DE102006040000A1 - Speicherbatterie für Ionen - Google Patents

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Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Speicherung von Ionen in mehr als einem Ionenspeicher und auf die Verwendung der so entstehenden Speicherbatterie. Die Erfindung besteht darin, mehrere Speicherzellen als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme auszuführen, mit Dämpfungsgas zu befüllen und parallel zueinander anzuordnen, wobei jeweils ein Polstabpaar von zwei Speicherzellen gemeinsam benutzt wird, so dass sich die gesammelten Ionen durch kurzseitige Beschaltung einzelner Polstabpaare mit Gleiczur nächsten weitertransportieren lassen. Die Ionen können so zu Speicherzellen transportiert werden, in denen sie fragmentiert oder reaktiv verändert oder aus denen sie anderen Spektrometern zugeführt werden können. Besonders bei kreisförmiger Anordnung der Speicherzellen auf einem virtuellen Zylindermantel können die Speicherzellen akkumulativ mit Ionen bestimmter Fraktionen aus zeitlich aufeinander folgenden Separationsläufen befüllt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Speicherung von Ionen in mehr als einem Ionenspeicher und auf die Verwendung der so entstehenden Speicherbatterie.
  • Die Erfindung besteht darin, mehrere Speicherzellen als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme auszuführen, mit Dämpfungsgas zu befüllen und parallel zueinander anzuordnen, wobei jeweils ein Polstabpaar von zwei Speicherzellen gemeinsam benutzt wird, so dass sich die gesammelten Ionen durch kurzzeitige Beschaltung einzelner Polstabpaare mit Gleich- oder Wechselspannungen von einer Speicherzelle zur nächsten weitertransportieren lassen. Die Ionen können so zu Speicherzellen transportiert werden, in denen sie fragmentiert oder reaktiv verändert, oder aus denen sie anderen Spektrometern zugeführt werden können. Besonders bei kreisförmiger Anordnung der Speicherzellen auf einem virtuellen Zylindermantel können die Speicherzellen akkumulativ mit Ionen bestimmter Fraktionen aus zeitlich aufeinander folgenden Separationsläufen befüllt werden.
  • Stand der Technik
  • Die meisten der heute verwendeten Massenspektrometer arbeiten im Prinzip diskontinuierlich; sie nehmen die Massenspektren in Takten auf, die im Allgemeinen heute zwischen ein bis höchstens zwanzig Massenspektren pro Sekunde liegen. Werden Tochter- oder Enkelionenspektren aufgenommen, so sinkt die Taktrate erheblich. Es gibt bisher kein kommerziell erhältliches Massenspektrometer, das hundert oder mehr Spektren pro Sekunde aufnehmen und abliefern kann. Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss können zwar mit 5 000 bis 15 000 Einzelspektren pro Sekunde arbeiten, die in Transientenrekordern digitalisiert und in Echtzeit addiert werden; es ist jedoch aus Gründen der Spektrengüte, der Messdynamik und der Lesegeschwindigkeit notwendig, einige Hundert Massenspektren aufzunehmen und zu addieren, bevor ein Massenspektrum aus dem Digitalspeicher des Transientenrekorders ausgelesen wird. Das Auslesen des Massenspektrums mit seinen Hunderttausenden von Werten dauert heute noch mindestens fünf bis zehn Millisekunden; bei hundert entnommenen Massenspektren pro Sekunde würde die Zeit allein durch das Auslesen aufgefressen. Da der Trend hier zu höheren Messtaktraten und damit zu längeren Wertefolgen für ein Massenspektrum geht, ist hier keine Besserung zu erwarten.
  • Trotz des diskontinuierlichen Arbeitens der meisten Arten von Massenspektrometern (jedenfalls solchen mit getrennt angeordneten Ionenquellen und Massenanalysatoren) gibt es in einem Massenspektrometer meist irgendwo zwischen Ionenquelle und Massenanalysator einen mehr oder weniger kontinuierlichen, je nach Art der Ionenquelle manchmal auch gepulsten Ionenfluss. In der Regel wird dieser Ionenfluss zur Füllung eines Ionenspeichers verwendet, aus dem die Ionen für den diskontinuierlich arbeitenden Massenanalysator entnommen werden. Ist das Massenspektrometer mit einer Separationseinheit wie einem Chromatographen gekoppelt, so vermischen sich, je nach Separationsgeschwindigkeit, die Ionen aus verschiedenen Substanzschüben der Separationseinheit in diesem Ionenspeicher mehr oder weniger stark.
  • In EP 0 738 000 B1 (J. Franzen, äquivalent zu US 5,811,800 A ) wird eine Speicherbatterie für Ionen beschrieben, die aufeinander folgende Substanzionenschübe, die aus dem Substanzfluss einer Separationseinrichtung wie beispielsweise einem Flüssigkeitschromatographen erzeugt wurden, zwischenspeichern kann, um die gespeicherten Ionen ohne weitere Vermischung mit Ionen eines anderen Substanzschubs jeweils zeitangepasst einer massenspektrometrischen Analyse zuführen zu können. Damit lässt sich in gewissem Umfang eine zeitliche Entkopplung eines optimalen massenspektrometrischen Analysenverfahrens vom Separationsverfahren erreichen. So können die Ionen aus einem chromatographischen Substanzschub nicht nur einer einfachen massenspektrometrischen Messung unterworfen werden, es können auch, wenn es sich als zweckmäßig erweist, Tochterionenspektren von selektierten und dann fragmentierten Elternionen, oder auch Enkelionenspektren von selektierten Tochterionen aufgenommen werden, um eine gesicherte Identifizierung der Substanz oder auch eine Aufklärung der Primärstruktur vornehmen zu können. Erst dann wird die Analyse der Ionen des nächsten Substanzschubs begonnen.
  • Die im Patent beschriebene Speicherbatterie ist aber nicht akkumulationsfähig. Sie kann nicht gleiche Fraktionen von Ionen aus aufeinander folgenden Separationsläufen in gleichen Speicherzellen speichern, weil die hintereinander geschalteten Speicherzellen nur aus der vorhergehenden Speicherzelle aus befüllbar sind und somit eine nochmalige Auffüllung mit Ionen aus einer gleichartigen Fraktion eines nachfolgenden Separationslaufs nicht erlauben.
  • Der Term „akkumulationsfähig" oder „akkumulierend" soll bedeuten, dass es möglich sein soll, in den Ionenspeichern zu späteren Zeitpunkten gezielt weitere Ionen zu schon früher gesammelten Ionen hinzu zu laden, wobei zwischenzeitlich andere Ionenspeicher beladen werden können, beispielsweise mit anderen Ionensorten.
  • Durch immer schneller arbeitende Separationsverfahren besteht ein Bedarf für akkumulationsfähige Speicherbatterien für Ionen. So stehen Separationsverfahren auf Chips zu erwarten, die einen vollständigen elektrophoretisch unterstützten chromatographischen Separationslauf in nur einer Sekunde durchführen, aber jeweils mit nur sehr wenig aufgetrennter Substanz, so dass zur Erhöhung der Messdynamik ein akkumulierender Fraktionssammler anzustreben ist. Die Breiten der Substanzschübe liegen im Bereich von wenigen Millisekunden.
