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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Fragmentieren von Ionen mittels Elektronenfangdissoziation bzw. Elektroneneinfangdissoziation, insbesondere bei einer Ionenfalle, die durch elektrische Felder ohne Magnetfelder getrieben wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Ionenfalle wird üblicherweise bei einem Massenspektrometer (MS) als Mittel zum Steuern und räumlichen Begrenzen der Bewegungen von Ionen zu verschiedenen Zwecken verwendet. Die Theorie, der Entwurf und der Betrieb verschiedener Arten von Ionenfallen und zugeordneten Massenspektrometern sind Fachleuten bekannt, und deshalb muss bei der vorliegenden Offenbarung nicht auf sie eingegangen werden. Eine häufige Klasse von Ionenfallen ist die Penning-Falle bzw. Ionenzyklotronresonanzzelle (ICR-Zelle, ICR = ion cyclotron resonance), die im Handel als Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FTMS – Fourier Transform Mass Spectrometer) erhältlich ist. Die Penning-Falle verwendet eine Anordnung von Elektroden, um feststehende Magnet- und elektrische Felder anzulegen, um Ionen in der radialen bzw. axialen Richtung zu begrenzen. Ein elektrisches Wechselfeld wird dazu verwendet, die Ionen zur Bestimmung ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses (m/z-Verhältnisses) resonant anzuregen. Eine weitere häufige Klasse von Ionenfallen ist die Paul- bzw. HF(Hochfrequenz)-Falle, bei der Gradienten eines elektrischen Wechselfeldes zum Begrenzen der Ionen verwendet werden. Die Paul-Falle kann eine dreidimensionale (3D-)Konfiguration aufweisen, die durch eine Ringelektrode und zwei gegenüberliegende Endkappenelektroden gebildet wird. Ein an den Ring und die Endkappen der 3D-Falle angelegtes HF-Fallenfeld (RF trapping field) begrenzt die Ionen sowohl in der radialen als auch in der axialen Richtung. Die Paul-Falle kann alternativ dazu eine zweidimensionale (2D-)Konfiguration aufweisen, die durch eine Mehrpolanordnung von parallelen Elektroden, die sich in der axialen Richtung erstrecken, und Endelektroden, die an den gegenüberliegenden axialen Enden des Mehrpol-Elektrodensatzes positioniert sind, gebildet ist. Ein an den Mehrpol-Elektrodensatz angelegtes HF-Fallenfeld begrenzt die Ionen in der Querrichtung, und an die Endelektroden angelegte Gleichstrompotentiale begrenzen die Ionen in der axialen Richtung. Bei Paul-Fallen wird das HF-Fallenfeld moduliert, oder alternativ dazu wird ein ergänzendes resonantes Wechselstrom-Erregerfeld hinzugefügt, um die Ionen zum Zweck der Bestimmung ihres m/z-Verhältnisses zu manipulieren.
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Zusammen mit Prozessen wie beispielsweise Tandem-MS (MS/MS) können Ionenfallen dazu verwendet werden, Ionen in kleinere Ionen zu dissoziieren (aufzuspalten) (fragmentieren), um die Erforschung ihrer Struktur und eine Identifizierung der Moleküle, die zu Untersuchungszwecken ionisiert wurden, zu verbessern. Der Mechanismus zur Dissoziation, die üblicherweise bei Paul-Fallen durchgeführt wird, ist eine stoßinduzierte Dissoziation (CID – collision-induced dissociation), die auch als stoßaktivierte Dissoziation (CAD – collision-activated dissociation) bezeichnet wird. CID beinhaltet ein Beschleunigen eines Mutterions auf eine hohe kinetische Energie in der Gegenwart eines neutralen Hintergrundgases (oder Stoßgases) wie beispielsweise Helium, Stickstoff oder Argon. Wenn das angeregte Mutterion mit dem Gasmolekül zusammenstößt, wird ein Teil der kinetischen Energie des Mutterions in innere Energie (Schwingungsenergie) umgewandelt. Falls die innere Energie stark genug erhöht wird, zerbricht das Mutterion in ein oder mehrere Produkt-Ionen (oder Fragmentionen), die anschließend einer Massenanalyse unterzogen werden können. Ein ähnlicher Mechanismus wird bei Penning-Fallen eingesetzt, der als SORI-CID (SORI = sustained off-resonance irradiation, nachhaltige Bestrahlung außerhalb der Resonanz) bekannt ist und der ein Beschleunigen der Ionen beinhaltet, um ihren Zyklotron-Bewegungsradius in Gegenwart eines Stoßgases zu erhöhen. Eine Alternative zu CID und SORI-CID ist Infrarot-Multiphotonendissoziation (IRMPD, infrared multiphoton dissociation), die eine Verwendung eines IR-Lasers beinhaltet, um die Mutterionen zu bestrahlen, wodurch sie IR-Photonen absorbieren, bis sie zu Fragmentionen dissoziieren. IRMPD beruht ebenfalls auf Schwingungsanregung (VE – vibrational excitation).
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CID und IRMPD werden nicht als optimale Techniken zum Dissoziieren von Ionen großer Moleküle wie beispielsweise von Biopolymeren einer hohen relativen Molekülmasse oder von langkettigen Biopolymeren (z. B. Peptiden, Proteinen usw.) angesehen. Für viele Arten großer Moleküle sind diese VE-basierten Techniken nicht in der Lage, die Arten von Bindungsspaltungen oder eine ausreichende Anzahl dieser Spaltungen zu bewirken, um eine vollständige Strukturanalyse zu liefern. Derzeit wird Elektronenfangdissoziation (ECD – electron capture dissociation) als vielversprechendes neues Verfahren zum Dissoziieren großer Molekülionen untersucht. Bei der ECD wird üblicherweise die hinreichend bekannte Technik der Elektrospray-Ionisation (ESI – electrospray ionization) ausgewählt, um mehrfach geladene Ionen großer Moleküle mittels Protonenanlagerung zu bilden. Die „weiche” oder „sanfte” ESI-Technik belässt die mehrfach geladenen Ionen intakt, d. h. nicht fragmentiert. Die Ionen werden anschließend anhand eines Stroms von niederenergetischen Elektronen bestrahlt. Falls ihre Energie niedrig genug ist, können die Elektronen durch die positiv geladenen Stellen an den Ionen eingefangen werden. Die bei dem exergonischen Einfangprozess freigesetzte Energie wird als innere Energie in dem Ion freigesetzt, die dann eine Bindungsspaltung und Dissoziation bewirken kann. Üblicherweise erfolgt ECD bei Elektronenenergien von weniger als 3 eV. Außerdem kann eine „heiße” ECD (HECD – hot ECD) bei höheren Elektronenenergien (üblicherweise 3–13 eV) implementiert werden, bei denen dem Einfang eine Elektronenanregung vorausgeht. Bei der HECD können die resultierenden Fragmente einer sekundären Fragmentierung unterzogen werden, die analytische Vorteile für Experimente liefern kann, die an vielen Arten von Molekülionen durchgeführt werden. Beispielsweise ermöglicht die HECD eine Unterscheidung zwischen isomerem Leucin und Isoleucinresten. Siehe Zuberev u. a., Chemical Physics Letters, 356 (2002) 201–206. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung schließt der Begriff ECD auch HECD mit ein, wenn nichts anderes angegeben ist.
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Bis jetzt wird die ECD hauptsächlich im Zusammenhang mit auf Penning-Fallen beruhenden Instrumenten untersucht, da das Magnetfeld eine stabile Kontrolle über die Elektronen ermöglicht. Auf Penning-Fallen beruhende Instrumente wie beispielsweise FTMS werden jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten und technischen Komplexität nicht weithin eingesetzt. Dagegen stellt die Implementierung der ECD bei Paul-Fallen und Mehrpol-HF-Speicherzellen eine Herausforderung dar. Diese HF-basierten Instrumente arbeiten ohne Magnetfeld, um Stabilität für die Elektronen zu liefern. Aufgrund ihrer Nutzung starker elektrischer Felder lenken HF-Instrumente außerdem Elektronen ab und bewirken, dass Elektronenenergien weit über die Obergrenze von 20 eV hinaus, unterhalb derer ein Elektronenfang stattfinden kann, erhöht werden. Bei diesen höheren Energien führt eine Bildung parasitärer Ionen mittels eines Elektronenstoßes (EI – electron impact) zu unerwünschten Ionen, die zu dem Störsignal und zusätzlichen unerwünschten Ionen-Molekül-Reaktionen beitragen.
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Die Elektronenquelle, die üblicherweise für ECD vorgeschlagen wird, ist eine Vorrichtung, die eine erhitzte Kathode, die zu einer thermoionischen Emission fähig ist, und Linsen zum Führen der freigesetzten Elektronen als Strahl in die Ionenfalle umfasst. Diese Art von Vorrichtung wird häufig in Verbindung mit EI-Ionisation und anderen Prozessen, die die Herstellung eines Elektronenstrahls erfordern, verwendet. Jedoch erfüllt das üblicherweise bei derartigen Elektronenquellen verwendete einfache Linsensystem nicht die Anforderungen von ECD. Eine optimierte Steuerung des Elektronenstrahls für ECD ist kritisch, da die hohen Energiepegel benötigt werden, um Elektronen von der Thermoionische-Emission-Oberfläche zu beseitigen, niedrige Energiepegel benötigt werden, damit ECD erfolgreich stattfinden kann, wie oben angemerkt wurde. Überdies muss eine hohe Dichte von niederenergetischen Elektronen die Region erreichen, in der die Zielionen begrenzt sind, um eine ausreichende Menge an Fragmentionen zu erzeugen.
