-
Die Massenspektrometrie ist eine übliche, analytische Technik, die in der physischen und biologischen Wissenschaft verwendet wird. Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF-MS; time-of-flight mass spectrometry) ist eine Massenspektrometrietechnik, die für analytische Messungen verwendet wird. TOF-MS hat erwünschte Charakteristika, wie z. B. einen fast unbegrenzten Massebereich, eine Fähigkeit, ein komplettes Massespektrum von jedem Ionisierungsereignis zu liefern und relativ einfache Operationsprinzipien.
-
Ein TOF-Massenspektrometer besteht aus einem Ioneninjektor, einem Masseanalysator und einem Ionendetektor. Ein Paket aus Ionen, das aus einer Probe hergeleitet wird, wird in den Ioneninjektor eingegeben. Das Ionenpaket besteht üblicherweise aus Ionen mehrerer unterschiedlicher Ionenspezies mit entsprechenden Masse/Ladung-Verhältnissen. Ein elektrischer Puls, der an den Ioneninjektor angelegt ist, übt ungefähr dieselbe anfängliche kinetische Energie auf alle Ionen in dem Ionenpaket auf solche Weise aus, dass sich die Ionen alle ungefähr in derselben Bewegungsrichtung bewegen. Die Ionen jeder Ionenspezies bewegen sich bei einer entsprechenden Geschwindigkeit, die von dem Masse/Ladung-Verhältnis der Ionenspezies abhängt. Die Ionen gehen weiter in den Masseanalysator, der in seiner einfachsten Implementierung eine längliche, evakuierte Kammer ist. Bei dem Masseanalysator verursachen die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der unterschiedlichen Ionenspezies, dass sich die Ionen der entsprechenden Ionenspezies im Hinblick auf die Bewegungsrichtung trennen. An dem distalen Ende des Masseanalysators fallen die Ionen auf den Ionendetektor ein, der die Häufigkeit der Ionen misst, die auf denselben einfallen, innerhalb aufeinander folgender, schmaler Flugzeitfenster, um ein Flugzeitspektrum zu erzeugen. Das Flugzeitspektrum stellt die Beziehung zwischen Ionenhäufigkeit und Flugzeit dar. Da die Flugzeit der Ionen einer gegebenen Ionenspezies proportional zu der Quadratwurzel des Masse/Ladung-Verhältnisses der Ionenspezies ist, kann das Flugzeitspektrum direkt in ein Massespektrum umgewandelt werden, das die Beziehung zwischen Ionenhäufigkeit und Masse/Ladung-Verhältnis darstellt. In dieser Offenbarung wird der Kürze halber der Ausdruck Masse/Ladung-Verhältnis als Masse abgekürzt.
-
Die Masseauflösung bei einem Massenspektrometer ist definiert als T/2ΔT, wobei T die gemessene Flugzeit bei einer gegebenen Masse ist und ΔT die gemessene oder berechnete Flugzeitausbreitung für diese gegebene Masse ist. Für ein TOF-Massenspektrometer gibt die Quadratwurzelabhängigkeit der Flugzeit von der Masse vor, dass für große Massen die Spitzentrennung umgekehrt mit der Quadratwurzel der Ionenmasse abnimmt. In den letzten Jahren gab es eine wesentliche Zunahme der Anwendungen von Massenspektrometrie an große biologische Moleküle. Solche Anwendungen haben Masseauflösungsanforderungen, die die Fähigkeiten von herkömmlichen TOF-MS-Systemen übertreffen. Um TOF-Massenspektrometer herzustellen, mit ihren vielen anderen erwünschten Charakteristika, die zur Verwendung bei solchen Anwendungen einsatzfähig sind, muss ihre Masseauflösung erhöht werden.
-
Die Masseauflösung eines TOF-Massenspektrometers ist proportional zu der Länge der Flugbahn zwischen dem Ioneninjektor und dem Ionendetektor. Ein typisches TOF-Massenspektrometer weist einen linearen Flugpfad auf. Ein Vergrößern der physischen Länge einer solchen linearen Flugbahn bis die erforderliche Auflösung erreicht ist würde die physischen Abmessungen des Instruments über jene steigern, die als vernünftig betrachtet werden.
-
Eine zylindrisch symmetrische Spiegelstruktur, wie sie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart ist, stellt vergleichsweise große Flugbahnen für Ionen in einem Masseanalysator bereit, während die physischen Abmessungen des Masseanalysators vorteilhaft reduziert werden, im Vergleich zu Masseanalysatoren mit einer linearen Flugbahn. Bei zylindrisch symmetrischen Spiegelstrukturen folgen Ionen aus einer Ionenquelle exzentrischen Umlaufbahnen, die langsam um eine Achse einer Achsensymmetrie fortschreiten und schließlich durch den Ionendetektor abgefangen werden. Die Bewegung in der axialen Dimension ist ungefähr periodisch um die Symmetrieebene der zylindrisch symmetrischen Spiegelstruktur, die ungefähr in der Mitte zwischen den parallelen, planaren Oberflächen angeordnet ist.
-
Obwohl die zylindrisch symmetrischen Spiegelstrukturen den erforderlichen physischen Raum vorteilhaft reduzieren, ohne Auflösung im Vergleich zu Masseanalysatoren mit einer linearen Flugbahn einzubüßen, war die Einlagerung von Ionenquellen in einen solchen Masseanalysator schwierig.
