DE102007024858B4

DE102007024858B4 - Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle

Info

Publication number: DE102007024858B4
Application number: DE102007024858A
Authority: DE
Inventors: Claus Köster
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: DE102007024858A1; US20110042562A1; US7994473B2

Abstract

Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle bestehend aus einer Außenelektrode und mindestens zwei Innenelektroden, wobei die Außenelektrode auf einem Ionen abstoßenden elektrischen Potential liegt und die Innenelektroden auf einem Ionen anziehenden elektrischen Potential liegen und wobei die Außenelektrode und die Innenelektroden so geformt und angeordnet sind, dass das elektrische Potential zwischen der Außenelektrode und den Innenelektroden einer Überlagerung von elektrischen Teilpotentialen der folgenden Form entspricht:

wobei
– x, y und z die kartesischen Koordinaten sind,
–

x

= (x + x_o)·cos(α),
– ȳ = (y + y_o)·sin(α),
– x_o, y_o, α, U₀, U_C, a, b, k_x, k_y und k_z Parameter sind,
– die Summe über die Parameter k_x, k_y und k_z gleich null ist,
– der Parameter k_z größer null ist, und
– der Parameter b ungleich null ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle. Die Erfindung besteht darin, dass die elektrostatische Ionenfalle aus einer Außenelektrode mit einem Ionen abstoßenden elektrischen Potential und mindestens zwei Innenelektroden mit einem Ionen anziehenden elektrischen Potential besteht, wobei die Außenelektrode und die Innenelektroden derart geformt und angeordnet sind, dass in einer Raumrichtung ein harmonisches elektrisches Potential ausgebildet wird und senkrecht zu dieser Raumrichtung ein elektrisches Potential ausgebildet wird, in dem sich Ionen auf stabilen radialen Trajektorien bewegen.
Stand der Technik
Für die massenspektrometrische Analyse gibt es unterschiedliche Arten von Massenspektrometern. Bekannte Arten von Massenspektrometern sind neben anderen die Ionenfallen-Massenspektrometer, zu denen beispielsweise Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS) und elektrostatische Ionenfallen zählen.
Dabei kann in allen Massenspektrometern immer nur das Verhältnis aus der Ionenmasse zur Ladung des Ions bestimmt werden. Wenn im Folgenden von der „Masse eines Ions” oder der „Ionenmasse” gesprochen wird, so ist immer das Verhältnis von Masse m zur Anzahl z der Elementarladungen des Ions gemeint, also die elementarladungs-bezogene Masse m/z. Die Güte eines Massenspektrometers wird neben anderen Kriterien im Wesentlichen durch die Massenauflösung und die Massengenauigkeit bestimmt. Unter Massengenauigkeit wird dabei sowohl die statistische Streuung um einen gemessenen Mittelwert als auch die systematische Abweichung des gemessenen Mittelwert vom wahren Wert der Masse verstanden.
In den Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern wird ein starkes homogenes Magnetfeld verwendet, um Ionen radial, und ein schwaches elektrisches Feld, um sie axial zu speichern. Das starke Magnetfeld zwingt die Ionen senkrecht zum Magnetfeld auf Kreisbahnen, auf denen sie mit der so genannten Zyklotronfrequenz umlaufen. Die Zyklotronfrequenz ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes und umgekehrt proportional zur Ionenmasse. Durch das Anlegen einer elektrischen Hochfrequenz-Spannung an geeignete Elektroden werden die Ionen einer Masse angeregt und bewegen sich dann als kohärentes Ionenpaket auf spiralförmig größer werdenden Bahnradien. Die Bahnradien der Ionenpakete werden soweit vergrößert, bis sich die Ionenpakete nahe an außen liegenden Detektorplatten vorbeibewegen und dort Bildladungen induzieren. Die Bildladungen werden in Abhängigkeit von der Zeit als induzierte Spannungen detektiert, wobei das Zeitsignal Informationen über die Zyklotronfrequenzen der umlaufenden Ionenpakete und die Anzahl an Ionen in den jeweiligen Ionenpaketen enthält. Mit einer Fourier-Transformation kann aus dem gemessenen Zeitsignal ein Frequenzspektrum berechnet werden, das über die bekannte Massenabhängigkeit der Zyklotronfrequenz in ein Massenspektrum umgewandelt werden kann. Mit einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer kann bei langen Messzeiten eine sehr hohe Massenauflösung von über 1000000 erzielt werden. Allerdings ist der Aufwand für die Herstellung und den Betrieb von Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer mit hoher Massenauflösung sehr hoch, da nur supraleitende Magnete mit Heliumkühlung in der Lage sind, die Magnetfelder in der notwendigen Stärke von etwa 10 Tesla zu erzeugen.
Schon aus einer Veröffentlichung von K. H. Kingdon (Physical Review, 21, 1923, p. 408–418: „A Method for the neutralization of electron space charge by positive ionization at very low gas pressures”) ist bekannt, dass Ionen auch in einem elektrostatischen Feld gespeichert werden können, indem sich Ionen mit hinreichender kinetischer Energie um eine anziehende Innenelektrode bewegen. Aus US 5886346 A ist eine andere elektrostatische Ionenfalle bekannt, die als Orbitrap^TM in den Markt eingeführt wurde. Die Orbitrap^TM besteht aus einer einzelnen spindelförmigen Innenelektrode und einer koaxialen Außenelektrode, wobei die Außenelektrode ein Ionen abstoßendes elektrisches Potential und die Innenelektrode ein Ionen anziehendes elektrisches Potential aufweisen. Aus WO 2007/000587 A2 ist eine elektrostatische Ionenfalle bekannt, in der die Außenelektrode und die Innenelektrode der elektrostatischen Ionenfalle jeweils aus segmentierten Teilelektroden aufgebaut sind und so mit elektrischen Potentialen versorgt werden, dass das rotationssymmetrische elektrostatische Feld der Ionenfalle gemäß US 5886346 A erzeugt wird. Die Ionen werden mit Hilfe einer Ionenoptik als Ionenpakete tangential zur Innenelektrode eingeschossen und bewegen sich in einem hyperlogarithmischen elektrischen Potential. Die kinetische Einschussenergie der Ionen wird dabei so eingestellt, dass sich die anziehenden Kräfte und die Zentrifugalkräfte ausgleichen und sich die Ionen somit auf kreisförmigen Trajektorien bewegen. In Richtung der Elektrodenachse weist das elektrische Potential der Orbitrap^TM eine Potentialsenke auf, in der die Ionenpakete harmonische Schwingungen ausführen. Dabei ist die Schwingungsfrequenz in einem streng harmonischen Potential umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Ionenmasse. Ähnlich wie in einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer induzieren auch hier die Ionenpakete Bildladungen und Spannungen, die als Funktion der Zeit gemessen werden. Die Massenauflösung einer Orbitrap^TM liegt derzeit bei etwa 100000.
