DE102016009789B4 - Spiegellinse zum Richten eines Ionenstrahls - Google Patents

Abstract

Elektrostatische Dualmodus-Linsenbaugruppe (1) zur selektiven Übertragung oder Reflexion eines Ionenstrahls (17) in einem Massenspektrometer, die Linsenbaugruppe (1) umfassend eine koaxiale Anordnung von mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3), die durch einen Spalt (15) in einer Ebene, die nicht senkrecht zum eintreffenden Ionenstrahl (17) ist, getrennt sind, und wobei die Elektroden (2, 3) betrieben werden können, um ein umschaltbares elektrisches Feld bereitzustellen, das, während eines ersten Betriebsmodus, einen Ionenstrahl (17), der in die Linsenbaugruppe (1) eindringt, entlang eines ersten linearen Pfads richtet, sodass der Ionenstrahl (17) durch die Linsenbaugruppe (1) hindurch entlang des ersten Pfads übertragen wird, und während eines zweiten Betriebsmodus einen Ionenstrahl (17), der in die Linsenbaugruppe (1) eindringt, entlang des ersten Pfads richtet, sodass der Ionenstrahl (17) durch das elektrische Feld reflektiert wird und die Linsenbaugruppe (1) entlang eines zweiten Pfads verlässt, wobei der Winkel zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad im Bereich von 100° bis 170° liegt.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrostatische Linse zur Verwendung mit einem Massenspektrometer. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus die Massenspektrometrie, insbesondere die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS).
• Einleitung
• Die Massenspektrometrie ist ein Analyseverfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der in Proben vorhandenen molekularen Spezies, basierend auf dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis und der Häufigkeit von gasförmigen Ionen.
• Bei der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) können atomare Spezies mit hoher Empfindlichkeit und Präzision detektiert werden, bei Konzentrationen ab lediglich 1 von 10¹⁵ in Bezug auf einen nicht-störenden Hintergrund. Bei der ICP-MS wird die zu analysierende Probe mit einem induktiv gekoppeltem Plasma ionisiert und anschließend getrennt und in einem Massenanalysator analysiert.
• Präzise und genaue Isotopenverhältnismessungen stellen oft die einzige Möglichkeit dar, tiefere Einblicke in wissenschaftliche Fragen zu gewinnen, die durch keine andere analytische Technik beantwortet werden können. Die Multikollektor-ICP-MS ist ein etabliertes Verfahren zur hochgradig präzisen und genauen Isotopenverhältnisanalyse. Die Anwendungen der ICP-MS liegen in den Gebieten Geochronologie, Geochemie, Kosmochemie, Biogeochemie, Umweltwissenschaften sowie Biowissenschaften. Allerdings können elementare und molekulare Störungen in dem Massenspektrometer die erreichbare Präzision und Genauigkeit der Analyse begrenzen.
• Diese Störungen können im Probenmaterial selbst vorhanden sein oder werden durch die Probenpräparation von einer Kontaminationsquelle erzeugt, zum Beispiel verwendete Chemikalien, Probenbehälter, oder durch Fraktionierung während der Probenreinigung. Die Kontamination der Spezies kann auch in der Ionenquelle oder im Massenspektrometer erzeugt werden.
• Um hochgradig präzise und genaue Isotopenverhältnismessungen zu erreichen, wird eine umfangreiche physikalische und chemische Probenpräparation durchgeführt, um saubere Proben zu erhalten, die frei von möglichen Störungen und Kontamination sind, die sich störend im Massenspektrum auswirken können. Typische Konzentrationen des Analyts in Probenmaterial, die in der Isotopenverhältnis-ICP-MS verwendet werden, liegen im Bereich von Teilen pro Milliarden. Das Analyt von Interesse kann auch in kleinen Einschlüssen oder Kristallen innerhalb eines heterogenen Probenmaterials konzentriert sein, zum Beispiel in Gesteinsproben.
• Umfangreiche Schritte zur Qualitätskontrolle werden in die Probenpräparation integriert, um sicherzustellen, dass die Probenpräparation selbst nicht zu Veränderungen im Isotopenverhältnis des Probenmaterials führt. Mit jedem Schritt der Probenpräparation ist die Möglichkeit verbunden, dass Kontamination zu den Proben hinzugefügt wird und/oder es dazu kommt, dass die Isotopenfraktionierung des Analyts aus dem originalen Probenmaterial extrahiert wird, das beispielsweise ein Gestein, ein Kristall, Boden, ein Staubpartikel, eine Flüssigkeit und/oder organisches Material sein könnte. Selbst wenn all diese Schritte mit großer Sorgfalt durchgeführt werden, besteht weiterhin die Möglichkeit der Kontamination und unvollständigen Trennung und von Störungen im Massenspektrum.
• Idealerweise würde man den Schritt der chemischen Probenpräparation vollständig vermeiden wollen. Darüber hinaus ist eine chemische Probenpräparation unmöglich, wenn ein Laser zur direkten Abtragung der Probe und zum Einspülen des abgetragenen Materials in die ICP-Quelle verwendet wird. In solchen Fällen gibt es keine chemische Trennung des gewünschten Analyts von der Probenmatrix, und die gesamte Spezifität muss von dem Massenanalysator und dem Probeneinbringungssystem in dem Massenanalysator kommen. Die Spezifität beschreibt die Fähigkeit eines Analysators, eine bestimmte Spezies in einer Probe eindeutig zu bestimmen und zu identifizieren. Eine Möglichkeit, Spezifität in einem Massenspektrometer zu erreichen, ist die Sicherstellung, dass das Massenauflösungsvermögen M/(ΔM) des Massenanalysators groß genug ist, um eine Spezies klar von einer anderen Spezies zu trennen, wobei ΔM die Massendifferenz beider Spezies bezeichnet und M die Masse der Spezies von Interesse ist. Das erfordert eine sehr hohe Massenauflösung im Fall von isobarischen Störungen von Spezies mit derselben nominellen Masse. Bei Sektorfeld-Massenspektrometern geht die hohe Massenauflösung mit der Verwendung von sehr schmalen Eingangsschlitzen in den Massenanalysator einher, und die schmalen Eingangsschlitze reduzieren die Übertragung und damit die Empfindlichkeit des Massenanalysators signifikant. In Folge dessen wird dies zu einem unpraktischen Ansatz, wo ein hohes Massenauflösungsvermögen erforderlich ist. Das ist eine besondere Herausforderung für das Instrumentarium der Massenspektrometrie, wo aktuelle technische Lösungen begrenzt sind.
• Die Ionenquelle mit induktiv gekoppeltem Plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP) ist eine sehr effiziente Ionenquelle für die Elementar- und Isotopenanalyse mithilfe der Massenspektrometrie. Es handelt sich hierbei um ein Analyseverfahren zum Detektieren von Elementen in sehr geringer Konzentration, ab lediglich ein Teil von 10¹⁵ (Teil pro Billiarden, Part per Quadrillion, ppq) bei nicht-gestörten Isotopen mit geringem Hintergrund. Das Verfahren umfasst das Ionisieren der zu analysierenden Probe mit einem induktiv gekoppelten Plasma und die anschließende Verwendung eines Massenspektrometers zur Trennung und Quantifizierung der somit erzeugten Ionen.
• Die Ionisierung eines Gases, üblicherweise Argon, in einer elektromagnetischen Spule zur Erzeugung einer hochenergetische Mischung aus Argonatomen, freien Elektronen und Argonionen erzeugt das Plasma, in dem die Temperatur hoch genug ist, um die Atomisierung und Ionisierung der Probe zu bewirken. Die produzierten Ionen werden, über eine oder mehrere Stufen der Drucksenkung, in einen Massenanalysator eingebracht, bei dem es sich in den meisten Fällen um einen Quadrupol-Analysator, einen Magnetsektor-Analysator oder einen Flugzeit-Analysator handelt.
• Hochpräzisions-Massenanalysatoren ermöglichen eine hohe Massenauflösung zur Trennung elementarer Ionen von molekularen Spezies, die bis zu einem gewissen Grad unausweichlich in der ICP-Quelle gebildet werden (z. B. OH⁺, NO⁺, CO⁺, CO₂ ⁺, ArO⁺, ArN⁺, ArAr⁺ usw.) und die elementaren Ionen stören. Damit sind bestimmte Elemente dafür bekannt, relativ schlechte Detektionsgrenzen durch die ICP-MS zu haben. Diese sind überwiegend solche, die unter Artefakten oder Spektralstörungen leiden, welche durch Ionen erzeugt werden, die aus dem Plasmagas, aus Matrixkomponenten oder dem Lösungsmittel stammen, das zum Löslichmachen der Proben verwendet wird. Zu Beispielen zählen ⁴⁰Ar¹⁶O zur Bestimmung von ⁵⁶Fe, ³⁸ArH zur Bestimmung von ³⁹K, ⁴⁰Ar zur Bestimmung von⁴⁰Ca, ⁴⁰Ar⁴⁰Ar zur Bestimmung von ⁸⁰Se, ⁴⁰Ar³⁵Cl zur Bestimmung von ⁷⁵As, ⁴⁰Ar¹²C zur Bestimmung von ⁵²Cr und ³⁵Cl¹⁶O zur Bestimmung von ⁵¹V.
• Mit einem Magnetsektor-Multikollektor-Massenspektrometer mit hoher Massenauflösung können die molekularen Spezies entlang der Fokusebene des Massenspektrometers getrennt werden, sodass lediglich die elementaren Ionen detektiert werden können, während die molekularen Störungen am Detektorschlitz unterschieden werden (siehe Weyer & Schwieters, International Journal of Mass Spectrometry, Bd. 226, Nummer 3, Mai 2003, das hier als Verweis einbezogen wird). Diese Vorgehensweise funktioniert gut bei Störungen, bei denen die relative Massenabweichung zwischen dem Analyt und der Störung im Bereich von (M/ΔM)<2.000 - 10.000 (M: Masse des Analyts, ΔM: Massendifferenz wischen Analyt und Störung) liegt.
• Bei einem Sektor-Massenspektrometer geht die hohe Massenauflösung üblicherweise mit einer reduzierten ionenoptischen Übertragung in den Massenanalysator einher, weil die hohe Massenauflösung schmalere Eingangsschlitze und kleinere Blenden erfordert, um Winkelaberrationen zweiter oder dritter Ordnung im weiteren Verlauf des Ionenstrahlpfads vom Eingangsschlitz bis zum Detektor zu minimieren. In dem besonderen Fall, dass die Menge der Probe begrenzt ist oder die Analytkonzentration in einer Probe gering ist, stellt die reduzierte Empfindlichkeit im Modus mit hoher Massenauflösung ein signifikantes Problem dar. Es resultiert direkt in reduzierter analytischer Präzision aufgrund der schwächeren Zählungsstatistik bei effektiv reduzierter Übertragung durch den Sektorfeld-Analysator. Daher ist die hohe Massenauflösung nicht generell eine praktische Lösung zur Eliminierung von Störungen und zur Steigerung der Spezifität sogar in Fällen, wo das Massenauflösungsvermögen des Massenspektrometers ausreichend wäre, um die Störungen zu unterscheiden.
• Es gibt weitere Anwendungen, bei denen isobarische Störungen von elementaren Ionen durch die Probenpräparation nicht vermieden werden können und bei denen ein Massenauflösungsvermögen >> 10.000 erforderlich wäre, um die störenden Spezies zu trennen. Ein Beispiel ist die Analyse von ⁴⁰Ca mit Argon-basiertem Plasma. Es gibt eine starke Störwirkung von elementarem ⁴⁰Ar⁺ auf ⁴⁰Ca⁺. Die erforderliche Massenauflösung, um beide Spezies zu trennen, würde >193.000 betragen, was viel höher ist, als mit einem Magnetsektorfeld-Analysator erreicht werden kann.
