DE102011005340A1

DE102011005340A1 - Einlassstutzen für Massenspektrometer zur Verwendung mit Ionenquellen, die bei Atmosphärendruck arbeiten

Info

Publication number: DE102011005340A1
Application number: DE102011005340A
Authority: DE
Inventors: Michael Ugarov
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: CN102237249A; GB201104053D0; GB201105221D0; GB2479965B; CN102237249B; GB2479965A; US20110266432A1; US8389930B2; DE102011005340B4

Abstract

Es werden ein Massenspektrometer [121] und ein Verfahren zu dessen Nutzung beschrieben. Das Massenspektrometer [121] beinhaltet eine Vakuumkammer [21] und einen Einlassstutzen [30], der die im Massenspektrometer zu analysierenden Ionen auffängt [121]. Die Kammer [21] ist für den Betrieb bei einem Druck vorgesehen, der niedriger als der erste Druck ist, und beinhaltet eine Wand [23], welche die Kammer [21] von einem unter Atmosphärendruck stehenden Milieu [22] außerhalb der Kammer [21] abtrennt. Der Einlassstutzen [30] bewirkt einen Druckabfall zwischen dem unter einem ersten Druck stehenden äußeren Milieu [22] und der Kammer [21]. Der Einlassstutzen [30] beinhaltet eine Vielzahl von Kanälen, wobei jeder Kanal eine erste und eine zweite Elektrode [31, 32] aufweist, die an gegenüberliegenden Flächen des Kanals angeordnet sind und ein erstes und ein zweites Ende aufweisen. Das erste Ende jedes Kanals steht unter einem Druck, der gleich dem ersten Druck ist, und das zweite Ende unter einem Druck, der niedriger als der erste Druck ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Massenspektrometer dienen zur Trennung von Ionen anhand des Masse/Ladungs-Verhältnisses der Ionen. Eine Verbindung, die mit einem Massenspektrometer analysiert werden soll, muss zuerst ionisiert werden. Der Ionisierungsprozess kann auch zum Auseinanderbrechen der Verbindung in eine Anzahl von Ionen führen, deren relative Häufigkeiten im Massenspektrum für die Art der Verbindung kennzeichnend sind. Ionenquellen, die bei Atmosphärendruck arbeiten, sind für die Analyse zahlreicher zu untersuchender Verbindungen von Nutzen. Solche Quellen benötigen jedoch einen bestimmten Adapter zwischen der Ionenquelle und dem Vakuum des Massenspektrometers, um das Vakuum innerhalb des Massenspektrometers aufrechtzuerhalten.
Üblicherweise dient als Adapter ein Kapillarrohr mit einem Ende, das Ionen von der Ionenquelle auffängt, und dem anderen Ende im Massenspektrometer. Aufgrund der Größe des Rohrs und der darin auftretenden Verluste gelangen nur wenige Ionen von der Ionenquelle durch das Rohr zum Massenspektrometer. Wenn das Rohr darüber hinaus aus einem Dielektrikum besteht, werden Ionen auf der Rohroberfläche absorbiert und können eine Raumladung erzeugen, welche Ionen mit gleicher Ladung am Durchlaufen des Rohrs hindert.
Alternativ wird eine kleine Öffnung verwendet, um die Strömung zwischen der Quelle und dem Massenspektrometer zu begrenzen. Auch in diesem Fall werden nur sehr wenige Ionen aufgefangen, da der Durchmesser der Öffnung klein sein muss, damit das Vakuum innerhalb des Massenspektrometers aufrechterhalten bleibt.
Ferner ist die interessierende Probe oft in einem Lösemittel gelöst, das in der Ionenquelle verdampft wird. Das Lösemittelmedium und die in der Ionenquelle zum Verdampfen des Lösemittels verwendeten Gase können die Bildung unerwünschter Ionen bewirken und zu einem lästigen Untergrund im Massenspektrum führen.
Überblick über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckadapter zur Verwendung in Massenspektrometern oder anderen Instrumenten, die bei niedrigem Druck arbeiten, aber bei höherem Druck erzeugte Ionen auffangen müssen. Der Druckadapter beinhaltet eine Vielzahl von Kanälen mit Elektroden an deren Wänden, damit die Kanäle sowohl als Adapter zwischen den beiden Milieus mit unterschiedlichen Drücken als auch zum Filtern der Ionen dienen können. Wenn die Elektroden zum Filtern der Ionen verwendet werden sollen, wird an sie eine Spannung angelegt, um in den Kanälen ein elektrisches Wechselfeld zu erzeugen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein Analysesystem, in welchem durch eine Ionenquelle 124 Ionen bei Atmosphärendruck erzeugt und durch ein Massenspektrometer bei stark verringertem Druck analysiert werden.