  • Noch schneller arbeitet die Separation verschiedener Ionensorten durch ihre Ionenmobilität in gasgefüllten Driftstrecken. Hier dauert ein einziger Separationslauf nur etwa 20 bis 100 Millisekunden, wobei auch hier die Breiten der aufgetrennten Ionenschübe besonders bei Niederdruck-Driftstrecken in der Größenordnung von nur einigen Millisekunden liegen.
  • Wie oben schon ausgeführt, gibt es heute noch keine Massenspektrometer, die so schnell veränderlichen Ionenschüben analytisch folgen können und so empfindlich sind, dass sie mit deren geringen Ionenmengen auskommen. Es ist daher für solch schnelle Separationsverfahren wünschenswert, gleiche Ionenfraktionen aus aufeinander folgenden Separationsläufen akkumulierend in einer Speicherzelle aus einer Speicherbatterie sammeln zu können, um die so angesammelten Ionen in genügender Anzahl und in zeitlicher Entkopplung dem Analysengerät zuführen zu können.
  • In der Patentschrift US 7.019.286 B2 (K. Fuhrer et al.) wird ein Flugzeitmassenspektrometer beschrieben, mit dem extrem schnelle Ionenreaktionsprozesse verfolgt werden können. Dazu wird ein geteilter Detektor verwendet, der die länglichen Ionenbüschel, die in den Pulser eingeschossen werden und die in weitgehend ungestörter Formation durch die Flugrohrstrecke fliegen, in Abschnitte teilt, die jeweils getrennt nachgewiesen werden. Da die Ionenbüschel in einigen zehn Mikrosekunden in den Pulser einfliegen, lassen sich damit Prozesse verfolgen, die sich in Zeitbereichen der Größenordnung von jeweils etwa zehn Mikrosekunden ändern. Diese Zeitauflösung liegt um einige Zehnerpotenzen über der erforderlichen Zeitauflösung für die hier verwendeten Separationsverfahren und stellt daher keine Lösung des Problems dar.
  • Ionenspeicher sind heute in der Regel als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme ausgeführt, an deren Polstäben abwechselnd die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung liegen. Im Inneren entsteht ein Pseudopotential, das die Ionen ständig zur Achse hin beschleunigt, so dass diese Oszillationsbewegungen um das Potentialminimum in der Achse herum ausführen. Wird das Stabsystem mit einem Stoß- oder Dämpfungsgas eines Drucks von etwa 10-2 bis 10+3 Pascal beschickt, so werden die Ionenoszillationen druckabhängig schnell gedämpft; die Ionen sammeln sich thermalisiert in der Achse des Stabsystems. Für die Thermalisierung sind mindestens hundert Stöße mit den Molekülen des Dämpfungsgases erforderlich. Bei einem Druck von 10-2 Pascal dauert die Dämpfung etwa eine Millisekunde, bei einem Druck von 10+2 Pascal sind die Ionen in weniger als einer Mikrosekunde gedämpft. Die stirnseitigen Enden der Stabsysteme sind in der Regel durch Blenden mit Gleichspannungspotentialen so verschlossen, dass die Ionen im Inneren eingeschlossen sind. Es ist auch ein Verschluss mit Pseudopotentialen möglich, die durch Hochfrequenzspannungen an Mehrelektrodensystemen erzeugt werden, dann ist ohne Umschaltung der Spannungen eine Speicherung von Ionen beider Polaritäten möglich.
  • Unter dem Begriff „Masse" werde hier immer die „ladungsbezogene Masse" m/z verstanden, die allein in der Massenspektrometrie eine Rolle spielt, und nicht einfach die „physikalische Masse" m. Die Zahl z gibt die Anzahl der Elementarladungen an, also die Anzahl der überschüssigen und nach außen als Ionenladung wirksamen Elektronen oder Protonen des Ions. Ausnahmslos kann in allen Massenspektrometer immer nur die ladungsbezogene Masse m/z gemessen werden, nicht die physikalische Masse m selbst. Die ladungsbezogene Masse ist der Massenbruchteil pro Elementarladung des Ions. Unter „leichten" oder „schweren" Ionen werden hier sinngemäß immer Ionen mit geringer oder hoher ladungsbezogener Masse m/z verstanden. Auch der Begriff „Massenspektrum" bezieht sich grundsätzlich immer auf die ladungsbezogenen Massen m/z.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Speicherbatterie für Ionen bereitzustellen, in deren Speicherzellen sich die Ionen aus beliebigen Abschnitte eines Ionenflusses speichern lassen. Insbesondere soll auch eine akkumulative Speicherung von Ionen bestimmter Fraktionen aus wiederholten Separationsläufen möglich sein. Besonders günstig wäre eine schnelle Umschaltung zur Aufnahme der Ionen eines neuen Abschnitts aus dem Ionenfluss in weniger als einer Millisekunde.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer Batterie mit parallel angeordneten Speicherzellen gelöst, die jeweils als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme ausgebildet sind, wobei benachbarte Speicherzellen jeweils ein Polstabpaar gemeinsam haben, so dass sich die Inhalte der Speicherzellen durch elektrische Spannungspulse an ausgewählten Polstabpaaren in benachbarte Speicherzellen verschieben lassen. Sie sind mit Dämpfungsgas eines Drucks zwischen 10-2 und 10+3 Pascal befüllt. Eine elektrische Versorgung liefert die Hochfrequenzspannungen für die Polstäbe und die Gleichspannungspulse für die einzelnen Polstabpaare. Die Speicherzellen können in einer Ebene nebeneinander angeordnet sein, sich aber auch als offener oder geschlossener Reigen auf einem virtuellen Zylindermantel befinden. In der Speicherbatterie lassen sich durch besondere elektrische Beschaltung alle gespeicherten Ionenwolken gleichzeitig in die jeweils benachbarten Speicherzellen schieben, was für einen geschlossenen Reigen von Speicherzellen besonders vorteilhaft ist.
  • Die Multipol-Stabsysteme der Speicherzellen sind jeweils mit stirnseitigen Abschlusselektroden an beiden Enden ausgestattet. Die Abschlusselektroden dienen dazu, die Ionen durch abstoßende Potentiale im Inneren der Speicherzelle zu halten; sie können einzelne Elektrodensysteme vor jeder Speicherzelle bilden, sich aber auch gemeinsam über mehrere Speicherzellen erstrecken. Die abstoßenden Potentiale können Gleichspannungspotentiale, aber auch an Mehrelektrodensystemen durch Hochfrequenzspannungen erzeugte Pseudopotentiale sein.
  • Eine „Befüllspeicherzelle" befindet sich vor einem Ionenleitsystem, das die Ionen eines Ionenflusses an die Batterie der Ionenspeicher heranführt, wobei die Befüllung bevorzugt durch ein Schaltlinsensystem an- und abstellbar ist. Nur diese Befüllspeicherzelle kann direkt aus dem Ionenleitsystem mit Ionen eines Ionenflusses befüllt werden. Da das Ionenleitsystem mit gleichem Stoßgas unter gleichem Druck befüllt sein kann wie die Speicherbatterie, treten keine vakuumtechnischen Probleme auf. Die Speicherbatterie kann auch zwei oder mehr Befüllspeicherzellen besitzen, wenn Ionen aus verschiedenen Ionenflüssen, beispielsweise aus verschiedenen Ionenquellen, gespeichert werden sollen. Die Speicherbatterie hat auch mindestens eine „Entnahmespeicherzelle", die mit den Befüllspeicherzellen identisch sein können, aber nicht müssen. Mit mehreren Entnahmespeicherzellen lassen sich die Ionen verschiedenen Analysatoren zuführen, beispielsweise verschiedenen Massenspektrometern.
