DE102004055279B4

DE102004055279B4 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102004055279B4
Application number: DE102004055279A
Authority: DE
Inventors: Jeffery Mark Hyde Brown; Daniel James Davenham Northwich Kenny
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE202004017772U1; GB2419032B; GB2408144B; JP2005190994A; GB2419032A; GB0425270D0; JP5036017B2; CA2487790A1; GB0523064D0; GB0326717D0; DE102004055279A1; GB2408144A; CA2487790C

Abstract

Massenspektrometer mit einem Massenfilter und einem Massenanalysator, der stromabwärts des Massenfilters angeordnet ist, wobei der Massenfilter aufweist:
– eine Eingangsöffnung (5a) zum Empfangen von Ionen (6, 7, 8) in axialer Richtung,
– eine Beschleunigungsregion (2) mit wenigstens einer Elektrode (9) zum Beschleunigen wenigstens einiger der empfangenen Ionen (6, 7, 8) orthogonal zu der axialen Richtung;
– wenigstens einen Ionenspiegel (4) zum Reflektieren wenigstens einiger der Ionen (6, 7, 8), die orthogonal beschleunigt wurden, zurück zu der Beschleunigungsregion (2), und so, dass sich die Ionen (6, 7, 8) im Allgemeinen in Richtung einer Ausgangsregion des Massenfilters bewegen;
ein oder mehrere elektrische Felder, durch die erste Ionen (7) mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis oder Masse-Ladungs-Verhältnissen innerhalb eines ersten Bereiches orthogonal verzögert werden, wenn sie sich der Ausgangsregion des Massenfilters nähern; Abstrakt- und wobei der Massenanalysator so angeordnet ist, dass er die ersten Ionen von der Ausgangsregion empfängt und...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Massenfilter und ein Massenspektrometer mit einem Massenfilter.
Die Verwendung eines Massenfilters in einem Massenspektrometer zur Auswahl von Ausgangs- bzw. Elternionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis ist bekannt. Die ausgewählten Ausgangsionen können dann beispielsweise in eine Kollisions- oder Fragmentationszelle fragementiert werden, und die resultierenden Fragmentionen können dann mittels eines Massenanalysators massenanalysiert werden. Der Massenfilter, der am häufigsten zur Auswahl von Ausgangsionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis verwendet wird, ist ein Quadrupolstabsatz-Massenanalysator. Es sind jedoch auch andere Arten von Massenfiltern bekannt, einschließlich Wienfilter und Bradbury-Nielsen-Ionengatter.
Ein Wienfilter wird betrieben durch Durchleiten bzw. Passieren eines Ionenstrahls durch gekreuzte elektrische und magnetische Felder. Ionen mit einer Masse m, einer Ladung q und einer Geschwindigkeit v werden unabgelenkt durch den Filter gehen bzw. passieren, falls Eq = Bqvwobei E und B die elektrische Feldstärke bzw. magnetische Feldstärke sind. Entsprechend werden, wenn alle Ionen in einem Ionenstrahl im Wesentlichen die gleiche Energie aufweisen, nur Ionen eines bestimmten Masse-Ladungs-Verhält nisses die benötigte Geschwindigkeit aufweisen, um unabgelenkt durch den Filter hindurchzugehen. Nachteiligerweise ist jedoch die Auflösung eines Wienfilters abhängig von den absoluten Größen der gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder, welche der Ionenstrahl erfährt bzw. welche wie auf diesen wirken. Da große magnetische Feldstärken sehr große Elektromagnete benötigen, ist die letztliche Auflösung eines Massenspektrometers mit einem Wienfilter in der Praxis ziemlich beschränkt, insbesondere bei größeren Masse-Ladungs-Verhältnissen. Eine maximale Masse-Ladungs-Verhältnis-Auflösung von etwa 400 ist üblich für bekannte Massenspektrometer mit einem Wienfilter. Die Masse-Ladungs-Verhältnis-Auflösung R kann definiert werden als R = mΔm wobei Δm ein Masse-Ladungs-Verhältnis-Fenster ist, das bei einem Masse-Ladungs-Verhältnis m transmittiert bzw. übertragen wird. Die große physikalische bzw. physische Größe der verschiedenen zur Bildung eines Wienfilters notwendigen Komponenten zusätzlich zu seiner beschränkten Auflösung hat seine Verwendung beschränkt auf bestimmte spezialisierte Bereiche, wie etwa Atomphysik und Ionenimplantation.
Quadrupolstabsatz-Massenfilter sind, im Gegensatz hierzu, relativ kompakt und werden üblicherweise bei kommerziellen Massenspektrometern verwendet. Ein Quadrupolstabsatz-Massenfilter weist zwei elektrisch verbundene Paare von zylindrischen Stabelektroden auf, welche beide mit HF- bzw. RF- und DC-Spannungen bzw. Gleichspannungen beaufschlagt werden. Für eine gegebene HF-Frequenz und eine geeignete Einstellung der HF- und DC-Spannungen werden nur Ionen mit einem sehr beschränkten Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen stabile Flugbahnen durch den Quadrupolstab satzmassenfilter haben. Entsprechend werden nur Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis durch den Quadrupolstabsatzmassenfilter übertragen bzw. transmittiert. Ionen mit anderen Masse-Ladungs-Verhältnissen werden instabile Flugbahnen innerhalb des Stabsatzmassenfilters aufweisen, und werden mit den zylindrischen Stabelektroden kollidieren und somit dem System verlorengehen.
Quadrupolstabsatz-Massenfilter sind insbesondere vorteilhaft, da sie Auflösungen von mehreren tausend aufweisen können. Nachteiligerweise erfordern Quadrupolstabsatz-Massenfilter zum wirksamen Betrieb, dass ein Ionenstrahl, der massengefiltert werden soll, eine relativ geringe Energie aufweist. Quadrupolstabsatz-Massenfilter weisen auch einen relativ beschränkten Masse-Ladungs-Verhältnis-Bereich auf, und müssen im Hinblick auf sehr große Toleranzen hergestellt und konstruiert sein. Ferner leiden Quadrupolstabsatz-Massenfilter an dem Problem, dass die bestimmten HF-Leistungsversorgungen, die mit derartigen Massenfiltern verwendet werden, physisch relativ groß sind. Dies ist insbesondere problematisch, wenn angestrebt wird, ein kompaktes Tisch- bzw. Bench-Top-Massenspektrometer bereitzustellen.
Ein Bradbury-Nielsen Ionengatter kann als Massenfilter verwendet werden. Das Ionengatter kann beispielsweise in einer Flugregion des Massenspektrometers bereitgestellt sein, worin bzw. wobei Ionen unterschiedliche Zeiten benötigen, um die Flugregion zu durchqueren, dies in Abhängigkeit von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis. Das Ionengatter kann angeordnet bzw. eingerichtet werden, so dass nur Ionen mit bzw. in einem relativ kleinen Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen transmittiert werden. Dies wird erreicht durch schnelles Öffnen und anschließendes Schließen des elektrostatischen Ionengatters zu einem Zeitpunkt, der gleich ist der Ankunftszeit von Ionen mit den interessierenden Masse-Ladungs-Verhältnissen.
Bradbury-Nielsen-Ionengatter weisen parallele Elektroden auf, zwischen denen ein Ionenstrahl gerichtet ist bzw. wird. Ein elektrisches Feld wird bei der Verwendung zwischen den Elektroden des Ionengatters erzeugt. Das elektrische Feld ist, wenn es erzeugt ist, ausreichend um einen Strahl von Ionen weg von seiner ursprünglichen Bahn abzulenken, und somit kann das Ionengatter als geschlossen angesehen werden oder andernfalls bzw. andererseits eine Transmission von 0% aufzuweisen, wenn ein elektrisches Feld erzeugt wird. Zur Öffnung des Gatters oder andererseits zur Bereitstellung einer Transmission von 100% wird das zwischen den Elektroden aufrechterhaltene elektrische Feld AUS bzw. OFF geschaltet, oder wird anderweitig bzw. auf andere Weise für eine kurze Zeitdauer auf Null reduziert. Dies ermöglicht Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis durch das Ionengatter zu passieren, ohne durch ein elektrisches Feld abgelenkt zu werden. Sobald die Ionen mit dem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis transmittiert sind, wird das elektrische Feld wiederhergestellt, und anschließende an dem Ionengatter ankommende Ionen werden von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt.
In der Theorie ist der Masse-Ladungs-Verhältnis-Bereich eines Bradbury-Nielsen-Ionengatters unbeschränkt. In der Praxis ist jedoch die mit einem Bradbury-Nielsen-Ionengatter erzielbare Auflösung enttäuschend gering, beispielsweise etwa 20–50 für Doppel-Elektrodenanordnungen oder in der Größenanordnung von 100–200 für Vielfachelektrodenanordnungen. Die Anordnung von Elektroden sehr nahe an der Bahn des Ionenstrahls wird tendenziell zu einen Verlust in der Ionentransmission führen, selbst wenn das Ionengatter nicht als Massenfilter verwendet wird, da einige Ionen nach wie vor dazu neigen werden, auf die Elektroden aufzutreffen. Als Ergebnis werden Bradbury-Nielsen-Ionengatter nicht verbreitet als Massenfilter in kommerziellen Massenspektrometern verwendet.
Flugzeit-Massenfilter sind ebenfalls bekannt, welche, wie Wienfilter, sämtliche Ionen mit einer bestimmten spezifischen Geschwindigkeit transmittieren. Nachteiligerweise werden jedoch Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die jedoch im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit aufweisen, gleichzeitig durch derartige Massenfilter transmittiert. Dies kann problematisch sein in einer Anzahl verschiedener Szenarien. Beispielsweise wenn ein Vorläufer- oder Ausgangsion fragmentiert (entweder spontan aufgrund von Post-Source-Decay oder aufgrund von kollisionsinduzierter Dissoziation in einer Kollisions- oder Fragmentationszelle), werden die resultierenden Fragmentionen im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit, wie sie das entsprechende Vorläufer- oder Ausgangsion hatte, beibehalten. Wenn entsprechend ein Vorläufer- oder ein Ausgangsion stromaufwärts eines Flugzeit-Massenanalysators fragmentiert, werden Fragmentionen zusammen mit unfragmentierten Ausgangsionen gleichzeitig durch den Flugzeit-Massenfilter transmittiert. Entsprechend wird der Flugzeit-Massenfilter Ionen mit Wesentlich unterschiedlichen bzw. verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen zur gleichen Zeit transmittieren.