2 veranschaulicht einen Einlassstutzen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Analysesystems, das ein Druckminderungsteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Einlassstutzens 30.
5 veranschaulicht einen Spannungsverlauf, der zum Trennen der Ionen verwendet werden kann, bevor sie in das Massenspektrometer gelangen.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Massenspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 7A bis 7F veranschaulichen verschiedene Formen von Kanalgeometrien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Massenspektrometerwand 74, an der unter Verwendung von Befestigungselementen 73 eine Kanalplatte 72 angebracht wurde.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Kanals, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
10 veranschaulicht die Verwendung eine Zerstäuber-Ionenquelle mit dem Einlassstutzen der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht einen Einlassstutzen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich einfacher unter Bezug auf 1 verstehen, die ein Analysesystem veranschaulicht, in welchem Ionen in einem Bereich 122 durch eine Ionenquelle 124 bei Atmosphärendruck erzeugt und durch ein Massenspektrometer 121 bei niedrigem Druck analysiert werden. In diesem Beispiel handelt es sich bei der Ionenquelle 124 um eine Elektrospray-Ionenquelle. Ein Lösemittel mit den darin enthaltenen interessierenden Molekülen wird durch eine Düse zerstäubt und erzeugt als Reaktion auf eine Potenzialdifferenz zwischen der Ionenquelle 124 und der Wand 123 des Massenspektrometers 121 eine Ionenwolke 127. Die Ionenquelle 124 kann durch eine Austrittsblende 126 gekennzeichnet sein, durch welche die in der Ionenwolke 127 erzeugten Ionen die Ionenquelle in Richtung des Massenspektrometers 121 verlassen. Das Massenspektrometer 121 ist durch eine Eintrittsblende 125 innerhalb des Massenspektrometers gekennzeichnet, die eine Querschnittsfläche definiert, durch welche die Ionen in den Analysebereich 129 des Massenspektrometers gelangen müssen, um ordnungsgemäß analysiert zu werden. Ein Eingangsstutzen 130 in der Wand des Massenspektrometers bildet den Adapter zwischen der unter Atmosphärendruck stehenden Blende 126 und der unter niedrigerem Druck stehenden Blende 125. Eine Aufgabe eines Eingangsstutzens besteht darin, den Ausgang der Ionenquelle so an den Eingang des Massenspektrometers anzupassen, dass ein möglichst großer Teil der die Austrittsblende der Ionenquelle verlassenden Ionen zur Eintrittsblende des Massenspektrometers gelenkt wird. Die Menge des durch den Einlassstutzen 130 strömenden Gases muss geringer als der maximale Gasstrom sein, der durch die Pumpe 128 abgepumpt werden kann, ohne die Richtung der in das Massenspektrometer 121 gelangenden Ionen wesentlich zu ändern.
Der Eintrittsstutzen 130 muss den Gasstrom so weit verringern, dass er geringer als der maximale Gasstrom ist, und gleichzeitig den Übergang von der Blende 126 zur Blende 125 gestatten. Bei vielen derartigen Systemen ist die Blende 126 wesentlich größer als die Blende 125. Somit muss entweder ein wesentlicher Teil der durch die Ionenquelle 124 erzeugten Ionen verloren gegeben werden, oder der Einlassstutzen 130 kann eine Bündelungsfunktion aufweisen, sodass die die Blende 126 verlassenden Ionen ”trichterförmig” in die Blende 125 gelenkt werden. Bei Atmosphärendruck arbeitende Ionenkonzentratoren treten erhebliche konstruktive Probleme auf. Deshalb verwenden viele Systeme nach dem Stand der Technik zum Auffangen der die Blende 126 verlassenden Ionen einen Einlassstutzen mit einer kleinen Öffnung, zum Beispiel ein Kapillarrohr, und geben sich mit dem damit verbundenen Leistungsabfall zufrieden. 2 veranschaulicht einen Einlassstutzen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Einlassstutzen 140 weist ein Druckminderungsteil 142 auf, das durch eine Eintrittsblende 141 und eine Austrittsblende 145 gekennzeichnet ist. Die Größe der Eintrittsblende 141 ist so bemessen, dass sie mit der Größe der Austrittsblende 126 der Ionenquelle vergleichbar ist. Aus dem Druckminderungsteil 142 tritt ein Ionenstrahl aus, der im Wesentlichen die gleiche Stärke aufweist wie der durch die Eintrittsblende 141 eintretende Ionenstrahl. Der aus dem Druckminderungsteil 142 austretende Ionenstrahl gelangt in das unter Vakuum stehende Massenspektrometer und kann daher gebündelt werden. Der eintretende Ionenstrahl wird durch Elektroden 143 der Ionenoptik so stark gebündelt, dass er im Wesentlichen genauso groß ist wie die Eintrittsblende des Analysebereichs des Massenspektrometers, in dem gemäß der obigen Erörterung Vakuum herrscht.
