2104522.4 beschrieben ist.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen vorstehend in Bezug auf die ersten und zweiten ionenoptischen Multipol-Vorrichtungen beschrieben wurden, die jeweils einen Quadrupol umfassen, wäre es auch möglich, dass eine oder beide der ionenoptischen Multipol-Vorrichtungen irgendeine andere Art von Multipol-Ionenführung umfassen, wie zum Beispiel einen Hexapol, Oktupol, Dekapol und so weiter.
Obwohl Ausführungsformen vorstehend unter Bezugnahme auf erste und zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtungen beschrieben wurden, könnten eine oder beide ionenoptischen Multipol-Vorrichtungen durch jede äquivalente ionenoptische Vorrichtung ersetzt werden, die HF-Felder zur Eingrenzung verwendet, einschließlich beispielsweise einer gestapelten Ringionenführung, einer lonentunnelvorrichtung oder einer ionenoptischen Vorrichtung, die einen lonenteppich umfasst.
Eine gestapelte Ringionenführungs- (oder lonentunnel-) Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von mit Aperturen versehenen (z. B. ringförmigen) Elektroden, die entlang einer Mittelachse ausgerichtet sind. Einander entgegengesetzte Phasen einer HF-Spannung können an benachbarte, mit Aperturen versehene Elektroden angelegt werden, um einen loneneinfangbereich innerhalb der Vorrichtung zu erzeugen. Optional kann ein axiales elektrisches DC-Feld innerhalb des loneneinfangbereichs gebildet werden, um Ionen in eine Richtung parallel zu der Mittelachse zu drängen.
Ein lonenteppich (manchmal als HF-Teppich bezeichnet) ist eine bekannte Konfiguration von Elektroden, die eine Ionen abstoßende Oberfläche bereitstellen können, derart, dass in Kombination mit einer anderen Elektrode oder Elektrodenanordnung, insbesondere Bereitstellen einer anderen Ionen abstoßenden Oberfläche (die zum Beispiel ein weiterer lonenteppich sein kann) eine ionenoptische Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Der Vollständigkeit halber werden derartige Konfigurationen weiter unten erläutert.
Der lonenteppich einer ionenoptischen Vorrichtung, die einen lonenteppich umfasst, kann eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von Elektroden umfassen. Einander entgegengesetzte Phasen einer HF-Spannung können an benachbarte Elektroden angelegt werden, um eine Ionen abstoßende Oberfläche zu erzeugen. Durch Anordnen einer zweiten Ionen abstoßenden Oberfläche parallel zu dem lonenteppich kann ein loneneinfangbereich zwischen dem lonenteppich und der zweiten Ionen abstoßenden Oberfläche erzeugt werden. Die zweite Ionen abstoßende Oberfläche kann aus einer DC-Abstoßungselektrode gebildet werden, die parallel zu dem lonenteppich angeordnet ist. Alternativ kann die zweite Ionen abstoßende Oberfläche aus einem zweiten lonenteppich gebildet sein, der parallel zum ersten lonenteppich angeordnet ist. Eine oder mehrere zusätzliche DC- und/oder HF-Elektroden können bereitgestellt werden, um ein zusätzliches Einfangen von Ionen in anderen Richtungen bereitzustellen.
Nun Bezug nehmend auf 16A ist eine Draufsicht einer beispielhaften Konfiguration von zwei ionenoptischen Vorrichtungen schematisch dargestellt, die jeweils einen entsprechenden lonenteppich gemäß der Offenbarung umfassen. Es wird auch auf 16B Bezug genommen, die eine Vorderansicht des Beispiels von 16A schematisch darstellt. Es ist gezeigt: eine erste ionenoptische Vorrichtung 1200 bei einem relativ niedrigen Druck; und eine zweite ionenoptische Vorrichtung 1250 bei einem relativ hohen Druck. Die erste ionenoptische Vorrichtung 1200 ist von einem Gehäuse 1240 umschlossen, das als Gasleitfähigkeitsbegrenzung wirkt, die Gas begrenzt, aber eine Apertur bereitstellt, um zuzulassen, dass Ionen von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung 1250 zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung 1200 passieren. Eine lonenachse 1230 zeigt die allgemeine Richtung der lonenbewegung durch die zweite ionenoptische Vorrichtung 1250 und in die erste ionenoptische Vorrichtung 1200 hinein.
