DE102012008250B4

DE102012008250B4 - Ionenmobilitätsseparator für Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102012008250B4
Application number: DE102012008250.9A
Authority: DE
Inventors: Melvin Andrew Park; Desmond Allen Kaplan; Mark Ridgeway
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: US20120273673A1; GB2490582B; GB2550808B; US9281170B2; GB2550808A; GB201207195D0; US20150069228A1; GB2490582A; DE102012008250A1; US8941054B2; GB201713776D0

Abstract

Ein Verfahren zum Sammeln von Ionen mit Ionenmobilitäten eines ausgewählten Bereichs, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen aus einer Ionenquelle durch ein erstes elektrisches Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeld und ein zweites elektrisches Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeld gegen ein zur Ionenquelle strömendes Gas getrieben werden, wobei die Feldstärken der beiden Felder so eingestellt sind, dass zwei Ionenmobilitäts-Hochpassfilter entstehen und nur Ionen mit Mobilitäten µ ≥ µdurch das erste Feld weitertransportiert werden und nur Ionen mit Mobilitäten µ > µdurch das schwächere zweite Feld weitertransportiert werden und Ionen des Mobilitätsbereichs zwischen µund µmit µ< µin einem Ionenspeicher gesammelt werden, der zwischen den beiden Ionenmobilitäts-Hochpassfiltern angeordnet ist.

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die Auswahl und die Bereitstellung von Ionen eines vorgegebenen Mobilitätsbereichs, vorzugsweise für eine Analyse durch ein Massenspektrometer.
Stand der Technik
In Massenspektrometern kann immer nur das Verhältnis aus der Ionenmasse zur Ladung des Ions bestimmt werden. Wenn im Folgenden der Einfachheit halber von der „Masse eines Ions“ oder der „Ionenmasse“ gesprochen wird, so ist immer das Verhältnis von Masse m zur dimensionsfreien Anzahl z der Elementarladungen des Ions gemeint. Diese ladungsbezogene Masse m/z hat die physikalische Dimension einer Masse, wird aber häufig auch als „Masse-zu-Ladungs-Verhältnis“ bezeichnet, obwohl dies keine korrekte physikalische Größenangabe ist. Unter einer „Ionensorte“ sollen hier Ionen verstanden werden, die die gleiche chemische Zusammensetzung, Ladung und dreidimensionale Struktur aufweisen. Die Ionensorte umfasst im Allgemeinen alle Ionen einer Isotopengruppe, also Ionen mit leicht unterschiedlichen Massen, doch praktisch gleichen Mobilitäten.
Bio-organische Moleküle bilden vielfach Isomere unterschiedlicher Arten: Isomere, die sich auf die Primärstruktur beziehen (Bindungsstruktur-Isomere), und Isomere, die sich auf die Sekundär- oder Tertiärstruktur, also auf Faltungen beziehen (Konformations-Isomere). Isomere haben unterschiedliche geometrische Formen, doch genau die gleiche Masse. Daher ist es unmöglich, Isomere anhand ihrer Masse zu unterscheiden. Hinweise auf die Bindungsstruktur können durch Fragmentionenmassenspektren gewonnen werden, doch versagt bei Konformations-Isomeren auch dieser Weg. Ein effizienter und sicherer Weg zur Erkennung und Unterscheidung von Isomeren ist jedoch die Trennung der Ionen nach ihrer Mobilität.
Die Ionenmobilität wird heute meistens über ihre Driftgeschwindigkeiten in einer Driftstrecke unter dem Einfluss eines homogenen elektrischen Feldes entlang der Driftstrecke gemessen. Die Driftstrecke enthält ein ortsfestes Schutzgas, wie z. B. Helium, Stickstoff oder Argon. Die Ionen der zu untersuchenden Substanz werden mit Hilfe des elektrischen Feldes durch das Gas gezogen. Das elektrische Feld wird durch entsprechende Gleichspannungspotentiale an Ringelektroden aufgebaut, die die Driftstrecke säumen. Durch die Vielzahl von Stößen mit den Gasmolekülen stellt sich für jede Ionensorte eine konstante Driftgeschwindigkeit v_d ein, die proportional zur elektrischen Feldstärke E ist: v_d = µ × E. Der Proportionalitätsfaktor µ wird als „Ionenmobilität“ der Ionensorte bezeichnet. Die Ionenmobilität µ ist eine Funktion der Gastemperatur, des Gasdrucks, des Gastyps, der Ionenladung und insbesondere des Stoßquerschnitts der Ionen.
Isomere Ionen mit gleicher ladungsbezogener Masse m/z, jedoch unterschiedlichen Stoßquerschnitten haben bei gleicher Temperatur, gleichem Druck und gleichem Gastyp unterschiedliche Ionenmobilitäten. Isomere kleinster geometrischer Ausdehnung haben die größte Mobilität und somit die größte Driftgeschwindigkeit durch das Gas. Protein-Ionen im ungefalteten Zustand erleben eine größere Anzahl an Stößen als Ionen dicht gefalteter Proteine. Ungefaltete oder partiell gefaltete Proteinionen haben daher eine spätere Ankunftszeit am Ende der Zelle als stark gefaltete Ionen gleicher Masse. Aber auch Bindungsstruktur-Isomere, beispielsweise Proteine mit Glykosyl-, Lipid- oder Phoshorylgruppen an verschiedenen Positionen, haben unterschiedliche Stoßquerschnitte, die sie durch Messung ihrer Ionenmobilität unterscheidbar machen.
In der chemischen, biologischen und pharmakologischen Forschung wird es immer wichtiger, die Faltungsstrukturen von Ionen zu kennen, die über ihre Mobilität festgestellt werden können. Daher wurden insbesondere Massenspektrometer mit Geräten zur Messung der Ionenmobilität ausgestattet, um die Messung der ladungsbezogenen Ionenmasse mit der Messung der Stoßquerschnitte zu kombinieren. Die Faltungsstrukturen bestimmen den Wirkmechanismus und damit die Funktion der Moleküle im Lebewesen. Unterschiedliche Faltungen können normale oder anomale Funktionen von Biopolymeren in Biosystemen und damit Gesundheit oder Krankheit von Gewebeteilen oder sogar ganzer Lebewesen bedeuten.
Solche Kopplungen von Ionenmobilitätsspektrometern mit Massenspektrometern sind von einer Reihe von akademischen Arbeitsgruppen vorgenommen worden. Dabei hat sich praktisch durchgehend ein Druckbereich von einigen Hektopascal für die Driftstrecke durchgesetzt, wobei die Driftstrecke für höhere Mobilitätsauflösungen bis zu vier Metern und mehr beträgt und elektrische Feldstärken von 2.000 Volt pro Meter und mehr angewandt werden. In diesem Druckbereich gibt es kaum Komplexierungen der driftenden Ionen mit anderen Substanzen im Driftgas, so dass die Mobilitäten der Ionensorten, anders als bei Mobilitätsmessungen bei Atmosphärendruck, ohne Störungen gemessen werden können. In den langen Driftstrecken diffundieren die Ionen aber auch in radialer Richtung über weite Strecken auseinander, so dass für diese Driftstrecken recht große Durchmesser gewählt werden müssen.