  • Sollen beim Verschieben keine Speicherinhalte vermischt werden, dürfen nicht alle Speicherzellen mit Ionenwolken gefüllt sein. Die gespeicherten Ionenwolken lassen sich dann in jeweils leere Speicherzellen überführen. Werden Quadrupol-Stabsysteme, also Systeme mit vier Polstäben als Speicherzellen verwendet, so lässt sich nur jede dritte Speicherzelle als Ionenspeicher nutzen. Das macht sechs Polstäbe pro Speicher erforderlich. Bei Verwendung von Hexapol-Stabsystemen lässt sich jedes zweite Stabsystem als Ionenspeicher verwenden, aber es sind dann jeweils acht Polstäbe für jeden Ionenspeicher notwendig.
  • Die Speicherzellen sind mit Dämpfungsgas befüllt, um die Ionen zu thermalisieren und in Achsennähe zu sammeln. Die Geschwindigkeit, mit der ein Speicherinhalt elektrisch zur nächsten Speicherzelle weitergereicht werden kann, hängt vom Druck dieses Dämpfungsgases ab. Wird die Speicherbatterie beispielsweise mit einem Druck eines Dämpfungsgases von einem Hektopascal betrieben, so gelten für den Transport der Ionen die Gesetze der Ionenmobi lität. Bei geeigneter Dimensionierung der Speicherzellen und der Gleichspannungspulse lassen sich bei diesem Druck die Ionenwolken in weniger als hundert Mikrosekunden in die jeweils benachbarten Speicherzellen schieben, und es tritt immer eine sofortige Speicherung gut gekühlter Ionen in der Achse der Multipol-Stabsysteme ein. Bei bedeutend niedrigeren Drucken des Dämpfungsgases, beispielsweise bei etwa einem Pascal, wird die Zeit zur Thermalisierung der Ionen zum bestimmenden Zeitfaktor. Die Zeit zur Thermalisierung liegt hier bei 100 Mikrosekunden. Bei einem Druck von 0,1 Pascal tritt die Thermalisierung erst bei etwa einer Millisekunde ein.
  • Die Speicherbatterie kann in vielfältiger Weise eingesetzt werden, beispielsweise zum akkumulierenden Sammeln von Ionen gleicher Separationsfraktionen aus schnell wiederholten Separationsläufen. Sie kann aber auch zur Aufteilung von Ionen zum Weiterleiten an verschiedene Ionenanalysatoren verwendet werden. Die Ionen können aber auch an vorbestimmten Speicherorten verschiedenartigen Behandlungen unterworfen werden, beispielsweise Fragmentierungen verschiedener Art oder reaktiven Veränderungen der Ionen. Die Speicherbatterie kann sogar als Massenseparator oder als Ionenmobilitätsseparator eingesetzt werden.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 gibt eine dreidimensionale Darstellung von 18 Quadrupol-Stabsystemen wieder, die aus 18 einzelnen Polstabpaaren (5, 6, 7, 8 usw.) aufgebaut und in einem geschlossenen Kreis auf einem virtuellen Zylindermantel angeordnet sind. Gleichspannungen an zwei Blendenringe (1) und (2) halten die Ionen innerhalb der Stabsysteme; sie besitzen Öffnungen (3) und (4) für Befüllung und Entnahme. In dieser Anordnung lassen sich die Ionenwolken zyklisch reihum verschieben, wobei sechs Ionenwolken gespeichert werden können.
  • 2 zeigt eine Anordnung von 24 Polstabpaaren (12, 13, 14, 15), die insgesamt 24 Quadrupol-Stabsysteme bilden, wobei die äußeren Polstäbe von einem äußeren Haltering (10) und die inneren Polstäbe von einem inneren Haltering (11) in ihrer Position gehalten werden. Der Ring kann acht zyklisch verschiebbare Ionenwolken (17, 18, 19) beherbergen.
  • 3 zeigt die Beschaltung der Anordnung aus 24 Polstabpaaren mit einem Hochfrequenztransformator, der drei Sekundärwicklungen (21, 22), (23, 24) und (25, 26) enthält. Die Beschaltungen sind durch Buchstaben (a, b, c, d, e, f) gekennzeichnet. Die Sekundärwicklungen haben jeweils Mittelabgriffe, über die drei unabhängige Gleichspannungen (26), (27) und (28) als Überlagerung der Hochfrequenzspannungen eingeführt werden können. Jede Gleichspannung wirkt auf ein Stabpaar aus innerem und äußerem Polstab. Mit kurzen Gleichspannungspulsen lassen sich die Ionenwolken in die jeweils benachbarten Quadrupol-Stabsysteme verschieben.
  • 4 zeigt das Schema des Verschiebungsvorgangs. Im oberen Bildstreifen A ist eine Reihe von Stabpaaren (31 bis 41) in einer Ebene gezeigt, die jeweils quadrupolare Speicherzellen bilden, die mit drei Ionenwolken (42), (43) und (44) befüllt sind. Quer durch die Mitten dieser Speicherzellen herrscht eine Verteilung der Pseudopotentiale, wie sie in Bildstreifen B zu sehen ist: in der Mitte einer jeden Speicherzelle gibt es ein Minimum des Pseudopotentials, zur benachbarten Speicherzelle hin besteht eine Barriere. Wird an jeder befüllten Speicherzelle das Polstabpaar benachbart zur Ionenwolke mit einem Gleichspannungspuls beaufschlagt, so werden die Ionenwolken durch die Überlagerung der Pseudopotentiale mit den Gleichspannungen in die benachbarten Speicherzellen getrieben, wie in Bildstreifen C zu sehen ist. Nach Beendigung des Gleichspannungspulses befinden sich die Ionenwolken in den benachbarten Speicherzellen, wie in den beiden Bildstreifen D (für das Pseudopotential) und E (für die Speicherzellen) gezeigt ist. Durch mehrfaches Anlegen von Gleichspannungspulsen an verschiedene Stabpaare können die Ionenwolken zyklisch weiter verschoben werden.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt einer zylindrischen Anordnung von Speicherzellen, die als Hexapol-Stabsysteme ausgebildet sind. Der äußere Polstab des jeweils gemeinsamen Stabpaares ist verbreitert, um die Verzerrung des Hexapolfeldes zu verringern.
  • 6 zeigt, dass auch bei zylindrisch angeordneten Quadrupol-Stabsystemen eine Verringerung der Verzerrung der Quadrupolfelder im Inneren der Quadrupol-Stabsysteme durch eine Verbreiterung der äußeren Polstäbe eines jeden Stabpaares möglich ist.