• Eine Lösung für dieses Problem wird durch die Kollisionszellentechnologie (ICP-CCT) bereitgestellt, die eine Kollisions-/Reaktionszelle einschließt, welche vor dem Analysator positioniert ist. Diese Kollisionszelle fügt eine weitere Möglichkeit zur Erzielung von Spezifität für die Analyse hinzu. Anstelle des Massenauflösungsvermögens verwendet sie chemische Reaktionen, um zwischen störenden Spezies zu unterscheiden. In diese Zelle, die üblicherweise einen Multipol umfasst, der in einem Hochfrequenzmodus zur Fokussierung der Ionen betrieben wird, wird ein Kollisionsgas wie z. B. Helium oder Wasserstoff eingeführt. Das Kollisionsgas kollidiert und reagiert mit den Ionen in der Zelle, wodurch störende Ionen in harmlose nicht-störende Spezies umgewandelt werden.
• Eine Kollisionszelle kann verwendet werden, um unerwünschte Artefakte aus einem elementaren Massenspektrum zu entfernen. Die Verwendung einer Kollisionszelle ist beispielsweise in EP 0 813 228 A1 , WO 97/25737 A1 oder US 5 049 739 A beschrieben, die alle hier als Verweis einbezogen werden). Eine Kollisionszelle ist im Wesentlichen ein gasdichtes Gehäuse, durch welches hindurch Ionen übertragen werden. Sie ist zwischen der Ionenquelle und dem eigentlichen Massenanalysator positioniert. Ein Zielgas (molekular und/oder atomar) wird in die Kollisionszelle gelassen, mit dem Ziel, Kollisionen zwischen Ionen und den neutralen Gasmolekülen oder -atomen anzuregen. Bei der Kollisionszelle kann es sich um einen passive Zelle handeln, wie in US 5 049 739 A offengelegt, oder die Ionen können durch Ionenoptik in der Zelle eingeschlossen sein, zum Beispiel durch einen Multipol, der mit Wechselspannungen oder einer Kombination aus Wechsel- und Gleichspannungen gespeist wird, wie das in EP 0 813 228 A1 dargelegt ist. Auf diese Weise kann die Kollisionszelle so konfiguriert werden, dass Ionen mit minimalen Verlusten übertragen werden, selbst wenn die Zelle bei einem Druck betrieben wird, der hoch genug ist, um viele Kollisionen zwischen den Ionen und den Gasmolekülen zu garantieren.
• Zum Beispiel bewirkt die Verwendung einer Kollisionszelle, bei der ungefähr 2 % H₂ zu He-Gas im Inneren der Zelle hinzugefügt werden, die selektive Neutralisierung des ⁴⁰Ar⁺-Ions durch energiearme Kollisionen des ⁴⁰Ar⁺ mit dem H₂-Gas und eine Resonanzladungsübertragung eines Elektrons von dem H₂-Gas zur Neutralisierung der ⁴⁰Ar⁺-Ionen (siehe Tanner, Baranov & Bandura, 2002, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 57:1361-1452, das hier als Verweis einbezogen wird). Dieser Ladungsübertragungsmechanismus ist sehr selektiv und neutralisiert effizient die Argonionen und unterscheidet somit ⁴⁰Ar⁺-Ionen von ⁴⁰Ca⁺. Diese Wirkungsarten werden mitunter als chemische Auflösung bezeichnet (Tanner & Holland, 2001, in: Plasma Source Mass Spectrometry: The New Millennium, Verlag: Royal Soc of Chem) - im Vergleich zur Massenauflösung des Massenspektrometers.
• Zusätzlich zur Ladungsübertragungsreaktion können auch andere Mechanismen im Inneren der Kollisionszelle unter Verwendung anderer Kollisionsgase oder Mischungen von Kollisionsgasen eingesetzt werden, um Störungen zu reduzieren. Zu diesen Mechanismen zählen: Unterscheidung kinetischer Energie infolge von Kollisionen im Inneren der Kollisionszelle (z. B. Hattendorf & Guenther, 2004, J. Anal Atom Spectroscopy 19:600), das hier als Verweis einbezogen wird), Fragmentierung molekularer Spezies im Inneren der Kollisionszelle (siehe Koppenaal, D., W., Eiden, G., C. und Barinaga, C., J., (2004), Collision and reaction cells in atomic mass spectrometry: development, status, and applications, Journal of Analytical Atomic Spectroscopy, Bd. 19, S.: 561-570, das hier als Verweis einbezogen wird), und/oder Massenverschiebungsreaktionen im Inneren der Kollisionszelle. Mit diesen Werkzeugen der ICP-CCT kann man dem Ziel der Detektionsspezifität unter Verwendung direkter Probenanalyse mit signifikant reduzierter Probenpräparation näher kommen, aber es gibt noch immer analytische Probleme und Störungen, die durch die Anbindung einer Kollisionszelle an ein Massenspektrometer nicht gelöst werden können.
• Durch sorgfältige Steuerung der Bedingungen in der Kollisionszelle ist es möglich, die gewünschten Ionen effizient zu übertragen. Das ist möglich, weil im Allgemeinen die gewünschten Ionen, welche einen Teil des zu analysierenden Massenspektrums bilden, einatomig sind und eine einzelne positive Ladung tragen, das heißt, sie haben ein Elektron verloren. Wenn ein solches Ion mit einem neutralen Gasatom oder -molekül kollidiert, behält das Ion seine positive Ladung bei, außer wenn das erste Ionisierungspotential des Gases niedrig genug ist, dass ein Elektron auf das Ion übertragen wird und dieses neutralisiert. Demzufolge sind Gase mit hohen Ionisierungspotentialen ideale Zielgase. Im Gegensatz dazu ist es möglich, Artefaktionen zu entfernen, während die gewünschten Ionen weiterhin effizient übertragen werden. Zum Beispiel können die Artefaktionen molekulare Ionen wie z. B. ArO⁺ oder Ar₂ ⁺ sein, die viel weniger stabil sind als atomare Ionen. Bei einer Kollision mit einem neutralen Gasatom oder -molekül kann sich ein molekulares Ion aufspalten, wodurch ein neues Ion mit niedrigerer Masse und ein oder mehrere neutrale Fragmente gebildet werden. Außerdem ist der Kollisionsquerschnitt für Kollisionen unter Beteiligung eines molekularen Ions tendenziell größer als bei einem atomaren Ion. Das wurde von Douglas demonstriert (Canadian Journal Spectroscopy, 1989, Bd. 34(2) S. 36-49), das hier als Verweis einbezogen wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung reaktiver Kollisionen. Eiden et al. (Journal of Analytical Atomic Spectrometry, Bd. 11, S. 317-322 (1996)) verwendeten Wasserstoff zur Eliminierung vieler molekularer Ionen und auch von Ar⁺, während einatomige Analytionen größtenteils unbeeinflusst bleiben.
• Zur Analyse von Proben mit unbekannter elementarer Zusammensetzung, und insbesondere für Proben mit unbekannter und/oder exotischer Isotopenzusammensetzung, kann es nützlich sein, ein vollständiges Massenspektrum der Probe zu gewinnen, deren elementare Zusammensetzung zu bewerten und dadurch Informationen über mögliche Störungen zu gewinnen, sowie Isotopenverhältnisbestimmungen für ausgewählte Massen durchzuführen. Zum Beispiel können Proben mit extremem oder unüblichem Isotopenverhältnis üblicherweise in extraterrestrischen Proben wie Meteoriten oder in nuklearen Proben gefunden werden, die künstlich angereichert wurden. Die dafür nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfordern die Verwendung von zwei Massenanalysatoren: einer, der das vollständige Spektrum bestimmt, und ein weiterer, der die Isotopenverhältnisse in einem vorgegebenen Bereich bestimmt.
• Nach dem Stand der Technik sind Ionendeflektoren und -linsen bekannt. Zum Beispiel werden elektrostatische Linsen häufig eingesetzt, um Ionenstrahlen mit verschiedener Energie und unterschiedlichen Richtungen zu steuern und zu richten, insbesondere in der Elektronenmikroskopie.
• US 9 048 078 B2 offenbart einen Ionendeflektor zur Verwendung mit einem Massenspektrometer, um einen Ionenfluss zwischen zwei Bewegungsachsen zu richten. Der Deflektor enthält ein elektrisches Feld, das in der Lage ist, einen Fluss von Ionen, der durch einen erste räumliche Region hindurch fokussiert ist, in Richtung einer zweiten räumlichen Region zu fokussieren, wodurch die ersten und zweiten räumliche Regionen an jeweiligen Bewegungsachsen ausgerichtet werden.
• EP 1470567 A1 offenbart eine integrierte Linse zum Fokussieren und Ausblenden von Ionen zur Verwendung in einem Ionenfallen-Massenspektrometer, welche erste und zweite Elemente mit kombinierter, im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration enthält, wobei die Elemente einen Ionenstrahl entlang einer Achse der im Allgemeinen zylindrischen Konfiguration fokussieren, wenn dieselbe Vorspannung an jedem Element anliegt, und die Elemente einen Ionenstrahl ablenken, wenn an den Elementen unterschiedliche Vorspannungen anliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten und zweiten Elemente eine identische Konfiguration auf.
• US 8 921 803 B2 offenbart ein System, das eine elektrostatische Linse in einem Pfad zwischen einer Quelle geladener Partikel und einem Detektor enthält, wobei die Linse enthält: eine erste Elektrode mit einer ersten Blende in dem an einer ersten Achse ausgerichteten Pfad; eine zweite Elektrode in dem Pfad zwischen der ersten Elektrode und dem Detektor, die eine zweite Blende in dem Pfad aufweist und an einer zweiten Achse ausgerichtet ist, die parallel zu der ersten Achse ist und zur ersten Achse entlang einer ersten Richtung versetzt ist; eine dritte Elektrode in dem Pfad zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und einen mit den Elektroden gekoppelten Potentialgenerator.
• US 8 796 620 B2 offenbart ein System zum Inhibieren einer Sichtbeziehung von einer Quelle geladener Partikel zu einem Analysator und zum Ändern eines Basislinienversatzes eines Ausgabespektrums eines Analysators. Eine Strom geladener Partikel wird durch einen hohlen Körper einer Deflektorlinse hindurch gerichtet, die relativ zu einer Quelle geladener Partikel und einem Analysator positioniert ist. Ein Flusspfad durch eine Deflektorlinse hindurch erlaubt die Passage der Ionen von der Quelle zum Detektor, während eine Sichtbeziehung von dem Detektor zu der Quelle in einer Richtung parallel zu der zentralen Längsachse der Deflektorlinse inhibiert wird.
• GB 2440800 A offenbart ein Instrument zum Überwachen der isotopischen und elementaren Zusammensetzung einer Probe. Ein Mehrfach-Kollektor-ICP-Massenspektrometer ist so modifiziert, dass Ionen von dem Hauptpfad in einen zweiten Analysator abgelenkt werden, zum Beispiel einen Flugzeit-Analysator, indem ein gepulstes Signal an einen Deflektor angelegt wird. Damit passiert die Mehrzahl der Ionen weiterhin in den Isotopenanalysator, während kleine Anteile für die elementare Analyse verfügbar sind.
• US 5 559 337 A offenbart eine Ionenlinse mit einem Deflektor zum Ablenken eines Ionenstrahls um 90°. Die Seite des Deflektors gegenüber der Probenschnittstelle ist mit einer Öffnung versehen. Außerdem ist eine Korrekturelektrode, die über mindestens ein Paar von Elementen verfügt, zwischen dem Deflektor und einem Massenfilter angeordnet.
• WO 2014/066362 A2 offenbart Geräte mit DC-Multipolen, für die Ionenleitung. Die Geräte können einen ersten Multipol umfassen, der so konfiguriert ist, dass er ein elektrisches Gleichfeld erzeugt, das die ersten Ionen eines einfallenden Teilchenstrahls entlang einer ersten Austrittsbahn leitet, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Eintrittsbahn des Teilchenstrahls ist. Die Geräte können auch einen zweiten Multipol enthalten, der so konfiguriert ist, dass er ein elektrisches Gleichfeld liefert, das die empfangenen ersten Ionen des ersten Multipols entlang einer zweiten Ausgangsbahn leitet, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten Ausgangsbahn ist.
• Zusammenfassung
• Die vorliegende Erfindung widmet sich Möglichkeiten, um die Sammlung eines breiten Datenbereichs in Massenspektrometern wie zum Beispiel hochauflösenden Multikollektor-ICP-MS-Instrumenten zu erleichtern, indem eine Dualfunktions-Ionenreflexionslinse verwendet wird.
• Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine elektrostatische Dualmodus-Linsenbaugruppe zur selektiven Übertragung oder Reflexion eines Ionenstrahls in einem Massenspektrometer bereit, die Baugruppe umfassend mindestens eine Elektrode, die betrieben werden kann, um ein umschaltbares elektrisches Feld bereitzustellen, das, während eines ersten Betriebsmodus, einen Ionenstrahl, der in die Baugruppe eindringt, entlang eines ersten Pfads richtet, sodass der Strahl durch die Baugruppe hindurch entlang des ersten Pfads übertragen wird, und während eines zweiten Betriebsmodus einen Ionenstrahl, der in die Baugruppe eindringt, entlang des ersten Pfads richtet, sodass der Strahl durch das elektrische Feld reflektiert wird und die Baugruppe entlang eines zweiten Pfads verlässt.
• Die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Massenspektrometer ausgedehnt werden, das eine Linsenbaugruppe entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst. In einem solchen Aspekt wird ein Massenspektrometer bereitgestellt, das umfasst: eine Ionenquelle; mindestens einen Massenfilter zur Übertragung von Ionen aus der Ionenquelle; mindestens eine elektrostatische Linsenbaugruppe zur selektiven Übertragung des Ionenstrahls entlang zweier getrennter Pfade, wobei die Linsenbaugruppe betrieben werden kann, um ein umschaltbares elektrisches Feld zum Richten eines Ionenstrahls bereitzustellen, der entlang eines ersten Pfads aus der Ionenquelle in die Linse eindringt, sodass in einem ersten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl selektiv entlang des ersten Pfads durch die Linse hindurch richtet, und in einem zweiten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl entlang eines zweiten Pfads reflektiert, mindestens einen Massenanalysator zum Analysieren von Ionen, die in der Linsenbaugruppe übertragen und/oder reflektiert werden; und mindestens einen Detektor zum Detektieren von Ionen, die durch den Massenanalysator analysiert werden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren der Massenspektrometrie. In einem solchen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Massenspektrometers, das Verfahren umfassend: (a) das Übertragen eines Ionenstrahls aus einer Ionenquelle durch mindestens einen Massenfilter hindurch; und (b) das selektive Richten des Ionenstrahls, der durch den Massenfilter hindurch übertragen wird, sodass während mindestens einer Übertragungsperiode Ionen in einem ersten Massenbereich, die durch den ersten Massenfilter übertragen werden, entlang eines ersten Pfads gerichtet werden, und während mindestens einer Scanperiode Ionen mit mindestens einem wählbaren Masse-zu-Ladung-Verhältnis, die durch den Massenfilter übertragen werden, reflektiert und zu einem Detektor entlang eines zweiten Pfads gerichtet werden, wobei das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der reflektierten Ionen durch den Massenfilter gescannt wird; wobei Ionen, die während der Übertragungsperiode durch den ersten Massenfilter übertragen werden, weiter übertragen werden zu mindestens einem Massenanalysator, wobei die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt werden und wobei die somit getrennten Ionen durch mindestens einen Detektor detektiert werden.
• Im vorliegenden Kontext sollen die Begriffe „Reflexion“ und „Reflektieren“ als die Umkehrung in Bezug auf die vorherige Bewegungsrichtung verstanden werden. Ein Ionenstrahl der reflektiert wird, wird somit in Bezug auf seine vorherige Bewegungsrichtung umgekehrt oder rückwärts umgelenkt. In einem zweidimensionalen Raum bedeutet das, dass der stumpfe Winkel zwischen einem linear reflektierten Strahl und dem entsprechenden linear eintreffenden Strahl größer als 90° ist.
• Der zweite Pfad, am Ausgang aus der Baugruppe, kann seitwärts und rückwärts in Bezug auf die Richtung des ersten Pfads bei dessen Eintritt in die Baugruppe gerichtet sein. Der zweite Pfad kann auch seitwärts und rückwärts in Bezug auf die Richtung des ersten Pfads am Trennungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Pfad gerichtet sein. Ein eintreffender Ionenstrahl kann daher entlang eines Pfads in die Baugruppe eintreten. Die Pfade eines solchen Ionenstrahls während des Übertragungsmodus der Baugruppe und während eines Reflexionsmodus sind innerhalb der Linse unterschiedlich aufgrund unterschiedlicher Fokussierungs- und Umlenkungsaktionen entlang der beiden ionenoptischen Trajektorien. Die allgemeine Richtung des zweiten Pfads, welches die Richtung des Strahls während des Reflexionsmodus ist, kann daher seitwärts und rückwärts sein, d. h. die Richtung des Strahls verläuft in der entgegengesetzten Richtung des eintreffenden Strahls und gleichzeitig zur Seite der Baugruppe. Das führt dazu, dass der Strahl seitwärts in der Baugruppe reflektiert wird, d. h. die Richtung des Strahls verläuft zur Seite und rückwärts, im Hinblick auf die Richtung des eintreffenden Strahls.
• Ein Ion, das sich durch ein elektrisches Feld bewegt, durchwandert das Feld basierend auf seiner anfänglichen kinetischen Energie, seiner Ladung und des angelegten elektrischen Feldes. Ein elektrisches Feld kann so justiert werden, dass die Bewegung eines eintreffenden Ionenstrahls in jeder beliebigen gegebenen Richtung verändert wird und dadurch die Energie der Ionen in dem Strahl entweder erhöht oder verringert wird, indem eine Justierung des elektrischen Feldes erfolgt, das die Ionen umgibt. In einigen Fällen werden elektrische Felder, die durch Anlegen einer Spannung an mindestens eine Elektrode erzeugt werden, zum Richten von positiv geladenen Ionen in Massenspektrometern verwendet. Solche Felder können symmetrisch in einer Längsebene entlang der Richtung der eintreffenden Ionenstrahlen sein, was dazu führen kann, dass die Ionen einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren, während sie sich durch das elektrische Feld hindurch geradlinig bewegen (linear im Fall eines linearen Strahls). Wenn das elektrische Feld in Bezug auf die Richtung des eintreffenden Ionenstrahls asymmetrisch ist oder in einer Längsebene entlang der Richtung des eintreffenden Ionenstrahls asymmetrisch ist und außerdem asymmetrisch in einer Querebene zur Richtung des eintreffenden Ionenstrahls ist, wird der Strahl durch das elektrische Feld abgelenkt. Damit kann das elektrische Feld, in Abhängigkeit vom Betriebsmodus, symmetrisch oder asymmetrisch in einer Längs- und/oder einer Querebene entlang der Bewegungsrichtung des ersten Pfads sein. Das elektrische Feld kann auch radial symmetrisch oder radial asymmetrisch sein. Im Allgemeinen wird der dreidimensionale Charakter des elektrischen Feldes die Richtung bestimmen, mit der sich ein eintreffender Ionenstrahl hereinbewegt, sobald er sich innerhalb des Feldes befindet.
• In einigen Ausführungsformen kann das elektrische Feld während des ersten Betriebsmodus in Bezug auf die Richtung oder Bewegung des eintreffenden Ionenstrahls symmetrisch sein und während des zweiten Betriebsmodus kann das elektrische Feld innerhalb der Baugruppe, welches den Ionenstrahl entlang des zweiten Pfads reflektiert, asymmetrisch sein. Das elektrische Feld kann symmetrisch oder in einer Längs- und/oder einer Querebene entlang der Bewegungsrichtung des ersten Pfads sein. Das elektrische Feld kann auch radial symmetrisch entlang des ersten Pfads sein, zum Beispiel wenn mindestens eine Elektrode in der Linsenbaugruppe radial symmetrisch entlang des ersten Pfads ist. Es ist auch möglich, dass das elektrische Feld während des ersten Betriebsmodus asymmetrisch in Bezug auf die Richtung des eintreffenden Strahls ist.
• Als ein Ergebnis des elektrischen Feldes wird die Divergenz des übertragenen und/oder reflektierten Strahls entlang des ersten Pfads beziehungsweise der zweiten Pfade vorzugsweise reduziert und/oder wird an die ionenoptischen Eingangsanforderungen der nachfolgenden Ionenoptik bzw. des Detektors innerhalb des Instruments angepasst. Stärker bevorzugt fokussiert das elektrische Feld den eintreffenden Ionenstrahl, den reflektierten Ionenstrahl oder beides. Damit kann der Ionenstrahl innerhalb der elektrostatischen Linse fokussiert werden. Die Linsenbaugruppe stellt damit zwei Funktionen bereit: (1) die Linse richtet einen eintreffenden Ionenstrahl selektiv entlang eines von zwei unterschiedlichen und getrennten Pfaden, wobei einer Pfade eine Reflexion des eintreffenden Ionenstrahls repräsentiert und der andere Pfad eine Übertragung des Ionenstrahls repräsentiert, und (2) die Linse reduziert die Divergenz des und/oder fokussiert den eintreffenden (und übertragenen) Ionenstrahl, den reflektierten Ionenstrahl oder beides.
• Der erste Pfad des Ionenstrahls und/oder des zweiten Pfads des Ionenstrahls kann linear sein. Die Pfade können auch teilweise linear sein, d. h. die Pfade können geradlinige (lineare) Segmente und gekrümmte Segmente einschließen.
• In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der Ionenstrahl ein Strahl, der durch ein induktiv gekoppeltes Plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP) erzeugt wird. Es können auch andere Ionenquellen verwendet werden, zum Beispiel thermische Ionisierung oder Elektronenstoßionisierung. Die Ionenquelle produziert vorzugsweise elementare Ionen für die Isotopenverhältnis-Massenanalyse.
• In einigen Ausführungsformen liegt der Winkel zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad im Bereich von ungefähr 100° bis ungefähr 170°. Der Winkel kann auch im Bereich von ungefähr 120° bis ungefähr 160°, von ungefähr 130° bis ungefähr 150° oder von ungefähr 140° bis ungefähr 150° liegen. In einigen Ausführungsformen reicht das obere Ende des Bereichs von ungefähr 130° bis ungefähr 170° oder von ungefähr 140° bis ungefähr 160°. In einigen Ausführungsformen liegt das untere Ende der Bereiche im Bereich von ungefähr 100° bis ungefähr 140° oder von ungefähr 120° bis ungefähr 130°. In einigen Ausführungsformen liegt der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Pfad im Bereich von 100 bis 170°, von 120° bis 160°, von 130° bis 150° oder von 140° bis 150°. In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel ungefähr 145°. Der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Pfad kann der stumpfe Winkel sein, wobei der Winkel zwischen den Pfaden null beträgt, wenn die Pfade kontinuierlich sind, und der Winkel zwischen den Pfaden beträgt 180 °, wenn der zweite Pfad in Bezug auf den ersten Pfad vollständig umgekehrt (gespiegelt) ist. Der Winkel zwischen den Pfaden kann der Winkel zwischen dem ersten Pfad bei dessen Eintrittspunkt in die Linsenbaugruppe und dem zweiten Pfad bei dessen Austrittspunkt aus der Baugruppe sein. In einigen Fällen sind der erste und/oder der zweite Pfad linear. Es ist auch möglich, das der erste und/oder der zweite Pfad gekrümmt sind, wobei in diesem Fall der Winkel zwischen den beiden der Winkel zwischen den Tangenten an den beiden Pfaden sein kann. In einigen Fällen sind die Pfade innerhalb der Baugruppe teilweise linear und teilweise gekrümmt.
• In dem ersten Betriebsmodus wird ein erster Satz von Spannungen an die Elektroden in der Linsenbaugruppe angelegt. Eine Modusänderung, von einem Übertragungsmodus zu einem Reflexionsmodus, wird bewirkt, indem die Spannungen verändert werden, indem zum Beispiel ein zweiter Satz von Spannungen an die Elektroden angelegt wird.