-
Dementsprechend wird eine Ionenquelle für einen zylindrisch symmetrischen Masseanalysator benötigt.
-
Aus der
WO 2007/077245 A1 , der
US 2008/0272293 A1 und der
US 6 040 575 A sind Massenspektrometer bekannt, bei denen Ionenspiegel in einem Ionenstrahlweg vorgesehen sind.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Masseanalysator, ein Massenspektrometer und ein Massenspektrometrieverfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Masseanalysator gemäß Anspruch 1, ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 6, und ein Massenspektrometrieverfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
-
Die Ausführungsbeispiele sind am besten aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung verständlich, wenn sie mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein, zur Verdeutlichung der Beschreibung. Wo immer möglich und durchführbar beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Massenspektrometers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
2A eine schematische Ansicht eines Massenspektrometers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
2B eine schematische Ansicht eines Massenspektrometers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
2C eine Draufsicht eine Masseanalysators gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
2D eine Querschnittsansicht eines Teils des Masseanalysators, gezeigt in 2C entlang der Schnittlinie 2C-2C;
-
2E eine Draufsicht eines Massenspektrometers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
3 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines Impulsgebers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
4 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Masseanalysators gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
-
5 eine Strahlausbreitung, erforderlich in einem Ionenspiegel für Ionen mit unterschiedlicher kinetischer Energie;
-
6 eine Strahlausbreitung in einem Ionenspiegel für Ionen mit im Wesentlichen identischer kinetischer Energie und einer Ausbreitung bei dem Einfallswinkel auf den Ionenspiegel; und
-
7 Bewegungen eines Ionenpakets durch Drähte eines Impulsgebers gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
-
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung sind zu Zwecken der Erklärung und nicht der Einschränkung Ausführungsbeispiele, die spezifische Details offenbaren, ausgeführt, um ein tief greifendes Verständnis eines Ausführungsbeispiels gemäß den vorliegenden Lehren zu geben. Es ist jedoch für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich, der die vorliegende Offenbarung gewürdigt hat, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den spezifischen, hierin offenbarten Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Ferner können Beschreibungen von bekannten Vorrichtung und Verfahren weg gelassen sein, um die Beschreibung der Ausführungsbeispiele nicht zu verunklaren. Solche Verfahren und Vorrichtungen liegen deutlich innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
-
Ein Massenspektrometer, das eine Ionenquelle, einen Masseanalysator und einen Ionendetektor aufweist, ist in Verbindung mit darstellenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ionenquelle weist einen Ioneninjektor auf, der konfiguriert ist, um einen kontinuierlichen Niedrigenergieionenstrahl schnittstellenmäßig mit einem Masseanalysator zylindrischer Geometrie zu verbinden, der einen Ionenspiegel aufweist. Der Ionenspiegel ist konfiguriert, um Ionen von dem Ioneninjektor durch das elektrische Feld, das in dem Masseanalysator eingerichtet ist, und zu dem Ionendetektor zu lenken. Vorteilhafterweise erlaubt der Ioneninjektor des darstellenden Ausführungsbeispiels auch eine relative Orientierung zwischen dem Niedrigenergie-Eingangsionenstrahl und dem Masseanalysator zylindrischer Geometrie, wodurch der Niedrigenergieionenstrahl und der Masseanalysator parallel zu dem Labortisch sind.
-
1 ist ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm eines Massenspektrometers 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Das Massenspektrometer 100 weist eine Ionenquelle 101, einen Masseanalysator 102 und einen Ionendetektor 103 auf.
-
Wie nachfolgend umfassender beschrieben wird, weist die Ionenquelle
101 einen Wiley-McLaren-Impulsgeber („Pulser”) auf (nicht gezeigt in
1), der konfiguriert ist, um einen Niedrigenergieionenstrahl zu empfangen (in
1 nicht gezeigt) und Ionen von dem Impulsgeber zu dem Masseanalysator
102 zu lenken. Der Masseanalysator
102 von verschiedenen Ausführungsbeispielen, der nachfolgend beschrieben ist, kann derart sein, wie in der
US 2011/0180702 A1 beschrieben ist, und modifiziert sein, um Ionen von dem Impulsgeber zu empfangen, wie in Verbindung mit den nachfolgenden darstellenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Es wird betont, dass dies nur darstellend ist und andere Masseanalysatoren zur Verwendung in Verbindung mit dem Massenspektrometer der darstellenden Ausführungsbeispiele denkbar sind. Zum Beispiel kann der Masseanalysator
102 so sein, wie in Verbindung mit der
US 2010/0243886 A1 beschrieben ist, auf die oben Bezug genommen wurde, und modifiziert sein, um Ionen von dem Impulsgeber zu empfangen, wie in Verbindung mit den nachfolgenden, darstellenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
-
Gemäß den vorliegenden Lehren stammt das Analytenmaterial aus der kontinuierlichen Elution, ausgegeben aus einer Chromatographiesäule (nicht gezeigt). Das Analytenmaterial wird zuerst durch eine der vielen Techniken ionisiert, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, wie z. B., aber nicht begrenzt auf, Elektrosprayionisierung, Elektronenstoßionisierung, Photoionisierung oder chemische Ionisierung. Der resultierende Analytenionenstrahl ist üblicherweise abhängig von Querschnitt, Winkelverteilung, Energieverteilung und Fragmentierungszustand, unter Verwendung von Techniken, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Dies ergibt einen Niedrigenergieionenstrahl, der schnittstellenmäßig mit dem Masseanalysator 102 verbunden ist, mit seiner Anforderung nach diskontinuierlichen Eingangspulsen von Analytenionen (die nachfolgend als „Ionenpaket” bezeichnet werden).
