DE102012015978A1

DE102012015978A1 - Komoaktes Niederdruck-lonenmobilitätsspektrometer

Info

Publication number: DE102012015978A1
Application number: DE102012015978.1A
Authority: DE
Inventors: Gökhan Baykut
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-08-11
Also published as: DE102012015978B4; GB2507618B; US20140042315A1; GB201314073D0; GB2507618A; US8921780B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Messung der Mobilität von Ionen in Gasen bei Drucken von einigen Hektopascal. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Driftstrecken für eine Kompaktierung des Geräts zu Kurvenformen gebogen werden können, die sich auch in die dritte Dimension erstrecken. Teile der Driftstrecke können dabei in Etagen übereinander zu liegen kommen. Durch wechselnde Krümmungsrichtungen in der Kurvenform können Ionen, die sich durch Diffusionsprozesse von der Achse entfernt haben, Wegunterschiede ausgleichen, indem sie jeweils etwa gleiche Driftwege auf Außen- und auf Innenbahnen durchlaufen. Andererseits können Ionen durch abschnittsweise oder ständige Fokussierung in der Achse der kurvenförmigen Driftstrecke gehalten werden. Es wird so eine Verkleinerung der Baulänge erreicht, ohne dass die Mobilitätsauflösung stark leidet. Ein Beispiel für eine Kurvenform mit wechselnder Krümmungsrichtung ist die Faltung zu einer Doppelschleife in Form einer Acht. Die Acht kehrt aber nicht in sich selbst zurück, sondern verschiebt sich senkrecht zu ihrer Projektionsebene so im Raum, dass mehrere Doppelschleifen übereinander zu liegen kommen. Eingefügte HF-Ionentrichter oder Ionentunnel an geeigneten Stellen können die Ionen wieder in die Achse zurückbringen. Eine abschnittsweise oder ständige axiale Fokussierung kann durch ein Pseudopotential radial zur Achse der Kurvenform erreicht werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Messung der Mobilität von Ionen in Gasen bei Drucken von einigen Hektopascal.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Driftstrecken für eine kompakte Geräteform zu Kurvenformen gebogen werden können, die sich auch in die dritte Dimension erstrecken. Teile der Driftstrecke können dabei in Etagen übereinander zu liegen kommen. Ionen, die sich durch Diffusionsprozesse von der Achse entfernt haben, können durch wechselnde Krümmungsrichtungen in der Kurvenform Wegunterschiede ausgleichen, indem sie jeweils etwa gleiche Driftwege auf Außen- und auf Innenbahnen durchlaufen. Andererseits können Ionen durch abschnittsweise oder auch ständige Fokussierung in der Achse der kurvenförmigen Driftstrecke gehalten werden. Es wird so eine Verkleinerung der Baulänge erreicht, ohne dass die Mobilitätsauflösung stark leidet. Ein Beispiel für eine Kurvenform mit wechselnder Krümmungsrichtung ist die Faltung zu einer Doppelschleife in Form einer Acht. Die Acht kehrt aber nicht in sich selbst zurück, sondern verschiebt sich senkrecht zu ihrer Projektionsebene so im Raum, dass mehrere Doppelschleifen übereinander zu liegen kommen. Eingefügte HF-Ionentrichter oder Ionentunnel an geeigneten Stellen können die Ionen wieder in die Achse zurückbringen. Eine abschnittsweise oder ständige axiale Fokussierung kann durch radial zur Achse der Kurvenform wirkende Pseudopotentiale erreicht werden.