Die Ionen werden meist durch elektrische Pulse an Blenden am Eingang der Driftstrecke in diese eingelassen, wodurch räumlich kurze Ionenwolken kleiner Durchmesser entstehen, die vom elektrischen Feld durch die Driftstrecke gezogen werden. Die Ionenwolken diffundieren im Gas der Driftstrecke aufgrund der Brownschen Bewegung durch statistisch auf die Raumrichtungen und kinetische Energien verteilte Stöße. Die Diffusion erfolgt von der Wolke aus in alle Richtungen, also auch in radialer Richtung der Driftrichtung. Das Gas in der Driftstrecke wird manchmal auf Temperaturen von etwa 150 bis 300 Grad Celsius gehalten, kann aber für besondere Experimente auch heruntergekühlt werden.
Das Auflösungsvermögen eines Ionenmobilitätsspektrometers ist definiert als R_mob = µ/Δµ = v_d/Δv_d, wobei Δµ die Breite des Ionensignals der Mobilität µ auf halber Höhe, gemessen in Mobilitätseinheiten, und Δv_d die entsprechende Differenz der Driftgeschwindigkeit v_d ist. Das Auflösungsvermögen R_mob wird überwiegend, vor allem bei langen Driftstrecken und hohen elektrischen Feldstärken, durch die Diffusionsverbreiterung der Ionenwolken bestimmt. Alle anderen Einflüsse, wie beispielweise die Raumladung, sind eher verschwindend gering. Der durch die Diffusionsverbreiterung bestimmte Anteil des Auflösungsvermögens wird durch die Gleichung $R_{d} = \sqrt{\frac{z e E L_{d}}{k T ln 2}}$
wiedergegeben, wobei z die Anzahl unausgeglichener Elementarladungen e der Ionen, E die elektrische Feldstärke, L_d die Länge der Driftstrecke, k die Boltzmann-Konstante und T die Gastemperatur in der Driftstrecke ist. Eine hohe Mobilitätsauflösung kann somit nur durch hohe Feldstärken E, durch lange Driftstrecken L_d , oder durch tiefe Temperaturen T erreicht werden. Der Anteil R_d des Auflösungsvermögens, der auf der Diffusion beruht, ist weder vom Typ noch vom Druck des Gases in der Driftstrecke abhängig; jedoch hängt die Mobilität K₀ selbst nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Druck und Typ des Gases ab.
Verglichen mit den Zahlenwerten für Massenauflösungen in der Massenspektrometrie sind die praktisch erreichbaren Mobilitätsauflösungen im Allgemeinen sehr niedrig. Das erste kommerzielle Ionenmobilitätsspektrometer für bio-organische Ionen hat eine Mobilitätsauflösung von nur R_mob = 40. Mit einer Mobilitätsauflösung von R_mob = 40 lassen sich zwei Ionensorten, deren Stoßquerschnitte um nur fünf Prozent voneinander abweichen, sehr gut als zwei Spitzen unterscheiden.
Nur hoch spezialisierten akademischen Arbeitsgruppen ist es bisher gelungen, deutlich höhere Mobilitätsauflösungen als R_mob = 100 zu erreichen, in wenigen Einzelfällen bis zu R_mob = 200, mit Driftlängen von etwa zwei bis sechs Metern und Feldstärken von 2.000 bis 4.000 Volt pro Meter, wodurch sich Ionensorten unterscheiden lassen, die in ihrer Mobilität nur um ein bis zwei Prozent voneinander abweichen. Ionenmobilitätsspektrometer, deren Auflösungen über R_mob = 100 liegen, sollen hier als „hochauflösend“ bezeichnet werden.
In langen Mobilitätsdriftstrecken werden die Ionenwolken durch die Querdiffusion deutlich breiter. Daher müssen längere Driftstrecken auch einen großen Durchmesser haben, damit die Ionen nicht die Wände der Driftstrecke berühren. Es hat sich daher bewährt, die Ionen nach einem Teil der Driftstrecke, beispielsweise nach etwa zwei Metern, wieder zur Achse der Driftstrecke zurückzuführen. Dazu werden sogenannte „Ionentrichter“ verwendet. Diese bestehen aus einer größeren Anzahl parallel angeordneter Ringblenden in kleinen Abständen in der Größenordnung von Millimetern. Der Innendurchmesser der Blendenöffnungen verjüngt sich stetig vom Durchmesser der Driftstrecke, beispielsweise 30 bis 40 Zentimeter, bis auf wenige Millimeter und bildet dadurch trichterartig umfasste Hohlräume. An den Lochblenden liegen alternierend die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung von meist mehreren Megahertz und einigen zehn bis hundert Volt an, wodurch ein Pseudopotential entsteht, das die Ionen von der Trichterwand fernhält. Der Hochfrequenzspannung wird durch einen axialen Gleichspannungsgradienten ein elektrisches Gleichspannungsfeld entlang des Trichters überlagert, das die Ionen langsam zum engen Ausgang des Trichters und durch ihn hindurch treibt. Der Ionentrichter verschlechtert die Mobilitätsauflösung einer langen Driftstrecke nicht messbar.
Ionentrichter werden nicht nur für die Rückführung der Ionen zur Achse der Driftstrecken in Ionenmobilitätsspektrometern verwendet, sondern auch ganz allgemein in Massenspektrometern zum Einfangen der Ionen aus größeren Ionenwolken und Einfädeln dieser Ionen in enge Ionenführungssysteme. Solche Ionentrichter befinden sich häufig in Massenspektrometern mit Elektrosprüh-Ionenquellen an Atmosphärendruck außerhalb des Vakuumsystems, wobei die Ionen durch Einlasskapillaren oder Einlassöffnungen zusammen mit Schutzgas ins Vakuum überführt, dort durch Ionentrichter aus der expandierenden Gaswolke eingefangen und von großen Teilen des Schutzgases befreit werden. In einigen Massenspektrometern sind sogar zwei solcher Ionentrichter hintereinander geschaltet, um rasch von Gebieten mit höherem Druck von einigen Hektopascal am Ende der Einlasskapillare zu Gebieten mit niedrigerem Druck von weniger als 10^-2 Pascal zu gelangen.
Für Kombinationen von Mobilitätsspektrometern mit Massenspektrometern haben sich insbesondere hochauflösende Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Einschuss der Ionen (OTOF-MS) bewährt. Für solche Kombinationen haben hochauflösende Ionenmobilitätsspektrometer vom Drifttyp den Nachteil, dass sie mehrere Meter lang sind. Für den Bau kleiner, hochauflösender Mobilitätsanalysatoren ist daher nach einer Lösung zu suchen, die deren Baulänge verkürzt, aber keine Verschlechterung der Mobilitätsauflösung bewirkt.
Im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) wird ein Ionenmobilitätsspektrometer beschrieben, das nur etwa zehn Zentimeter groß ist. Es basiert auf einer Gasströmung, die die Ionen gegen und über die Barriere eines elektrischen Gegenfelds treibt. Das Gegenfeld befindet sich in einem leicht veränderten Ionentrichter eines Massenspektrometers. Mit diesem kleinen Spektrometer wurden bereits Ionenmobilitätsauflösungen über R_mob = 100 erreicht. Durch zukünftige Verbesserungen ist mit noch deutlich höheren Auflösungen zu rechnen.