Die erste ionenoptische Vorrichtung (oder lonenführung) 1200 umfasst einen ersten (oberen) lonenteppich 1210 und einen zweiten (unteren) lonenteppich 1220. Der erste lonenteppich 1210 ist vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von Elektroden gebildet, die in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Ebene parallel zur lonenachse 1230 ist. Der zweite lonenteppich 1220 ist parallel zum ersten lonenteppich 1210, um einen Einfangbereich zwischen dem ersten lonenteppich 1210 und dem zweiten lonenteppich 1220 zu bilden, wobei die lonenachse 1230 durch den Einfangbereich verläuft. Eine Apertur 1215 ist in dem ersten lonenteppich 1210 bereitgestellt, um einen orthogonalen Ausstoß von Ionen aus der ersten ionenoptischen Vorrichtung 1200 zuzulassen.
Die zweite ionenoptische Vorrichtung (oder lonenführung) 1250 umfasst: einen dritten lonenteppich 1260 und einen vierten lonenteppich 1270. Sowohl der dritte lonenteppich 1260 als auch der vierte lonenteppich 1270 umfassen eine Elektrodenanordnung, die sich in die Ebene erstreckt, die senkrecht zur Ebene der Draufsicht in 16A und senkrecht zur Ebene der Vorderansicht in 16B ist. Somit sind die parallelen Ebenen des dritten lonenteppichs 1260 und des vierten lonenteppichs 1270 senkrecht zu den parallelen Ebenen des ersten lonenteppichs 1210 und des zweiten lonenteppichs 1220.
Im Wesentlichen können die Führungen sowohl der ersten ionenoptischen Vorrichtung 1200 als auch der zweiten ionenoptischen Vorrichtung 1250 als klassische planare lonentunnel mit alternierenden HF-Phasen (und DC-Verteilung für das axiale Feld, nicht gezeigt) angesehen werden, aber die Elektroden sind senkrecht zur lonenbewegung, statt an ihr entlang gestreckt. Die Elektroden für diese beiden Vorrichtungen müssen nicht besonders klein sein. Es kann ausreichend sein, dass die räumliche Periode der Elektroden um das Zwei- oder Mehrfache kleiner ist als der Abstand zwischen den Elektroden und den Ionen (zum Beispiel basierend auf der lonenachse 1230). Die Begrenzung von Ionen auf die lonenachse 1230 könnte auch durch zusätzliche transversale Gleichspannungen (nicht gezeigt) erleichtert werden.
Zum Extrahieren aus der ersten ionenoptischen Vorrichtung 1200 kann die HF abgeschaltet werden und Gleichstrom darüber angelegt werden, um Ionen durch das Elektrodensystem zu schießen, ähnlich wie beispielsweise bei der in 2 bis 4 gezeigten Implementierung.
Indem planare Elektrodenanordnungen senkrecht zueinander angeordnet werden, wird die Leitfähigkeit auf den Schnittpunkt zwischen ihnen begrenzt. Auf diese Weise kann das Gehäuse 1240 ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Implementierungen als eine Gasleitfähigkeitsbegrenzung wirken.
Bei derartigen Implementierungen kann die genaue Konfiguration jedes lonenteppichs variiert werden. Auch können bestimmte lonenteppiche durch eine (planare) Ablenkelektrode ersetzt werden, die beispielsweise mit einem Gleichspannungspotenzial versorgt wird. Beispielsweise könnten der erste lonenteppich 1210 und/oder der dritte lonenteppich 1260 durch eine derartige Elektrode ersetzt werden. Die Deflektorelektrode kann ungefähr die gleiche Größe und Form aufweisen wie die Elektrodenanordnung, die den jeweiligen lonenteppich in 16A und 16B bildet.