Stand der Technik
Sowohl Isomere der primären Struktur („Struktur-Isomere”), als auch Isomere der sekundären oder. tertiären Struktur („Konformations-Isomere”) haben verschiedene geometrische Formen, aber exakt die gleiche Masse. Sie können daher massenspektrometrisch nicht als verschieden wahrgenommen werden. Eine der effizientesten Wege zur Erkennung und Separierung solcher Isomere ist die Trennung durch Ionenmobilität. Eine Zelle zur Messung der Ionenmobilität enthält ein inertes Gas (beispielsweise Helium oder Stickstoff). Die Ionen der zu untersuchenden Substanz werden üblicherweise mit Hilfe eines elektrischen Feldes durch das ruhende Gas gezogen. Durch die Vielzahl von Stößen mit den Gasmolekülen stellt sich für jede Ionensorte eine konstante Driftgeschwindigkeit ν_d ein, die proportional zur elektrischen Feldstärke E ist: ν_d = M × E. Der Proportionalitätsfaktor M wird „Ionenmobilität” genannt. Die Ionenmobilität M ist eine Funktion der Temperatur, des Gasdrucks, der Gasart, der Ionenladung und insbesondere des Stoßquerschnitts. Isomere Ionen mit gleicher Masse, aber verschiedenem Stoßquerschnitt haben verschiedene Ionenmobilitäten. Isomere mit kleinster Geometrie haben die größte Mobilität M und somit die größte Driftgeschwindigkeit ν_d durch das Gas. Proteinionen im ungefalteten Zustand erleiden eine größere Anzahl an Stößen als dicht zusammengefaltete Proteine. Ungefaltete Proteinionen haben daher eine spätere Ankunftszeit am Ende der Zelle als gefaltete Ionen gleicher Masse.
Aus Messungen der Ionenmobilität M können verschiedenartige Informationen gewonnen werden. Einfachere Messungen der relativen Ionenmobilität werden häufig zur Untersuchung von Konformationsänderungen angewandt oder auch nur zur Entdeckung der Existenz verschiedener isomerer Strukturen in einem Gemisch. Relativ einfach können Ionen gleicher ladungsbezogener Masse m/z, aber verschiedener Konformation voneinander separiert werden. Aus gut reproduzierten Messungen mit Helium als Gas können sogar die Stoßquerschnitte absolut berechnet werden. Aus den genauen Stoßquerschnitten können wiederum durch Berechnungen bestimmte Faltungsformen bestätigt werden.
Weil die Wichtigkeit der Kenntnis über die Mobilität von Ionen für die chemische und biologische Forschung zugenommen hat, sind Einrichtungen zur Mobilitätsmessung von Ionen auch in Massenspektrometer eingebaut worden, um die Messungen der ladungsbezogenen Masse von Ionen mit der Messung von Stoßquerschnitten kombinieren zu können.
Für Kopplungen mit Massenspektrometern hat sich praktisch durchgehend ein Druckbereich von 500 bis 2000 Pascal für die Mobilitätsdriftstrecke durchgesetzt, wobei die Driftstrecke 40 Zentimeter bis zu zwei Meter und mehr beträgt und elektrische Feldstärken von 1000 bis 5000 Volt pro Meter angewandt werden. In diesem Druckbereich gibt es praktisch keine Bildung von Komplexen der driftenden Ionen mit anderen Substanzen, so dass die Mobilitäten der Ionensorten ohne Störungen gemessen werden können. In langen Driftstrecken diffundieren die Ionen auch in radialer Richtung über weite Strecken auseinander, so dass für lange Driftstrecken recht große Durchmesser gewählt werden müssen.
Die Ionen werden meistens in Form zeitlich kurzer Ionenpulse in die Driftstrecke eingelassen, wodurch sie die Form räumlich kleiner Ionenwolken annehmen, die vom elektrischen Feld durch die Driftstrecke gezogen werden. Diese Ionenwolken unterliegen im Gas der Driftstrecke der Diffusion, und zwar sowohl in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, wie auch quer zur Driftstrecke. Das Mobilitätsauflösungsvermögen R_mob (kurz: die Mobilitätsauflösung) wird ganz überwiegend, vor allem bei langen Driftstrecken und niedrigen elektrischen Feldstärken, durch diese Diffusionsverbreiterung der Ionenwolken bestimmt; alle anderen Einflüsse, wie beispielweise die Raumladung, sind eher verschwindend klein. Die allein aus der Diffusionsverbreiterung des Mobilitätssignals berechnete Mobilitätsauflösung R_d ist durch die Gleichung
wiedergegeben, wobei z die Anzahl der Elementarladungen e, E die elektrische Feldstärke, L_d die Länge der Driftstrecke, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Man sieht, dass die diffusionsbeschränkte Auflösung sowohl mit der Feldstärke E, wie insbesondere auch mit der Länge L_d der Driftstrecke ansteigt, wenn auch in beiden Fällen nur mit der Wurzel. Mehrfach geladene Ionen können besser aufgelöst werden als einfach geladene, da die Auflösung mit der Wurzel der Ladungszahl steigt. Die Mobilitätsauflösung ist definiert als R_mob = M/ΔM, wobei ΔM die Breite des Ionensignals der Mobilität M in halber Höhe ist, gemessen in Einheiten der Mobilität. Da die Mobilitätsauflösung R_mob nicht nur von der Diffusion abhängt, sondern beispielsweise auch von der endlichen Breite des Pulses und von der Raumladung, hat sie normalerweise einen etwas kleineren Wert als R_d.