Der Vorteil der Orbitrap gegenüber einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer mit hoher Massenauflösung besteht darin, dass für die Speicherung der Ionen kein supraleitender Magnet notwendig und damit der gerätetechnische Aufwand geringer ist. Die mechanischen Anforderungen bei der Herstellung der Elektroden sind sehr hoch. Außerdem ist der Einschuss der Ionen kritisch, da für eine Speicherung Ionen mit unterschiedlichen Massen nahezu gleichzeitig eingeschossen werden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die kinetische Energie der Ionen beim Einschuss nur in einem kleinen Toleranzbereich variieren darf. Aus US 2005/0121609 A1 sind dazu Vorrichtungen und Verfahren bekannt, mit denen der Einschuss von Ionen in eine elektrostatische Ionenfalle gemäß US 5886346 A bevorzugt erfolgen kann.
Aus US 2007/0023629 A1 ist des Weiteren bekannt, dass eine elektrostatische Ionenfalle gemäß US 5886346 A mit einer konventionellen linearen Hochfrequenz-Ionenfalle gekoppelt werden kann, um Fragmentionen in der linearen Hochfrequenz-Ionenfalle zu erzeugen und diese in die elektrostatische Ionenfalle zu überführen und dort zu analysieren.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle bereitzustellen, das bei einer kompakten Bauweise eine hohe Massenauflösung erreicht und eine einfache Einführung der Ionen in die elektrostatische Ionenfalle ermöglicht.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle nach Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 15 ausgeführt. Weitere Patentansprüche 16 bis 20 führen Verfahren zur Einführung von extern erzeugten Ionen in die elektrostatische Ionenfalle aus.
Die Erfindung besteht darin, dass die elektrostatische Ionenfalle aus einer Außenelektrode mit einem Ionen abstoßenden elektrischen Potential und mindestens zwei Innenelektroden mit einem Ionen anziehenden elektrischen Potential besteht. Die Außenelektrode und die Innenelektroden sind dabei so geformt und angeordnet, dass das elektrische Potential zwischen der Außenelektrode und den Innenelektrode durch eine Überlagerung von elektrischen Teilpotentialen der folgenden Form gegeben ist:
Dabei sind x, y und z die kartesischen Koordinaten. x und ȳ sind die um x_o bzw. y_o versetzten und um den Winkel α gedrehten kartesischen Koordinaten x und y: x = (x + x_o)·cos(α), ȳ = (y + y_o)·sin(α).
Die einzelnen elektrischen Teilpotentiale werden jeweils durch Parameter x_o, y_o und α sowie a, b, U_c, U_o, k_x, k_y und k_z festgelegt. Alle elektrischen Teilpotentiale weisen in z-Richtung ein harmonisches elektrisches Potential auf, d. h., dass der Parameter k_z größer als null ist. Die Bewegung der Ionen senkrecht zur z-Achse ist unabhängig von ihrer Bewegung in z-Richtung, so dass die Ionen in z-Richtung harmonische Schwingungen ausführen. Die Summe über die Parameter k_x, k_y, und k_z ist gleich null. Der Parameter b ist für jedes der elektrischen Teilpotentiale ungleich null, so dass das elektrische Potential im Inneren der elektrostatischen Ionenfalle mindestens zwei Polstellen aufweist.
Das elektrische Potential in der elektrostatischen Ionenfalle kann erzeugt werden, indem die Außenelektrode und die Innenelektroden so geformt und angeordnet sind, dass die Innenfläche der Außenelektrode und die Oberfläche der Innenelektroden den Äquipotentialflächen des elektrischen Potentials entsprechen. Auf diese Weise kann das elektrische Potential bei einer Überlagerung von mehr als einem elektrischen Teilpotential mit drei oder mehr Innenelektroden erzeugt werden. Neben der Nachformung von Äquipotentialflächen können die Außenelektrode oder die Innenelektroden natürlich auch aus einer Vielzahl von Segmenten bestehen, die derart geformt, angeordnet und mit Spannungen versorgt werden, dass das entsprechende elektrische Potential entsteht.
Von Außen eingeführte oder intern erzeugte Ionen werden in der elektrostatischen Ionenfalle bei geeigneter Wahl der oben genannten Parameter in allen drei Raumrichtungen gespeichert. Die radiale Bewegung in x- und y-Richtung ist dabei komplexer als die entkoppelte harmonische Bewegung in z-Richtung. In Abhängigkeit von der Anzahl und der Anordnung der Innenelektroden sowie vom Startort und von der Startgeschwindigkeit der Ionen sind unterschiedliche radiale Trajektorien möglich, wie zum Beispiel kreisförmige, ellipsenförmige oder lemniskatenartige Trajektorien. Einige radiale Trajektorien, also die Projektion der Trajektorien der Ionen auf die x-y Ebene, sind in den , und für ein bevorzugtes Elektrodensystem mit zwei spindelförmigen Innenelektroden dargestellt. Die zeigt eine komplexe radiale Trajektorie in einem Elektrodensystem aus vier Innenelektroden, die der Form eines Kleeblatts ähnelt.
Das Elektrodensystem kann neben der Außenelektrode und den Innenelektroden weitere Hilfselektroden aufweisen, die so auf einem oder mehreren Trägern angeordnet sind und mit elektrischen Spannungen versorgt werden, dass sie das elektrische Potential innerhalb der elektrostatischen Ionenfalle im Wesentlichen nicht stören. Die Träger mit den Hilfselektroden können dabei so angeordnet sein, dass sie die elektrostatische Ionenfalle nach außen abschließen, wenn die Außenelektrode die Innenelektroden nicht vollständig umschließt, oder in Bereiche unterteilen, die unabhängig voneinander unterschiedliche elektrischen Potentiale aufweisen. So ist es möglich, dass beispielsweise ein Bereich der elektrostatischen Ionenfalle feldfrei ist, während in einem anderen Bereich ein elektrisches Speicherpotential herrscht.