Ionenmobilitätsspektrometer mit Gasströmungen und elektrischen Barrieren reichen zurück in das Jahr 1898, in dem J. Zeleny den Artikel „On the Ratio of the Velocities of the Two Ions produced in Gases by Röntgen Radiation; and on some Related Phenomena" (Philosophical Magazine, Nr. 46, Seite 120-154) veröffentlicht hat. Zeleny hat die Ionen zwischen zwei parallelen Gittern generiert, die ein homogenes elektrisches Feld erzeugen, und eine breite laminare Gasströmung durch die beiden parallelen Gitter in senkrechter Richtung zu den Gittern geleitet, in der Kraftwirkung auf die Ionen entgegengesetzt zu der des zwischen den Gittern erzeugten elektrischen Feldes. Durch Ändern des elektrischen Felds konnte er Ionen anhand ihrer unterschiedlichen Mobilitäten voneinander trennen. Seitdem wurden mehrere Patente und Patentanmeldungen veröffentlicht, bei denen das Prinzip von Gasströmungen zur Messung von Ionenmobilitäten genutzt wurde. In den meisten Fällen wurden jedoch Ionen durch elektrische Felder verschiedener Stärken gegen eine Gasströmung getrieben. Bei keinem dieser Ionenmobilitätsspektrometer wurde jedoch von Auflösungen nahe R_mob = 100 berichtet.
Der Apparat von M. A. Park, wie in US 7,838,826 B1 beschrieben, sowie die Potenzial- und Feldverläufe für seinen Betrieb sind in den bis schematisch dargestellt. zeigt, wie die Teile (10) und (12) eines Quadrupol-Ionentrichters mit Öffnung zur Gasströmung zwischen den Elektroden unterbrochen und durch ein rohrförmiges Quadrupolteil (11) erweitert werden, das vertikal in dünne Elektrodenscheiben (17, 18) unterteilt ist. Diese sind um den zentralen Innenraum des Rohrs herum angeordnet. Die Elektrodenscheiben sind durch ein Isoliermaterial voneinander getrennt, das die Spalten verschließt. zeigt die Form der Elektroden des Trichters (15, 16) und das Quadrupolrohr (17, 18), letzteres mit Äquipotentiallinien des Quadrupolfelds innerhalb des Rohres. Das differentielle Pumpsystem des Massenspektrometers, das das Ionenmobilitätsspektrometer umgibt, ist so bemessen, dass ein Gas laminar durch das Rohr von Teil (11) strömt und dabei das übliche paraboloide Geschwindigkeitsprofil (14) annimmt. Ionen, die mit dem Gas in den ersten Teil (10) des Trichters strömen, versammeln sich durch Stoßfokussierung im Quadrupolfeld in der Rohrachse.
Die und zeigen unterschiedliche Gleichspannungspotentialverläufe (22 bis 26) entlang der z-Achse des Rohrs und entsprechende Barrieren E_z des elektrischen Gegenfelds. Der Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers wird in der Reihenfolge beschrieben, in der die Potentialverläufe angelegt werden. Der Betrieb beginnt mit dem Füllprozess. Durch Generieren des steilsten Potentialverlaufs (22) entsteht die höchste elektrische Feldbarriere und es werden Ionen aller Ionenmobilitäten in der Achse versammelt. Die Ionen (27) werden durch die Gasströmung gegen die Feldbarriere geblasen und dort gestoppt, weil sie die Feldbarriere nicht überwinden können. Ionen mit hoher Mobilität sammeln sich am tiefsten Punkt der Barriere und Ionen mit geringster Mobilität am höchsten Punkt der Barriere, was durch die kleineren und größeren Querschnitte der Ionen (27) symbolisiert wird. Wenn sich genügend Ionen angesammelt haben, wird die Zufuhr weiterer Ionen gestoppt, beispielsweise durch Richtungsumkehr des Gleichspannungsfelds im Ionentrichter (10). Zuletzt wird der Potentialverlauf (22) in einem Scan (28) gleichmäßig über die Potentialverläufe (23) bis (26) gesenkt, so dass die elektrische Barriere sinkt. Während des Scans können Ionen mit immer höheren Mobilitäten (abnehmende Querschnitte) das abnehmende Maximum der Barriere überwinden, das Spektrometer verlassen und von einem Ionendetektor, vorzugsweise einem Massenspektrometer, gemessen werden. Die gemessene Ionenstromkurve spiegelt das Ionenmobilitätsspektrum direkt wider. Das Gerät wird als Ioneneinfang-Mobilitätsspektrometer (TIMS, Trapped Ion Mobility Spectrometer) bezeichnet.
Mit diesem Instrument steigt die Auflösung der Ionenmobilität R_mob mit zunehmendem Druck bis zu Drucken von mindestens einigen Hektopascal an, aber auch mit zunehmender Gasströmung und Barrierehöhe und abnehmender Scangeschwindigkeit. Es hat sich gezeigt, dass das Gerät mindestens so gut ist wie die oben beschriebenen etwa ein bis zwei Meter langen Driftrohre mit Ruhegas.
Da in jedem Analysezyklus nur eine beschränkte Ionenmenge eingespeichert werden kann, beispielweise wegen der störenden Raumladungseinflüsse auf die gespeicherten Ionen, steht bei jedem Scan nur eine begrenzte Anzahl von Ionen jeder Mobilität zur Verfügung, die für eine eingehende Untersuchung von Ionen einer vorgegebenen Mobilität in einem Massenspektrometer, z. B. durch Generieren von Fragment-Ionenspektren, in den meisten Fällen nicht ausreicht. Es besteht jedoch ein Bedarf, mehr Ionen einer gewählten Mobilität zu sammeln oder einen konstanten Ionenstrom mit einer gewählten Mobilität durch ein Mobilitätsfilter zu erzeugen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass es weitere Typen kurzer Ionenmobilitätsspektrometer gibt, die mit Gasströmungen arbeiten. Im Dokument US 2010/0090102 A1 (O. Raether et al, 2008) wird beschrieben, wie eine frei expandierende Gasströmung aus einer kleinen Öffnung genutzt werden kann, um mitgeführte Ionen über eine elektrische Barriere in einem Ionentrichter zu transportieren. Im Dokument GB 2473723 A (J. Franzen, 2009) wird ein Apparat präsentiert, der eine Überschallgasströmung durch eine Laval-Düse generiert, wobei die Überschallgasströmung mitgeführte Ionen über eine elektrische Barriere treibt. In diesem Fall ist die Überschallgasströmung mit den mitgeführten Ionen nicht von einem radial begrenzten Feld umschlossen, insbesondere nicht von einem HF-Multipolfeld.