Aus der WO 97/48120 A1 ist ein Flugzeit-Massenspektrometer bekannt, das eine Ionenquelle aufweist, die Ionen bildet, die nach dem Austritt aus der Quelle eine Geschwindigkeit in einer ersten Richtung aufweisen. Die Ionen laufen durch ein Elektrodenpaar, das sie mit einer Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung beaufschlagt, um sie in eine Messkammer zu überführen, die einen Detektor aufweist.
Ionen von Interesse mit einem spezifischen Masse-Ladungs-Verhältnis werden ausgewählt, in einer Fragmentierungsvorrichtung fragmentiert, und mittels eines Detektors detektiert, der Massenspektren entsprechend den detektierten kleineren Ionen erstellt. Die Ionen von Interesse werden ausgewählt, indem diese durch ein Elektrodenpaar geschickt werden, wobei eine Elektrode des Elektrodenpaars spannungsbeaufschlagt ist, so dass ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Geschwindigkeit der Ionen von Interesse in der zweiten Richtung in der Nähe der Fragmentierungsvorrichtung auf im wesentlichen Null reduziert. Aufgrund der ausschließlich verbleibenden Geschwindigkeit der Ionen in der ersten Richtung gelangen diese in die Fragmentierungsvorrichtung und werden dort fragmentiert.
Die DE 697 12 739 T2 zeigt einen Massenfilter mit zwei parallel angeordneten Elektrodenbaugruppen. Die Ionen treten in die erste Elektrodenbaugruppe ein und werden in dieser durch einen angelegten Hochspannungspuls quer in Richtung der zweiten Elektrodenbaugruppe beschleunigt. Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen erreichen die zweite Elektrodenbaugruppe zu unterschiedlichen Zeiten. An die zweite Elektrodenbaugruppe wird zu einem vorbestimmten späteren Zeitpunkt ein zweiter Hochspannungsimpuls zum Abbremsen der beschleunigten Ionen angelegt. Abhängig von der Pulshöhe sowie dem zeitlichen Abstand zwischen den beiden angelegten Pulsen wird die Quergeschwindigkeit von Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis auf Null reduziert. Diese bestimmten Ionen können dann die zweite Elektrodenbaugruppe in ursprünglicher Fortbewegungsrichtung verlassen.
Es ist offensichtlich, dass es eine Anzahl von Problemen in Verbindung mit herkömmlichen Massenfiltern gibt. Es wird daher angestrebt, einen verbesserten Massenfilter bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Massenfilter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bereitgestellt.
Das Massenspektrometer und der in dem Verfahren verwendete Massenfilter weisen vorzugsweise eine oder mehrere Flugregionen auf, die zwischen der einen oder mehreren den Elektroden und dem einen oder den mehreren Ionenspiegeln angeordnet sind. Ein oder mehrere Potentialgradienten werden bei dem Verfahren vorzugsweise über wenigstens einen Abschnitt der Flugregion aufrechterhalten, während Ionen von der einen oder den mehreren Elektroden in Richtung der einen oder der mehreren Ionenspiegel sich bewegen. Die einen oder mehreren Potentialgradienten wirken vorzugsweise so, dass sie wenigstens einige Ionen weiter beschleunigen in Richtung der einen oder mehreren Ionenspiegel.
Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann wenigstens ein Abschnitt der Flugregion eine oder mehrere feldfreie Regionen aufweisen. Ionen in der einen feldfreien Region oder den mehreren feldfreien Regionen werden vorzugsweise weder beschleunigt noch verzögert, während sie sich in der einen feldfreien Region oder den mehreren feldfreien Regionen in Richtung des einen oder der mehreren Ionenspiegel bewegen. Ionen in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen werden vorzugsweise auch weder beschleunigt noch verzögert, während sie in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen von dem einen oder den mehreren Ionenspiegeln in Richtung der einen öder mehreren Elektroden sich bewegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die einen oder die mehreren Ionenspiegel ein oder mehrere Reflektrons bzw. Reflektron-Komponenten aufweisen. Ein linearer oder nichtlinearer elektrischer Feldgradient kann in dem Verfahren innerhalb der einen oder der mehreren Reflektron-Komponenten oder Ionenspiegel aufrechterhalten werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer zur Verfügung gestellt, dass einen Massenfilter, wie er oben beschrieben wurde, aufweist.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine Ionenquelle auf, die stromaufwärts des Massenfilters angeordnet ist. Die Ionenquelle ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus: (i) Elektrospray-Ionenquelle (”ESI”); (ii) Atmosphärendruck-Chemische-Ionisations-Ionenquelle (”APCI”); (iii) Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle (”APPI”); (iv) Laserdesorptions-Ionisations-Ionenquelle (”LDI”); (v) induktivgekoppelte Plasma-Ionenquelle (”ICP”); (vi) Elektronenauftreff-Ionenquelle (”EI”); (vii) chemische Ionisationsionenquelle (”CI”); (viii) Feldionisations-Ionenquelle (”FI”); (ix) Schnell-Atom-Bombardement-Ionenquelle (”FAB”); (x) Flüssig-Sekundär-Ionenmassenspektrometrie-Ionenquelle (”LSIMS”); (xi) Atmosphärendruck-Ionisations-Ionenquelle (”API”); (xii) Felddesorptions-Ionenquelle (”FD”); (xiii) matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisations-Ionenquelle (”MALDI”); (xiv) Ionenquelle mit Desorption/Ionisation auf Silizium (”DIOS”); und (xv) Desorptions-Elektrospray-Ionisations-Ionenquelle (”DESI”).
Die Ionenquelle kann eine kontinuierliche Ionenquelle oder eine gepulste Ionenquelle aufweisen. Das Massenspektrometer weist ferner einen Massenanalysator auf, der vorzugsweise stromabwärts des Massenfilters angeordnet ist. Der Massenanalysator ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus: (i) Orthogonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator; (ii) Axialbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator; (iii) Quadrupol-Massenanalysator; (iv) Penning-Massenanalysator; (v) Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator (”FTICR”); (vi) 2D oder li neare Quadrupol-Ionenfalle; (vii) Paul oder 3D-Quadrupol-Ionenfalle; und (viii) Magnetsektor-Massenanalysator.
Die bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf eine neue Art von Massenfilter. Der bevorzugte Massenfilter unterscheidet sich von bekannten Flugzeit-Massenfiltern insofern, als der bevorzugte Massenfilter die axiale Geschwindigkeit der Ionen nicht verwendet, um Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis zu isolieren oder anderweitig zu selektieren. Vielmehr beschleunigt der Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise orthogonal (d. h. beschleunigt Ionen in einer orthogonalen Richtung, die im Wesentlichen in einem Winkel von 90° bezüglich der ersten axialen Richtung der Ionen verläuft) Tonen aus der primären bzw. ersten Beschleunigungsregion und in eine Flugregion. Die Ionen bewegen sich vorzugsweise auf einen Ionenspiegel zu und treten in diesen ein. Der Ionenspiegel reflektiert vorzugsweise die Ionen zurück in die Flugregion und zurück in Richtung der ersten Beschleunigungsregion. Die Ionen werden dann vorzugsweise partiell bzw. teilweise verzögert, nachdem sie durch den Ionenspiegel reflektiert worden sind, während sie durch die Flugregion in Richtung der ersten Beschleunigungsregion passie ren. Ionen, die zu einem bestimmten präzisen Zeitpunkt in die erste Beschleunigungsregion zurückkehren, sind ferner eingerichtet, um weiter orthogonal verzögert oder retardiert zu werden durch ein zeitveränderliches elektrisches Feld, das über einen Bereich der ersten Beschleunigungsregion aufrechterhalten wird. Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis werden vorzugsweise retardiert oder anderweitig orthogonal verzögert, so dass ihre Geschwindigkeitskomponente in einer orthogonalen Richtung vorzugsweise auf Null reduziert wird, während ihre Geschwindigkeitskomponente in einer axialen Richtung vorzugsweise im Wesentlichen von Null verschieden bleibt. Die ausgewählten Ionen werden dann vorzugsweise emittiert und von dem Massenfilter weitertransmittiert. Da der Massenfilterungsbetriebsmodus des bevorzugten Massenfilters vorzugsweise nicht von der axialen Geschwindigkeit der Ionen abhängt, ist der bevorzugte Massenfilter vorzugsweise im Wesentlichen unbeeinflusst durch die anfänglichen axialen, räumlichen, energetischen und zeitlichen Verteilungen der Ionen, die einem Massenfiltern zu unterziehen sind. Der bevorzugte Massenfilter ist daher besonders vorteilhaft verglichen mit bekannten Massenfiltern.
Der bevorzugte Massenfilter kann, gemäß einer Ausführungsform, Ionen orthogonal aus der ersten Beschleunigungsregion beschleunigen durch Anwendung bzw. Aufbringung eines vorzugsweise relativ langeng, vorzugsweise relativ großen Spannungspulses auf eine oder mehrere Orthogonalbeschleunigungselektroden, die in der ersten Beschleunigungsregion ausgebildet sind. Entsprechend werden sämtliche Ionen in einem Ionenstrahl im Wesentlichen die gleiche Energie gewinnen. Die Ionen werden dann vorzugsweise in Richtung eines Ionenspiegels beschleunigt, und werden dann durch den Ionenspiegel zurück in Richtung auf die erste Beschleunigungsregion reflektiert. Wenn sich Ionen mit dem gewünsch ten Masse-Ladungs-Verhältnis der ersten Beschleunigungsregion nähern, werden diese bestimmten Ionen dann vorzugsweise vollständig orthogonal verzögert, indem sie zu einem präzisen Zeitpunkt an der ersten Beschleunigungsregion ankommen, zu dem der große Spannungspuls bzw. Hochspannungspuls, der zuerst die Ionen beschleunigte, nun von einer maximalen Spannung auf Null innerhalb einer endlichen bzw. finiten Zeitdauer abfällt. Durch Ausschalten (OFF) des Spannungspulses, der zu einem bestimmten präzisen Zeitpunkt auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht wird, werden Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis, die an der ersten Beschleunigungsregion ankommen, eine Verzögerung in der orthogonalen Richtung von im Wesentlichen der gleichen Größenordnung bzw. Größe erfahren, wie die Größe der orthogonalen Beschleunigung, die die Ionen zunächst erfuhren. Entsprechend wird die Geschwindigkeitskomponente in orthogonaler Richtung der Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis zurück auf Null reduziert, und daher werden diese auf ihrem ursprünglichen axialen Weg durch den Massenfilter zurückkehren.
Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis werden daher vorzugsweise durch genaue Zeitsteuerung der Länge oder Zeitdauer des einen oder der mehreren vorzugsweise relativ hohen Spannungspulse, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht werden, die vorzugsweise in einer ersten Beschleunigungsregion des Massenfilters ausgebildet sind, ausgewählt. Während Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise durch den Massenfilter weitertransmittiert werden, werden Ionen mit einem relativ kleineren Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise derart eingerichtet bzw. angeordnet, dass sie durch den Ionenspiegel reflektiert werden, und an der ersten Beschleunigungsregion zu einem Zeitpunkt ankommen, zu dem die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden noch energetisiert werden durch Anwendung eines Spannungspulses auf die eine oder die mehreren ersten Beschleunigungselektroden. Die Ionen werden daher zu einem Zeitpunkt ankommen, zu dem ein elektrisches Feld in der ersten Beschleunigungsregion vorliegt. Das elektrische Feld bewirkt, dass Ionen mit einem relativ kleinen Masse-Ladungs-Verhältnis orthogonal verzögert werden, reflektiert werden, und dann erneut orthogonal in die Flugregion beschleunigt werden. Derartige Ionen werden dann vorzugsweise dem System verloren gehen.
Ionen mit einem relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnis sind vorzugsweise eingereicht bzw. angeordnet, um zu einem Zeitpunkt, zu dem die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden vorzugsweise nicht mehr energetisiert bzw. mit Energie versorgt werden, d. h. wenn kein Spannungspuls vorzugsweise auf die eine oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht wird, anzukommen. Die Ionen werden daher vorzugsweise zu einem Zeitpunkt an der ersten Beschleunigungsregion ankommen, zu dem kein elektrisches Feld in der ersten Beschleunigungsregion vorliegt. Entsprechend werden Ionen mit einem relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnis, obwohl sie in einer orthogonalen Richtung teilweise verzögert werden, während die Ionen zurück durch die Flugregion in Richtung der ersten Beschleunigungsregion passieren, nicht weiter oder vollständig in der ersten Beschleunigungsregion orthogonal verzögert. Als Ergebnis werden diese Ionen weiterhin sich mit einer von Null verschiedenen Geschwindigkeitskomponente in einer orthogonalen Richtung bewegen und werden daher nicht in einen Zustand zurückgebracht, in dem sie eine rein axiale Geschwindigkeitskomponente haben bzw. hätten. Gemäß einer Ausführungsform können derartige Ionen eingerichtet werden, um mit einer der Orthogonalbeschleunigungselektro den oder einem anderen Teil des Massenfilters zu kollidieren, und dadurch dem System verloren zu gehen.
Der bevorzugte Massenfilter weist eine Anzahl von Vorteilen verglichen mit bekannten Massenfiltern auf. Da der bevorzugte Massenfilter nicht Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis auf der Grundlage der axialen Geschwindigkeit der Ionen auswählt, beeinflussen axiale Energieverteilungen und Zeitverteilungen vorzugsweise nicht den Betrieb des bevorzugten Massenfilters in negativer Weise. Als Ergebnis werden unerwünschte Fragmentionen, die aus einem Disassoziationsereignis resultieren, nachdem entsprechende Ausgangsionen auf ihre Endenergie oder Endgeschwindigkeit beschleunigt worden sind, vorzugsweise in vorteilhafter Weise nicht weitertransmittiert durch den bevorzugten Massenfilter, dies im Unterschied zu herkömmlichen Flugzeit-Massenfiltern. Ein weiterer Vorteil des bevorzugten Massenfilters liegt darin, dass der vorzugsweise große Spannungspuls bzw. die vorzugsweise großen Spannungspulse, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht werden, vorzugsweise keine sehr schnellen Anstiegszeiten und/oder Abfallzeiten benötigen, so dass komplexe und teure bzw. aufwendige schnelle elektronische Spannungsversorgungen nicht benötigt werden.
Wenn der Massenfilter nicht verwendet wird, oder anderweitig ausgebildet wird, um als Ionenführung mit einer hohen (beispielsweise 100%) Ionentransmission in einem Nicht-Massenfilterungsbetriebsmodus zu arbeiten, sind keine Elektroden ausreichend nah an der Bahn des Ionenstrahls, der durch den Massenfilter durchläuft, um mit dem Ionenstrahl zu Wechselwirken bzw. diesen beeinträchtigen zu könnten. Da Ionen somit nicht mit irgendwelchen Elektroden in dem Massenfilter kollidieren, wird der Massenfilter vorzugsweise eine Ionentransmissionswirksamkeit von im Wesent lichen 100% aufweisen, wenn er als Ionenführung in einem Nicht-Massenfilterungsbetriebsmodus betrieben wird. Dies ist nicht der Fall bei anderen bekannten Massenfiltern, wie etwa Bradbury-Nielson-Ionengattern, bei denen Ionen mit den Elektroden kollidieren können, die das Ionengatter bilden, und somit derartige Ionengatter eine Ionentransmissionswirksamkeit von weniger als 100% haben, wenn diese in einem Nicht-Massenfilterungsbetriebsmodus verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil des bevorzugten Massenfilters ist, dass durch korrekte Zeitsteuerung der Länge und/oder der Zeitdauer eines oder mehrerer Hochspannungspulse, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht werden, es möglich ist, die Divergenz eines Ionenstrahls, der durch den Massenfilter massengefiltert wird, zu reduzieren, und somit fokussiert der bevorzugte Massenfilter vorteilhafterweise den Ionenstrahl. Der Massenfilter kann daher zur Erhöhung der Transmission von Ionen durch nachfolgende Stufen eines Massenspektrometers, die vorzugsweise stromabwärts des bevorzugten Massenfilters angeordnet sind, verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun rein beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1A zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation von drei Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die orthogonal durch einen Massenfilter gemäß einer ersten Ausführungsform beschleunigt werden, 1B zeigt ein entsprechendes Spannungszeitsteuerungsdiagramm bzw. Spannungs-Zeit-Diagramm, das die Verzögerungszeit und Pulsdauer eines Hochspannungspulses darstellt, der auf eine Orthogonalbeschleunigungselektrode eines bevorzugten Massenfilters angewendet wird, und 1C zeigt ein korrespondierendes Diagramm potentieller Energie, das den Potentialgradienten darstellt, der über der ersten Beschleunigungsregion, der Flugregion und innerhalb des Ionenspiegels aufrechterhalten wird während und nachdem ein Orthogonalbeschleunigungspuls auf die eine oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden in der ersten Beschleunigungsregion aufgebracht bzw. angewendet wird;
2A zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation einer zweiten Ausführungsform, bei der Ionen mit relativ kleinen und relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnissen nicht durch den Massenfilter orthogonal beschleunigt werden, sondern direkt durch den Massenfilter passieren, und 2B zeigt ein entsprechendes Spannungszeitsteuerungsdiagramm bzw. Spannungs-Zeit-Diagramm, das die Verzögerungszeit und die Pulsdauer eines Hochspannungspulses zeigt, der auf eine Orthogonalbeschleunigungselektrode eines Massenfilters gemäß der zweiten Ausführungsform aufgebracht wird;
3A zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation einer dritten Ausführungsform, bei der Ionen mit relativ kleinen und relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnissen eingerichtet bzw. ausgebildet sind, um mit einer Einlassöffnung des Massenfilters zu kollidieren, und 3B zeigt ein korrespondierendes Spannungs-Zeit-Diagramm, das die Verzögerungszeiten und die Pulsdauer der Hochspannungspulse darstellt, die auf eine Orthogonalbeschleunigungselektrode eines Massenfilters gemäß der dritten Ausführungsform aufgebracht werden;
4 zeigt unterschiedliche Trajektorien durch einen bevorzugten Massenfilter von Ionen mit dem gleichen Masse-Ladungs-Verhältnis, jedoch mit einem Bereich anfänglicher axialer Energien;
5 zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation unterschiedlicher Trajektorien von sechs Gruppen von Ionen durch einen bevorzugten Massenfilter, wenn die Ionen, die an dem Massenfilter ankommen, eine Verteilung an anfänglichen kinetischen Energien und Positionen aufwiesen;
6A zeigt in tabellarischer Form die anfänglichen kinetischen Energien und Positionen für sechs Gruppen von Ionen, die in 5 simuliert sind, und 6B zeigt die Verteilung von anfänglichen Trajektorien, die Ionen innerhalb einer bestimmten Gruppe im Modell aufwiesen; und
7 zeigt die Winkeldivergenz sämtlicher Ionen, die in der Simulation gemäß 5 modelliert wurden, sowohl vor und nach der orthogonalen Beschleunigung durch den bevorzugten Massenfilter.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1A beschrieben. 1A zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation eines Massenfilters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Eine Ionenquelle 1 ist stromaufwärts eines Massenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet gezeigt. Der Massenfilter weist eine Eingangsöffnung 5a, eine erste Beschleunigungsregion 2 mit einer oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9, eine Flugregion 3, die benachbart zu der ersten Beschleunigungsregion 2 angeordnet ist, einen Ionenspiegel oder ein Reflekton 4 (angeordnet zum Empfang von Ionen, die aus der Flugregion 3 austreten, und um diese in die Flugregion 3 zurück zu reflektieren) und eine Ausgangsöffnung 5b auf. Der Massenfilter wurde durch theoretisches Umgeben des Massenfilters in einer geerdeten Kammer 12 modelliert, um die Effekte einer Vakuumkammer nachzuahmen. Es wird jedoch verstanden werden, dass die geerdete Kammer 12 lediglich aus Gründen der Modellierung des Durchgangs der Ionen durch den Massenfilter in der Simulation bereitgestellt ist und in einem realen Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform nicht tatsächlich benötigt wird.
Die Trajektorien bzw. Bahnen von drei Ionen 6, 7, 8 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen wurden simuliert, wenn diese in den Massenfilter eintraten und durch diesen passierten bzw. hindurchgingen. Die drei Ionen 6, 7, 8 wiesen Masse-Ladungs-Verhältnisse von 1.000, 1.500 bzw. 2.000 auf. Die jeweiligen Trajektorien der Ionen 6, 7, 8 durch den Massenfilter sind in 1A gezeigt. Eine axiale oder x-Richtung ist gezeigt, die vorzugsweise unter einem Winkel von 90° bezüglich einer orthogonalen bzw. y-Richtung verläuft.