Die Spannungsversorgung für die Außenelektrode, die Innenelektroden, die Segmente der Außenelektrode und der Innenelektroden sowie für die Hilfselektroden kann so ausgebildet sein, dass sie zeitlich veränderliche Spannungen zur Verfügung stellt bzw. auf unterschiedliche Spannungen schaltet. Die Elektroden des Elektrodensystems oder ein Teil davon können so während der Einpulsung von Ionen zeitweise auf Erdpotential geschaltet werden, um die Ionen mit geeigneten Startbedingungen in ein feldfreies Elektrodensystem bzw. einen feldfreien Bereich des Elektrodensystems einzuführen. Nach dem Umschalten oder Einschwingen auf die elektrischen Speicherpotentiale bleiben die Ionen im Elektrodensystem gespeichert.
Die Potentialdifferenz zwischen der Außenelektrode und einer der Innenelektroden beträgt bevorzugt zwischen 1 Kilovolt und 50 Kilovolt, besonders bevorzugt zwischen 5 Kilovolt und 25 Kilovolt und insbesondere um 10 Kilovolt.
Ein bevorzugtes Elektrodensystem einer erfindungsgemäßen elektrostatischen Ionenfalle besteht aus einer Außenelektrode und zwei spindelförmigen Innenelektroden, die ein einzelnes Teilpotential der Form erzeugen:
wobei die Außenelektrode und die beiden spindelförmigen Innenelektroden so geformt und angeordnet sind, dass die Innenfläche der Außenelektrode und die Oberfläche der spindelförmigen Innenelektroden jeweils einer Äquipotentialfläche des elektrischen Potentials entsprechen. Die beiden Innenelektroden liegen vorzugsweise auf dem gleichen elektrischen Potential. Die Parameter a und b legen die radiale Geometrie des Elektrodensystems fest. Der Parameter b entspricht dabei etwa dem Abstand der spindelförmigen Innenelektrode zur z-Achse, genauer dem Abstand der Spindelachse zur z-Achse. Der Parameter U_c ist abhängig von den Äquipotentialflächen der Elektroden und proportional zur Potentialdifferenz zwischen der Außenelektrode und den Innenelektroden. Der Parameter k bestimmt die Bewegung der Ionen in z-Richtung und ist ebenfalls proportional zur Potentialdifferenz zwischen der Außenelektrode und den Innenelektroden.
Die Detektion eines massenabhängigen Signals erfolgt bevorzugt durch die Messung der Periodendauer der harmonischen Schwingung in z-Richtung. Die Ionen jeweils einer Masse müssen dafür im Wesentlichen als ein kohärentes Ionenpaket in z-Richtung schwingen bzw. zumindest zeitweise eine beschränkte räumliche Ausdehnung entlang der z-Richtung aufweisen. Der große inhärente Vorteil eines harmonischen Potentials besteht natürlich darin, dass Ionen der gleichen Masse, aber mit unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten die gleiche Periodendauer haben, so dass ein Ionenpaket nach einer Schwingungsperiode wieder räumlich und zeitlich fokussiert ist, sich die Ionen also zumindest zeitweise kohärent bewegen. Eine grundsätzliche Voraussetzung für die Messung der Periodendauer der harmonischen Schwingung ist, dass sich die Ionen auch radial hinreichend lange auf räumlich stabilen Trajektorien bewegen und nicht auf eine Elektrode des Elektrodensystems treffen.
Die Periodendauer der harmonischen Schwingung ist proportional zur Wurzel aus der Innenmasse und umgekehrt proportional zur Wurzel des Parameters k. Die Massenauflösung ist proportional zur Anzahl der gemessenen Schwingungsperioden. Um die Massenauflösung zu erhöhen, müssen die Ionenpakete nur länger in der elektrostatischen Ionenfalle gespeichert bleiben. Mit typischen Schwingungsfrequenzen von einigen hundert Kilohertz wird leicht eine hohe Massenauflösung von über 50000 in einer Messzeit von weniger als einer Sekunde erzielt. Eine Massenauflösung von über 100000 bis zu 1000000 ist durchaus erreichbar.
Die schwingenden Ionenpakete induzieren in einem Ionendetektor ein periodisches Signal, das elektronisch verstärkt und zeitlich aufgelöst gemessen wird. Der Ionendetektor weist Detektionselemente auf, wie beispielsweise Detektionsspulen, in denen die Ionenpakete beim Durchflug Spannungen induzieren, oder Detektionselektroden, wie beispielsweise Segmente der Außenelektrode oder der Innenelektroden, in denen die Ionenpakete beim Vorbeiflug Bildladungen induzieren.
Eine für die Detektion notwendige kohärente Bewegung der Ionenpakete kann dadurch erreicht werden, dass Ionen zeitlich gepulst in das Innere der elektrostatischen Ionenfalle eingeführt werden, und zwar außerhalb des Minimums des harmonischen Potentials. Bei einem Elektrodensystem mit zwei spindelförmigen Innenelektroden werden die Ionen bevorzugt in der Symmetrieebene (y-z Ebene) zwischen den beiden Innenelektroden eingeführt und pendeln dort in y-Richtung zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Außenelektrode hin und her. Wenn die Ionen außerhalb des Potentialminimums eingeführt werden, fangen die Ionen an, in z-Richtung zu schwingen, sobald sie sich im Inneren der elektrostatischen Ionenfalle befinden. Die gepulste Einführung der Ionen begrenzt die räumliche Ausdehnung der Ionenpakete in z-Richtung. Dabei sollte die anfängliche Ausdehnung für eine gute Detektierbarkeit kleiner als die Schwingungsamplitude in z-Richtung sein. Da die Ionen bei der Einführung in die elektrostatische Ionenfalle eine gewisse kinetische Energie aufweisen, wird das elektrische Speicherpotential beim Einpulsen kurzzeitig abgesenkt bzw. nach dem Einpulsen der Ionen angehoben, damit die Ionen beim Zurückschwingen nach der ersten Schwingungsperiode am Einführungsort nicht wieder gegen die Außenelektrode stoßen.