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Im Einzelnen ist bekannt, dass der Elektronenfluss, der eine erhitzte Oberfläche hinterlässt, mit der Temperatur der Oberfläche zunimmt. Ferner ist bekannt, dass intensive Elektronenstrahlen einer maximalen Wärmestromdichte unterworfen sind, die durch die Raumladung, die Elektronen in der Region der Oberfläche zugeordnet ist, begrenzt wird. Aufgrund der Raumladung führt ein Erhöhen der Oberflächentemperatur nicht zu einer weiteren Erhöhung des Elektronenflusses. Die Raumladungsgrenze eines Elektronenflusses ist auf die Potentialdifferenz der emittierenden Oberfläche und der umgebenden Oberflächen bezogen. Dieses Phänomen wird durch das hinreichend bekannte Child-Langmuir-Raumladungsgesetz beschrieben, bei dem die Stromdichte J als die 3/2-Potenz des Spannungspotentials gemäß der Beziehung J = KV3/2, wobei K eine bekannte Konstante ist, variiert. Die Bedeutung dessen besteht darin, dass es zur Bildung intensiver Elektronenstrahlen von einer erhitzten Oberfläche notwendig ist, eine hohe Absaugspannung zu verwenden. Jedoch erzeugt die hohe Absaugspannung hochenergetische Ionen, die für ECD nicht geeignet sind. Deshalb müssen Mittel verwendet werden, um die Elektronen zu verlangsamen, bevor sie auf die Zielionen treffen. Ein zusätzliches Problem, das mit der Bildung von intensiven Elektronenstrahlen zusammenhängt, ist die unerwünschte Strahldivergenz, die auftritt, wenn Elektronen verlangsamt werden. Dies kann durch das Gesetz von Helmholz-Lagrange (äquivalent zu dem Abby-Sine-Gesetz in der Lichtoptik) beschrieben werden. Eine Zusammenfassung dieses Gesetzes lautet, dass das Produkt der Seitenvergrößerung, der Winkelvergrößerung und des Verhältnisses des abschließenden und des anfänglichen Brechungsindizes (gleich der Quadratwurzel des Potentials für Optik geladener Teilchen) gleich eins ist. Dies ist eine Aussage des Liouville-Theorems in der statistischen Mechanik, das besagt, dass das Volumen eines Phasenraums bei verlustfreien Systemen (stoßfreien Bedingungen) beibehalten wird. Bezüglich einer Anwendung dieser Prinzipien auf den Kontext von ECD betrachte man den Fall, bei dem hohe Beschleunigungspotentiale verwendet werden, um intensive Elektronenflüsse von einer erhitzten Oberfläche mit einem Strahl einer geringen Winkeldivergenz zu erzeugen. Falls ein einfaches Linsensystem zweier unterschiedlicher Potentiale zum Steuern des Elektronenstrahls verwendet wird, folgt daraus, dass eine große Winkeldivergenz entsteht, wenn der Strahl in der Region des zweiten, niedrigeren Potentials im Rahmen eines Versuchs verlangsamt wird, die Elektronenenergie auf die für ECD benötigten Pegel zu verringern. Falls an der Position der Zielionen ein zu hohes Maß an räumlicher Ausbreitung des Elektronenstrahls ermöglicht wird, besteht keine Gewährleistung, dass die Elektronen eine ausreichend niedrige Energie für ECD haben werden, und die Dichte (oder Intensität) des Elektronenstrahls an diesem Punkt kann unannehmbar niedrig sein, um eine große Menge von Fragmentionen zu erzeugen. Deshalb ist ein herkömmliches Linsensystem bezüglich eines geeigneten Formens des Elektronenstrahls, sodass niederenergetische Elektronen in die Fallenregion (trapping region) mit den gewünschten Eigenschaften geliefert werden können, nicht effektiv.
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Ein Liefern von Elektronen in eine HF-Fallenregion wird ferner durch den Effekt verkompliziert, den die HF-Felder auf die Bewegung und die Energie von Elektronen haben. Das HF-Spannungssignal, das üblicherweise an die Ionenfallenelektroden angewendet wird, um die Ionen zu begrenzen, weist eine elementare Sinuswellenform auf. Somit ist der Betrag der Spannung während des Großteils des HF-Zyklus ein relativ großer positiver oder negativer Wert, sodass die Ionenfallenelektroden Elektronen mittels Anziehung oder Abstoßung von ihrem beabsichtigten Pfad ablenken. Die Sinuswellenform (Der sinusförmige Signalverlauf) liefert dort, wo das Signal durch null Volt geht, nur ein sehr kurzes Zeitfenster, in dem ein Elektronenstrahl erfolgreich in die Falle gelenkt werden kann, ohne durch das HF-Fallenfeld gestört zu werden. Somit wäre es für viele Anwendungen besser, Rechteckpulse oder andere periodische Signalverläufe zu verwenden, die längere Zeiträume einer null betragenden HF-Spannung liefern, während derer Elektroden in die Fallenregion eintreten können, und die trotzdem wirksam bezüglich eines Einfangens (trapping) von Ionen sind. Ein pulsgetriebenes HF-Einfangen (RF trapping) für einen Elektronenfang (electron capture) wurde von Zerega u. a., International Journal of Mass Spectrometry, 132 (1994) 57–65, 67–72 und 135 (1994) 155–164; und von Sadat u. a., International Journal of Mass Spectrometry, 107 (1991) 191–203, umfassend studiert. Letzterer schlug die Verwendung einer bestimmten Pulsform des Typs V(t) = cost(Ωt)/(1 – kcost(2Ωt)) vor, wobei k = 0,5–0,99. Es wurde gezeigt, dass eine Wellenform (ein Signalverlauf) dieses Typs eine sehr ähnliche Stabilitätsregion wie die eines Quadropol-Fallenfeldes aufweist, jedoch mit dem Vorteil, dass die HF-Spannung in ungefähr 50% der Zeit nahe null ist, wodurch dies ideal für Studien einer Anlagerung von niederenergetischen Elektronen wird.
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Für viele Anwendungen wäre es außerdem wünschenswert, die innere Energie der Zielionen zu erhöhen, um die Art und Weise, auf die eine Fragmentierung stattfindet, wenn die Zielionen einer ECD oder HECD unterzogen werden, zu verändern, und um Fragmentioneninformationen zu liefern, die zu denen, die alleine durch ECD oder HECD erhalten werden, komplementär sind. Eine Art und Weise, die innere Energie von Ionen zu erhöhen, besteht darin, die kinetische Energie von Ionen zu erhöhen und zu ermöglichen, dass die beschleunigten Ionen mit einem leichten Stoßgas (Kollisionsgas) wie beispielsweise Helium zusammenstoßen, ähnlich den oben beschriebenen CID-Techniken, jedoch ohne Dissoziation. Jedoch sind herkömmliche Techniken zum Erhöhen der kinetischen Energie von Ionen in Verbindung mit ECD schwer zu implementieren. Bei einer HF-Quadropol-Ionenfalle kann kinetische Energie von Ionen erhöht werden, indem ein ergänzendes Wechselstromfeld an einen entgegenwirkenden Satz von Elektroden mit einer Frequenz angelegt wird, die mit der Säkularfrequenz des Ions in dem Fallenfeld übereinstimmt. Dieses Mittel der Erhöhung der kinetischen Energie erfordert somit, dass das ergänzende Feld mit der Ionenbewegung in Resonanz ist. Überdies verschiebt die quer verlaufende Schwingungsbewegung periodisch auch die Ionen weg von der Mittelachse oder Region, in der ECD stattfinden soll, und bewirkt somit, dass die Ionen bei einer Verteilung von kinetischen Energien von Elektronen positioniert werden, da diese kinetische Energie in der Querrichtung variiert. Bei einer Penning-Falle erhöht der SORI-Betrieb ebenfalls die kinetische Energie von Ionen. Ähnlich der seitens einer HF-Falle zum Zweck einer Ionenanregung benötigten Resonanzbedingung erfordert SORI, während es außer Resonanz ist, trotzdem die Verwendung präziser Frequenzen. Außerdem nimmt bei SORI der Radius der Zyklotronbewegung des Ions zu, und die Ionen bewegen sich weg von der Mittelachse der Detektorzelle. Die niederenergetischen Elektronen befinden sich aufgrund des Effekts des Magnetfeldes entlang der Mittelachse. Obwohl SORI eine Zunahme an innerer Energie aufgrund von Ion-Molekül-Zusammenstößen bewirkt, werden die Ionen somit nicht dahin gehend positioniert sein, mit den Elektronen in der Fallenzelle zu reagieren.
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Aus der
US 6 919 562 B1 sind Fragmentierungsverfahren bekannt, bei denen Elektronen mittels einer Elektronenquelle durch einen Zwischenraum zwischen stabförmigen Elektrodenstrukturen einer HF-Multipol-Kollisionszelle eingebracht werden.
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Aus der
DE 103 25 579 A1 ist eine Ionenfalle bekannt, die vier Polstäbe aufweist, wobei Elektronen durch einen Spalt zwischen den Polstäben oder durch eine Öffnung in einem der Polstäbe eingeschossen werden. Ein Blendenbündel zum Fokussieren des Elektronenstrahls durch den Spalt oder durch die Öffnung ist vorgesehen.
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Aus der
US 2004/0232324 A1 ist eine Multipol-Ionenführung bekannt, bei der eine Fokussierungsoptik zum Einbringen von Elektronen, die mit einem Ionenstrahl interagieren, vorgesehen ist.