Verglichen mit Massenauflösungen in der Massenspektrometrie, sind Mobilitätsauflösungen im Allgemeinen nicht sehr hoch. Marktgängige Ionenmobilitätsspektrometer haben Auflösungen von R_mob = 10 bis R_mob = 40. Mit einer Mobilitätsauflösung von R_mob = 40 können zwei Ionensorten gut getrennt werden, die sich um fünf Prozent in ihrem Stoßquerschnitt unterscheiden. In spezialisierten Arbeitsgruppen wurden bisher maximale Mobilitätsauflösungen von R_mob = 200 erreicht, mit Driftlängen von etwa vier bis sechs Metern und Feldstärken von 2000 Volt pro Meter und mehr, womit sich Ionensorten unterscheiden lassen, die sich nur um etwa ein Prozent in ihrer Mobilität unterscheiden. Als „hochauflösend” sollen hier solche Ionenmobilitätsspektrometer bezeichnet werden, deren Auflösung über R_mob = 60 liegt.
In langen Driftstrecken diffundieren die Ionenwolken in radialer Richtung sehr weit auseinander. Es hat sich daher als zweckmäßig erwiesen, die Ionen der Ionenwolken in gewissen Abständen, beispielsweise alle zwei Meter, wieder an die Achse anzunähern. Das kann durch die an sich bekannten Ionentrichter erreicht werden. Diese Ionentrichter stören die Mobilitätsauflösung nicht messbar.
Es ist auch möglich, die Ionen in der Mobilitätszelle durch HF-erzeugte Pseudopotentiale in der Achse zu halten. Eine solche Anordnung, eingebaut in ein Massenspektrometer, wurde von A. V. Loboda, US 6,744,043 B2 (2004) beschrieben. Die prinzipielle axiale Fokussierung von Ionen durch Pseudopotentiale in einer Driftstrecke, in der die Ionen in einem Gleichspannungsfeld durch ein Dämpfungsgas gezogen werden, ist bereits in der Patentschrift Thomson et al. US 5,847,386 (1998) dargelegt; es wurde dort der Mechanismus aber nicht für die Messung der Mobilitat beansprucht. In der Patentschrift Loboda wird für die Driftstrecke wie bei Thomson et al. ein Hochfrequenz-Ionenleitsystem mit radialer Stoßfokussierung vorgeschlagen, wobei das Ionenleitsystem als Hochfrequenz-Multipol-Stabsystem, aber auch als Ringsystem ausgeführt sein kann.