Die drei Ionen 6, 7, 8 in der Simulation wurden mit einer Beschleunigung von +500 V auf 0 V in der Region der Ionenquelle 1 beschleunigt modelliert. Zu einem Zeitpunkt von 2,5 μs nachdem die Ionen 6, 7, 8 emittiert wurden oder anderweitig in der Ionenquelle 1 erzeugt wurden, wurde ein Spannungspuls von +750 V mit einer Zeitdauer von 8,374 μs auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9, die in der ersten Beschleunigungsregion 2 ausgebildet sind, aufgebracht. Der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebrachte Spannungspuls hatte den Effekt, dass das Potential in der einen oder den mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden von 0 V auf 750 V für eine Zeitdauer von 8,374 μs anstieg. Der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebrachte Spannungspuls hatte somit den Effekt der Erzeugung eines elektrischen Feldes, welches die Ionen 6, 7, 8 aus der ersten Beschleunigungsregion 2 und in die benachbarte Flugregion 3 orthogonal beschleunigte. Der angewendete bzw. aufgebrachte Spannungspuls in der unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C gezeigten und beschriebenen Ausführungsform wurde modelliert mit einer Anstiegszeit von 50 ns, d. h. es dauerte 50 ns, bis das Potential der einen oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 von 0 V auf +750 V angestiegen war. In ähnlicher Weise wurde der angewendete bzw. aufgebrachte Spannungspuls modelliert mit einer Abfallzeit von 50 ns, d. h. es dauerte 50 ns, bis das Potential der einen oder der mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 von +750 V auf 0 V abfiel oder reduziert wurde.
1B zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm, das die Zeitsteuerung eines Hochspannungspulses zeigt, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebracht wird. Der Hochspannungspuls wurde auf die eine oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 nach einer bestimmten Verzögerungszeit t_start nach der Formierung, Erzeugung oder Freigabe von Ionen von der Ionenquelle 1 oder einer Ionenerzeugungsregion, die anderweitig stromaufwärts des Massenfilters ausgebildet ist, aufgebracht. Für die bestimmte Simulation, die in 1A gezeigt ist, betrug die Verzögerungszeit t_start 2,5 μs. Die Anstiegszeit t_rise und die Abfallzeit t_fall betrugen 50 ns. Die Zeitdauer t_pulse des Spannungspulses mit relativ hoher Spannung bzw. des relativen Hochspannungspulses wird vorzugsweise als die Zeit (t_rise) genommen, die der Spannungspuls benötigt, um von Null auf einen Maximalwert anzusteigen, und dann auf diesem Maximalwert zu verbleiben, ohne die Amplitude zu reduzieren. In der bestimmten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C gezeigt ist, hat der Spannungspuls eine Dauer t_pulse von 8,374 μs.
Es wird verstanden werden, dass die Verzögerungszeit t_start, die Anstiegszeit t_rise, die Spannungspulsdauer t_pulse, die Abfallzeit t_fall und die Amplitude des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, von der Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C beschrieben wird, abweichen kann, dies in Abhängigkeit von dem Masse-Ladungs-Verhältnis der zu selektierenden Ionen und der allgemeinen Geometrie des Massenfilters. Es wird auch verstanden werden, dass der Spannungspuls eine negative Polarität aufweisen kann, und dass die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 auf einem Potential über oder unter 0 V gehalten werden können, wenn ein Spannungspuls nicht auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 angewendet wird. Ein Fachmann wird auch verstehen, dass die absoluten Spannungen, auf denen die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 gehalten werden, weniger wichtig sind als die Tatsache, dass es eine relative Änderung in dem Potential gibt, auf dem die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 bei der Verwendung gehalten werden.
Die Flugregion 3 gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist vorzugsweise nicht eine feldfreie Region, sondern umfasst, wie beispielsweise in 1C ersichtlich, vorzugsweise eine Region, in der Ionen, die orthogonal aus der ersten Beschleunigungsregion beschleunigt wurden, vorzugsweise weiter orthogonal beschleunigt werden aufgrund eines von Null verschiedenen Potentialgradienten, der über die Flugregion 3 aufrechterhalten wird während die Ionen durch die Flugregion 3 in Richtung des Ionenspiegels oder Refektrons 4 passieren. Die in 1A modellierten drei Ionen 6, 7, 8 werden daher vorzugsweise weiter orthogonal beschleunigt (d. h. in y-Richtung, wie in 1A gezeigt, beschleunigt), nachdem sie in die Flugregion 3 in Richtung des Eingangs des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 eintreten. Der Ionenspiegel oder das Reflektron 4 ist vorzugsweise benach bart zu der Flugregion 3 angeordnet bzw. ausgebildet, und empfängt vorzugsweise Ionen, die aus der Flugregion 3 austreten. Der Ionenspiegel oder das Reflektron 4 reflektiert vorzugsweise die Ionen 6, 7, 8 zurück in die Flugregion 3, und führt somit vorzugsweise die Ionen 6, 7, 8 zurück in die erste Beschleunigungsregion 2 und in die allgemeine Richtung des Ausgangs oder des Ausgangsbereiches des Massenfilters. Andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar bzw. angedacht, bei denen Ionen eingerichtet werden können, um aus dem Massenfilter in einer anderen Art wie der in 1A gezeigten auszutreten, beispielsweise durch weiteres Ablenken innerhalb des Massenfilters.
In der bevorzugten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C, wird die Eingangsregion des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 (oder die Elektroden, die die Eingangsregion oder einen Abschnitt des Ionenspiegels oder des Reflektrons 4 bilden) vorzugsweise auf einem Potential von –2.750 V gehalten. Die hinterste Region oder der hinterste Abschnitt des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 (oder die Elektroden des Ionenspiegels oder Reflektrons 4, die in der hintersten Region des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 angeordnet sind) wird vorzugsweise auf einem Potential von +4.000 V gehalten. Elektroden, die zwischen dem Ionenspiegel oder Reflektron 4 zwischen der Eingangsregion und der hintersten Region des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 vorgesehen sind, werden vorzugsweise gehalten oder aufrechterhalten auf Zwischenpotentialen zwischen –2.750 V und +4.000 V. Das Profil des innerhalb des Ionenspiegels oder Reflektrons aufrechterhaltenen Potentialgradienten ist zur Einfachheit der Darstellung in 1C als linear dargestellt. In der Praxis und/oder gemäß anderen Ausführungsformen kann der Potentialgradient innerhalb des Ionenspiegels oder des Reflektrons 4 ein gestuftes, gekrümmtes, exponential ausgebildetes oder anderweitig nicht lineares Potentialgradientenprofil aufweisen.
Sobald die Ionen 6, 7, 8 in den Ionenspiegel oder das Reflektron 4 eintreten, werden die Ionen 6, 7, 8 vorzugsweise einem Retardierungspotentialfeld innerhalb des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 ausgesetzt, so dass die Ionen 6, 7, 8 innerhalb des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 reflektiert werden. Die Ionen 6, 7, 8 werden dann vorzugsweise aus dem Ionenspiegel oder Reflektron 4 austreten, so dass sie dann wieder in die Flugregion 3 eintreten. Nach dem Wiedereintritt in die Flugregion 3 passieren die Ionen 6, 7, 8 dann vorzugsweise zurück durch die Flugregion 3 während sie sich auf die erste Beschleunigungsregion 2 und die allgemeine Richtung des Ausgangs des Massenfilters zubewegen. Da bzw. während die Ionen 6, 7, 8 sich durch die Flugregion 3 zurückbewegen bzw. zurückpassieren, nachdem sie durch den Ionenspiegel oder das Reflektron 4 reflektiert wurden, sind die Ionen 6, 7, 8 vorzugsweise teilweise orthogonal verzögert in der y-Richtung lediglich durch den retardierenden Potentialgradienten, der vorzugsweise über der Flugregion 3 aufrechterhalten wird. Der über der Flugregion aufrechterhaltene Potentialgradient, der anfänglich bzw. zunächst zum weiteren orthogonalen Beschleunigen der Ionen 6, 7, 8 diente, während diese von der ersten Beschleunigungsregion 2 in Richtung des Ionenspiegels oder Reflektrons 4 sich bewegten, dient nun vorzugsweise zur teilweisen orthogonalen Verzögerung der Ionen 6, 7, 8, während diese sich zurückbewegen in Richtung der ersten bzw. primären Beschleunigungsregion 2. Die axiale Geschwindigkeitskomponente der Ionen 6, 7, 8 bleibt vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb der gesamten ersten Beschleunigungsregion 2, der Flugregion 3 und dem Ionenspiegel 4 gleich. Die teilweise orthogonal verzögerten Ionen 6, 7, 8 treten dann vorzugsweise wieder in die erste Beschleunigungsregion 2 ein, wie deutlicher unter Bezugnahme auf 1A zu sehen ist.
Der Spannungspuls, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht wird, weist vorzugsweise eine Amplitude von +750 V und eine Dauer von 8,374 μs auf. Das Potential der einen oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 kehrt dann vorzugsweise am Ende der Spannungspulsdauer auf 0 V zurück (oder weniger vorzugsweise auf einen anderen unterschiedlichen Potentialwert oder eine andere Spannung).
Die Anwendung bzw. Applikation von Pulsen mit relativ hoher Spannung auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 beeinflusst vorzugsweise die Ionen 6, 7, 8 mit unterschiedlichen Masse-Ladungsverhältnisse auf unterschiedliche Weise. Die Ionen 6 mit dem kleinsten Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000 werden vorzugsweise weiter in die Eingangsregion des Massenfilters eingedrungen sein als die Ionen 7, 8 mit höheren bzw. größeren Masse-Ladungs-Verhältnissen von 1.500 und 2.000, wenn der Spannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht wird. Ionen 6 mit dem kleinsten Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000 werden auch die schnellste Flugzeit durch die Flugregion 3 haben, sobald sie orthogonal beschleunigt worden sind. Entsprechend werden die Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000 aus der Flugregion 3 austreten, nachdem sie an dem Ionenspiegel oder Reflektron 4 reflektiert wurden, und an der ersten Beschleunigungsregion 2 ankommen, bevor die anderen Ionen 7, 8, die vergleichsweise höhere Masse-Ladungs-Verhältnisse aufweisen, austreten.
Die Dauer des Hochspannungspulses, der auf die oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, ist vorzugsweise der Art, dass Ionen 6 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000 die Flugregion 3 vorzugsweise verlassen und an der ersten Beschleunigungsregion 2 zu einem Zeitpunkt ankommen, zu dem die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise noch durch den +750 V Spannungspuls versorgt bzw. beaufschlagt werden. Entsprechend werden Ionen 6 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000, die sich der ersten bzw. primären Beschleunigungsregion 2 nähern, nachdem sie von dem Ionenspiegel oder Reflektron 4 reflektiert worden sind, vorzugsweise orthogonal verzögert oder retardiert, werden dann jedoch auch zurück in die Flugregion 3 reflektiert durch das elektrische Feld, das über der ersten Beschleunigungsregion 2 aufrechterhalten wird. Nach dem Wiedereintritt in die Flugregion 3 werden die Ionen 6 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.000 vorzugsweise in die Lage versetzt bzw. eingerichtet, um dem System verloren zu gehen, vorzugsweise durch Kollision mit einem Teil des Massenfilters.
