DE102012211593B4

DE102012211593B4 - Linsenfreie Stoßzelle mit verbesserter Effizienz

Info

Publication number: DE102012211593B4
Application number: DE102012211593.5A
Authority: DE
Inventors: Roy P. Moeller; Urs Steiner; Felician Muntean; Thinh HA
Original assignee: Bruker Daltonics Inc
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CA2782935C; US20130015349A1; GB201212349D0; GB2492893A; SG187341A1; US8481929B2; CA2782935A1; GB2492893B; DE102012211593A1

Abstract

Eine Multipol-Ionenstoßzelle (260), aufweisend: eine Isolierplatte (365; 465) mit zwei Seiten; eine Mehrzahl länglicher leitender Elemente (361–364; 461–464), die entlang ihrer Länge auf der gleichen Seite der Isolierplatte (365; 465) angebracht sind, so dass die Ausrichtung aller Elemente (361–364; 461–464) auf eine einzige Ebene bezogen ist, wobei der Querschnitt jedes länglichen leitenden Elements (361–364; 461–464) so konfiguriert ist, dass an dessen Abschluss eine Elektrodenfläche (367) des jeweiligen Elements (361–364; 461–464) entsteht, derart, dass die Elektrodenflächen (367) aller Elemente (361–364; 461–464) gemeinsam einen Multipol-Ionentransporttunnel (260) bilden; außerdem aufweisend einen Gaseinlass (372) zum Einleiten von Gas in den Ionentransporttunnel, so dass Ionen im Ionentransporttunnel mit Molekülen des eingeleiteten Gases kollidieren.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet von Massenspektrometern und insbesondere auf ein Spektrometer zur Massenanalyse und Methoden zur Herstellung einer linsenfreien Stoßzelle. In der Technik sind verschiedene Massenspektrometer bekannt. Ein Beispiel für ein Multipol-Massenspektrometer nach Stand der Technik ist in dargestellt. Als Beispiel für ein Massenspektrometer zeigt zur Vereinfachung der Beschreibung einen Quadrupol-Massenanalysator. Ausführungsformen der Erfindung können aber auch in anderen Massenanalysatortypen umgesetzt werden (Hexapol, Oktopol usw.). In dem Massenspektrometer in werden die Probemoleküle durch einen Injektor 105 in eine Ionisationskammer 110 eingeleitet, die die Moleküle ionisiert und so als Ionenquelle 110 fungiert. Ionen aus der Ionenquelle 110 werden über eine Ionenführung oder Übertragungsoptik 115, die von einem Spannungsgenerator 120 angesteuert wird, fokussiert und in den Massenanalysator 125 überführt. Der Betrieb eines Massenspektrometers ist Fachleuten auf dem Gebiet bekannt.
Eine Ionenstoßzelle wird in Massenspektrometer unterschiedlicher Ausformungen integriert, wie z. B. das in beschriebene dreifache Quadrupol-Massenspektrometer-Instrument. Die Funktion einer Stoßzelle besteht darin, die in der Ionenquelle generierten Ionen abzuwandeln, indem eine Stoßfragmentierung oder Reaktion der Ionen mit anderen Molekülen bewirkt wird. In beiden Fällen wird ein Elternion aus der Ionenquelle für einen bestimmen Zeitraum in einen Bereich mit höherem Druck eingeführt. Ein speziell ausgewähltes Gas, wie z. B. Argon, Stickstoff oder Helium, wird in den Hochdruckbereich der Stoßzelle eingeleitet, so dass die Ionen mit Molekülen des eingeleiteten Gases kollidieren. Die aus der Stoßfragmentierung oder Reaktion resultierenden Tochterionen sind dann in der Stoßzelle vorhanden und werden von einem anderen Massenanalysator analysiert und zum Detektor weitergeleitet.
Die Stoß- oder Reaktionsenergie kann über die Anfangsgeschwindigkeit des Mutterions, Größe und Typ der Stoßgasmoleküle sowie die Anzahl der stattfindenden Stöße geändert werden. Die Anzahl der Stöße richtet sich nach dem Gasdruck und der Reaktionszeit. Wenn ein Mutterion auf ein Stoßgasmolekül trifft, ändert sich seine Flugstrecke. Daher sind die meisten Zellen um Multipol-Strukturen herum gebaut, die ein HF-Feld zum Fokussieren von Ionen einschließen.