  • 7 stellt eine Batterie (51 bis 58) parallel angeordneter Ionenspeicher dar, die von einem Ionenstrahl (60) aus, der durch ein Ionenleitsystem (50) zugeführt wird, durch Beschalten der Führungselektroden (62) einzeln durch Ablenken des Ionenstrahls (60) befüllt werden können. Diese Anordnung erfordert ein gutes Vakuum in der ionenoptisch regierten Strecke. In gleicher Weise können sie auch einzeln geleert werden, wie durch den Ionenstrahl (61) angedeutet. Der Ionenstrahl (61) verlässt, geschaltet durch entsprechende Spannungen an den Führungselektroden (62) den Ionenspeicher (57) und wird zum Ionenleitsystem (59) geführt. Die Ionenspeicher (51 bis 58) können wie hier gezeigt in einer Ebene liegen, aber auch durch zusätzliche radial angeordnete Ionenspeicher um die Achse des Systems herum ergänzt werden. Diese Anordnung ist vakuumtechnisch sehr schwierig zu verifizieren.
  • 8 zeigt eine Speicherbatterie mit einem zuführenden Ionenleitsystem (70), einer Überführungslinse (71), einer vorderen Abschlussblende (72), den zylindrisch angeordneten Speicherzellen (73, 74), der hinteren Abschlussblende (75), der Überführungslinse (76) und dem abführenden Ionenleitsystem (77). Die zylindrisch angeordneten Speicherzellen (73, 74), die die Speicherbatterie im engeren Sinnen bilden, können für eine Befüllung der einzelnen Speicherzellen schrittweise rotieren; es können aber auch die gesammelten Ionenwolken in einer feststehenden Speicherbatterie reihum weitertransportiert werden.
  • 9 zeigt einige Speicherzellen in einer Ebene, bei der zum Schutz gegen Ionenverluste die Abstande (a) zwischen den äußeren Polstäben geringer ist als der Abstand (b) zwischen den beiden Reihen äußerer Polstäbe, um die Barriere des Pseudopotentials in den Abständen (a) höher zu machen als in den Abständen (b).
  • 10 zeigt zwei Hilfselektroden (78) und (79) außerhalb einiger Speicherzellen in einer Ebene. Ein Gleichspannungspotential an den Hilfselektroden kann die Ionenverluste bei Verschieben der Speicherinhalte verringern.
  • 11 stellt schematisch eine ebene Speicherbatterie mit 12 Speicherzellen (85) bis (97) dar, in denen in Speicherzelle (90) durch einen Infrarot-Laser (101) eine Fragmentierung von massenselektierten Analytionen durch Infrarot-Multiphotonen-Dissoziation (IRMPD), in Speicherzelle (93) durch Einfütterung von negativen Ionen aus der Ionenquelle (103) eine Fragmentierung durch Elektronen-Transfer-Dissoziation (ETD) vorgenommen werden kann.
  • Die Analytionen werden in der Ionenquelle (81) erzeugt und über ein Quadrupolfilter (82), eine Vorspeicherzelle (83) durch die Speicherzelle (86) hindurch über ein Ionenleitsystem (99) einem Massenspektrometer (100) zur Analyse zugeführt. Interessante Analytionen können im Quadrupolfilter (82) nach Massen selektiert, in der Speicherzelle (86) gesammelt und dann in die Speicherzellen (90) bzw. (93) eingeschoben werden. Die Fragmentionen können entweder in die Speicherzelle (86) zurück verschoben und in Massenspektrometer (100) analysiert, oder weiter geschoben und in einem besonders angepassten Massenspektrometer (109) analysiert werden.
  • Beste Ausführungsformen
  • Im Prinzip ist es möglich, Ionen durch ionenoptische Mittel aus einer gut fokussierenden Zuführung in beliebig angeordnete Ionenspeicher zu überführen, wie das in 7 schematisch gezeigt ist. Eine gut fokussierende Zuführung in einem Hochfrequenz-Ionenleitsystem verlangt aber ein Dämpfungsgas innerhalb des Ionenleitsystems, und die ionenoptische Überführung verlangt eine stoßfreie Strecke, also ein gutes Hochvakuum. Die Ionenspeicher wiederum verlangen für eine verlustfreie Funktion ein Dämpfungsgas. Diese Art der Überführung stellt also ein vakuumtechnisches Problem dar, das nur durch Pumpen extrem hoher Saugleistung zu lösen ist. Selbst dann bilden die Übergänge zwischen den Räumen verschiedenen Drucks, die ja stets sehr kleine Öffnungen verlangen, ionenoptische Probleme. Diese Art der Speicherbatterie ist also wegen der vakuumtechnischen Probleme abzulehnen. Es ist eine Lösung zu suchen, die die Ionen ohne Bruch der Gasdrucke vom zufürenden Ionenleitsystem in die Speicherzellen überführt.
  • Im Prinzip wäre es auch möglich, eine Anordnung paralleler Speicherzellen mechanisch bewegbar zu machen, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen. Eine Anordnung von Speicherzellen nach 1 könnte beispielsweise durch Rotation die Ionen aus verschiedenen Abschnitten eines Ionenflusses aufnehmen. Als vorteilhaft für die mechanische Rotation ist anzumerken, dass dann jede Speicherzelle für die Speicherung von Ionen verwendet werden könnte. Um Umschaltzeiten in Größenordnungen von Millisekunden zu erreichen, wären aber sehr hohe Umlauffrequenzen mit schnellem Start-Stopp-Betrieb für die Speicherbatterie erforderlich, die sich nur schwierig technisch verwirklichen lassen. Bewegungen ohne Schmiermittel in einem Vakuum, das analytisch rein zu halten ist, sind immer kritisch, zumal wenn den bewegten Teilen Spannungen zugeführt werden müssen. Daher wird diese Lösung hier ebenfalls verworfen.
  • Es wird daher für die Lösung der Aufgabe der Erfindung eine elektrische Verschiebbarkeit der Speicherinhalte in einer feststehenden Speicherbatterie bevorzugt. Dazu hat die Speicherbatterie parallel angeordnete Speicherzellen, die jeweils als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme ausgebildet sind, wobei benachbarte Speicherzellen jeweils ein Polstabpaar gemeinsam haben, so dass sich die Inhalte der Speicherzellen durch elektrische Spannungspulse an ausgewählten Polstabpaaren in benachbarte Speicherzellen verschieben lassen. Die Speicherzellen können in einer Ebene nebeneinander angeordnet sein, sich aber auch als offener oder geschlossener Reigen parallel nebeneinander auf einem virtuellen Zylindermantel befinden.
  • Eine einfache, aber sehr effektive Ausführungsform ist in 1 für eine Batterie von 18 Speicherzellen gegeben, die sich als geschlossener Reigen auf einem virtuellen Zylindermantel befinden. Insgesamt besteht die Ausführungsform aus 18 Stabpaaren, die kreisförmig nebeneinander angeordnet sind und insgesamt 18 nur leicht verzerrte Hochfrequenz-Quadrupol-Stabsysteme als Speicherzellen aufspannen. Von diesen lassen sich sechs für die Akkumulation von Ionen nutzen; zwölf weitere Speicherzellen dienen der sauberen Verschiebbarkeit der Ionenwolken. Die allen Speicherzellen gemeinsame vordere Abschlussblende (1) und die ebenfalls gemeinsame hintere Abschlussblende (2) liegen auf elektrischen Potentialen, die die Ionen innerhalb der Stabsysteme halten. Im Prinzip ist für diese Ausführungsform keine Beschränkung auf 18 Stabpaare gegeben; so können beispielsweise auch 180 Stabpaare verwendet werden, die dann 60 nutzbare Speicherzellen ergeben. Es wächst bei hohen Anzahlen von nutzbaren Speicherzellen lediglich die kapazitive und dielektrische Belastung des Hochfrequenz-Generators, sonst treten, außer einer mäßigen Vergrößerung des Vakuumgehäuses, keinerlei technische Probleme auf.
