DE102011088874A1

DE102011088874A1 - Vorrichtungen und Verfahren zur Ionenmobilitätsspektrometrie

Info

Publication number: DE102011088874A1
Application number: DE102011088874A
Authority: DE
Inventors: Alexander A. Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2031-12-17
Also published as: GB2494562B; GB201021360D0; GB2486584A; GB2486584B; DE102011088874B4; CN102568995A; GB2494563B; GB201121651D0; US8507852B2; GB2494563A; CN102568995B; GB2494562A; US20120153140A1

Abstract

Es wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, das in verschiedenen Aspekten umfasst: ein Driftrohr, das darin einen Driftraum aufweist, und in dem Driftraum zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen; ein gerades Driftrohr, das darin einen spiraligen Ionentrennweg aufweist; einen spiraligen Ionentrennweg, der eine sich axial erstreckende innere Elektrodenbaugruppe umgibt; sowie ein Driftrohr zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, worin ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld im Betrieb angelegt wird, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Rotationsgeschwindigkeit in dem Driftrohr an die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen Felds angepasst ist. Auch werden verschieden Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS), einschließlich Ionenmobilitätsspektrometern. Die Vorrichtungen und Verfahren können zur Verwendung in Kombination mit Massenspektrometrie (MS) geeignet sein, z. B. in Hybrid-IMS/MS-Instrumenten.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Ionenmobilitätsspektrometer umfassen typischerweise ein Driftrohr, worin Ionen dazu gebracht werden, unter dem Einfluss eines konstanten angelegten elektrischen Felds zu driften. Es sind verschiedene Konstruktionen des Driftrohrs vorgeschlagen worden. Das Driftrohr kann zum Beispiel eine Serie von Ringelektroden aufweisen, die entlang der Länge des Spektrometers mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind, worin eine konstante Potentialdifferenz zwischen benachbarten Ringelektroden eingehalten wird, so dass in der axialen Richtung ein konstantes elektrisches Feld erzeugt wird. In das Driftrohr, das ein Puffergas enthält, wird ein Ionenpuls eingeführt, und wenn die Ionen unter dem Einfluss des konstanten elektrischen Felds durch das Rohr laufen, erlangen sie eine konstante Driftgeschwindigkeit und trennen sich in der axialen Richtung gemäß ihrer Ionenmobilität. Das Puffergas ist häufig so angeordnet, dass es in der zur Ionenlaufrichtung entgegengesetzten Richtung fließt.
Ein Ionenmobilitätsspektrometer kann als Mittel zur Ionentrennung für sich selbst betrieben werden, oder kann in sogenannten Hybrid-IMS-Instrumenten in Kombination mit anderen Ionentrennvorrichtungen verwendet werden. Beispiele von Hybrid-IMS-Instrumenten enthalten jene basierend auf Flüssigkeitschromatografie IMS (LC-IMS), Gaschromatografie IMS (GC-IMS) und IMS Massenspektrometrie (IMS-MS). Der letztere Instrumententyp ist ein leistungsfähiges analytisches Werkzeug, das Massenspektrometrie zur weiteren Trennung und/oder Identifikation von Peaks in einem Ionenmobilitätsspektrum verwendet. Es können mehr als zwei Trenntechniken kombiniert werden, z. B. GC-IMS-MS.
Ionenmobilitätsspektrometer können bei Atmosphärendruck betreibbar sein (s. z. B. US5162649 ), und sie können eine Auflösung bis zu 150 bieten (s. z. B. Wu et al., Anal. Chem. 1998, 70, 4929–4938). Jedoch könnte der Betrieb bei niedrigeren Drücken für Hybrid-IMS-MS-Instrumente besser geeignet sein (s. z. B. US 5905258 und WO01/64320 ), um die Trenngeschwindigkeit zu erhöhen und Ionenverluste zu reduzieren. Der Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers bei geringeren Drücken führt häufig zu größeren Diffusionsverlusten und geringerer Auflösung. Um dem Problem der Diffusionsverluste zu begegnen, könnte eine HF-Pseudopotentialsenke in dem Driftrohr angeordnet werden, um Ionen radial einzugrenzen, so dass es als Ionenleiter wirkt und dazu benutzt werden kann, Ionen effizient zu transportieren (s. z. B. US6630662 ).
In einer Modifikation in einem Ionenmobilitätsspektrometer beschreibt US6914241 , wie Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität getrennt werden können, durch fortschreitendes Anlegen von Übergangsgleichspannungen entlang der Länge eines Ionenmobilitätsspektrometers, oder eines HF-Ionenleiters, der eine Mehrzahl von mit axialem Abstand voneinander angeordneten Elektroden aufweist. Das Ionenmobilitätsspektrometer kann einen HF-Ionenleiter aufweisen, wie etwa einen Multipol-Stabsatz oder einen gestapelten Ringsatz. Die Ionenleiter ist in der axialen Richtung segmentiert, so dass unabhängige Übergangsgleichspannungspotentiale an jedes Segment angelegt werden können. Die Übergangsgleichspannungspotentiale werden auf eine HF-Spannung mit der Wirkung, die Ionen radial einzugrenzen, und/oder irgendeine konstante Offset-Gleichspannung aufgelagert. Die Übergangsgleichspannungspotentiale erzeugen hierdurch eine sogenannte Wanderwelle, die sich entlang der Länge des Ionenleiters in der axialen Richtung bewegt und die Wirkung hat, Ionen entlang der Länge des Ionenmobilitätsspektrometers zu bewegen.
In den obigen Typen der Ionenmobilitätsspektrometer werden Ionen entlang dem Ionenleiter getrieben, und die Ionen können entsprechend ihrer Ionenmobilität getrennt werden. Um jedoch eine hohe Auflösung oder Auflösungsleistung der Ionenmobilitätstrennung bei relativ niedrigen Drücken zu erlangen, muss ein relativ langes Driftrohr verwendet werden, um darin die sogenannte Niedrig-Feldgrenze einzuhalten, wie nachfolgend im Detail näher beschrieben wird.
Um Ionen entlang der axialen Richtung gemäß ihrer Ionenmobilität in einem HF Ionenleiter zu trennen, könnte ein axiales elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt werden, das orthogonal zum radialen HF Feld ist, zur radialen Eingrenzung. Wenn ein konstantes axiales elektrisches Feld E angelegt wird, um Ionen entlang und durch einen Gas enthaltenen Ionenleiter zu bewegen, dann erlangen die Ionen eine charakteristische Geschwindigkeit v gemäß: v = E·K (Gleichung 1) wobei K die Ionenmobilität ist.
Um Ionenmobilitätstrennung in dem sogenannten Niedrigfeld-Regime einzuhalten, worin Ionen kleine signifikante kinetische Energie von dem antreibenden Feld erhalten, sollte das Verhältnis von E (in V/m) zum Druck des Hintergrundgases P (in mbar) auf einem Wert kleiner als etwa 200 V/(m·mbar) gehalten werden. Gleichzeitig ist die Auflösungskraft, R, der Trennung gemäß der Ionenmobilität (FWHH) durch Diffusion begrenzt und kann angenähert geschätzt werden als:
(Gleichung 2)
wobei z der Ladezustand der Ionen ist, L die Trennungslänge (m) ist, T die Temperatur (Grad Kelvin) von Hintergrundgas ist, e die Elementarladung (1,602·10^–19 Coulomb) ist und k die Boltzmann Konstante (1,38·10^–23 J/K) ist. Genauere Berechnungen kann man zum Beispiel in G. E. Spangler finden „Expanded Theory for the resolving power of a linear ion mobility spectrometer", Int. J. Mass Spectrom. 220 (2002) 399–418. Da die Zunahme von E durch die Niedrigfeldbedingungen beschränkt ist und die Abnahme von T mit mühseligen kryogenen Techniken einhergeht, kann man ersehen, dass der einzige Weg zum Erlangen von höherem R ist, die Trennungslänge L zu vergrößern. Jedoch kann in der Vergrößerung der Trennungslänge problematisch sein, da der Platz typischerweise beschränkt ist.
Eine Lösung für das Problem der Vergrößerung der Trennungslänge, die im Stand der Technik von WO2008/104771 , GB2447330 und GB2457556 vorgeschlagen wurde, ist es, das Ionenmobilitäts-Driftrohr aufzuwickeln. Jedoch ist in diesem Fall die Konstruktion des Driftrohrs komplex und schließt den schnellen Transfer von Ionen durch das Spektrometer aus, in dem Fall, wenn keine Mobilitätstrennung erforderlich ist.
Man kann daher sehen, dass es Bedarf zur Verbesserung von Ionenmobilitätsspektrometern gibt, insbesondere einen Bedarf zum Bereitstellen eines Ionenmobilitätsspektrometers mit einer vergrößerten Trennungslänge, und insbesondere einen Bedarf zum Bereitstellen eines Ionenmobilitätsspektrometers mit vergrößerter Trennungslänge aber ohne komplexe Konstruktion. Im Hinblick auf den obigen Hintergrund ist die vorliegende Erfindung durchgeführt worden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, das zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, umfassend:
Bereitstellen eines Driftrohrs, das zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen enthält;
Auswählen von einem der Ionentrennwege, dem Ionen folgen sollen; und
Bewirken, dass Ionen dem ausgewählten Ionentrennweg folgen, und Trennen der Ionen entlang dem gewählten Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität.
Bevorzugt sind die zumindest zwei Ionentrennwege dem elektrischen Feld-Erzeugungsmittel benachbart, wobei das elektrische Feld-Erzeugungsmittel zwischen Betriebszuständen umschaltbar ist, um in einem Zustand ein elektrisches Trennfeld vorzusehen, das im Wesentlichen mit einem ersten Weg einer ersten Länge fluchtet, und in einem anderen Zustand ein anderes elektrisches Trennfeld, das im Wesentlichen mit einem zweiten Weg einer zweiten Länge fluchtet, die sich von der ersten Länge unterscheidet.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, mit einem elektrischen Feld-Erzeugungsmittel, das umschaltbar ist zwischen Betriebszuständen, um in einem ersten Zustand ein elektrisches Trennfeld vorzusehen, das mit einem Weg einer ersten Länge im Wesentlichen fluchtet, und in einem zweiten Zustand ein anderes elektrisches Trennfeld, das im Wesentlichen mit einem zweiten Weg einer zweiten Länge fluchtet, die sich von der ersten Länge unterscheidet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Tonen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, das ein gerades Driftrohr aufweist, das darin einen spiraligen Ionentrennweg aufweist.
Gemäß einem nach weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, umfassend:
Bereitstellen eines geraden Driftrohrs;
Bewirken, dass Ionen einem spiraligen Ionentrennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, das einen spiraligen Ionentrennweg aufweist, der eine innere, sich axial erstreckende Elektrodenbaugruppe umgibt.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, umfassend:
Bereitstellen eines spiraligen Ionentrennwegs innerhalb eines Driftrohrs, das eine innere, sich axial erstreckende Ionenbaugruppe umgibt; und
Bewirken, dass Ionen den spiraligen Trennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer angegeben, das einen spiraligen Ionentrennweg innerhalb eines Driftrohrs zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität aufweist, worin im Betrieb ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld angelegt wird, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Drehgeschwindigkeit in dem Driftrohr an die Drehgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds angepasst wird.
Gemäß einem anderen zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, umfassend:
Bereitstellen eines spiraligen Ionentrennwegs innerhalb eines Driftrohrs zur Trennung von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität;
Bewirken, dass Ionen dem spiraligen Trennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität; und
Anlegen eines rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds innerhalb des Driftrohrs, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Drehgeschwindigkeit in dem Driftrohr zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds angepasst wird.
Bevorzugt umfassen die zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen des Ionenmobilitätsspektrometers einen ersten Ionentrennweg, der gerade ist, und einen zweiten Ionentrennweg, der spiralig ist. Weiter bevorzugt ist der zweite Ionentrennweg länger als der erste Ionentrennweg.
Vorteilhaft befasst sich die vorliegende Erfindung mit dem Problem, wie man die Ionenmobilitätstrennungslänge innerhalb eines begrenzten Raums mit einer einfachen Konstruktion vergrößert. Man kann ersehen, dass die Erfindung in bestimmten Ausführungen zumindest zwei Ionentrennwege (d. h. Ionentrajektorien) Innerhalb eins Driftrohrs vorsieht, die bevorzugt einen Ionentrennweg enthalten, der ein gekrümmter, bevorzugt spiraliger Ionentrennweg ist. Diese Konstruktion erlaubt verschiedene besondere Betriebsmodi. In einem Ionentrennweg, zum Beispiel dem gekrümmten oder spiraligen Weg, kann ein langer Trennweg mit hoher Auflösungsleistung der Ionenmobilität und geringer Geschwindigkeit vorgesehen sein. Der zumindest eine andere Weg kann zum Beispiel gerade sein und kann zum Beispiel einen kürzeren Trennweg mit geringerer Auflösungsleistung der Ionenmobilität mit höherer Geschwindigkeit als der spiralige Weg sein. Die vorliegende Erfindung liefert somit in bestimmten Ausführungen vorteilhaft ein Ionenmobilitätsspektrometer mit zumindest zwei Ionentrennwegen unterschiedlicher Länge, um hierdurch zumindest zwei unterschiedliche Auflösungsleistungen und zwei unterschiedliche Trennungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, insbesondere im Niedrigfeld-Regime für das axiale elektrische Feld. Die Erfindung sieht entsprechend ferner ein Ionenmobilitätsspektrometer und ein Verfahren zur Ionenmobilitätsspektrometrie mit schaltbaren Geschwindigkeits- und/oder Auflösungsmodi vor. Das Driftrohr selbst ist bevorzugt gerade, nicht aufgewickelt und hat zumindest eine einfache Konstruktion im Vergleich zu schraubigen Driftrohren vom Stand der Technik.
Das Driftrohr ist bevorzugt ein gerades Driftrohr, und man kann vorteilhaft eine hohe Auflösungsleistung durch einen spiraligen Ionentrennweg innerhalb eines geraden Driftrohrs bekommen, worin das Driftrohr eine ähnliche Länge wie ein herkömmliches gerades Driftrohr hat, wobei die Länge des gekrümmten oder spiraligen Ionentrennwegs wesentlich länger ist als die Länge des Driftrohrs. Die Erfindung ermöglicht somit eine lange Trennungsweglänge, und daher kann in begrenztem Raum eine hohe Auflösung der Ionenmobilitätstrennung erzielt werden.
In bestimmten bevorzugten Ausführungen sieht die vorliegende Erfindung das Filtern von Ionen gemäß der Ionenmobilität vor, und das Einkoppeln der gefilterten Ionen in eine weitere Ionentrenn- und/oder Identifikationsvorrichtung, bevorzugt ein Massenspektrometer.
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung enthalten die Möglichkeit des raschen Ionentransfers durch das Ionenmobilitätsspektrometer, wenn keine Mobilitätstrennung erforderlich ist. Dies könnte man in Kombination mit weiterer Mobilitätstrennung verwenden, zum Beispiel zum Hinzufügen von internen Kalibriermitteln für die mobilitätsgewählte Spezies.
Von dem Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung zu trennende Ionen werden typischerweise von einer Ionenquelle erzeugt, die nachfolgend beschrieben wird. Die erzeugten Ionen können in das Ionenmobilitätsspektrometer durch eine Injektionsvorrichtung Injiziert werden, die zum Beispiel eine Ionenoptik aufweisen, die zum Beispiel ein Injektionsmultipol aufweisen kann.