• In einigen Ausführungsformen der Linsenbaugruppe umfasst die Baugruppe eine oder mehrere Elektroden, die um den ersten Pfad herum angeordnet sind, wobei die Linsenbaugruppe eine erste Blende und eine zweite Blende, durch welche hindurch der Ionenstrahl in die und aus der Baugruppe übertragen wird, entlang des ersten Pfads aufweist, wobei die Linsenbaugruppe des Weiteren eine Reflexionsblende, durch welche hindurch der Strahl aus der Baugruppe heraus reflektiert wird, entlang des zweiten Pfads aufweist; und wobei die eine oder mehreren Elektroden so angeordnet sind, dass sie ein elektrisches Feld für das Richten des Ionenstrahls innerhalb der Linse erzeugen, sodass in einem ersten Modus, bei dem ein erster Satz von einem oder mehreren elektrischen Potentialen an die Elektroden angelegt ist, die elektrostatische Linsenbaugruppe ein elektrisches Feld aufweist, das den Ionenstrahl selektiv durch die erste und die zweite Blende hindurch entlang des ersten Pfads überträgt, und in einem zweiten Modus, bei dem ein zweiter Satz von einem oder mehreren elektrischen Potentialen an die Elektroden angelegt ist, die elektrostatische Linsenbaugruppe ein elektrisches Feld aufweist, das den Ionenstrahl, der durch die erste Blende hindurch übertragen wird, selektiv entlang des zweiten Pfads durch die Reflexionsblende hindurch reflektiert.
• Die Linsenbaugruppe kann mindestens zwei Elektroden umfassen, die in Bezug auf den ersten Ionenpfad asymmetrisch sind. Während des ersten Betriebsmodus kann das durch die Elektroden erzeugte elektrische Feld symmetrisch sein oder es kann asymmetrisch in Bezug auf den eintreffenden Ionenstrahl sein, obwohl es im Allgemeinen symmetrisch ist. Um jedoch eine Reflexion des eintreffenden Ionenstrahls zu erreichen, ist das elektrische Feld in dem Reflexionsmodus im Hinblick auf den eintreffenden Strahl asymmetrisch.
• Die an die Elektroden angelegten elektrischen Potentiale (Spannungen) können identische oder entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Im vorliegenden Kontext sollte der Begriff „Polarität“ so verstanden werden, dass er das Startpotential der Ionen bezeichnet, d. h. das Potential, mit dem die Ionen erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen haben die Spannungen eine identische Polarität. Im Allgemeinen kann die Übertragung des Ionenstrahls durch die Linse hindurch unter Verwendung einer beliebigen Kombination von Polaritäten der Elektroden in der Linse erreicht werden. Wenn jedoch der Betrieb im Reflexionsmodus erfolgt, hat vorzugsweise mindestens eine der Elektroden ein abstoßendes Potential in Bezug auf das Startpotential für die Ionen. Das bedeutet, dass während eines Reflexionsmodus für positiv geladene Ionen mindestens eine Elektrode ein positives Potential aufweist und für negativ geladene Ionen mindestens eine Elektrode ein negatives Potential aufweist. In einigen Ausführungsformen hat die Spannung von mindestens einer Elektrode während des zweiten Modus, des Reflexionsmodus, der Linse eine entgegengesetzte Polarität zur Polarität während des ersten Modus, des Übertragungsmodus. Zum Beispiel könnte mindestens eine Elektrode während des Reflexionsmodus eine positive Spannung haben, während mindestens eine andere Elektrode eine negative Spannung haben könnte.
• In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Linsenbaugruppe wie beschrieben zwei Elektroden aufweist, kann die erste Elektrode, auf welche die Ionen treffen (d. h. die vorgeschaltet angeordnete Elektrode von dem Paar von Elektroden) für beide Modi auf einem negativen Potential gehalten werden (vorzugsweise relativ hoch, z. B. im Bereich von -1000 V bis -200 V), wogegen die zweite Elektrode (d. h. die nachgeschaltet angeordnete) von ungefähr demselben Potential wie die erste Elektrode auf ein positives Potential umgeschaltet werden kann (vorzugsweise im Bereich von +80 V bis +400 V), wenn der Wechsel vom Übertragungsmodus in den Reflexionsmodus erfolgt. Diese Polaritäten sind auf den Fall von positiv geladenen Ionen anwendbar. Für den Fall negativ geladener Ionen wären die zuvor erwähnten Polaritäten der Elektroden umgekehrt.
• Die Elektrodenbaugruppe kann eine oder mehrere zylindrische oder rohrförmige Elektroden umfassen. Die Baugruppe kann zwei oder mehr zylindrische Elektroden umfassen, die entlang einer ersten Achse angeordnet und einen Abstand zueinander aufweisen. Die erste Achse kann das Zentrum des eintreffenden Ionenstrahls entlang seines ersten Pfads in die Baugruppe repräsentieren. Die Elektroden können durch einen Spalt getrennt sein, wobei die Elektroden um den Spalt herum in Bezug auf den Ionenstrahl entlang des ersten Pfads asymmetrisch sind. In einem ersten Modus kann an die mindestens zwei zylindrischen Elektroden dasselbe oder ein ähnliches elektrisches Potential angelegt sein, um die Strahlübertragung zu bewirken, während an die Elektroden in dem zweiten Modus unterschiedliche Spannungen angelegt sein können, vorzugsweise Spannungen mit unterschiedlicher Polarität, um die Strahlreflexion zu bewirken. Die zylindrischen Elektroden, an die in dem ersten Modus der erste Satz von Spannungen angelegt ist, können ein elektrisches Feld erzeugen, das eine axiale Symmetrie aufweist, um die Strahlenübertragung zu bewirken, und wenn der zweite Satz von Spannungen angelegt ist, in dem zweiten Modus ein elektrisches Feld erzeugen, das keine axiale Symmetrie aufweist, um die Strahlreflexion zu bewirken. Die Elektroden können in bestimmten Ausführungsformen koaxial auf der Achse angeordnet sein.
• Die Reflexionsblende, durch welche hindurch der reflektierte Strahl in die Baugruppe übertragen wird, kann durch eine Öffnung in mindestens einer Elektrode bereitgestellt werden, zum Beispiel in einer zylindrischen Elektrode. Die Reflexionsblende kann auch durch einen Spalt zwischen zwei oder mehr benachbarten Elektroden in der Baugruppe bereitgestellt werden.
• Der Spalt, der die Elektroden voneinander trennt, kann planar oder nicht-planar sein. Der Spalt ist vorzugsweise so angeordnet, dass ein Winkel zwischen einem Normalenvektor zu einer tangentialen Ebene des Spalts und dem ersten Pfad nicht null ist und ein Normalenvektor zu einer tangentialen Ebene des Spalts in einer Ebene liegt, die durch den ersten und den zweiten Pfad definiert ist. Der Winkel zwischen einem Normalenvektor zu dem Spalt und dem ersten Pfad kann vorzugsweise nicht null sein. Vorzugswiese liegt der Winkel im Bereich von ungefähr 5° bis ungefähr 40°, vorzugsweise von ungefähr 10° bis ungefähr 30°, von ungefähr 15° bis ungefähr 25°, von ungefähr 10° bis ungefähr 25° oder von ungefähr 10° bis ungefähr 20°. Der Winkel kann im Bereich von 10° bis 40°, im Bereich von 10° bis 30°, im Bereich von 10° bis 25° oder im Bereich von 10° bis 20° liegen.
• Der Spalt, der die Elektroden voneinander trennt, kann elektrisch isolierendes Material umfassen, entweder teilweise oder vollständig. In einer Ausführungsform umfasst der Spalt elektrisch isolierendes Material, und die Blende zum Überragen des reflektierten Strahls wird durch eine Öffnung durch das isolierende Material hindurch bereitgestellt. Das isolierende Material kann ein beliebiger geeigneter Keramik- oder Kunststoffisolator sein. Der Keramikisolator kann zum Beispiel Steatit, Cordierit, Aluminiumoxid und/oder Zirconiumdioxid sein. Zusätzlich zur Isolierung der Elektroden kann das isolierende Material des Weiteren für mechanische Stabilität der Linsenbaugruppe sorgen.
• Die Linsenbaugruppe kann zusätzliche Elektroden enthalten, die der Baugruppe zusätzliche Führungs- und/oder Fokussierungsfähigkeiten verleihen. Die zusätzlichen Elektroden können vorgeschaltet oder nachgeschaltet zur zentralen Baugruppe mit den zwei oder mehr Elektroden angeordnet sein, die für die Reflexionsfunktion der Linse sorgt. In einer Ausführungsform umfasst die Baugruppe mindestens eine weitere Elektrode, die den beiden Elektroden vorgeschaltet angeordnet ist. Die Baugruppe kann auch mindestens eine weitere Elektrode, die den beiden Elektroden nachgeschaltet angeordnet ist. Vorzugsweise hat die mindestens eine weitere Elektrode eine Blende, die auf dem ersten Pfad in der Baugruppe angeordnet ist, d. h. die mindestens eine weitere Elektrode weist eine weitere Blende auf, die sich auf dem ersten Pfad befindet, sodass der Ionenstrahl durch das elektrische Feld in der Linsenbaugruppe durch die Blende hindurch gerichtet wird. Die zusätzlichen Elektroden können einem beliebigen Typ von geeigneten Elektroden entsprechen, zum Beispiel zylindrischen Elektroden und/oder Plattenelektroden. Zum Beispiel können die zusätzlichen Elektroden mindestens eine Plattenelektrode sein, die jeweils eine weitere Blende aufweist, die entlang des ersten Pfads in der Baugruppe angeordnet ist. Die Blende kann als eine Öffnung oder ein Loch in der Elektrode bereitgestellt sein, zum Beispiel als eine Öffnung durch die Plattenelektrode hindurch.
• In einer Ausführungsform kann eine erste Plattenelektrode vorgeschaltet vor dem Paar Elektroden angeordnet sein, und eine zweite Plattenelektrode ist nachgeschaltet nach dem Paar Elektroden angeordnet, wobei die erste und die zweite Plattenelektrode jeweils so angeordnet sind, dass sie eine weitere Blende aufweisen, die auf dem ersten Pfad angeordnet ist.
• Die Linsenbaugruppe kann so konfiguriert sein, dass sie mindestens eine Ionenführung enthält, die entlang des ersten und/oder zweiten Pfads angeordnet ist. Die Ionenführungselektroden können mindestens eine Elektrode einer beliebigen geeigneten Form umfassen, die darin ein elektrisches Feld zum Richten des Ionenstrahls erzeugt, der in der Linsenbaugruppe übertragen und/oder reflektiert wird. Vorzugsweise ist die mindestens eine Elektrode elektrisch isoliert von den Elektroden, die ein zentrales Linsenelement bilden, welches das asymmetrische Feld innerhalb der Baugruppe erzeugt.
• In einigen Ausführungsformen kann die Ionenführung so angeordnet sein, dass sie nach außen positioniert ist, d. h. in der Richtung weg von der Linsenbaugruppe, d. h. weg von den zentralen Linsenelektroden, welche für die Reflexionsfunktion sorgen. Die Ionenführung kann nachgeschaltet nach der Linsenbaugruppe entlang des übertragenen Pfads durch die Linse hindurch angeordnet sein. Die Ionenführung kann auch nachgeschaltet nach der Linse angeordnet sein, entlang des reflektierten Pfads ausgehend von der Linse. Die Ionenführung kann eine oder mehrere zylindrische Elektroden umfassen, die vorzugsweise von den zentralen Linsenelektroden elektrisch isoliert sind, welche für die Reflexionsfunktion sorgen. Die Ionenführung empfängt Ionen, die in der Linsenbaugruppe reflektiert werden und richtet und vorzugsweise außerdem fokussiert einen, bzw. reduziert die Divergenz eines, Ionenstrahls, der in der Linse reflektiert wird, in eine benachbarte Komponente eines Massenspektrometers. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Komponente beispielsweise ein Detektor sein, der die in der Linse reflektierten Ionen ohne weitere Massenauswahl oder Massentrennung detektiert. Dementsprechend kann die Linsenbaugruppe mindestens einen Detektor umfassen, welcher der Ionenführung nachgeschaltet angeordnet ist und einen reflektierten Ionenstrahl in der Linsenbaugruppe empfängt (oder einen übertragenen Strahl, wenn die Ionenführung nachgeschaltet entlang des übertragenen Pfads durch die Linse hindurch angeordnet ist). Die Baugruppe kann des Weiteren mindestens einen Deflektor enthalten, welcher den Ionenstrahl von der Ionenführung in einen außeraxialen Detektor ablenkt. Der reflektierte Ionenstrahl kann somit durch eine Blende/Öffnung (Ausgangsloch) in der zentralen Linsenbaugruppe hindurch gerichtet werden, beispielsweise durch die erste eines ersten Paars von Elektroden in der zentralen Baugruppe, und in einen Ionenkanal, der den Eingangspfad zu einem Detektor bildet. Der Detektor kann ein beliebiger Detektortyp sein, der üblicherweise in der Massenspektrometrie verwendet wird, zum Beispiel ein Elektronenvervielfacher (kontinuierlich oder diskret), auch bezeichnet als SEM-Detektor (Secondary Electron Multiplier, Sekundärelektronenvervielfacher), ein Array-Detektor, ein Faraday-Käfig, ein Photonenzähler, ein Szintillationsdetektor oder jeder beliebige andere Detektor, der zum Detektieren von Ionen nützlich ist, insbesondere im Kontext eines Massenspektrometers. Der Detektor bietet vorzugsweise eine schnelle Reaktionszeit. Der Detektor kann daher vorzugsweise ein Elektronenvervielfacher sein, zum Beispiel ein kontinuierlicher Dynodenvervielfacher oder ein diskreter Dynodenvervielfacher.