Zurückkommend auf die allgemeine Bedeutung der vorstehend erörterten Offenbarung versteht es sich somit, dass in bestimmten Ausführungsformen die erste ionenoptische Vorrichtung (mit niedrigerem Druck) und/oder die zweite ionenoptische Vorrichtung (mit höherem Druck) irgendeine der Folgenden sein kann: (i) eine ionenoptische Multipol-Vorrichtung (wie etwa ein Quadrupol, Hexapol, Oktupol, Dekapol usw.), (ii) eine Stapelring- Ionenführungs-(oder Ionentunnel-) Vorrichtung und (iii) eine ionenoptische Vorrichtung, umfassend ein lonenteppich. Die beiden ionenoptischen Vorrichtungen können vom gleichen Typ oder von unterschiedlichen Typen sein. Wenn die beiden ionenoptischen Vorrichtungen vom gleichen Typ sind, können sie unterschiedliche (zum Beispiel senkrechte oder orthogonale) Orientierungen aufweisen, die in einer Dimension die senkrechte einschließen können.
Beispielsweise kann die erste ionenoptische Vorrichtung einen ersten lonenteppich umfassen, der in einer ersten Ebene orientiert ist, und die zweite ionenoptische Vorrichtung kann einen zweiten lonenteppich umfassen, der in einer zweiten Ebene orientiert ist, die orthogonal (oder senkrecht) zu der ersten Ebene ist. Die erste ionenoptische Vorrichtung kann auch eine Elektrodenanordnung umfassen (die eine DC-Elektrode oder einen weiteren lonenteppich umfassen kann), die/der typischerweise parallel zu dem ersten lonenteppich ist. Der loneneinfangbereich der ersten ionenoptischen Vorrichtung kann dadurch definiert werden. Die zweite ionenoptische Vorrichtung kann auch eine Elektrodenanordnung umfassen (die eine DC-Elektrode oder einen weiteren lonenteppich umfassen kann), die/der typischerweise parallel zu dem zweiten lonenteppich ist. Der loneneinfangbereich der zweiten ionenoptischen Vorrichtung kann dadurch definiert werden, derart, dass eine lonenachse durch eine Überlappung zwischen den jeweiligen Einfangbereichen der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtung definiert werden kann. Die Gasleitfähigkeitsbegrenzung kann ein Gehäuse um mindestens einen Teil der zweiten ionenoptischen Vorrichtung einschließen, was vorteilhafterweise einen Ionentransport zwischen Einfangbereichen der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtungen zulässt.
Vorteilhafterweise und wie vorstehend beschrieben, ist die erste ionenoptische Vorrichtung dazu konfiguriert, Ionen in einen Massenanalysator auszustoßen (das heißt, die erste ionenoptische Vorrichtung ist als Extraktionsfalle konfiguriert), während die zweite ionenoptische Vorrichtung dazu konfiguriert ist, Ionen zu akkumulieren und abzukühlen, bevor die akkumulierten und abgekühlten Ionen zur ersten ionenoptischen Vorrichtung zur Ausstoßung in den Massenanalysator geleitet werden.
Dieser Aspekt kann (und wird in Implementierungen) mit einem oder mehreren der hierin beschriebenen optionalen Merkmale kombiniert, einschließlich eines oder mehrerer oder jedes der vorstehend in Bezug auf die Ausführungsformen beschriebenen optionalen Merkmale, die erste und zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtungen einschließen.
Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind Singularformen von Begriffen in diesem Schriftstück so auszulegen, dass sie auch die Pluralform und umgekehrt einschließen, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt. Sofern der Zusammenhang nichts anderes angibt, bedeutet zum Beispiel im Vorliegenden, einschließlich der Ansprüche, ein Bezug im Singular wie beispielsweise „ein“ oder „eine“ (wie beispielsweise eine lonen-Multipol-Vorrichtung) „ein(e) oder mehrere“ (zum Beispiel eine oder mehrere lonen-Multipol-Vorrichtungen). In der gesamten Beschreibung und den gesamten Ansprüchen der vorliegenden Offenbarung bedeuten die Wörter „umfassen“, „einschließen“, „aufweisen“ und „enthalten“ und Varianten dieser Wörter, zum Beispiel „umfassend“ und „umfasst“ oder ähnliches, „einschließlich ohne Beschränkung darauf“ und sind nicht dazu gedacht, weitere Komponenten auszuschließen (und schließen sie auch nicht aus).