  • Die Haltevorrichtungen und die Spannungszuführungen für die Polstäbe sind in 1 nicht gezeigt; die Haltevorrichtungen können beispielsweise wie in 2 aus isolierenden Halteringen bestehen. Sind die Halteringe aus Keramik gefertigt, so können die Polstäbe beispielsweise in eingeschliffenen Nuten eingeklebt sein. Die Halteringe müssen ihrerseits wieder gehaltert werden. Andere Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben.
  • Um einen schnellen Transport der Speicherinhalte von einem Ionenspeicher zum nächsten zu ermöglichen, werden jeweils alle Speicherinhalte gleichzeitig in die benachbarten Speicherzellen weitergeschoben. 3 zeigt die Beschaltung der Polstäbe aus einem Hochfrequenztransformator mit drei Sekundärwicklungen mit Mittelabgriffen, die einen solchen kreisförmigen Reihum-Transport der gespeicherten Ionenwolken ermöglicht.
  • Der Mechanismus des gleichzeitigen Transports der Ionenwolken in die jeweils benachbarten Speicherzellen wird schematisch in 4 dargestellt. In 4 sind einige Speicherzellen in einer Ebene gezeigt, sie können aber auch als Speicherzellen eines sehr großen, geschlossenen Reigens verstanden werden. Im obersten Bildstreifen A sind eine Reihe von Speicherzellen mit den Polstabpaaren (31 bis 41) und drei Ionenwolken (42), (43) und (44) wiedergegeben. Je zwei benachbarte Polstabpaare bilden eine Speicherzelle. Im Bildstreifen B wird der Verlauf des Pseudopotentials durch die Mitten der Polstabpaare hindurch gezeigt, mit je einem Minimum zwischen den Polstabpaaren und einer Übertrittsbarriere zwischen den beiden Polstäben eines Polstabpaars. Wird nun der Hochfrequenzspannung an den Polstabpaaren (34), (37) und (40) neben den Ionenwolken jeweils ein Ionen abstoßendes Gleichspannungspotential überlagert, so werden die Ionenwolken durch das überlagerte Potential, das in Bildstreifen C wiedergegeben ist, durch die benachbarten Polstabpaare (33), (36) und (39) hindurch in die benachbarten Speicherzellen gedrückt. Durch zweimalige Wiederholung des Vorgangs sind die Ionenwolken um drei Stabpaare weitergerückt, und es steht die Befüllspeicherzelle (nicht in 4 sichtbar) wieder für eine Füllung aus dem Ionenfluss zur Verfügung.
  • Es können statt der Gleichspannungspulse den Polstabpaaren auch Hochfrequenzpulse aufgeprägt werden, um die Ionen in die benachbarte Speicherzelle zu treiben. Die Hochfrequenz pulse erzeugen ein Ionen abstoßendes Pseudopotential. Die Hochspannungspulse müssen so hoch sein, dass das Minimum des Pseudopotentials in der Speicherzelle mindestens gerade so eben beseitigt wird. Der Vorteil der Hochfrequenzpulse liegt darin, dass das Potentialminimum für Ionen aller Massen gleichzeitig verschwindet, es also keine Massendiskriminierung gibt. Nachteilig ist, dass die Hochfrequenzpulse eine hohe Spannung haben müssen.
  • Bei einem Druck von etwa einem Hektopascal driften schwere Ionen von m/z = 5000 Dalton in einem elektrischen Feld von etwa einem Volt pro Millimeter mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Millimeter pro Millisekunde. In einer ringförmigen Speicherbatterie mit Polstäben von jeweils etwa zwei Millimeter Durchmesser und etwa fünf Millimeter Abstand der Achsen der Speicherzellen voneinander werden die Ionen durch Gleichspannungspulse in der Größenordnung von etwa 50 Volt in weniger als hundert Mikrosekunden in die benachbarte Zelle getrieben. Leichtere Ionen wandern schneller, haben aber eine höhere Barriere des Pseudopotentials zu überwinden, so dass der Potentialgradient zum Antrieb der Mobilität insgesamt niedriger wird. Einige wenige Mikrosekunden genügen für eine Wiederherstellung einer thermisch beruhigten Ionenwolke durch Stoßkühlung. Es können damit drei solche Transportvorgänge in einer Gesamtzeit von weit weniger als einer Millisekunde ablaufen. Damit genügt diese Speicherbatterie für Ionen den Anforderungen an die Geschwindigkeit der Umschaltbarkeit. Bei einer Länge der Stabsysteme von etwa 50 Millimeter können von jeder Speicherzelle zwischen 106 und 107 Ionen aufgenommen werden.
  • Bei wesentlichen niedrigeren Drucken des Dämpfungsgases, etwa im Druckbereich zwischen 0,1 und 1 Pascal, werden die Ionen nicht mehr in ihrer Bewegung durch ihre Mobilität im Dämpfungsgas bestimmt, sie können sich wesentlich schneller bewegen. Aber ihre Thermalisierung nimmt dann längere Zeit in Anspruch und wird zum bestimmenden Zeitfaktor. Bei einem Druck von etwa einem Pascal findet die Thermalisierung in etwa 100 Mikrosekunden statt, die Überführung der Ionen in die benachbarte Speicherzelle braucht auch hier etwa diese Zeit. Damit können auch bei diesem Druck die Speicherinhalte in weniger als einer Millisekunde um zwei Speicherzellen weiter geschoben werden.
  • Anders ist es bei einem Druck von etwa 0,1 Pascal. Hier benötigt die Thermalisierung etwa eine Millisekunde, für drei Verschiebungen werden also mindestens drei Millisekunden gebraucht. Die Ionen erleben im Potentialtopf der neuen Speicherzelle nur bei etwa jeder dritten Oszillationsperiode einen dämpfenden Stoß. Dadurch kann es auch zu Ionenverlusten kommen, wenn durch Stoßkaskaden die seitlichen Potentialbarrieren quer zu Reihung der Speicherzellen überwunden werden. Es ist daher günstig, diese Barrieren durch eine Verzerrung in der Anordnung der Polstäbe der Multipol-Stabsysteme oder durch extern angebrachte Hilfselektroden mit rücktreibenden Gleichspannungen zu erhöhen, wie es in den 9 und 10 gezeigt ist.
  • Für den gleichzeitigen Transport mehrerer Ionenwolken durch die quadrupolaren Speicherzellen ist es notwendig, an drei nebeneinander liegende Stabpaare neben der Hochfrequenzspannung unabhängig voneinander auch jeweils Gleichspannungspulse anlegen zu können. Eine elektrische Beschaltung dafür ist im Detail in 3 gezeigt. Es werden dazu drei Sekundärwicklungen (21 22), (23 24) und (25 26) eines Hochfrequenztransformators mit Mittelabgriffen benötigt. Über die Mittelabgriffe werden die Gleichspannungspulse zugeführt, die in den Generatoren (26), (27) und (28) erzeugt werden. Diese Beschaltung mit drei Sekundärwicklungen kann für Speicherbatterien mit beliebig vielen Stabpaaren, also beliebig vielen Speicherzellen, verwendet werden. Die Anzahl der Stabpaare muss durch sechs teilbar sein, da nur jedes sechste Stabpaar wieder die gleiche Potentialversorgung einschließlich einer gleich gepolten Phase der Hochfrequenzspannung aufweist.