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Demgemäß besteht ein Bedarf an Apparaturen (Vorrichtungen) und Verfahren zum effektiven und effizienten Implementieren einer Elektronenfangdissoziation bei HF-Begrenzungsvorrichtungen, die sich nicht auf die Verwendung von Magnetfeldern stützen. Ferner besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, die in der Lage sind, entweder ECD oder HECD selektiv zu implementieren, je nachdem, was für eine gegebene Analyse gewünscht ist. Ferner besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zum Liefern hoher Elektronenflüsse bei sehr niedrigen Energien in den Bandbreiten, die für ECD oder HECD erforderlich sind, an einen spezifischen Bereich bei einem Instrument, in dem Zielionen, die dissoziiert werden sollen, eingefangen werden. Ferner besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, die einen Elektronenstrahl liefern, der je nach Bedarf entweder für ECD oder HECD optimiert ist und für einen breiten Massenbereich von Zielionen optimiert ist. Ferner besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zum Erhöhen der inneren Energie von Zielionen als Mittel zum Verbessern oder Modifizieren der durch ECD oder HECD bereitgestellten Fragmentierungswege.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Elektroneneinfangdissoziationsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Fragmentieren eines Mutterions zu einem Produkt-Ion nach Anspruch 8.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Um die vorstehenden Probleme und/oder andere Probleme, die von Fachleuten wahrgenommen worden sein mögen, ganz oder teilweise anzugehen, liefert die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Apparaturen, Instrumente und/oder Vorrichtungen, wie sie bei nachstehend dargelegten Implementierungen beispielhaft beschrieben werden.
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Gemäß einer Implementierung umfasst eine Elektroneneinfangdissoziationsvorrichtung ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende, das in einem Abstand von dem ersten axialen Ende entlang einer Mittelachse angeordnet ist, eine Mehrzahl von Ionenführungselektroden, einen Elektronenemitter und eine Elektronensteuervorrichtung. Die Ionenführungselektroden sind entlang der Mittelachse von dem ersten axialen Ende zu dem zweiten axialen Ende angeordnet, bezüglich des Umfangs um die Mittelachse herum voneinander beabstandet und in einem radialen Abstand in einer zu der Mittelachse orthogonalen, quer verlaufenden Ebene angeordnet, wobei die Ionenführungselektroden einen Ionenführungsinnenraum umschreiben, der sich entlang der Mittelachse von dem ersten axialen Ende zu dem zweiten axialen Ende erstreckt. Der Elektronenemitter ist außerhalb des Ionenführungsinnenraums angeordnet. Die Elektronensteuervorrichtung ist zum Fokussieren eines Elektronenstrahls von dem Elektronenemitter zu der Mittelachse hin, entlang einer radialen Elektronenstrahlrichtung zwischen zwei der Ionenführungselektroden, und zum Verlangsamen des Elektronenstrahls in einem verlangsamenden Gleichfeld eines anpassbaren Spannungspotentials, das entlang der Elektronenstrahlrichtung gerichtet ist, konfiguriert. Die Elektronensteuervorrichtung weist eine erste Elektronenführungselektrode, die zwischen dem Elektronenemitter und der Mehrzahl von Ionenführungselektroden angeordnet ist, und eine zweite Elektronenführungselektrode, die zwischen der ersten Elektronenführungselektrode und der Mehrzahl von Ionenführungselektroden angeordnet ist, auf, wobei die erste Elektronenführungselektrode und die zweite Elektronenführungselektrode jeweilige Aperturen aufweisen, die entlang der Elektronenstrahlrichtung ausgerichtet sind. Eine Einrichtung zum Beschleunigen von Elektronen in dem Elektronenstrahl zwischen dem Elektronenemitter und der ersten Elektronenführungselektrode und eine Einrichtung zum Verlangsamen von Elektronen in dem Elektronenstrahl zwischen der ersten Elektronenführungselektrode und der zweiten Elektronenführungselektrode ist vorgesehen.
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Gemäß einer anderen Implementierung weisen die Ionenführungselektroden eine Ionenführungselektrodenlänge auf, die sich von dem ersten axialen Ende zu dem zweiten axialen Ende erstreckt. Der Elektronenemitter kann eine Verbundstruktur umfassen, die sich entlang der Mittelachse über einen Großteil der Ionenführungselektrodenlänge erstreckt. Die Verbundstruktur kann einen elektrisch leitfähigen Draht, eine den Draht umgebende elektrisch isolierende Schicht, eine die elektrisch isolierende Schicht umgebende elektrisch leitfähige Schicht und eine die elektrisch leitfähige Schicht umgebende Elektronenemissionsoberfläche umfassen. Eine Heizvorrichtungsleistungsversorgung kann mit dem Draht kommunizieren. Eine Gleichspannungsquelle kann mit der elektrisch leitfähigen Schicht kommunizieren.
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Gemäß einer anderen Implementierung ist ein Verfahren zum Fragmentieren eines Mutterions zu einem Produkt-Ion mittels einer Elektronenfangdissoziation in einer linearen mehrpoligen Ionenführung vorgesehen. Eine HF-Einfangspannung wird an eine Mehrzahl von Ionenführungselektroden der Ionenführung angelegt. Die Ionenführungselektroden sind entlang einer Mittelachse von einem ersten axialen Ende zu einem zweiten axialen Ende angeordnet und umschreiben einen Ionenführungsinnenraum, wobei das Anlegen der HF-Einfangspannung das Mutterion auf eine Ionenfallenregion, die sich entlang der Mittelachse befindet, begrenzt. Ein Elektronenstrahl wird von einem Elektronenemitter außerhalb der Ionenführung zu der Ionenfallenregion entlang einer Elektronenstrahlrichtung, die zu der Mittelachse radial ist und einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Ionenführungselektroden durchläuft, gelenkt. Elektronen des Elektronenstrahls werden durch Anlegen eines verlangsamenden Gleichfeldes zwischen einem außerhalb des Ionenführungsinnenraums befindlichen Punkt und einem im Inneren des Innenraums befindlichen Punkt und entlang der Elektronenstrahlrichtung orientiert verlangsamt, wobei die Elektronen die Ionenfallenregion mit einer verringerten Elektronenenergie erreichen, die ausreichend ist, damit ein Elektronenfangen seitens des Mutterions stattfindet. Das Anlegen des verlangsamenden Gleichfeldes weist ein Anlegen einer Gleichspannung eines ersten Betrags an eine zwischen dem Elektronenemitter und der Ionenführung angeordnete erste Elektronenführungselektrode und ein Anlegen einer Gleichspannung eines zweiten Betrags, der geringer ist als der erste Betrag, an eine zwischen der ersten Elektronenführungselektrode und der Ionenführung angeordnete zweite Elektronenführungselektrode auf.
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Andere Vorrichtungen, Apparaturen, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten nach Prüfung der folgenden Figuren und ausführlichen Beschreibung einleuchten. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in dieser Beschreibung enthalten sein sollen, in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein sollen und durch die beiliegenden Patentansprüche geschützt sein sollen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Figuren besser verständlich. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei das Hauptaugenmerk stattdessen darauf gelegt wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten entsprechende Teile.
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1 ist eine schematische (längsgerichtete) Ansicht eines Beispiels einer Elektroneneinfangdissoziationsvorrichtung (ECD-Vorrichtung) gemäß bestimmten Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
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2A ist eine Veranschaulichung eines Beispiels eines HF-Ionenfallensignals, das eine herkömmliche Sinuswellenform aufweist.
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2B ist eine Veranschaulichung eines Beispiels eines HF-Ionenfallensignals, das eine abgeschnittene Sinuswellenform aufweist.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels einer ECD-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist.
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4 ist eine Querschnittsansicht der in 3 veranschaulicht ECD-Vorrichtung in der zu der Mittelachse senkrechten, quer verlaufenden Ebene.
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5A ist eine längsgerichtete Querschnittsansicht eines indirekt erhitzten Elektronenemitters, der gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist.
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5B ist eine quergerichtete Querschnittsansicht des in 5A veranschaulichten Elektronenemitters.
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6 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung in der zu der Mittelachse senkrechten, quer verlaufenden Ebene, ähnlich der 4, die jedoch zusätzlich Elektronenbahnen zeigt, die seitens einen Ionensimulationsprogramms berechnet werden.
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7 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung ähnlich der 6, die jedoch Elektronenbahnen mit einem anderen Wendepunkt zeigt.
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8 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung ähnlich der 4, die jedoch zusätzlich eine Gruppe von eingefangenen Ionen zeigt.
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9 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung ähnlich der 8, bei der die Einfangbedingungen dieselben sind, die Ionenmasse jedoch unterschiedlich ist.
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10 ist eine (längsgerichtete) Seitenansicht eines Beispiels eines Satzes von Ionenführungselektroden, die zum Anlegen eines axialen Gleichfeldes gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert sind.