-
2A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Masseanalysators 102 gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Der Masseanalysator 102 weist eine zentrale oder Mittel-Linse 201 und ringförmige Elektroden 202 auf. Die Mittellinse 201 weist eine Innenelektrode 203, Zwischenelektrode 204 und Außenelektrode 205 auf.
-
Die Innenelektrode
203, Zwischenelektrode
204 und ringförmige Elektroden
202 sind auf darstellende Weise konzentrisch um die Symmetrieachse
206 (entlang der z-Achse in dem Koordinatensystem, das in
2A gezeigt ist). Wie in der
US 2011/0180702 A1 beschrieben ist, wird mit einer selektiven Anlegung von Spannungen an die Elektroden der Mittellinse
201 und der ringförmigen Elektroden
202 ein zylindrisch symmetrisches, ringförmiges elektrisches Feld eingerichtet, das eine ringförmige, radial fokussierende Mittellinsenregion aufweist („Mittellinsenregion” nachfolgend gezeigt in
2A), die die Symmetrieachse
206 umgibt, eine ringförmige Spiegelregion, die die Mittellinsenregion umgibt, und einen feldfreien Raum (nachfolgend in
2A gezeigt) zwischen der Mittellinse
201 und den ringförmigen Elektroden
202.
-
Alternativ führt unter Verwendung der Elektrodenstruktur, die in der
US 2010/0243886 A1 beschrieben ist, das selektive Anlegen von Spannungen an Elektroden zu der Erzeugung eines zylindrisch symmetrischen, kreisförmigen, elektrischen Feldes, das eine zylindrische Mittelregion (nicht gezeigt) umgibt. Das elektrische Feld weist eine ringförmige, axial fokussierende Linsenregion auf, die die Mittelregion umgibt, und eine ringförmige Spiegelregion, die die Linsenregion umgibt.
-
Eine Öffnung 207 ist in der Außenelektrode 205 bereitgestellt. Die Öffnung 207 erlaubt, dass sich ein Paket aus Ionen („Ionenpaket”) 211 von einem Impulsgeber 208 in den Masseanalysator 102 bewegt und hin zu der Mittellinse 201 und in das elektrische Feld gelenkt wird, das in dem Masseanalysator 102 erzeugt ist.
-
Wie nachfolgend umfassender beschrieben wird, ist der Impulsgeber 208 genauer gesagt ein so genannter Wiley-McLaren (W-M) Impulsgeber. Der Impulsgeber 208 ist in der Nähe der radialen Mitte des Masseanalysators positioniert und über der oberen planaren Oberfläche des Masseanalysators 102, wie in der Querschnittsansicht von 2D und der Draufsicht von 2E dargestellt ist. Der Impulsgeber 208 ist genauer gesagt zylindrisch geformt und weist zwei „Gitter” (grating) auf, die parallel zu einer elektrisch leitfähigen Trägerplatte („backing plate”) 209 angeordnet sind, die in 2D und 2E gezeigt ist. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel weisen die Gitter des Impulsgebers 208 zwei Sätze aus parallelen, elektrisch leitenden Drähten auf. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, werden Spannungspulse an die Gitter des Impulsgebers 208 angelegt, auf eine Weise, die einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, um ein Ionenpaket 211 in einer Richtung ungefähr orthogonal zu der Einfallsrichtung des Niedrigenergieionenstrahls zu lenken, wie in 2D und 2E gezeigt ist. Der Impulsgeber 208 ist orientiert, um die Anfangsgeschwindigkeit des Niedrigenergieionenstrahls 210 zu berücksichtigen, durch Drehung des Impulsgebers 208 um eine Achse parallel zu der Symmetrieachse 206 um einen Betrag gleich dem natürlichen Winkel, der nachfolgend beschrieben wird, und in 2E gezeigt ist. Ferner ist der Impulsgeber 208 ausgerichtet, um das Ionenpaket 211 durch die Öffnung 207 in den Masseanalysator 102 zu lenken, wie in 2D gezeigt ist.
-
Nachdem das Ionenpaket
211 durch die Öffnung
207 gelenkt wurde und in den Masseanalysator
102 eintritt, wird das Ionenpaket
211 durch einen Einzelstufenionenspiegel
212 („Ionenspiegel”; ion mirror) reflektiert, der aus einem einzelnen „Gitter” (grating) besteht (bestehend aus einem Satz aus parallelen Drähten), parallel zu einer leitfähigen Trägerplatte angeordnet und Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Der Ionenspiegel
212 reflektiert das Ionenpaket in die Symmetrieebene des Masseanalysators
102, wie in
2D und
2E gezeigt ist. Der Ort des Ionenspiegels
212 ist vorteilhaft ausgewählt, um mit der Nenn-Ionenquellenposition zusammenzufallen, wie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart ist, und ist ausgerichtet, um die Ablenkung des Ionenpakets
211 entlang der Richtung der Eingangsionenquelle zu bewirken, wie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart wurde.