  • Die Höhe der Barriere des Pseudopotentials zwischen zwei Polstäben hängt von der Amplitude der Hochfrequenzspannung und vom Durchmesser der Polstäbe in Bezug auf den Scheitelabstand zweier diagonal angeordneter Polstäbe ab und kann weitgehend frei gewählt werden. Die Höhe der Barriere ist insbesondere auch umgekehrt proportional zur Masse der Ionen; Ionen hoher Masse lassen sich also wegen der niedrigeren Pseudopotentialbarriere leichter verschieben als leichte Ionen, allerdings ist ihre Mobilität und damit die Geschwindigkeit ihres Transfers in die Nachbarzelle kleiner. Bei Verwendung von Hochfrequenzpulsen liegen andere Verhältnisse vor, diese wurden bereits oben erläutert.
  • Hat das Dämpfungsgas in der Speicherbatterie einen hohen Druck von etwa einem Hektopascal, so kann der Gleichspannungspuls ohne Nachteile eine zeitlich konstante Höhe besitzen. Die Ionen verschiedener Massen migrieren dann unter der Wirkung des elektrischen Feldes, jedoch gebremst durch das Dämpfungsgas, mit ihrer massenabhängigen Migrationsgeschwindigkeit in die Nachbarzelle und bleiben praktisch zu jedem Zeitpunkt thermalisiert. Bei niedrigen Drucken des Dämpfungsgases ist ein solcher Gleichspannungspuls konstanter Höhe ungünstig, da alle Ionen eine solche kinetische Energie erhalten, dass sie dabei durch Stöße fragmentieren können. Der Gleichspannungspuls muss verhältnismäßig hoch sein, beispielsweise 50 bis 100 Volt, um auch leichte Ionen über die für sie hohe Barriere des Pseudopotentials zu heben. Es ist daher bei niedrigem Druck besser, den Gleichspannungspuls als ansteigende Spannungsrampe auszubilden. Schwere Ionen fließen dann früh in die Nachbarzelle, wenn die Spannung des Gleichspannungspulses noch niedrig ist, weil sie eine nur niedrige Barriere des Pseudopotentials vor sich haben. Dadurch nehmen sie nur wenig kinetische Energie auf und können nicht fragmentieren.
  • Die leichte Verzerrung der Hochfrequenz-Quadrupolfelder in den kreisförmig angeordneten Quadrupol-Stabsystemen kann durch eine Formung des Querschnitts der Polstäbe verringert werden. Wie in 6 dargestellt, reicht dazu eine Verbreiterung der äußeren Polstäbe eines jeden Polstabpaares. Diese Form erhöht auch die Pseudopotentialbarriere zwischen den äußeren Polstäben, so dass weniger Verluste an Ionen auftreten.
  • Ein hoher Druck des Dämpfungsgases ist hinderlich für ein schnelles Befüllen und insbesondere für ein schnelles Entleeren der einzelnen Speicherzellen. Die Speicherzellen sollen also nicht sehr langgestreckt sein, damit Potentiale der Abschlusselektroden oder Potentialdurchgriffe von Linsenspannungen durch die Öffnungen der Abschlusselektroden die Ionen im Inneren erreichen können. Es ist günstig, wenn die Speicherzellen nicht länger sind als etwa der zehnfache Wert des Scheiteldurchmessers, der diagonal zwischen gegenüber liegenden Polstäben gemessen wird. Die Ionenleitsysteme, die ebenfalls unter einem hohen Druck des Dämpfungsgases stehen und die die Ionen an die Speicherbatterie heranführen, sollten mit einem aktiven Vortrieb der Ionen im Inneren durch axiale Potentialgradienten ausgestattet sein. Dafür sind dem Fachmann mehrere Verfahren bekannt.
  • Die Stabpaare müssen nicht einzeln von isolierenden Halteringen gehalten werden. Es können beispielsweise auch alle inneren Polstäbe, die gemeinsam an gleicher Versorgungsspannung (also entweder an a, b, c, d, e, oder f der 3) liegen, durch einen metallischen Verbindungsring gehalten werden, wie das in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 037 511.9 (Britisches Patent GB 2 416 915 A ; US-Offenlegungsschrift US-2006-0027745-A1 ) in analoger Weise für Multipol-Stabsysteme dargelegt ist. Die Verbindungsringe mit einem Sechstel der inneren Polstäbe können beispielsweise durch Drahterosion einfach aus einem Drehteil hergestellt werden. Sechs solche Verbindungsringe für innere Polstäbe können über Isolierscheiben miteinander verbunden werden. Werden die Verbindungsringe symmetrisch zu einer mittigen Isolierscheibe gewählt, so ist die Herstellung von nur drei Formen für die inneren Polstabanordnungen erforderlich. Das Gleiche gilt für die äußeren Polstäbe. Diese Herstellungsmethode lohnt sich, wenn Speicherbatterien mit großen Anzahlen an Speicherzellen hergestellt werden sollen.
  • Es können für die Speicherzellen aber auch Hexapol-Stabsysteme verwendet werden, wie in 5 schematisch gezeigt. Auch hier lässt sich eine Verzerrung der Hexapolfelder durch eine Verbreiterung der äußeren Polstäbe eines jeden gemeinsamen Polstabpaares vermindern. Bei einem Reigen aus Hexapol-Stabsystemen lässt sich jede zweite Speicherzelle mit Ionen befüllen, wenn die Ionenwolken durch Gleichspannungspulse in die benachbarten Speicherzellen weitergeschaltet werden sollen. Dabei sind gleichzeitig an mehrere Stabpaare mehrere Gleichspannungspotentiale verschiedener Höhe anzulegen. Zur elektrischen Beschaltung der Polstäbe sind hier Hochfrequenz-Transformatoren mit vier Sekundärwicklungen erforderlich. Da außerdem jeweils vier Polstabpaare pro effektiv nutzbarem Ionenspeicher erforderlich sind, erscheint die Verwendung von Hexapol-Speicherzellen etwas weniger günstig als die Verwendung von Quadrupol-Speicherzellen, bei denen nur drei Polstabpaare pro Ionenspeicher erforderlich sind. Auch sind bei Hexapol-Speicherzellen die Barrieren der Pseudopotentiale höher als bei Quadrupol-Speicherzellen.
  • Auch die Hexapolsysteme können durch Drahterosion aus Drehteilen gefertigt werden. Dabei werden insgesamt nur vier verschiedene Formen benötigt, zwei für die äußeren und zwei für die inneren Polstäbe.