Der Druck an der Eintrittsseite des Stutzens ist im Wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck oder geringer, vorzugsweise jedoch höher als 30 Torr. Der Druck an der Austrittsseite des Stutzens ist niedriger als der Druck an der Eintrittsseite, vorzugsweise jedoch niedriger als 30 Torr.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Analysesystems, das ein Druckminderungsteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Analysesystem 20 beinhaltet eine Ionenquelle 24 und ein Massenspektrometer mit einer inneren Vakuumkammer 21, die vom äußeren Milieu 22 durch eine Wand 23 getrennt ist, in der sich der Einlassstutzen 30 befindet. Die von einer Ionenquelle 24 kommenden Ionen werden durch den Druckunterschied an der Wand 23 in den Einlassstutzen 30 gesaugt. In der Kammer 21 wird ein Unterdruck durch eine Vakuumpumpe erzeugt, welche die durch den Einlassstutzen 30 eintretenden Gase abpumpt. Die Abmessungen des Einlassstutzens 30 sind so gewählt, dass einerseits der gewünschte Gasstrom durch die Kanäle des Stutzens erreicht wird und die Vakuumpumpe die Druckdifferenz an der Wand 23 aufrechterhalten kann und andererseits der Ionenstrom in den Analysebereich des Massenspektrometers nicht wesentlich behindert wird. Bei dieser Ausführungsform beinhaltet das Massenspektrometer eine Reihe von Elektroden, die den eintretenden Ionenstrahl bündeln.
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Einlassstutzens 30. Der Einlassstutzen 30 beinhaltet eine Vielzahl planarer Elektroden im Innern rechteckiger Kanäle, welche von den Ionen durchlaufen werden. Als Beispiel sind die Elektroden 31 und 32 dargestellt. Als typischer Kanal ist der Kanal 33 dargestellt. Die Elektroden sind mit einer Stromquelle 41 verbunden, die für die Spannung an den Elektroden maßgebend ist. Im Folgenden wird erörtert, dass für den Spannungsverlauf eine Wechselspannung, eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Gleichspannungskomponente infrage kommen kann. Da die Elektroden aus einem leitfähigen Material bestehen und mit einer Spannungsquelle verbunden sind, sind bei dieser Ausführungsform die Probleme des Aufbaus einer Raumladung, wie sie bei Kapillarrohren mit elektrisch isolierten Wänden auftreten, deutlich geringer.
Die Elektroden können an eine konstante und/oder eine zeitlich veränderliche elektrische Spannungsquelle angeschlossen werden. Wenn die zeitlich veränderliche Spannungsquelle eingesetzt wird, können die Elektroden zum Trennen der Ionen vor ihrem Eintreten in das Massenspektrometer verwendet werden, indem ähnliche Spannungsverläufe verwendet werden wie bei Ionenmobilitäts-Spektrometern mit asymmetrischem Feldverlauf. Diese Art der Trennung beruht auf der Beobachtung, dass die Wanderungsgeschwindigkeit vieler interessierender Ionen in einem elektrischen Feld nicht linear von der Feldstärke abhängt. Dieses Phänomen erlaubt die Trennung von Ionen mit demselben Masse/Ladungs-Verhältnis und kann daher eine Trennung anhand eines anderen Kriteriums als beim Massenspektrometer bewirken. Die Ionen, welche die Elektrodenstruktur durchlaufen, folgen dem an die Elektroden angelegten Spannungsmuster.
5 veranschaulicht einen Spannungsverlauf, der zum Trennen der Ionen vor deren Eintreten in das Massenspektrometer verwendet werden kann. Dieser Spannungsverlauf wird zwischen jedem Paar benachbarter Elektroden eingestellt. Bei dem Spannungsverlauf handelt es sich um eine Wechselspannung, üblicherweise im HF-Bereich, deren eine Polarität länger dauert als die andere Polarität. Die Amplituden der beiden Polaritäten werden ungleich groß gewählt, sodass die die mittlere Spannung gleich null ist. In der Praxis kann das Wechselspannungssignal in jedes Elektrodenpaar kapazitiv eingekoppelt werden.
Wenn die Ionenmobilität immer dem elektrischen Feld proportional wäre, würde das Feld im Mittel auf alle Ionen mit einer Kraft gleich null einwirken, und die Ionen würden während der Wanderung durch den Kanal in seitlicher Richtung hin- und herschwingen. Tatsächlich aber werden die Ionen aufgrund der oben erwähnten Nichtlinearität abgelenkt und können an Wänden des Kanals anstoßen. Zwischen den Elektroden wird eine Gleich-Vorspannung angelegt, sodass nur Ionen mit einer bestimmten Beziehung zwischen Ionenmobilität und Feldstärke durchgelassen werden. Die übrigen Ionen werden auf den Elektrodenoberflächen absorbiert. Es kann eine zweidimensionale Analyse erstellt werden, indem mit der Vorspannung ein bestimmter Spannungsbereich überstrichen und jede in das Massenspektrometer gelangende Ionengruppe durch das Massenspektrometer analysiert wird, um die Ionen anhand des Masse/Ladungs-Verhältnisses zu trennen.