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11 ist eine (längsgerichtete) schematische Seitenansicht eines Beispiels einer ECD-Vorrichtung und einer Photonenquelle, die gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich allgemein auf ein Fragmentieren von Ionen mittels einer Elektronenfangdissoziation (ECD) und einer heißen Elektronenfangdissoziation (HECD) und auf eine zugeordnete Ionenverarbeitung. Beispiele von Implementierungen von Verfahren und damit zusammenhängenden Vorrichtungen, Apparaturen und/oder Systemen werden nachstehend unter Bezugnahme auf 1–11 ausführlicher beschrieben. Diese Beispiele werden zumindest teilweise im Zusammenhang mit Massenspektrometrie (MS) beschrieben. Jedoch kann jeglicher Prozess, der eine Ionenfragmentierung beinhaltet, in den Schutzbereich dieser Offenbarung fallen.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Elektronenfangdissoziations(ECD)-Vorrichtung 100 gemäß bestimmten Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. Die ECD-Vorrichtung 100 umfasst eine lineare (2D-)Mehrpol-Ionenführung 104, die um eine Mittelachse 108 herum angeordnet ist. Die Ionenführung 104 umfasst eine Mehrzahl von Ionenführungselektroden 112, die sich zwischen einem ersten axialen Ende 116 und einem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende 118 erstrecken. Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich zwei Ionenführungselektroden 112 gezeigt. Die Ionenführung 104 umfasst üblicherweise vier oder mehr Ionenführungselektroden 112, die in einem radialen Abstand von der Mittelachse 108 koaxial um dieselbe herum angeordnet sind. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung gibt der Begriff „radial” eine zu der Mittelachse 108 orthogonale Richtung an. Die Ionenführungselektroden 112 sind in einer zu der Mittelachse 108 orthogonalen, quer verlaufenden Ebene bezüglich des Umfangs voneinander beabstandet (3 und 4). Bei einem typischen linearen Elektrodensatz kann die Anzahl von Ionenführungselektroden 112 vier (Quadropol), sechs (Hexapol) oder acht (Oktopol) betragen, kann aber auch höher sein. Die Ionenführung 104 kann allgemein ein Gehäuse oder ein Gestell (nicht gezeigt) oder eine beliebige andere Struktur umfassen, die sich dafür eignet, die Ionenführungselektroden 112 in einer feststehenden Anordnung relativ zu der Mittelachse 108 zu tragen und eine evakuierte Niederdruckumgebung bereitzustellen, die zum Einfangen von Ionen unter Verwendung von Hochfrequenzenergie (HF-Energie) geeignet ist. Die Ionenführungselektroden 112 umschreiben einen Innenraum 120 (Ionenfallenregion), der sich gleichermaßen entlang der Mittelachse 108 von dem ersten axialen Ende 116 zu dem zweiten axialen Ende 118 erstreckt. Durch Anlegen eines geeigneten HF(oder HF/DC)-Spannungssignals an die Ionenführungselektroden 112 erzeugen die Ionenführungselektroden 112 ein lineares (2D-)Ionenfallenfeld entlang der Länge der Ionenführung 104, das Ionen eines gewissen m/z-Bereichs auf radiale Bewegungen begrenzt, die entlang der Mittelachse 108 fokussiert sind, wie allgemein durch eine mit Ionen besetzte Region oder Ionenwolke 122 in 1 dargestellt ist. Die Ionenwolke 122 kann ferner komprimiert werden, indem die Bewegungen der Ionen durch Zusammenstöße mit einem inerten Stoßgas, das aus einer (nicht gezeigten) Gasquelle anhand eines beliebigen Mittels in den Innenraum 120 injiziert werden kann, gedämpft werden.
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Jeweilige axiale Elektroden 126, 128 mit Aperturen (oder anderen geeigneten Arten von Ionenoptik) können an dem jeweiligen ersten axialen Ende 116 und dem zweiten axialen Ende 118 der Ionenführung 104 vorgesehen sein, um zu verhindern, dass Ionen entweder aus dem ersten axialen Ende 116 oder dem zweiten axialen Ende 118 austreten. Eine oder beide axiale Elektroden 126, 128 können als Ionentor verwendet werden, um eine axiale Injektion (Einbringung) und/oder einen axialen Ausstoß von Ionen zu steuern. Zu diesen Zwecken können jeweilige Gleichspannungsquellen 132, 134 mit den axialen Elektroden 126, 128 verbunden sein. Als Beispiel können Mutterionen durch das erste axiale Ende 116 injiziert, durch die Ionenführungselektroden 112 eingefangen und zu Produkt-Ionen dissoziiert werden. Die Produkt-Ionen und verbleibende Mutterionen können anschließend zum Zweck einer m/z-Analyse seitens eines m/z-Analysators, der sich außerhalb der Ionenführung 104 befindet, entweder durch das erste axiale Ende 116 oder durch das zweite axiale Ende 118 wieder ausgestoßen werden. Die axialen Bewegungen der Ionen können gesteuert werden, indem ein axiales Gleichfeld zwischen den axialen Elektroden 126, 128 erzeugt wird. Eine zusätzliche Gleichstromquelle oder zusätzliche Gleichstromquellen 136 können mit einer oder mehreren der Ionenführungselektroden 112 verbunden sein, um das axiale Gleichfeld nach Bedarf zu modifizieren und/oder radiale Gleichfelder zu erzeugen, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
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Die ECD-Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Elektronenquelle 140. Die Elektronenquelle 140 umfasst einen Elektronenemitter und eine Elektronensteuervorrichtung, wobei Beispiele derselben nachstehend beschrieben werden. Die Elektronenquelle 140 ist dazu konfiguriert, einen fokussierten Elektronenstrahl 142 in den Innenraum 120 der Ionenführung 104 und in die Ionenwolke 122 zu lenken, entlang einer Elektronenstrahlrichtung, die relativ zu der Mittelachse 108 radial (senkrecht) ist. Die Elektronenquelle 140 ist ferner derart konfiguriert, dass der Elektronenstrahl 142 einen hohen Elektronenfluss darstellt, jedoch verlangsamt wird, sodass die Elektronen nach Erreichen der Ionenwolke 122 eine ausreichend niedrige Energie aufweisen, damit ECD effektiv stattfinden kann. Die Ionenführungselektroden 112 können auch dazu verwendet werden, den Elektronenstrahl 142 auf eine nachstehend beschriebene Weise zu verzögern. Die Elektronenquelle 140 oder sowohl die Elektronenquelle 140 als auch die Ionenführungselektroden 112 können dahin gehend betrieben werden, die Divergenz des Elektronenstrahls 142 an der ECD-Stelle zu begrenzen und zu gewährleisten, dass niederenergetische Elektronen mit den Ionen in Wechselwirkung treten. Die Elektronenquelle 140 ist ferner dazu konfiguriert, eine Anpassung der Elektronenenergie seitens eines Nutzers gemäß einer Durchführung entweder von ECD oder heißer ECD (HECD), je nach Wunsch, zu ermöglichen. Üblicherweise liegt die Elektronenenergie für ECD im Bereich von 0–3 eV und für HECD im Bereich von 3–20.
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Im Betrieb werden allgemein positive Zielionen (vorzugsweise mehrfach geladen) auf beliebige geeignete Weise in die ECD-Vorrichtung 100 injiziert. Die Ionen werden durch das elektrische HF-Feld (oder das HF/Gleichfeld), das seitens der Ionenführungselektroden 112 angelegt wird, eingefangen und zu einer Ionenwolke 122 fokussiert und können durch eine Wechselwirkung mit einem Stoßgas einer niedrigen relativen Molekülmasse thermalisiert werden. Die Elektronenquelle 140 wird anschließend dahin gehend betrieben, einen Elektronenstrahl mit hohem Fluss 142 zu erzeugen, üblicherweise mittels thermionischer Emission. Die Elektronenquelle 140 ist dazu konfiguriert, eine Torfunktion (wobei Beispiele derselben nachstehend beschrieben werden) zu implementieren, um den Elektronenstrahl 142 über einen vorbestimmten Zeitraum in den Innenraum 120 der Ionenführung 104 zu senden. In der Tat ist die Elektronenquelle 140 dazu konfiguriert, den Elektronenstrahl 142 zwischen einem EIN- und einem AUS-Zustand zu schalten. Der AUS-Zustand erfordert jedoch nicht unbedingt eine Bedingung, bei der keine Elektronen erzeugt werden, sondern kann vielmehr einer Bedingung entsprechen, bei der verhindert wird, dass die Elektronen in den Innenraum 120 eintreten, was beispielsweise auf das Anlegen einer negativen Spannung zurückzuführen ist, die ausreichend ist, um die Elektronen von der Ionenführung 104 weg zu reflektieren. Wenn der Elektronenstrahl 142 die Ionenwolke 122 erreicht, haben die Elektronen eine Gelegenheit, durch die positiven Ionen eingefangen zu werden, wodurch Ionisationsenergie freigesetzt wird, die ausreichend ist, um die Ionen zu fragmentieren und Produkt-Ionen zu erzeugen. Nachdem ein ausreichender Zeitraum verstrichen ist, sodass ECD (oder HECD) erfolgt ist, wird die Elektronenquelle 140 dahin gehend betrieben, das Einströmen von Elektronen in den Innenraum 120 zu beenden. Die Ionenfragmente und etwaige nicht-dissoziierte Mutterionen werden anschließend anhand eines geeigneten Mittels aus der ECD-Vorrichtung 100 beseitigt und zur weiteren Analyse in einen Massenanalysator übertragen.
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Die Elektronenquelle 140 kann eine Steuerschaltungsanordnung zum Synchronisieren der Zeitgebung des Elektronenstrahls 142 mit der Zeitgebung des durch die Ionenführungselektroden 112 angelegten HF-Ionenfallensignals umfassen. Wie Fachleuten einleuchten wird, sollten die Elektronen, damit eine erfolgreiche ECD erfolgt, während Zeiträumen einer sehr niedrigen oder null betragenden HF-Spannung injiziert werden. Ein herkömmliches HF-Ionenfallensignal der allgemeinen Form YRF cos(ωt) kann zu diesem Zweck verwendet werden, wie in 2A veranschaulicht ist. Jedoch kann man erkennen, dass diese elementare Sinuswellenform sehr kurze Zeiträume einer niedrigen oder null betragenden HF-Spannung liefert. Die Zeiträume einer niedrigen oder null betragenden HF-Spannung können verlängert werden, indem das sinusförmige Profil der HF-Spannung (z. B. durch Abschneiden) modifiziert wird oder indem eine Folge von nicht-sinusförmigen Spannungspulsen, die zwischen positiven und negativen Amplituden (z. B. quadratischen, rechteckigen oder Sägezahnpulsen) abwechseln, angelegt wird. 2B veranschaulicht ein Beispiel einer abgeschnittenen Sinuswelle, bei dem die nicht-schraffierten Bereiche in der Tat beseitigt sind und Zeiträumen einer einen Nullbetrag aufweisenden HF-Spannung entsprechen, die bezüglich der Zeit durch Zeiträume von nicht null betragenden HF-Spannungen getrennt sind. Die Betriebsparameter einer modifizierten oder Pseudo-Sinuswelle werden dahin gehend gewählt, bezüglich eines Einfangens von Ionen auf die übliche Weise effektiv zu sein. Die lineare Geometrie der Ionenführung 104 in Verbindung mit einer HF-Spannung, die eine geeignet gewählte Wellenform (einen geeignet gewählten Signalverlauf) aufweist, ermöglicht, dass Ionen mit einem niedrigen q (einem hinreichend bekannten Mathieu-Fallenparameter) eingefangen werden, was zum Fragmentieren der Ionen mittels ECD vorteilhaft ist.