Bei der Überführung von Ionen aus einem Ionenspeicher in eine Ionenfalle durchlaufen die Ionen in der Regel eine Beschleunigungsstrecke mit konstanter Spannung, so dass bei gleicher kinetischer Energie leichtere Ionen schneller als schwerere Ionen sind. Das führt dazu, dass leichtere Ionen früher als schwerere Ionen in die Ionenfalle gelangen. Diese massenabhängige Geschwindigkeitsdispersion beschränkt den Dynamikbereich der Ionenmassen, die in einem Einpulsungsvorgang in die Ionenfalle übertragen und analysiert werden können. Das elektrische Potential an den Elektroden der elektrostatischen Ionenfalle sollte nach der ersten Schwingungsperiode der leichtesten zu analysierenden Ionen dem elektrischen Speicherpotential entsprechen. Nach diesem Zeitpunkt können zeitlich verzögerte Ionen mit größeren Massen nicht mehr in die elektrostatische Ionenfalle eingeführt werden. In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 021 701 A1 wird allerdings eine Ionenoptik beschrieben, mit der Ionen unterschiedlicher Masse gleichzeitig in eine Ionenfalle eingeführt werden können, wobei die Ionen sogar noch die gleiche kinetische Energie aufweisen. Dazu werden Ionen aus einem der Ionenfalle vorgelagerten Ionenspeicher massenselektiv entnommen, und zwar derart, dass die schwereren Ionen vor den leichteren Ionen entnommen werden, wodurch der Laufzeiteffekt der Beschleunigungsstrecke kompensiert wird. Eine solche Ionenoptik ermöglicht die Einführung von Ionenpakete mit einem großen Dynamikbereich an Ionenmassen.
Eine weitere Möglichkeit, eine kohärente Bewegung von Ionenpaketen zu erzeugen, besteht darin, Ionen im Potentialminimum der z-Richtung quasi-kontinuierlich einzuführen. Die Ionen bewegen sich dabei entsprechend ihrer Anfangsenergie in z-Richtung mit einer sehr kleinen Schwingungsamplitude. Das elektrische Potential an den Innenelektroden wird dabei vorzugsweise kontinuierlich abgesenkt, so dass die eingeführten Ionen beim Zurückschwingen zum Einführungsort nicht an die Außenelektrode stoßen und sich die eingeführten Ionen während des gesamten Einführungsvorgangs auf stabilen Trajektorien bewegen. Die im Potentialminimum gespeicherten Ionen können nach der Einführung mit einem transienten elektrischen Dipolfeld zu Schwingungen angeregt werden. Hier sind besonders Hochfrequenz-Dipolfelder in z-Richtung geeignet, die durch eine Hochfrequenzspannung zwischen Segmenten der Außenelektrode erzeugt werden. Die für die Anregung verschiedener Ionenmassen notwendigen Frequenzgemische sind von Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern bekannt. Zur Anregung kann auch ein zeitlich gepulstes elektrisches Dipolfeld in z-Richtung verwendet werden.
Im Gegensatz zur Orbitrap^TM können die Ionen mit einer nahezu verschwindenden kinetischen Energie in eine erfindungsgemäße Ionenfalle eingeführt werden, wenn sie nahe der Spiegelebene zwischen den beiden Innenelektroden eingeführt werden, da keine Zentrifugalkräfte für eine Rotationsbewegung um eine zentrale Innenelektrode benötigt werden, um die Ionen radial zu speichern. Die Einführung der Ionen in eine erfindungsgemäße elektrostatische Ionenfalle kann dadurch erheblich vereinfacht werden.
Neben der Periodendauer der harmonischen Schwingung in z-Richtung kann auch die Periodendauer in radialer Richtung als massenabhängiges Signal verwendet werden. Die Ionen jeweils einer Ionenmasse müssen sich dazu zumindest zeitweise in radialer Richtung als kohärente Ionenpakete im Elektrodensystem bewegen. Es gibt Elektrodengeometrien, in denen bei optimalen Anfangsbedingungen (Startort, Startrichtung und kinetische Energie) die radiale Periodendauer für ein einzelnes Ion konstant bleibt. Allerdings schwankt die radiale Periodendauer von Umlauf zu Umlauf, wenn von den optimalen Anfangsbedingungen abgewichen wird. Unter realen Bedingungen variieren die Anfangsbedingungen der Ionen in einem Ionenpaket bei der Einführung in die elektrostatische Ionenfalle. Das Ionenpaket läuft damit räumlich auseinander und wird nicht wieder vollständig fokussiert, wie es im harmonischen Potential der Fall ist. Die Schwankungsbreite der radialen Periodendauer ist überraschenderweise unabhängig von der Anzahl der Perioden. Die nichtlineare radiale Bewegung der Ionen scheint zwar in der Regel keine vollständige Zeitfokussierung zu ermöglichen, es ist aber eine Art von mittlerer Zeitfokussierung bei einer nach oben beschränkten Schwankungsbreite zu finden. Zudem gibt es Elektrodengeometrien, in denen die Mittelwerte der radialen Periodendauern für reale Anfangsbedingungen so wenig von einander abweichen, dass bei Mittelung über eine entsprechend große Zahl von Umläufen eine hohe Massenauflösung von über 10000 erreicht werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer umfasst neben der elektrostatischen Ionenfalle weiterhin eine Ionenquelle und optional auch ein Ionenleitsystem nach dem Stand der Technik, das die Ionen zwischen der Ionenquelle und der elektrostatischen Ionenfalle überführt, gegebenenfalls speichert, zeitlich oder räumlich konditioniert, nach ihrer Masse selektiert oder fragmentiert.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die zeigt ein Elektrodensystem (1) einer elektrostatischen Ionenfalle mit einer segmentierten Außenelektrode (10) und zwei spindelförmigen Innenelektroden (21, 22) in einer drei-dimensionalen Darstellung.
Die bis zeigen das Elektrodensystem (1) in der x-z Ebene, x-y Ebene bzw. y-z Ebene, wobei auch die Trajektorien (30) von gespeicherten Ionen als Projektion auf die jeweilige Ebene dargestellt sind.
Die zeigt das Elektrodensystem (1) mit einer Ionenoptik (40) zur Einpulsung von Ionenpaketen in das Innere des Elektrodensystems (1), wobei die Außenelektrode (11) in der y-z Ebene außerhalb des Potentialminimums eine Öffnung aufweist, durch die die Ionen in das Innere des Elektrodensystems (1) eingeführt werden.
Die zeigt das Elektrodensystem (1) mit einer Ionenoptik (50) zur quasi-kontinuierlichen Einführung von Ionen in das Innere des Elektrodensystems (1), wobei die Ionen in der y-z Ebene im Potentialminimum des harmonischen Potentials in das Innere des Elektrodensystems (1) eingeführt werden.
Die zeigt das Elektrodensystem (1) mit einer MALDI-Ionenquelle (60) zur Einpulsung von Ionenpaketen in das Innere des Elektrodensystems (1), wobei die Außenelektrode (11) in der y-z Ebene außerhalb des Potentialminimums eine Öffnung aufweist, durch die die Ionen in das Innere des Elektrodensystems (1) eingeführt werden.