  • Die Speicherbatterie kann für alle Arten von Speicherungen verwendet werden, insbesondere solchen, bei denen eine akkumulative Speicherung von Ionen vorteilhaft ist. Das ist bei allen schnellen Separationsverfahren der Fall, bei denen jeweils nur relativ wenige Analytmoleküle getrennt werden. Für solche akkumulativen Speicherungen einzelner Ionenfraktionen ist die Speicherbatterie mit einem geschlossenen Reigen an Speicherzellen besonders vorteilhaft, da sie sich zyklisch reihum beladen lässt.
  • Insbesondere kann diese Speicherbatterie in Massenspektrometern verwendet werden, die mit einer Driftstrecke zur Separation der Ionen durch ihre Ionenmobilität ausgestattet sind. Diese Driftstrecken arbeiten bei Stoßgasdrucken zwischen einem und etwa zwanzig Hektopascal, eine vollständige Separation ist nach 30 bis maximal etwa 100 Millisekunden abgeschlossen. Es können mit einer solchen Speicherbatterie die Ionen aus 30 Separationsläufen, die jeweils 30 Millisekunden dauern, akkumulierend in einer Sekunde gespeichert werden. Gelingt es dabei, die Ionenwolken in nur einer halben Millisekunde um jeweils drei Speicherzellen weiter zuschalten, und gelingt es weiterhin, die Speicherzelle in nur einer halben Millisekunde zu befüllen, so kann eine Speicherbatterie mit etwa dreißig befüllbaren Speicherzellen, also mit insgesamt 90 Speicherzellen verwendet werden. Eine solche Fraktionssammlung ist für Ionenmobilitätsspektrometer sehr günstig. Ionenmobilitätsspektrometer haben im Allgemeinen keine sehr hohe Auflösung, da durch Diffusionsprozesse unvermeidlich Verbreiterungen der migrierenden Ionenwolken in Wanderungsrichtung auftreten. Die Verbreiterung der migrierenden Ionenwolken in transversaler Richtung kann durch Einsperren der Driftstrecke in Hochfrequenz-Multipolfelder eingeschränkt werden.
  • Für andere Zwecke kann aber eine Speicherbatterie mit Speicherzellen in einer Ebene günstiger sein. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn dem Ionenfluss Ionen für eine reaktive Behandlung entnommen und dann dem gleichen oder insbesondere auch einem zweiten Ionenanalysator zugeführt werden sollen.
  • Unter diesen reaktiven Behandlungen stehen die Fragmentierungen der Ionen an erster Stelle. Es haben sich für die Fragmentierung besonders von Peptid- und Proteinionen zwei Typen als wichtig und komplementär zueinander herausgestellt: der Typ der Stoßfragmentierungen (CD = collisionally induced dissociation) und der Typ der Elektronen-Einfang-Dissoziation (ECD = electron capture dissociation). CID-artige Fragmentierungen können auch durch die Absorption vieler Lichtquanten erreicht werden (IRMPD = infrared multiphoton dissociation). Andererseits können ECD-artige Fragmentierungen auch durch Elektronen-Übertragung durch negative Ionen (ETD = electron transfer dissociation) oder durch hoch angeregte Neutralteilchen (MAID = metastable atom induced dissociation) bewirkt werden. Ein Vergleich der Fragmentionen aus beiden Fragmentierungstypen gibt außerordentlich guten Aufschluss über die Struktur der Ionen. So ist es in einer Speicherbatterie möglich, dem Ionenfluss zweimal die gleiche Art von Ionen zu entnehmen, diese zwei besonderen Speicherzellen zuzufüren, und sie dort zwei verschiedenartigen Fragmentierungsarten zu unterwerfen. Sie können dann anschließend einem Massenspektrometer für die Aufnahme der Fragmentmassenspektren zugeführt werden. Das kann über eine Rückführung zur Befüllungsspeicherzelle geschehen, wenn diese auch als Entnahmezelle dient, aber auch durch Weitertransport zu einer besonderen Entnahmezelle.
  • In 11 ist eine solche Massenspektrometer-Anordnung mit einer Speicherzelle (90) für IRMPD, gespeist durch einen Infrarot-Laser (01), und einer Speicherzelle (93) für ETD, gespeist aus einer Ionenquelle (103) für die Erzeugung geeigneter negativer Ionen, schematisch dargestellt. Damit die negativen Ionen zu den positiven Ionen in der Speicherzelle (93) hinzugeladen werden können, ist die Speicherzelle (93) mit Pseudopotentialen verschlossen, die an gitterartigen Elektrodenstrukturen (105) und (106) durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung erzeugt werden.
  • Der Massenspektrometer-Anordnung nach 11 kann folgendermaßen betrieben werden: Analytionen werden in der Ionenquelle (81) erzeugt und durch ein zunächst nicht massenselektiv geschaltetes Quadrupolfilter (82), durch eine Vorspeicherzelle (83), durch die Speicherzelle (86) der Speicherbatterie hindurch und durch ein Ionenleitsystem (99) einem Massenspektrometer (100) zur Analyse zugeführt. Die Massenspektren werden in Echtzeit ausgewertet. Unbekannte Analytionen, deren Identität oder Struktur durch Aufnahme eines Fragmentspektrums ermittelt werden soll, können dann im massenselektiv geschalteten Quadrupolfilter (82) nach Massen selektiert werden, wobei in der Regel die zwei- oder dreifach geladenen Analytionen ausgewählt werden. Diese selektierten Analytionen werden in der Speicherzelle (86) gesammelt und dann zunächst in die Speicherzelle (90) verschoben. Während des kurzzeitigen Verschiebevorgangs wird der Ionenfluss in die Speicherzelle (86) durch die Schaltlinse (84) unterbrochen, die Ionen des Ionenflusses sammeln sich dann in der Vorspeicherzelle (83). Nach nochmaligem Sammeln der selektierten Analytionen in Speicherzelle (86) werden diese nun in die Speicherzelle (90) verschoben, wodurch automatisch die Analytionen aus Speicherzelle (90) in die Speicherzelle (93) weiter geschoben werden.
  • Während nun der normale analytische Betrieb von Ionenquelle (81) bis Massenanalysator (100) durch Öffnen der Schaltlinsen (83) und (98) weiter gehen kann, können in den Speicherzellen (90) und (93) die Fragmentierungsprozesse ablaufen. Die Fragmentierungen dauern zwischen 20 und 400 Millisekunden, sie halten aber die Verfolgung der Veränderung des Innenflusses nicht auf. In Speicherzelle (90) wird durch einen Infrarot-Laser (101) eine Fragmentierung der massenselektierten Analytionen durch Infrarot-Multiphotonen-Dissoziation (IRMPD), in Speicherzelle (93) durch Einfütterung von geeigneten negativen Ionen aus der Ionenquelle (103) eine Fragmentierung durch Elektronen-Transfer-Dissoziation (ETD) vorgenommen. Die Fragmentionen können dann (unter kurzzeitiger Unterbrechung des analytischen Verfahrens) entweder in die Speicherzelle (86) zurück verschoben und in Massenspektrometer (100) analysiert, oder aber in die Speicherzelle (97) weiter geschoben und dann in einem Massenspektrometer (109), das besonders auf die Messung von Fragmentionenspektren ausgelegt ist, durch Aufnahme der Fragmentionenspektren analysiert werden.