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1 veranschaulicht außerdem schematisch ein Beispiel eines Massenspektrometrie(MS)-Systems 160, wobei die ECD-Vorrichtung 100 einen Bestandteil desselben bildet. Das MS-System 160 umfasst eine Ionenquelle 162, die einen Strahl 164 von Ionen zur Injektion in die ECD-Vorrichtung 100 bereitstellt. Als Ionenquelle 162 kann ein beliebiger geeigneter Entwurf gewählt werden, insbesondere eine Quelle vom Typ eines atmosphärischen Drucks (AP-Typ) wie beispielsweise eine Elektrospray-Ionisation-Quelle (ESI-Quelle), eine AP-Chemische-Ionisation-Quelle (APCI-Quelle), eine AP-Photoionisationsquelle (APPI) oder eine Quelle einer matrixunterstützten Laser-Desorption-Ionisation (MALDI – matrix-assisted laser desorption ionization). Bei typischen Implementierungen wird eine ESI-Quelle aufgrund ihrer Fähigkeit, aus einer großen Vielzahl von großen Molekülen wie beispielsweise Proteinen und Peptiden mehrfach geladene Ionen (vor allem doppelt geladene Ionen) zu bilden, ohne eine vorläufige Fragmentierung zu bewirken, bevorzugt. Das MS-System 160 kann zwischen der Ionenquelle 162 und der ECD-Vorrichtung 100 eine Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 umfassen. Die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 kann eine beliebige Anzahl von Funktionen erfüllen. Beispielsweise kann die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 als Nur-HF-Ionenführung zum effizienten Transportieren von Ionen als fokussierten Strahl 168 in die ECD-Vorrichtung 100 dienen. Die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 kann als Massenfilter oder als 2D- oder 3D-Ionenfalle konfiguriert sein, um Ionen einer ausgewählten Masse oder eines ausgewählten Massenbereichs vor einer Injektion in die ECD-Vorrichtung 100 zu isolieren. Die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 kann auch als Stoßzelle zum Fragmentieren von Mutterionen zu Produkt-Ionen mittels CID oder IRMPD dienen. In diesem Fall können die Produkt-Ionen anschließend in die ECD-Vorrichtung 100 injiziert werden und mittels ECD weiter zu kleineren Ionen (z. B. Enkeltochterionen) zur anschließenden m/z-Analyse fragmentiert werden. Die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 kann anfänglich als Ionenführung dienen, um einen fokussierten Strahl 168 von Mutterionen in die ECD-Vorrichtung 100 zu lenken. Nachdem die Mutterionen mittels ECD zu Produkt-Ionen fragmentiert wurden, können die Produkt-Ionen anschließend über das erste axiale Ende 116 wieder in die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 ausgestoßen werden. Die Ionenverarbeitungsvorrichtung 166 kann anschließend als m/z-Analysator betrieben werden, wobei abgetastete Produkt-Ionen in einen geeigneten Ionendetektor (nicht gezeigt) ausgestoßen werden. Alternativ dazu kann die ECD-Vorrichtung 100 Produkt-Ionen 172 durch das zweite axiale Ende 118 an einen m/z-Analysator 174 ausstoßen, der den Strom (oder das Bild) 176 von nach Masse sortierten Ionen wiederum an einen Detektor 178 und eine zugeordnete Datenerfassungselektronik überträgt. Es kann jegliche Art von Massenanalysator 174 verwendet werden, beispielsweise eine Ionenfalle, ein Massenfilter, ein Laufzeit-Instrument (TOF-Instrument; TOF = time of flight), FTMS, magnetisches Sektorfeldinstrument, elektrostatischer Analysator (ESA) usw. Der Detektor 178 kann je nach Entwurf mit dem Massenanalysator 174 integriert sein.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines ausführlicheren Beispiels einer ECD-Vorrichtung 300, die gemäß der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt wird, und 4 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung 300 in der zu der Mittelachse senkrechten, quer verlaufenden Ebene. Die ECD-Vorrichtung 300 umfasst eine Ionenführung 304 und eine Ionenquelle 340. Bei diesem Beispiel beruht die Ionenführung 304 auf einer Hexapol-Elektrodenanordnung (sechs Ionenführungselektroden 312). Die Ionenführungselektroden 312 sind als typische Implementierung als zylindrische Stäbe gezeigt, obwohl einleuchten wird, dass die Ionenführungselektroden 312 andere Formen aufweisen können. Wie in 4 schematisch gezeigt ist, sind abwechselnde Stäbe 312 elektrisch miteinander verbunden und in eine Signalkommunikation mit einer geeigneten HF-Spannungsquelle 438 versetzt. Die Ionenführungselektroden 312 werden durch eine HF-Spannung getrieben, die üblicherweise ab etwa 500 kHz bis etwa 5 MHz arbeitet. Die an einen Satz von miteinander verbundenen Ionenführungselektroden 312 angelegte HF-Spannung ist bezüglich der an den anderen Satz von miteinander verbundenen Ionenführungselektroden 312 angelegten HF-Spannung um 180 Grad phasenverschoben. Bei manchen Implementierungen kann die angelegte HF-Spannung mit einer Gleichspannung überlagert werden, um die Ionenfallenparameter zu modifizieren, wobei die HF-Spannungsquelle 438 in diesem Fall als schematische Darstellung einer zusammengesetzten HF-/Gleichspannungsquelle angesehen werden kann. Zusätzlich zu einer radialen Begrenzung der Ionen durch das angelegte HF-Fallenfeld können die Ionen in der axialen Richtung begrenzt werden, indem Gleichspannungspotentiale an am axialen Ende positionierte Linsen 126, 128 angelegt werden, wie oben erörtert wurde (1).
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Bei dem in den 3 und 4 angegebenen Beispiel umfasst die Elektronenquelle 340 einen Elektronenemitter 344 und eine Elektronensteuervorrichtung, die durch verschiedene elektrisch leitfähige Elemente (Oberflächen, Elektroden, Linsen oder dergleichen), die zum Fokussieren und Lenken eines Elektronenstrahls mit gesteuerter kinetischer Elektronenenergie verwendet werden, gebildet wird. Allgemein kann der Elektronenemitter 344 eine beliebige Vorrichtung sein, die eine Quelle von Ionen liefern kann, die für auf ECD bezogene Operationen geeignet sind, beispielsweise eine Faser, die aus einem thermionischen Material (z. B. Wolfram, verschiedenen Keramiken) gebildet ist, eine Elektronenkanone usw. Die elektrisch leitfähigen Elemente sind dahin gehend entworfen und positioniert, ein sich beschleunigendes elektrisches Feld, das zum Erzeugen eines Strahls von aus dem Elektronenemitter 344 emittierten Elektronen ausreichend ist, und ein sich verlangsamendes elektrisches Feld, das zum Verringern von Elektronenenergie auf Pegel, die für ECD oder HECD wirksam sind, zu erzeugen. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfassen die elektrisch leitfähigen Elemente einen Reflektor 346, der auf der Seite des Elektronenemitters 344 positioniert ist, die der Ionenführung 304 gegenüberliegt, eine erste Elektronenführungselektrode 348, die zwischen dem Elektronenemitter 344 und der Ionenführung 304 angeordnet ist, und eine zweite Elektronenführungselektrode 352, die zwischen der ersten Elektronenführungselektrode 348 und der Ionenführung 304 angeordnet ist. Die erste Elektronenführungselektrode 348 und die zweite Elektronenführungselektrode 352 weisen jeweilige Aperturen 354, 356 auf, die mit der radialen Achse oder Ebene, entlang derer der Elektronenstrahl in die Ionenführung 304 gelenkt wird, ausgerichtet sind. Außerdem kann ein Paar von Schutzelektroden 358 zwischen der zweiten Elektronenführungselektrode 352 und den jeweiligen oberen beiden Ionenführungselektroden 312 angeordnet sein. Die Schutzelektroden 358 können physisch getrennte Komponenten sein, wobei ein Zwischenraum 362 zwischen denselben mit den Aperturen 354, 358 der ersten Elektronenführungselektrode 348 und der zweiten Elektronenführungselektrode 352 ausgerichtet ist. Alternativ dazu können die Schutzelektroden 358 zwei leitfähige Regionen eines einzelnen leitfähigen Elements sein, das an der Stelle des Zwischenraums 362 eine Apertur aufweist. Um den Elektronenstrahl zu steuern, können der Reflektor 346, die erste Elektronenführungselektrode 348, die zweite Elektronenführungselektrode 352 und die Schutzelektroden 358 sowie manche oder alle der Ionenführungselektroden 312 über eine Kommunikation mit Gleichspannungsquellen (nicht speziell gezeigt) einzeln mit Gleichspannungspotentialen erregt werden.