Wenn die Ionentrennung auf der Grundlage der Hochfeld-Ionenmobilität für eine bestimmte Analyse nicht erforderlich ist, kann die HF-Wechselspannung abgeschaltet werden, und die Ionen wandern einfach mit dem Gasstrom durch die Kanäle. Dadurch gehen weniger Ionen an den Wänden der Kanäle verloren und für die massenspektrometrische Analyse kann die höchste Nachweisempfindlichkeit erreicht werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen nutzen einen Einlassstutzen, der Bestandteil der Wand des Vakuumrezipienten des Massenspektrometers ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Stutzen auch abnehmbar gestaltet sein kann, sodass für verschiedenerlei Analysen und/oder Ionenquellen verschiedene Einlassstutzen genutzt werden können. Die verschiedenen Einlassstutzen können sich in Bezug auf die Breite, Länge, Form, Anzahl und Dichte der Kanäle voneinander unterscheiden. Diese Parameter beeinflussen die Strömungsgeschwindigkeit durch den Einlassstutzen und und liefern somit einen Mechanismus zum Anpassen des gewünschten Zustroms in das Massenspektrometer an die Strömungsmenge, die für eine hohe Ionenausbeute aus der Ionenquelle erforderlich ist. Durch Einstellung dieser Parameter kann der Stutzen so optimiert werden, dass er wie gewünscht eine bestimmte Gasströmungsgeschwindigkeit, Ioneneinfangfläche und Ionentrennung durch die Hochfeld-Ionenmobilität bietet. Bei einem Aspekt der Erfindung werden als Breite des Kanals zwischen 20 μm und 600 μm und als Länge zwischen 0,3 mm und 100 mm gewählt. Die gesamte Querschnittsfläche kann bis zu 10 mm² betragen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Elektroden bei der asymmetrischen Hochfeld-Ionenmobilitäts-Spektrometrie an beiden Enden der Kanäle üblicherweise unter einem Druck stehen, der dem Atmosphärendruck nahe kommt. Das heißt, der Druckabfall entlang der Trennelektroden ist gering. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Druckabfall entlang dem Kanal viel größer sein, da ein Ende des Kanals unter Atmosphärendruck und das andere Ende unter dem Druck der Vakuumkammer des Massenspektrometers stehen kann. Das bedeutet, dass sich der Druck, die Temperatur und die Geschwindigkeit des Gases entlang dem Kanal ständig ändern können, was sich negativ auf die Auflösung der Ionentrennung und die Übertragungsgeschwindigkeit von Ionen mit bestimmten Mobilitätswerten auswirken kann.
Das ist darauf zurückzuführen, dass die Trennwirkung bei der Hochfeld-Ionenmobilitäts-Spektrometrie vom Verhältnis zwischen elektrischer Feldstärke und Gasdichte (E/N) abhängt. Wenn sich der Druck entlang dem Kanal merklich ändert, ändert sich auch das Verhältnis E/N und somit die Wirkung des Wechselfeldes auf die Ionenbewegung. Das kann zur Instabilität der Flugbahnen der Ionen führen, die das Massenspektrometer erreichen sollen.
Dieses mögliche Problem kann durch eine Anordnung umgangen werden, bei der der während der Ionentrennung eintretende Druckabfall nur einen Bruchteil des gesamten Druckabfalls zwischen der Ionenquelle und dem Innenraum des Massenspektrometers ausmacht oder, alternativ, das Verhältnis E/N durch Anpassen der Feldstärke E entlang der Kanallänge im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Ein Verfahren zur Verringerung des Druckabfalls im Trennbereich der Kanäle besteht darin, den Einlassstutzen im Innern des Massenspektrometers mit einer Verlängerung zu versehen, sodass ein Teil des Druckabfalls innerhalb der Verlängerung erfolgt und somit der Anteil des Druckabfalls entlang den Trennkanälen verringert wird. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Massenspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Massenspektrometer 40 unterscheidet sich insofern von dem oben unter Bezug auf 3 erörterten Massenspektrometer 20, als eine Verlängerung 41 des Einlassstutzens in den Innenraum des Massenspektrometers ragt. Der Druckabfall entlang den Trennkanälen wird durch den Druckabfall zwischen dem Ende der Trennkanäle und dem Innenraum 21 des Massenspektrometers verringert.