Das Ionenmobilitätsspektrometer kann eine Ionenspeichervorrichtung oder einen Ionenspeicherabschnitt aufweisen, in die die zu trennenden Ionen eingeführt werden können, zum Beispiel nach der Ionenquelle, wobei die Ionenspeichervorrichtung und der Ionenspeicherabschnitt darin einen Ionenspeicherplatz hat. Die Ionenspeichervorrichtung oder der Ionenspeicherabschnitt können bevorzugt eine Ionenfalle aufweisen. Die Ionenspeichervorrichtung und der Ionenspeicherabschnitt dient bevorzugt für die steuerbare Speicherung der Ionen und Freisetzen der Ionen in das Driftrohr des Ionenmobilitätsspektrometers zur Trennung, bevorzugt als Ionenpuls, d. h., es bevorzugt eine gepulste Ionenspeichervorrichtung oder ein gepulster Ionenspeicherabschnitt. Die Ionenspeichervorrichtung oder der Ionenspeicherabschnitt ist bevorzugt konfiguriert, um einen axialen Feldgradienten in dem Ionenspeicherplatz vorzusehen, wenn zwischen dessen axialen Enden eine Spannungsdifferenz anliegt. Der axiale Feldgradient in dem Speicherplatz kann hierdurch Ionen in dem Speicherplatz in der axialen Richtung zu dem Driftrohr des Ionenmobilitätsspektrometers zur Trennung bewegen. Ionen können in der Speichervorrichtung oder dem Speicherabschnitt gespeichert werden, bis das Injizieren in das Driftrohr erforderlich ist. Somit erlaubt bevorzugt die Ionenspeichervorrichtung oder der Ionenspeicherabschnitt das steuer- oder regelbare Schleusen von Ionen in das Driftrohr, zum Beispiel mittels einer Gatterelektrode. Man kann aus den obigen bevorzugten Ausführungen ersehen, dass das Ionenmobilitätsspektrometer bevorzugt einen gepulsten Ioneninjektor aufweist, der zum Beispiel durch die beschriebene Ionenspeichervorrichtung vorgesehen werden kann, zum gepulsten Injizieren von Ionen in das Driftrohr.
Bevorzugt umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ein Driftrohr, das darin den (die) Trennweg(e) aufweist. Das Driftrohr definiert darin einen Driftraum, in dem die Ionen gemäß der Ionenmobilität getrennt werden können. Der Drkiftraum enthält bevorzugt ein Gas zur Ionenmobilitätstrennung.
Das Driftrohr enthält somit in bestimmten Ausführungen einen Driftraum, in dem die zumindest zwei Ionentrennwege vorgesehen sind. Bevorzugt ist der erste Ionentrennweg gerade, und läuft besonders bevorzugt im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Driftraum. Bevorzugt ist der Ionentrennweg gekrümmt, besonders bevorzugt spiralig, und ganz besonders bevorzugt ist die Achse des spiraligen Wegs im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Driftrohrs. Die Längsachse liegt bevorzugt radial an der Mitte des Driftrohrs. Zur axialen Bewegung von Ionen wird bevorzugt in dem Driftrohr im Gebrauch ein axial elektrischer Feldgradient (ein axiales Gleichspannungsfeld) angelegt. Der axiale elektrische Feldgradient kann erzeugt werden zum Beispiel durch eine Gleichspannungsdifferenz, die zwischen den axialen Enden des Driftrohrs anliegt.
Bevorzugt ist das Driftrohr gerade. Es versteht sich, dass hierin „gerade” zumindest im Wesentlichen gerade bedeutet, und eine gewisse Abweichung von einer strikt geometrisch geraden Konfiguration hierdurch zulässig ist. Das Driftrohr umfasst besonders bevorzugt ein sich axial erstreckendes Außenrohr. Das Driftrohr umfasst bevorzugt eine sich axial erstreckende äußere Elektrodenbaugruppe, die darin den Driftraum definiert. Somit ist in bestimmten Ausführungen die Außenelektrode bevorzugt das Außenrohr. Das Außenrohr oder die Außenelektrode hat besonders bevorzugt die Form eines Zylinders. Die Auußenelektrode weist ein Widerstandsmaterial auf, das, zumindest an der Innenoberfläche ist. Besonders bevorzugt ist die Außenelektrode aus Widerstandsglas hergestellt. Im Gebrauch, wo die Außenelektrode ein Widerstandsmaterial ist, wird bevorzugt zwischen den axialen Enden der Außenelektrode eine Spannung angelegt, so dass in der axialen Richtung ein Spannungsgradient erzeugt wird, der hierdurch die Bewegung der Ionen vom axialen Eintritt des Ende des Driftrohrs zum axialen Austritt das Ende begünstigen kann, d. h., um die axiale Bewegung der Ionen zu begünstigen. In anderen Ausführungen, alternativ oder zusätzlich zu der Außenelektrode, die einen axialen Spannungsgradienten vorsieht, kann ein axialer Spannungsgradient von der Innenelektrode, zum Beispiel von der inneren Elektrode allein, vorgesehen werden. Das Vorsehen eines axialen Spannungsgradienten durch die innere Elektrode wird nachfolgend im näheren Detail beschrieben.
Das Ionenmobilitätsspektrometer umfasst bevorzugt eine sich axial erstreckende Innenelektrodenbaugruppe, die innerhalb des Driftrohrs angeordnet ist. Bevorzugt umgibt die Außenelektrode oder das Außenrohr die innere Elektrodenbaugruppe ringförmig. Der Driftraum ist in diesen Ausführungen zwischen dem Außenrohr oder der Elektrode des Driftrohrs der inneren Elektrodenbaugruppe angeordnet, d. h. ringförmig um die innere Elektrodenbaugruppe herum. Die innere Elektrodenbaugruppe ist bevorzugt innerhalb des Außenrohrs oder der Außenelektrode koaxial zum Außenrohr angeordnet. Die innere Elektrodenbaugruppe hat besonders bevorzugt eine zylindrische Form. Dementsprechend umfasst das Driftrohr ganz besonders bevorzugt zwei koaxiale Zylinder, worin der Driftraum zwischen dem koaxialen Zylinder angeordnet ist, wobei die Zylinder einen Außenzylinder als Außenelektrode und einen Innenzylinder als innere Elektrodenbaugruppe aufweist. Der gekrümmte oder spiralige Ionentrennweg ist in diesen Ausführungen somit in dem Driftraum zwischen den koaxialen Zylindern angeordnet und dreht sich um den Innenzylinder herum.
Im Gebrauch werden die Ionen axial durch den Driftraum in dem Driftrohr durch Mittel bewegt, die nachfolgend im näheren Detail beschrieben werden. Wenn sich die Ionen durch den Driftraum bewegen, werden sie gemäß der Ionenmobilität getrennt. Wenn die Ionen axial bewegt werden, werden die Ionen bevorzugt radial eingegrenzt. Bevorzugt werden im Gebrauch die Ionen mittels eines elektrischen HF Felds radial eingegrenzt. Bevorzugt wird zur radialen Eingrenzung in dem Driftrohr im Gebrauch ferner ein radialer elektrischer Feldgradient (ein radiales Gleichspannungsfeld) angelegt, z. B. durch eine Gleichspannungsdifferenz, die zwischen der Außenelektrode des Driftrohrs und der inneren Elektrodenbaugruppe angelegt wird, wobei z. B. Ionen zur inneren Elektrodenbaugruppe hin durch eine Gleichspannungsdifferenz getrieben werden, die zwischen der Außenelektrode des Driftrohrs und der inneren Elektrodenbaugruppe angelegt wird. Für das radiale HF Feld umfasst das Driftrohr bevorzugt eine oder mehrere HF Elektroden zum radialen Eingrenzen der Ionen durch Anlegen des radialen HF Felds. Die HF Elektroden erzeugen eine HF Barriere, die dem radialen Ausrichtungseffekt der Gleichspannungsdifferenz entgegenwirkt, die z. B. zwischen der Außenelektrode des Driftrohrs und der inneren Elektrodenbaugruppe angelegt wird. Die HF Elektroden können in einigen Ausführungen eine Kombination von Gleichspannung und Hochfrequenz aufweisen, die daran angelegt werden, um sowohl den radialen Gleichspannungsfeldgradient als auch das radiale HF Feld zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführung umfasst die innere Elektrodenbaugruppe bevorzugt HF Elektroden, die mit Abstand ringförmig um die Mittelachse herum (d. h. die Längsachse) des Driftrohrs angeordnet sind, die sich axial erstrecken, bevorzugt parallel zur Längsachse, d. h. in der axialen Richtung. Die HF Elektroden sind bevorzugt mit gleichem Abstand ringförmig um die Mitte (Längsachse) des Driftrohrs herum angeordnet. Z. B. können die HF Elektroden ringförmig um die innere Elektrodenbaugruppe herum angeordnet sein (aber davon getrennt), d. h. mit den Ionentrennwegen, die radial außerhalb der HF Elektroden angeordnet sind.
Die HF Elektroden, an die im Gebrauch zumindest eine HF Spannung angelegt wird, erzeugen hierdurch eine HF Barriere zum Verhindern, dass Ionen mit der inneren Elektrodenbaugruppe kollidieren, z. B. dort, wo die Spannungsdifferenz, die zwischen der Außenelektrode des Driftrohrs und der inneren Elektrodenbaugruppe angelegt wird, die Ionen zur inneren Elektrodenbaugruppe hintreibt. Zusätzlich oder alternativ können die HF Elektroden mit gleichem Abstand ringförmig in der Nähe der Innenoberfläche der äußeren Elektrodenbaugruppe (aber davon getrennt) angeordnet sein, wodurch im Gebrauch bei angelegtem HF diese eine HF Barriere erzeugen, um zu verhindern, dass Ionen mit der äußeren Elektrodenbaugruppe kollidieren, z. B. dort, wo die Spannungsdifferenz, die zwischen der Außenelektrode des Driftrohrs und der inneren Elektrodenbaugruppe angelegt wird, die Ionen zur äußeren Elektrodenbaugruppe hin treibt. Die HF Elektroden können vorzugsweise Drähte aufweisen. Im Gebrauch sind benachbarte Paare der HF Elektroden bevorzugt mit gegenphasigen HF Spannungen versehen. Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass im Gebrauch Ionen in dem Driftrohr radial eingegrenzt werden können, durch Anlegen eines radialen Gleichspannungsfelds in Kombination mit einem HF Feld in dem Driftrohr, das mittels einer oder mehreren HF Elektroden angelegt wird, die mit der inneren Elektrodenbaugruppe und/oder der äußeren Elektrodenbaugruppe gekoppelt sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführung werden im Gebrauch Ionen in dem Driftrohr radial eingegrenzt, durch Anlegen eines HF Felds an die gesamte innere Elektrodenbaugruppe, um hierdurch ein Quasipotential in dem Driftrohr zu erzeugen, worin das HF mit der inneren Elektrodenbaugruppe mittels einer oder mehreren HF Elektroden, die innerhalb der inneren Elektrodenbaugruppe angeordnet sind, eingekoppelt wird. Ähnlich könnte das HF mit der äußeren Elektrodenbaugruppe gekoppelt werden, um hierdurch ein Quasipotential in dem Driftrohr zu erzeugen, mittels einer HF Elektrode oder Elektroden, die in der Nähe der äußeren Elektrodenbaugruppe angeordnet sind. Der gesamte kombinierte Effekt der oben beschriebenen radialen Feldeffekt ist derart, dass in dem Driftrohr ein radiales elektrisches Feld mit einem potentialen Minimum bei einem Radius des des Driftraums vorliegt, um hierdurch eine radiale Eingrenzung zu dem Potentialminimum hin vorzusehen.
Die schaltbaren Elektrisches-Feld-Erzeugungsmittel umfassen eine oder mehrere Elektroden, wie nachfolgend beschrieben.
Das Ionenmobilitätsspektrometer umfasst bevorzugt, im Gebrauch, ein axiales elektrisches Feld, um die Ionen axial in dem Driftrohr zu treiben, d. h. entlang der Längsachse des Driftrohrs. Zu diesem Zweck umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer bevorzugt eine axiale Antriebselektrode, die bevorzugt eine Widerstandselektrode ist, um eine axiale Antriebskraft auf die Ionen auszuüben, d. h., um die Ionen axial in dem Driftrohr zu treiben. Die axiale Antriebselektrode kann kontinuierlich oder segmentiert sein. Insbesondere wenn die axiale Antriebselektrode segmentiert ist, braucht sie keinen Widerstand haben, sondern kann aus leitfähigem Material hergestellt sein, mit gestuften Spannungen, die zwischen aufeinanderfolgende Segmente angelegt werden, um ein axiales elektrisches Feld herzustellen. Die axiale Antriebselektrode kann linear sein, oder ist besonders bevorzugt spiralig, wie nachfolgend im näheren Detail beschrieben, wobei sie sich in jedem Fall in der axialen Richtung erstreckt. In einigen Ausführungen kann die Außenelektrode des Driftrohrs, die einen Widerstand aufweisen kann, die zumindest teilweise die axiale Antriebselektrode bilden. Wo die axiale Antriebselektrode spiralig ist, erstreckt sie sich bevorzugt axial entlang dem Driftrohr, wobei die Achse der Schnecke, die sie bildet, im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Driftrohrs ist.
Das Ionenmobilitätsspektrometer umfasst bevorzugt zumindest eine Leitelektrode zum Erzeugen einer Leitpotentialbarriere, um die Ionen entlang einem anderen Trennweg als einem geraden Weg zu lenken, um z. B. Ionen entlang einem spiraligen Weg zu lenken. Dementsprechend Ist in diesem Ausführungen die Leitelektrode bevorzugt eine gekrümmte Elektrode, wobei eine spiralige Elektrode besonders bevorzugt ist. Der durch die Leitelektrode erzeugte Weg, bevorzugt spiralig, ist länger als ein gerader Weg durch das Driftrohr und dementsprechend werden, wenn die Ionen dem durch die Leitelektrode erzeugten Weg folgen, die mit höherer Auflösung getrennt als wenn einem geraden Weg durch das Driftrohr folgen würden. Wenn die Leitelektrode spiralig ist, erstreckt sie sich bevorzugt axial entlang dem Driftrohr, wobei besonders bevorzugt die Achse der Schnecke, die sie bildet, im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Driftrohrs ist. Die Leitelektrode kann kontinuierlich oder segmentiert sein. Die Leitelektrode ist bevorzugt zum Anlegen einer schaltbaren Spannung daran, um hierdurch die Leitpotentialbarriere ein- oder ausschalten zu können. Dieses Merkmal ermöglicht vorteilhaft, dass zwei Trennungswege in dem Driftrohr bereitgestellt werden, z. B. einen Weg, bei dem die Leitpotentialbarriere ausgeschaltet ist (z. B. der gerade Weg), und einen Weg, wo die Leitpotentialbarriere eingeschaltet ist (z. B. der spiralige Weg). Wenn beide vorhanden sind, sind die spiralige axiale Antriebselektrode und die spiralige Leitelektrode zur Bildung einer Doppelhelix angeordnet, wobei bevorzugt die Achse der Doppelhelix im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Driftrohrs ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungen ist die spiralige Leitelektrode um die innere Elektrodenbaugruppe herumgewickelt. Die Leitelektrode kann leitfähig oder mit Widerstand sein, bevorzugt mit Widerstand.
Die innere Elektrodenbaugruppe umfasst ferner bevorzugt einen inneren Träger, insbesondere einen Zylinder, der sich besonders bevorzugt axial entlang der Länge des Driftrohrs erstreckt. Dieser innere Träger oder Zylinder ist bevorzugt aus dielektrischem Material hergestellt. Der innere Träger oder Zylinder trägt darin bevorzugt die axiale Antriebselektrode und/oder die Leitelektrode, wie oben und im näheren Detail unten beschrieben. Jedoch kann in bestimmten Ausführungen der Außenzylinder zusätzlich oder alternativ daran (z. B. an seiner Innenoberfläche) eine axiale Antriebselektrode und/oder eine Leitelektrode ertragen, wie oben und im näheren Detail unten beschrieben.