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Bei dem in 3 und 4 veranschaulichten Beispiel ist der Elektronenemitter entlang der Mittelachse auf dieselbe Weise länglich 344 wie die Ionenführungselektroden 312. Demgemäß sind die jeweiligen Aperturen 354, 356 der ersten Elektronenführungselektrode 348 und der zweiten Elektronenführungselektrode 352 ähnlich länglich. Wenn man die Länge der Ionenführung 304 (und somit den Innenraum derselben) allgemein als die axiale Länge von dem ersten axialen Ende zu dem zweiten axialen Ende der Ionenführungselektroden 312 nimmt, erstrecken sich der Elektronenemitter 344 und die Linsenaperturen 354, 356 bei manchen Implementierungen über zumindest einen Großteil der Länge der Ionenführung 304, was mehr als 50% der Länge der Ionenführung 304 bedeutet. Bei anderen Implementierungen können sich der Elektronenemitter 344 und die Linsenaperturen 354, 356 bis zu der (oder im Wesentlichen über die) gesamte(n) Länge der Ionenführung 304 erstrecken. Die Verwendung eines länglichen Elektronenemitters 344 nutzt die längliche Ionenwolke 122 (1), die sich in der eine lineare Geometrie aufweisenden Ionenführung 304 bildet. Die Elektronenquelle 340 erzeugt in diesem Fall einen Elektronenstrahl in Form einer Lage oder eines Vorhangs, die bzw. der bis zu der gesamten Länge des Innenraums der Ionenführung 304 bestrahlt, wodurch die Effektivität einer mittels ECD hervorgerufenen Fragmentierung der eingefangenen Ionen beträchtlich erhöht wird.
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Beim Bilden eines Elektronenstrahls von einer erhitzten Oberfläche ist es wichtig, keine zusätzliche Energie hinzuzufügen, die auf die Ionen verteilt wird, indem entlang der Länge eines Elektronenemitters ein Spannungsabfall vorliegt, wie es beispielsweise der Fall wäre, wenn die Elektronen emittierende Oberfläche direkt mittels eines Durchleitens eines Stroms erhitzt würde, wie dies herkömmlicherweise bei einem Elektronenemitter vom Fadentyp durchgeführt wird. Ein vorteilhafterer Elektronenemitter ist beispielhaft in 5 veranschaulicht. Im Einzelnen ist 5A eine längsgerichtete Querschnittsansicht eines indirekt erhitzten Elektronenemitters 544, und die 5B ist eine quergerichtete Querschnittsansicht dieses Elektronenemitters 544. Der Elektronenemitter 544 umfasst einen mittig positionierten Faden oder Draht 572, eine Schicht 574 eines elektrisch isolierenden Materials, das den Draht 572 koaxial umgibt, eine Schicht 576 eines elektrisch leitfähigen Materials, das die isolierende Schicht 574 koaxial umgibt, und eine Schicht 578 eines thermionisch emittierenden Materials, das die leitfähige Schicht 576 koaxial umgibt. Der Draht 572 wird zum Heizen verwendet und ist somit mit einer Heizvorrichtungsleistungsversorgung 582 verbunden. Der Draht 572 kann aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, das zum Widerstandsheizen geeignet ist, beispielsweise aus Wolfram, Iridium oder sonstigen Materialien. Der Heizstrom, der durch den Draht 572 geleitet wird, ist einem Spannungsabfall zugeordnet, der von einem Ende des Drahtes 572 zum anderen üblicherweise mehrere Volt beträgt. Die isolierende Schicht 574 und die leitfähige Schicht 576 sind zwischen dem Draht 572 und dem thermionisch emittierenden Material 578 angeordnet, um diesen Spannungsabfall von dem thermionisch emittierenden Material 576 zu isolieren. Die isolierende Schicht 574 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, das zur Verwendung als elektrischer Isolator geeignet ist, beispielsweise aus diversen feuerfesten Materialien. Die leitfähige Schicht 576 ist allgemein eine Metallfolie, die vorzugsweise eine Zusammensetzung aufweist, die es ihr ermöglicht, sich anhand einer geeigneten Herstellungstechnik als Beschichtung an die isolierende Schicht 574 zu binden, beispielsweise Molybdän. Die leitfähige Schicht 576 ist mit einer Gleichspannungsquelle 584 verbunden, um die leitfähige Schicht 576 auf eine feststehende Spannung zu klemmen. Da kein Strom durch die leitfähige Schicht 576 fließt, weisen alle Punkte auf ihrer Oberfläche dasselbe Spannungspotential auf, sodass die leitfähige Schicht 576 als Schutzelektrode zwischen dem gespeisten Draht 572 und dem thermionisch emittierenden Material 578 dient und dadurch einen Spannungsabfall über die Länge des thermionisch emittierenden Materials 578 verhindert. Das thermionisch emittierende Material 578 ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das ohne weiteres als Beschichtung auf der leitfähigen Schicht 576 gebildet werden kann. Vorzugsweise ist das thermionisch emittierende Material 578 aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit gebildet, das Elektronen bei einer niedrigen Temperatur emittiert, wobei Beispiele desselben keramische Oxide wie beispielsweise Thoriumdioxid (ThO2), Yttriumoxid (Y2O3) oder dergleichen umfassen. Der in 5 veranschaulichte zusammengesetzte Elektronenemitter 544 kann bei jeglichen der hierin offenbarten Implementierungen als Elektronenemitter verwendet werden.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 4 werden im Betrieb Elektronen aus der erhitzten Oberfläche des Elektronenemitters 344 emittiert und durch ein elektrisches Feld, das durch Gleichspannungen gebildet wird, die an den Reflektor 346 und die erste Elektronenführungselektrode 348 angelegt werden, zu der ersten Elektronenführungselektrode 348 hin beschleunigt. Der Betrag dieses Gleichfeldes muss groß genug sein, um Elektronen aus dem Elektronenemitter 344 zu extrahieren. Jedoch ist die Energie der freigesetzten Elektronen in diesem Stadium für ECD zu hoch und muss verringert werden. Somit werden die die Apertur 354 der ersten Elektronenführungselektrode 348 verlassenden, eine hohe Energie aufweisenden Elektronen verlangsamt und durch ein elektrisches Feld, das durch eine an die zweite Elektronenführungselektrode 352 angelegte Gleichspannung (und an die Schutzelektroden 358, falls vorhanden, angelegte Gleichspannungen) erzeugt wird, in den Innenraum der Ionenführung 304 fokussiert. Um die Elektronen weiter zu verlangsamen, kann in der Ionenführung 304 ein zusätzliches verlangsamendes oder verzögerndes Feld gebildet werden, indem Gleichspannungen an zumindest manche der Ionenführungselektroden 312 angelegt werden. Somit werden bei dieser Implementierung sowohl außerhalb der als auch im Inneren der Ionenführung 304 verlangsamende Gleichfelder gebildet. Anders ausgedrückt kann sich ein Gleichfeld, das dahin gehend wirkt, den Elektronenstrahl zu verlangsamen, von der ersten Elektronenführungselektrode 348 bis zu einem ausgewählten Punkt in dem Ionenraum der Ionenführung 304 erstrecken. Das Ausmaß, in dem das verzögernde Gleichfeld in den Innenraum der Ionenführung 304 eindringt, kann gesteuert werden, indem ausgewählt wird, welche Ionenführungselektroden 312 durch die Gleichspannungen mit Energie versorgt werden, und die Intensität des verzögernden Feldes kann gesteuert werden, indem die Beträge der an die ausgewählten Ionenführungselektroden 312 angelegten Gleichspannungen angepasst werden. Es sollte offensichtlich sein, dass die verschiedenen beschleunigenden und verlangsamenden Gleichfelder in der radialen Richtung orientiert sind, wodurch der Elektronenstrahl entlang dieser radialen Richtung fokussiert und in die Ionenführung 304 und in Richtung der Ionenwolke gelenkt wird, die in der Nähe der Mittelachse aufrechterhalten wird. Zum Zweck einer Elektronenstrahlinjektion in die Ionenführung 304 lautet ein nichteinschränkendes Beispiel der verschiedenen Gleichspannungen, die zum Zweck eines Steuerns des Elektronenstrahls angelegt werden, wie folgt: Reflektor 346 (–2 V), Elektronenemitter 344 (0 V), erste Elektronenführungselektrode 348 (70 V), zweite Elektronenführungselektrode 352 (25 V), Schutzelektroden 358 (10 V), zwei oberste Ionenführungselektroden 312 (4 V), zwei mittlere Ionenführungselektroden 312 (1 V) und zwei unterste Ionenführungselektroden 312 (0 V). Allgemeiner gesagt sind die an diverse leitfähige Oberflächen angelegten Gleichspannungen derart, dass die Elektronen, die zwischen den zwei obersten Ionenführungselektroden 312 (und den zwei Schutzelektroden 358, falls vorhanden) passieren, typische Energien von 30–50 eV aufweisen.
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Die Schutzelektroden 358 können für zumindest zwei Zwecke vorgesehen sein. Der erste besteht darin, ein Fokussieren des Elektronenstrahls bereitzustellen, um eine in Querrichtung erfolgende Ausbreitung des Strahls, während er sich verlangsamt, zu verringern. Der zweite besteht darin, die zweite Elektronenführungselektrode 352 vor den Auswirkungen einer kapazitiven Kopplung der HF-Energie abzuschirmen, die durch die Ionenführungsstäbe 312 in die mit der zweiten Elektronenführungselektrode 352 verbundene Spannungsversorgung ausgebreitet wird. Zu diesem Zweck können die Schutzelektroden 358 dahin gehend gestaltet sein, der Gestalt der zwei oberen Ionenführungselektroden 312 zu entsprechen, sodass die Schutzelektroden 358 den Abschnitt der Außenoberfläche der zwei oberen Ionenführungselektroden 312 bedecken, der der zweiten Elektronenführungselektrode 352 allgemein zugewandt ist und an dem Zwischenraum 362 zwischen diesen beiden Ionenführungselektroden 312 effektiv eine Apertur vom Linsentyp bildet. Bei dem veranschaulichten Beispiel, bei dem die Ionenführungselektroden 312 zylindrische Stäbe sind, weisen die Schutzelektroden 358 halbkreisförmige Gestalten auf, die ungefähr die Hälfte der Außenfläche der entsprechenden Ionenführungselektroden 312 bedecken. Da die Schutzelektroden 358 verhindern, dass die HF-Spannung mittels kapazitiven Koppelns in die zweite Elektronenführungselektrode 352 gekoppelt wird, ist kein umfassendes elektrisches Filtern erforderlich, um die Spannungsquelle der zweiten Elektronenführungselektrode 352 vor den Auswirkungen der HF-Spannung zu schützen. Deshalb kann die Spannungsansprechzeit sehr schnell sein, und die zweite Elektronenführungselektrode 352 kann als Gateelektrode verwendet werden, um das Passieren von Elektronen in die Fallenregion der Ionenführung 304 zu steuern und den Elektronenfangvorgang rasch zu starten und anzuhalten. Um das Gate zu schließen, kann an die zweite Elektronenführungselektrode 352 eine negative Spannung angelegt werden, die höher ist als die an die erste Elektronenführungselektrode 348 angelegte Spannung, wodurch Elektronen von der Fallenregion weg reflektiert werden. Bei einer an die zweite Elektronenführungselektrode 352 angelegten normalen positiven Spannung (z. B. 10–40 V) gelangen die Elektronen durch ihre Apertur 356 und treten in die Fallenregion ein.