Obwohl die in 6 gezeigte Ausführungsform eine gewisse Verringerung des Druckabfalls entlang den Trennkanälen bewirkt, macht der Anteil des Druckabfalls entlang den Trennkanälen immer noch mehr als die Hälfte des gesamten Druckabfalls aus, da die Querschnittsfläche der Verlängerung 41 wesentlich größer als die Summe der einzelnen Querschnittsflächen der Trennkanäle ist. 7A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Einlassstutzens gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Einlassstutzen 50 unterscheidet sich insofern von dem oben erörterten Einlassstutzen 30, als sich die Elektroden innerhalb der Trennkanäle, an denen die HF-Spannung anliegt, nur über einen Teil 51 der Gesamtlänge der Kanäle erstrecken. Der restliche Teil 52 jedes Kanals stellt einen Driftkanal dar, der einen Teil des Druckabfalls aufnimmt, sodass der Druckabfall entlang dem Teil 51 deutlich verringert wird.
7B veranschaulicht mehrere Kombinationen von Abschnitten einzelner Kanäle mit und ohne aktive Elektroden. Die mit Trennelektroden versehenen Abschnitte sind mit 211 und die Driftbereiche mit 212 gekennzeichnet. Die unter 7B(1) gezeigte Kanalanordnung liefert im Abschnitt 212, der dem Massenspektrometer am nächsten liegt, einen deutlichen Druckabfall. Die unter 7B(2) gezeigte Kanalanordnung liefert den deutlichen Druckabfall hingegen auf der Seite der Ionenquelle.
Tatsächlich kann die Ionentrennung mittels der asymmetrischen Hochfeld-Ionenmobilitäts-Spektrometrie bestimmte Vorteile aufweisen, wenn sie bei Drücken kleiner als Atmosphärendruck betrieben wird. Insbesondere können höhere Werte des Verhältnisses E/N erreicht werden, ohne einen Spannungsüberschlag innerhalb der Kanäle zu riskieren. Die in 7B(2) gezeigte Kanalanordnung ermöglicht die Trennung bei so einem niedrigen Druck.
7B(3) veranschaulicht einen Kanal mit zwei Elektrodenabschnitten. Aufgrund des zusätzlichen Druckabfalls im mittleren Abschnitt ist der Druck in zwei Abschnitten verschieden. In diesen beiden Abschnitten können deshalb zwei voneinander unabhängige Trennungen durchgeführt werden, indem die Parameter der zeitlich veränderlichen elektrischen Felder in jedem Abschnitt angepasst werden. Die in 7B(4) gezeigte Anordnung kann für Trennungen in mittleren Druckbereichen eingesetzt werden.
Spezielle Druckbedingungen im Ionenmobilitäts-Trennbereich der Kanäle können auch durch Verwendung von Kanalabschnitten mit veränderlichen Querschnitten, Formen und Längen geschaffen werden. Längere Abschnitte mit kleineren Querschnitten führen aufgrund des kleineren Leitwerts zu einem schnelleren Druckabfall. 7C veranschaulicht Beispiele von Kanalgeometrien mit veränderlichen Querschnitten. 7C(1) veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher der Kanalquerschnitt im Driftabschnitt 216 gegenüber dem Trennabschnitt 214 verringert ist. 7C(1) veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher sich der Querschnitt des Driftbereichs gleichmäßig ändert, um sprunghafte Änderungen des Kanalquerschnitts zu vermeiden, die zu Strömungsturbulenzen und/oder Ionenverlusten führen können. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 7C(1) und 7C(2) gezeigten Anordnungen so miteinander kombiniert werden können, dass sie Kanäle mit Abschnitten veränderlichen Querschnitts zwischen Abschnitten mit konstanten Querschnitten bilden, die Elektroden zur Ionentrennung aufweisen.
Die mit einem deutlichen Druckabfall entlang dem Ionentrennungsabschnitts verbundenen Probleme können durch die Nutzung einer Anordnung weiter verringert werden, bei der auch die elektrische Feldstärke als Funktion des Weges durch den Kanal abnimmt, sodass Änderungen des Verhältnisses der elektrischen Feldstärke zur Gasdichte als Funktion des Weges durch den Kanal verringert werden. Ein Verfahren zu diesem Zweck besteht darin, den Abstand zwischen den Elektroden im Ionentrennabschnitt gemäß 7D zu variieren. Bei dieser Ausführungsform nimmt der Abstand D zwischen den Elektroden zu, während sich die Ionen in Richtung sinkenden Drucks und somit abnehmender Gasdichte bewegen. Dadurch kommt es auch zur einer Verringerung der elektrischen Feldstärke entlang dem Kanal. Die Zunahme des Durchmessers D wird so gewählt, dass das Verhältnis von elektrischer Feldstärke zur Gasdichte annähernd konstant bleibt.