Hochauflösende Ionenmobilitätsspektrometer haben den Nachteil großer Länge von einigen Metern. Für kommerziell vertriebene Geräte ist eine solche Lösung nicht akzeptabel. Es ist daher von der Arbeitsgruppe David E. Clemmer vorgeschlagen worden, die Driftstrecke zu einer geschlossenen Schleife (eine Art Kreisbahn) mit mehreren eingefügten Ionentrichtern zu formen, wobei die Kreisbahn über eine Weiche betreten, mehrmals durchlaufen und dann in einer weiteren Weiche wiederverlassen werden sollte. Siehe dazu die Dokumente US 2010/0193678A1 (D. E. Clemmer et al.), US 2009/0189070 (D. E. Clemmer et al.) und US 2011/0121171A1 (D. E. Clemmer et al.). Die Arbeitsgruppe hat dafür den nicht ganz korrekten Namen „Ion Cyclotron Mobility Spectrometry” geprägt, erwartet aber selbst größere technische Probleme für diese Lösung. So beschränkt das Vorhandensein der Weichen den Mobilitätsbereich ein, da sich zwar durch mehrfache Umläufe der Mobilitätsbereich zu längerer Driftstrecke und damit zu höherer Auflösung spreizen lässt, aber nur der Bereich eines einzigen Umlaufs gemessen werden kann. Die technische Ausführung der Weichen ist schwierig, wenn die Mobilitätsauflösung erhalten werden soll. Als besonders schwerwiegendes Problem ist aber zu erwarten, dass Ionen, die durch Diffusion auf eine Außenbahn geraten und dort umlaufen, durch die dort längere Driftstrecke und geringere elektrische Feldstärke gegenüber Ionen auf einer Innenbahn zurückbleiben. Selbst bei Einfügung von Ionentrichtern nach jeweils einem Viertel der Kreisbahn wird die Mobilitätsauflösung so stark verringert, dass der Wert des Vorschlages in Frage gestellt werden muss.
Insbesondere für den Bau kompakter Mobilitätsspektrometer ist also nach einer Lösung zu suchen, die deren Baulänge verkürzt, mit anderen Worten den „Fußabdruck” des Gerätes verkleinert, aber keine Verschlechterung der Mobilitätsauflösung bewirkt.
Es soll hier nur kurz erwänt werden, dass seit vielen Jahren Anordnungen von Mobilitätsspektrometern bekannt sind, in der die Isomere anschließend mit einem hochauflösenden Flugzeit-Massenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss analysiert werden, wobei es das Ziel ist, Massenspektren und Mobilitätsspektren der Ionenmischungen gleichzeitig zu erhalten. Ionenmobilitäts-Driftzellen kombiniert mit orthogonal beschleunigenden Flugzeitmassenspektrometern sind seit vier Jahrzehnten aus Lehrbüchern bekannt.
Es müssen die Ionen nicht in Form von kurzen Ionenpulsen in die Driftstrecken eingebracht werden. In der Patentanmeldung DE 10 2008 025 972.1 (K. Michelmann), äquivalent zu GB 2 460 341 A oder US 2009/0294647 A1 , wird beispielsweise ein Ionenmobilitätsspektrometer verwendet und mit einem Massenspektrometer gekoppelt, das mit einem analog modulierten Ionenstrom ohne Ionenpulse arbeitet. Diese Anordnungen unterliegen in gleicher Weise wie die mit Ionenstrompulsen betriebenen Ionenmobilitätsspektrometer der Diffusionsverbreiterung der schlussendlich gewonnenen Mobilitätsspektren.
In Massenspektrometern kann immer nur das Verhältnis aus der Ionenmasse zur Ladung des Ions bestimmt werden. Wenn im Folgenden von der „Masse eines Ions” oder der „Ionenmasse” gesprochen wird, so ist immer das Verhältnis von Masse m zur Anzahl z der Elementarladungen des Ions gemeint, also die elementarladungs-bezogene Masse m/z. Die Güte eines Massenspektrometers wird neben anderen Kriterien im Wesentlichen durch die Massenauflösung bestimmt. Die Massenauflösung ist definiert als R_mass = m/Δm, wobei R_mass das Auflösungsvermögen, m die Masse eines Ions, gemessen in Einheiten der Massenskala, und Δm die Breite des Massensignals in halber Höhe ist, gemessen in den gleichen Einheiten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Ionenmobilitätsspektrometer kompakter Bauart bereitzustellen, die auch mit hoher Mobilitätsauflösung betrieben werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Driftstrecken zu Kurvenformen gebogen werden können, die nicht nur in einer Ebene angeordnet sind, sondern sich auch in die dritte Dimension erstrecken. Damit können kompakte Bauformen erzeugt werden. So können sich beispielsweise Kurvenformen in einer Dimension vertikal zur Projektionsfläche in Etagen übereinanderlegen. Dabei können die driftenden Ionen durch ständige oder wiederholte HF-Fokussierung in der Achse der Kurvenformen gehalten werden, damit alle Ionen gleiche Wegstrecken zurücklegen. Es können aber auch Ionen, die sich durch Diffusionsvorgänge außerhalb der Achse befinden, auch ohne HF-Fokussierung in besonders geformten Driftstrecken mit gegenläufigen Krümmungen jeweils abwechselnd Außen- und Innenbahnen zurücklegen, um die Wegunterschiede und Unterschiede der elektrischen Feldstärken auszugleichen. In beiden Fällen wird die Mobilitätsauflösung nicht wesentlich beeinträchtigt.