• Indem die reflektierten Ionen rückwärts gerichtet werden, überträgt die Linsenbaugruppe die Ionen in eine Hochvakuumregion eines typischen Massenspektrometers. Wenn beispielsweise die Anordnung nachgeschaltet nach einem Massenfilter erfolgt, der vorzugsweise eine Quadrupol-Baugruppe sein kann, kann die Linsenbaugruppe so angeordnet sein, dass sie Ionen in einen außeraxialen Detektor richtet, der unmittelbar neben dem Massenfilter angeordnet ist, innerhalb einer Kammer, die mit Hochvakuum betrieben wird. Dementsprechend kann die Linsenbaugruppe so angeordnet sein, dass sie Ionen in eine Kammer richtet, die mit einem unterschiedlichen Druck betrieben wird als die elektrostatische Linsenbaugruppe, beispielsweise eine Kammer, die mit einem Druck betrieben wird, der mindestens eine Größenordnung hoher oder niedriger, vorzugsweise niedriger, ist als der Druck in der Linsenbaugruppe. Im Allgemeinen liegt der Druck in der Linsenbaugruppe im Bereich von 10^-4 bis 10^-7 mbar, vorzugsweise im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 mbar. In einigen Ausführungsformen ist die Linsenbaugruppe so angeordnet, dass sie die Ionen in einem Modus in eine erste Kammer richtet, die mit einem Druck betrieben wird, der mindestens 10^-5 mbar beträgt und vorzugsweise im Bereich von 5×10^-3 bis 10^-5 mbar liegt, und in einem anderen Modus in eine andere Kammer, die mit einem Druck betrieben wird, der nicht größer als 10^-5 mbar ist und der vorzugsweise im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 mbar liegt. Die erste Kammer kann nachgeschaltet nach der Linsenbaugruppe angeordnet sein, d. h. weiter weg vom Massenfilter, und die zweite Kammer kann vorgeschaltet vor der Baugruppe angeordnet sein, d. h. näher zu einem Massenfilter, entlang des zweiten Pfads ausgehend von der Baugruppe. Die erste Kammer kann zum Beispiel eine Kollisions-/Reaktionszelle sein. Die Kollisions-/Reaktionszelle kann mit einem Druck von ungefähr 5×10^-3 bis ungefähr 10^-5 mbar betrieben werden. Wenn ein Kollisions-/Reaktionsgas in der Zelle bereitgestellt wird, kann dessen Druck ungefähr 10^-3 mbar betragen, in Abhängigkeit von der Flussrate des Gases in die Zelle. Wenn zum Beispiel das Kollisions-/Reaktionsgas mit eine Flussrate von ungefähr 1 ml/min bereitgestellt wird, kann der Druck in der Zelle ungefähr 2×10^-3 mbar betragen, und der Druck in der Linse, wenn diese vorgeschaltet vor der der Kollisionszelle angeordnet ist, kann in einer solchen Anordnung ungefähr 1×10^-5 mbar betragen. Wenn kein Gas in der Zelle bereitgestellt wird, kann der Druck in der Zelle ungefähr 10^-5 mbar betragen, und der Druck in der Linse kann ungefähr 5×10^-7 mbar betragen. Die zweite Kammer kann vorzugsweise eine Detektorkammer sein. Die Detektorkammer, die vorzugsweise mit einem Druck von 10^-6 bis 10^-7 mbar betrieben werden kann, kann weitere Komponenten umfassen, zum Beispiel einen Massenfilter. Der Massenfilter, der vorgeschaltet vor der Linsenbaugruppe und der zweiten Kammer (z. B. zur Aufnahme des Detektors) angeordnet ist, kann vorzugsweise auf denselben Druck gepumpt werden, z. B. 10^-5 bis 10^-7 mbar oder 10^-6 bis 10^-7 mbar.
• Die Umschaltzeit zwischen einem normalen (Übertragungs-) Modus und einem Reflexionsmodus der elektrostatischen Linse ist vorzugsweise kurz. Die Umschaltzeit kann weniger als 10 ms, weniger als 5 ms, weniger als 4 ms, weniger als 3 ms, weniger als 2 ms, weniger als 1 ms, weniger als 0,5 ms, weniger als 0,2 ms oder weniger als 0,1 ms betragen. Vorzugsweise beträgt die Umschaltzeit weniger als 1 ms.
• In einigen Ausführungsformen liegt die Umschaltzeit im Bereich von 0,1 bis 10°ms, im Bereich von 0,5 bis 5 ms, im Bereich von 1 bis 10°ms oder im Bereich von 1 bis 5°ms.
• In einigen Betriebsmodi erfolgt keine Massenfilterung des reflektierten Strahls vor dem Eintritt in den Detektor. Optional kann die Massenfilterung vorgeschaltet vor der Reflexionslinse durchgeführt werden, sodass der reflektierte Ionenstrahl, der in den außeraxialen Detektor eintritt, und/oder der übertragene Ionenstrahl repräsentativ für die Massenauswahl eines vorgeschaltet angeordneten Massenfilters ist. Zum Beispiel kann die Linsenbaugruppe so betrieben werden, dass während des Übertragungsmodus Partikel innerhalb eines breiten Massenbereichs übertragen werden, was einen Modus im Wesentlichen ohne m/z-Filterung repräsentiert. Das bedeutet, dass Ionen unabhängig von ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis durch den Massenfilter hindurch übertragen werden. Allerdings werden im Reflexionsmodus nur Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis reflektiert, was das Ergebnis einer vorgeschaltet angeordneten Massenauswahl durch einen Massenfilter sein kann.
• Ein Massenfilter kann ein Massenfilter sein, der Elektroden umfasst, die in einem Masse-zu-Ladung-Filtermodus (m/z) mit einer Kombination aus Hochfrequenz- (HF-) und Gleichspannungen versorgt werden, während sie in einem Nicht-Filtermodus im Wesentlichen nur mit HF-Spannung versorgt werden. Anders ausgedrückt: Der Nicht-Filtermodus ist vorzugsweise ein reiner HF-Modus. In diesem Modus sind die Ionen unabhängig von ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis innerhalb des Massenfilters stabil und werden folglich durch ihn hindurch übertragen. Es ist möglich, dass während des Übertragungsmodus zusätzlich zur HF-Spannung eine geringe Gleichspannung an die Elektroden angelegt wird. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis Gleichspannung zu HF-Spannung in dem Nicht-Filtermodus 0,0 (d. h. nur HF-Spannung, keine Gleichspannung) oder nicht mehr als 0,001 oder nicht mehr als 0,01 oder nicht mehr als 0,05 oder nicht mehr als 0,1. Infolgedessen sollte im vorliegenden Kontext im Wesentlichen nur HF-Spannung verwendet werden, was bedeutet, dass das Verhältnis Gleichspannung zu HF-Spannung die zuvor erwähnten Werte nicht übersteigt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis Gleichspannung zu HF-Spannung 0,0.
• Vorzugsweise ist der Massenfilter ein Multipol-Filter. Die Elektroden des Filters sind daher vorzugsweise die Stäbe eines Multipol-Massenfilters. Der Multipol kann ein Quadrupol, ein Hexapol oder ein Oktapol sein. Vorzugsweise ist der Multipol ein Quadrupol. Der Quadrupol kann ein dreidimensionaler Quadrupol sein oder er kann ein zweidimensionaler, d. h. linearer, Quadrupol sein. Die Stäbe des Multipols können runde Stäbe sein oder sie können hyperbolische Stäbe sein. In einigen Ausführungsformen ist der Multipol ein Flatapol, bei dem die Stäbe flach sind, d. h. die Stäbe haben eine flache Oberfläche.
• Der Detektor zum Detektieren der reflektierten Partikel kann vorgeschaltet vor der Linsenbaugruppe angeordnet sein, angrenzend an einen vorgeschaltet angeordneten Massenfilter, zum Beispiel einen Quadrupol. Eine derartige Anordnung profitiert von dem höheren Vakuum in der Nähe des Massenfilters, verglichen mit einer nachgeschalteten Anordnung, zum Beispiel einer Detektoranordnung in der Nähe einer Kollisionszelle, bei der die Vakuumbedingungen relativ schwach sind. Infolgedessen werden bessere Detektionsbedingungen bereitgestellt, unabhängig davon, ob eine nachgeschaltet angeordnete Kollisionszelle mit Kollisionsgas versorgt wird oder nicht.
• Die Anordnung hat den weiteren Vorteil, dass ein Massenspektrum eines eintreffenden Ionenstrahls schnell ermittelt werden kann, wozu der erste Massenfilter verwendet wird (z. B. ein Quadrupol, der in einem Scanmodus betrieben wird, d. h. das gefilterte m/z-Verhältnis der Ionen verändert wird), wobei während des Reflexionsmodus die elektrostatische Linse so ausgelegt ist, dass sie den eintreffenden Ionenstrahl zurück in den Detektor reflektiert. Während dieser Zeit kann ein vollständiges Massenspektrum, oder ein Massenspektrum innerhalb eines vorgegebenen Massenfensters, durch den Detektor ermittelt werden, der mit dem scannenden Massenfilter verwendet wird. Ein solcher Scan kann wichtige Informationen über die elementare Zusammensetzung der zu analysierenden Probe liefern, die zum Beispiel eine Probe unbekannter Zusammensetzung (z. B. ein Meteorit) und/oder eine Probe mit unbekannter Isotopenzusammensetzung sein kann. Im Anschluss an den Massenscan, der sehr schnell geht, wenn der erste Massenfilter ein Multipol ist, kann eine Umschaltung in den ersten Übertragungsmodus erfolgen, um die Ionen zu einem nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator zu richten, beispielsweise um die Isotopenzusammensetzung bestimmter Elemente oder molekularen Spezies in der Probe zu ermitteln. Währen dieses Modus kann der Massenfilter-Quadrupol so eingerichtet sein, dass Ionen in einem bestimmten Massenbereich, der üblicherweise breit genug ist, um gleichzeitig alle Massen von Interesse zu übertragen, in einen nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator übertragen werden, zum Beispiel einen Multikollektor-Massenanalysator für Isotopenverhältnismessungen. Diese Anordnung hat deutliche Vorteile gegenüber den derzeit verwendeten Lösungen, bei denen ein Ionenstrahl aufgeteilt werden muss, z. B. in zwei getrennte Instrumente, für unterschiedliche Typen von Massenanalyse in den beiden Instrumenten.