Die und zeigen das Elektrodensystem (1) in der x-y Ebene mit einer kreisförmigen bzw. einer lemniskatenartigen Ionentrajektorie (30a, 30b).
Die zeigt ein Elektrodensystem (2) mit einer Außenelektrode (110) und vier spindelförmigen Innenelektroden (121, 122, 123, 124) in der x-y Ebene, wobei sich die Ionen radial auf einer stabilen Trajektorie (130) bewegen, die die Form eines Kleeblattes hat.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Elektrodensystems (1) einer elektrostatischen Ionenfalle in einer drei-dimensionalen Darstellung. Das Elektrodensystem (1) besteht aus einer segmentierten Außenelektrode (10) und zwei spindelförmigen Innenelektroden (21, 22). Die Außenelektrode (10) ist durch die x-y Ebene in die Außenelektroden (11) und (12) unterteilt. In der ist das Elektrodensystem (1) im ersten Quadranten der x-y Ebene entlang der z-Achse aufgeschnitten.
Die Außenelektroden (11, 12) befinden sich für die Speicherung von Ionen auf einem Ionen abstoßenden elektrischen Potential, während die beiden Innenelektroden (21, 22) auf einem Ionen anziehenden elektrischen Potential liegen. Die Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden (11, 12) und den Innenelektroden (21, 22) beträgt bevorzugt zwischen 1 Kilovolt und 50 Kilovolt, besonders bevorzugt zwischen 5 Kilovolt und 15 Kilovolt und insbesondere um 10 Kilovolt.
Die Außenelektroden (11, 12) und die beiden Innenelektroden (21, 22) sind derart geformt und angeordnet, dass die Innenfläche der Außenelektroden (11, 12) und die Oberfläche der Innenelektroden (21, 22) jeweils einer Äquipotentialfläche des elektrischen Potentials U(x, y, z) entsprechen:
Die Parameter a und b legen die radiale Geometrie des Elektrodensystems (1) fest. Der Parameter b ist ungleich Null und entspricht etwa dem Abstand der Innenelektroden (21) und (22) zur z-Achse, genauer dem Abstand der Spindelachse zur z-Achse. Der Parameter U_c ist abhängig von den Äquipotentialflächen der Elektroden und proportional zur Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden (11, 12) und den Innenelektroden (21, 22). Der Parameter k bestimmt die Bewegung der Ionen in z-Richtung und ist ebenfalls proportional zur Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden (11, 12) und den Innenelektroden (21, 22).
Der Abstand zwischen den beiden Innenelektroden (21, 22) ist bevorzugt kleiner als 200 Millimeter, besonders bevorzugt kleiner als 50 Millimeter und insbesondere um 10 Millimeter. Das Verhältnis zwischen dem Abstand der Innenelektroden (21, 22) und deren Länge kann beispielsweise 1:2, 1:5, 1:10, 1:20 sein. Es sind allerdings auch Geometrien möglich bei denen der Abstand zwischen den Innenelektroden (21, 22) größer als die Länge der Innenelektroden (21, 22) ist, beispielsweise 2:1 oder 5:1. Ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer mit einer derartigen elektrostatischen Ionenfalle kann somit eine sehr kompakte Bauform aufweisen.
Der Parameter k, die Ionenmasse m und die Ladung q des Ions legen die Schwingungsfrequenz f der harmonischen Schwingung fest:
Der Parameter k beträgt bevorzugt zwischen 0.1 und 100·10⁶ Volt pro Quadratmeter. Mit einem bevorzugten Wert von etwa 7·10⁶ Volt pro Quadratmeter ergibt sich eine Schwingungsfrequenz von ungefähr 585 Kilohertz für ein einfach geladenes Ion der Masse 100 u (u = vereinheitlichte atomare Masseneinheit). Diese Schwingungsfrequenzen ermöglichen es, eine Massenauflösung von über 50000 in kurzer Messzeit zu erzielen. Höchste Massenauflösungen von über 100000 bis zu 1000000 sind erreichbar.
Die bis zeigen das Elektrodensystem (1) aus der in der x-z Ebene, x-y Ebene bzw. y-z Ebene. Neben den Außenelektroden (11, 12) und den Innenelektroden (21, 22) sind hier zusätzlich die Trajektorien (30) von gespeicherten Ionen dargestellt, die auf die jeweilige Ebene projiziert sind.
Der Abstand der Innenelektroden (21, 22) in der x-y Ebene beträgt hier etwa 10 Millimeter bei einer Elektrodenlänge von etwa 90 Millimeter. Wie in den und zu erkennen ist, ist die Außenelektrode (10) durch die x-y Ebene in die Außenelektroden (11) und (12) unterteilt. In den und sind die Außenelektroden (11, 12) nahe der x-y Ebene bzw. die Innenelektroden (21, 22) angedeutet.
Wie in den bis dargestellt, bewegen sich die Ionen zwischen den beiden Innenelektroden (11, 12) auf stabilen Trajektorien (30). Die gespeicherten Ionen befinden sich zwischen den Innenelektroden (21, 22) nahe der y-z Ebene und schwingen zwischen gegenüberliegenden Seiten der Außenelektrode (10) hin und her. Die harmonische Bewegung in z-Richtung ist in der zu erkennen. Im Potentialminimum ist die Dichte der Trajektorien (30) aufgrund der hohen kinetischen Energie der Ionen geringer als an den beiden Umkehrpunkten der harmonischen Schwingung. Die Schwingungsamplitude beträgt etwa 10 Millimeter. Im Gegensatz zur Orbitrap^TM rotieren die Ionen nicht mit einer konstanten kinetischen Energie um eine Elektrode, sondern schwingen auch radial zwischen zwei Umkehrpunkten. Es sind also keine Zentrifugalkräfte notwendig, um die Ionen auf einer stabilen radialen Trajektorie zu halten.
Die zeigt eine bevorzugte Ionenoptik (40) zur Einpulsung von extern erzeugten Ionen. Die Ionen werden in einer beliebigen Ionenquelle erzeugt und in einem Ionenleitsystem bis zur ringförmigen Elektrode (41) geführt. Die Ionenquelle und das Ionenleitsystem nach dem Stand der Technik sind hier nicht dargestellt. Dabei kann ein Ionenleitsystem neben der Überführung der Ionen von der Ionenquelle zur Ionenoptik (40) weitere Funktionen haben, wie beispielsweise die Ionen zeitlich oder räumlich formen, speichern, nach ihrer Masse selektieren oder fragmentieren.