Bevorzugt, insbesondere zur Verwendung in hochauflösenden Trennmodi, umfasst das Spektrometer bogenförmige Feldelektroden, die sich bevorzugt axial entlang dem Driftrohr erstrecken und um die Längsachse des Driftrohrs herum angeordnet sind, d. h. bogenförmig mit Abstand um die Längsachse herum. Die bogenförmigen Feldelektroden sind bevorzugt mit gleichem Abstand bogenförmig um die Längsachse herum angeordnet. Die bogenförmigen Feldelektroden können vorzugsweise in der Form von leitfähigen Streifen vorgesehen werden. Die bogenförmigen Feldelektroden können an der Innenoberfläche des Außenrohrs und einer Elektrode des Driftrohrs vorgesehen sein, oder an der Außenoberfläche der inneren Elektrodenbaugruppe. Die bogenförmige Feldelektrodenen erstecken sich bevorzugt parallel zueinander, besonders bevorzugt, wenn sie sich axial erstrecken. Im Gebrauch wird bevorzugt an jede bogenförmige Feldelektrode unabhängig eine schaltbare Spannung angelegt, um hierdurch ein bogenfömiges elektrisches Feld zu erzeugen. Das bogenförmige Feld ist eher ein rotierendes als ein statisches Feld, welches man erhält, indem mon fortschreitend die unabhängigen schaltbaren Spannungen an die bogenförmigen Feldelektroden anlegt, d. h. in der Form eines Übergangs-Wellenverlaufs.
Am Ausgang des Driftrohrs, d. h., nachdem die Ionen gemäß der Ionenmobilität getrennt worden sind, werden die getrennten Ionen von dem Driftrohr extrahiert, z. B. für eine Ausgangsgatterelektrode, um eine gepulste Extraktion zu erlauben. Nachdem die Ionen extrahiert sind, können sie zu einer oder mehreren weiteren Stufen der Ionenbearbeitung weiterlaufen, (z. B. Massenspektrometrie, wie etwa Massenfilterung, Ionenspeicher und/oder Massenanalyse, mit oder ohne Ionenfragmentierung) und/oder Detektion. Zum Beispiel können verschiedene Hybridinstrumentkonfigurationen in das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung enthalten, wie etwa IMS/MS oder IMS/MS/MS oder IMS/(MS)ⁿ, wobei IMS eine Stufe der Ionenmobilitätsspektrometrie der vorliegenden Erfindung bezeichnet und MS eine Stufe der Massenspektrometrie.
Das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden.
In einem Betriebsmodus, einem sogenannten Durchlassmodus werden die Ionen durch das Driftrohr driften gelassen, indem sie von dem axialen Feld angezogen werden, aber ohne Ionenmobilitätstrennung. In anderen Worten, in diesem Durchlassmodus wirkt das Spektrometer somit als einfacher Ionenleiter.
In einem niedrig auflösenden Betriebsmodus zur Ionenmobilitätstrennung, der eine Auflösung der Ionenmobilitätstrennung ähnlich den existierenden Gradweg-Ionenmobilitätsspektrometern erzielen kann, wird das Spektrometer nach Art des Durchlassmodus betrieben, außer dass die Ionen bevorzugt als Puls in das Driftrohr injiziert werden und die Ionen nach Ionenmobilität getrennt werden, wenn sie durch das Driftrohr laufen. In diesem niedrig auflösenden Modus ist die Spannung der Leitelektrode abgeschaltet oder auf niedrig gestellt, so dass im Wesentlichen keine Potentialbarriere vorhanden ist, welche die axiale Bewegung der Ionen beeinflusst. Dementsprechend driften in diesem niedrig auflösenden Ionenmobilitätstrennmodus die Ionen axial im Wesentlichen geradeaus durch das Driftrohr.
In einem hochauflösenden Betriebsmodus zur Ionenmobilitätstrennung verwendet der hochauflösende Modus die Leitelektrode, um einen Trennweg von längerer Weglänge zu bekommen, d. h. höhere Auflösungsleistung, bevorzugt einen spiraligen Trennweg. in dem hochauflösenden Modus werden, wie beim niedrig auflösenden Modus, die Ionen bevorzugt als Puls in das Driftrohr injiziert, und die Ionen werden nach Ionenmobilität getrennt, wenn sie unter dem Einfluss des axialen elektrischen Feldgradienten durch das Driftrohr laufen. Die Spannung der Leitelektrode ist eingeschaltet, so dass eine elektrische Potentialbarriere vorhanden ist, welche die reine axiale Bewegung der Ionen begrenzt und die Ionen stattdessen der Potentialbarriere folgen müssen, die bevorzugt bogenförmig ist, basierend auf einer spiraligen Leitelektrode. Der hochauflösende Modus wird bevorzugt mit einem rotierenden bogenförmigen elektrischen Feld betrieben, das in dem Driftrohr angelegt wird. Dementsprechend werden die bogenförmigen Feldelektroden bevorzugt in diesem Modus so betrieben, das an diese fortschreitend Spannungen unabhängig angelegt werden, um ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld zu erzeugen (d. h. ein Feld in der Bogenrichtung), um Ionen innerhalb des bogenförmigen elektrischen Felds in der Bogenrichtung zu treiben. Das rotierende bogenförmige elektrische Feld ist bevorzugt so vorgesehen, dass es einen Sektor (d. h. in der Bogenrichtung) von weniger als 360°, z. B. 240° überspannt. Dies kann man erreichen durch Anlegen von geeigneten Spannungen, bevorzugt im Wesentlichen der gleichen Spannung, an zwei von drei mit gleichem Bogenabstand angeordneten bogenförmigen Feldelektroden, bei einer anderen oder keinen Spannung an dem einen verbleibenden der Streifen. Die Rotationsgeschwindigkeit (d. h. in der Bogenrichtung) des rotierenden bogenförmigen Felds ist bevorzugt mit der Rotationsgeschwindigkeit von Ionen einer gewählten Ionenmobilität, K, synchronisiert, so dass das rotierende bogenförmige Feld und die Ionen der gewählten Ionenmobilität in Phase sind, so dass diese Ionen durch das Driftrohr entlang dem spiraligen Weg bewegt werden, wohingegen Ionen einer anderen Ionenmobilität außer Phase mit dem Bogenfeld werden und demzufolge verlangsamt werden können oder im Spektrometer verlorengehen. Dieses rotierende elektrische Feld kann verwendet werden, um einen Filtereffekt zu bekommen, so dass nur Ionen einer gewählten Ionenmobilität durch das Spektrometer hindurchgelassen werden, während andere Ionen herausgefiltert werden. In dem hochauflösenden Filtermodus ist das elektrische Feld in dem Sektor außerhalb des rotierenden bogenförmigen Felds bevorzugt ein defokussierendes Feld, so dass Ionen in diesen verbleibenden Sektor von einer Wand des Driftrohrs verlorengehen. Das defokussierende Feld kann z. B. durch einen radialen Gleichspannungs-Feldgradienten erzeugt werden, der Ionen so ausrichtet, dass an einer Wand des Driftrohrs verlorengehen. Der hochauflösende Modus kann alternativ mit Fallen betrieben werden, so dass Ionen, deren Rotationsgeschwindigkeit langsamer oder schneller als, d. h. außer Phase mit, dem rotierenden bogenförmigen elektrischen Feld ist, nichtsdestoweniger in dem Driftrohr gefangenbleiben. Die gefangenen Ionen können in dem Driftrohr gefangenbleiben, z. B. durch einen radialen Gleichspannungs-Feldgradienten in dem verbleibenden Sektor, der Ionen so ausrichtet, dass sie innerhalb des Driftrohrs verbleiben, z. B. bis die Rotationsgeschwindigkeit des bogenförmigen Felds geändert wird, in Anpassung an die Rotationsgeschwindigkeit der gefangenen Ionen, und daher die gefangenen Ionen durch das Driftrohr durchgelassen werden können.
Der Tastzyklus des Ionenmobilitätsspektrometers kann erhöht werden, indem man Ionen in das Ionenmobilitätsspektrometer mit der gleichen Phase nachfolgender Zyklen des rotierenden bogenförmigen Felds injiziert, besonders bevorzugt jeden nachfolgenden Zyklus des rotierenden bogenförmigen Felds.
In einem Betriebsmodus kann ein Massenspektrometer angeordnet werden, um Ionen, die aus dem Ionenmobilitätsspektrometer extrahiert wurden, mit gewählter Ionenmobilität zu detektieren, die eine oder eine begrenzte Anzahl von m/z Werten haben, so dass hierdurch das Instrument einen ionenspezifischen Detektor darstellt. In einem besonders typischen Betriebsmodus erhält man ein Massenspektrum durch ein Massenspektrometer für jeden einer Mehrzahl von engen Bereichen von Ionenmobilitäten, die von dem Ionenmobilitätsspektrometer durchgelassen werden (d. h. ein Massenspektrum erhält man für jeden Ionenmobilitätspeak, um hierdurch einen einzigen Ionenmobilitätspeak in dessen m/z Komponenten aufzulösen). Ein zweidimensionales (2D) Mobilität/Massendiagramm kann man auf diese Weise erhalten. Eine andere bevorzugte Methode ist eine sogenannte gekoppelte Scanmethode, die die Selektion nur von Ionen eines bestimmten Typs oder von bestimmten Typen erlaubt, z. B. nur von Peptiden, was den Dynamikbereich der Analyse von komplexen Gemischen stark verbessern kann und die Analyse von analytisch nutzlosen Ionen vermeiden kann (z. B. einfach geladene und Polymer-Ionen im Falle von Peptidgemischen). In der gekoppelten Scanmethode wird ein Massenfilter, z. B. Quadrupolmassenfilter, der stromab des Ionenmobilitätsspektrometers angeordnet ist, gleichzeitig mit der Mobilitätsabtastung durch das Ionenmobilitätsspektrometer abgetastet, so dass nur Ionen des vorbestimmten Mobilitäts/Massenverhältnisses oder solche, die zu einer vorbestimmten Kurve auf einem Mobilitäts/Massendiagramm liegen, zur nachfolgenden Bearbeitung oder Detektion ausgewählt werden, z. B. Massenanalyse, mit oder ohne Zwischenfragmentation der selektierten Ionen. Die selektierten Ionen mit vorbestimmtem Mobilitäts/Massenverhältnis oder solche, die auf einer vorbestimmten Kurve auf einem Mobilitäts/Massendiagramm liegen, werden auf diese Weise bevorzugt in einer Ionenfalle akkumuliert, bevor sie der nachfolgenden Massenanalyse unterzogen werden, z. B. durch einen FT Massenanalysator, der die Schwingfrequenz misst, die durch ein Potential induziert wird, das sich harmonisch in einer Richtung verändert (z. B. einem Orbitrab^TM Massenanalysator) oder einem TOF Massenanalysator. Die Raumladungskapazität der Ionenfalle kann vollständig genutzt werden, da nur interessierende Ionen selektiert und in der Falle akkumuliert werden. Bei einem solchen Betrieb kann ein hochauflösendes Massenspektrum, wenn man es etwa mit einem Orbitrab^TM Analysator erhält, erhalten werden, das nur interessierende Ionen enthält (z. B. zwei- oder dreifach gelade Ionen oder nur Glykopeptide etc.), und daher wird die Raumladungskapazität der Falle oder des Analysators vollständig ausgenutzt. Einer oder mehrere Scans können an unterschiedlichen Mobilitäts/Massenverhältnissen oder enthlang unterschiedlichen Kurven auf einem Mobiltäts/Massendiagramm vorgenommen werden.
Es versteht sich, dass das Spektrometer der vorliegenden Erfindung für die Übertragung und Trennung von entweder positiv oder negativ geladenen Ionen geeignet sein kann. Die an die verschiedenen elektrischen Komponenten angelegten Spannungen brauchen lediglich in ihren Polaritäten umgekehrt werden, um Ionen der entgegengesetzten Poralität durchzulassen und zu trennen.
Es versteht sich, dass weitere Modifikationen an der vorlegenden Erfindung vorgenommen werden können, die Merkmale von Ionenmobilitätsspektrometern der herkömmlichen Technik enthalten. Zum Beispiel wird gemäß bestimmten Ausführungen der vorliegenden Erfindung ein Bogenfeld angewendet, das sich dreht, d. h. als sogenannte Wanderwelle angewendet wird. Das Merkmal des Anlegens eines axialen Feldgradienten als Wanderwelle zur weiteren Filterung der Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, wie im Stand der Technik (z. B. US 6,914,241 ) beschrieben, kann ebenfalls verwendet werden. Zu diesem Zweck hat der axiale Feldgradient oder die axiale Betreiberelektrode bevorzugt eine segmentierte Form, so dass Potentiale fortschreitend an aufeinanderfolgende Segmente angelegt werden können, um hierdurch einen axialen Wanderwellen-Feldgradienten zu erzeugen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Um die Erfindung vollständiger zu verstehen, wird diese nun beispielshalber in Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, worin:
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer Ausführung eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung, entlang der Linie B-B in 2;
2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Ausführung entlang der Linie A-A;
3 zeigt ein Gleichspannungsprofil in der axialen (z) Richtung innerhalb des Ionenspektrometers in einer Ausführung des Betriebs;
4 zeigt das Gleichspannungsprofil in der Bogen (φ) Richtung innerhalb des Ionenmobilitätsspektrometers in einer Ausführung des Betriebs;
5 zeigt Potentialprofile in der radialen (r) Richtung für einen Sektor in Phase mit einem angelegten bogenförmigen elektrischen Feld in einer hochauflösenden Filterungsausführung;
6 zeigt Potentialprofile in der radialen (r) Richtung für einen Sektor außer Phase mit einem angelegten bogenförmigen elektrischen Feld in einer hochauflösenden Filterungsausführung;
7 zeigt schematisch eine Ausführung eines Hybrid IMS/MS/MS Instrument, das ein Ionenmobilitätsspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
8 zeigt ein zweidimensionales (2D) Mobilitäts/Massendiagramm, das mittels einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann;
9 zeigt eine gekoppelte Scanmethode, die mittels einer Ausführung der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann, wodurch Ionen eines gesetzten Mobilitäts/Massenverhältnisses gescannt werden;
10 zeigt eine ähnliche Ansicht zu 1 einer weiteren Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
11 zeigt schematisch eine Seitenansicht im Querschnitt einer anderen Ausführung eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den 1 und 2 sind schematisch, und daher nicht maßstabsgetreu, eine teilgeschnittene Seitenansicht und eine Querschnittsansicht eines Ionenmobilitätsspektrometers 2 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die 1 und 2 zeigen die Richtungen der Polarkoordinaten, z, r und φ.
Von dem Spektrometer 2 zu trennende Ionen werden von einer Ionenquelle (nicht gezeigt) erzeugt, die jede geeignete Ionenquelle sein kann und die auch eine herkömmliche Art von Ionenquelle sein kann, z. B. eine Elektrosprayionisierungs-(ESI)-Quelle, eine Matrix unterstützende Laserdesorptions-Ionisierungs-(MALDI)-Quelle oder jeder andere Ionenquellentyp. Die von der Quelle erzeugten Ionen können in dem Spektrometer 2 mittels einer Injektionsvorrichtung eingebracht werden, die typischerweise eine Ionenoptik enthält, welche in der gezeigten Ausführung ein Injektionsmultipol 10 aufweist. In anderen Ausführungen könnte die Injektionsvorrichtung jede HF Durchlass- oder Speichervorrichtung aufweisen, wie etwa einen länglichen Satz von Stangen, Öffnungen, Spiralen mit oder ohne Gasbad. Die von der Injektionsvorrichtung injizierten Ionen treten in das Spektrometer über eine Entrittsöffnung 20 ein. Die Eintrittsöffnung 20 wirkt als Ionengatter und man kann daran eine schaltbare Spannung anlegen, um selektiv entweder Ionen hindurchzulassen (Gatter offen) oder nicht hindurchzulassen (Gatter geschlossen).