-
2B zeigt das Massenspektrometer
200, wobei die Elektrodenstruktur des Masseanalysators
102 entfernt ist, sodass die komplette Flugbahn der Ionen von dem Niedrigenergiestrahl zu dem Ionendetektor
103 ohne Weiteres ersichtlich ist. Der Niedrigenergieionenstrahl
210 wird zu dem Impulsgeber
208 gelenkt, aus dem das Ionenpaket
211 austritt. Das Ionenpaket
211 verläuft durch die Öffnung
207 (in
2B nicht gezeigt) und fällt auf den Ionenspiegel
212 ein. Das Ionenpaket
211 wird durch den Ionenspiegel
212 entlang der Symmetrieebene des Masseanalysators gelenkt. Das Ionenpaket
211 folgt dann der „präzedierenden elliptischen Umlaufbahn” des Masseanalysators
102, wie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart wurde, bis zu ihrem nachfolgenden Ende an dem Ionendetektor
103.
-
Der Impulsgeber 208 ist orientiert, um die Anfangsgeschwindigkeit des Niedrigenergieionenstrahls 210 zu berücksichtigen (entlang der y-Achse bei dem Koordinatensystem, gezeigt in 2B), durch Drehen des Impulsgebers 208 um einen Betrag gleich dem natürlichen Winkel (Θn), was nachfolgend beschrieben wird. Zusätzlich dazu wird der Impulsgeber 208 gedreht, um das Ionenpaket 211 durch die Öffnung 207 zu lenken und bei einem im Wesentlichen normalen Einfall zu der Ebene des Einzeldrahtgitters 213 des Ionenspiegels. Der Ionenspiegel 212 wird gedreht, um eine richtige Richtung des Ionenpakets 211 sicherzustellen, das von demselben und hin zu der radialen Mitte des Masseanalysators 102 reflektiert wird.
-
Das elektrische Feld, das in dem Masseanalysator 102 eingerichtet ist, verursacht, dass das Ionenpaket 211, das durch den Ionenspiegel 212 reflektiert wird, eine Anzahl von elliptischen Bahnen bzw. Orbits 214 in einer Flugbahn ausführt, die sich von dem Ionenspiegel zu dem Ionendetektor 103 erstreckt (nicht gezeigt in 2B). Wie in 2B gezeigt ist, präzedieren die Ionen des Ionenpakets 211 in elliptischen Umlaufbahnen 214 und fallen nach einer bestimmten Anzahl von ausgeführten Umlaufbahnen (z. B. zehn) auf den Ionendetektor 103 ein. Insbesondere sind die Umlaufbahnen 214, die durch die Ionen ausgeführt werden, als „elliptisch” beschrieben, um die Beschreibung zu vereinfachen. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das zylindrisch symmetrische, ringförmige elektrische Feld, das in dem Masseanalysator 102 eingerichtet ist, Eigenschaften auf, die verursachen, dass die Ionen Umlaufbahnen ausführen, die Ellipsen ziemlich ähneln. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist das elektrische Feld, das in dem Masseanalysator 102 eingerichtet ist, Eigenschaften auf, die verursachen, dass die Ionen Umlaufbahnen ausführen, die wesentlich von der Elliptischen abweichen, insbesondere in den Umkehrregionen, wo die radiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors, der die Bewegungsrichtung der Ionen entlang der Umlaufbahn darstellt, das Vorzeichen wechselt, d. h. von radial auswärts nach radial einwärts.
-
2C zeigt eine Draufsicht des Masseanalysators 102. Der Masseanalysator 102 weist eine Mittellinse 201 und ringförmige Elektroden 202 auf. Die Mittellinse 201 weist eine Innenelektrode 203, Zwischenelektrode 204 und Außenelektrode 205 auf. Der Impulsgeber 208 (in 2C nicht gezeigt) ist über und versetzt von der Mittellinse 201 angeordnet. Der Niedrigenergieionenstrahl 210 (in 2C nicht gezeigt) bewegt sich parallel zu der Symmetrieebene des Masseanalysators 102 und fällt auf den Impulsgeber 208 ein. Der Impulsgeber 208 richtet das Ionenpaket 211 (in 2C nicht gezeigt) auf die Öffnung 207, die in der Außenelektrode 205 vorgesehen ist. Das Ionenpaket 211 verläuft durch die Öffnung 207 und wird durch den Ionenspiegel 212 hin zu der Symmetrieachse 206 reflektiert, wie oben beschrieben ist.