In der Offenlegungsschrift DE 103 28 599 A1 (Hoyes et al, 2003) ist ein Massenspektrometer mit einem Ionenbeweglichkeitstrenner zum Trennen von Ionen nach ihrer Ionenbeweglichkeit offenbart. Der Ionenbeweglichkeitstrenner weist mehrere Elektroden auf, wobei eine oder mehrere transiente Gleichspannungen oder eine oder mehrere transiente Gleichspannungs-Wellenformen an die Elektroden angelegt werden, so dass Ionen mit einer bestimmten Ionenbeweglichkeit von anderen Ionen mit anderen Ionenbeweglichkeiten getrennt werden. In einer Ausführungsform wird der Ionenbeweglichkeitstrenner so betrieben, dass Ionen eines bestimmten Ionenbeweglichkeitsbereiches gesammelt werden. Dazu ist der Ionenbeweglichkeitstrenner in zwei Bereiche unterteilt, die durch einen Potentialhügel getrennt sind, wobei Ionen mit unterschiedlichen Ionenbeweglichkeiten zuerst in einem ersten Bereich gespeichert werden. Eine transiente Gleichspannungs-Wellenform durchläuft den Ionenbeweglichkeitstrenner von dem ersten in den zweiten Bereich und wieder zurück, was dazu führt, dass nur Ionen des bestimmten Ionenbeweglichkeitsbereiches im zweiten Bereich gesammelt werden.
In den Offenlegungsschriften US 2009/0134321 A1 (Hoyes, 2006) und WO 2010/ 034630 A2 (Makarov et al., 2009) sind Ionenfallen offenbart, in den Ionen gemäß ihrer Mobilität zeitlich bzw. räumlich mittels eines strömenden Gases getrennt werden.
Aufgabe der Erfindung
Es besteht ein Bedarf für Verfahren und Vorrichtungen, die Ionen einer ausgewählten Mobilität sammeln oder filtern und so für genauere Untersuchungen, beispielsweise durch Massenspektrometer, zur Verfügung stellen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass alle Geräte zur Messung der Ionenmobilität mit elektrischen Kräften und entgegengerichteten Gasströmungen entweder als Hochpass- oder als Tiefpassfilter für die Ionenmobilität wirken und die Ionen aufgrund ihrer Mobilität dadurch trennen, dass die einen das Gerät passieren und die anderen zurückgehalten werden. Wenn eine durch einen DC-Potentialverlauf oder einen HF-Pseudo-Potentialverlauf erzeugte elektrische Kraft die Ionen in Richtung des ursprünglichen Ionenstroms von der Ionenquelle gegen eine Gasströmung treibt, erhalten wir ein Mobilitäts-Hochpassfilter für Ionen, deren Querschnitt einen Grenzwert unterschreitet. Wenn die Gasströmung mitgeführte Ionen in der ursprünglichen Richtung des Ionenstroms gegen eine elektrische Barriere treibt, entweder eine elektrische Gleichstrombarriere oder eine durch ein HF-Pseudopotential erzeugte HF-Pseudofeld-Barriere, erhalten wir ein Mobilitäts-Tiefpassfilter für Ionen, deren Querschnitt einen Grenzwert überschreitet.
Die Erfindung stellt Geräte und Methoden mit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Mobilitäts-Hochpassfiltern und/oder -Tiefpassfiltern zur Auswahl (Separation, Filtern) von Ionen vorgegebener Ionenmobilitäten bereit, entweder um eine große Anzahl dieser Ionen in einem geeigneten Raum zwischen den Filtern zu sammeln oder um einen konstanten Strahl von Ionen mit vorgegebener Mobilität zu erzeugen, die die aufeinanderfolgenden Filter passieren.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung strömt das Gas nur in einer Richtung durch zwei Mobilitätsfilter, die dadurch entweder zwei Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter oder zwei Ionenmobilitäts-Hochpassfilter bilden. Wenn der Raum zwischen den Filtern als Ionenspeichervolumen ausgebildet ist, beispielsweise durch ein umhüllendes HF-Multipolfeld, können Ionen eines vorgegebenen Mobilitätsbereichs zwischen diesen beiden Filtern gesammelt werden, beispielsweise aus einem Strom ungetrennter Ionen über eine kürzere oder längere Zeitperiode. Die gesammelten Ionen des gewählten Mobilitätsbereichs können dann genauer untersucht werden, beispielsweise durch einen hochaufgelösten Mobilitätsscan des zweiten Filters oder durch Überführen dieser Ionen in ein Massenspektrometer, um Fragmentionen-Massenspektren zu generieren und aufzunehmen. Die beiden Mobilitätsfilter sind bevorzugt zwei Tiefpassfilter, wobei sich das Feldmaximum der ersten Feldbarriere durch ein im Wesentlichen konstantes Gegenfeld in Form eines ebenen Plateaus bis zur zweiten Feldbarriere fortsetzt. Der Mobilitätsbereich der gesammelten Ionen (und damit auch die Auflösung in einem Mobilitätsspektrum) kann durch die Differenz zwischen den beiden Feldmaxima die Auflösung des Mobilitätsspektrums eingestellt werden. Je kleiner die Differenz ist, desto kleiner ist der Mobilitätsbereich der zwischen den Filtern gesammelten Ionen.
In einer zweiten Ausführungsform haben die Gasströmungen in aufeinanderfolgenden Filtern nicht dieselbe Richtung und erzeugen dadurch mindestens ein Hochpass- und ein Tiefpassfilter. Wenn die Feldstärken und Gasströmungen korrekt eingestellt sind, können Ionen eines gewählten Mobilitätsbereichs beide Filter passieren, so dass ein kontinuierlicher Ionenstrom mit vorgewählten Mobilitäten entsteht. Diese Ionen können dann in einem Massenspektrometer näher untersucht werden, zum Beispiel durch Spektrenaufnahme von Fragmentionen nach Anwendung einer geeigneten Fragmentierungsmethode.
Durch einfaches Ändern der Einstellung der aufeinanderfolgenden Filter in der zweiten Ausführungsform kann ein Mobilitätsspektrum der Ionen über einen Mobilitätsbereich der passierenden Ionen aufgenommen werden.
Für die erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Hochfrequenz- und Gleichspannungen an eine Anordnung von Elektroden an der Innenwand eines Rohrs angelegt, wodurch sowohl ein HF-Multipolfeld, das die beiden Filter umschließt, als auch der axiale elektrische Feldverlauf für die beiden Filter erzeugt werden, und dass das Rohr die Gasströmung leitet. Die Stärke des Hochfrequenzfeldes wird bevorzugt so eingestellt, dass eine möglichst durch Raumladungen ungestörte Sammlung der Ionen erfolgt.
Figurenliste

Die bis zeigen schematisch den Aufbau (1A und 1B) sowie die Potential- und Feldverläufe für den Betrieb (1C und 1D) eines Ionenmobilitätsspektrometers nach dem Stand der Technik, wie in US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) beschrieben. Das Gas strömt mit parabolischer Geschwindigkeitsverteilung (14) in das Rohr (11). Der Betrieb wird schematisch durch die Verläufe des Potentials (1C) und der elektrischen Gegenfeldbarriere (1D) sowie deren Wirkung auf die vom Gas mitgeführten Ionen (27) mit unterschiedlichen Querschnitten, die durch die Größe der Punkte symbolisiert werden, dargestellt.
zeigt die Ausführungsform mit zwei Tiefpassfiltern für die Ionenmobilität. Eine Gasströmung von links nach rechts bläst Ionen (52 - 59) mit unterschiedlichen Querschnitten gegen zwei elektrische Feldbarrieren (50) und (51). Die gewählten Ionen (55) und (56) sammeln sich zwischen den beiden Barrieren.