Das Spektrometer 2 umfasst ein Driftrohr 4, das in der Ausführung eine Außenelektrode aufweist, in diesem Fall in der Form eines Zylinders 30, der in der axialen Richtung, z, langestreckt ist, welche die Längsachse des Rohrs ist. In 1 ist der Zylinder 30 im axialen Querschnitt gezeigt. Die Länge des Zylinders 30 ist in dieser Ausführung 200 mm und dessen Innendurchmesser ist 60 mm. Der Zylinder 30 ist, wie in 2 gezeigt, ein Kreiszylinder, braucht es aber nicht zu sein. Der Zylinder könnte z. B. auch jede andere Querschnittsform haben, wie etwa elliptisch oder irgendeine andere gekrümmte Form, obwohl ein Kreiszylinder bevorzugt ist. Der Elektrodenzylinder 30 ist in dieser Ausführung aus Widerstandsglas hergestellt, könnte aber auch aus jedem anderen Widerstandsmaterial hergestellt sein. Widerstandsglas-Driftrohre für Ionenmobilitätsspektrometer sind an sich bekannt. In anderen Ausführen könnte der Zylinder 30 nur auf seiner Innenoberfläche einen Widerstandsmaterial aufweisen. Wenn im Gebrauch eine Spannung von 50–200 V zwischen den Enden des Zylinders 30 (d. h. dessen entgegengesetzten axialen Enden) angelegt wird, wird somit ein Spannungsgradient in der axialen Richtung erzeugt, der die Bewegung der Ionen vom Eingangsende des Driftrohrs zum Ausgangsende, d. h. die axiale Bewegung der Ionen unterstützen kann.
Das Spektrometer der gezeigten Ausführung umfasst einen Speicherabschnitt 30', der ein elektrisch isolierter Abschnitt des Widerstandszylinders 30 sein kann, oder ein anderer Zylinder, der Widerstandsmaterial aufweist (zumindest an seiner Innenoberfläche), mit dem gleichen Durchmesser und koaxial zum Zylinder 30, und elektrisch isoliert vom Hauptteil des Zylinders 30, in dem die Trennung der Ionen stattfindet. In anderen Ausführungen braucht jedoch, wie in der nachfolgend beschriebenen 11 gezeigt, der Speicherabschnitt keinen koaxialen Zylinder aufzuweisen, koaxial zum Hauptzylinder 30 des Driftrohrs, da der Speicherabschnitt nur einen Bereich zur Speicherung von Ionen bereitstellen muss, bevor die Ionen, bevorzugt als Puls, in das Driftrohr 4 freigesetzt werden. Die Ionen von der Injektionsvorrichtung treten anfänglich in den Speicherabschnitt 30' über die Öffnung 20 ein. Der Speicherabschnitt 30' definiert einen Speicherraum 21, der in diesem Beispiel ein ringförmiger Speicherraum ist (obwohl er, wie oben angegeben, nicht ringförmig zu sein braucht, z. B. in Fällen, wo der Speicherabschnitt keinen koaxialen Zylinder aufweist), worin die Ionen gespeichert werden können, bevor Ionen durch Schleusung in den Separationsabschnitt des Zylinders 30, d. h. in den Driftraum 22 selektiert werden. Der Speicherabschnitt 30' umfasst bevorzugt Widerstandsmaterial, zumindest auf seiner Innenoberfläche, und trägt in elektrischer Verbindung damit zwei Elektroden, in diesen Beispielen in der Form von ringförmigen leitfähigen Streifen 31, 32, die jeweils an jedem Ende des Speicherabschnitts 30' vorgesehen sind, um einen axialen elektrischen Feldgradienten zu erzeugen, wenn zwischen den Elektroden oder Streifen 31, 32, in diesem Beispiel ringförmige Elektroden, eine Spannungsdifferenz von 5–50 V angelegt wird. Im Gebrauch bewegen sich die Ionen in der axialen Richtung zu dem Separationsabschnitt des Zylinders 30 unter dem Einfluss des axialen Gradienten in dem Speicherabschnitt 30'. Die Ionen können im Speicherabschnitt 30' erhalten werden und steuerbar in den Separationsabschnitt des Zylinders 30 geschleust werden, mittels einer Spannung, die an eine nachfolgend im näheren Detail beschriebene Schleusenelektrode 61 angelegt wird.
Im Außenzylinder 30 des Spektrometers ist eine innere Elektrodenbaugruppe 40 angeordnet. Die Elektrodenbaugruppe 40 ist koaxial in Bezug auf den Außenzylinder 30 angebracht. Der Driftraum 22, in denen im Gebrauch die Ionen durch Ionenmobilität getrennt werden, umfasst das ringförmige Volumen zwischen dem Außenzylinder 30 und der inneren Elektrodenbaugruppe 40. Der Driftraum 22 ist im Gebrauch mit Gas gefüllt. Das Gas kann ein beliebiges Gas sein, das herkömmlich für die Ionenmobilitätsspektrometrie verwendet wird (wie etwa Stickstoff, Helium, Methan etc. oder irgendein Gemisch davon). Das Gas kann in dem Driftraum Drücke haben, die bekanntermaßen in der Technik zur Ionenmobilitätsspektrometrie nützlich sind, z. B. Atmosphärendruck oder Über- oder Unteratmosphärendruck. Bevorzugt ist das Gas jedoch bei Atmosphärendruck oder darunter. Besonders bevorzugt ist das Gas unter Atmosphärendruck, ganz besonders bevorzugt bei 0,005 bis 20 mbar, und am meisten bevorzugt bei 0,1 bis 1 mbar. Das Gas kann angeordnet werden, so dass es in dem Driftraum fließt, z. B. entgegen der Richtung der Ionenbewegung, aber bevorzugt und der Einfachheit wegen lässt man das Gas nicht fließen.
Die Elektrodenbaugruppe 40 umfasst HF Elektroden 50 mit gleichem Abstand ringförmig um die z- oder Längsachse des Driftrohrs herum und parallel zur z-Achse, d. h. der axialen Richtung, verlaufen. In der Ausführung sind die HF Elektroden 50 zweckmäßig in der Form von Drähten vorgesehen, die über Halter 53, 54 gespannt sind. Im Gebrauch werden benachbarte Drähte, z. B. gezeigt als 51, 52, mit gegenphasigen HF Spannungen versehen, um ein HF Quasipotential zu erzeugen. In 2 ist jeder Draht mit der gleichen Phase der HF Spannung mit der gleichen Schraffur versehen. Die HF Elektroden 50 erzeugen hierdurch eine HF Barriere, um Ionen daran zu hindern, in die Elektrodenbaugruppe 40 zu fallen. Die Ionen werden im Gebrauch radial eingegrenzt, indem sie durch eine Gleichspannungsdifferenz, die mit 1 bis 20 V zwischen dem Außenzylinder 30 und der Elektrodenbaugruppe 40 angelegt wird, zur inneren Elektrodenbaugruppe 40 und deren HF Barriere hin gedrückt werden.
Die Elektrodenbaugruppe 40 umfasst ferner einen Innenzylinder 60, der über die Länge des Spektrometers und des Driftrohrs verläuft. Der Zylinder 60 ist bevorzugt aus dielektrischem Material hergestellt, bevorzugt Glas (z. B. Bleisilikat) oder Keramik. Der Außendurchmesser des Zylinders 60 beträgt 50 mm. Der Innenzylinder 60 hat die Wirkung, sowohl eine Schleusenelektrode, in diesem Fall in der Form eines ringförmigen leitfähigen Streifens 61, sowie eine Leitelektrode, in diesem Fall in der Form eines Widerstandsstreifens 70, der spiralig um den Zylinder 60 herum gewickelt ist, zu tragen. In der gezeigten Ausführung trägt der Innenzylinder 60 ferner eine axiale Treiberelektrode, in diesem Fall in der Form eines Widerstandsstreifens 62, der ebenfalls spiralig um den Zylinder 60 herum gewickelt ist. Der Einfachheit wegen sind, in der Querschnittsansicht von 2, weder nachfolgend beschriebene Widerstandsstreifen 70 noch der Widerstandsstreifen 62 gezeigt. Das ringförmige leitfähige Band 61 umgibt den Umfang des Zylinders 60 und ist am Ausgang des Speicherraums 21 axial angeordnet. In der gezeigten Ausführung ist das ringförmige leitfähige Band 61 mit dem leitfähigen Streifen 62 axial höhenmäßig positioniert. Wenn im Gebrauch eine schaltbare Gaterspannung an das ringförmige leitfähige Band 61 angelegt wird, wirkt dieses als Schleusenelektrode, um Ionen von dem Speicherraum 21 in den Driftraum 22 zu schleusen, wodurch die Ionen gemäß der Ionenmobilität separiert werden. An das ringförmige leitfähige Band 61 wird somit eine schaltbare Spannung angelegt, um selektiv entweder zu erlauben, dass Ionen hindurchlaufen (Gatter offen) oder nicht hindurchlaufen (Gatter geschlossen). Der Widerstandsstreifen 70 ist spiralig um den Zylinder 60 herum mit der axialen Richtung entlang der Länge des Zylinders 60 gewickelt. Der Widerstandsstreifen 70 dient zum Anlegen einer schaltbaren Gleichspannung. Wenn an den Widerstandsstreifen 70 eine Spannung angelegt wird, wird hierdurch eine spiralige Potentialbarriere für die sich axial bewegenden Ionen erzeugt, wie nachfolgend im näheren Detail beschrieben. Die leitfähigen Streifen oder Komponenten, die hierin beschrieben sind, sind bevorzugt aus Metall hergestellt, wie etwa z. B. Nickel, Wolfram oder Gold. Die Widerstandsstreifen 62 und 70 werden bevorzugt durch Wasserstoffreduktion von Bleisilikatglas hergestellt, wie es in der Technik bekannt ist, oder durch Aufsteuben von ultradünnen Schichten aus Wolfram oder anderen Widerstandsmetallen auf Glas oder Keramik. Denkbar ist es auch, Streifen durch Spritzguss gleitfähigen Kunststoff herzustellen, wie etwa Sintimid, Tecaform, Semitron und andere.
Der Innenzylinder 60 trägt ferner einen Widerstandsstreifen 62, der auch spiralig um den Zylinder 60 herum gewickelt ist. Der Widerstandsstreifen 62 ist in der axialen Richtung entlang der Länge des Zylinders 60 spiralig um den Zylinder 60 herumgewickelt. Die Spirale des Widerstandsstreifen 62 und die Spirale des Widerstandsstreifens 70 sind in der Ausführung zur Bildung einer Doppelhelixkonfiguration angeordnet, d. h., es sind zwei kongruente Spiralen. Die Spirale des Widerstandsstreifens 62 und die Spirale des Widerstandssteifens 70 haben somit im Wesentlichen die gleiche Steigung von 10 mm, was in 20 Windungen entlang des Driftrohrs 4 resultiert (in den schematischen Figuren sind nicht alle Windungen gezeigt). Die Spirale des Widerstandstreifens 62 und die Spirale des Widerstandsstreifens 70 sind bevorzugt in Bezug aufeinander, angenähert auf halben Weg entlang der Spiralsteigung, in der axialen Richtung versetzt. Der Radius einer Spirale (oder beider) ist bevorzugt konstant, könnte aber variieren, um einen oder mehrere Abschnitte vorzusehen, um den Radius entlang der axialen Richtung zu vergrößern oder zu verkleinern, um hierdurch eine spiralige Konfiguration zu erzeugen. Dementsprechend beziehen sich hier im Begriff spiralig und ähnliche Begriffe, wie etwa Helix, auf entweder eine strikt spiralige Form mit festem Radius, oder eine Spirale mit zunehmendem und/oder abnehmendem Radius.
Typischerweise ist die Steigung oder die axiale Stufung der Spirale mehrere Male größer als die Lücke zwischen dem Zylinder 60 und den HF Elektroden oder Drähten 50. Die Steigung oder axiale Stufung der Spirale ist somit typischerweise mit der Lücke zwischen dem Außenzylinder 30 und der inneren Elektrodenbaugruppe 40 vergleichbar. Zum Beispiel könnte für eine Lücke von 5 mm zwischen dem Innenzylinder 40 und dem Außenzylinder 30 und einem Durchmesser von 50 mm des Innenzylinders 40, eine Verstärkung in der Trennungslänge > 15 bis 30 erreichen, im Vergleich zum niedrig auflösenden Modus, und daher in der Auflösung einen Verstärkungsfaktor x4 bis x5. Dies erhält man aus Dimensionen der Spiralsteigung P = 10 mm, Durchmesser D = 50 mm des Zylinders 40 und der Gesamtlänge des Rohrs, L = 200 mm, so dass Verstärkung in der Trennungslänge über L gleich π·D/P = 15,7 ist, bei einer Gesamtlänge von 3,14 m.
Der Widerstandsstreifen 62 dient zum Anlegen einer schaltbaren Spannung von 20 bis 500 V daran. Eine ähnliche Spannungsverteilung wird an dem Streifen 70 erzeugt, aber um 2 bis 20 V verschoben, gemäß der Polarität der Ionen (hoch für positiv, abwärts für negativ). Wenn an den Widerstandsstreifen 62 eine Spannung angelegt wird, wird hierdurch entlang diesem ein axialer elektrischer Feldgradient erzeugt, und in dem Driftraum 22 wird ein axiales elektrisches Feld generiert, um die Ionen axial durch den Driftraum 22 zu bewegen, wie nachfolgend im näheren Detail beschrieben wird. Da der Widerstandsstreifen 62 zum Erzeugen eines axialen Feldgradienten dient, um die Ionen axial durch den Driftraum 22 zu bewegen, ist es möglich, einen Widerstandsstreifen zu verwenden, der eine etwas andere Konfiguration als spiralig hat. Zum Beispiel könnte der Widerstandsstreifen 62 in einigen Ausführungen in der Form eines geraden Streifens sein, der in der axialen Richtung entlang dem Innenzylinder 60 verläuft. Eine solche Ausführung ist in 10 gezeigt (10 zeigt auch den Speicherabschnitt 30' als Teil des Zylinders 30). Jedoch ist im Hinblick auf den spiraligen Widerstandsstreifen 70, der Widerstandsstreifen 62 bevorzugt spiralig und bildet weiter bevorzugt eine Doppelhelix mit dem Widerstandsstreifen 60. Wenn der Widerstandsstreifen 62 spiralig ist, werden nicht axiale (d. h. bogenförmige) Feldkomponenten durch den Widerstandsstreifen 70 und auch bogenförmige Feldelektroden 33–35 dominiert.
Zusätzlich zum spiraligen Streifen 70 umfasst, um eine weitere bogenförmige Antriebskraft auf die Ionen auszuüben, uns insbesondere zur Verwendung in hochauflösenden Trennmodi, das Spektrometer bogenförmige Feldelektroden, in diesem Fall in der Form von leitfähigen Streifen 33, 34 und 35, die an der Innenoberfläche des Außenzylinders 30 des Driftrohrs 4 vorhanden sind. Die leitfähigen Streifen 33, 34 und 35 sind aus leitfähigem Material hergestellt und erstrecken sich parallel zueinander, axial entlang der Länge des Driftrohrs 4, d. h. sie erstrecken sich axial der Innenoberfläche des Außenzylinders 30. Die leitfähigen Streifen 33, 34 und 35 erstrecken sich axial über im Wesentlichen die gleiche axiale Länge wie der spiralige Widerstandsstreifen 70. Die Streifen 33, 34 und 35 haben einen gleichen Bogenabstand um die z- oder Längsachse des Driftrohrs, und an jedem Streifen wird bei Verwendung eine schaltbare Spannung von 1 bis 20 V unabhängig angelegt, um ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld zu erzeugen, das nachfolgend im näheren Detail beschrieben wird. Es versteht sich, dass auch eine größere Anzahl von Streifen als die drei Streifen 33, 34 und 35 vorgesehen werden könnte. Jeder der hierin beschriebenen leitfähigen Streifen, z. B. Streifen 31–35, 61, kann als kontinuierlicher Streifen oder als diskontinuierlicher Streifen, d. h. in Abschnitten, vorliegen. Ähnlich kann der Widerstandsstreifen 62 als kontinuierlich Streifen oder als diskontinuierlicher Streifen, d. h. in Abschnitten, vorliegen.