Ein weiteres Verfahren zur Verringerung der Änderungen des Verhältnisses von elektrischer Feldstärke zur Gasdichte besteht darin, die Elektroden in Abschnitte zu unterteilen, an denen verschiedene Spannungen anliegen, sodass die Spannung als Funktion des Weges durch den Kanal abnimmt. Eine solche Anordnung ist in 7E gezeigt, die einen Trennkanal veranschaulicht, in welchem die Elektroden in Abschnitte 220 unterteilt sind, an denen verschiedene Spannungen anliegen. Durch Anpassung der Amplituden der Steuerspannungen in den verschiedenen Abschnitten können die Änderungen des Verhältnisses der elektrischen Feldstärke zur Gasdichte verringert werden. Die Steuerspannungen entlang dem Kanal können gemäß 7F auch durch die Verwendung von Widerstandselektroden und Verbinden der beiden Enden der Kanalelektroden mit verschiedenen Spannungsschienen als Funktion des Weges durch den Kanal verringert werden. Bei dieser Anordnung wird der zeitliche veränderliche Signalverlauf vom Generator 221 mit dem Anfang der Kanalelektrode verbunden, während die Enden der Kanalelektroden auf festen Spannungswerten gehalten werden, sodass die Amplitude des Steuersignals entlang dem Kanal abnimmt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzen für die Kanäle ein Einsatzteil, das sich in der Wand der Vakuumkammer des Massenspektrometers befindet. Es können jedoch auch Ausführungsformen gebaut werden, bei denen die Kanalplatte an der Außenseite der Wand des Massenspektrometers angebracht ist. 8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der Wand 74 eines Massenspektrometers, an der unter Verwendung von Befestigungselementen 73 eine Kanalplatte 72 angebracht ist. Die Wand 74 beinhaltet eine Durchtrittsöffnung 75, die auch die Funktion der oben unter Bezug auf 6 erörterten Verlängerung 41 erfüllen kann. Diese Anordnung ermöglicht je nach den Anforderungen verschiedener Ionenquellen die Nutzung verschiedener Kanalplatten im Einlassstutzen. Außerdem kann eine abnehmbare Kanalplatte einfach ausgetauscht werden, wenn sie im Laufe der Zeit durch das Material der Ionenquelle verunreinigt wurde.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen nutzen leitfähige Elektroden innerhalb der Kanäle, durch welche sich die Ionen fortbewegen. Die Elektroden können aus einem festen Metall, einem Halbleiter oder Beschichtungen auf einem Isolatorsubstrat bestehen. Wenn Beschichtungen verwendet werden, können die Elektroden aus einem Widerstandsmaterial hergestellt werden, das auf dem Substrat abgeschieden wird. Die Beschichtungen können bis zu den Öffnungen der Kanäle reichen oder auf die Innenbereiche der Kanäle beschränkt sein. Bei einem Aspekt der Erfindung werden die Elektroden in jedem Kanal so betrieben, dass entlang dem Kanal ein Gleichspannungsgradient auftritt, während die unterschiedlichen Gleich-Vorspannungen an den Elektroden beibehalten werden, wenn die Elektroden in der oben beschriebenen Weise zur Trennung der Ionen betrieben werden.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Kanals, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Elektrode innerhalb des Kanals 80 ist durch Beschichten der Isolatorwände des Kanals mit einem leitfähigen Medium hergestellt. Bei dem in 9 gezeigten Fall sind die obere Wand 84 und die untere Wand 83 jeweils getrennt mit leitfähigen Schichten 81 bzw. 82 beschichtet. Dadurch können die leitfähigen Schichten getrennt angesteuert werden, sodass der Kanal als Trenneinheit gemäß der obigen Beschreibung verwendet werden kann. Im Trennmodus gemäß der obigen Beschreibung ist die Quelle (V-V') gleich (Vc-V'c), wobei (V-V') gleich der Vorspannung ist. Eine Wechselspannungsquelle 87 koppelt die Wechselspannung in die Elektrodenschichten 81 und 82 ein. Bei dieser Anordnung entsteht entlang dem Kanal ein Gleichspannungsgradient, während der mittlere Spannungswert an jedem Punkt entlang dem Kanal von der Vorspannung verschieden ist.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird das Vorzeichen der Vorspannung so gewählt, dass sich die Ionen mit dem Gasstrom entgegen der Wirkung des elektrischen Feldes bewegen müssen. Dadurch kann der zur Ionenquelle zeigende Eingang des Kanals auf einem hohen negativen Potenzial (für positive Ionen) liegen, während die Quelle selbst auf oder nahe Massepotenzial liegt. Dadurch wird der Aufbau der Ionenquelle vereinfacht. Außerdem verringert diese Anordnung für den Bediener die Gefahr von Stromstößen, da die Elektroden so weit in den Kanal zurückgesetzt werden können, dass der Bediener die Enden der Elektroden nicht berühren kann.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung sind die Wände der Vielzahl von Kanälen mit dem oben beschriebenen Widerstandsmaterial beschichtet, und an den Enden der Kanalelektroden liegen unterschiedliche Spannungen an. Die zur Ionenquelle zeigenden Enden der Kanäle liegen auf einem Spannungswert, der für die Ionenquelle eine Spannung zulässt, von der für eine Bedienperson keine Gefahr ausgeht, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, das die Ionen durch die elektrostatischen Kräfte und den Gasstrom in die Kanäle saugt. Die anderen Enden der Kanäle liegen auf einem Spannungswert, bei dem die Ionen den Kanal entgegen der Kraftwirkung des elektrischen Feldes mit dem Gasstrom verlassen müssen, damit sie in das Massenspektrometer gelangen. Durch diese Anordnung wird die Gefahr von Stromschlägen für das Bedienpersonal der vorliegenden Erfindung verringert. Im Idealfall liegt die Ionenquelle genau oder nahe auf Masse.