Die Verwendung sämtlicher in dieser Schrift bereitgestellter Beispiele oder auf Beispiele verweisender Formulierungen („zum Beispiel“, „wie etwa“, „beispielsweise“ und derartige Formulierungen) soll lediglich die Erfindung besser veranschaulichen und weist nicht auf eine Einschränkung des Schutz- und Geltungsumfangs der Erfindung hin, es sei denn, es wird etwas anderes beansprucht. Formulierungen in der Patentschrift sind keinesfalls dahingehend auszulegen, dass sie auf ein nicht beanspruchtes Element als maßgeblich für die praktische Umsetzung der Erfindung hinweisen.
Alle in dieser Patentschrift beschriebenen Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, es sei denn, es ist etwas anders angegeben oder der Kontext gibt etwas anderes vor.
Alle in dieser Patentschrift offenbarten Merkmale können in beliebiger Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest einige derartige Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Wie in dieser Patentschrift beschrieben, kann es bestimmte Kombinationen von Aspekten geben, die von weiterem Nutzen sind, wie beispielsweise die Aspekte bezüglich lonenführungen zur Verwendung in Massenspektrometern und/oder lonenmobilitätsspektrometern. Insbesondere gelten die bevorzugten Merkmale der Erfindung für alle Aspekte der Erfindung und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können in nicht wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale getrennt (nicht miteinander kombiniert) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9312114 B2 [0002, 0006]
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Claims

Massenspektrometer, umfassend: eine erste ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck, die dazu konfiguriert ist, HF-Spannungen von einer ersten HF-Stromversorgung zu empfangen, um ein erstes HF-Feld zu generieren, das Ionen in einem Einfangbereich der ersten ionenoptischen Vorrichtung einschließt; eine zweite ionenoptische Vorrichtung in einem Bereich mit relativ hohem Gasdruck, die dazu konfiguriert ist, HF-Spannungen von einer zweiten HF-Stromversorgung zu empfangen, um ein zweites HF-Feld zu generieren, das Ionen in einem Einfangbereich der zweiten ionenoptischen Vorrichtung einschließt; und eine Gasleitfähigkeitsbegrenzung, die dazu konfiguriert ist, einen Gasfluss von dem Bereich mit relativ hohem Gasdruck zu dem Bereich mit relativ niedrigem Gasdruck zu begrenzen, wobei die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eine Apertur aufweist, um zuzulassen, dass Ionen von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung passieren; und wobei die erste und die zweite HF-Stromversorgung unabhängig sind, um zuzulassen, dass die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes eine andere Amplitude als die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes aufweisen.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite HF-Stromversorgung dazu konfiguriert sind, die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes und die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes mit identischer Frequenz und ausgerichteter Phase bereitzustellen.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste und die zweite HF-Stromversorgung dazu konfiguriert sind, die HF-Spannungen zu liefern, um das zweite HF-Feld zu generieren, um Ionen in der zweiten ionenoptischen Vorrichtung einzufangen und gleichzeitig die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes zu konfigurieren, um Ionen aus der ersten ionenoptischen Vorrichtung auszustoßen.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung ist und wobei die zweite ionenoptische Vorrichtung eine zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 4, wobei mindestens eine Multipol-Elektrode von einer oder beiden der ersten ionenoptischen Multipol-Vorrichtung und der zweiten ionenoptischen Multipol-Vorrichtung eine Lippe aufweist, die sich in Richtung der Elektroden der anderen ionenoptischen Vorrichtung erstreckt.