Am Ausgangsende des Driftrohrs 4, d. h. am Ausgangsende des Außenzylinders 30, können die Ionen aus dem Driftraum 22 über eine Austrittsöffnung 80 austreten. Ionen, die durch die Austrittsöffnung 80 austreten, können einer weiteren Bearbeitung und/oder Detektion unterzogen werden. In der gezeigten Ausführung ist ein Leitmultipol 90 stromab der Austrittsöffnung 80 vorgesehen, um Ionen aufzunehmen, wenn sie das Driftrohr verlassen. Eine schaltbare Schleusenspannung an der Öffnung 80 kann dazu verwendet werden, die Ionen mit gewünschter Mobilität zu schleusen, bevor sie über das Multipol 90 in weitere Stufen, Bearbeitung und/oder Detektion gelangen. Die Austrittsöffnung 80 wirkt somit als Ionenschleuse, und an diese kann eine schaltbare Spannung von 1 bis 10 V angelegt werden, um selektiv zu erlauben, dass Ionen hindurchtreten (Gatter offen) oder nicht hindurchtreten (Gatter geschlossen. Bevorzugt ist, wie in 8 gezeigt, ein ringförmiger leitfähiger Streifen 72 ferner als Mittel vorgesehen, um Ionen zur Öffnung 80 zu leiten. An den ringförmigen leitfähigen Streifen 72 wird eine schaltbare Spannung von 5 bis 50 V angelegt, um selektiv zu erlauben, dass Ionen dort hindurchtreten (Gatter offen) oder nicht hindurchtreten (Gatter geschlossen).
Nachfolgend werden verschiedene Betriebsweisen des Spektrometers 2 beschrieben.
Ionen können in das Spektrometer 2 wie folgt eingeführt werden. Nach Ionenerzeugung in einer Ionenquelle (nicht gezeigt) und optional etwaiger Vorverarbeitung der Ionen, wie z. B. Ionenspeicherung, Massenfilterung und/oder Fragmentierung, werden die Ionen über das Injektionsmultipol 10 zur Injektion in das Spektrometer ausgerichtet. Zum Injizieren wird die Spannung der Eintrittsöffnung oder dem Gatter 20 (z. B. auf Null oder einen niedrigen Wert) gesetzt, um zu erlauben, dass die Ionen dort hindurchtretenund die Ionen in den Speicherraum 21 eintreten, d. h. in dem Beispiel, das ringförmige Volumen zwischen dem Speicherabschnitt 30' und der inneren Elektrodenbaugruppe 40, die sich axial zwischen der Eintrittsöffnung 20 und dem leitfähigen Streifen oder dem Gatter 61 befindet. Die Ionen können aus dem Speicherraum 21 herausdriften, wenn an den leitfähigen Streifen 61, der als Schleuse aus dem Speicherraum 21 wirkt, eine Gatterspannung von 5 bis 50 V ausgeschaltet wird und auf die gleiche Spannung wie der Beginn des Streifens 62 gesetzt wird, so dass Ionen aus dem Speicherraum 21 in den Driftraum 22 driften können, durch das axiale Feld, das durch den Spannungsabfall zwischen den Streifen 31 und 32 und entlang dem Streifen 62 erzeugt wird. Die Ionen beginnen dann, durch den Driftraum 22 hindurchzulaufen.
In einem Modus, einem sogenannten Durchlaufmodus, können die Ionen entlang dem Driftrohr 4 durch den Driftraum 22 driften, angezogen von einem axialen Feld, d. h. von dem Widerstandsstreifen 62, an den eine Spannung von 50 bis 200 V angelegt wird, aber mit begrenzter Ionenmobilitätstrennung. Mit anderen Worten, das Spektrometer wirkt somit in diesem Modus eher als einfacher Ionenleiter. In dem Durchlassmodus werden die Ionen typischerweise nicht gespeichert und von dem Speicherraum 21 freigesetzt, sondern werden stattdessen kontinuierlich durch das Spektrometer 2 und dessen Driftrohr 4 durchgelassen. Dementsprechend kann das Driftrohr 4 entweder mit Gas bei signifikantem Druck zur Ionenmobilitätstrennung gefüllt sein, oder unter Hochvakuum sein. Da der Streifen 62 spiralig ist, unterliegen die Ionen jederzeit einem kleinen axialen Feld durch das Driftrohr 4, ungeachtet, wo um die innere Elektrodenbaugruppe 4 herum die Ionen sind. Die Ionen werden radial eingegrenzt, durch Anlegen einer Gleichspannungsdifferenz von 2 bis 20 V zwischen dem Widerstands-Außenzylinder 30 und der Elektrodenbaugruppe 40, indem z. B. an den Widerstandsstreifen 62 eine andere Gleichspannung angelegt wird als an dem Widerstands-Außenzylinder 30. Zum Beispiel kann an dem Widerstandsstreifen 62 eine stärker negative Gleichspannung angelegt werden als an dem Widerstands-Außenzylinder 30, um positiv geladene innen radial einzugrenzen (und umgekehrt). Wenn die Ionen axial durch das Driftrohr wandern, wird verhindert, dass die Ionen mit der inneren Eelktrodenanordnung 40 kollidieren, indem eine HF Spannung von 200 bis 1000 V bei 3 MHz an die die HF Elektroden angelegt wird, wie oben beschrieben. In diesem Durchlassmodus wird an den spiraligen Widerstandsstreifen 70 eine Spannung angelegt, die an die Spannungen am Streifen 62 angepasst ist, so dass im Wesentlichen keine spiralige Potentialbarriere vorhanden ist, die die axiale Bewegung der Ionen beeinflusst, und stattdessen eine glatte lineare axiale Feldkomponente erhalten wird. Dementsprechend driften die Ionen axial durch das Driftrohr 4 auf im Wesentlich geradem Weg (sie unterliegen keiner Streuung). Die Ionen werden in bogenförmiger Richtung nahe z. B. der Elektrode 33 eingegrenzt, indem höhere Spannungen an die Elektroden 34 und 35 angelegt werden. Mit anderen Worten, der Durchlassbetriebsmodus sieht vor, dass Ionen auf einem nichtspiraligen geraden Weg durch das Driftrohr 4 driften. Die Ionen erreichen eventuell die Austrittsöffnung 80, an die im Durchlassmodus eine Spannung angelegt wird, um zu erlauben, dass die Ionen aus dem Driftrohr genauso durch das Multipol 90 strömen, zur optionalen weiteren Verarbeitung in etwaigen stromabwärtigen Vorrichtungen (nicht gezeigt), z. B. einem oder mehreren Massenfiltern und/oder Ionenfallen, und Detektion.
Im niedrig auflösenden Betriebsmodus zur Ionenmobilitätstrennung, der eine ähnliche Auflösung der Ionenmobilitätstrennung wie existierende Geradweg-Ionenmobilitätsspektrometer vorweisen kann, wird das Spektrometer 2 nach Art des Durchlassmodus betrieben, außer, dass die Ionen nicht kontinuierlich durch das Spektrometer fließen, sondern stattdessen die Ionen gespeichert werden als Puls in das Driftrohr 4 freigegeben werden. Dies kann durchgeführt werden, indem zuerst die Ionen in den Speicherraum 21 eingeführt werden, wie oben beschrieben. Zum Einführen von Ionen in den Speicherraum wird bevorzugt der axiale Feldgradient in dem Speicherraum 21, z. B. von den Streifen 31, 32, angelegt, um das Driften von Ionen in dem Speicherraum zu unterstützen. In einem Betriebsmodus zur Ioneninjektion in das Driftrohr wird an den leitfähigen Streifen 61, der als Gatter aus dem Speicherraum 21 wirkt, anfänglich eine Spannung von 5 bis 50 V angelegt, die so eingestellt ist, dass die Ionen dadurch gestoppt werden und somit in dem Speicherraum 21 gefangen und gespeichert werden. Nachdem Ionen in den Speicherraum 21 eintreten, kann zusätzlich an die Eintrittsöffnung 20 eine zusätzliche Spannung von einigen Volt angelegt werden, um Ionen in dem Speicherraum zu fangen und auch zu verhindern, den Eintritt von weiteren Ionen in den Speicherraum von der Vorrichtung 10 her zu verhindern. Sobald die Ionen in dem Speicherraum 21 sind, ist es, obwohl nicht notwendig, möglich, den axialen Gradienten in dem Speicherraum abzuschalten, so dass die Ionen in dem Speicherraum gestoppt werden. In diesem Betriebsmodus braucht es nicht erforderlich sein, dass die Gatterelektrode 21 die Wirkung hat, die Ionen anzuhalten, da das Fehlen des axialen Gradienten in dem Speicherraum 21 selbst ausreichend sein könnte, um die Ionen in dem Speicherraum zu stoppen. Beim Anlegen eines Gatterpulses an den Streifen 21 und/oder beim Anlegen des axialen Feldgradienten in dem Speicherraum 21 können die gespeicherten Ionen aus dem Speicherraum 21 in den Driftraum 22 driften, z. B. durch das axiale Feld, das durch den Spannungsabfall zwischen den Streifen 31 und 32 erzeugt wird.
Der Ionenpuls beginnt dann im Durchtritt durch den Driftraum 22 wie oben, und die Ionen werden nach Ionenmobilität getrennt, wenn sie durch den Driftraum wandern. In diesem Modus belegt ein Gas zur Ionenmobilitätstrennung den Driftraum 22. Das Gas kann bei Atmosphärendruck oder reduziertem Druck sein, bevorzugt 0,005 bis 20 mbar, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 mbar. Das axiale Feld innerhalb des Driftrohrs und des Driftraums 22 wird wiederum durch die Spannung erzeugt, das an den spiraligen Widerstandsstreifen 62 und optional an den äußeren Widerstandszylinder 30 angelegt wird. Radiale Einschränkung das Anlegen der HF Spannung erfolgt in der Weise, die oben für den Durchlassmodus beschrieben ist. In diesem niedrig auflösenden Modus wird an den spiraligen Widerstandsstreifen 70 eine Spannung angelegt, die zu den Spannungen am Streifen 62 passt, so dass im Wesentlichen keine spiralige Potentialbarriere vorhanden ist, welche die axiale Bewegung der Ionen beeinflusst. Dementsprechend driften, in diesem niedrig auflösenden Ionenmobilitätstrennmodus, die Ionen axial durch das Driftrohr 4 und dessen Driftraum 22 auf einem angenähert geraden Weg (unterliegt einer gewissen Streuung), d. h. zwischen der Eintrittsöffnung 20 und der Austrittsöffnung 20. In anderen Worten, der niedrig auflösende Ionenmobilitätstrennmodus sieht vor, dass die Ionen durch das Driftrohr 4 auf einem nicht spiraligen Weg driften. Die Driftzeit durch das Driftrohr im niedrig auflösenden Modus kann typischerweise einige ms betragen. Nach Trennung gemäß der Ionenmobilität erreichen die Ionen eventuell die Austrittsöffnung 80, an die eine schaltbare Extraktionsspannung von 1 bis 10 V angelegt wird, um die Ionen durch die Austrittsöffnung aus dem Driftrohr zu entnehmen. Wenn die Austrittsöffnung 80 so eingestellt ist, dass die Ionen aus dem Driftrohr 4 durch das Multipol 90 treten können, können die Ionen, die gemäß ihrer Ionenmobilität separiert sind, so optional einer oder mehreren weiteren Stufen der Bearbeitung und der Detektion geleitet werden. Zum Beispiel können die Ionen zu etwaigen stromabwärtigen Vorrichtungen (nicht gezeigt) geleitet werden, z. B. zu einem oder mehreren Massenfiltern und/oder Ionenfallen und Detektion. Die Austrittsöffnung 80 kann mit einer schaltbaren Spannung betrieben werden, um nur Ionen von gewünschter Ionenmobilität zu den weiteren Stufen zu schleusen. Dementsprechend können die Ionen durch die Austrittsöffnung 80 entweder in einem statischen (d. h. kontinuierlichen) Modus extrahiert werden, oder an die Austrittsöffnung eine Extraktionsspannung kontinuierlich angelegt werden, oder in einem gepulsten Modus, wo eine Extraktionsspannung an der Austrittsöffnung 80 gepulst ist, um eine gepulste Extraktion zum Selektieren eines bestimmten Mobilitätswerts oder bestimmten Mobilitätswerten zu gestatten.
Das Spektrometer der vorliegenden Erfindung kann auch in einem hochauflösenden Modus zur Ionenmobilitätstrennung betrieben werden, oder besondere einer Vielzahl von hochauflösenden Modi, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, was eine höhere Auflösung für die Ionenmobilitätstrennung liefert als der oben beschriebene niedrig auflösende Modus. Während der niedrig auflösende Modus einen geraden Trennungsweg durch das Driftrohr verwendet, benutzt der hochauflösende Modus einen spiraligen Trennweg durch das Driftrohr. Dementsprechend ist der Trennweg im Falle des hochauflösenden Modus länger, um eine größerer Auftrennung von Ionen nach Ionenmobilität zu gestatten. Die Auflösung des hochauflösenden Modus kann dementsprechend höher sein als für ein herkömmliches Gradweg-Ionenmobilitätsspektrometer bei gleichen Gesamtdimensionen des Driftrohrs. Zum Beispiel könnte für einen Spalt von 5 mm und Durchmesser 50 mm ein Gewinn in der Trennungslänge > 15 bis 30 erreichen, im Vergleich zum niedrig auflösenden Modus, und daher ein Verstärkungsfakgatter x4 bis x5 in der Auflösung. Alternativ könnte diese Verstärkung durch Wechsel zu einem niedrigeren Betriebsdruck (und somit einer geringeren elektrischen Feldstärke, E) erlangt werden. Niedrige Betriebsdrücke können z. B. dann günstig sein, wenn eine Ionenmobilitätsspektrometer mit einem Massenspektrometer zusammengeschaltet wird, das ein Hochvakuum erfordert. Die Driftzeit durch das Driftrohr 4 im hoch auflösenden Modus kann typischerweise zwischen einigen ms bis einigen zehn ms betragen, in Abhängigkeit von den Drücken und Spannungen.
Im hochauflösenden Modus wird das Spektrometer 2 in der oben beschriebenen Weise für den niedrig auflösenden Modus betrieben, zum Injizieren von Ionen und Speichern und Freisetzen des Ionenpulses aus dem Speicherraum 21. Der Ionenpuls beginnt dann mit der Übetragung durch den Driftraum 22 zur Trennung der Ionen nach Ionenmobilität, wenn sie durch den Driftraum wandern. Diesem Modus bewegt ein Gas zur Ionenmobilitätstrennung den Driftraum 22. Das axiale Feld zum Bewegen der Ionen vom Eintrittsende des Driftrohrs 4 zum Austrittsende des Rohrs durch den Driftraum 22 wird erneut durch die an den spiraligen Widerstandsstreifen 62 und optional an den äußeren Widerstandszylinder 30 angelegten Spannung erzeugt. Die radiale Eingrenzung einschließlich der an die Drähte 50 angelegten HF Spannung erfolgt wieder in der oben beschriebenen Weise. Jedoch wird im hochauflösenden Modus, im Gegensatz zum niedrig auflösenden Modus die Spannung der Leitelektrode oder des spiraligen Widerstandsstreifens 30 auf 2 bis 20 V angehoben, so dass eine spiralige elektrische Potentialbarriere vorhanden ist, die eine reine axiale Bewegung der Ionen begrenzt, wie nun im näheren Detail erläutert wird.