Ionen 8 mit dem höchsten Masse-Ladungs-Verhältnis von 2.000 werden die langsamste Flugzeit durch die Flugregion 3 haben. Die Dauer des Hochspannungspulses, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, ist vorzugsweise derart, dass Ionen 8 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2.000 vorzugsweise aus der Flugregion 3 austreten und zu einem Zeitpunkt an der ersten Beschleunigungsregion 2 ankommen, zu der die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise nicht mehr durch den Hochspannungspuls mit Energie beaufschlagt sind, d. h. wenn die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise auf 0 V (oder irgendeinem anderen Potential oder irgendeiner anderen Spannung) gehalten werden. Entsprechend werden, obwohl Ionen 8 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2.000 partiell bzw. orthogonal verzögert oder retardiert worden sind während sie durch den Ionenspiegel oder das Reflektron 4 zurück durch die Flugregion 3 passieren, diese Ionen 8 keine weitere orthogonale Verzögerung oder orthogonale Retardierung in der orthogonalen oder y-Richtung in der ersten Beschleunigungsregion 2 erfahren. Dies liegt darin begründet, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ionen 8 an der ersten Beschleunigungsregion 2 ankommen, der Potentialgradient über die erste Beschleunigungsregion 2 vorzugsweise im Wesentlichen Null beträgt. Entsprechend werden die Ionen 8 daher eine von Null verschiedene Geschwindigkeitskomponente in der orthogonalen oder y-Richtung besitzen, wenn sie in die erste Beschleunigungsregion 2 eintreten und durch diese passieren. Diese Ionen 8 werden vorzugsweise durch die erste Beschleunigungsregion 2 sich fortbewegen, bevor sie vorzugsweise mit entweder einer der orthogonalen Beschleunigungselektroden 9 oder mit einem anderen Teil des Massenfilters kollidieren. Die Ionen 8 werden daher bevorzugt ausgebildet bzw. es wird ihnen ermöglicht, dem System verloren zu gehen.
Die Dauer der Pulse mit relativ hoher Spannung, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, ist vorzugsweise derart, dass Ionen 7 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 ausgebildet bzw. angeordnet sind, um eine Flugzeit durch die Flugregion 3 aufzuweisen, so dass wenn die Ionen 7 aus der Flugregion 3 austreten, nachdem sie durch den Ionenspiegel 4 reflektiert worden sind, und sich der ersten Beschleunigungsregion 2 nähern, der über der Beschleunigungsregion 2 aufrechterhaltene Potentialgradient vorzugsweise mit der Zeit sich zu ändern bzw. variieren beginnt (d. h. abzunehmen) wenn die Ionen 7 sich weiter der ersten Beschleunigungsregion 2 nähern. Da der Spannungspuls, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, vorzugsweise eine endliche bzw. finite Abfallzeit aufweist (beispielsweise 50 ns gemäß der bevorzugten Ausführungsform), wird ein retardierender Potentialgradient vorzugsweise über der ersten Beschleunigungsregion 2 aufrechterhalten, der in seiner Intensität oder Amplitude auf vorzugsweise Null (oder weniger vorzugsweise auf einen niedrigen Wert) abnehmen wird über die finite Abfallzeit des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird. Entsprechend werden Ionen 7 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 vorzugsweise eingerichtet, um einen retardierenden Puls bzw. Impuls oder eine orthogonale Verzögerung in der orthogonalen oder y-Richtung nur in der ersten Beschleunigungsregion 2 zu erfahren, was genau den gegenteiligen Effekt zu dem Beschleunigungspuls oder der orthogonalen Beschleunigung hat, der bzw. die Ionen 6, 7, 8 in der Flugregion 3 ursprünglich orthogonal beschleunigt hatte. Als Ergebnis des Empfangs eines gleichen und entgegengesetzten Pulses bezüglich des Impulses, der ursprünglich die Ionen 6, 7, 8 in die Flugregion 3 orthogonal beschleunigte, werden die Ionen 7 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 vorzugsweise ihre Geschwindigkeitskomponente in einer orthogonalen oder y-Richtung vorzugsweise auf Null reduziert (und weniger vorzugsweise auf einen Wert in der Nähe von Null) erfahren, und werden somit auf ihrem ursprünglichen, vorzugsweise axialen, Weg oder Richtung 10 durch den Massenfilter zurückgebracht, so wie durch die x-Richtung in 1A angedeutet bzw. gezeigt. Das Ergebnis des Verzögerungspulses ist daher vorzugsweise, dass die orthogonale Geschwindigkeitskomponente der gewünschten Ionen 7 mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 auf Null (oder weniger vorzugsweise auf einen Wert nahe Null) reduziert wird, während die Geschwindigkeitskomponente der gewünschten Ionen 7 in einer axialen oder x-Richtung vorzugsweise unbeeinflusst ist. Die gewünschten Ionen 7 kehren daher vor zugsweise in einen Zustand zurück, in dem sie eine rein axiale Geschwindigkeitskomponente aufweisen. Die Ionen 7 mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis werden dann vorzugsweise aus dem Massenfilter austreten, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise in einer axialen oder x-Richtung, dies über eine Ausgangsöffnung 5b, die vorzugsweise einen Teil des stromabwärtigen Bereiches des Massenfilters bildet. Ein Ionenstrahl 7, der den Ionen 7 entspricht, ist in 1A dargestellt, wie er den Massenfilter verlässt.
1C zeigt den Potentialgradienten, der über der primären bzw. ersten Beschleunigungsregion 2, der Flugregion 3 und dem Ionenspiegel 4 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die erste Beschleunigungsregion 2 vorzugsweise zunächst auf 0 V gehalten. Die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 werden dann vorzugsweise von V auf +750 V gepulst, so dass ein 750 V Potentialgradient vorzugsweise über der ersten Beschleunigungsregion 2 aufrechterhalten wird. Dieser Potentialgradient bewirkt vorzugsweise, dass die Ionen 6, 7, 8 im Wesentlichen orthogonal in der orthogonalen oder y-Richtung aus der ersten Beschleunigungsregion 2 und in die Flugregion 3 beschleunigt werden. Die Ionen 6, 7, 8, die durch die Flugregion 3 hindurchgegangen bzw. passiert sind, werden dann vorzugsweise weiter orthogonal beschleunigt in der orthogonalen oder y-Richtung, wenn sie durch die Flugregion 3 passieren, dies aufgrund eines Beschleunigungspotentialgradienten, der vorzugsweise über der Flugregion 3 aufrechterhalten wird.
Die Ionen 6, 7, 8 erreichen dann vorzugsweise den Innenspiegel 4, woraufhin die Ionen 6, 7, 8 dann vorzugsweise innerhalb des Ionenspiegels 4 verzögert werden. Die Ionen 6, 7, 8 werden dann vorzugsweise reflektiert und aus dem Ionenspiegel 4 herausreflektiert, so dass die Ionen 6, 7, 8 vorzugsweise in die Flugregion 3 wieder eintreten. Bei dem Wiedereintritt in die Flugregion 3 erfahren die Ionen 6, 7, 8 vorzugsweise den gleichen Potentialgradienten, der sie vorher orthogonal in Richtung des Ionenspiegels 4 beschleunigt hatte. Der Potentialgradient, der über der Flugregion 3 aufrechterhalten wird, wirkt jedoch nun zum teilweisen Retardieren oder teilweisen orthogonalen Verzögern der Ionen 6, 7, 8 in der orthogonalen oder y-Richtung. Die Ionen 6, 7, 8, nachdem sie in der orthogonalen oder y-Richtung teilweise orthogonal verzögert worden sind treten dann vorzugsweise aus der Flugregion 3 aus und treten wieder in die erste Beschleunigungsregion 2 ein. Die Dauer des Hochspannungspulses, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, ist vorzugsweise derart, dass Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis in der ersten Beschleunigungsregion 2 einen retardierenden Potentialgradienten erfahren, der mit der Zeit schnell abfällt, oder einen Puls, so dass die Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis weiter orthogonal verzögert werden, oder derart, dass ihre Geschwindigkeitskomponente in der orthogonalen oder y-Richtung vorzugsweise auf Null reduziert wird bzw. ist. Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis werden daher vorzugsweise eingerichtet oder vorgesehen werden, um schließlich eine von Null verschiedene axiale (oder in x-Richtung gerichtete) Geschwindigkeitskomponente und vorzugsweise eine im Wesentlichen Null betragende orthogonale Geschwindigkeitskomponente (oder in y-Richtung gerichtete) in der ersten Beschleunigungsregion 2 aufzuweisen. Weniger bevorzugte Ausführungsformen werden angedacht, bei denen die gewünschten Ionen, die aus dem Massenfilter emittiert werden bzw. aus diesem austreten, eine von Null verschiedene Geschwindigkeitskomponente in der orthogonalen Richtung aufweisen, wenn beispielsweise die gewünschten Ionen dann weiter abgelenkt und/oder beschleunigt und/oder verzögert werden innerhalb des Massenfilters.
Gemäß der bestimmten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C beschrieben ist, werden Ionen unabhängig von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise orthogonal in die Flugregion 3 beschleunigt, aber nur Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis werden vorzugsweise ihre orthogonale Geschwindigkeitskomponente auf Null reduziert bekommen, und werden daher vorzugsweise aus dem Massenfilter austreten und von diesem weiter transmittiert bzw. übertragen werden.
Eine Variation der unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C dargestellten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben. Gemäß dieser zweiten Ausführungsform ist die Ionenquelle 1 vorzugsweise weiter weg von dem Massenfilter als in der ersten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C beschrieben wurde, angeordnet. Die vergrößerte bzw. erweiterte Region zwischen der Ionenquelle 1 und dem Massenfilter wirkt vorzugsweise als eine zusätzliche Flugregion, so dass von der Ionenquelle 1 emittierte Ionen vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeiten an den Eingang des Massenfilters ankommen, dies in Abhängigkeit von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis, d. h. Ionen werden vorzugsweise zeitlich separiert oder dispergiert gemäß ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis, während sie sich von der Ionenquelle 1 zu dem Eingang des Massenfilters bewegen.