Eine günstige Ausführungsform für eine Kurvenform mit gegenläufigen Krümmungen ist die Faltung zu Doppelschleifen in Form je einer Acht. Diese Doppelschleifen kehren jedoch nicht in einer Ebene in sich selbst zurück, sondern winden sich senkrecht zu ihrer Ebene im Raum, beispielsweise so, dass die Doppelschleifen in Etagen räumlich übereinander zu liegen kommen. Ein Spannungsüberschlag zwischen übereinanderliegenden Schleifen oder Windungen infolge der Spannungsdifferenz zwischen zwei Etagen kann dadurch verhindert werden, dass die minimale Distanz zwischen den Etagen entsprechend der anzuwendenden Spannung definiert wird. Die Schleifen- oder Windungsetagen können auch gegeneinander durch geeignete Schichten oder Abschirmungen voneinander isoliert werden.
Die Kompensation der Wegstrecken durch gegenläufige Krümmungen kann auch mit HF-Fokussierungen kombiniert werden. So können eingefügte HF-Ionentrichter oder HF-Ionentunnel an geeigneten Stellen die Ionen wieder in die Achse zurückbringen. Geeignete Stellen für diese Ionentrichter oder Ionentunnel sind einigermaßen gerade Driftwegstücke, beispielsweise im Kreuzungsgebiet der Doppelschleifen.
Besonders günstig ist die ständige radiale Fokussierung der driftenden Ionen in eine enge Bahn nahe der Achse der Kurvenform durch ein Pseudopotential, das radial zur Achse der gekrümmten Driftstrecken wirkt und die Ionen dauernd zum Zentrum des Pseudopotentials zurücktreibt. In Verbindung mit dem Driftgas, das alle Schwingungsbewegungen in der Potentialrinne dämpft, verbleiben die Ionen während ihrer Drift in einer engen Bahn. Ein HF-generiertes Pseudopotential mit überlagertem Gleichspannungs-Ziehfeld kann durch gewundene und segmentierte Multipol-Stabsysteme, durch HF-Ringblendensysteme, oder durch Doppel- oder Mehrfach-Helices aus Widerstandsdraht erzeugt werden.
Die Ionen werden in diesen Anordnungen in der Regel durch ein ruhendes Driftgas gezogen. Es ist jedoch auch möglich, die gewundenen Kurvenformen als Rohr mit Innenelektroden auszubilden und das Gas in diesem Rohr strömen zu lassen, beispielsweise, um die Wegstrecke zu verkürzen oder die Mobilitätsauflösung zu erhöhen.
Beschreibung der Abbildungen
zeigt schematisch eine schraubenförmig gewickelte Driftstrecke (1), die aus Lochblenden (2) aufgebaut ist, wobei die Öffnungen der Lochblenden (2) von jeweils vier hyperbolisch geformten, voneinander isolierten Elektroden (3) umgeben sind. Durch rundum abwechselnde Phasen einer Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von etwa einem Megahertz und einigen Hundert Volt Spannung an den Quadrupolelektroden jeweils einer Lochblende wird ein radial fokussierendes Pseudopotential aufgebaut; durch überlagerte Gleichspannungspotentiale, die sich von Lochblende zu Lochblende gleichmäßig ändern, wird das elektrische Ziehfeld für die Mobilitätsbewegung erzeugt. Wegen der schraubenförmig aufgewickelten Driftstrecke wird ein hohes Mobilitätsauflösungsvermögen bei kompakter Baugröße erreicht. Es sind mit dieser Bauform bei drei Windungen mit einem Radius (zur Driftachse) von etwa 20 Zentimetern beispielsweise Driftstrecken von vier Meter Länge auf einer quadratischen Grundfläche von lediglich etwa 50 Zentimeter Kantenlänge umsetzbar. Eine so dimensionierte Mobilitätsdriftzelle lässt sich problemlos auch auf kleinen Labortischen platzieren.