Die radiale Speicherung der Ionen in der Ionenoptik (40) erfolgt mit Hilfe eines Hochfrequenz-Stabsystems (42), das die Ionen auf die Achse des Stabsystems (42) einengt. Aus dem Stand der Technik ( DE 102 21 468 A1 ; DE 10 2004 014 584 A1 ) ist zudem bekannt, wie in dem Stabsystem (42) ein axialer Vortrieb der Ionen in Richtung der Elektroden (43) und (44) erzeugt werden kann. Die Ionen werden nach der Überführung aus dem Ionenleitsystem in das Stabsystem (42) durch abstoßende Gleichspannungspotentiale an den Elektroden (41) und (43) auch axial eingefangen. Aufgrund des axialen Vortriebs sammeln sich die Ionen vor der Elektrode (43). Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass sich im Stabsystem (42) ein Gas befindet, in dem die Ionen gekühlt werden, so dass die Ionen noch weiter auf die Achse des Stabsystems (42) eingeengt werden.
Die Elektroden (43) bis (45) bilden eine Ziehlinse. Die Elektrode (45) ist als Segment der Außenelektrode (11) ausgebildet. Die Ionen werden aus dem speichernden Stabsystem (42) in das Innere des Elektrodensystems (1) eingepulst, indem Gleichspannungspotentiale an den Elektroden (43) bis (45) mit einer schnellen Flanke abgesenkt werden. Da die Einpulsung senkrecht zur Innenwand der Außenelektrode (11) erfolgt, können die Ionen mit einer kinetischen Energie von weniger als 1000 Elektronenvolt eingeführt werden. Die kinetische Energie der Ionen kann auch nur einige zehn Elektronenvolt betragen, wie es beispielsweise bei der Einführung von Ionen in die Ablenkeinheit eines Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss üblich ist.
Die Elektrode (45) liegt in der y-z Ebene außerhalb des Minimums des harmonischen Potentials, so dass die eingepulsten Ionen (46) sofort mit einer harmonischen Schwingung in z-Richtung beginnen. Da die eingepulsten Ionen (46) beim Einpulsen nur eine geringe räumliche Ausdehnung in z-Richtung aufweisen, schwingen Ionen einer Masse als kohärente Ionenpakete im harmonischen Potential. Die Öffnung in der Elektrode (45), durch die die Ionen eingepulst werden, kann kreisförmig sein, aber auch wie ein Spalt geformt sein. Der Spalt ist dabei vorzugsweise senkrecht zur y-z Ebene ausgedehnt. Der Spalt kann in etwa so lang wie der Abstand zwischen den Oberflächen der beiden Innenelektroden sein. Die Ionen können aber auch als ein Ionenfaden radial aus einem Hochfrequenz-Stabsystem ausgeworfen ( DE 195 11 333 C1 ) und durch einen Spalt in das Innere des Elektrodensystems (1) eingepulst werden.
Wie in der angedeutet ist, laufen Ionen mit unterschiedlicher Masse nach der Einpulsung aufgrund der unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen auseinander. Die Ionentrajektorien (30) deuten die räumliche Ausdehnung der Ionen im Elektrodensystem (1) nach mehreren Schwingungsperioden an.
Die Zeitdauer des Einpulsen wird nach oben durch zwei Faktoren begrenzt. Zum einen sollte die Einpulsung eines Ionenpaketes mit Ionen einer bestimmten Masse nicht länger als etwa die halbe Schwingungsdauer im harmonischen Potential dauern, da ansonsten kein hinreichend kohärentes Ionenpaket vorliegt und eine Detektion der Schwingungsfrequenz nur noch eingeschränkt möglich ist. Zum anderen muss das abgesenkte elektrische Potential an der Elektrode (45) wieder auf das Speicherpotential (in der Praxis Erdpotential) geschaltet werden, wenn die leichtesten zu analysierenden Ionen eine erste Schwingungsperiode beendet haben, damit diese nicht wieder auf die Elektrode (45) treffen. Diese Einschränkung ist allerdings nur dann gültig, falls die Schwingungsdauer in z-Richtung ein ganzzahliges Vielfaches der radialen Schwingungsdauer ist. Ansonsten befinden sich die Ionen am Umkehrpunkt der harmonischen Schwingung nicht wieder am Ort der Elektrode (45).
Um den Dynamikbereich der Ionenmassen zu erhöhen, kann eine modifizierte Ionenoptik verwendet werden, wie sie in der Patentanmeldung DE 10 2007 021 701 A1 beschrieben wird. Hier werden Ionen unterschiedlicher Masse gleichzeitig in eine Ionenfalle eingeführt, wobei die Ionen keine oder nur sehr geringe Unterschiede in der kinetischen Energie aufweisen.
Die Detektion der masseabhängigen Periodendauer im harmonischen Potential erfolgt in dieser Ausführungsform durch die Induktion von Bildladungen auf den Außenelektroden (11, 12). Die zwischen den beiden Außenelektroden (11) und (12) induzierten Spannungen werden elektronisch verstärkt und zeitlich aufgelöst nachgewiesen. Die dafür notwendigen elektronischen Messmittel sind aus Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern bekannt.
Die zeigt eine bevorzugte Ionenoptik (50) zur quasi-kontinuierlichen Einführung von extern erzeugten Ionen. Die Ionenquelle und ein optionales Ionenleitsystem sind hier nicht dargestellt. Die Ionen werden von der Ionenquelle in ein Hochfrequenz-Stabsystem (52) überführt und dort gespeichert. Die Elektroden (51) und (53) schließen den Ionenspeicher mit Ionen abstoßenden Gleichspannungspotentialen in axialer Richtung ab. Neben einem Hochfrequenz-Stabsystem können, wie in der vorhergehenden Ausführungsform auch, andere Hochfrequenz-Ionenspeicher verwendet werden, wie beispielsweise Elektrodensysteme aus hintereinander angeordneten Ringelektroden oder Blenden ( DE 195 23 859 C2 ; DE 10 2004 048 496 A1 ).
Die Elektroden (53) bis (55) bilden eine Ziehlinse. Die Elektrode (55) ist als Segment der Außenelektroden (11) und (12) ausgebildet. Die Ionen werden aus dem Hochfrequenz-Stabsystem (52) in das Innere des Elektrodensystems (1) quasikontinuierlich eingeführt, indem Gleichspannungspotentiale an den Elektroden (53) bis (55) abgesenkt werden. Ein axialer Vorschub entlang der Achse des Stabsystems (52) ist auch hier von Vorteil, um die elektrostatische Ionenfalle in einer möglichst kurzen Zeit mit den Ionen aus dem Stabsystem (52) zu füllen.