• Die Linsenbaugruppe kann des Weiteren mindestens einen Spannungsgenerator enthalten, der dem Anlegen von einer oder mehreren Spannungen an die Linsenbaugruppe dient. Die Linsenbaugruppe kann des Weiteren mindestens eine Steuerungseinrichtung enthalten, die dazu ausgelegt ist, die Linsenbaugruppe zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Linse für eine erste Periode in einem Scanmodus zu betreiben, während dem Ionen mit einem oder mehreren Masse-zu-Ladung-Verhältnissen in die Linse reflektiert werden, wobei die Masse-zu-Ladung-Verhältnisse der reflektierten Ionen durch einen Massenfilter gesteuert werden, der sich der Linsenbaugruppe vorgeschaltet befindet, und für eine zweite Periode in einem Übertragungsmodus, während dem Ionen mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einem Bereich, der substantiell größer als während des Scanmodus ist, entlang der ersten Achse durch die Linse hindurch übertragen werden. Während der ersten Periode kann ein vollständiges Massenspektrum, oder ein partielles Massenspektrum, einer Probe gewonnen werden, und während der zweiten Periode kann die Massenanalyse eines ausgewählten Massenbereichs durchgeführt werden, wozu ein nachgeschaltet angeordneter Massenanalysator verwendet wird, zum Beispiel ein Sektorfeld-Multikollektor zur Ermittlung des Isotopenverhältnisses von einem oder mehreren Elementen.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Betreiben einer elektrostatischen Linse entsprechend der vorliegenden Erfindung bereit. Das Computerprogramm kann vorzugsweise einen Programmcode umfassen, der die Steuerungseinrichtung in die Lage versetzt, bei Ausführung des Programms auf einem Computer der Steuerungseinrichtung, die elektrostatische Linse zu betreiben. Das Programm kann daher Code umfassen, der die Steuerungseinrichtung in die Lage versetzt, zwischen einem Übertragungsmodus und einem Reflexionsmodus der elektrostatischen Linse umzuschalten. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf ein computerlesbares Medium, welches das Computerprogramm enthält. Das Computermedium ist vorzugsweise durch einen Computer lesbar, sodass das Programm auf dem Computer ausgeführt werden kann.
• Die Anordnung, bei der ein einziges Instrument einen einzelnen Ionenstrahl analysiert, resultiert in erhöhter Empfindlichkeit und einem vollständigen Probenfluss innerhalb eines einzigen Instruments sowie in reduzierten Kosten und geringerer Komplexität. Eine entscheidende Überlegung ist die Tatsache, dass die Probe für beide Betriebsmodi in derselben ICP-Quelle ionisiert wird, z. B. für einen vollständigen Massenscan und eine Isotopenverhältnismessung. Im Gegensatz dazu wird bei den aktuellen Instrumenten mit geteiltem Strom die Probe in zwei unabhängigen Ionenquellen ionisiert, weshalb die Analyseergebnisse unterschiedlich sein können. Die Verfügbarkeit eines Überblicks-Scans zum Detektieren der Probenzusammensetzung und einer Isotopenverhältnismessung auf der Basis identischer Probenzusammensetzung, weil beide Ionenströme in derselben Ionenquelle gebildet werden, bietet analytische Vorteile in Bezug auf die Integrität von beiden Datenströmen. Der schnelle Überblicks-Massenscan mithilfe der elektrostatischen Linse in dem Reflexionsmodus (Spiegelmodus) kann mit Messungen mithilfe eines konventionellen Massenspektrometers, etwa eines Multikollektor-Instruments, verflochten werden. Da Multikollektor-Instrumente üblicherweise mit Faraday-Detektoren arbeiten, haben die Auswirkungen der Ablenkung des Ionenstrahls für einen kurzen Zeitraum (Millisekunden) zur Durchführung eines Massenscans keinen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Präzision, die für die Isotopenverhältnisanalyse erforderlich ist. Der kombinierte Effekt der Ermittlung der elementaren Zusammensetzung und der Ermittlung des Isotopenverhältnisses mit hoher Präzision, unter Verwendung derselben Probe, zur selben Zeit und aus derselben Analytquelle (derselbe Laserpunkt im Fall der Laserabtragung) verbessert die Spezifität der Analyse erheblich.
• Es lässt sich leicht nachvollziehen, dass die relativen Positionen des Detektors zur Gewinnung des vollständigen Scans und der Kollisionszelle bzw. des Massenanalysators in anderen Ausführungsformen getauscht sein können, d. h. wobei der Detektor vom Ionenstrahl erreicht wird, wenn die Linse im Übertragungsmodus betrieben wird, und die Kollisionszelle bzw. der Massenanalysator vom Ionenstrahl erreicht wird, wenn die Linse im Reflexionsmodus betrieben wird.
• Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung auch ein Massenspektrometer bereit, das umfasst: eine Ionenquelle; mindestens einen Massenfilter zur Übertragung von Ionen aus der Ionenquelle; mindestens eine elektrostatische Linsenbaugruppe zur selektiven Übertragung des Ionenstrahls entlang zweier getrennter Pfade, wobei die Linsenbaugruppe betrieben werden kann, um ein umschaltbares elektrisches Feld zum Richten eines Ionenstrahls bereitzustellen, der entlang eines ersten Pfads aus der Ionenquelle in die Linse eindringt, sodass in einem ersten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl selektiv entlang des ersten Pfads durch die Linse hindurch richtet, und in einem zweiten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl entlang eines zweiten Pfads reflektiert; mindestens einen Massenanalysator zum Analysieren von Ionen, die in der Linsenbaugruppe übertragen und/oder reflektiert werden; und mindestens einen Detektor zum Detektieren von Ionen, die durch den Massenanalysator analysiert werden. Die Linsenbaugruppe, die mit dem Massenspektrometer betrieben werden kann, kann so konfiguriert sein, wie das hier weiter beschrieben ist.
• Das Massenspektrometer kann mindestens einen Massenanalysator zum Analysieren von Ionen umfassen, die durch die elektrostatische Linse hindurch entlang des ersten Pfads übertragen werden, und mindestens einen Detektor zum Detektieren von Ionen, die durch die elektrostatische Linsenbaugruppe entlang des zweiten Pfads reflektiert werden. Die elektrostatische Linse kann in der Fokussierung und/oder reduzierten Strahldivergenz des Ionenstrahls resultieren, der in der Linse übertragen und/oder reflektiert wird.
• In Verfahren zum Betreiben eines Massenspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung kann es folgende Schritte geben: das Übertragen eines Ionenstrahls aus einer Ionenquelle durch mindestens einen Massenfilter hindurch; das selektive Richten des Ionenstrahls, der durch den Massenfilter hindurch übertragen wird, sodass während mindestens einer Übertragungsperiode Ionen in einem ersten Massenbereich, die durch den ersten Massenfilter übertragen werden, entlang eines ersten Pfads gerichtet werden, und während mindestens einer Scanperiode Ionen mit mindestens einem wählbaren Masse-zu-Ladung-Verhältnis, die durch den Massenfilter übertragen werden, zu einem Detektor entlang eines zweiten Pfads gerichtet werden, wobei das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der reflektierten Ionen durch den Massenfilter gescannt wird; wobei Ionen, die während der Übertragungsperiode durch den ersten Massenfilter übertragen werden, weiter übertragen werden zu mindestens einem Massenanalysator, wobei die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt werden und wobei die somit getrennten Ionen durch mindestens einen Detektor detektiert werden.
• Die Scanperiode kann vorzugsweise kurz sein, z. B. weniger als ungefähr 20 %, weniger als ungefähr 10 %, weniger als ungefähr 5 %, weniger als ungefähr 4 %, weniger als ungefähr 3 %, weniger als ungefähr 2 % oder weniger als ungefähr 1 % der Übertragungsperiode. Bei Verwendung der Laserabtragung als Quelle der Probenionen ist die Impulsstärke im Allgemeinen glockenförmig. Das bedeutet, dass die Periode des Scannens erhöht werden könnte, ohne dass das wesentlichen Einfluss auf die Empfindlichkeit der nachgeschaltet angeordneten Massenanalyse für den Übertragungsmodus hat. Zum Beispiel könnte die Scanperiode während eines solchen Betriebs bis zu 50 %, bis zu 40 % oder bis zu 30 % betragen könnte. Im Allgemeinen kann die Scanperiode im Bereich von 0,5 bis 50 %, im Bereich von 1 bis 40 %, im Bereich von 1 bis 30 %, im Bereich von 1 bis 20 % oder im Bereich von 1 bis 10 % der Übertragungsperiode betragen.
• Das Massenspektrometer kann des Weiteren mindestens eine Kollisionszelle umfassen. Die Kollisionszelle kann nachgeschaltet nach der elektrostatischen Linse angeordnet sein und dazu konfiguriert sein, Ionen zu empfangen, die durch die Linse übertragen wurden. Das Massenspektrometer kann des Weiteren mindestens einen Massenfilter enthalten, der als eine Multipol-Baugruppe bereitgestellt ist. Der Massenfilter kann in einem ersten Filtermodus betrieben werden, um einen Teil des Ionenstrahls mit einem wählbaren Masse-zu-Ladung-Verhältnis in die elektronische Linse zu übertragen, wobei der Strahl entlang des zweiten Pfads reflektiert wird; und kann in einem zweiten Breitmassenmodus betrieben werden, um Ionen eines Massenbereichs, der substantiell größer als während des Filtermodus ist, zu übertragen, wobei während des Breitmassenmodus der übertragene Ionenstrahl entlang des ersten Pfads durch die Linsenbaugruppe hindurch übertragen wird.
• Während der Übertragungsperiode kann der erste Massenfilter dazu eingerichtet sein, nur Ionen innerhalb eines Bereichs mit vorgegebenem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu übertragen. Die übertragenen Ionen können so ausgewählt werden, dass sie ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis innerhalb eines Gesamtbereichs von nicht mehr als ungefähr 40 amu (ungefähr 66 × 10^-27 kg) um ein vordefiniertes Verhältnis herum haben, vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 30 (ungefähr 50 × 10^-27 kg), ungefähr 25 (ungefähr 42 × 10^-27 kg) oder ungefähr 20 (ungefähr 33 × 10^-27 kg). Der Filter kann damit vorzugsweise so eingestellt werden, dass er keine Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis überträgt. Zum Beispiel kann der Massenfilter so eingestellt werden, dass er Ionen überträgt, die innerhalb eines bestimmten Massenbereichs liegen. Der Massenbereich kann so ausgewählt werden, dass er keine Plasmagasionen enthält, zum Beispiel Argonionen, d. h. ⁴⁰Ar⁺. Der erste Massenfilter kann auch in einem reinen HF-Modus betrieben werden, wodurch es effektiv keine Massenunterscheidung durch den Massenfilter gibt.
• In Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können die Ionen vorzugsweise durch eine Kollisionszelle hindurch übertragen werden, bevor sie zu dem Massenanalysator übertragen werden. Vorzugsweise ist die Übertragungsperiode substantiell größer als die Scanperiode (Reflexionsperiode). Zum Beispiel beträgt die Dauer der mindestens einen Scanperiode weniger als ungefähr 20 % der mindestens einen Übertragungsperiode, beispielsweise weniger als ungefähr 10 %, weniger als ungefähr 5 %, weniger als ungefähr 3 %, weniger als ungefähr 2 %, weniger als ungefähr 1 % oder weniger als ungefähr 0,5 % der mindestens einen Übertragungsperiode.
• Während der Scanperiode kann der erste Massenfilter dazu ausgelegt sein, Ionen mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu übertragen, das in einem Fenster von weniger als 1,0 (1,7 × 10^-27 kg), vorzugsweise von weniger als 0,8 (1,3 × 10^-27 kg), weniger als 0,7 (1,2 × 10^-27 kg) oder weniger als 0,6 amu (1,0 × 10^-27 kg) liegt.
• Die Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung können auch ein Verfahren einschließen, das die folgenden Schritte umfasst: (i) das Übertragen des Ionenstrahls in den Massenfilter; (ii) während einer Scanperiode, das Betreiben des Massenfilters, sodass Ionen innerhalb einer Vielzahl von Massenbereichen, die jeweils geringer als 1 amu (1,7 × 10^-27 kg) sind, sequentiell durch den Massenfilter übertragen werden, und das selektive Richten der somit übertragenen Ionen entlang des zweiten Pfads, in mindestens einen Detektor, um ein Massenspektrum zu ermitteln; und (iii) während einer Übertragungsperiode, das selektive Richten von Ionen in einem ersten Massenbereich (vorzugsweise nicht massengefiltert, oder massengefiltert mit einem substantiell größeren Massenbereich als während der Scanperiode), die durch den ersten Massenfilter entlang des ersten Pfads gerichtet werden, in mindestens einen Massenanalysator. Es kann des Weiteren Schritte geben, die zusätzliche aufeinanderfolgende Schritte des Betreibens des Massenfilters in einem Scanmodus, gefolgt vom Betreiben des Massenfilters in einem Übertragungsmodus, umfassen. Vorzugsweise ist jede Scanperiode weniger als 100 ms lang, vorzugsweise weniger als 50 ms. Das Umschalten zwischen einer Scanperiode und einer Übertragungsperiode wird in weniger als 20 ms, vorzugsweise in weniger als 15 ms, besonders bevorzugt in weniger als 10 ms durchgeführt.