Ein Einlassstutzen gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer Elektrospray-Ionenquelle verwendet werden. Bei solchen Ionenquellen ist das interessierende Molekül in einer Trägerflüssigkeit gelöst, die durch eine Düse zerstäubt wird. Tröpfchen der Trägerflüssigkeit können am Einlassstutzen zu Problemen führen, wenn diese den Einlassstutzen erreichen. Dieses Problem kann durch die Verwendung einer Ionenquelle deutlich verringert werden, die um die Ionenwolke herum einen konzentrischen Gasstrom aus heißem Gas erzeugt. 10 veranschaulicht die Verwendung einer Elektrospray-Ionenquelle mit dem Einlassstutzen der vorliegenden Erfindung. Die Ionenquelle 94 erzeugt durch Zerstäuben einer Flüssigkeit, in der das interessierende Molekül gelöst ist, eine Ionenwolke 95. Lösemitteltröpfchen, die nicht sofort verdampfen, werden durch die heiße Gashülle 92 verdampft, welche die Ionenquelle 94 und die Ionenwolke 95 konzentrisch umströmt. Durch die Gashülle 92 werden die Anzahl der Tröpfchen, die den Einlassstutzen 96 erreichen können, und die Probleme mit solchen Tröpfchen verringert, die in die Kanäle des Einlassstutzens gelangen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen verwenden einen Einlassstutzen mit einer einzigen Gruppe von Kanälen, um zwischen der Ionenquelle und dem Innenraum des Massenspektrometers den Gasstrom anzupassen, den Druck zu steuern und wahlweise auch die Ionen zu trennen. Es können jedoch auch Ausführungsformen erstellt werden, die mehrere Gruppen von Kanälen nutzen. 11 veranschaulicht einen Einlassstutzen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Einlassstutzen 111 beinhaltet zwei Kanalplatten 105 und 106, die durch einen Bereich 102 voneinander getrennt sind. Die Kanäle können dieselbe oder verschiedene Geometrien aufweisen.
Zum Beispiel kann die Kanalplatte 106 eine andere Anzahl von Kanälen aufweisen und unterschiedliche Elektrodenabstände nutzen. Die beiden Gruppen von Kanälen können auch mit verschiedenen HF-Spannungen und -Frequenzen betrieben werden. Der Druck im Bereich 102 liegt zwischen dem Druck im Bereich 101 der Ionenquelle und dem Druck im Innenbereich 103 des Massenspektrometers. Dadurch kann die Kanalplatte 106 bei einem geringerem Druckabfall als die Kanalplatte 105 betrieben werden. Die beiden Kanalplatten können unter Verwendung unterschiedlicher Spannungsverläufe und Gleich-Vorspannungen betrieben werden, sodass vor dem Eintreten der Probe in das Massenspektrometer nacheinander verschiedene Trenn-/Filtrierschritte unabhängig voneinander ausgeführt werden können.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zwischen Atmosphärendruck und dem Vakuum im Innern des Massenspektrometers betrieben, das üblicherweise weniger als 50 Torr beträgt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch als Druckadapter zwischen Milieus mit anderen Drücken eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das Milieu mit dem höheren Druck teilweise evakuiert sein oder unter Druck stehen. Zum Beispiel kann in dem Milieu mit dem höheren Druck ein Druck von 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,25, 1,5, 2 oder mehr Atmosphären herrschen, während in dem Milieu mit dem niedrigeren Druck ein Druck herrscht, der sich von dem hohen Druck um eine Druckdifferenz von 1 Torr bis zu 2 Atmosphären unterscheidet. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung arbeitet der Adapter zwischen einem Druck größer als 50 Torr einerseits und einem Druck von weniger als 50, 30, 20, 10, 5 oder 1 Torr andererseits im Innern des Massenspektrometers.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen eine Anzahl von Öffnungen, durch welche Ionen hindurchtreten. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Öffnungen durch ein mechanisches Element wie beispielsweise ein Loch in einer massiven Struktur oder einfach durch Raumbereiche ohne physische Begrenzungen definiert sein können, durch welche die Ionen hindurchtreten müssen, um in der beschriebenen Weise verarbeitet zu werden.