Die Potentialbarriere, die durch die Spannung an dem spiraligen Widerstandsstreifen 70 erzeugt wird, ist in den 3 und 4 durch die Gleichspannungsprofilauftragungen dargestellt. 3 zeigt die Gleichspannung oder das Potential als Funktion der Z Koordinate, d. h. in der axialen Richtung entlang der Längsachse des Spektrometers, für feste radiale Bogenpositionen (d. h. feste r und φ Koordinaten). Die Postionen P1 und P2 in der z oder axialen Richtung entsprechen jeweils den axialen Positionen der Eintritts- und Austrittsenden des Speicherraums 21, d. h. angenähert den Positionen der Elektroden 31 und 32. P1 markiert auch die axiale Position des Eintritts des Driftrohrs 4 und des Driftraums 22. Die Position P3 entspricht dem Ausgang von dem Driftrohr 4 und dem Driftraum 22. Die axialen Positionen des Speicherraums 21 und des Trenndriftraums 21 sind zur weiteren Klarheit dargestellt. Ersichtlich ist ein allgemein nach unten geneigter axialer Potentialgradient entlang z (und somit ein elektrischer Feldgradient). Der abwärts geneigte axiale Gradient bewegt positiv geladene Ionen zum Ausgang des Driftrohrs, und es versteht sich, dass durch Neigung des Gradienten in der entgegengesetzten Richtung, diese negativ geladenen Ionen stattdessen zum Ausgang hin bewegt werden könnten. Der axiale Potentialgradient ist zwischen P1 und P2 im Wesentlichen linear, d. h. innerhalb des Speicherraums 21, aufgrund der Potentialdifferenz, die zwischen den Elektroden 31 und 32 über dem Widerstandszylinder 30' angelegt wird. Der axiale Potentialgradient zwischen P2 und P3 umfasst andererseits einen nach unten geneigten axialen Potentialgradienten, auf den eine Serie von Potentialhöckern aufgelagert sind, die den Perioden der Spirale entsprechen, die durch die spiralige Leitelektrode oder den Widerstandsstreifen 70 gebildet wird. In der axialen Richtung steigt, für ein festes r und φ, das Potential auf ein örtliches Maximum an (d. h. auf der Oberseite eines Höckers, von denen der erste mit 102 bezeichnet ist) an Punkten, wo der Widerstandsstreifen 70 am nächsten ist (d. h. wo er an der nahen Seite des Zylinders 60 verläuft). Die Minima zwischen den Höckern, dessen erster mit 104 bezeichnet ist, entsprechend Punkten in der axialen Richtung oberhalb des Streifens 62, wo der Widerstandsstreifen 70 am weitesten entfernt ist.
4 zeigt die Gleichspannung oder das Potentialprofil in der Bogen- oder Winkelrichtung, φ für eine feste radiale und axiale Position (d. h. feste r und z Koordinaten), wenn die gleichen Spannungen und die Streifen 33 bis 35 angelegt werden, so dass eine etwaige bogenförmige Potentialverteilung nur von den Streifen 62 und 70 kommt. Es ist ersichtlich, dass das Potential um die Winkelrichtung φ, für feste r und z, zu einem örtlichen Maximum ansteigt, mit 106 bezeichnet, an dem Punkt, wo der Widerstandsstreifen 70 am nächsten ist (d. h., wo er an der nahen Seite des Zylinders 60 ist). Das Potential um die Winkelrichtung φ für fest r und z fällt auf ein örtliches Minimum ab, mit 108 bezeichnet, an dem Punkt oberhalb des Streifens 62, wo der Widerstandsstreifen 70 am weitesten entfernt ist (d. h., wo er an der fernen Seite des Zylinders 60 ist).
Wenn sich die Ionen, dem axialen Feldgradienten folgen, in der axialen Richtung von dem Speicherabschnitt 21 weg in den Driftraum 22 bewegen, nähern sie sich der ersten Potentialbarriere in der Form des ersten Potentialhöckers 102 in 3 an. Dies entspricht der Annäherung an den spiraligen Widerstandsstreifen 70. Diese Potentialbarriere entspricht auch dem Maximum 106 auf dem Plot von 4. Die Ionen können die Barriere nicht queren und folgen stattdessen dem niedrigsten Potentialweg, der durch das Minimum 108 in 4 erzeugt wird und werden so in der Bogenrichtung φ betrieben. Die kombinierte axiale und bogenförmige Bewegung resultiert in einer spiraligen Bewegung der Ionen um die innere Elektrodenbaugruppe 40 herum, wenn die Ionen der durch den Widerstandsstreifen 70 erzeugten Potentialbarriere folgen. Wenn die Ionen auf dem spiraligen Weg wandern, werden sie gemäß Ionenmobilität getrennt. Die Spiralbewegung erhöht somit wesentlich die Weglänge der Trennung nach Ionenmobilität, im Vergleich zum geraden Durchgangsweg. Der Widerstandsstreifen 70 und somit die hierdurch erzeugte Potentialbarriere endet am Ausgang von dem Driftrohr, so dass die Ionen eventuell die Austrittsöffnung 80 erreichen, an die die schaltbare Extraktionsspannung angelegt wird und die wie oben beschrieben betreibbar ist. Wenn die Austrittsöffnung 80 so eingestellt ist, dass die Ionen aus dem Driftrohr 40 und durch das Multipol 90 treten können, können die Ionen, die gemäß ihrer Ionenmobilität getrennt wurden, zu optional einer oder mehreren weiteren Stufen der Bearbeitung und/oder Detektion gelangen, wie oben beschrieben. Die Austrittsöffnung 80 kann mit einer schaltbaren Extraktionsspannung betrieben werden, um nur Ionen einer gewünschten Ionenmobilität zu den weiteren Stufen zu schleusen.
Der hochauflösende Modus wird bevorzugt von einem rotierenden bogenförmigen elektrischen Feld betrieben, das in dem Driftrohr anliegt. In diesem Fall folgt dies mit den bogenförmigen Feldelektroden oder Streifen 33–35, die arbeiten, wenn sich die Ionen entlang dem spiraligen Weg durch das Driftrohr bewegen. Die leitfähigen Streifen 33–35 werden in diesem Modus derart betrieben, dass an diese unabhängig 5 bis 50 Volt angelegt wird, so dass sie ein Betreiben des bogenförmiges elektrisches Feld erzeugen (d. h. ein Feld in der Bogenrichtung), um Ionen in dem bogenfömigen elektrischen Feld in der Bogenrichtung zu treiben, d. h., in der gleichen Bogenrichtung wie sie in dem spiraligen Weg folgen. Das antreibende bogenförmige elektrische Feld wird bevorzugt so vorgesehen, dass es einen Sektor (d. h. in der Bogenrichtung) von weniger als 360°, z. B. 240° überspannt. Dies kann man erreichen, indem geeignete Spannungen an die Streifen 33–35 angelegt werden, d. h. mit der höchsten Spannung an den Streifen 33, der niedrigsten an 35 und einer zwischenliegenden an 34. Jedoch wird das antreibende bogenförmige Feld bevorzugt progressiv in der Bogenrichtung angelegt (d. h. es bewegt sich in der Bogenrichtung durch fortschreitendes Anlegen von Spannungen an die Streifen 33–35), so dass das bogenförmige Feld in der Bogenrichtung rotiert. Die Winkel- oder Drehgeschwindigkeit (d. h. in der Bogenrichtung) dieses rotierenden antreibenden bogenförmigen Felds Ist bevorzugt mit der Winkel- oder Drehgeschwindigkeit der Ionen der gewählten Ionenmobilität, K, synchronisiert, so dass sich die Ionen durch das Driftrohr entlang dem spiraligen Weg bewegen, wohingegen Ionen einer anderen Ionenmobilität außer Phase mit dem fortschreitenden bogenförmigen Feld gelangen und demzufolge verlansamt werden können oder im Spektrometer verlorengehen, wie nachfolgend im näheren Detail beschrieben. Somit werden die Ionen der gewählten Ionenmobilität, K, um die innere Elektrodenbaugruppe 40 herum (d. h. um die Drähte 50 herum) in dem bogenförmigen Feld driften, und sie unterliegen immer dem optimalen elektrischen Feld E, um die Ionen in der Bogenrichtung zu treiben. Zum Beispiel unterliegen Ionen, die der inneren Elektrodenbaugruppe 40 und den Drähten 50 näher sind, einem kleineren bogenförmigen Feld, wo sie auf einem kleineren Radius r angeordnet sind, so dass sie im Wesentlichen die gleiche Winkel oder Rotationsgeschwindigkeit erlangen wie Ionen, die von der inneren Elektrodenbaugruppe 40 und den Drähten 50 weiter entfernt sind, aber einem größeren bogenförmigen Feld unterliegen. Darüberhinaus wird über den Verlauf von mehreren radialen Oszillationen jegliche Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen den Ionen der gleichen Mobilität und ähnlichem m/z ausgemittelt.
Der hochauflösende Modus kann mit Ionenfilterung betrieben werden, so dass nur Ionen mit gewählter Ionenmobilität durch das Spektrometer hindurchgelassen werden, während andere Ionen ausgefiltert werden. Wenn im hochauflösenden Filtermodus das antreibende bogenförmige elektrische Feld, das durch die bogenförmigen Feldelektroden angelegt wird, einen Sektor von weniger als 360° überspannt, so dass es z. B. 240° überspannt, ist das elektrische Feld in dem verbleibenden Sektor, z. B. den verbleibenden 120°, bevorzugt ein defokussierendes Feld, so dass Ionen in diesem verbleibenden Sektor an den Außenwänden des Driftrohrs 4, d. h. an dem Außenzylinder 30, verlorengehen. Bevorzugt ist das elektrische Feld in dem verbleibenden Sektor, z. B. den verbleibenden 120°, bevorzugt in der entgegengesetzten Richtung orientiert, und/oder Spannungen werden an die Streifen 33–35 derart angelegt (z. B. die Gleichspannung an dem Streifen in dem verbleibenden Sektor ist niedriger als die Gleichspannung an der inneren Elektrodenbaugruppe 40), das Ionen in diesem verbleibenden Sektor einem defokussierenden Feld unterliegen (d. h. von der inneren Elektrodenbaugruppe 40 weg) und an dem Außenzylinder 30 verlorengehen. Die Gleichspannung an dem Streifen in dem verbleibenden Sektor kann z. B. niedriger gemacht werden als die gemeinsame Gleichspannung an den HF Drähten 50 und den Streifen 62, 70 der inneren Elektrodenbaugruppe 40. Die 5 und 6 zeigen die insgesamten und gleichen Potentialprofile entlang der radialen Richtung r an einer festen axialen (z) Position für den Sektor, wo das antreibende bogenförmige Feld vorhanden ist, und den Sektor, wo das defokussierende Feld vorhanden ist. In anderen Worten, der Sektor, wo das antreibende bogenförmige Feld vorhanden ist, ist dort, wo die Ionen in Phase mit dem antreibenden bogenförmigen Feld sind, und der Sektor, wo das defokussierende Feld vorhanden ist, ist dort, wo die Ionen außer Phase mit dem antreibenden bogenförmigen Feld sind. In den 5 und 6 bezeichnet R1 die Oberfläche der inneren Elektrodenbaugruppe 40, und R2 bezeichnet die Position des Außenzylinders 30. Im Bezug auf 5, die beschreibt, wo das antreibende bogenförmige Feld vorhanden ist, kann man sehen, dass die Gleichpotentialverteilung (durchgehende Linie) in der radialen Richtung die Wirkung hat, die Ionen zur inneren Elektrodenbaugruppe 40 hin zu begrenzen, aber der Effekt des HF an den Drähten 50 ist so, dass die gesamte Potentialverteilung (gepunktete Linie) verhindert, dass die Ionen tatsächlich auf die innere Elektrodenbaugruppe 40 treffen. Dementsprechend werden die Ionen im radialen Bereich zwischen dem Außenzylinder 30 und der inneren Elektrodenbaugruppe 40 eingegrenzt. Im Bezug auf 6, die beschreibt, wo das defokussierende Feld vorhanden ist (d. h., wo das antreibende bogenförmige Feld nicht vorhanden ist), kann man sehen, dass die Gleichpotentialverteilung (durchgehende Linie) und die gesamte Potentialverteilung (gepunktete Linie) in der radialen Richtung die Wirkung haben, die Ionen radial auswärts zum Außenzylinder 30 zu ziehen, so dass die Ionen in diesem Sektor am Außenzylinder verlorengehen.
Der hochauflösende Modus kann alternativ mit allem betrieben werden, so dass Ionen, die eine solche Ionenmobilität haben, dass sie langsamer sind als das rotierende bogenförmige elektrische Feld, nichtsdestoweniger in dem Driftrohr gefangen bleiben. Dieser Modus kann hierin als Drehwellenmodus bezeichnet werden. Die Ionen können in dem Driftrohr gefangen bleiben, z. B. bis sich die Drehgeschwindigkeit des bogenförmigen Felds so geändert hat, dass sie zur Drehgeschwindigkeit der gefangenen Ionen mit einer weiter gewählten Ionenmobilität passt, d. h. nachdem die Ionen der ersten gewählten Ionenmobilität durch das Driftrohr hindurchgelassen wurden, und daher anschließend Ionen, die eine weitere gewählte Ionenmobilität haben, durch das Driftrohr durchlassen.
Es sollte angemerkt werden, dass die obigen Ausführungen Ionen mit unterschiedlichen m/z haben, die sich auf unterschiedlichen Radien bewegen, weil das Quasipotential des HF Felds massenabhängig ist, das Gleichspannungspotential aber nicht.
Um den Tastzyklus des Instruments zu verbessern, könnte das Injizieren in das Ionenmobilitätsspektrometer in der gleichen Phase von jedem aufeinanderfolgendne Zyklus des Bogenfelds erfolgen. In diesem Fall ist das Fangen der im Speicherraum 21 nicht notwendig und könnte ersetzt werden, indem man einfach die Stärke des axialen Felds, das zwischen Elektroden 31, 32 im Speicherabschnitt gebildet ist, durch niedrigen und hohen Einstellung zyklisch macht, um das Injizieren von Tonen in den Driftraum 22 des Driftraums 4 zu pulsen.
Nachdem die Ionen durch die Austrittsöffnung 80 extrahiert worden sind, können sie zu einer oder mehreren weiteren Stufen der Ionenbearbeitung (z. B. Massenspektrometrie, wie etwa Massenfilterung oder Massenanalyse, mit oder ohne Ionenfragmentierung) und/oder Detektion fortfahren. Nachdem, im in 1 gezeigten Beispiel, die Ionen extrahiert sind, werden sie vom Ionenleiter 90 in der Form eines Multipolleiters (bevorzugt eines Quadropols) geleitet, der die Tonen zu einem stromabwärtigen Massenspektrometer (in 1 nicht gezeigt) liefert. Das Ionenmobilitätsspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. in verschiedenen Hybridinstrumentkonfigurationen verwendet werden, wie etwa IMS/MS oder IMS/MS/MS oder IMS/(MS)ⁿ, wobei IMS eine Stufe der Ionenmobilitätsspektrometer und MS eine Stufe der Massenspektrometrie bezeichnet. Die Stufen der Massenspektrometrie können ein oder mehrere Massenspektrometertypen verwenden, wie etwa: Flugzeit (TOF), Ionenfalle (z. B. 3D Ionenfalle oder lineare Ionenfalle), Magnetsektor, Quadrupol, Multipol und Fouriertransformationsmassenspektrometer (FTMS), wie etwa FT-ICR oder einen Orbitrap^TM Massenanalysator. Die IMS/MS/MS Kombinationen sind bevorzugt etwa: IMS/Q/Trap oder IMS/Q/Orbitrap^TM, wobei Trap eine Ionenfalle bezeichnet, Q einen Quadrupolmassenfilter bezeichnet und Orbitrap^TM einen Orbitrap^TM Massenanalysator bezeichnet. Das Ionenmobilitätsspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung ist ideal zur Verwendung mit Ionenfallenanalysatoren, einschließlich eines Orbitrap^TM Massenanalysators.