Massenspektrometer nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei: die erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung umfasst: ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die dieselben HF-Spannungen einer HF-Größe und einer ersten Phase und Gleichspannungen mit entgegengesetzter Polarität eines Gleichspannungspegels angelegt sind; und ein zweites Paar von einander gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen, wobei jede der einander gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen Folgendes umfasst: eine geteilte HF-Elektrode, die zwei getrennte Elektrodenteile umfasst, an die dieselben HF-Spannungen der HF-Größe angelegt sind, und eine zweite Phase, die der ersten Phase entgegengesetzt ist, und Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität, des Gleichspannungspegels; und eine DC-Hilfselektrode zwischen den zwei getrennten Elektrodenteilen der geteilten HF-Elektrode; und/oder die zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung umfasst: ein erstes Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die die gleichen HF-Spannungen einer HF-Größe und eine ersten Phase angelegt sind; und ein zweites Paar einander gegenüberliegender Elektroden, an die HF-Spannungen der HF-Größe und eine zweite Phase, die der ersten Phase entgegengesetzt ist, angelegt sind; und DC-Hilfselektroden zwischen jeder des ersten Paares von einander gegenüberliegenden Elektroden und jeweiligen des zweiten Paares von einander gegenüberliegenden Elektroden.
Massenspektrometer nach Anspruch 6, wobei die erste ionenoptische Multipol-Vorrichtung ferner eine Brücke zwischen dem ersten Paar einander gegenüberliegender Elektroden der ersten ionenoptischen Multipol-Vorrichtung umfasst, so dass das erste HF-Feld sowohl eine radiale als auch eine axiale Eingrenzung bereitstellt.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die erste und/oder zweite ionenoptische Multipol-Vorrichtung Isolierstäbe zwischen Multipol-Elektroden der ionenoptischen Vorrichtung umfasst, wobei sich die Isolierstäbe von einem Eintritt der ionenoptischen Vorrichtung zu ungefähr der Hälfte die Länge der ionenoptischen Vorrichtung erstrecken.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sowohl die erste als auch die zweite ionenoptische Vorrichtung eines der Folgenden ist: eine ionenoptische Multipol-Vorrichtung; eine gestapelte Ringionenführung; eine lonentunnelvorrichtung; und eine ionenoptische Vorrichtung, die einen lonenteppich umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 9, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung einen ersten Ionenteppich umfasst, der in einer ersten Ebene orientiert ist, und die zweite ionenoptische Vorrichtung einen zweiten lonenteppich umfasst, der in einer zweiten Ebene orientiert ist, die orthogonal zu der ersten Ebene ist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasleitfähigkeitsbegrenzung eine Membran umfasst und/oder die Apertur der Gasleitfähigkeitsbegrenzung größer als ein eingeschriebener Radius r₀ der ersten ionenoptischen Vorrichtung und/oder der zweiten ionenoptischen Vorrichtung ist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es keine ionenoptische Vorrichtung zwischen der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtung gibt, die einen kleineren Radius als die Radien der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtung aufweist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Massenspektrometer so konfiguriert ist, dass: Puffergas in den Bereich mit relativ hohem Druck durch eine Kapillare zugeführt wird, um einen gewünschten Druck zu erreichen; und/oder eine Pumpgeschwindigkeit des Bereichs mit relativ niedrigem Druck ausgewählt wird, um den gewünschten Druck in dem Bereich mit relativ hohem Druck zu erreichen.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung und/oder die zweite ionenoptische Vorrichtung DC-Hilfselektroden umfasst, die dazu angeordnet sind, ein DC-Potenzial zu empfangen, um einen axialen DC-Gradienten zu erzeugen, der dem jeweiligen HF-Feld überlagert ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 14, wobei: die DC-Hilfselektroden entlang einer Achse der jeweiligen ionenoptischen Vorrichtung verjüngt oder in Bezug auf diese abgewinkelt sind; und/oder die DC-Hilfselektroden ungefähr gleichmäßig um einen Radius der jeweiligen ionenoptischen Vorrichtung herum beabstandet sind; und/oder die erste ionenoptische Vorrichtung einen Elektrodenstapel mit den DC-Hilfselektroden in der Mitte des Elektrodenstapels umfasst; und die zweite ionenoptische Vorrichtung gleich beabstandete HF-Elektroden zum Generieren des HF-Feldes umfasst und die DC-Hilfselektroden zwischen den HF-Elektroden verschachtelt sind.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite ionenoptische Vorrichtung durch einen Stapel länglicher Elektroden gebildet ist, die durch isolierende Abstandshalter getrennt sind.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite HF-Stromversorgung zumindest einen Teil eines Stromversorgungssystems bilden, wobei das Stromversorgungssystem umfasst: einen Kern-HF-Generator, der dazu konfiguriert ist, eine HF-Wellenform einer bestimmten Frequenz bereitzustellen; eine erste Spulenkonfiguration, die dazu konfiguriert ist, die HF-Wellenform zu empfangen und die HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes zu liefern, wobei der Kern-HF-Generator und die erste Spulenkonfiguration die erste HF-Stromversorgung definieren; und eine zweite Spulenkonfiguration, die dazu konfiguriert ist, ein von der HF-Wellenform abgeleitetes HF-Signal zu empfangen und die HF-Spannungen zum Generieren des zweiten HF-Feldes zu liefern, wobei der Kern-HF-Generator und die zweite Spulenkonfiguration die zweite HF-Stromversorgung definieren.