Die in Bezug auf die 2A und 2B beschriebene bestimmte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C beschrieben wurde, darin, dass Ionen mit einem rela tiv kleinen Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise gerade bzw. unmittelbar durch den Massenfilter transmittiert werden, ohne jemals orthogonal in die Flugregion 3 beschleunigt zu werden. Dies wird erreicht durch Vorsehen, dass Ionen mit einem relativ kleinen Masse-Ladungs-Verhältnis durch den Massenfilter passieren und aus diesem austreten, bevor ein Hochspannungspuls vorzugsweise auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird.
In einer ähnlichen Weise werden Ionen mit relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnissen auch vorzugsweise unmittelbar bzw. gerade durch den Massenfilter transmittiert, ohne jemals orthogonal in die Flugregion 3 beschleunigt zu werden. Dies wird erreicht durch vorzugsweises Vorsehen, dass Ionen mit einem relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnis an dem Massenfilter nur ankommen, nachdem ein Hochspannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wurde, und die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 nicht länger mit Energie beaufschlagt sind.
Es wird daher deutlich werden, dass gemäß der zweiten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die 2A und 2B offenbart und beschrieben ist, Ionen mit relativ kleinen Masse-Ladungs-Verhältnissen und Ionen mit relativ großen Masse-Ladungs-Verhältnissen vorzugsweise gerade bzw. unmittelbar durch den Massenfilter transmittiert werden, ohne jemals orthogonal in die Flugregion 3 beschleunigt zu werden. Ionen mit zwischenliegenden Masse-Ladungs-Verhältnissen werden jedoch vorzugsweise orthogonal beschleunigt innerhalb des Massenfilters, und werden daher dem bevorzugten Verfahren zur Massenfilterung unterzogen.
In der bestimmten, in 2A gezeigten Ausführungsform, wurde die Ionenquelle 1 90 mm weiter entfernt von dem Eingang 5a des Massenfilters als in der ersten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 1A gezeigt und beschrieben wurde, angeordnet modelliert. In der bestimmten Simulation, die unter Bezugnahme auf die 2A und 2B gezeigt und beschrieben ist, wurden drei Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen von 400, 1.500 und 7.000 derart modelliert, dass sie auf eine Energie von 500 eV durch oder innerhalb der Ionenquelle 1 beschleunigt werden. Der Massenfilter wurde dann in einem ähnlichen Betriebsmodus wie der Betriebsmodus, der oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 1A bis 1C beschrieben wurde, betrieben, bis auf die Tatsache, dass die Start- oder Verzögerungszeit t_start erhöht bzw. verlängert wurde. Insbesondere bezieht sich die Start- oder Verzögerungszeit t_start auf die Zeit, in der die Ionen in der Ionenquelle 1 erzeugt werden, bis zu der Zeit, zu der ein Hochspannungspuls erstmals auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird. In der zweiten, unter Bezugnahme auf 2B gezeigten und beschriebenen Ausführungsform wurde die Start- oder Verzögerungszeit t_start vorzugsweise von 2,5 μs auf 14,5 μs erhöht. Die Zunahme in der Start- oder Verzögerungszeit t_start ermöglichte es den Ionen mit einem relativ niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis von 400 gerade bzw. unmittelbar durch den Massenfilter zu passieren und den Ausgang des Massenfilters zu erreichen, bevor ein Spannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wurde. Die Start- oder Verzögerungszeit t_start wurde auch eingestellt, so dass Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 eingerichtet bzw. ausgebildet waren, um in den Massenfilter einzutreten und orthogonal in die Flugregion 2 beschleunigt zu werden aufgrund der Anwesenheit eines elektrischen Feldes, das aus der Anwendung eines Hochspannungspulses auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 resultierte. Die Start- oder Verzögerungszeit t_start und die Länge oder Zeitdauer des Spannungspulses t_pulse wurden vorzugsweise so eingerichtet bzw. ausgebildet, dass Ionen mit einem relativ großen bzw. hohen Masse-Ladungs-Verhältnis von 7.000 den Eingang des Massenfilters nur erreichen, nachdem der Hochspannungspuls nicht mehr auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird. Entsprechend werden Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 7.000 gerade bzw. unmittelbar durch den Massenfilter transmittiert, ohne jemals in die Flugregion 3 orthogonal beschleunigt zu werden. Die Simulation zeigt, dass alle drei Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen von 400, 1.500 und 7.000 durch den Massenfilter weiter transmittiert wurden.
Ein Spannungs-Zeit-Diagramm, das die Zeitsteuerung der Hochspannungspulse zeigt, die auf die eine oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 in der zweiten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 2A beschrieben wurde, aufgebracht werden, ist in 2B dargestellt. Zur Verdeutlichung der Darstellung ist die finite Anstiegszeit und Abfallzeit des Hochspannungspulses jedoch nicht dargestellt. Jedoch betragen die Anstiegszeit und die Abfallzeit beide vorzugsweise 50 ns.
Eine Variation der unter Bezugnahme auf die 2A und 2B dargestellte zweite Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme die 3A und 3B beschrieben. Gemäß dieser dritten Ausführungsform werden die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise zunächst auf einer Spannung von +750 V (im Gegensatz zu 0 V) gehalten. Die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 bleiben vorzugsweise auf diesem relativ hohen Potential über eine bestimmte Zeitdauer t(1)_ON, die vor zugsweise 11,5 μs beträgt. Als Ergebnis werden Ionen, die an dem Eingang des Massenfilters ankommen während der Hochspannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden während der Zeitdauer t(1)_ON aufgebracht wird, vorzugsweise abgelenkt oder anderweitig orthogonal beschleunigt, unmittelbar nachdem sie in den Massenfilter eintreten. Die Eingangsöffnung bzw. Eingangsapertur 5a des Massenfilters ist vorzugsweise eingerichtet, so dass Ionen, die sofort abgelenkt oder anderweitig orthogonal beschleunigt wird, wenn bzw. nachdem sie in den Massenfilter eintreten, vorzugsweise daran gehindert werden, in die Flugregion 3 einzudringen bzw. in diese zu passieren, sondern dass diese vorzugsweise eingerichtet werden, um mit einem Abschnitt der Eingangsapertur 5a des Massenfilters zu kollidieren, um somit dem System verloren zu gehen. Andere weniger bevorzugte Ausführungsformen werden jedoch angedacht, bei denen die Ionen zunächst in die Flugregion 3 eintreten können, wobei jedoch die Ionen so ausgebildet sind, dass sie mit einer Platte oder Elektrode kollidieren, die in der Flugregion 3 (oder einer anderen Region des Massenfilters) angeordnet ist, und somit dem System verloren gehen.
Nach der anfänglichen Zeitdauer t(1)_ON, während der ein Hochspannungspuls vorzugsweise auf die eine oder die mehreren Orthogonal-Beschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, wird die Spannung, die auf die eine oder die mehreren Orthogonal-Beschleunigungselektroden aufgebracht wird dann vorzugsweise auf 0 Volt (oder ein relativ niedriges Potential) für eine Zeitdauer t(1)_OFF, die vorzugsweise 3 μs beträgt, reduziert. Das Potential der einen oder der mehreren Orthogonal-Beschleunigungselektroden 9 wird daher vorzugsweise auf Null (oder ein relativ niedriges Potential) reduziert unmittelbar vor der Ankunft von Ionen mittleren bzw. zwischenliegenden Masse-Ladungs-Verhältnissen (die vorzugs weise Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen von Interesse umfassen) an der Eingangsapertur 5a des Massenfilters.
Durch geeignete Einstellung der Zeitdauern t(1)_ON und t(1)_OFF werden Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen kleiner als einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise sofort bei der Eingangsapertur 5a des Massenfilters abgelenkt, und gehen somit dem System verloren, wohingegen Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen innerhalb des mittleren bzw. zwischenliegenden Bereiches vorzugsweise weiter in den Massenfilter eindringen können, so dass sie dann vorzugsweise orthogonal beschleunigt werden und einer bevorzugten Methode bzw. einem bevorzugten Verfahren der Massenfilterung unterzogen werden. Nach der Zeitdauer t(1)_OFF werden die einen oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise nacheinander gepulst oder auf einem relativ hohem Potential gehalten in einer ähnlichen Weise wie in der ersten oder der zweiten Ausführungsform, die oben unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C und 2A bis 2B beschrieben wurden. Die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 werden daher vorzugsweise auf einer relativ hohen Spannung von bspw. 750 V über eine Zeitdauer t_pulse gehalten, welche vorzugsweise 8,374 μs beträgt. Entsprechend werden Ionen mit Masse-Ladungs-Verhältnissen innerhalb eines mittleren Bereiches bevorzugte orthogonal beschleunigt in der orthogonalen oder y-Richtung in die Flugregion 3, mit dem Ergebnis, dass bestimmte gewünschte Ionen durch das bevorzugte Massenfilterungsverfahren des orthogonalen Beschleunigens und dann des vollständigen orthogonalen Verzögerns der gewünschten Ionen ausgewählt werden. Die gewünschten Ionen werden daher vorzugsweise aus dem Ausgang des Massenfilters austreten, während Ionen mit anderen Masse-Ladungs-Verhältnissen vorzugsweise so eingerichtet werden, dass sie dem System verloren gehen. Nachdem Ionen mit gewünschten Masse-Ladungs- Verhältnissen vorzugsweise in die axiale oder x-Richtung zurückgebracht worden sind, wird dann die Spannung, die auf die einen oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, vorzugsweise auf 0 V (oder einem relativ niedrigen Potential oder einer relativ niedrigen Spannung) für eine Zeitdauer t(2)_OFF gehalten, welche vorzugsweise 3 μs beträgt, um den gewünschten Ionen zu ermöglichen, den Massenfilter zu verlassen. Nach der Zeitdauer t(2)_OFF wird dann das Potential der einen oder der die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise auf eine relativ hohe Spannung von bspw. +750° noch einmal erhöht. Die relativ hohe Spannung, die auf die eine oder mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, bleibt dann vorzugsweise für eine weitere Zeitdauer t(2)_ON, welche bspw. 10 μs oder länger betragen kann, eingeschaltet bzw. ON. Das Ergebnis der Wiederaufbringung bzw. Wiederanwendung einer Hochspannung auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden ist, dass Ionen mit relativ hohen Masse-Ladungs-Verhältnissen, welche sich gerade dem Eingang des Massenfilters nähern oder an diesem ankommen (nachdem sie etwa 26 μs vorher erzeugt worden sind) vorzugsweise abgelenkt oder orthogonal beschleunigt werden, unmittelbar nachdem sie in den Eingang 5 des Massenfilters eintreten. Gemäß der dritten Ausführungsform werden daher Ionen mit relativ niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnissen sowie auch Ionen mit relativ hohen Masse-Ladungs-Verhältnissen vorzugsweise eingerichtet bzw. ausgebildet, so dass sie nicht in die Flugregion 3 passieren, sondern vielmehr vorzugsweise derart eingerichtet, dass sie mit einem Abschnitt der Eingangsöffnung 5a des Massenfilters oder einem anderen Teil des Massenfilters kollidieren, und somit dem System verloren gehen. Andere weniger bevorzugten Ausführungsformen werden angedacht, bei denen Ionen mit sehr niedrigen und/oder sehr hohen Masse-Ladungs-Verhältnissen in die Flugregion 3 eintreten können, dann jedoch mit einer Platte oder einer Elektrode, die in der Flugregion 2 oder in einer anderen Region des Massenfilters positioniert ist, kollidieren. Ausführungsformen werden auch angedacht, bei denen Ionen mit sehr niedrigen und/oder sehr hohen Masse-Ladungs-Verhältnissen in einen anderen Abschnitt bzw. eine andere Region des Massenfilters abgelenkt werden.