• In einigen Ausführungsformen könnte die Beurteilung eines Überblicks-Massenscans zur Bereitstellung von Informationen über die Probenzusammensetzung in datengestützten Entscheidungen resultieren. Zum Beispiel könnte auf der Basis der Zusammensetzung einer Probe eine Entscheidung getroffen werden, welches Isotopensystem in dem zweiten Massenanalysator analysiert werden soll und wie lange die Messung dauern sollte. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr Isotopensysteme gemessen werden, wobei auf der Basis der Ergebnisse des Überblicks-Scans die Messdauer für jedes Isotopensystem ausgewählt werden würde.
• Es ist auch möglich, den Überblicks-Scan zur Zurückweisung von Proben für die Isotopenmessung zu verwenden, basierend auf der Feststellung des Vorhandenseins einer großen Menge von Störungsspezies in dem Überblicks-Scan. In solchen Ausführungsformen kann die Isotopenmessdauer auf null gesetzt werden und das Instrument so eingestellt werden, dass es zur folgenden zu analysierenden Probe springt.
• Es ist auch möglich, dem Plasma verschiedene Gase hinzuzufügen, um die Abstimmung auf bestimmte Matrixzusammensetzungen zu erreichen, damit Matrixeffekte aufgrund unterschiedlicher Probenzusammensetzungen in der ICP-Quelle eliminiert oder standardisiert werden.
• Wenn die elektrostatische Linse entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einem Massenspektrometer verwendet wird, das mit einer Kollisionszelle arbeitet, kann die Linse auf den Übertragungsmodus eingestellt werden, um den Ionenstrahl in die Kollisionszelle zu richten und zu fokussieren. Die Kollisionszelle kann dann mit geeigneten Gasen und/oder Gasmischungen unter Druck gesetzt werden, in Abhängigkeit von der durchgeführten Analyse. Zum Beispiel kann He-Gas als eine Kollisionsquelle verwendet werden. Optional kann ein weiteres reaktives Gas hinzugefügt werden, um chemische Reaktionen innerhalb der Kollisionszelle einzuleiten bzw. zu stimulieren. Beispielsweise werden durch das Hinzufügen von Sauerstoffgas zur Zelle bestimmte Elemente in die entsprechenden Oxide umgewandelt. Andere reaktive Gase, die verwendet werden können, schließen NH₃, SO₂ und H₂ ein.
• Die elektrostatische Linse kann vorgeschaltet vor einer Kollisionszelle angeordnet werden, zwischen der Kollisionszelle und der Ionenquelle. Zum Beispiel kann die Linse zwischen einem Massenfilter und einer Kollisionszelle angeordnet werden. Die Linse kann auch nachgeschaltet nach einer Kollisionszelle angeordnet werden, zum Beispiel zwischen einer Kollisionszelle und einem Massenanalysator. In einer Anwendung einer solchen Konfiguration kann ein vollständiges Massenspektrum von Ionen, die durch die Kollisionszelle passieren, gewonnen werden sowie eine Isotopenzusammensetzungsanalyse durch einen nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator, wie z. B. ein Sektor-Multikollektorinstrument.
• Nachdem die Ionen durch die Kollisionszelle hindurch passiert sind, können sie mithilfe einer Hochspannung beschleunigt werden, um in der Ionenoptik eines nachgeschaltet angeordneten Massenfilters fokussiert zu werden, zum Beispiel in einem doppeltfokussierendem hochauflösenden Multikollektor-Massenspektrometer, für die gleichzeitige Messung aller Isotopen einer bestimmten Spezies von Interesse. In einigen Ausführungsformen kann das Multikollektor-Massenspektrometer ungefähr 16 % relative Massendispersion entlang der Fokalebene abdecken. In einigen Ausführungsformen kann der Massenanalysator einem anderen Typ entsprechen, z. B. kann er ein Einzelkollektor-Sektorfeld-Massenanalysator oder ein Quadrupol-Massenanalysator sein.
• In dem Detektor des Multikollektor-Instruments kann eine Kombination aus Faraday-Käfigen und Ionenzählern installiert sein. Zum Beispiel können 9 Faraday-Käfige zusätzlich zu bis zu 8 Ionenzählern installiert sein. Der axiale Kanal kann mit einem umschaltbaren Kollektorkanal hinter dem Detektorschlitz ausgestattet sein, wo der Ionenstrahl zwischen einem Faraday-Käfig- und einem Ionenzähler-Detektor umgeschaltet werden kann. Auf jeder Seite dieses feststehenden axialen Kanals können sich vier bewegliche Detektorplattformen befinden, von denen jede einen Faraday-Käfig und damit verbunden einen oder mehrere miniaturisierte Ionenzählkanäle tragen kann. Jede zweite Plattform kann motorisiert sein und über eine computerbetätigte Steuerungseinrichtung justiert werden. Die Detektorplattformen zwischen zwei motorisierten Plattformen können durch eine oder zwei der benachbarten Plattformen in ihre Position geschoben oder gezogen werden, was eine vollständige Positionssteuerung aller beweglichen Plattformen ermöglicht.
• Die obigen Merkmale werden zusammen mit zusätzlichen Details der vorliegenden Erfindung in den nachfolgenden Beispielen weiter beschrieben, die dazu vorgesehen sind, die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, jedoch nicht dazu vorgesehen sind, ihren Umfang in irgendeiner Weise einzuschränken.
• Figurenliste
• Dem Fachmann wird einleuchten, dass die im Folgenden beschriebenen Zeichnungen lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen. Die Zeichnungen sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der hier offenbarten Lehren in irgendeiner Weise einzuschränken.
• 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer elektrostatischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in (A) die Linse im Übertragungsmodus gezeigt ist und in (B) die Linse im Reflexionsmodus gezeigt ist.
• 2 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer elektrostatischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt eine Ansicht der elektrostatischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung.
• 4 zeigt einen Teil einer Massenspektrometer-Baugruppe mit Darstellung einer Ionenquelle, eines Massenfilters, einer elektrostatischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eine Kollisionszelle, die nachgeschaltet nach der elektrostatischen Linse angeordnet ist.
• 5 zeigt einen schematischen Überblick eines Massenspektrometers, bei dem eine elektrostatische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
• Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
• Es folgt nun die detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen. Diese Beispiele werden bereitgestellt, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vertiefen, ohne deren Umfang einzuschränken.
• In der folgenden Beschreibung wird eine Reihe von Schritten beschrieben. Der Fachmann wird anerkennen, dass die Reihenfolge der Schritte - sofern nicht durch den Kontext erforderlich - nicht entscheidend für die resultierende Konfiguration und deren Wirkung ist. Darüber hinaus wird dem Fachmann einleuchten, dass unabhängig von der Reihenfolge der Schritte zwischen den Schritten zeitliche Verzögerung zwischen einigen oder allen der beschriebenen Schritte vorhanden oder nicht vorhanden sein kann.
• Es sollte anerkannt werden, dass die vorliegende Erfindung auf die Isotopenanalyse von Materialien im Allgemeinen angewendet werden kann, zum Beispiel von Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen, Partikeln und Aerosolen. Im Allgemeinen ist daher die Probe, welche in dem System analysiert wird, variabel.
• Bezug nehmend auf 1 wird eine Querschnittansicht durch das Zentrum einer zylindrischen Linsenbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Linsenbaugruppe ist nachgeschaltet nach einem Quadrupol 23 angeordnet, der ebenfalls in 4 und 5 dargestellt ist, welcher als ein Massenfilter betrieben wird und welchem ein HF-gesteuerter Nachfilterabschnitt 24 folgt. Der Nachfilterabschnitt und ein entsprechender HF-gesteuerter Vorfilterabschnitt 22, welcher vor dem Quadrupol angeordnet ist, gewährleisten den effizienten Strahltransport, sodass ein flaches Massenansprechverhalten über einen ausgewählten Massenbereich erzielt wird.
• In 1A sind außerdem Äquipotentiallinien für das elektrische Feld in der Linse während des Übertragungsmodus angegeben. Mit den angegebenen angelegten Spannungen ist das elektrische Feld symmetrisch entlang der Richtung des Ionenstrahls. Aufgrund der zylindrischen Geometrie der Baugruppe ist das Feld auch radial symmetrisch entlang der Richtung des Strahls.
• Ein Ionenstrahl 17 wird durch den Nachfilterabschnitt 24 und durch eine Eintrittsblende 7 auf einer Plattenelektrode 6 hindurch gerichtet, welche den Eingang in die elektrostatische Linse 1 repräsentiert. Die Linsenbaugruppe enthält weitere kreisförmige Plattenelektroden 4, 5 sowie ein zentrales Linsenelement, das zwei Elektroden 2, 3 umfasst, die asymmetrisch in Bezug auf den eintreffenden Ionenstrahl sind, und die durch einen Spalt 15 getrennt sind, der in einer Ebene liegt, welche nicht senkrecht zum eintreffenden Ionenstrahl ist, d. h. der Winkel zwischen einem Normalenvektor zu der Ebene und dem Ionenstrahl ist nicht null. In 1 (A) ist der Pfad des Ionenstrahls dargestellt, wenn die Linsenbaugruppe in einem Übertragungsmodus betrieben wird, angesteuert durch eine Gleichspannung von -1000 V, die an die zentralen Linsenelemente 2, 3 angelegt ist, was zu einem symmetrischen elektrischen Feld innerhalb der Baugruppe führt, das die Übertragung des eintreffenden Ionenstrahls 17 bewirkt. Die Divergenz des Ionenstrahls wird verringert, wenn dieser durch die Linsenbaugruppe hindurch passiert, d. h. der Strahl weist einen erhöhten Fokus auf, wenn er in die nachgeschaltet angeordneten Elemente des Massenspektrometers übertragen wird, durch eine Ausgangsblende 8 auf einer Plattenelektrode, welche den Austritt der elektrostatischen Linse im Übertragungsmodus repräsentiert.
• In 1 (B) ist die Linsenbaugruppe dargestellt, wenn sie in einem Reflexionsmodus betrieben wird. Hier wurde die an die zentralen Linsenelemente 2, 3 angelegte Spannung verändert, indem nun an die Elektrode 2 +330 V angelegt sind, während an die Elektrode 3 weiterhin -1000 V angelegt sind, was in einem asymmetrischen elektrischen Feld in der Linsenbaugruppe resultiert. Als ein Ergebnis des asymmetrischen Felds wird ein eintreffender Ionenstrahl 17 in dem Raum zwischen den zentralen Linsenelementen (Elektroden 2 und 3) rückwärts und seitwärts reflektiert und wird durch eine Reflexionsblende 9 auf der ersten zentralen Linsenelektrode 3 hindurch gerichtet. Der Strahl wird anschließend durch eine Ionenführung 12 hindurch übertragen und durch einen Deflektor 13 zu einem nachgeschaltet angeordneten außeraxialen Detektor 14 abgelenkt.
• Damit wird die erste Elektrode für beide Modi auf einem relativ hohen negativen Potential von -1000 V gehalten, wogegen die zweite Elektrode umgeschaltet wird von ungefähr demselben Potential wie die erste Elektrode auf ein positives Potential von ungefähr +330 V, wenn der Wechsel vom Übertragungsmodus in den Reflexionsmodus erfolgt. Die positiven Ionen werden in diesem Fall mit ungefähr 0 V Startpotential erzeugt. Im Allgemeinen könnte bei dieser Konfiguration die erste Elektrode während beider Modi auf einem negativen Potential von -1000 V bis -200 V betrieben werden, wogegen die zweite Elektrode umgeschaltet werden könnte von ungefähr demselben Potential wie die erste Elektrode auf ein positives Potential von ungefähr +80 V bis ungefähr +400 V, wenn der Wechsel vom Übertragungsmodus in den Reflexionsmodus erfolgt.