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Die Ionenführung 304 ist derart konfiguriert, dass sie auch als Elektronengate verwendet werden kann. Wie zuvor beschrieben wurde, sind die Ionenführungselektroden 312 in Längsrichtung entlang (und üblicherweise parallel zu) der Mittelachse und in radialen Abständen von derselben angeordnet. In der zu der Mittelachse senkrechten Ebene sind die Ionenführungselektroden 312 bezüglich des Umfangs voneinander beabstandet. Wenn das HF-Fallenfeld angelegt wird, wird jede Ionenführungselektrode 312 durch eine Wechselspannung getrieben, die bezüglich der Wechselspannung, die die benachbarten Ionenführungselektroden 312 treibt, die auf jeder Seite dieser Ionenführungselektrode 312 angeordnet sind, um 180 Grad phasenverschoben ist. Dies bedeutet, dass über einen Abschnitt des HF-Zyklus (üblicherweise 50% der Zeit oder mehr, je nach der Art des implementierten HF-Fallensignals) die Potentialdifferenz an dem Zwischenraum zwischen zwei beliebigen benachbarten Ionenführungselektroden 312 groß genug ist, um Elektronen in einer Richtung abzulenken, die quer zu der radialen Richtung verläuft, entlang derer der Elektronenstrahl bei den hierin gelehrten Implementierungen gelenkt wird. Somit können gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung die zwei benachbarten Ionenführungselektroden 312, zwischen denen der Elektronenstrahl gelenkt wird, als Elektronengate dienen. Während Zeiträumen einer null oder nahezu null betragenden HF-Spannung dringt der Elektronenstrahl ohne weiteres ohne Beeinträchtigung zwischen die zwei benachbarten Ionenführungselektroden 312 ein und wird entlang der radialen Elektronenstrahlrichtung gelenkt und fokussiert, wie zuvor beschrieben wurde. Während Zeiträumen einer beträchtlichen nicht null betragenden HF-Spannung wird der Elektronenstrahl von der radialen Elektronenstrahlrichtung weg abgelenkt, ohne in den Innenraum der Ionenführung 304 einzutreten, und somit besteht kein Problem in Bezug darauf, dass Elektronen einer hohen Energie die Ionenfallenregion erreichen. Das vorstehende Verfahren eines Durchlassens des Elektronenstrahls ist besonders in Verbindung mit einer HF-Einfangspannung nützlich, die gesonderte Pulse mit im Wesentlichen abrupten Übergängen zwischen null und nicht null betragenden Amplitudenpegeln aufweist, wie bei dem in 2B veranschaulichten Fall.
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6 ist eine Querschnittsansicht der ECD-Vorrichtung 300 in der zu der Mittelachse senkrechten, quer verlaufenden Ebene, ähnlich der 4, die jedoch zusätzlich Elektronenbahnen 642 zeigt, die anhand des im Handel erhältlichen SIMION®-Ionensimulationsprogramms (Scientific Instrument Services, Inc., Ringoes, New Jersey) berechnet werden. Wenn sich die Elektronen in dem verzögernden Gleichfeld, das durch die an die Ionenführungselektroden 312 angelegten Gleichspannungen hergestellt wird, weiterhin verlangsamen, erreichen die Elektronen einen Punkt 690, an dem sie angehalten und ihre Bewegung umgekehrt haben. An diesem Wendepunkt 690 weisen die Elektronen Energien (und Geschwindigkeiten) von nahezu null auf. Die einzige verbleibende nennenswerte Elektronenenergie liegt in der Querrichtung vor, d. h. aus der Perspektive der 6 in der horizontalen Richtung. Wie zuvor erwähnt wurde, ist es somit wichtig, die räumliche Ausbreitung des Elektronenstrahls 642, während er verlangsamt wird, zu begrenzen, indem der Elektronenstrahl 642 so parallel (nicht-divergierend) wie möglich gehalten wird. Die kinetische Gesamtenergie (E = mv2/2) eines Elektrons in dem Elektronenstrahl 642 ist die Summe seiner Energie in der radialen Richtung des Elektronenstrahls 642 und in der Querrichtung. Ein Elektronenfangen durch ein Ion im Einfangzentrum oder in der Ionenwolke 622 erfordert, dass die kinetische Gesamtenergie niedrig sei (innerhalb der zuvor für ECD oder HECD festgelegten Bereiche). Die ideale Bedingung für einen Elektronenfang entspricht dem Wendepunkt 690, wobei die kinetische Gesamtenergie jedes Elektrons in dem niedrigen Bereich liegt. Falls die Bahnen der Elektronen in der radialen Elektronenstrahlrichtung nicht parallel sind, dann erreicht ihre Geschwindigkeit (und Energie) in der radialen Richtung an dem Wendepunkt 690 null, ihre Gesamtenergie wird jedoch nicht null sein, da in der Querrichtung immer noch eine nicht null betragende Geschwindigkeits- (und Energie-)Komponente vorliegen wird. Gemäß den vorliegenden Lehren liefern die Linsenwirkung der zweiten Elektronenführungselektrode 352 und der Schutzelektroden 358 sowie die verlangsamenden Felder, die durch diese Komponenten sowie durch die Ionenführungselektroden 312 bereitgestellt werden, eine ausreichende Elektronenstrahlkonvergenz, um zu gewährleisten, dass die restliche transversale Energie gering ist und innerhalb des für ECD oder HECD erforderlichen Bereichs liegt. Der Wendepunkt 690 der Elektronenbewegung kann angepasst werden, indem die an die Ionenführungselektroden 312 angelegten Gleichspannungen angepasst werden. Beispielsweise können die verzögernden Gleichspannungen dahin gehend eingestellt werden, den Wendepunkt 690 auf der Mittelachse der Ionenführung 304 dort anzuordnen, wo die Zielionen begrenzt sind (d. h. ein Einfangzentrum oder eine Ionenwolke 622), wie in 6 gezeigt ist. Alternativ dazu können die verzögernden Gleichspannungen verringert werden, um den Wendepunkt 690 weiter an der Mittelachse vorbei zu bewegen, wie in 7 gezeigt ist. Auf diese Weise wird die Energie der Elektronen, während sie die Region 622 der Mittelachse durchlaufen, erhöht. Somit kann man erkennen, dass die für eine Wechselwirkung mit den Ionen zur Verfügung gestellte Elektronenenergie gesteuert werden kann, indem die Position des Wendepunkts 690 gesteuert wird. Dies kann beispielsweise dann nützlich sein, wenn gewünscht wird, die Elektronenenergie für HECD nach oben anzupassen.
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Wie an früherer Stelle in dieser Offenbarung beschrieben wurde, können die Zielionen mit der Verwendung des typischen Sinuswellen-HF-Spannungssignals, das in 2A veranschaulicht ist, oder alternativ dazu durch Abschneiden der Sinuswelle auf eine Form, wie sie beispielsweise in 2B gezeigt ist, oder durch Anlegen einer äquivalenten oder ähnlichen Serie von alternierenden positiven und negativen HF-Pulsen, die nicht auf einer Sinuswellenform beruhen, erfolgreich eingefangen werden. Ein abgeschnittener oder gepulster Signalverlauf kann bezüglich eines Einfangens von Ionen über einen breiten Massenbereich effektiv sein, wie ferner durch Zerega u. a. und Sadat u. a., oben erwähnt, gelehrt wird. 8 und 9 sind Querschnittsansichten der ECD-Vorrichtung 300 in der zu der Mittelachse senkrechten, quer verlaufenden Ebene, wobei Ionensimulationen anhand der SIMION®-Softwareanwendung erzeugt werden. In 8 werden Ionen 822 von m/z = 100 in einem Hexapol-Fallenfeld eingefangen, das durch eine HF-Spannung von 1 MHz mit einem Arbeitszyklus von 50% getrieben wird, wie in 2B gezeigt ist. In 9 werden Ionen 922 von m/z = 1.000 unter denselben Bedingungen eingefangen. In beiden 8 und 9 wird das HF-Fallenfeld mit einer Versatz-Gleichspannung überlagert. Man wird bemerken, dass diese Versatz-Gleichspannung von den Gleichspannungen, die zum Steuern des Elektronenstrahls verwendet werden, und jeglicher Gleichspannung, die zum Anlegen eines axialen Gleichfeldes verwendet wird, getrennt ist. Es ist bekannt, dass ein Gleichfeld, mit dem das HF-Fallenfeld überlagert wird, bewirkt, dass Ionen von der Mittelachse entlang der Richtung des diesem Gleichfeld zugeordneten Dipols verschoben werden. Ionen mit zunehmenden m/z-Verhältnissen weisen abnehmende Fallenpotentiale auf und werden somit noch weiter von der Mittelachse verschoben, wie ein Vergleich der 8 und 9 ergibt. Da der Wendepunkt der Elektronen angepasst werden kann, indem die kinetische Energie der Elektronen, die die Schutzelektroden 358 durchlaufen, geändert wird, und/oder indem die verzögernden Gleichspannungen, die an die Ionenführungselektroden 312 angelegt werden, angepasst werden, wie oben beschrieben wurde, kann bewirkt werden, dass der Wendepunkt mit der Position der Zielionen zusammenfällt, ob nun auf der Mittelachse (6) oder von der Mittelachse versetzt (8 und 9).