3B zeigt ein Zeitdiagramm bzw. Zeitsteuerungsdiagramm für die Spannungen, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 für die dritte Ausführungsform, die oben unter Bezugnahme auf 3A modelliert und beschrieben wurde, angewendet werden. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung sind die finiten Anstiegszeiten und Abfallzeiten der Hochspannungspulse nicht dargestellt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spannungspulse jedoch Anstiegszeiten und/oder Abfallzeiten von 50 ns auf.
Es ist aus 3B ersichtlich, dass die Spannung, die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wird, zunächst EIN bzw. ON oder hoch für eine Zeitdauer t(1)_ON von 11,5 μs verbleibt. Die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebrachte Spannung wird dann vorzugsweise AUS bzw. OFF geschaltet oder verbleibt niedrig über eine Verzögerungszeitdauer t(1)_OFF von vorzugsweise 3 μs. Die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 werden dann vorzugsweise für eine Zeitdauer t_pulse von 8,374 μs mit Energie beaufschlagt in einer ähnlichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform, die oben unter Bezugnahme auf 2B beschrieben wurde. Die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebrachte Spannung wird dann vorzugsweise OFF geschaltet oder verbleibt auf einem niedrigen Pegel für eine weitere Verzöge rungszeitdauer t(2)_OFF, die vorzugsweise 3 μs beträgt. Die auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebrachte Spannung wird dann vorzugsweise ON bzw. EIN geschaltet oder verbleibt auf einem hohen Pegel für eine weitere Zeitdauer t(2)_ON, die vorzugsweise wenigstens 10 μs beträgt.
Die Breite der zwei kurzen Verzögerungszeitdauern t(1)_OFF und t(2)_OFF, wenn das Potential der einen oder der mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 vorzugsweise Null beträgt (oder anderweitig relativ niedrig ist) bestimmt vorzugsweise in wirksamer Weise ein Zeitfenster, während dessen Ionen in den Massenfilter eintreten können oder diesen verlassen können. Obwohl 3B zeigt, dass die Amplitude des auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebrachten Spannungspulses vorzugsweise die gleiche bzw. gleich ist während der Zeitperioden t(1)_ON, t_pulse und t(2)_ON, kann gemäß anderen Ausführungsformen die Amplitude des Spannungspulses variieren oder sich unterscheiden, so dass die Amplituden während der Zeitdauer t(1)_ON und/oder während der Zeitdauer t_pulse und/oder während der Zeitdauer t(2)_ON alle unterschiedlich sind. In ähnlicher Weise wird verstanden werden, dass die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 auf anderen Potentialen als 750 V und 0 V gehalten werden können während der Zeitdauern t(1)_ON, t(1)_OFF, t_pulse, t(2)_OFF und t(2)_ON.
Bekannte Flugzeit-Massenfilter und bekannte Massenfilter, die ein Ionengatter beinhalten bzw. umfassen, leiden an dem Problem, dass ihre Gesamtauflösung reduziert ist aufgrund der Tatsache, dass die Ionen eine anfängliche finite Verteilung von axialen Energien oder Geschwindigkeiten aufweisen. Ein wichtiger Vorteil eines Massenfilters gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist, dass der bevorzugte Massenfilter relativ wenn nicht gar vollständig immun ist be züglich jeglicher Effekte aufgrund von Ionen mit einer anfänglichen Verteilung von axialen Geschwindigkeiten. 4 zeigt eine SIMION(RTM)-Simulation der Trajektorien von zehn Ionen mit dem gleichen Masse-Ladungs-Verhältnis, jedoch mit einem relativ großen Bereich an anfänglichen axialen Geschwindigkeiten. Die Ionen wurden in der orthogonalen oder y-Richtung innerhalb des Massenfilters gemäß der bevorzugten Ausführungsform orthogonal beschleunigt. In dem in 4 dargestellten Beispiel wiesen die zehn Ionen eine Verteilung der axialen Energien von 0 eV bis 45 eV auf. Die zehn Ionen wurden dann orthogonal durch einen Spannungspuls, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht wurde, orthogonal beschleunigt. Eine derart große Verteilung der axialen Innenenergien ist wesentlich größer als man in der Praxis vorfinden würde, die Ergebnisse, die in 4 gezeigt sind, dienen jedoch zur Verdeutlichung, dass der Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform nichtsdestotrotz in der Lage ist, in wirksamer Weise Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis zu selektieren, selbst wenn die zu selektierenden Ionen einen großen Bereich von anfänglichen axialen Energien oder Geschwindigkeiten aufweisen. Wie aus 4 ersichtlich, wurden, trotz der Tatsache, dass die Ionen einen weiten Bereich an axialen Energien aufweisen, sämtliche Ionen orthogonal beschleunigt und dann anschließend orthogonal verzögert, so dass sie auf ihren ursprünglichen (axialen) Weg zurückkehrten und anschließend aus dem Massenfilter austraten. Die Simulation von Ionen mit dem gleichen Masse-Ladungs-Verhältnis und der gleichen axialen Energie, jedoch unterschiedlichen Erzeugungszeiten, führte zu ähnlichen Resultaten.
5 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Leistungsfähigkeit eines Massenfilters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wenn die durch den Massenfilter gefilterten Ionen eine anfängliche Verteilung von Energien und Positionen derart aufwiesen, wie sie experimentell angetroffen werden könnte. Eine Gesamtzahl von 540 Ionen, die alle ein Masse-Ladungs-Verhältnis von 1.500 aufwiesen, jedoch alle unterschiedliche anfängliche Energien und Positionen aufwiesen, wurde simuliert. Die simulierten Ionen wurden in sechs unterschiedlichen Gruppen von Ionen angeordnet, wobei jede Gruppe 90 Ionen umfasste. Die sechs Gruppen von Ionen stellen zwei unterschiedliche Ausgangsenergien und drei unterschiedliche Ausgangspositionen dar. Die anfänglichen Ausgangsbedingungen für die unterschiedlichen Gruppen von Ionen sind in 6A zusammengefasst, d. h. die Ionen hatten entweder anfängliche relative Positionen von –0,1 mm, 0 mm oder +0,1 mm, und besaßen entweder anfängliche kinetische Energien von 0,2 eV oder 0,5 eV. Sämtliche 90 Ionen innerhalb einer Gruppe wurden mit einer anfänglichen Verteilung modelliert, so dass sie in etwa eine cos²θ-Verteilung von anfänglichen Ionentrajektorien aufwiesen. Die anfänglichen Ionentrajektorien wurden um die Normale bezüglich der Ionenquelle 1 orientiert. Eine derartige Verteilung von anfänglichen Ionentrajektorien ist in 6B dargestellt. Aus 5 wird deutlich, dass sämtliche der 540 Ionen weiter transmittiert wurden durch die Ausgangsöffnung 5b des Massenfilters.
Für die bestimmten Bedingungen, die gemäß 5 modelliert wurden, wird die Größe des virtuellen Objektes, von dem die Ionen zu stammen scheinen, nachdem sie den Massenfilter verlassen, erhöht. Durch Zurückverfolgung der abschließenden Trajektorien der Ionen wurde die Größe des virtuellen Objektes auf etwa 1,3 mm für die bestimmten simulierten Bedingungen bestimmt. Dies stellt etwa eine sechsfache Zunahme in der Größe des Objektes vor der Massenselektion dar, und führt dazu, dass die Helligkeit des Ionenstrahles reduziert wird.
Die Helligkeit eines Ionenstrahles ist definiert als die Stromdichte pro Raumwinkeleinheit in der axialen Richtung. Als Ergebnis ist die Helligkeit umgekehrt proportional zum Produkt der Querschnittsfläche des Strahls und dem Quadrat der Strahldivergenz. Entsprechend führt eine Zunahme in der Breite des Ionenstrahls zu einer Abnahme seiner Helligkeit.
7 zeigt eine Darstellung der Winkeldivergenz sämtlicher 540 Ionen in der oben unter Bezugnahme auf die 5 und die 6A bis 6B beschriebenen Simulation. Die Winkeldivergenz der Ionen ist gezeigt sowohl vor der Massenfilterung durch den bevorzugten Massenfilter, als auch nach der Massenfilterung durch den bevorzugten Massenfilter. Vor der Massenselektion wiesen die Ionen eine Verteilung der Winkeldivergenzen auf, die in etwa von einem Bereich von +1,7° bis –1,7° für Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,5 eV reichte, und eine Verteilung der Winkeldivergenzen, die von etwa +1,1° bis –1,1° reichte, für Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,2 eV.
Nach der Massenselektion ist ersichtlich, dass die Winkeldivergenz des Ionenstrahles nun signifikant reduziert ist. Die Winkeldivergenz reicht nun von +1,1 bis –1,0 für Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,5 eV und von +1,1 bis –0,1 für Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,2 eV. Entsprechend hat der Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform die Wirkung der Reduzierung der Winkeldivergenz von Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,5 eV um 38%, und der Reduzierung der Winkeldivergenz von Ionen mit einer kinetischen Energie von 0,2 eV um 45%.
Für Ionen, die aus einer Punktionenquelle 1 erzeugt sind, wie sie in der in 5 dargestellten Simulation gezeigt ist, ist es möglich, eine optimale Fokussierung und Redu zierung der Winkeldivergenz der Ionen um einen Faktor x2 oder mehr zu erreichen. Für Ionen, die an verschiedenen Raumpositionen erzeugt werden, sind weitere Ausführungsformen angedacht, bei denen ein dynamischer Spannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht werden kann, um die Gesamtfokussierung der Ionen zu verbessern. Beispielsweise kann eine lineare Rampe, eine sinusförmige oder eine expotentielle Spannungswellenform auf das Gleichspannungsniveau einer Rechteckwelle oder eines anderen Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden aufgebracht wird, überlagert werden.