Die und zeigen schematisch Lochblenden (2, 12) mit vier hyperbolischen Elektroden (3, 13) und Kontakten (4, 14), die für den Aufbau der schraubenförmig gewickelten Driftstrecke (1) nach verwendet werden können. Die Lochblende nach mit symmetrischen Elektroden zwingt die Ionen nicht auf die Achse der Driftstrecke, dazu ist in einer speziellen Ausführungsform eine leicht verzerrte Lochblende mit unsymmetrischen Elektroden nach erforderlich. Die erforderliche Form der unsymmetrischen Elektroden hängt vom Radius der Driftstrecke ab.
stellt schematisch ein S-förmiges Teilstück (5) einer in Form einer Acht gekrümmten Driftstrecke aus Lochblenden (6) mit runden Öffnungen (7) dar. Aus einer Verlängerung dieses Teilstücks lässt sich eine Driftstrecke aus gefalteten Achten aufbauen, die, wie in gezeigt, übereinander liegen. Es findet hier in den Lochblenden keine radiale Fokussierung wie in statt; durch die wechselnde Krümmungsrichtung werden aber Ionen, die von der Achse weg nach außen diffundiert sind, auf Bahnen etwa gleicher Länge gebracht. Dieser Effekt ist sogar in auch diesem nur S-förmigen Teilstück (5) möglich, da die Ionen, die in die Driftstrecke hineinfliegen (8) zwei entgegengesetzte Dreiviertel-Kreisbahnen zurücklegen und dann die Driftstrecke verlassen (9).
zeigt eine Anordnung (10) von geschichtet gebogenen Driftstrecken, jeweils in Form einer Acht, die durch Modifizierung und Verlängerung des Teilstücks (5) nach aufgebaut werden kann.
gibt schematisch eine Driftstrecke (20) wieder, die zu einer geschichteten Acht gewundene ist und in jeder Acht in einer der beiden geraden Überkreuzungsstrecken einen Ionentrichter (21) enthält. Dadurch werden die nach außen diffundierenden Ionen immer wieder in Achsennähe gebracht. Die oberste und die unterste Acht enthalten einen Eingang (22) und einen (nicht sichtbaren) Ausgang für die Ionen.
zeigt eine Kurvenform, die nicht in der Grundebene in sich selbst zurückkehrt, sondern durch einen Ausflug in die dritte Dimension eine kompakte Bauform liefert.
Auch die gibt eine Kurvenform an, die sich durch die drei Raumdimensionen erstreckt.
Beste Ausführungsformen
Die Erfindung greift den Vorschlag der Arbeitsgruppe Clemmer (oben zitiert) auf, die Driftstrecken zu krümmen, um die Baulänge zu reduzieren, gibt aber insbesondere Lösungen für die von der Arbeitsgruppe Clemmer bereits erwarteten technischen Schwierigkeiten. Die bei Clemmer et al. benötigten Weichen können vollständig vermieden werden, indem die Kurvenformen nicht in einer Ebene in sich selbst zurückgeführt, sondern durch Ausnutzung der dritten Dimension des Raums so gewunden werden, dass eine kompakte Bauform entsteht. So können beispielsweise Kurvenformen in Etagen übereinander liegen. Durch Krümmungen wechselnder Richtung kann das Zurückbleiben von Ionen auf Außenbahnen gegenüber solchen auf Innenbahnen im statistischen Mittel ausgeglichen werden; es können die Ionen aber auch über die gesamte Driftstrecke oder wiederholt in Teilen der Driftstrecke durch Pseudopotentiale eng in Achsennähe gehalten werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Driftstrecken schraubenförmig zu Kreisen zu biegen, wie in gezeigt. Es müssen hier die Ionen durch ständige oder wiederholte Fokussierung in der Achse der Driftstrecke gehalten werden. Das kann durch eine Stoßfokussierung geschehen, wie sie von HF-Ionenleitsystemen her bekannt ist. Dazu ist in der Driftstrecke ein radial wirkendes Pseudopotential aufzubauen, das die Ionen zur Achse zurücktreibt. Ein Pseudopotential kann, wie von HF-Ionenleitsystemen her bekannt, durch multipolare Felder erzeugt werden, beispielsweise durch quadrupolare oder hexapolare Stabsysteme. Es entsteht dabei eine Potentialrinne in Längsrichtung der Driftstrecke. Alle Schwingungsbewegungen in dieser Potentialrinne werden im Driftgas gedämpft, so dass die Ionen verlässlich in einer Fokussierungsachse gehalten werden.