Die Ionen werden in der y-z Ebene genau im Minimum des harmonischen Potentials eingeführt und bewegen sich aufgrund geringer kinetischer Energie in z-Richtung nicht aus dem Potentialminimum heraus. Damit die Ionen nach einer ersten „radialen” Schwingung in der x-y Ebene nicht wieder auf die Elektrode (55) treffen, wird das elektrische Potential der Innenelektroden (21, 22) kontinuierlich abgesenkt.
Nach der Einführung der Ionen aus dem Stabsystem (52) in das Innere des Elektrodensystems (1) werden die im Potentialminimum gespeicherten Ionen (56) zu einer kohärenten Bewegung angeregt. Eine Anregung von kohärent schwingenden Ionenpaketen kann dadurch erreicht werden, dass zwischen den Außenelektroden (11) und (12) eine transiente Hochfrequenzspannung angelegt wird, die in z-Richtung ein elektrisches Dipolfeld erzeugt. Die zur Anregung von verschiedenen Ionenmassen notwendigen Frequenzgemische sind von Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern bekannt. Als Anregungsfeld kann aber auch ein zeitlich gepulstes Dipolfeld in z-Richtung verwendet werden, der die kohärenten Schwingungen für alle Massen gleichzeitig anstößt.
Die Detektion eines massenabhängigen Signals erfolgt, wie in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben, durch die Detektion der von der Ionenmasse abhängigen Periodendauern der harmonisch schwingenden Ionenpakete.
Die zeigt das Elektrodensystem (1) mit einer MALDI-Ionenquelle (60) (MALDI = Matrix Assisted Laser Desorption and Ionization) zur Einpulsung von Ionen in das Innere des Elektrodensystems (1). Die MALDI-Ionenquelle (60) besteht aus einem Probenträger (61), auf dem eine Probe (62) aufgebracht ist, und den Elektroden (64) und (65). Die Außenelektrode (11) ist durch die Elektrode (65) segmentiert.
Der Probenträger (61) kann über eine nicht dargestellte Bewegungseinrichtung so verschoben werden, dass weitere Proben auf dem Probenträger (61) nacheinander bzw. verschiedene Stellen der Probe (62) in den Fokus eines gepulsten Laserstrahls (63) gebracht werden. Das Lasersystem zur Erzeugung und Fokussierung des gepulsten Laserstrahls (61) ist in der nicht dargestellt.
In der Probe (62) sind Analytmoleküle in einer festen polykristallinen Matrix eingebettet. Der gepulste Laserstrahl (63) wird durch zwei Öffnungen in der Außenelektrode (11) auf die Probe (62) fokussiert. Durch die gepulste Bestrahlung wird die Matrix explosionsartig aus dem festen Aggregatzustand in die Gasphase einer Verdampfungswolke (66) überführt, in der die Ionisation der Analytmoleküle erfolgt.
Wie in den beiden vorhergehenden Ausführungsformen werden die Ionen auch hier senkrecht zur Innenwand der Außenelektrode (11) eingeführt. Die Elektrode (65), durch die die Ionen eingepulst werden, liegt in der y-z Ebene außerhalb des Minimums des harmonischen Potentials, so dass die Ionenpakete sofort mit einer harmonischen Schwingung in z-Richtung beginnen. Zur Einpulsung können die Gleichspannungspotentiale am Probenträger (61) und an den Elektroden (64, 65) so geschaltet werden, dass die Ionen in der Verdampfungswolke (66) in das Innere des Elektrodensystems (1) abgezogen und dort fokussiert werden. Es wird durch die geringe Pulsdauer des Laserpulses, die in der Praxis nur wenige Nanosekunden beträgt, und durch die Gleichspannungspotentiale erreicht, dass die Ionen im Inneren des Elektrodensystem (1) als Ionenpakete mit einer hinreichend geringen räumlichen Ausdehnung in z-Richtung vorliegen.
Der Abstand des Probenträgers (61) zur Innenseite der Außenelektrode (11) beträgt bevorzugt weniger als 50 Millimeter, besonders bevorzugt weniger als 25 Millimeter, und hier insbesondere nur 5 Millimeter. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, einen Probenträger ohne weitere Elektroden direkt an eine Öffnung in der Außenelektrode (11) zu positionieren.
Da die Einpulsung senkrecht zur Innenwand der Außenelektrode (11) erfolgt, kann die kinetische Energie der Ionen bei der Einpulsung weniger als 1000 Elektronenvolt betragen. Die kinetische Energie der Ionen kann zudem sehr unterschiedlich sein, da sich die Verdampfungswolke (66) adiabatisch ausdehnt und damit die darin befindlichen Ionen eine massenunabhängige Geschwindigkeitskomponente erhalten. Das in den bis dargestellte Elektrodensystem (1) ermöglicht es, Ionen mit einer großen Streuung der kinetischen Energie stabil in radialer Richtung zu speichern, wenn sie orthogonal eingepulst bzw. eingeführt werden.
In einer MALDI-Ionenquelle (60) erzeugte Ionen können natürlich auch im Minimum des harmonischen Potentials eingepulst werden und anschließend durch ein transientes elektrisches Dipolfeld zu harmonischen Schwingungen angeregt werden. Es sind auch andere Ionenquellen einsetzbar, bei denen Analytmoleküle von einem Probenträger desorbiert und ionisiert werden.
In den und sind zwei weitere stabile radiale Ionentrajektorien (30a, 30b) für das Elektrodensystem (1) in der x-y Ebene dargestellt. Während sich die Ionen in der in einer kreisförmigen Trajektorie (30a) um die beiden Innenelektroden (21, 22) bewegen, ist die Trajektorie (30b) in der lemniskatenartig. Unter einer lemniskatenartigen Trajektorie ist eine Trajektorie zu verstehen, die einer Lemniskate, also der Figur einer liegenden „8” (∞), entspricht oder ähnlich ist. Die Ionen können sich auch auf noch komplexeren stabilen Trajektorien bewegen, die im Vergleich zu einer Lemniskate mehr als zwei Schleifen oder mehr als einen Kreuzungspunkt aufweisen.