Der hohe Druck in der Stoßzelle muss genau gesteuert werden, während der übrige Innenraum des Massenspektrometers im Vakuum zu halten ist. Es kann jedoch Gas aus der Stoßzelle durch deren Ein- und Ausgänge für die Ionen in das Massenspektrometer austreten. Zellen nach Stand der Technik haben am Ein- und Ausgang Dichtungen, um Gasaustritte zu reduzieren. Doch für Hochleistungszellen sind solche Dichtungen nicht immer ausreichend. Weitere Informationen sind dem US-amerikanischen Patent 6,576,897 B1 zu entnehmen.
Die Patentschrift US 5,559,327 A offenbart die Montage jeweils zweier Elektroden einer Quadrupol-Anordnung mit hyperbolischen Polelektroden in einem kreisförmigen Massenspektrometer auf unterschiedlichen Seiten einer Trägerplatte.
Die Offenlegungsschrift DE 197 03 081 A1 beschreibt einen röhrenförmigen, zylindrischen Hauptkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, welcher ein sternartiges Querschnittsprofil mit Einbuchtungen, auf die innenseitig Elektroden aufgedampft sind, und Ausbuchtungen, die die aufgedampften Elektroden voneinander trennt, aufweist.
Die Patentschrift US 7,012,250 B1 zeigt mit Elektroden bewehrte Isolierplatten, die über auf einem Wafer angebrachte ”Scharniere” in ihrer Rotationsausrichtung verändert werden können.
Die Veröffentlichung US 2009/0206250 A1 zeigt zwei gegenüberliegende Isolierplatten mit jeweils darauf angebrachten Elektroden.
Die Veröffentlichung WO 2011/081188 A1 zeigt in eine U-förmige Trägerstruktur, wobei an den beiden Schenkeln des ”U” innenseitig jeweils zwei, insgesamt vier, Elektroden befestigt sind.
Die Patentanmeldung JP 07-073999 A offenbart eine Anordnung, in der zwei E-förmige Halter insgesamt sechs Elektroden, die zwei Quadrupole bilden, gegenüber einer Grundplatte abstützen.
Dementsprechend wird noch eine verbesserte, effektive Stoßzelle benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG
In der folgenden Zusammenfassung werden einige Aspekte und Merkmale der Offenlegung zum grundlegenden Verständnis erläutert. Diese Zusammenfassung liefert keinen umfassenden Überblick über die Erfindung und soll daher insbesondere auch keine entscheidenden oder kritischen Elemente der Erfindung beschreiben oder den Umfang der Erfindung begrenzen. Ihr einziger Zweck besteht darin, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als Einleitung zu der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu präsentieren.
Ausführungsformen der Erfindung behandeln die Probleme des Stands der Technik und ermöglichen eine vereinfachte Herstellung einer Stoßzelle, die Gasaustritte reduziert und die Ausrichtung der Zellenpole verbessert. Gemäß offengelegten Ausführungsformen weist die Zelle vier längliche Halbkreisprofil-Elemente auf, die alle entlang ihrer Länge auf derselben Bezugsplatte angebracht sind. Dadurch bleiben alle vier Elemente zur selben Bezugsplatte ausgerichtet. Die vier Elemente bilden einen halbkreisförmigen Kanal mit halbkreisförmigen Quad-Elektroden. An die Quad-Elektroden wird ein elektrisches Potential angelegt, so dass sie das erforderliche Feld erzeugen, um die Ionen in der Mitte des Kanals, d. h. in der Mitte der Transportachse der Stoßzelle, zu halten. An allen Seiten des Kanals sind halbkreisförmige Isolatoren vorgesehen, die den Kanal nahezu entlang seiner gesamten Länge zum Inneren des Massenspektrometers hin abdichten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung sind der detaillierten Beschreibung zu entnehmen, die sich auf folgende Zeichnungen bezieht. Es sei darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen verschiedene, nicht einschränkende Beispiele verschiedener Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, die durch die beigefügten Anhänge festgelegt wird.
ist ein Prinzipbild eines Quadrupol-Massenspektrometers, das zur Implementierung einer Ausführungsform der Erfindung angepasst werden kann.