Um die Gleichspannung für die Drift der Ionen zu erzeugen, müssen die Polstäbe dabei segmentiert sein. Die Reihung von Lochblenden in mit isolierten Randelektroden stellt eine sehr feine Segmentierung dar. Es können die Lochblenden (2) aus nichtleitendem Material mit metallisch leitenden hyperbolischen Elektroden (3) hergestellt werden. Diese Elektroden können das Quadrupolfeld erzeugen. Die Lochblenden mit den Elektroden können beispielsweise aus dem Material für elektrische Platinen oder auch aus Keramik hergestellt werden.
Wenn die Elektroden der Lochblenden symmetrisch sind, wie in gezeigt, so stimmt die Fokussierungsachse der gewundenen Driftstrecke in nicht mit der geometrischen Achse der Driftstrecke überein, die sich über eine die Mittelpunkte der Lochblenden verbindenden Linie definieren lässt. Durch eine Verzerrung der Elektrodenform, wie sie in gezeigt wird, kann die Ionenbahn durch die unsymmetrische Verteilung des Pseudopotentials mit der Achse der Driftstrecke in Übereinstimmung gebracht werden. Die elektrische Spannung wird an den Kontaktpunkten (4, 14) angeschlossen.
Auch mit einer Driftstrecke, die aus parallelen Ringblenden mit runden Öffnungen aufgebaut ist, zum Beispiel mit kreisförmigen Öffnungen, kann eine ständige radiale Fokussierung der driftenden Ionen zu einer Bahn in der Nähe der Achse der Kurvenform erreicht werden, indem die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung abwechselnd an die Ringblenden angelegt werden. Es entsteht auch hier ein Pseudopotential, das die Ionen von Außenbahnen weg zurück in die Nähe der Achse der Driftstrecke treibt.
Die Driftstrecke braucht dabei nicht die Form eines Kreises anzunehmen, sondern kann eine beliebige Form sein. Die Driftstrecke kann beispielsweise auch ein Quadrat oder Hexagon mit abgerundeten Ecken sein. Die Form ist aber so in die dritte Dimension hinein gebogen, dass sie vertikal zur Grundfläche in Etagen übereinander zu liegen kommt. Zum Beispiel kann eine „Schraubenwindung” um 360° der Anordnung aus als Etage angesehen werden. Die genaue Bedeutung des Begriffs „Etage” lässt sich für jede der denkbaren Ausführungsformen separat definieren.
Weiterhin kann man bei der Biegung zu Kurvenformen ausnutzen, dass Ionen, die sich durch Diffusionsvorgänge in der gekrümmten Driftstrecke außerhalb der Achse befinden, jeweils durch eine Serie von Driftstrecken mit gegenläufigen Krümmungen etwa gleiche Driftwegstrecken auf Außen- und auf Innenbahnen zurücklegen werden. Das gilt vor allem dann, wenn durch eine relativ hohe Ziehspannung eine nur geringe Diffusionsdrift stattfindet. Es werden dann die Wegunterschiede und auch die Unterschiede der elektrischen Feldstärken weitgehend ausgeglichen.