In bläst das Gas von rechts nach links, und die elektrischen Kräfte -E_z treiben die Ionen nach rechts. (Die elektrische Feldstärke ist hier negativ, weil ein positives Feld E_z in dieser Beschreibung immer ein Gegenfeld definiert.) Die beiden unterschiedlichen Feldstärken (60) und (61) erzeugen zwei unterschiedliche Hochpassfilter, die die Ionen nach ihren Mobilitäten trennen. Die Ionen (66) und (67) mit mittlerer Mobilität sammeln sich zwischen den beiden Hochpassfiltern.
In ist ein Ionenmobilitäts-Hochpassfilter (links) mit einem Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter (rechts) kombiniert, um die Ionen (77) und (78) auszuwählen, die die beiden Mobilitätsfilter in einem kontinuierlichen Ionenstrom passieren und von einem Massenspektrometer analysiert werden können.
zeigt ein schematisches Beispiel für eine erste Ausführungsform der Erfindung mit der Rohranordnung (oben), dem Gleichstrom-Potentialverlauf (30) (Mitte) und den beiden resultierenden elektrischen Gleichspannungsfeldern (31) und (32) (unten), die zwei aufeinanderfolgende Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter zum Einfangen von Ionen (34) eines vorgegebenen Mobilitätsbereichs zwischen den beiden Barrieren in einem radialen HF-Quadrupolfeld bilden.
zeigt ein schematisches Beispiel für eine zweite Ausführungsform mit zwei einander entgegengerichteten Gasströmungen (14a) und (14b) in den Rohrhälften (11a) und (11b) (oben), dem Potentialverlauf (40) (Mitte), durch den das treibende elektrische Feld (44) in der entgegen gerichteten Gasströmung für das Ionenmobilitäts-Hochpassfilter erzeugt wird, und der zweiten Feldbarriere (46) für das Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter (unten). Die Ionen (49) bilden einen kontinuierlichen Ionenstrom mit Ionen der gewählten Mobilität.
stellt einen besonders bevorzugten Sonderfall der Anordnung nach dar, wobei sich hier vom Maximum E₁ der ersten Feldbarriere (90) ein Plateau gleicher Feldstärke E₁ bis zur zweiten Feldbarriere (91) mit der maximalen Feldstärke E₂ fortsetzt. Ionen (96) einer Mobilität, die sich zwischen den beiden Tiefpassfiltern sammeln, können sich hier auf dem Plateau ausbreiten, wodurch sich wegen der verringerten Raumladungseinflüsse erheblich mehr Ionen sammeln lassen, ohne die Mobilitätsauswahl durch Raumladungseffekte zu beeinträchtigen.

Bevorzugte Ausführungsformen
Wie eingangs erwähnt, bezieht sich die Erfindung auf Geräte und Verfahren zur Auswahl (Separation, Filtern) von Ionen einer gewünschten Mobilität oder eines gewünschten Mobilitätsbereichs. Es besteht entweder die Möglichkeit, eine große Anzahl dieser gewählten Ionen zu sammeln und für weitere Untersuchungen zu speichern oder Ionen nach ihrer Mobilität zu filtern, so dass ein konstanter Ionenstrom mit vorgegebener Mobilität erzeugt wird.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass alle Geräte zur Messung der Ionenmobilität mit elektrischen Kräften und entgegenwirkenden Gasströmungen entweder als Hochpass- oder als Tiefpassfilter für die Ionenmobilität wirken und die Ionen danach trennen, ob sie das Gerät passieren oder zurückbleiben. Es sei daran erinnert, dass Ionen mit höherer Mobilität in der Regel kleinere Querschnitte und Ionen mit geringerer Mobilität größere Querschnitte haben und dass Ionen mit größeren Querschnitten stärkeren Reibungskräften im Gas ausgesetzt sind. Wenn die elektrische Kraft die Ionen gegen eine Gasströmung treibt, haben wir ein Mobilitäts-Hochpassfilter. Wenn die Gasströmung mitgeführte Ionen gegen eine elektrische Barriere treibt, erhalten wir ein Mobilitäts-Tiefpassfilter.
Die Erfindung stellt Geräte und Verfahren mit aufeinanderfolgenden Mobilitäts-Hochpassfiltern und/oder -Tiefpassfiltern zur Auswahl und Separation von Ionen in einem vorgegebenen Bereich von Ionenmobilitäten bereit, entweder um eine große Anzahl dieser Ionen in einem geeigneten Raum zu sammeln oder um einen konstanten Strahl von Ionen mit vorgegebener Mobilität zu erzeugen. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden genau zwei aufeinanderfolgende Hochpass- und/oder Tiefpassfilter verwendet.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung strömt das Gas nur in eine Richtung durch zwei Mobilitätsfilter, so dass entweder zwei aufeinanderfolgende Tiefpassfilter oder zwei Hochpassfilter für die Ionenmobilität entstehen. Diese beiden Filter ermöglichen die Ansammlung von Ionen mit gewählten Ionenmobilitäten zwischen den beiden Filtern.
In einem ersten Typ dieser ersten Ausführungsform treibt das Gas mitgeführte Ionen gegen eine erste Feldbarriere, so dass alle Ionen mit Mobilitäten µ ≥ µ₁ zurückgehalten werden. Dieser Fall ist schematisch in dargestellt, die den Verbleib der Ionen (52) bis (59) mit unterschiedlichen Mobilitäten zeigt, wobei die Querschnitte der Ionen durch unterschiedliche Punktgrößen dargestellt werden. Das Gas treibt die Ionen (55) bis (59), die die erste Barriere (50) passiert haben, gegen die Barriere eines zweiten Felds (51), so dass die Ionen (55) und (56) mit Mobilitäten µ ≥ µ₂ zurückgehalten werden und somit alle Ionen eines Mobilitätsbereichs Δµ = µ₂ - µ₁ mit µ₁ > µ₂ zurückbleiben und sich ansammeln. Die Ionen (57) bis (59) mit µ < µ₂ passieren die zweite Barriere und verschwinden. Um die Ionen (55) und (56) längere Zeit zu sammeln, muss zwischen den Filtern radial wirkender ein Ionenspeicher vorgesehen sein, beispielsweise durch Erzeugen radialer Kräfte, durch die sich die Ionen zwischen den beiden Barrieren sammeln, z. B. durch ein Multipolfeld mit seinem zentripetal wirkenden Pseudopotential. Am einfachsten lässt sich ein Speichervolumen durch Einschließen beider Filter in einem HF-Multipolsystem erzeugen, z. B. in einem HF-Quadrupolsystem. Die Ionen (55) und (56) des Mobilitätsbereichs Δµ sammeln sich an der Flanke des zweiten Tiefpassfilters in relativ kleinen Volumina; daher können nur mäßig viele Ionen gesammelt werden, wenn Raumladungseffekte ausgeschlossen werden sollen. Die gesammelten Ionen können dann genauer untersucht werden, beispielsweise durch einen hochaufgelösten Mobilitätsscan mit dem zweiten Mobilitätsfilter oder durch Überführen dieser Ionen in ein Massenspektrometer zum Generieren und Aufnehmen von Fragmentionen-Massenspektren.