ist ein Prinzipbild eines Ionenmassenanalysators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
–b sind Querschnitte der in dargestellten Stoßzelle gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
ist eine Explosionsansicht der in dargestellten Stoßzelle gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hier offengelegten Ausführungsformen stellen eine Stoßzelle für einen Massenanalysator bereit. Die präsentierte Zelle ist einfacher und kostengünstig in der Herstellung, wobei eine genaue Ausrichtung der Feldpole und ein hocheffizientes Druckmanagement erhalten bleiben. Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf einen Quadrupol, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die offengelegten Merkmale auch für die Herstellung anderer Multipol-Stoßzellen (z. B. Hexapol, Oktopol usw.) zutreffend sind. Die gemäß Ausführungsformen der Erfindung hergestellte Stoßzelle kann in jedem Massenspektrometertyp eingesetzt werden, in dem Kollisionen der Ionen mit Gassorten bewirkt werden.
Nachfolgend werden die Details einer Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. zeigt Teile eines Massenspektrometers, die für die Stoßzelle relevant sind. Verschiedene Ionen gelangen aus der Ionenquelle in den Massenanalysator 225 und werden nach ihrem Massen-zu-Ladungsverhältnis m/z getrennt, so dass nur ausgewählte Ionen mit dem gewünschten m/z den Massenanalysator 225 verlassen. Die ausgewählten Ionen strömen dann in die Stoßzelle 260. In dieser Ausführungsform ist keine Linse zwischen dem Massenanalysator 225 und der Stoßzelle 260 vorhanden. In der Stoßzelle 260 gelangen die Ionen in einen Bereich, in den unter erhöhtem Druck stehendes Gas eingeleitet wurde, d. h. dessen Druck über dem im Massenanalysator herrschenden Vakuum liegt. Die Ionen kollidieren mit den Gassorten, so dass Ionen die Stoßzelle 260 verlassen und in den zweiten Massenanalysator 227 gelangen. Nach Verlassen des Massenanalysators 227 können die Ionen in einem Detektor (nicht abgebildet) ankommen.
Die Stoßzelle 260 besteht aus vier halbkreisförmigen leitenden Elementen, die das für den Ionentransport erforderliche Feld erzeugen. Die vier Elemente bestehen aus einem leitenden Material und sind an einer gemeinsamen Isolierplatte befestigt, so dass ihre Ausrichtung auf eine einzige Ebene bezogen ist. Dies gewährleistet bei der Herstellung und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen eine genaue Ausrichtung der Pole.
zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in . Jede der Elektroden 361–364 der Quad-Stoßzelle besteht aus einem halbkreisförmigen leitenden Element mit einem Profil, dessen Abschluss die Elektrodenfläche 367 des Quad bildet. Alle vier Elemente 361–364 sind entlang ihrer Länge an der Isolierplatte 365 befestigt, wie hier zum Beispiel durch Bolzen 370 veranschaulicht. Dadurch haben alle Quad-Elemente eine gemeinsame Bezugsfläche zum Ausrichten der Quad-Elektrodenflächen. Dies gewährleistet eine korrekte Ausrichtung der Baugruppe.
Außerdem sind in der dargestellten Ausführungsform Gasdichtungen vorhanden, die das eingeleitete Gas in dem durch die Elektroden definierten Raum (d. h. rund um die Ionentransportachse) einschließen. Wie der Querschnitt in zeigt, sind vier längliche Dichtungen um die Quad-Elektroden angeordnet, zwei vertikale Dichtungen 366 und zwei horizontale Dichtungen 368. Zusammen erzeugen die vier Dichtungen einen dichten Tunnel um die Ionentransportachse. Dadurch bleibt das eingeleitete Gas im Ionentransporttunnel eingeschlossen. Außerdem sind dadurch keine Dichtungen an den Enden erforderlich, was nach Stand der Technik der Fall ist. Da das eingeleitete Gas in dem kleinen Bereich im Ionentransporttunnel gehalten wird, muss sehr wenig Gas eingeleitet werden, wodurch sich das eingeleitete Gas in der Regel auf den Einleitungsbereich konzentriert und sein Druck zu den Rändern der Stoßzelle hin langsam abnimmt. Das Gas wird über den Einlass 372 eingeleitet.