7 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführung eines IMS/MS/MS Instruments, wobei das IMS das Ionenmobilitätsspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Ionenquelle ist bevorzugt eine Quelle wie etwa eine ESI Quelle oder eine MALDI Quelle, insbesondere für biologische Proben, einschließlich Proteingemischen. Die von der Quelle in das IMS eingeführten Ionen werden von dem IMS wie hierin beschrieben separiert, z. B. gemäß entweder der niedrigauflösenden oder hochauflösenden Modus, und werden dann dem Quadrupolmassenfilter (Q) geleitet, der wieder als Massenfilter oder nur im HF Modus betrieben werden kann, worin keine Massenfilterung erfolgt. Vom Quadrupolmassenfilter können die Ionen in ein hochauflösendes Massenspektrometer geleitet werden, in diesem Beispiel einen Orbitrap^TM Massenanalysator. In einem bekannten Schritt werden die Ionen zuerst von dem Quadrupol in eine gekrümmte Linearfalle (C-Falle) geleitet, zur gepulsten Injektion in den Orbitrap^TM Massenanalysator. Optional können die Ionen von der C-Falle zu einer Kollisionszelle (CC) zur Fragmentierung geschickt werden und die fragmentierten Ionen können von der C-Falle zurückgeschickt werden, zum Injizieren von Orbitrap^TM Massenanalysator.
Alternativ können die aus dem Ionenmobilitätsspektrometer austretenden Ionen von einem Ionendetektor detektiert werden, der nach der Austrittsöffnung vom Ionenmobilitätsspektrometer angeordnet ist, d. h. ohne weitere Bearbeitung.
In einem Typ des Betriebsmodus kann ein Massenspektrometer angeordnet sein, um von dem IMS extrahierte Ionen mit gewählter Mobilität detektieren, der eine oder eine begrenzte Anzahl von m/z Werten haben, so dass das Instrument hierdurch einen Ionen-spezifischen Detektor ergibt. In einem besonders typischen Betriebsmodus erhält man ein Massenspektrum mit einem Massenspektrometer für jeden engen Bereich von Zonenmobilität, die von dem IMS übertragen werden (d. h. für jeden Ionenmobilitätspeak). Für diesen letzteren Modus wird bevorzugt die Extraktion der Ionen aus dem IMS gepulst, bevorzugt mit einer Verzögerung zwischen den Pulsen entsprechend der Driftzeit zwischen den Ionenmobilitätspeaks. Die Pulse von extrahierten Ionen werden dann jeweils massenanalysiert, um ein Massenspektrum zu erzeugen, um hierdurch potentiell einen einzigen Zonenmobilitätspeak in seine m/z Komponenten aufzulösen.
In einem bevorzugten Betriebsmodus wird das Ionenmobilitätsspektrometer 2 im hochauflösenden Filterungsmodus betrieben, wie oben beschrieben, so dass es Ionen mit nur einem engen Bereich von Ionenmobilitäten, K, durchlässt, gleichwohl mit einem hohen Tastzyklus. In Bezug auf 8 ist dieser enge Bereich von Ionenmobilitäten K (d. h. zwischen den gepunkteten Linien in der Figur) auf einem Mobiltiäts/Massenplott von K gegen m/z gezeigt. Ein anschließender Massenanalysator, wie etwa eine Ionenfalle, empfängt die Ionen im engen Bereich von Ionenmobilitäten und führt eine Massenanalyse durch, d. h. einen m/z Scan. Zum Beispiel kann unter Verwendung des in 7 gezeigten Hybridinstruments der Quadrupolmassenfilter (Q) nur im HF Modus betrieben werden, so dass er keine Massenfilterung durchführt, und dann werden die Ionen im engen Mobilitätsbereich in der C-Falle gespeichert und in den Orbitrap Massenanalysator injiziert, um darin eine Massenanalyse durchzuführen. Anschließende Scans von dem Ionenmobilitätsspektrometer zum Übertragen von weiteren Bereichen von Ionenmobilitäten, K, werden dann durchgeführt, und es wird eine Massenanalyse für jeden Mobilitätsscan durchgeführt, so dass ein zweidimensionales (2D) Mobilitäts/Massendiagramm erhalten werden kann, wie es in 8 gezeigt ist. Bereiche des Mobilitäts/Massenplots, wo Ionenspezies detektiert werden, sind in der Figur mit schattierten Bändern gezeigt. Unter Verwendung der bekannten Korrelation zwischen K und m/z, wie in 8 gezeigt, könnte die Analysegeschwindigkeit erhöht werden, durch Kombinieren von verschiedenen K-Werten in einem Massenspektrum, z. B. durch Akkumulieren von Ionen mit verschiedenen K-Werten in der C-Falle, bevor diese zusammen in dem Orbitrap^TM Massenanalysator analysiert werden. Zusätzlich könnte, wie oben beschrieben, eine Fragmentierung in einer Kollisionszelle dazu verwendet werden, Fragmente von gewählten Ionen zu erzeugen.
Ein anderes bevorzugtes Verfahren ist in Bezug auf 8 dargestellt. In dieser sogenannten Koppelscanmethode (linked-scan method) erlaubt sie die Selektion nur von Ionen eines bestimmten Typs oder von bestimmten Typen, z. B. von gewählten Ladungszuständen, was im Dynamikbereich der Analyse von komplexen Gemischen stark verbessern kann, und die Analyse von analytisch nutzlosen Ionen vermeidet (z. B. einfach geladene und Polymerionen im Falle von Peptidgemischen). In dieser Koppelscanmethode wird ein Massenfilter, wie etwa z. B. der Quadrupolmassenfilter in 7, rasch gleichzeitig dem Mobilitätsscan durch das IMS gescannt, so dass nur Ionen eines definierten Mobilität Massenverhältnisses oder solchen, die auf einer definierten Kurve auf einem Mobilitäts/Massendiagramm liegen, in den nachfolgenden Massenanalysator gelassen werden, wie etwa z. B. im Orbitrap^TM Analysator von 7. Vor letzteren Massenanalysestufe werden die Ionen, die nach dem definierten Mobilität/Massenverhältnis selektiert sind, bevorzugt akkumuliert, besonders bevorzugt in einer Ionenfalle, z. B. der C-Falle in 7. Die akkumulierten Ionen können dann von der Ionenfalle in den Massenanalysator freigesetzt werden. In 9 ist, zwischen den gepunkteten Linien, ein repräsentatives Mobilitäs/Massenverhältnis gezeigt, das in der Ionenfalle in einem Scan akkumuliert wird. Wie erwähnt, können am Ende des Scans alle der akkumulierten Ionen nach Masse analysiert werden, z. B. in den Orbitrap^TM Analysator injiziert werden und das Massenspektrum erfasst werden. Bei einem solchen Vorgang kann ein hochauflösendes Massenspektrum, wenn es mit einem Orbitrap^TM Analysator erhält, erhalten werden, das nur interessierende Ionen enthält (z. B. 2- oder 3-fach geladene Ionen, nur Glycopeptide, etc.), und daher wird die Raumladungskapazität der Falle vollständig ausgenutzt. In ähnlicher Weise können einer oder mehrere nachfolgende Scans bei anderen Mobilitätsmassenverhältnissen vorgenommen werden. Die Massenauflösung des Massenfilters könnte ähnlich jenem des IMS ausgewählt werden, so dass der gesamte Tastzyklus respektabel bleibt (z. B. 1–2%). In Anpassung an die Wiederholrate des Orbitrap Analysators sollte der gesamte Scan 50 bis 1000 ms dauern, in Abhängigkeit von den erforderlichen Auflösungen im IMS und Quadrupol. Zusätzlich könnten bestimmte gewählte m/z in einer optionalen Kollisionszelle fragmentiert werden, um Fragmente zur Überprüfung eines entsprechenden Vorläuferions zu erzeugen.
Es könnten natürlich auch andere Instrumentenkonfigurationen als die in 7 gezeigte Konfiguration in Betracht gezogen werden, z. B. eine Q-IMS-TOF Konfiguration, insbesondere eine solche Konfiguration, die eine Zelle zum Fragmentieren von Ionen des gleichen m/z aber unterschiedliche Mobilität enthält. Anstelle eines Quadrupuls könnten auch andere schnelle Massenselektoren verwendet werden, z. B. basierend auf Resonanztrennung auf Flugzeit, wie in den mitanhängigen Anmeldungen GB 1020038.4 und GB 1020039.2 des Anmelders beschrieben.
Es versteht sich im Hinblick auf das Betriebsprinzip der vorliegenden Erfindung, dass das Spektrometer entgegengesetzt herum zu der gezeigten besonderen bevorzugten Ausführung konstruiert sein könnte, d. h. statt mit der Spiralelektrode 70, die an der Innenoberfläche der Außenelektrode 30 angeordnet ist, die HF Elektroden 50 radial einwärts davon, aber in der Nähe der Innenoberfläche dieser Außenelektrode. Die bogenförmigen Feldelektroden 33–35 könnten in diesem Fall an der Oberfläche der inneren Elektrodenbaugruppe 40 angeordnet werden. Solchen Ausführungen müsste die Richtung des Gleichspannungsfelds in der radialen Richtung in Bezug auf die beschriebene umgedreht werden.
11 zeigte eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche eine nur Gleichspannungstrennung von Ionen vorsieht. In dieser Ausführung sind die bogenförmigen Feldelektroden 33–35 durch eine spiralige Potentialsenke ersetzt, die innere und äußere spiralige Elektroden erzeugt wird, wie nachfolgend beschrieben. In diesem Fall enthalten beide Innen- und Außenzylinder 30 und 40 die Doppelhelixanordnung der Widerstandsstreifen 62, 70 auf dielektrischen Zylindern, wobei Gleichspannungspotentialverteilungen entlang den Spiralen gebildet werden, wenn an die Streifen geeignete Spannungen angelegt werden. Der Außenzylinder 30 umfasst in diesem Fall ein dielektrisches Material, auf dessen Innenoberfläche die Streifen 62', 70' angeordnet sind, zum Innenzylinder 40 hinweisend. Auf der Außenoberfläche des Innenzylinders 40 sind in diesem Fall die Streifen 62, 70 ausgebildet, zum Außenzylinder weisend. Der Innenzylinder 30 ist hohl, wie gezeigt, obwohl dies nicht der Fall zu sein braucht, wie nachfolgend erläutert. Wie in den obigen Ausführungen wird an eine der Spiralstreifen 62, 70 (62', 70') in jedem Zylinder eine Spannung angelegt, die relativ zum anderen Streifen erhöht ist, so dass sich Ionen nur entlang dem gebildeten Potentialtal bewegen können. Um eine HF Falle vorzusenen, wird eine HF Spannung in die inneren Widerstandsstreifen 62, 70 von einer Metall HF Elektrode 200 über verteilte Kapazitäten von einigen Hundert pF gekoppelt, die zwischen dem kleinen Spalt (wenige mm) zwischen der HF Elektrode und dem Widerstandsstreifen 62, 70 gebildet ist. Die HF Elektrode 200 könnte in das Dielektrikum des Innenzylinders 40 eingebettet sein oder davon vakuumisoliert (wie gezeigt), und daran wird eine HF Spannung mit einer Amplitude von 200 bis 2000 V und einer Frequenz von 3 bis 6 MHz angelegt. Eine Radialfalle könnte erzeugt werden entweder durch Vorspannen der äußeren Streifen 62', 70' relativ zu den entsprechenden inneren Streifen 62, 70, (so dass das massenabhängige effektive Potential von 5 gebildet wird), oder auch durch Einkoppeln ähnlichem HF in die Außenelektroden 62', 70'. Der Spalt zwischen den Streifen 62 und 70, insbesondere am Innenzylinder, sollte minimiert werden, um das Eindringen der Gleichspannung von der HF Elektrode in Ionenmobilitätsseparation-(IMS)-Bereich (Driftraum) zu reduzieren. Als Konstruktionsbeispiel könnte ein dünnes Rohr aus Bleisilikatglas Wasserstoff-reduziert werden, um einen dünnen leitfähigen Film auf der Außenseite zu bekommen, und dann könnte Laserablation dazu verwendet werden, um durch diese Schicht eine spiralige Nut zu schneiden, um hierdurch eine Doppelhelix mit sehr hohem oder unendlichem Widerstandswert zwischen den Wicklungen zu bilden. Alternativ könnte eine Metall-HF-Elektrode mit isolierendem Kunststoff beschichtet werden (z. B. PTFE oder Polykarbonat), und dann wird eine Abschirmung aus leitfähigem Kunststoff darauf aufgepresst und dann durchgeschnitten (aber nur teilweise durch den Isolationskunststoff) durch Laser zur Bildung von spiraligen Streifen. Die äußeren Streifen 62', 70' könnten eine größere Trennung haben, da dort keine HF Abschirmung erforderlich ist, und stattdessen würde dies erlauben, dass das Gleichspannungsfeld an der äußeren Widerstandsbeschichtung 240 in das IMS Volumen eindringt, zu dem nachfolgend beschriebenen Zwecken.
Wenn die radiale Spannungsdifferenz entlang der Gesamtlänge der Vorrichtung konstant gehalten werden sollte, bedeutet dies, dass das Bogenfeld umgekehrt proportional zum Radius wäre. Daher sollte die relative Variation des Felds über die Größe des Ionenstrahls minimiert werden, entweder durch Reduzieren der Strahlgröße zur besseren Fokussierung oder Verringerung der Variation zur Verwendung eines größeren Radius (der letztere reduziert das Quasipotential des HF Felds). Für die oben angegebenen Driftrohrdimensionen (50 mm Außendurchmesser des Innenzylinders und 60 mm Innendurchmesser des Außenzylinders) sind IMS Auflösungsleistungen oberhalb von 100 bis 200 praktikabel. Um einen elektrischen Zusammenbruch aufgrund einer wesentlichen Spannungsdifferrenz zwischen den Enden des gasgefüllten IMS Rohrs zu vermeiden, die Hunderte oder, wenn höhere Auflösungsleistungen gewünscht sind, sogar Tausende von Volt erreichen könnten, sollte das IMS immer unterhalb der Zusammenbruchschwelle betrieben werden, bestimmt durch die Pasch-Kurve, bevorzugt oberhalb 10^–2 mbar·m. Glücklicherweise treffen Spannungsextreme auf die entgegengesetzten Enden des IMS Rohrs, so dass die charakteristische Größe von L verwendet werden könnte (in unserem Fall 200 mm). Sollte bei 2 mbar Druck die maximale Spannung unterhalb 2000 V für Stickstoff und 600 V für Helium bleiben, was für hohe Auflösungsleistungen gemäß Gleichung 2 bereits praktikabel ist. Es ist auch wichtig, zu beobachten, dass die HF Spannungen über dem Spalt auch unterhalb der Pasch-Kurve bleiben, bevorzugt unter wenigen Hundert Volt.
Im Betrieb werden Ionen von dem Injektionsmultipol 10 nur in der HF Speichervorrichtung 230 gefangen, dann wird der Spannungsoffset in dieser Speichervorrichtung über die erhöhte Spannung an der Vorderseite des IMS Rohrs angehoben, und hierdurch werden die Ionen in das IMS Rohr injiziert, indem die Spannung an der Gatteröffnung 260 reduziert wird. Diese „Energieanhebung” erlaubt, dass sowohl die Ionenquelle als auch anschließende Massenanalysatoren auf geringeren Spannungsoffsets relativ zu Masse gehalten werden.
Im hochauflösenden Modus werden Spannungen zwischen den Streifen 62 und 70 an dem Innenzylinder 40 und zwischen ihren Gegenstücken 62' und 70' am Außenzylinder gemäß 3 derart gehalten, dass axiale elektrische Felder Ionen von benachbarten Wicklungen des Streifens 70 zum Streifen 62 drücken. Die Ionen finden sich selbst in einer spiraligen Potentialsenke, die sie dazu bringt, den elektrischen Feldlinien entlang dem spiraligen Weg zwischen den Innen- und Außenzylindern zu folgen. Effektive Weglängen zu mehreren Metern über einen Spannungsabfall von wenigen kV sind in diesem Modus erzielbar.