-
2D ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Masseanalysators, gezeigt in
2C entlang der Abschnittslinie 2C-2C. Der Impulsgeber
208 empfangt den Niedrigenergieionenstrahl
210 und lenkt das Ionenpaket
211 durch die Öffnung
207 und hin zu dem Ionenspiegel
212, der in einer feldfreien Region
216 des Masseanalysators
102 positioniert ist. Das Ionenpaket
211 wird durch den Ionenspiegel
212 in der Symmetrieebene (x-y-Ebene in dem Koordinatensystem von
2D) des Masseanalysators
102 hin zu der Mittellinsenregion
215 des Masseanalysators
102 reflektiert. Insbesondere ist der Ionenspiegel
212 an der gewünschten, effektiven „Ionenquelle”-Position innerhalb des Masseanalysators
102 positioniert (z. B. an der Ionenquellenposition der
US 2010/0243886 A1 angeordnet, auf die Bezug genommen wurde). Der Ionenspiegel
212 ist gedreht, um das Ionenpaket
211 in der Ebene des Masseanalysators
102 zu lenken (x-y-Ebene des Koordinatensystems, gezeigt in
2D). Ferner ist der Ionenspiegel
212 so positioniert, dass das Ionenpaket
211 durch die Mittellinse
201 an der optimalen, radialen Distanz passiert, wie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart ist, auf die Bezug genommen wurde.
-
2E zeigt eine Draufsicht des Masseanalysators 102. Der Masseanalysator 102 weist eine Mittellinse 201 und ringförmige Elektroden 202 auf. Die Mittellinse 201 weist eine Innenelektrode 203, Zwischenelektrode 204 und Außenelektrode 205 auf. Der Impulsgeber 208 ist über (entlang der Symmetrieachse 206) und versetzt von der Mittellinse 201 angeordnet. Der Niedrigenergieionenstrahl 210 bewegt sich parallel zu der Symmetrieebene des Masseanalysators 102 (x-y-Ebene des Koordinatensystems, gezeigt in 2E) und fällt auf den Impulsgeber 208 ein. Der Impulsgeber 208 lenkt das Ionenpaket 211 hin zu der Öffnung 207, die in der Außenelektrode 205 vorgesehen ist. Das Ionenpaket 211 verläuft durch die Öffnung 207 und wird durch den Ionenspiegel 212 hin zu der Symmetrieachse 206 reflektiert, wie oben beschrieben ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, weist das Ionenpaket 211 eine Strahlenfront 217 auf, die relativ zu der Richtung der Bewegung des Ionenpakets 211 „geneigt” ist, und somit nicht senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Ionenpakets 211 ist.
-
3 ist eine vereinfachte, schematische Ansicht des Impulsgebers 208. Bei darstellenden Ausführungsbeispielen ist der Impulsgeber 208 ein W-M-Orthogonal-Ionenimpulsgeber und funktioniert als die Ionenquelle 101 des Massenspektrometers 100. Die Verwendung eines W-M-Orthogonal-Ionenimpulsgebers ist nur darstellend und andere Typen von gepulsten Ionenquellen sind denkbar. Im Allgemeinen ist die Ionenquelle 101 von darstellenden Ausführungsbeispielen konfiguriert, um einen (kontinuierlichen) Niedrigenergieionenstrahl (z. B. Niedrigenergieionenstrahl 210) entlang einer Einfallsrichtung zu empfangen und Ionenpakete (z. B. Ionenpaket 211) in einer Richtung ungefähr orthonormal zu der Einfallsrichtung des Niedrigenergieionenstrahls 210 bereitzustellen.
-
Der Niedrigenergieionenstrahl 210 wird an dem Impulsgeber 208 von der Ionisierungsquelle (nicht gezeigt) entlang der y-Richtung in dem Koordinatensystem empfangen, gezeigt in 3. Der Impulsgeber 208 weist eine Trägerplatte 209, ein erstes elektrisch leitfähiges Gitter („erstes Gitter”; first grating) 301 und ein zweites elektrisch leitfähiges Gitter („zweites Gitter”; second grating) 302 auf. Das erste Gitter 301 und das zweite Gitter 302 weisen jeweils eine Mehrzahl von parallelen, leitfähigen Drähten auf, wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die parallelen, leitfähigen Drähte in der Richtung senkrecht zu dem Niedrigenergieionenstrahl ausgerichtet. Der Grund für diese Ausrichtung ist der Folgende. Fachleuten auf dem Gebiet ist bekannt, dass Metallgitterdrähte Ionen ablenken können, wenn sie sich in direkter Nähe zu den Drähten bewegen. Diese Ablenkungen treten nur in der Richtung normal zu der Ebene auf, die durch die Einfallsionenumlaufbahn und den Gitterdraht (grid wire) definiert ist. Somit schränkt die oben spezifizierte Gitterdrahtausrichtung die Ionenablenkung ein, um senkrecht zu der Ebene zu sein, die durch die Ionenumlaufbahn und die Symmetrieachse des Masseanalysators definiert ist, wie in 2D gezeigt ist. Wie nachfolgend gezeigt ist, hat dies wesentliche Vorteile für das Verhalten des Masseanalysators. Zusätzlich dazu und aus denselben Gründen wird darauf hingewiesen, dass das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Ionenspiegels 212 seine Gitterdrähte parallel zu der Ebene ausgerichtet hat, die durch die Umlaufbahn des Ionenpakets, das auf den Ionenspiegel einfällt, und die Symmetrieachse 206 des Masseanalysators 102 definiert ist.