Massenspektrometer nach Anspruch 17, wobei das Stromversorgungssystem ferner einen Phasensteller umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das die HF-Wellenform oder eine aus der HF-Wellenform generierte Wellenform ist, und das von der HF-Wellenform abgeleitete HF-Signal an die zweite Spulenkonfiguration basierend auf dem empfangenen Signal, durch Einstellen einer Phase des HF-Signals auf einen gewünschten Pegel bereitzustellen.
Massenspektrometer nach Anspruch 18, wobei das Stromversorgungssystem ferner umfasst: einen Sampler, der dazu konfiguriert ist, eine der HF-Spannungen zum Generieren des ersten HF-Feldes von der ersten Spulenkonfiguration abzutasten und die aus der HF-Wellenform generierte Wellenform für den Phasensteller basierend auf der abgetasteten HF-Spannung bereitzustellen.
Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: mindestens eine weitere der zweiten multipol-ionenoptischen Vorrichtung vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung, die vorzugsweise für eines oder mehrere von loneneinfang, lonenauswahl und lonenverarbeitung konfiguriert ist, bereitgestellt ist; und/oder die erste ionenoptische Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie Ionen von der zweiten ionenoptischen Vorrichtung entlang einer gemeinsamen Achse der ersten und zweiten ionenoptischen Vorrichtungen empfängt und eine Extraktion der empfangenen Ionen in einer Richtung orthogonal zu der Achse zulässt; und/oder das Massenspektrometer ferner einen der ersten ionenoptischen Vorrichtung nachgelagerten Massenanalysator umfasst.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine weitere der zweiten ionenoptischen Vorrichtung vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung bereitgestellt ist, wobei das Massenspektrometer ferner eine Steuerung umfasst, die gleichzeitig dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass: eine erste lonenprobe in der mindestens einen weiteren vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtung gespeichert und/oder verarbeitet wird; eine zweite lonenprobe in der zweiten ionenoptischen Vorrichtung gespeichert wird; und eine dritte lonenprobe in der ersten ionenoptischen Vorrichtung gespeichert oder aus ihr ausgestoßen werden soll.
Massenspektrometer nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine vorgelagerte ionenoptische Vorrichtung zwei ionenoptische Vorrichtungen umfasst und die Steuerung dazu konfiguriert ist, gleichzeitig zu bewirken, dass: eine erste lonenprobe in einer ersten der zwei vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtungen gespeichert oder verarbeitet wird; eine zweite lonenprobe in einer zweiten der zwei vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtungen gespeichert oder verarbeitet wird; eine dritte lonenprobe in der zweiten ionenoptischen Vorrichtung gespeichert wird; und eine vierte lonenprobe in der ersten ionenoptischen Vorrichtung gespeichert oder von ihr ausgestoßen wird.
Massenspektrometer nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei die mindestens eine weitere ionenoptische Vorrichtung einen Massenfilter und/oder eine Kollisionszelle umfasst.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Massenspektrometer ferner einen der ersten ionenoptischen Vorrichtung nachgelagerten Massenanalysator umfasst und die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, zu bewirken, dass gleichzeitig Ionen darin gespeichert und/oder in der mindestens einen weiteren vorgelagerten ionenoptischen Vorrichtung, der ersten ionenoptischen Vorrichtung und der zweiten ionenoptischen Vorrichtung, verarbeitet werden, wobei eine weitere lonenprobe in dem Massenanalysator analysiert werden soll.