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Gemäß zusätzlichen Implementierungen sind Mittel vorgesehen, um die innere Energie der Zielionen zu erhöhen, um den Fragmentierungsvorgang, der eintritt, wenn die Zielionen in der Ionenführung einer ECD oder HECD unterzogen werden, zu modifizieren, um beispielsweise zu ermöglichen, dass zusätzlich zu denjenigen Bindungen, die allein durch den Elektronenfangvorgang gebrochen werden, weitere Bindungen der Zielionen gebrochen werden. Derartige Mittel können dazu verwendet werden, die innere Energie der Zielionen vor dem, während des oder nach dem Elektronenfangvorgangs zu erhöhen. Bei manchen Implementierungen wird ein axiales Gleichfeld über die Länge der Ionenführung eingeprägt, um die Ionen zu beschleunigen und die Richtung der Ionen periodisch oder aperiodisch umzukehren. Der Effekt des axialen Gleichfeldes besteht darin, die axiale kinetische Energie der Ionen zu erhöhen. Die kinetische Energie wird infolgedessen, dass die Ionen mit einem leichten Stoßgas wie beispielsweise Helium zusammenstoßen, in innere Energie umgewandelt. Die Amplitude des axialen Gleichfeldes an den axialen Enden der Ionenführung oder zusätzlich an einem oder mehreren Punkten entlang der Mittelachse zwischen den axialen Enden kann dahin gehend angepasst werden, die axiale kinetische Energie der Ionen zu steuern. Ionen in einer linearen HF-Falle weisen aufgrund des angelegten HF-Fallenfeldes keine natürliche axiale Schwingung auf, da das HF-Fallenfeld quer zu der Mittelachse verläuft. Deshalb kann ein axiales Feld die kinetische Energie der Ionen erhöhen, ohne bei einer Frequenz liegen zu müssen, die mit einer beliebigen Sekulärfrequenz einer Ionenbewegung in Resonanz ist (im Gegensatz zu der herkömmlichen Technik des Erhöhens der Ionenenergie über ein ergänzendes Wechselfeld, wie dies für CID durchgeführt wird), und somit kann ein axiales Feld einer sehr niedrigen Frequenz verwendet werden. Ein Erhöhen der kinetischen Energie lediglich entlang der Achse liefert ferner eine verbesserte Steuerung der Elektronenenergie an dem Punkt, an dem sich die Ionen und Elektronen schneiden und ein Elektronenfang stattfindet.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann ein steuerbares axiales Gleichfeld mit der Verwendung von Gleichspannungsquellen 132, 134, die mit den Axiales-Ende-Elektroden 126, 128 der Ionenführung 104 kommunizieren, und optional mit Gleichspannungsquellen 136, die mit den Ionenführungselektroden 112 kommunizieren, implementiert werden. Als weiteres Beispiel können sich zusätzliche längliche Elektroden (nicht gezeigt) zwischen den Ionenführungselektroden 112 (und außerhalb des Innenraums 120) befinden, an die Gleichspannungen angelegt werden können. Um entlang der Mittelachse 108 einen Spannungsgradienten einzuprägen, können derartige zusätzliche längliche Elektroden in einem Winkel bezüglich der Mittelachse 108 geneigt sein oder dahin gehend konfiguriert sein, entlang der axialen Richtung einen variierenden elektrischen Widerstand aufzuweisen, usw. Die Verwendung zusätzlicher länglicher Elektroden kann bei manchen Anwendungen aufgrund dessen weniger bevorzugt sein, dass üblicherweise relativ hohe Gleichspannungen erforderlich sind, um zu gewährleisten, dass das Gleichfeld dort, wo sich die Zielionen befinden, in die Mittelachse 108 eindringt.
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Ein noch weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, das für viele Anwendungen vorteilhaft ist, ist in 10 veranschaulicht, die eine längsgerichtete Ansicht eines Satzes von Ionenführungselektroden 1012 ist, die dazu konfiguriert sind, ein axiales Gleichfeld anzulegen. Der Einfachheit halber sind nur zwei Ionenführungselektroden 1012 gezeigt, obwohl man verstehen wird, dass die Ionenführungselektroden jeglicher ECD-Vorrichtung, die hierin offenbart ist, gemäß dem in 10 veranschaulichten Beispiel konfiguriert sein können. Jede Ionenführungselektrode 1012 ist dahin gehend konfiguriert, eine Serie von axial beabstandeten, elektrisch leitfähigen Segmenten zu enthalten, die voneinander elektrisch isoliert sind. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist jede Ionenführungselektrode 1012 aus isolierenden Stäben 1092 gebildet, die mit axial beabstandeten, leitfähigen (z. B. Metall-)Bändern 1094 beschichtet sind. (Nicht gezeigte) Gleichspannungsquellen können in Signalkommunikation mit jedem Band 1094 platziert werden, wodurch die Gleichspannung an jedem einzelnen Band 1094 einstellbar ist. Diese Konfiguration ermöglicht die Erzeugung eines axialen Gleichfeldes mit einem äußerst steuerbaren axialen Spannungsgradienten. Zusätzlich zu einem Erhöhen der inneren Energie von Ionen kann das axiale Gleichfeld auch dazu verwendet werden, Ionen aus der Ionenführung zu anderen Vorrichtungen zu transportieren, die sich vor oder nach der Ionenführung befinden.
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Eine weitere Alternative zu dem in 10 gezeigten Beispiel besteht darin, die Ionenführungselektroden in physisch gesonderte axiale Segmente zu teilen, die durch Zwischenräume getrennt sind, solange inhomogene Felder in den Regionen der Zwischenräume nicht die Injektion und Steuerung eines fokussierten Elektronenstrahls und den Elektronenfangvorgang, wie er hierin gelehrt wird, beeinträchtigen.
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Ein weiteres Mittel zum Erhöhen der inneren Energie von Zielionen ist schematisch in 11 veranschaulicht, die eine (längsgerichtete) Seitenansicht einer ECD-Vorrichtung 1100 mit einer linearen mehrpoligen Ionenführung 1104 und einer Photonenquelle 1174 wie beispielsweise einem abstimmbaren IR-Laser ist. Ionen werden in einem begrenzten Volumen 1122 in der ECD-Vorrichtung 1100 entlang einer Mittelachse 1108 eingefangen und durch Elektronen 1142 von einer Elektronenquelle 1140 bestrahlt, wie oben beschrieben wurde. Die ECD-Vorrichtung 1100 umfasst ein Photonen sendendes (z. B. IR-)Fenster 1182, das durch ein Gehäuse oder eine andere Struktur 1184 getragen wird. Die Photonenquelle 1174 ist mit dem Fenster 1182 und der Mittelachse 1108 und somit auch mit den eingefangenen Ionen optisch ausgerichtet. Demgemäß lenkt die Photonenquelle 1174 einen Photonenstrahl 1186 entlang der Mittelachse 1108, um die Ionen ohne weiteres zu bestrahlen. Eine Absorption von Photonen seitens der Ionen erhöht deren innere Energie. Eine Bestrahlung durch den Photonenstrahl 1186 kann vor, während oder nach der Bestrahlung durch den Elektronenstrahl 1142 erfolgen. Aufgrund der außeraxialen Positionierung des Elektronenstrahls 1142, wie sie hierin gelehrt wird, bleiben die axialen Enden der Ionenführung 1104 für eine koaxiale Positionierung der Photonenquelle 1174 oder anderer Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt sind, verfügbar. Eine auf der Achse erfolgende Photonenbestrahlung trägt dazu bei, eine vollständige Bestrahlung der Gesamtheit eingefangener Ionen zu gewährleisten. Alternativ dazu kann sich die Photonenquelle 1174 in einem gewissen Winkel relativ zu der Mittelachse außerhalb der Mittelachse befinden.
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Man wird verstehen, dass die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren und Apparaturen (Vorrichtungen) bei einem Ionenverarbeitungssystem, wie beispielsweise einem MS-System, wie es oben allgemein beispielhaft beschrieben wurde, implementiert werden können. Jedoch ist der vorliegende Gegenstand nicht auf die hierin veranschaulichten spezifischen Ionenverarbeitungssysteme oder auf die spezifische Anordnung von Schaltungsanordnungen und Komponenten, die hierin veranschaulicht ist, beschränkt. Überdies ist der vorliegende Gegenstand nicht auf MS-basierte Anwendungen beschränkt, wie zuvor erwähnt wurde.
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Gemäß der Verwendung hierin schließt der Begriff „Elektronenfangdissoziation” (bzw. „ECD”) den Begriff „heiße Elektronenfangdissoziation” (bzw. „HECD”) ein, wenn nichts anderes angegeben ist.
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Allgemein werden Begriffe wie beispielsweise „kommunizieren” und „in ... Kommunikation mit” (beispielsweise: eine erste Komponente „kommuniziert mit” oder „steht in Kommunikation mit” einer zweiten Komponente) hierin verwendet, um eine strukturelle, funktionelle, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehreren Komponenten oder Elementen anzugeben. Als solches soll die Tatsache, dass man davon spricht, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente kommuniziert, die Möglichkeit, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente vorliegen und/oder wirksam denselben zugeordnet sind oder mit denselben in Eingriff stehen können, nicht ausschließen.
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Man wird verstehen, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung verändert werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner dient die vorstehende Beschreibung lediglich Veranschaulichungszwecken und nicht dem Zweck einer Einschränkung – wobei die Erfindung durch die Patentansprüche definiert wird.