-
Der Niedrigenergieionenstrahl 210 wird entlang der y-Achse des Koordinatensystems von 3 und zwischen der Trägerplatte 209 und dem ersten Gitter 301 gelenkt. Die Trägerplatte 209 und das erste Gitter 301 werden bei einer Nullspannungsdifferenz im Hinblick auf den Niedrigenergieionenstrahl 210 gehalten (d. h. V0 = 0, V1 = 0). Das zweite Gitter 302 wird bei einer großen negativen (für positive Ionen) Spannung (V2) gehalten, was die gewünschte Energie des Ionenpakets 211 darstellt, das in den Masseanalysator 102 durch die Öffnung 207 eintritt. Wenn der Niedrigenergieionenstrahl 210 durch die Region zwischen der Trägerplatte 209 und dem ersten Gitter 301 passiert, wird die Spannung V1, die an das erste Gitter 301 angelegt ist, schnell auf einen Wert zwischen V0 und V2 gepulst, wodurch verursacht wird, dass ein Ionenpaket 211 in einer Richtung nominal orthonormal zu der Originalrichtung des Niedrigenergieionenstrahls 210 ausgestoßen wird. Die Spannung V1 kehrt zu null zurück, bis ein anderes Ionenpaket 211 von dem Masseanalysator 102 benötigt wird. Aufgrund der Anfangsgeschwindigkeit der Niedrigenergieionen entlang der y-Richtung in dem Koordinatensystem, gezeigt in 3 jedoch, bewegt sich das Ionenpaket 211 in einer Richtung, die von einer Richtung normal zu dem zweiten Gitter 302 abweicht, aufgrund der Geschwindigkeit ungleich null des Niedrigenergiestrahls. Dieser Winkel ist üblicherweise klein (< 5 Grad), aufgrund des großen Verhältnisses der End- und Anfangsstrahlenergie und wird üblicherweise als der natürliche Winkel Θn bezeichnet.
-
Der Ursprung des natürlichen Winkels Θ
n ist die Tatsache, dass die Endgeschwindigkeiten des Ionenpakets
2011, beschleunigt durch den Impulsgeber
208, nicht senkrecht zu dem zweiten Gitter
302 des Impulsgebers
208 sind. Dies ist ein Ergebnis der Nicht-Null-Energie des Niedrigenergieionenstrahls
210, der in den Impulsgeber
208 eintritt, senkrecht zu der Richtung der Beschleunigung der Ionen des Niedrigenergieionenstrahls
210. Es kann gezeigt werden, dass der natürliche Winkel Θ
n gegeben ist durch:
wobei E
i die anfängliche kinetische Energie des Niedrigenergieionenstrahls
210 ist und E
0 die kinetische Energie des Ionenpakets
211 ist.
-
Die Strahlenfront
217 des Ionenpakets
211 ist parallel zu dem zweiten Gitter
302 und ist somit nicht senkrecht zu der Richtung
303 des Ionenpakets
211 nach der Beschleunigung durch den Impulsgeber
208. Dies führt zu einer Strahlenfrontneigung. Wie in
2D und
2E gezeigt ist, führt die genaue Orientierung des Impulsgebers
208 dazu, dass die Strahlenfrontneigung in der Symmetrieebene des Masseanalysators ist. Somit können die Auswirkungen der Strahlenfrontneigung vollständig durch eine entsprechende Drehung des Ionendetektors
103 in der Symmetrieebene des Masseanalysators
102 beseitigt werden. Wie in der
US 2010/0243886 A1 offenbart ist, auf die Bezug genommen wurde, ist die Neigung des Ionendetektors
103 bereits ein optimierter Parameter und muss nur eingestellt werden, um die Auswirkungen der Strahlenfrontneigung vollständig zu verringern.
-
Beispiel
-
Das folgende Beispiel ist gegeben, um bestimmte Aspekte von darstellenden Ausführungsbeispielen darzustellen und bestimmte Betrachtungen zu beschreiben, um physische Auswirkungen zu berücksichtigen, die dem Massenspektrometer 100 und den verschiedenen Komponenten zugeordnet sind. Das Beispiel ist darstellend und nicht einschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden Lehren.
-
4 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Masseanalysators gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. 4 zeigt die Positionierung und Orientierung des Impulsgebers bzw. Pulsgebers 208 und des Ionenspiegels 212 relativ zueinander und zu dem Masseanalysator 102. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das Einzeldrahtgitter 213 des Ionenspiegels an einem Radius (rs) von 175 mm von der radialen Mitte des Masseanalysators 102 positioniert. Die Beabstandung (H) zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen des Masseanalysators ist 48 mm. Die Trennung bzw. Beabstandung (rp) zwischen dem zweiten Gitter 302 des Impulsgebers 208 und des Einzeldrahtgitters 213 des Ionenspiegels ist 150 mm. Die Distanz (4) zwischen der oberen Oberfläche des Masseanalysators und dem Einfallspunkt des Niedrigenergieionenstrahls 210 an dem Impulsgeber 208 ist 14 mm. Der Winkel Θm zwischen der Einfallsrichtung des Ionenpakets 211 und der Normalen zu der Ebene des Einzeldrahtgitters 213 ist 7,1°. Genauer gesagt wurden die relativen Positionen des modifizierten Wiley-McLaren-Impulsgebers und des Ionenspiegels ausgewählt, um den Winkel Θm im Hinblick auf die Einschränkung zu minimieren, dass der Strahl des Ionenpakets 211 die obere Ebene des Masseanalysators 102 an der Öffnung 207 eine angemessene Distanz entfernt von der Mittellinsenregion kreuzt (> 50 mm).