Eine günstige Ausführungsform für eine Kurvenform mit gegenläufigen Krümmungen ist die Biegung zu Doppelschleifen in Form je einer Acht. Diese Doppelschleifen sollen dabei aber nicht in sich selbst zurückkehren, sondern sich senkrecht zu ihrer Ebene im Raum so winden, dass jeweils die Doppelschleifen in Etagen übereinander zu liegen kommen, wie in gezeigt. Eingefügte HF-Ionentrichter oder auch HF-Ionentunnel an geeigneten Stellen können die Ionen wieder in die Achse zurückbringen. Wie in dargelegt, sind einigermaßen gerade Driftwegstücke geeignete Stellen für diese Ionentrichter oder Ionentunnel, beispielsweise annähernd gerade Driftwege im Kreuzungsgebiet der Doppelschleifen.
Die Ionen werden in der Regel in all diesen Ausführungsformen durch ein ruhendes Driftgas gezogen. Es ist jedoch auch möglich, die gewundenen Kurvenformen als Rohr mit Innenelektroden auszubilden und das Gas in diesem Rohr strömen zu lassen. Dadurch können beispielsweise die für eine Mobilitätsauflösung benötigten Wegstrecken verkürzt oder es kann die Mobilitätsauflösung erhöht werden.
Es können auch völlig anders geartete Driftstrecken als die hier beschriebenen konstruiert werden. So sind in den und Kurvenformen gezeigt, die nicht in ihrer Projektion auf eine Grundfläche in sich selbst zurückkehren. Es kann die Driftstrecke auch aus Lochblenden aufgebaut sein, deren Öffnungen sich längs der Driftstrecke vergrößern, um die durch Diffusion weiter werden Ionenwolken innerhalb der Driftstrecke zu halten. Es ist auch möglich, die Driftstrecken nicht aus Lochblenden aufzubauen. So kann beispielsweise eine Driftstrecke durch Doppel- oder Mehrfach-Helices aus Widerstandsdraht aufgebaut werden. Es können auch Röhren verwendet werden, die innen mit Widerstandsmaterial beschichtet sind. Alle diese Lösungen sollen dem Schutz dieses Antrags unterliegen, soweit es sich dabei um Driftstrecken mit Kurvenformen handelt, die sich über alle drei Dimensionen des Raums erstrecken.
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 6744043 B2 [0010]
US 5847386 [0010]
US 2010/0193678 A1 [0011]
US 2009/0189070 [0011]
US 2011/0121171 A1 [0011]
DE 102008025972 [0014]
GB 2460341 A [0014]
US 2009/0294647 A1 [0014]

Claims

Vorrichtung zur Trennung von Ionen nach ihrer Ionenmobilität mit einer Driftstrecke, in der die Ionen mittels elektrischer Felder durch ein. Gas gezogen werden, wobei die Driftstrecke durch Elektroden oder Elektrodensegmente definiert wird, die in Reihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden oder Elektrodensegmente so angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Driftstrecke zu einer Kurvenform gebogen ist, die sich über alle drei Raumdimensionen erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform der Driftstrecke in der Projektion auf eine Grundfläche in sich selbst zurückkehrt und wenigstens Teile der Driftstrecke in einer dritten Dimension übereinander zu liegen kommen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke schraubenförmig gewunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke die Form einer in Etagen geschichteten Acht besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke durch gereihte Lochblenden gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Spannungsversorgung, mittels der die Lochblenden abwechselnd mit den beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung beschickt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Lochblenden jeweils durch voneinander isolierte Elektroden gerahmt sind, mit denen in der Driftstrecke unter Anlegen geeigneter Hochfrequenzspannungen ein multipolares Hochfrequenzfeld erzeugt werden kann, das Ionen in einer engen Bahn hält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden eine hyperbolische Form haben.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Elektroden so geformt sind, dass die Ionen in der Achse der Driftstrecke gehalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Lochblenden kreisförmig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Driftstrecke Ionentrichter oder Ionentunnel eingebaut sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Lochblenden in Driftrichtung der Ionen größer werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke aus mindestens zwei zu einer Doppelhelix gewundenen Widerstandsdrähten gefertigt ist.
Massenspektrometer, das mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Ionenmobilitätstrennung gekoppelt ist.