Ein zusätzlicher Vorteil des bevorzugten Massenfilters ist daher, dass der Massenfilter verwendet werden kann zur Selektierung von Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis aus einem Ionenstrahl, während gleichzeitig die Winkeldivergenz (und daher die Geschwindigkeitsverteilung) der selektierten Ionen reduziert wird. Dies ermöglicht den Effekt der Reduzierung der Umkehrzeit bzw. Turn-Around-Zeit, wenn die Ionen dann anschließend auf einen Orthongonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator zur Massenanalyse gegeben bzw. übertragen werden. Als Ergebnis kann der bevorzugte Massenfilter zu einer signifikanten Verbesserung in der Massenauflösung eines Flugzeit-Massenanalysators führen, wenn ein derartiger Massenanalysator zusammen mit einem Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.
Es werden Ausführungsformen angedacht, bei denen ein Hochspannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 als Folge von zwei oder mehr kurzen Pulsen anstelle eines einziges langen Pulses aufgebracht werden kann.
Weitere Ausführungsformen werden angedacht, bei denen anstelle der Verwendung eines einzigen Spannungspulses, der zur orthogonalen Beschleunigung oder orthogonalen Verzögerung von Ionen eingeschaltet bzw. ON bleibt, zwei voneinander getrennte Spannungspulse verwendet werden können, einer der niedrig beginnt und zur Beschleunigung der Ionen hoch pulst, und einer, der hoch beginnt und zur Verzögerung der Ionen niedrig pulst.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Beschleunigungsregion 2 in zwei oder mehr Regionen aufgespalten werden, um die Kapazität der Elektroden zu reduzieren.
In einer Ausführungsform kann ein relativ kurzer Spannungspuls auf die eine oder die mehreren Orthogonalbeschleunigungselektroden 9 aufgebracht werden, um die Ionen anfänglich bzw. am Anfang zu beschleunigen und ihnen alle ein konstantes Moment bzw. einen konstanten Impuls zu geben. Ein relativ langer Spannungspuls kann dann zur orthogonalen Verzögerung der Ionen verwendet werden, sobald diese in die erste bzw. primäre Beschleunigungsregion 2 zurückkehren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Ionen zunächst beschleunigt werden unter Verwendung eines relativ langen Spannungspulses, dann jedoch orthogonal verzögert werden unter Verwendung eines relativ kurzen Spannungspulses, der erst dann beginnt, wenn im Wesentlichen alle der gewünschten Ionen mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis wieder in die erste Beschleunigungsregion 2 eingetreten sind.
Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform können eine oder mehrere Gitterelektroden in der Flugregion 3 vorgesehen sein, so dass die Ionen durch eine feldfreie Region sich bewegen bevor und/oder nachdem sie den Ionenspiegel oder das Reflektron 4 erreichen.
Gemäß einer weiteren weniger bevorzugten Ausführungsform können die Ionen, anstelle einer Reflektierung der Ionen, alternativ in einer zweiten Beschleunigungsregion verzögert werden, die in y-Richtung versetzt ist, was zu einem Versatz bzw. einem Offset zwischen dem gefilterten und dem ungefilterten Strahl führen würde.
Ausführungsformen werden auch angedacht, bei denen ein Massenfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit einer weiteren Vorrichtung wie etwa einer Ionenfalle gekoppelt werden kann. Der Massenfilter kann primär zur Reduzierung der Divergenz eines Ionenstrahles verwendet werden, und der Massenfilter kann sogar in einem Nicht-Massenfilterungsbetriebsmodus betrieben werden, bei dem die Vorrichtung nur als Ionenführung wirkt, und im Wesentlichen sämtliche Ionen transmittiert, die an dem Eingang des Massenfilters empfangen werden.

Claims

Massenspektrometer mit einem Massenfilter und einem Massenanalysator, der stromabwärts des Massenfilters angeordnet ist, wobei der Massenfilter aufweist: – eine Eingangsöffnung (5a) zum Empfangen von Ionen (6, 7, 8) in axialer Richtung, – eine Beschleunigungsregion (2) mit wenigstens einer Elektrode (9) zum Beschleunigen wenigstens einiger der empfangenen Ionen (6, 7, 8) orthogonal zu der axialen Richtung; – wenigstens einen Ionenspiegel (4) zum Reflektieren wenigstens einiger der Ionen (6, 7, 8), die orthogonal beschleunigt wurden, zurück zu der Beschleunigungsregion (2), und so, dass sich die Ionen (6, 7, 8) im Allgemeinen in Richtung einer Ausgangsregion des Massenfilters bewegen; ein oder mehrere elektrische Felder, durch die erste Ionen (7) mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis oder Masse-Ladungs-Verhältnissen innerhalb eines ersten Bereiches orthogonal verzögert werden, wenn sie sich der Ausgangsregion des Massenfilters nähern; Abstrakt- und wobei der Massenanalysator so angeordnet ist, dass er die ersten Ionen von der Ausgangsregion empfängt und ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem Axialbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator; einem Quadrupol-Massenanalysator; einem Penning-Massenanalysator; einem Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator (”FTICR”); einer 2D- oder linearen Quadrupol-Ionenfalle; einer Paul- oder 3D-Quadrupol-Ionenfalle; und einem Magnetsektor-Massenanalysator.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem der Massenfilter eine oder mehrere Flugregionen (3) aufweist, die zwischen der einen oder den mehreren Elektroden (9) und dem einen oder den mehreren Ionenspiegeln (4) angeordnet ist bzw. sind.
Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der eine oder die mehrere Ionenspiegel (4) einen oder mehrere Reflektron-Bauteile oder Reflektrons aufweisen.
Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer stromaufwärts des Massenfilters angeordneten Ionenquelle (1).
Massenspektrometer nach Anspruch 4, bei dem die Ionenquelle (1) ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: (i) Elektrospray-Ionenquelle (”ESI”); (ii) Atmosphärendruck-chemische-Ionisations-Ionenquelle (”APCI”); (iii) Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle (”APPI”); (iv) Laserdesorptions-Ionisations-Ionenquelle (”LDI”); (v) induktiv gekoppelte Plasma-Ionenquelle (”ICP”); (vi) Elektronenauftreff-Ionenquelle (”EI”); (vii) chemische Ionisations-Ionenquelle (”CI”); (viii) Feldionisations-Ionenquelle (”FI”); (ix) Schnell-Atom-Bombardement-Ionenquelle (”FAB”); (x) Flüssig- Sekundär-Ionenmassenspektrometrie-Ionenquelle (”LSIMS”); (xi) Atmosphärendruck-Ionisations-Ionenquelle (”API”); (xii) Felddesorptions-Ionenquelle (”FD”); (xiii) matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisations-Ionenquelle (”MALDI”); (xiv) Ionenquelle mit Desorption/Ionisation auf Silizium (”DIOS”); und (xv) Desorptions-Elektrospray-Ionisations-Ionenquelle (”DESI”).
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Ionenquelle (1) eine kontinuierliche Ionenquelle ist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die Ionenquelle (1) eine gepulste Ionenquelle
Verfahren zur Massenspektrometrie mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Massenfilters mit wenigstens einer Elektrode (9) in einer Beschleunigungsregion (2) und wenigstens einem Ionenspiegel (4); Aufbringung eines oder mehrerer erster Spannungspulse auf die wenigstens eine Elektrode (9) zum orthogonalen Beschleunigen wenigstens einiger Ionen (6, 7, 8) weg von der wenigstens einen Elektrode (9); Reflektieren wenigstens einiger Ionen (6, 7, 8), die orthogonal beschleunigt wurden an, dem wenigstens einen Ionenspiegel (4), zurück zu der Beschleunigungsregion (2), und so, dass die Ionen (6, 7, 8) sich im Allgemeinen in Richtung einer Ausgangsregion des Massenfilters bewegen; orthogonales Verzögern mittels eines oder mehrerer elektrischer Felder von ersten Ionen (7) mit einem gewünschten Masse-Ladungs-Verhältnis oder Masse-Ladungs-Verhältnissen innerhalb eines ersten Bereiches, wenn sich die ersten Ionen (7) der Ausgangsregion des Massenfilters nähern; Überführen der ersten Ionen (7) in einen Massenanalysator stromabwärts des Massenfilters; und Massenanalysieren der ersten Ionen (7) in dem Massenanalysator, wobei der Massenanalysator ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einem Axialbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator; einem Quadrupol-Massenanalysator; einem Penning-Massenanalysator; einem Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator (”FTICR”); einer 2D- oder linearen Quadrupol-Ionenfalle; einer Paul- oder 3D-Quadrupol-Ionenfalle; und einem Magnetsektor-Massenanalysator.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Massenfilter eine oder mehrere Flugregionen (3) aufweist, die zwischen der einen oder den mehreren Elektroden (9) und dem einen oder den mehreren Ionenspiegeln (4) angeordnet ist bzw. sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein oder mehrere Potentialgradienten aufrecht erhalten werden über wenigstens einen Abschnitt der Flugregion (3), wenn sich die Ionen (6, 7, 8) von der einen oder den mehreren Elektroden (9) in Richtung auf den einen oder die mehreren Ionenspiegel (4) bewegen, wobei der eine oder die mehreren Potentialgradienten wirken, um wenigstens einige Ionen (6, 7, 8) in Richtung des einen oder der mehreren Ionenspiegel (4) weiter zu beschleunigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei wenigstens ein Abschnitt der Flugregion (3) eine oder mehrere feldfreie Regionen aufweist, wobei die Ionen (6, 7, 8) in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen weder beschleunigt noch verzögert werden, wenn sie sich in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen in Richtung des einen oder der mehreren Ionenspiegel (4) bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei wenigstens ein Abschnitt der Flugregion (3) eine oder mehrere feldfreie Regionen aufweist, wobei die Ionen (6, 7, 8) in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen weder beschleunigt noch verzögert werden, wenn sie sich in der einen oder den mehreren feldfreien Regionen von dem einen oder den mehreren Ionenspiegeln (4) in Richtung der einen oder der mehreren Elektroden (9) bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der eine oder die mehreren Ionenspiegel (4) einen oder mehrere Reflektron-Bauteile oder Reflektrons aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein linearer oder nichtlinearer elektrischer Feldgradient aufrecht erhalten wird innerhalb des einen oder der mehreren Reflektron-Bauteile oder Ionenspiegel (4).