-
Der Winkel Θm ist vorteilhafterweise minimiert, aufgrund von zwei Ionen-Optik-Aberrationen, die mit dem Winkel Θm wachsen. Diese Ionen-Optik-Aberrationen haben auf die folgenden zwei Weisen eine schädliche Auswirkung auf die Auflösung des Masseanalysators 102.
-
Die erste Auswirkung manifestiert sich in einer Zunahme der Größe des Ionenpakets 211, das durch den Ionenspiegel 212 reflektiert wird, aufgrund der Ausbreitung der Energien innerhalb des Strahls für einen Einfallswinkel ungleich null, wie durch 5 dargestellt ist.
-
Das Ionenpaket 211 ist mit Energien E0 und E0 + ΔE0 gezeigt, um eine Energieverbreiterung ΔE0 bereitzustellen. Diese Verbreiterung der Energie des Ionenpakets führt dazu, dass sich ein Abschnitt des Strahls tiefer in den Ionenspiegel bewegt, wie in 5 gezeigt ist.
-
Es kann gezeigt werden, dass die Strahldurchmesserzunahme Δd
b als eine Funktion des Einfallswinkels Θ
m gegeben ist durch:
wobei ΔE
0 die Energieverbreiterung des Ionenpakets
211 ist (z. B. 233,4 eV), d
mirr die Spiegeltiefe ist (z. B. 20,0 mm) und V
mirr die Spiegelspannung ist (z. B. V
mirr = 8.000 Volt). Für die darstellenden Parameter ist die Strahldurchmesserzunahme Δd
b ungefähr 0,29 mm. Der akzeptable Strahldurchmesser für den Masseanalysator
102, beschrieben in der
US 2010/0243886 A1 , ist in der Größenordnung von 1,0 mm. Als solches wird die Strahldurchmesserzunahme Δd
b vorteilhaft minimiert durch Minimieren des Einfallswinkels Θ
m.
-
Eine andere Ionen-Optik-Aberration, die eine nachteilhafte Auswirkung haben kann, ist ein Ergebnis einer Winkelverbreiterung für Ionen des Ionenpakets
211 mit einer im Wesentlichen gleichen Energie. Wie in
6 gezeigt ist, fällt das Ionenpaket
211 auf den Ionenspiegel
212 ein, wo der Einfallswinkel relativ zu der Normalen zu dem Einzeldrahtgitter
213 des Ionenpakets
211 mit derselben kinetischen Energie unterschiedlich ist. Diese zweite Ionen-Optik-Aberration führt dazu, dass Ionen derselben kinetischen Energie, die in den Ionenspiegel
212 bei unterschiedlichen Winkeln (Θ
1, Θ
2) relativ zu der Normalen zu dem Einzeldrahtgitter
213 eintreten, aus dem Ionenspiegel
212 nach unterschiedlichen Zeitverzögerungen (t
1, t
2) austreten, wie durch
6 gezeigt ist. Diese Wirkung wächst mit dem Einfallswinkel der Ionen, mit der Änderung der Zeitverzögerung, wobei der Einfallswinkel (Θ) gegeben ist durch:
wobei E
0 die kinetische Ionenenergie ist (z. B. 7.000 eV), t die Zeitverzögerung in dem Ionenspiegel
212 ist, Θ der Ionengeschwindigkeitswinkel im Hinblick auf die Normale zu dem Einzeldrahtgitter
213 des Ionenspiegels
212 ist und m die Masse des Ions ist (z. B. 1.000 amu). Unter Verwendung dieser Gleichung ist für eine Winkelverbreiterung von ±0,01° die Zeitverzögerungsverbreiterung ungefähr 0,1 ns. Da die typische Breite des Zeitpulses für den beispielhaften Masseanalysator
102, mit Ionen der Masse 1.000 amu, in der Größenordnung einer Nanosekunde ist, ist es deutlich, dass Θ
m vorteilhaft zu dem Ausmaß minimiert ist, der machbar ist, und die Winkelverbreiterung des Ionenpakets
211 sollte ebenfalls zu dem durchführbaren Ausmaß minimiert sein.
-
Eine andere Ionen-Optik-Aberration, die beim Lokalisieren und Orientieren verschiedener Komponenten des Massenspektrometers 100 berücksichtigt werden muss, bezieht sich auf die Orientierungen des ersten Gitters 301 und des zweiten Gitters 302 des Impulsgebers 208 und das Einzeldrahtgitter 213 des Ionenspiegels 212. Wie oben erwähnt wurde, weisen das erste Gitter 301 und das zweite Gitter 302 des Impulsgebers 208 und das Einzeldrahtgitter 213 jeweils eine Ebene aus parallelen, elektrisch leitfähigen Drähten auf, darstellend gezeigt als Drähte 701 in 7. Diese parallelen Ebenen aus Drähten 107 sind entworfen, um Regionen eines hohen elektrischen Feldes (innerhalb des Ioneren des Impulsgebers und Spiegels) von der elektrischen Feldregion mit nominal null zwischen den entsprechenden Komponenten elektrisch zu trennen. Der Abstand und die Durchmesser der Drähte 701 sind ausgewählt, um eine geeignete Ionenübertragung bereitzustellen, während eine geeignete elektrische Feldisolation beibehalten wird, wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist.