Eine Einführung der Ionen auf die Trajektorien (30a, 30b) erfolgt durch einen tangentialen Einschuss der Ionen in das Elektrodensystem (1). Die Spannungsversorgung für die Außenelektrode (11, 12) und die Innenelektroden (21, 22) bzw. deren Segmente kann dafür so ausgebildet sein, dass sie zeitlich veränderliche Spannungen zur Verfügung stellt bzw. zwischen unterschiedlichen elektrischen Potentialen umschaltet. Die Elektroden (11, 12, 21, 22) des Elektrodensystems (1) können so beispielsweise während der Einpulsung der Ionen zeitweise auf Erdpotential geschaltet werden, um die Ionen mit geeigneten Startbedingungen in ein feldfreies Elektrodensystem (1) einzuführen. Nach dem Umschalten oder Einschwingen auf die elektrischen Speicherpotentiale an den Elektroden (11, 12, 21, 22) bleiben die Ionen im Elektrodensystem (1) gespeichert.
Für eine tangentiale Einpulsung wird besonders bevorzugt die schon genannte Ionenoptik aus der Patentanmeldung DE 10 2007 021 701 A1 verwendet. In den und beträgt die kinetische Energie der Ionen beim Einschuss etwa 3000 Elektronenvolt bei einer elektrischen Potentialdifferenz von etwa 10000 Volt zwischen der Außenelektrode (10) und den beiden Innenelektroden (21, 22). Diese hohe kinetische Energie ist notwendig, um die Ionen auf einer stabilen radialen Trajektorie zu halten.
Die zeigt ein weiteres bevorzugtes Elektrodensystem (2) mit einer Außenelektrode (110) und vier spindelförmigen Innenelektroden (121, 122, 123, 124) in der x-y Ebene. Die Ionen bewegen sich radial auf einer stabilen Trajektorie (130) in der Form eines Kleeblattes um die vier Innenelektroden (121, 122, 123, 124) herum. Die Ionen können auch hier durch einen tangentialen Einschuss in das Innere des Elektrodensystems eingepulst werden.
Dem Fachmann ist es leicht möglich, weitere erfindungsgemäße Elektrodensysteme abzuleiten, in denen sich Ionen auf stabilen radialen Trajektorien bewegen und harmonisch in z-Richtung schwingen.

Claims

Massenspektrometer mit einer elektrostatischen Ionenfalle bestehend aus einer Außenelektrode und mindestens zwei Innenelektroden, wobei die Außenelektrode auf einem Ionen abstoßenden elektrischen Potential liegt und die Innenelektroden auf einem Ionen anziehenden elektrischen Potential liegen und wobei die Außenelektrode und die Innenelektroden so geformt und angeordnet sind, dass das elektrische Potential zwischen der Außenelektrode und den Innenelektroden einer Überlagerung von elektrischen Teilpotentialen der folgenden Form entspricht:
wobei – x, y und z die kartesischen Koordinaten sind, – x = (x + x_o)·cos(α), – ȳ = (y + y_o)·sin(α), – x_o, y_o, α, U₀, U_C, a, b, k_x, k_y und k_z Parameter sind, – die Summe über die Parameter k_x, k_y und k_z gleich null ist, – der Parameter k_z größer null ist, und – der Parameter b ungleich null ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Ionenfalle zwei spindelförmige Innenelektroden umfasst und dass das elektrische Potential zwischen der Außenelektrode und den zwei spindelförmigen Innenelektroden dem elektrischen Potential der folgenden Form entspricht:
Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Außenelektrode und die Oberfläche der spindelförmigen Innenelektroden Äquipotentialflächen des elektrischen Potentials U(x, y, z) entsprechen.
Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektrode eine Öffnung hat, die sich in der Spiegelebene der spindelförmigen Innenelektroden befindet.
Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung kreisförmig ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektrode eine Öffnung hat, die als ein Spalt senkrecht zur Spiegelebene der spindelförmigen Innenelektroden geformt ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenspektrometer eine Ionenquelle und ein Ionenleitsystem zur Überführung von Ionen aus der Ionenquelle zu einer Ionenoptik aufweist, wobei die Ionenoptik zwischen dem Ionenleitsystem und der Öffnung in der Außenelektrode angeordnet ist und derart gestaltet ist, dass Ionen durch die Öffnung in das Innere der elektrostatischen Ionenfalle eingeführt werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenspektrometer eine Ionenquelle mit einem Probenträger und einer Ionenoptik aufweist, wobei die Ionenoptik zwischen dem Probenträger und der Öffnung in der Außenelektrode angeordnet ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle eine MALDI Ionenquelle ist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenoptik eine Spannungsversorgung aufweist, die zeitlich veränderliche Spannungen erzeugt, so dass Ionen zeitlich gepulst in die elektrostatische Ionenfalle eingeführt werden.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden der elektrostatischen Ionenfalle segmentiert ist oder das Elektrodensystem weitere Hilfselektroden aufweist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Ionenfalle eine Spannungsversorgung für die Elektroden aufweist, die zeitlich veränderliche Spannungen erzeugt.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Ionenfalle einen Ionendetektor aufweist, der Schwingungen von Ionen entlang der z-Achse oder eine radiale Bewegung von Ionen zeitlich detektiert.
Massenspektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionendetektor Detektionselemente aufweist, in denen die Ionen durch die Schwingungen entlang der z-Achse elektrische Signale induzieren.
Massenspektrometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionselemente Segmente der Elektroden der elektrostatischen Ionenfalle sind, insbesondere der Außenelektrode oder der Innenelektroden.
Verfahren zur Einführung von extern erzeugten Ionen in die elektrostatische Ionenfalle eines Massenspektrometers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mit Hilfe einer Ionenoptik durch eine Öffnung in der Außenelektrode, die sich in der Spiegelebene der Innenelektroden und außerhalb des Minimums des harmonischen Potentials befindet, eingepulst werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Potentiale von Elektroden der elektrostatischen Ionenfalle oder deren Segmenten während des Einpulsens abgesenkt werden.
Verfahren zur Einführung von extern erzeugten Ionen in die elektrostatische Ionenfalle eines Massenspektrometers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen mit Hilfe einer Ionenoptik durch eine Öffnung in der Außenelektrode, die sich in der Spiegelebene der Innenelektroden und im Minimum des harmonischen Potentials befindet, eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential der Innenelektroden während der Einführung der Ionen kontinuierlich abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie der Ionen bei der Einführung in die elektrostatische Ionenfalle weniger als 1000 Elektronenvolt, bevorzugt weniger als 100 Elektronenvolt beträgt.