In einem zweiten Typ dieser ersten Ausführungsform wird die Gasströmung zur Quelle der Ionen geleitet, so dass zwei Hochpassfilter entstehen, in denen elektrische Felder mit einstellbarer Stärke die Ionen (62) bis (70) gegen eine konstante Gasströmung treiben. Diese Unterklasse der ersten Ausführungsform ist in schematisch dargestellt. In der linken Hälfte der Abbildung kann ein Feld der Stärke (60) nur die Ionen (66) bis (70) in entgegengesetzter Richtung zum Gas transportieren, und in der rechten Hälfte kann die schwächere Feldstärke (61) nur die Ionen (68) bis (70) weiter transportieren. Die Ionen (66) und (67) des gewählten Mobilitätsbereichs sammeln sich zwischen den beiden Hochpassfiltern. Auch hier müssen die Ionen in diesem Sammelraum von einer geeigneten Speichervorrichtung eingeschlossen sein.
In einer zweiten Ausführungsform strömt das Gas in zwei aufeinanderfolgenden Filtern in unterschiedliche Richtungen, so dass ein Hochpass- und ein Tiefpassfilter entstehen. Ein Beispiel dafür ist in schematisch dargestellt. Wenn die Feldstärken und Gasströmungen korrekt eingestellt sind, können die Ionen (77) und (78) eines gewählten Mobilitätsbereichs beide Filter passieren, so dass ein kontinuierlicher Ionenstrom mit gewählten Mobilitäten entsteht. In der dargestellten Ausführungsform muss zwischen den beiden Mobilitätsfiltern Gas zugeführt werden, so dass zwei einander entgegengerichtete Gasströmungen erzeugt werden. Im ersten Mobilitätsfilter ist ein elektrisches Feld mit einstellbarer Stärke (71) so eingestellt, dass es die Ionen (73) bis (76) mit µ < µ₃ nicht gegen die Gasströmung antreiben kann, wodurch ein Mobilitäts-Hochpassfilter für die Ionen (77) bis (81) entsteht, das die Ionen geringerer Ionenmobilität zurückhält. Im zweiten Mobilitätsfilter erzeugt eine elektrische Feldbarriere (72) in der Gasströmung ein Mobilitäts-Tiefpassfilter, so dass nur die Ionen (77) und (78) mit Mobilitäten im Bereich von µ₃ bis µ₄ die Ausführungsform erfolgreich passieren können. Die Ionen (77) und (78) mit vorgegebener Mobilität können dann in einem Massenspektrometer näher untersucht werden. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit zur diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Veränderung dieser Filterfunktion, um Ionen mit mehr als einer Mobilität zu untersuchen oder sogar ein Mobilitätspektrum aufzunehmen.
Von besonderem Interesse ist jedoch eine Untersuchung dieser gespeicherten Ionen (34) durch ein Massenspektrometer (in den Abbildungen nicht dargestellt). Die Ionen (34) können in eine Fragmentierungszelle des Massenspektrometers geleitet werden, wo die Ionen durch einen der bekannten Fragmentierungsprozesse fragmentiert werden können, wie z. B. durch stoßinduzierte Dissoziation (collisionally induced decomposition, CID) oder durch Elektronen-Transfer-Dissoziation (ETD). Die Fragmentionen werden dann durch den Massenanalysator des Massenspektrometers untersucht. Das Ionenmobilitätsgerät muss zwischen der Ionenquelle und dem Analysator des Massenspektrometers platziert werden und zur Fragmentierung zwischen Ionenquelle und Fragmentierungszelle.
Durch Entnahme von Gas aus dem Raum zwischen zwei Filtern lässt sich die Richtung der beiden Gasströmungen ändern, so dass mit entsprechenden Potentialverläufen ein erstes Mobilitätsfilter als Tiefpassfilter und ein zweites als Hochpassfilter wirkt.
Beispiele für die beiden Ausführungsformen, die in den und schematisch dargestellt sind, werden nachfolgend genauer beschrieben. Die Beschreibung erfolgt auf Basis des im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) präsentierten Ionenmobilitätsspektrometers, wobei hier gemäß der Erfindung zwei aufeinanderfolgende Ionenmobilitätsfilter verwendet werden.
Eine Geräteanordnung für die erste Ausführungsform ist in schematisch dargestellt. Das Rohr (11) mit unidirektionaler Gasströmung (14) ist im oberen Diagramm, der Potentialverlauf (30) im mittleren Diagramm und die beiden elektrischen Barrieren (31) und (32) im unteren Diagramm gezeigt. Eine Anordnung von Elektroden an der Rohrinnenwand generiert sowohl das HF-Quadrupolfeld als auch den DC-Potentialverlauf für die elektrischen Gleichspannungsfeldbarrieren. Die elektrischen Feldbarrieren bilden zwei Ionenmobilitäts-Tiefpasssfilter für Ionen mit den Mobilitäten µ < µ₁ und µ < µ₂. Die Ionen (33) mit der höchsten Mobilität werden durch die erste Barriere (31) zurückgehalten, die Ionen (35) mit der geringsten Mobilität passieren die zweite Barriere (32), und die gewählten Ionen (34) mit Mobilitäten im Bereich von µ₁ bis µ₂ werden im HF-Quadrupolfeld des Rohrs zwischen den beiden elektrischen Barrieren (31) und (32) gesammelt und gespeichert. Diese Ionen (34) können dann genauer untersucht werden, z. B. durch eine Mobilitätsmessung mit höchster Auflösung an der zweiten elektrischen Feldbarriere.