Der Überblick über die Erfindung und die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen zur Veranschaulichung verschiedener Aspekte der Erfindung. Es sollte jedoch klar sein, dass verschiedene in unterschiedlichen speziellen Ausführungsformen gezeigte Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Außerdem werden aus der obigen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung deutlich. Deshalb soll die vorliegende Erfindung ausschließlich durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims

Einheit, die aufweist: eine Kammer [21] zum Betreiben unter einem zweiten Druck, wobei die Kammer [21] eine Wand [23] aufweist, welche die Kammer [21] von einem äußeren Milieu [22] unter einem ersten Druck abtrennt, wobei der zweite Druck niedriger als der erste Druck ist, einen Einlassstutzen [30], der einen Druckabfall zwischen den äußeren Milieu [22] und der Kammer [21] bewirkt, wenn in der Kammer [21] der erste Druck herrscht, wobei der Einlassstutzen [30] eine Vielzahl von Kanälen mit jeweils einer ersten und einer zweiten Elektrode [31, 32] aufweist, die an gegenüberliegenden Flächen des Kanals angeordnet sind und ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, wobei das erste Ende unter dem ersten Druck steht und fluidmäßig mit dem äußeren Milieu [22] in Verbindung steht und das zweite Ende unter dem zweiten Druck steht und strömungstechnisch mit der Kammer [21] in Verbindung steht; und eine Steuerschaltung [41], die an die erste und die zweite Elektrode [31, 32] in jedem der Kanäle eine Spannung anlegt.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Kammer [21] ein Massenspektrometer [121] aufweist.
Einheit nach Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung in jedem der Kanäle ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt und der Einlassstutzen [30] ferner einen Driftbereich [52] aufweist, in welchem die darin wandernden Ionen nicht dem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt sind.
Einheit nach Anspruch 3, wobei der Driftbereich [52] in jedem der Kanäle einen Bereich aufweist, in welchem die darin wandernden Ionen nicht dem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt sind.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Einlassstutzen [30] eine Öffnung in der Kammerwand [23] und eine abnehmbare Kanalplatte [72] aufweist, die an der Kammerwand [23] angebracht ist und die Kanäle aufweist.
Einheit nach Anspruch 2, die ferner eine Ionenquelle [94] aufweist, welche Ionen aus einer Probe erzeugt und Ionen bei dem ersten Druck aussendet, sodass die Ionen in den Einlassstutzen [30] gelangen.
Verfahren zum Analysieren einer Probe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bilden von Ionen aus der Probe in einer Ionenquelle [94]; und Bereitstellen eines Massenspektrometers [121] mit einem Einlassstutzen [30], das durch einen Einlassstutzen [30] einige der Ionen auffängt, wobei der Einlassstutzen [30] eine Vielzahl von Kanälen aufweist, durch welche die Ionen wandern, wobei jeder Kanal eine erste und eine zweite Elektrode [31, 32] aufweist, die an gegenüberliegenden Flächen des Kanals angeordnet sind und ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, wobei das erste Ende unter einem ersten Druck und das zweite Ende unter einem zweiten Druck steht, wobei der zweite Druck niedriger als der erste Druck ist und der Einlassstutzen [30] so angeordnet ist, dass er Ionen von der Ionenquelle [94] auffängt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Einheit nach Anspruch 2, die ferner das Erzeugen von zeitlich veränderlichen elektrischen Feldern in den Kanälen aufweisen.
Verfahren oder Einheit nach Anspruch 8, wobei die zeitlich veränderlichen elektrischen Felder eine Wechselspannungskomponente und eine Gleichspannungskomponente innerhalb der Kanäle beinhalten und die Größe der Gleichspannungskomponente durch die Eingabe eines Benutzers des Massenspektrometers [121] eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Einheit nach Anspruch 2, wobei jede der Elektroden [31, 32] einen ersten elektrischen Anschluss an einem ersten Punkt der Elektrode und einen zweiten elektrischen Anschluss an einem zweiten Punkt der Elektrode aufweist, wobei der erste und der zweite Punkt voneinander entfernt angeordnet sind und das Verfahren oder die Einheit ferner das Erzeugen eines Spannungsgradienten zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt aufweist.