Die Ausführungsform in zeigt die Anordnung einer Quad-Elektrode, wobei jedes der vier Elemente 361–364 ein Profil hat, das eine Elektrode des Quads bildet. Jede Elektrode ist von ihrer Nachbarelektrode durch einen Zwischenraum getrennt, der in (einer ähnlichen Ausführungsform) als Abstand „g” dargestellt ist. In dieser Ausführungsform ist jede der vier länglichen Dichtungen 366 und 368 hinter einem der Zwischenräume platziert, und zwar mit einem Abstand, der hier als „d” dargestellt ist und größer als der Zwischenraumabstand g ist. Außerdem hat jede der Dichtungen 366 und 368 die Form eines dünnen Streifens. Jeder dieser dünnen Streifen ist senkrecht zwischen zwei Elektroden eingefügt. Dies minimiert die Kapazität zwischen den benachbarten Elektroden. D. h. da die Dichtungen die Form eines dünnen Streifens haben, der senkrecht zur Fläche der Elektroden ausgerichtet ist, wirken sie nicht als Dielektrikum für Störkapazitäten, die zwischen zwei Elektroden vorhanden sein können.
Da die länglichen Dichtungen ein Stück hinter den Elektrodenflächen platziert sind, wird das injizierte Gas im Bereich des Quad-Felds gehalten. Dadurch kann die Gasströmung reduziert werden, ohne die Kollisionsrate zu ändern. Gasaustritte aus der Stoßzelle sind folglich minimal. Dementsprechend erfordert die Ausführungsform in im Gegensatz zum Stand der Technik keine vor- und/oder nachgeschalteten Abpumpbereiche. D. h. in der Ausführungsform in wird das Gas in der Mitte der halbkreisförmigen Stoßzelle eingeleitet, so dass der Druck in der Mitte der Stoßzelle am höchsten ist und zum Ein- und Ausgang hin langsam abnimmt. Es gibt keine definierten Bereiche mit hohem oder niedrigem Druck. Andererseits ermöglicht diese Ausformung eine frühe Kollision der Ionen mit dem eingeschossenen Gas, so dass die Ionenenergie beim Eintreten der Ionen in die Stoßzelle geringer ist. Umgekehrt verbessern frühe Kollisionen auch die Stoßfokussierung, wodurch die Ionenverluste in dem vorgeschalteten Abpumpbereich nach Stand der Technik hier reduziert sind. Außerdem kann der Massenanalysator dichter am Ein- und Ausgang der Stoßzelle platziert werden, weil weniger Gas aus der Stoßzelle austritt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die gemeinsame Ebene, auf der alle Elemente befestigt sind, eine Keramikplatte, auf der sich alle elektrischen Elemente, Schaltkreise und Anschlüsse befinden. In anderen Ausführungsformen kann die Platte eine Leiterplatte sein, die alle elektrischen Anschlüsse enthält. Bei allen Anordnungen ist keine Verdrahtung für die Stoßzelle erforderlich. Die elektrischen Anschlüsse der Elemente können mit Federkontaktstiften realisiert werden, die ebenfalls keine Verdrahtung erfordern.
ist eine Explosionsansicht der in dargestellten Stoßzelle gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die vier Pole 461–464 werden mit der Isolierplatte 465 verbunden. Eine innere vertikale Dichtung 466i und eine äußere vertikale Dichtung 466o werden zusammen mit horizontalen Dichtungen 468 eingebaut, so dass ein dichter Transporttunnel um die vier Flächen der Pole entsteht, die das elektrische Feld erzeugen. In dieser Ausführungsform hat die Baugruppe eine optionale obere Abdeckplatte 470.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine spezielle Ausführungsform der Erfindung. Die Erfindung kann jedoch auch mit anderen Ausführungsformen implementiert werden, um die gleichen Verbesserungen und Merkmale zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Prozesse und Techniken an keine spezielle Gerätschaft gebunden sind und durch jede geeignete Kombination von Komponenten implementiert werden können. Außerdem können verschiedene Universalgerätetypen gemäß den hier beschriebenen Lehren verwendet werden. Es kann sich auch als vorteilhaft erweisen, spezielle Gerätschaften zu bauen, um die hier beschriebenen Schritte der Methode auszuführen.
Vorliegende Erfindung wurde anhand spezieller Beispiele beschrieben, die in jeder Hinsicht zur Veranschaulichung dienen und keine Einschränkung darstellen. Fachleute auf dem Gebiet werden anerkennen, dass viele verschiedene Kombinationen von Hardware, Software und Firmware zur Umsetzung vorliegender Erfindung geeignet sind. Außerdem werden Fachleute auf dem Gebiet bei Betrachtung der Spezifikation und Umsetzung der hier offengelegten Erfindung auf weitere Implementierungen der Erfindung kommen. Die Spezifikation und Beispiele haben nur eine exemplarische Funktion, während der genaue Umfang und das Wesen der Erfindung durch folgende Ansprüche festgelegt sind.