Besonders günstige Verfahren lassen sich mit einer Anordnung aus zwei Tiefpassfiltern ausführen, deren Feldverlauf gegenüber dem Feldverlauf in leicht verändert ist. Wie in wiedergegeben, bleibt das Gegenfeld vom Feldmaximum des ersten Tiefpassfilters (90) mit dem maximalen Gegenfeld E₁ im Wesentlichen konstant, bis es das zweite Tiefpassfilter (91) mit dem Gegenfeld E₂ erreicht. Es wird also ein Feldplateau der Feldstärke E₁ gebildet. Die Höhen der Maxima E₁ und E₂ der beiden Feldbarrieren können unabhängig voneinander eingestellt werden. Ist die Differenz ΔE = E₁ - E₂ sehr klein, so werden nur Ionen (96) einer ausgewählten Mobilität gesammelt; diese Ionen (96) können sich über das Plateau hinweg gleichmäßig verteilen. Dadurch wird ihre gegenseitige Beeinflussung durch Raumladung vermindert, und es können sehr viel mehr Ionen der ausgewählten Mobilität ohne Raumladungsstörungen gesammelt werden. Die dabei erzielbare Trennschärfe entspricht einer Mobilitätsauflösung von weit über R_mob = 100; es können also Ionen gesammelt und von anderen Ionen separiert gespeichert werden, deren Mobilität sich nur um etwa ein Prozent unterscheidet. Die gesammelten Ionen werden nach einer Akkumulationszeit durch eine Veränderung des Feldverlaufs aus dem Bereich zwischen den Mobilitätsfiltern abgeführt, wobei der Zufluss von Ionen in die Mobilitätsfilter vorzugsweise vorher unterbunden wird, beispielsweise durch eine weitere DC Feldbarriere vor dem ersten Mobilitätsfilter. Die gesammelten Ionen können beispielsweise durch Absenken des Feldmaximums (91) des zweiten Tiefpassfilters abgeführt und einem Massenspektrometer für eine genaue Analyse zugeführt werden, wobei für die Analyse eine weit größere Menge an Analytionen der ausgewählten Mobilität zur Verfügung steht, als es bei der Anordnung nach der Fall ist.
Mit dieser Anordnung lassen sich auch Mobilitätsspektren einstellbarer Mobilitätsauflösung aufnehmen. Es wird dazu insbesondere das Feldmaximum E1 in aufeinanderfolgenden Selektionsschritten schrittweise verändert, wodurch jeweils Ionen unterschiedlicher Mobilität zwischen den Feldmaxima E1 und E2 gesammelt und anschließend abgeführt werden. Durch die Wahl der Differenz ΔE und die Höhe der Schritte kann man dabei die Mobilitätsauflösung verändern. Mit sehr kleinem ΔE lässt sich eine hohe Mobilitätsauflösung von weit über R_mob = 100 erreichen. Damit können mindestens einzelne Bereiche des Mobilitätsspektrums sehr genau untersucht werden.
Ein Beispiel einer bevorzugten Anordnung für die zweite Ausführungsform ist schematisch in dargestellt. Zwei einander entgegengerichtete Gasströmungen (14a) und (14b) müssen durch Zuführung von Gas (29) in das Rohr (11a, 11b) generiert werden. Ein erstes elektrisches treibendes Feld mit der Stärke (44) in der Gasgegenströmung (14a) bildet ein Ionenmobilitäts-Hochpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ > µ₃, und eine durch den Potentialverlauf (40, 41, 42) generierte elektrische Feldbarriere (46) bildet ein Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter in der Gasströmung (14b) für Ionen mit Mobilitäten µ < µ₄, so dass die Ionen mit gewählten Mobilitäten µ₄ bis µ₃ die beiden Mobilitätsfilter kontinuierlich passieren können. Die beiden Gasströmungen (14a) und (14b) müssen nicht die gleiche Geschwindigkeit haben.
Im oberen Diagramm von ist das Rohr (11) nun in zwei Teile (11a) und (11b) unterteilt, zwischen denen Gas (29) zugeführt wird, so dass die beiden Gasströmungen (14a) und (14b) entstehen. Der Potentialverlauf (40, 41, 42) erzeugt das Feld (44), das die Ionen gegen die Gasströmung (14a) treibt, so dass ein Mobilitäts-Tiefpassfilter entsteht, das die Ionen (47) geringer Mobilität kontinuierlich zurückhält. Der Teil (42, 43) des Spannungsverlaufs bildet die elektrische Feldbarriere (46) des Mobilitäts-Hochpassfilters, das die Ionen (48) mit höchster Mobilität zurückhält und die Ionen (49) im gewählten Mobilitätsbereich passieren lässt. Diese Ionen bilden einen kontinuierlichen Ionenstrom, der sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, die in einzelnen Zeitphasen ausgewählte Ionen in einem Volumen sammelt. Die Ionen dieses kontinuierlichen Stroms können durch ein Massenspektrometer weiter analysiert werden, z. B. durch Sammeln und Fragmentieren dieser Ionen in einer Fragmentierungszelle und Analyse der Fragmentionen durch den Analysator. Es sei erwähnt, dass die im Rohr (11a, 11b) zurückgehaltenen Ionen auf irgendeine Weise eliminiert werden müssen, entweder kontinuierlich durch geeignete Mittel oder periodisch, z. B. durch periodisches Schwächen der HF-Fokussierspannung an den Elektroden des Rohrs. Das Eliminieren wird durch die Raumladung dieser Ionen unterstützt.
Die Erfindung umfasst auch das entsprechende Gerät zur Auswahl von Ionen einer vorgegebenen Mobilität mit einem Rohr (11) mit vier Elektrodenreihen (17) und (18) entlang der Innenwand, einem HF-Generator zur Versorgung der Elektrodenreihen alternierend mit den Phasen einer HF-Spannung, um das HF-Quadrupolfeld zum Sammeln der Ionen in der Rohrachse zu erzeugen, einem Netz von mit den Elektroden (17) und (18) verbundenen Widerständen, mindestens zwei mit dem Netz von Widerständen verbundenen Gleichspannungsgeneratoren, die Potentialverläufe mit mindestens zwei elektrischen Feldbarrieren im Rohr erzeugen, sowie Mittel zum Erzeugen von mindestens einer laminaren Gasströmung im Rohr. Die Elektroden können sind zusätzlich über Kondensatoren verbunden, um eine Hochfrequenzentkopplung zu ermöglichen.
In einer ersten Ausführungsform des Auswahlgeräts bilden zwei elektrische Feldbarrieren für durch eine unidirektionale Gasströmung getriebene Ionen zwei aufeinanderfolgende Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ < µ₁ und µ < µ₂. Eine zweite Ausführungsform umfasst Mittel zum Erzeugen von einander entgegengerichteten Gasströmungen und Mittel zum Erzeugen der Potentialverläufe für ein erstes Ionenmobilitäts-Hochpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ > µ₃ und ein zweites Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ < µ₄.
Die Geräte zur Auswahl der Ionenmobilität werden vorzugsweise in einem Massenspektrometer zwischen Ionenquelle und Massenanalysator montiert. Wenn Fragmentspektren erzeugt werden sollen, sollte das Gerät zur Auswahl der Ionenmobilität zwischen Ionenquelle und Fragmentierungszelle des Massenspektrometers montiert werden.
In allen hier beschrieben Ausführungsformen können Geräteparameter vor und nach den Mobilitätsfiltern und insbesondere die Hochfrequenzspannungen an den Elektroden entlang oder zwischen den Mobilitätsfiltern, die für eine radiale Einhegung der Ionen im Bereich und zwischen den Mobilitätsfiltern sorgen, so eingestellt werden, dass möglichst viele Ionen der gewünschten Mobilität gesammelt oder gefiltert werden. Insbesondere kann die Hochfrequenzspannung an den Elektroden so an die ladungsbezogene Masse m/z der zu selektierenden Ionen angepasst werden, dass diese achsennah gesammelt werden und dadurch trotz des parabelförmigen Geschwindigkeitsprofils eine möglichst konstante Gasgeschwindigkeit erfahren, aber ohne dass Raumladungseffekte eine zu große Störung bewirken.