Im niedrigauflösenden Modus wird der Spannungsoffset des Streifens 70 verringert, so dass keine Barriere vorhanden ist, sondern stattdessen eine lineare axiale Spannungsverteilung zwischen ihm und dem Streifen 62 gebildet wird, um hierdurch die Ionen geradeaus entlang dem Driftrohr des IMS zu zwingen. Ein zusätzliches axiales Feld wird erzeugt, indem entlang der Außenbeschichtung 240 eine Spannung angelegt wird. Das bogenförmige elektrische Feld zwingt noch immer die Ionen dazu, um die Achse des Innenzylinders herum zu rotieren, aber hierbei ist die Stufe der Spirale wesentlich länger und die Laufzeit kürzer. Durch geeignete Gestaltung der Außenbeschichtung 240 und Zuführen von ausreichend hohen Spannungen könnte das Bogenfeld innerhalb des IMS auf Null reduziert werden, so dass die Ionen im Wesentlichen geradeaus vom Eingang zum Ausgang wandern.
Im Durchlassmodus ist der Betrieb ähnlich der niedrigen Auflösung, aber hierbei wird der HF Speicher 230 mit der höchstmöglichen Frequenz zwischen dem Füllen und Freisetzen von Ionenpaketen im Zyklus betrieben (z. B. 200–500 Mal pro Sekunde), so dass hohe Ionenströme bis zu 10⁹–10¹⁰ Ionen pro Sekunde übertragen werden können. Dies erfordert, dass der Druck im HF Speicher 10^–2 mbar überschreitet. Alternativ könnte die Gleichspannung entlang den Streifen 62, 70 auf wenige zehn Volt verringert werden, und daher ist eine solche „Energieanhebung” im Ionenspeicher nicht notwendig: d. h. Ionenfluss könnte kontinuierlich hindurchlaufen.
Es versteht sich, dass das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung auch für sogenannte feldasymmetrische IMS (FAIMS) verwendet werden könnte. Dementsprechend kann das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung ein feldasymmetrisches Ionenmobilitätsspektrometer aufweisen. Zu diesem Zweck reicht es aus, das elektrische Feld/Druckverhältnis, E/P, signifikant über 200 V/(m·mbar) anzuheben, bevorzugt über 1000 V/(m·mbar). Alternativ könnte HF an den Drähten asymmtrisch gemacht werden, was dann in einer zusätzlichen Nettoverlagerung von Ionen in dem Feld resultiert. Dies wiederum bewegt Ionen von ihrer optimalen Position zu einem anderen Radius, wo sie eine andere Driftgeschwindigkeit halten, außer Phase mit dem rotierenden bogenförmigen elektrischen Feld gelangen und an den Innen- oder Außenelektroden verlorengehen.
Die datenabhängige Erfassung könnte dann mittels der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi auszuwählen (d. h. den oben aufgezeigten und anderen), in Abhängigkeit von Ergebnissen, die in Echtzeit von einem massenspektrometrischen Detektor kommen. Zum Beispiel könnte ein breites Massenbereich-Überblickspektrum dazu verwendet werden, interessierende m/z zur IMS Analyse und Fragmentierung auszuwählen, so dass man MS/MS Spektren von gewählten Isomeren erfassen könnte.
Vorteile der Erfindung beinhalten die Fähigkeit zum Schalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi, z. B. vom schnellen Durchlassmodus (Ionenleitung) oder niedrigen Durchlass-IMS-Modus zu verschiedenen hochauflösenden IMS Modi, wie etwa einem hochauflösenden Doppelscan-IMS-MS-Modus. Die Erfindung ermöglicht eine hochauflösende Ionenmobilitätsfilterung im rotierenden Feld. Die Erfindung ermöglicht einen spiraligen Weg, um hierdurch Platz für eine hochauflösende Ionenmobilitätstrennvorrichtung zu sparen, aber innerhalb eines geraden Driftrohrs, was für eine einfache Konstruktion sorgt.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch in einem Multiplexmodus betrieben werden könnte, wenn mehr als ein Ionenpaket während der Mobilitätstrennung injiziert wird. Hadamard und pseudorandomisierte Kodierung könnte mit geeigneter Entfaltung der resultierenden Daten verwendet werden.
Der hierin verwendete Begriff gerade bedeutet allgemein oder im Wesentlichen gerade, nicht notwendigerweise strikt, geometrisch oder mathematisch gerade, und der hierin verwendete Begriff spiralig bedeutet allgemein oder im Wesentlichen spiralig, nicht notwendigerweise strikt, geometrisch oder mathematisch spiralig. Es versteht sich, dass es z. B. nicht wesentlich ist, dass Elemente der vorliegenden Erfindung strikt, geometrisch oder mathematisch gerade oder strikt, geometrisch oder mathematisch spiralig sind, so wie es der Fall sein könnte, damit die Erfindung arbeitet.
Im hiesigen Gebrauch, einschließlich in den Ansprüchen, so lange nicht der Kontext anders angibt, sind Singularformen der Begriffe hierin so zu verstehen, dass sie auch die Pluralform enthalten, und umgekehrt. Zum Beispiel, so lange der Kontext nicht anderes angibt, bedeutet eine Singularreferenz hierin einschließlich in den Ansprüchen wie etwa „ein” oder „eine” „ein” oder „mehr”.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation bedeuten die Worte „umfassen”, „einschließlich”, „aufweisen” und „enthalten” und Varianten der Wörter, zum Beispiel „umfassend” und „umfasst” etc. „einschließlich aber nicht beschränkt auf und sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und tun dies nicht).
Es versteht sich, dass Varianten der vorstehenden Ausführung der Erfindung vorgenommen werden können, während sie immer noch in den Umfang der Erfindung fallen. Jedes in dieser Beschreibung offenbarte Merkmal, so lange nicht anderweitig angegeben, könnte durch alternative Merkmale ersetzt werden, die zu den gleichen Äquivalenten oder ähnlichen Zwecken dienen. Somit ist, so lange nicht anderweitig angegeben, jedes offenbarte Merkmal ein Beispiel einer generischen Serie von Äquivalenten oder ähnlichen Merkmalen.
Die Verwendung von jedem und allen Beispielen, oder beispielhafte Sprache („zum Beispiel”, „wie etwa”, und ähnliche Ausdrücke), die hierin vorgesehen sind, dienen lediglich zur besseren Veranschaulichung der Erfindung und geben keine Einschränkung für den Umfang der Erfindung an, so lange nicht anderweitig beansprucht. Kein Ausdruck in der Beschreibung sollte so verstanden werden, dass es irgendein nicht beanspruchtes Element angibt, das für die Praxis der Erfindung wesentlich ist.
Jegliche in dieser Beschreibung beschriebenen Schritte können in einer beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden, so lange nicht anderweitig angegeben oder dies der Kontext erfordert.
Alle Merkmale, die in dieser Beschreibung offenbart sind, können in beliebiger Kombination kombiniert werden, außer Kombinationen, wo zumindest einige dieser Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließlich sind. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale der Erfindung auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in beliebiger Kombination verwendet werden. Ähnlich können in nicht wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale separat verwendet werden (nicht in Kombination).
Es wird ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben, das in verschiedenen Aspekten umfasst: ein Driftrohr, das darin einen Driftraum aufweist, und in dem Driftraum zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen; ein gerades Driftrohr, das darin einen spiraligen Ionentrennweg aufweist; einen spiraligen Ionentrennweg, der eine sich axial erstreckende innere Elektrodenbaugruppe umgibt; sowie ein Driftrohr zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, worin ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld im Betrieb angelegt wird, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Rotationsgeschwindigkeit in dem Driftrohr an die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen Felds angepasst ist. Auch werden verschieden Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5162649 [0004]
US 5905258 [0004]
WO 01/64320 [0004]
US 6630662 [0004]
US 6914241 [0005, 0048]
WO 2008/104771 [0009]
GB 2447330 [0009]
GB 2457556 [0009]
GB 1020038 [0094]
GB 1020039 [0094]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wu et al., Anal. Chem. 1998, 70, 4929–4938 [0004]
„Expanded Theory for the resolving power of a linear ion mobility spectrometer”, Int. J. Mass Spectrom. 220 (2002) 399–418 [0008]

Claims

Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmabilität, umfassend ein Driftrohr, das darin einen Driftraum aufweist, und in dem Driftraum zumindest zwei Ionentrennwege unterschiedlicher Längen, worin die zumindest zwei Ionentrennwege einen ersten Ionentrennweg, der gerade ist, und einen zweiten Ionentrennweg, der spiralig ist, aufweisen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, worin das Driftrohr in axialer Richtung gerade ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, worin das Driftrohr eine sich axial erstreckende äußere Elektrodenbaugruppe und eine sich axial erstreckende innere Elektrodenbaugruppe aufweist, worin die äußere Elektrodenbaugruppe die innere Elektrodenbaugruppe ringförmig umgibt, und der Driftraum ein ringförmiger Drifraum ist, der zwischen der äußeren Elektrode und der inneren Elektrodenbaugruppe definiert ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, worin im Gebrauch Ionen in dem Driftrohr radial eingegrenzt werden, durch Anlegen eines HF Felds in dem Driftrohr mittels sich axial erstreckender HF Elektroden, die ringförmig mit Abstand voneinander um die Achse des Driftrohrs herum angeordnet sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 4, worin die Ionen durch Anlegen eines radialen Gleichspannungsfelds weiter radial eingegrenzt werden, und die HF Elektroden ringförmig um die innere Elektrodenbaugruppe herum mit Abstand voneinander derart angeordnet sind, dass die Ionentrennwege radial auswärts der HF Elektroden angeordnet sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 3, worin im Gebrauch Ionen in dem Driftrohr radial eingegrenzt werden, durch Anlegen eines radialen Gleichspannungsfelds in Kombination mit einem HF Feld in dem Driftrohr, angelegt mittels einer oder mehrerer HF Elektroden, die mit der inneren Elektrodenbaugruppe und/oder der äußeren Elektrodenbaugruppe gekoppelt sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Ansprurch 1, das eine axiale Treiberelektrode aufweist, um ein axiales elektrisches Feld in dem Driftraum anzulegen, um die Ionen in dem Driftrohr axial zu treiben.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, das zumindest eine Leitelektrode aufweist, um daran eine schaltbare Spannung anzulegen, um eine Leitpotentialbarriere vorzusehen, um die Ionen entlang dem spiraligen Trennweg zu lenken.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 8, worin die zumindest eine Leitelektrode eine spiralige Leitelektrode aufweist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 8, worin die zumindest eine Leitelektrode Teil der inneren Elektrodenbaugruppe und/oder der äußeren Elektrodenbaugruppe ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 9, das zumindest eine spiralige axiale Treiberelektrode aufweist, und die spiralige Leitelektrode und die spiralige axiale Treiberelektrode zur Bildung einer Doppelhelix angeordnet sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, das bogenförmige Feldelektroden aufweist, die mit Bogenabstand um die Achse des Driftrohrs herum angeordnet sind, um ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld zu erzeugen, worin die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen Felds in der Rotationsgeschwindigkeit der Ionen von gewählter Ionenmobilität synchronisiert ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 12, worin das rotierende bogenförmige elektrisch Feld einen Sektor von weniger als 360° überspannt, und das elektrische Feld in dem verbleibenden Sektor ein defokussierendes Feld ist, so dass im Gebrauch Ionen in dem verbleibenden Sektor an einer Wand des Driftrohrs verlorengehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 12, worin der Tastzyklus des Ionenmobilitätsspektrometers im Gebrauch erhöht wird, indem Ionen in das Ionenmobilitätsspektrometer mit der gleichen Phase von nachfolgenden Zyklen des rotierenden Bogenfelds injiziert werden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, das einen gepulsten Ioneninjektor aufweist, zum Freisetzen von Ionen in das Driftrohr.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, das eine Gatterelektrode zum Extrahieren der getrennten Ionen aus dem Driftrohr aufweist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, das mit einem Massenfilter gekoppelt ist, der stromab des Ionenmobilitätsspektrometers angeordnet ist und im Gebrauch gleichzeitig mit dem Ionenmobilitätsscan durch das Ionenmobilitätsspektrometer gescannt wird, so dass nur Ionen eines vorbestimmten Mobilitäts/Massenverhältnisses oder solche, die auf einer vorbestimmten Kurve auf einem Mobilitäts/Massendiagramm liegen, zur nachfolgenden Bearbeitung oder Detektion gewählt werden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 17, worin die ausgewählten Ionen zusammen in einer Ionenfalle akkumuliert werden, vor der Massenanalyse der akkumulierten Ionen.
Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, umfassend: Bereitstellen eines Driftrohrs, das darin einen Driftraum aufweist, und in dem Driftraum zumindest zwei Ionentrennwege mit unterschiedlichen Längen; Auswählen von einem der Ionentrennwege, der Ionen folgen sollen; und Bewirken, dass Ionen dem gewählten Ionentrennweg folgen, und Trennen der Ionen entlang dem gewählten Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität, worin einer der Ionentrennwege spiralig ist, die Ionen auf dem spiraligen Weg durch eine spiralige Potentialbarriere geleitet werden, und die Ionen in dem Driftrohr radial eingegrenzt werden, indem im Gebrauch ein HF Feld in dem Driftrohr in Kombination mit einem radialen Gleichspannungsfeld angelegt wird.
Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, das ein gerades Driftrohr aufweist, das darin einen spiraligen Ionentrennweg aufweist.
Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, umfassend: Bereitstellen eines geraden Driftrohrs; Bewirken, dass Ionen einem spiraligen Ionentrennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität.
Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, umfassend: einen spiraligen Ionentrennweg, der eine sich axial erstreckende innere Elektrodenbaugruppe umgibt.
Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, umfassend: Bereitstellen eines spiraligen Ionentrennwegs innerhalb eines Driftrohrs, das eine sich axial erstreckende innere Elektrodenbaugruppe umgibt; und Bewirken, dass Ionen dem spiraligen Ionentrennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß ihrer Ionenmobilität.
Ionenmobilitätsspektrometer, das einen spiraligen Ionentrennweg innerhalb eines Driftrohrs aufweist, um Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität zu trennen, worin im Betrieb ein rotierendes bogenförmiges elektrisches Feld angelegt wird, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Rotationsgeschwindigkeit in dem Driftrohr an die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds angepasst ist.
Verfahren zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, umfassend: Bereitstellen eines spiraligen Ionentrennwegs innerhalb eines Driftrohrs, zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, Bewirken, dass Ionen dem spiraligen Ionentrennweg innerhalb des Driftrohrs folgen, und Trennen der Ionen entlang dem spiraligen Ionentrennweg gemäß iherer Ionenmobilität; und Anlegen eines rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds innerhalb des Driftrohrs, um Ionen mit einer Ionenmobilität zu trennen, so dass ihre Rotationsgeschwindigkeit in dem Driftrohr an die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden bogenförmigen elektrischen Felds angepasst wird.
Ionenmobilitätsspektrometer zum Trennen von Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität, das ein elektrisches Feld-Erzeugungsmittel aufweist, das zwischen den Zuständen schaltbar ist, um in einem ersten Zustand ein separierendes elektrisches Feld vorzusehen, das im Wesentlichen mit einem ersten Trennweg einer ersten Länge fluchtet, und in einem zweiten Zustand ein anderes separierendes elektrisches Feld vorzusehen, das mit einem zweiten Trennweg einer zweiten Länge, die zur ersten Länge unterschiedlich ist, im Wesentlichen fluchtet.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 26, worin der erste Weg gerade ist und der zweite Weg gekrümmt ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 27, worin der gekrümmte Weg ein im Wesentlichen spiraliger Weg ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 27, das zumindest eine Leitelektrode aufweist, um daran eine schaltbare Spannung anzulegen, um eine Leitpotentialbarierre vorzusehen, um die Ionen entlang dem gekrümmten Trennweg zu lenken.