  • Es sind aber auch andere Behandlungen von Ionen in solchen Speicherzellen möglich, wie beispielsweise ein „Charge Stripping" von vielfach geladenen Ionen oder eine Komplexierung von Ionen mit komplexbildenden Neutralmolekülen, die der Speicherzelle zugeführt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Speicherbatterie kann aber auch selbst als Massenseparator verwendet werden. Wird die erste Speicherzelle mit einer Mixtur von Ionensorten verschiedener Massen gefüllt, so kann bei dem gemeinsam verschiebenden Transport in Nachbarzellen eine Massentrennung erzeugt werden. Es ist dazu notwendig, den Transport mit recht hohen Gleichspannungspulsen zu beginnen, dadurch werden fast alle Ionensorten weitertransportiert. Nur die leichtesten Ionen, für die die Pseudopotentialbarriere sehr hoch ist, können diese Barriere nicht übersteigen und verbleiben in der ursprünglichen Speicherzelle. Wird nun in weiteren Transportzyklen die Spannung der Gleichspannungspulse immer weiter verringert, so bleiben zunehmend schwerere Ionen zurück: es tritt eine Massentrennung der Ionen auf. Es werden auf diese Weise die Ionen nach Masse sortiert auf die Speicherzellen verteilt.
  • Unter gewissen Bedingungen kann die erfindungsgemäße Speicherbatterie aber auch als Ionenmobilitätsspektrometer genutzt werden. Dazu sind Ionen möglichst gleicher Masse als Befüllung der ersten Speicherzelle erforderlich. Werden diese Ionen beim gemeinsam stattfindenden Transport mit sehr kurzen Gleichspannungspulsen zunächst mit kleiner, dann zunehmend größeren Spannungen weitergereicht, so tritt eine Separation der Ionen nach ihrer Mobilität ein. Die zeitliche Kürze der Gleichspannungspulse bewirkt, dass bei niedriger Spannung nur die sehr mobilen Ionen in die nächste Speicherzelle gelangen, bei höheren Spannungen auch zunehmend weniger mobile Ionen. Es tritt eine Verteilung der Ionen nach ihrer Mobilität auf die Speicherzellen ein. Dieses Verfahren bedingt aber eine vorherige Separation nach Massen, entweder durch ein übliches Massenfilter, oder durch eine Massenseparation nach obigem Verfahren.
  • Die Größe dieser Speicherbatterien kann nicht daran hindern, auch Batterien mit hohen Anzahlen an Speicherzellen zu verwenden. So hat eine reigenförmige Speicherbatterie mit 90 Speicherzellen, die 30 Ionenwolken akkumulierend speichern kann, nur einen Durchmesser von etwa 160 Millimeter, wenn die oben genannten Abmessungen von 2 Millimeter Polstabdurchmesser und 5 Millimeter Scheitelabstand gewählt werden. Diese Batterie kann beispielsweise als Tauchsystem auf einem Flansch aufgebaut werden, wobei das Ionenleitsystem zur Befüllung in einem eingeschweißten Rohr enthalten sein kann, und der Flansch auch alle Spannungsdurchführungen trägt.
  • Die Ionen, die in den Speicherzellen der Ionenspeicherbatterie eingespeichert sind, können durch elektrische Beschaltung der Abschlusselektroden, insbesondere durch Durchgriffe von Linsenspannungen durch Öffnungen der Abschlusselektroden, heraustransportiert und verschiedenartigen Analysenverfahren zugeführt werden. In 8 sind solche Linsenblenden (71) und (76) gezeigt, deren Potentiale durch die Öffnungen in der Abschlussblenden (72) und (75) hindurchgreifen.
  • Die Analysenverfahren, denen die Ionen zugeführt werden, können massenspektrometrische Analysenverfahren sein, aber auch ionenmobilitätsspektrometrische.
  • Die Abschlusselektroden, die in 1 als Ringe mit nur zwei Öffnungen dargestellt sind, können auch komplizierter aufgebaut sein. Insbesondere können die Abschlusselektroden zur Befüllung oder zur Entnahme als Linsensysteme aufgebaut sein, die getrennt vom Abschlusselektrodenring gehalten werden. Auch muss die Befüllung und die Entnahme von Ionen nicht unbedingt die gleiche Speicherzelle betreffen.
  • Es ist auch möglich, die Entnahmespeicherzelle so auszuführen, dass sie einen schaltbaren axialen Potentialgradienten aufweist, beispielsweise durch den Durchgriff zweier äußerer Elektroden längs der Speicherzelle, oder durch Spannungsabfälle an den Polstäben dieser Speicherzelle selbst. Verfahren und Einrichtungen dazu sind dem Fachmann bekannt. Durch solche Potentialgradienten lässt sich ein schnelles Entleeren bewirken.
  • In Kenntnis dieser Erfindung wird es dem Fachmann möglich, auch weitere Ausführungsformen und weitere Anwendungen zu entwickeln.

Claims (14)

  1. Ionenspeicherbatterie mit Speicherzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen als Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme aufgebaut und parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Speicherzellen jeweils ein Polstabpaar gemeinsam haben, und eine Spannungsversorgung vorhanden ist, die die beiden Polstäbe eines gemeinsamen Polstabpaares mit einem gemeinsamen Gleich- oder Wechselspannungspuls versorgen kann, um gespeicherte Ionen in die benachbarte Speicherzelle zu treiben.
  2. Ionenspeicherbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Speicherzellen parallel zueinander in einer Ebene befinden.
  3. Ionenspeicherbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen parallel zueinander in einem offenen oder geschlossenen Reigen auf einem virtuellen Zylindermantel liegen.
  4. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstäbe der Speicherzellen jeweils ein Quadrupol-Stabsystem bilden.
  5. Ionenspeicherbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannungsversorgung vorhanden ist, die jedes dritte Polstabpaar mit den gleichen Gleich- und Hochfrequenzspannungen versorgt.
  6. Ionenspeicherbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschaltung der Polstäbe ein Hochfrequenztransformator mit drei Sekundärwicklungen mit Mittelabgriffen verwendet wird, und dass den drei Hochfrequenzspannungen über die Mittelabgriffe jeweils Gleichspannungen überlagert werden können.
  7. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstäbe der Speicherzellen jeweils ein Hexapol-Stabsystem bilden.
  8. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen mit einem Dämpfungsgas eines Druckes zwischen 10-3 und 10+2 Pascal befüllt sind.
  9. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere Befüllungsspeicherzellen und eine oder mehrere Entnahmespeicherzellen enthält.
  10. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere ihrer Speicherzellen mit Einrichtungen zur Fragmentierung der gespeicherten Ionen ausgestattet ist.
  11. Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere ihrer Speicherzellen mit Einrichtungen zur reaktiven Veränderung der gespeicherten Ionen ausgestattet ist.
  12. Verwendung einer Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für eine akkumulative Speicherung von Ionen gleicher Separationsfraktion, die aus einem wiederholt ausgeführten Separationsverfahren stammen.
  13. Verwendung einer Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für die Separation der Ionen nach Massen durch abnehmende Spannungen der Gleichspannungspulse während eines repetierenden Transports in Nachbarzellen.
  14. Verwendung einer Ionenspeicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für die Separation von Ionen etwa gleicher Massen nach ihrer Mobilität durch zunehmende Spannungen der Gleichspannungspulse während eines repetierenden Transports in Nachbarzellen.
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