Wie für das Ausführungsbeispiel von beschrieben, können die erfindungsgemäßen Geräte und Verfahren dazu verwendet werden, Mobilitätsspektren oder gekoppelte Mobilitäts-Massenspektren aufzunehmen. Die Mobilitätsspektren werden dabei durch das wiederholte Sammeln oder Filtern von Ionen mit jeweils leicht veränderter Mobilität erzeugt. Dabei kann zuerst ein Mobilitätsspektrum mit geringer Auflösung (Übersichtsspektrum) aufgenommen werden, anhand dessen Bereiche mit Mobilitätssignalen bestimmt werden, in denen nachfolgend Mobilitätsspektren mit hoher Auflösung aufgenommen werden. Für die Aufnahme des Übersichtsspektrums kann beispielsweise auch das Ionenmobilitätsspektrometer aus US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) verwendet werden.
Die Ausführungsformen können von Spezialisten in vielfältiger Weise abgewandelt werden, zum Beispiel durch Richtungsumkehr der Gasströmungen in der zweiten Ausführungsform. Das für die zweite Ausführungsform verwendete Gas kann auch das Gas ersetzen, das die Ionen in den Ionentrichter vor dem Rohr transportiert. Das Ersatzgas muss nicht vom gleichen Typ wie das Transportgas sein.

Claims

Ein Verfahren zum Sammeln von Ionen mit Ionenmobilitäten eines ausgewählten Bereichs, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen aus einer Ionenquelle durch ein erstes elektrisches Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeld und ein zweites elektrisches Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeld gegen ein zur Ionenquelle strömendes Gas getrieben werden, wobei die Feldstärken der beiden Felder so eingestellt sind, dass zwei Ionenmobilitäts-Hochpassfilter entstehen und nur Ionen mit Mobilitäten µ ≥ µ₁ durch das erste Feld weitertransportiert werden und nur Ionen mit Mobilitäten µ > µ₂ durch das schwächere zweite Feld weitertransportiert werden und Ionen des Mobilitätsbereichs zwischen µ₁ und µ₂ mit µ₁ < µ₂ in einem Ionenspeicher gesammelt werden, der zwischen den beiden Ionenmobilitäts-Hochpassfiltern angeordnet ist.
Ein Verfahren zum Sammeln von Ionen mit Ionenmobilitäten eines ausgewählten Bereichs, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen aus einer Ionenquelle durch eine Gasströmung gegen eine erste elektrische Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldbarriere und eine zweite elektrische Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldbarriere getrieben werden, wobei die Barrierenhöhen so eingestellt sind, dass zwei Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter entstehen und Ionen mit Mobilitäten µ ≥ µ₁ an der ersten Feldbarriere zurückgehalten werden und Ionen mit Mobilitäten µ < µ₂ die zweite Feldbarriere passieren und Ionen des Mobilitätsbereichs zwischen µ₁ und µ₂ mit µ₁ > µ₂ in einem Ionenspeicher gesammelt werden, der zwischen den beiden Ionenmobilitäts-Tiefpassfiltern angeordnet ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldmaximum der ersten Feldbarriere durch ein im Wesentlichen konstantes Gegenfeld bis zur zweiten Feldbarriere fortsetzt wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Ionen in die Mobilitätsfilter unterbunden wird und die gesammelten Ionen durch eine Veränderung des Feldverlaufs aus dem Bereich zwischen den Mobilitätsfiltern abgeführt werden.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Mobilitätsfilter von einem koaxialen HF-Multipolfeld umschlossen sind, das die Ionen in der Achse der Filter hält.
Ein Verfahren nach Anspruch 5, bei der das koaxiale HF-Multipolfeld ein HF-Quadrupolfeld ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hochfrequenz- und Gleichspannungen an eine Anordnung von Elektroden an der Innenwand eines geschlossenen Rohrs angelegt werden, die sowohl das HF-Quadrupolfeld, das die Filter umschließt, als auch die axialen elektrischen Gleichspannungsfeldverläufe für die Filter erzeugen, und bei der ein gasdichtes Rohr die Gasströmung leitet.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesammelten Ionen einem Massenspektrometer zugeführt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen in einer Fragmentierungszelle des Massenspektrometers fragmentiert werden.
Ein Verfahren zum Filtern von Ionen vorgegebener Ionenmobilitäten, dadurch gekennzeichnet, dass Ionen aus einer Ionenquelle durch ein elektrisches Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldgegen eine zur Ionenquelle strömendes Gas getrieben werden und durch ein von der Ionenquelle wegströmendes Gas gegen eine elektrische Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldbarriere getrieben werden, wobei die Feldstärke des elektrischen Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldes und die Barrierenhöhe der elektrischen Gleichspannungs- oder Hochfrequenzfeldbarriere so eingestellt sind, dass ein Ionenmobilitäts-Hochpassfilter und ein Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter entsteht und Ionen des Mobilitätsbereichs zwischen µ₃ und µ₄ mit µ₃ < µ₄ die beiden Mobilitätsfilter passieren und Ionen außerhalb des Mobilitätsbereiches zurückgehalten werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Mobilitätsfilter von einem koaxialen HF-Multipolfeld umschlossen sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich das HF-Multipolfeld, das die beiden Filter umschließt, in einem gasdichten Rohr befindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, bei der dem Rohr nahe der Rohrmitte ein Gas zugeführt wird, so dass die zwei einander entgegengerichteten Gasströmungen entstehen, und bei der Ionen mit Mobilitäten µ > µ₃ in der ersten Rohrhälfte ein Ionenmobilitäts-Hochpassfilter passieren und Ionen mit Mobilitäten µ < µ₄ in der zweiten Rohrhälfte ein Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter passieren, so dass Ionen mit Mobilitäten zwischen µ₃ und µ₄ kontinuierlich beide Mobilitätsfilter passieren.
Ein Gerät zur Separation von Ionen eines vorgegebenen Ionenmobilitätsbereichs, mit: - einem Rohr mit einer Anordnung von Elektroden entlang der Innenwand, - einem HF-Generator zur Versorgung der Elektrodenanordnung mit den zwei Phasen einer HF-Spannung, um ein HF-Quadrupolfeld im Rohr zu erzeugen, - einem Netz von Widerständen, die mit den Elektroden verbunden sind, - mindestens zwei Gleichspannungsgeneratoren, die mit dem Netz von Widerständen verbunden sind und axiale Potentialverläufe für mindestens zwei Ionenmobilitätsfilter im Rohr erzeugen, und - Mitteln zur Erzeugen von zwei einander entgegen gerichtete Gasströmungen im Rohr, wobei die axialen Spannungsverläufe ein erstes Ionenmobilitäts-Hochpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ > µ3 und ein zweites Ionenmobilitäts-Tiefpassfilter für Ionen mit Mobilitäten µ < µ4 bilden.
Ein Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerät gemäß Anspruch 14 zwischen einer Ionenquelle und einem Massenanalysator platziert ist.
Ein Massenspektrometer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fragmentierungszelle zwischen dem Gerät gemäß Anspruch 14 und dem Massenanalysator platziert ist.