Claims

Eine Multipol-Ionenstoßzelle (260), aufweisend: eine Isolierplatte (365; 465) mit zwei Seiten; eine Mehrzahl länglicher leitender Elemente (361–364; 461–464), die entlang ihrer Länge auf der gleichen Seite der Isolierplatte (365; 465) angebracht sind, so dass die Ausrichtung aller Elemente (361–364; 461–464) auf eine einzige Ebene bezogen ist, wobei der Querschnitt jedes länglichen leitenden Elements (361–364; 461–464) so konfiguriert ist, dass an dessen Abschluss eine Elektrodenfläche (367) des jeweiligen Elements (361–364; 461–464) entsteht, derart, dass die Elektrodenflächen (367) aller Elemente (361–364; 461–464) gemeinsam einen Multipol-Ionentransporttunnel (260) bilden; außerdem aufweisend einen Gaseinlass (372) zum Einleiten von Gas in den Ionentransporttunnel, so dass Ionen im Ionentransporttunnel mit Molekülen des eingeleiteten Gases kollidieren.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Elementen (361–364; 461–464) vier Elemente umfasst.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 1 oder 2, die außerdem eine Mehrzahl länglicher Dichtungen (366, 368; 466i–o, 468) umfasst, die am Umfang des Ionentransporttunnels vorgesehen sind, um einen Großteil oder die gesamte Länge des Ionentransporttunnels abzudichten.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 3, bei der die Mehrzahl länglicher Dichtungen (366, 368; 466i–o, 468) aus einer Mehrzahl dünner, flacher Streifen besteht.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der die benachbarten Elektrodenflächen (367) jeweils durch einen Zwischenraum der Länge g voneinander getrennt sind und hinter dem Zwischenraum jeweils eine der länglichen Dichtungen (366, 368; 466i–o, 468) in einem Abstand d angeordnet ist, wobei die Länge von Abstand d größer als die Länge g ist.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Isolierplatte (365; 465) eine Leiterplatte ist.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 6, die außerdem Federkontaktstifte umfasst, die die elektrische Verbindung zu jedem der Elemente (361–364; 461–464) herstellen.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die leitenden Elemente (361–364; 461–464) bogenförmig sind und einen Ionentransporttunnel mit 180°-Wende bilden.
Die Ionenstoßzelle (260) gemäß Anspruch 2, bei der der Ionentransporttunnel einen quadratischen Querschnitt hat.
Ein Massenspektrometer aufweisend: eine Ionenquelle; einen Massenanalysator (225), durch dessen Einlass Ionen eintreten und durch dessen Auslass ausgewählte Ionen austreten; und eine Multipol-Ionenstoßzelle (260), die die ausgewählten Ionen aus dem Massenanalysator (225) aufnimmt und Kollisionen der Ionen mit Gasmolekülen bewirkt, wobei die Stoßzelle (260) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Multipol-Ionenstoßzellenbaugruppe, das folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen einer Isolierplatte (365; 465) mit zwei Seiten; (b) Bereitstellen einer Mehrzahl länglicher leitender Elemente (361–364; 461–464), deren Querschnitt jeweils so konfiguriert ist, dass an dessen Abschluss eine Elektrodenfläche (367) des jeweiligen Elements (361–364; 461–464) entsteht; (c) Anbringen der Mehrzahl länglicher leitender Elemente (361–364; 461–464) entlang ihrer Länge auf der gleichen Seite der Isolierplatte (365; 465), so dass die Ausrichtung aller Elemente (361–364; 461–464) auf eine einzige Ebene bezogen ist und die Elektrodenflächen (367) aller Elemente gemeinsam einen Multipol-Ionentransporttunnel bilden; und (d) Vorsehen eines Gaseinlasses (372) zum Einleiten von Gas in den Multipol-Ionentransporttunnel.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Mehrzahl länglicher leitender Elemente (361–364; 461–464) vier entspricht und das außerdem das Einfügen von vier länglichen Dichtungen (366, 368; 466i–o, 468) zwischen jeweils zwei leitenden Elementen (361–364; 461–464) umfasst, wodurch der Ionentransporttunnel entlang seiner Länge abgedichtet wird.