-
Eine exemplarische Drahtgitterstruktur, die in dieser Offenbarung verwendet wird, setzt Drähte
701 eines Radius 0,0125 mm ein, mit einer Mitte-zu-Mitte-Beabstandung („a”) von 0,25 mm. Diese Struktur ergibt eine geeignete Feldbegrenzung und weist einen physischen Transparenzfaktor von 0,95 (Verhältnis von offen zu Gesamtgitterbereich) auf. Eine Folge davon jedoch, dass das Drahtgitter in der Bahn der Ionenumlaufbahnen ist, ist dass die Ionen des Ionenpakets
211 von den Drähten
701 verstreut werden, was zu einer zusätzlichen Winkeldivergenz bei dem resultierenden Ionenstrahl führt, gezeigt bei
702 in
7. Die Streuung der Ionen des Ionenpakets
211 kann beträchtlich sein und muss für die vorliegende Struktur analysiert werden. Einfache Berechnungen zeigen, dass der maximale Abweichungswinkel (in Radian), induziert durch eine Drahtgitterstreuung, gegeben ist durch:
wobei q die Ionenladung ist, ε
0 das elektrische Feld innerhalb des Gitter-eingeschlossenen Volumens, „a” die Drahtbeabstandung ist und E
0 die Energie der Ionen des Ionenpakets
211 ist. Für die exemplarischen Strukturen, die hierin offenbart sind, ergibt die Gitterstreuung von dem Ionenspiegel
-
Die Gitterstreuung von dem Impulsgeber
208 ergibt:
-
Die Streuung 702 tritt nur in der Ebene senkrecht zu den Drähten auf, die die Drahtebene aufweist (d. h. die y-Abmessung von 7). Diese Streuungsasymmetrie muss in den Gesamtentwurf des Impulsgebers 208 und des Ionenspiegels 212 berücksichtigt werden. Wie oben beschrieben ist, führt eine Winkeldivergenz bei dem Ionenpaket 211 entlang der axialen Abmessung (z-Richtung in 2D) des Masseanalysators 102 zu einer Verbreiterung bei den Zeitverzögerungen bei dem Ionenspiegel 212, wie in 6 gezeigt ist. Wie oben gezeigt wurde, kann die Winkelverbreiterung von ±0,01° bei dieser Dimension zu einer Zeitverbreiterung von 0,1 ns der Ionen des Ionenpakets 211 führen, wobei die Zeitverbreiterungsskalierung ungefähr linear zu der Winkelverbreiterung ist. Daher, wenn die Auswirkungen der Gitterstreuung aufgrund des ersten und des zweiten Gitters 301, 302 des Impulsgebers 208 oder des Einzeldrahtgitters 213 des Ionenspiegels 212 in der axialen Abmessung bzw. Dimension wären, würden die Ionen des Ionenpakets 211 eine zusätzliche induzierte Zeitverbreiterung (time spread) von 1,3 ns bzw. 2,0 ns aufweisen. Jeder dieser Beiträge zu der Ionenstrahl-Zeit-Pulsbreite würde zu einer inakzeptablen Verschlechterung bei der Auflösung des Masseanalysators 102 führen.
-
Um die Verschlechterung bei der Auflösung des Masseanalysators 102 zu verhindern, müssen die entsprechenden Ebenen von parallelen Drähten des ersten und zweiten Gitters 301, 302 des Impulsgebers 208 vorteilhaft ausgerichtet sein. Genauer gesagt müssen die Drähte 701 der Gitter des Impulsgebers 208 parallel zu der Ebene sein, die durch die ausgehende Umlaufbahn des Ionenpakets 211 und die Symmetrieachse 206 des Masseanalysators 102 gebildet wird. Auf diese Weise weist die Winkeldivergenz bei dem Ionenpaket 211, induziert durch Streuen von den Drähten 701 des Impulsgebers 208, keine Geschwindigkeitskomponente in der axialen Dimension auf und somit keine nachteilhafte Wirkung auf die Auflösung des Masseanalysators 102, wie oben beschrieben ist. Auf ähnliche Weise müssen die Drähte 701 des Gitters des Ionenspiegels 212 ebenfalls parallel zu der Ebene sein, die durch die Umlaufbahn des Ionenpakets 211 und die Symmetrieachse 206 von 2D gebildet ist. Auf diese Weise weist die Winkeldivergenz bei dem Ionenpaket 211, induziert durch Streuen von den Gitterdrähten des Ionenspiegels 212, keine Geschwindigkeitskomponente in der axialen Dimension auf und somit keine nachteilhafte Wirkung auf die Analysatorauflösung, wie oben beschrieben ist.
-
Während hierin beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart sind, wird ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen, dass viele Variationen gemäß den vorliegenden Lehren möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Die Erfindung ist daher nicht eingeschränkt, außer innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche.