• Als ein Ergebnis des Dualmodusbetriebs der Linsenbaugruppe kann ein eintreffender Ionenstrahl in einem erstem Modus durch die Baugruppe hindurch übertragen werden, und gleichzeitig wird die Divergenz des Strahls verringert. In einem zweiten Modus wird der Strahl daran gehindert, durch die Baugruppe hindurch übertragen zu werden, und er wird stattdessen durch eine Blende hindurch zu einem außeraxialen Detektor (nicht dargestellt) abgelenkt. Ein Vorteil der Platzierung des Detektors angrenzend an einen vorgeschaltet angeordneten Massenfilter-Quadrupol besteht darin, dass sich der Detektor dabei in einer Hochvakuumregion des Massenspektrometers befindet, was zu verringertem Rauschen führt und in einer erhöhten Empfindlichkeit des Detektors resultiert. Die Linse hat daher zwei Modi, einen Übertragungsmodus und einen Reflexionsmodus. Während des Betriebs fokussiert die Linse den Ionenstrahl (verringert dessen Divergenz), um die Übertragung des Strahls zu erhöhen, sowohl im Übertragungs- als auch im Reflexionsmodus.
• In 2 ist eine schematische Darstellung der Geometire der zentralen Linsenelektroden 2, 3 zu sehen. Der Pfad eines eintreffenden und reflektierten Ionenstrahls 17 ist schematisch durch gerade Linien dargestellt, welche zwei Bewegungsachsen definieren. Der stumpfe Winkel zwischen den beiden Achsen in dieser Konfiguration beträgt 145°, was ein Ergebnis der asymmetrischen Konfiguration der Linsenbaugruppe ist. Der Winkel zwischen einem Normalenvektor zu einer Ebene, die durch den Spalt 15 definiert ist, welcher die beiden zentralen Elektroden trennt, und dem eintreffenden Strahl beträgt 15°. Das resultierende asymmetrische elektrische Feld, wenn eine positive Spannung an die zweite Elektrode 2 angelegt wird, während eine negative Spannung an der ersten Elektrode 3 beibehalten wird, resultiert in einem elektrischen Feld, das in der Lage ist, einen eintreffenden Ionenstrahl in einen außeraxialen Detektor zu reflektieren, durch eine Ionenführung 12 hindurch.
• In 3 (A) ist eine Ansicht einer Linsenbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das zentrale Linsenelement umfasst zwei rohrförmige Elektroden 2, 3, die durch einen Spalt 15 getrennt sind. Plattenelektroden 4, 6 sind am nachgeschalteten bzw. vorgeschalteten Ende der Baugruppe angeordnet. Ebenfalls angezeigt wird eine Ionenführung 12, durch welche hindurch ein reflektierter Ionenstrahl gerichtet wird, wenn die Linsenbaugruppe in einem Reflexionsmodus betrieben wird. Ein SEM-Detektor (Secondary Electron Multiplier, Sekundärelektronenvervielfacher) 14 ist hinter der Ionenführung angeordnet, wie das in (B) dargestellt ist.
• Die Linsenbaugruppe kann in einem Massenspektrometer untergebracht sein, wo es erwünscht ist, die Umschaltung eines eintreffenden Ionenstrahls zwischen zwei Bewegungsachsen vornehmen zu können. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist durch den Teil einer Massenspektrometer-Baugruppe angegeben, der in 4 dargestellt ist. Nachgeschaltet nach einer ICP-Quelle (Inductively Coupled Plasma, induktiv gekoppeltes Plasma) 20 ist eine Ablenkungslinse 21 angeordnet, die dazu dient, neutrale Partikel aus dem in der ICP-Quelle erzeugten Ionenstrahl zu entfernen. Der Strahl tritt nachfolgend in einen Quadrupol 23 ein, der von Vor- und Nachfilterelementen 22, 24 flankiert ist. Der Quadrupol kann in einem Massenfiltermodus betrieben werden, wodurch nur Massen mit einem definierten Masse-zu-Ladung-Verhältnis übertragen werden. Der Quadrupol kann auch in einen reinen HF-Modus versetzt werden, um effektiv alle eintreffenden Ionen zu übertragen. Im Anschluss an den Quadrupol gibt es eine elektrostatische Linsenbaugruppe 1, zum Beispiel eine Baugruppe, wie sie in 3 dargestellt ist, welche betrieben werden kann, um einen eintreffenden Ionenstrahl in eine nachgeschaltet angeordnete Kollisionszelle 25 zu übertragen oder den Ionenstrahl alternativ in einen außeraxialen Detektor 14 zu reflektieren.
• Die Übertragungseffizienz der elektrostatischen Linse ist ziemlich hoch. Damit kann die Übertragungseffizienz zu dem außeraxialen Detektor während des Reflexionsmodus bei 60 bis 70 % liegen. Das ist wichtig für die Empfindlichkeit, zum Beispiel wenn Proben analysiert werden, die nur in kleinsten Mengen verfügbar sind.
• In einem Scanmodus kann der Quadrupol so eingestellt werden, dass sequentiell Ionen mit einem kleinen Größenbereich wie z. B. 0,7 amu (1,2 × 10^-27 kg) übertragen werden, und die somit übertragenen Ionen können in der Linse 1 reflektiert und durch den außeraxialen Detektor 14 detektiert werden. Der Quadrupol kann sehr schnell über eine große Anzahl von Massen hinweg scannen, und daher kann ein vollständiges Massenspektrum in ungefähr 50 bis 100 ms oder weniger gewonnen werden. Dieser Scanmodus kann sehr nützlich sein, zum Beispiel wenn Proben unbekannter Zusammensetzung analysiert werden. Der Scanmodus kann auch Informationen über die Reinheit der analysierten Probe liefern. Diese Konfiguration weist gegenüber Instrumenten, bei denen die Aufteilung des Gasstroms erforderlich ist, um spezifische Massenbereiche in einem Massenanalysator zu analysieren und um in einem anderen Massenanalysator ein vollständiges Massenspektrum zu erhalten, den Vorteil auf, dass der Strahl von einer einzigen Probe analysiert wird, um sowohl ein vollständiges Massenspektrum als auch eine spezifische Massenanalyse zu erhalten, wie z. B. ein Isotopenverhältnis. Der eintreffende Strahl wird nur vorübergehend zu dem außeraxialen Detektor reflektiert, um ein vollständiges Massenspektrum zu erhalten, wobei die große Mehrheit des Strahls, und damit der Probe, verwendet wird, um eine massenspezifische Analyse in dem nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator durchzuführen, z. B. um eine Isotopenverhältnismessung zu erhalten. Im Anschluss an einen vollständigen Spektrums-Scan kann daher die Linsenbaugruppe so eingestellt werden, dass sie die Ionen durch die Linse hindurch überträgt. Die Umschaltung zwischen dem Reflexionsmodus und dem Übertragungsmodus kann sehr schnell durchgeführt werden, d. h. in ungefähr 10 ms oder weniger. Während des Übertragungsmodus wird der Ionenstrahl in die Kollisionszelle 25 übertragen. Der Quadrupol kann in diesem Modus so eingestellt werden, dass alle Massen übertragen werden, indem der Quadrupol in einen reinen HF-Modus versetzt wird. Alternativ kann der Quadrupol so eingestellt werden, dass nur Massen innerhalb eines bestimmten Bereichs übertragen werden.
• Die Kollisionszelle kann mit unterschiedlichen Gasen oder Gasmischungen unter Druck gesetzt werden, um die gewünschte Chemie in der Zelle zu stimulieren, die für eine bestimmte durchgeführte Analyse nützlich ist, z. B. eine Reaktion mit einem Kollisionsgas zur Entfernung von Störungen oder eine Reaktion mit Sauerstoff zur Bildung von Oxiden.
• Es kann von Nutzen sein, in der Lage zu sein, Ar-Ionen aus dem Strahl zu eliminieren. Diese Ionen sind eine wesentliche Komponente des Ionenstrahls in einem ICP und können zur signifikanten Ionisierung von Gas in der Kollisionszelle führen. Das kann zu Störungen der Analyse in dem nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator führen, zum Beispiel während der Isotopenverhältnisermittlung. Die Entfernung des ⁴⁰Ar-Anteils des eintreffenden Ionenstrahls kann daher zu signifikant reduzierter Störung in der Kollisionszelle führen, und als eine Konsequenz zu erhöhter Empfindlichkeit. Dementsprechend kann ein Bereich gewählt werden, bei dem die Masse des Plasmagases eliminiert wird, z. B. ⁴⁰Ar.
• In einem Betriebsmodus ist die Dualmodus-Linse in einem Isotopenverhältnis-Instrument angeordnet. Für eine solche Analyse kann es wünschenswert sein, nur Massen in einem definierten Bereich zu wählen und nur diese Massen zu der Kollisionszelle und zu einem nachgeschaltet angeordneten Massenanalysator zu übertragen. Der Massenfilter kann daher so eingestellt werden, dass nur ein bestimmter Massenbereich übertragen wird, zum Beispiel ein Massenbereich, der nur Isotope von einem oder von einigen wenigen Elementen abdeckt. Zum Beispiel könnte während einer Analyse der Masse 100 ein Massengrößenfenster von 90 bis 110 wünschenswert sein oder ein Massenfenster von ungefähr 27 bis 33 für eine Masse von 30. Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, Ionen in einem Bereich zu übertragen, der ungefähr 10 bis 20 % der zu analysierenden Masse beträgt.
• Ein Beispiel eines Massenspektrometers, das eine elektrostatische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, ist in 5 dargestellt. Hier ist ein doppeltfokussierendes Multikollektor-Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) abgebildet. Das Instrument verfügt über eine ICP-Quelle 20 und eine Ablenkungslinse 21, die vorgeschaltet vor einem Quadrupol-Massenfilter 23 angeordnet ist, eine Dualmodus-Reflexionslinse 1 und eine Kollisionszelle 25. Nach der Kollisionszelle nachgeschaltet angeordnet befindet sich ein Massenanalysator, der einen elektrischen Sektor 26 und einen magnetischen Sektor 27 umfasst, gefolgt von einer Multikollektor-Detektorbaugruppe 28.
• Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht in der Platzierung des Detektors 14 zum Detektieren der Ionen, die in der Linsenbaugruppe 1 reflektiert werden, unmittelbar neben dem Quadrupol. Der Druck in diesem Bereich des Instruments ist signifikant niedriger (d. h. höheres Vakuum) als in der Kammer, welche die nachgeschaltet angeordnete Kollisionszelle umgibt, oder in der Nähe der ICP-Quelle. Als eine Konsequenz kann das Rauschen am außeraxialen Detektor 14 auf einem Minimum gehalten werden.
• Dem Fachmann sollte offensichtlich sein, dass die elektrostatische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung in Massenspektrometern mit unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet sein kann. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Komponenten, die nachgeschaltet nach den übertragenen und reflektierten Strahlen angeordnet sind, umgekehrt sind, d. h. sodass ein Detektor unmittelbar nachgeschaltet nach der Linse angeordnet ist, um übertragene Partikel zu detektieren, und dass andere Komponenten, z. B. eine Kollisionszelle und ein weiterer Massenanalysator angeordnet sein können, um einen Strahl zu empfangen, der in der Linse reflektiert wird.
• In einer anderen Konfiguration kann es auch eine zweite, oder eine alternative, Reflexionslinsenbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung geben, die hinter (nachgeschaltet nach) der Kollisionszelle positioniert ist, jedoch vor einem Sektor-Massenanalysator. Eine derartige Konfiguration würde die Aufzeichnung eines Massenspektrums von Ionen ermöglichen, die durch die Kollisionszelle hindurch passiert, zusätzlich zu den Ionen aus der ICP-Quelle ermöglichen. Das kann beispielsweise nützlich sein für die Analyse von molekularen Addukten und/oder Fragmenten, die innerhalb der Kollisionszelle erzeugt werden.
• Der Fachmann wird anerkennen, dass die Reflexionslinse im Allgemeinen in anderen geeigneten Konfigurationen in einem Massenspektrometer verwendet werden kann, wo es nützlich ist, in der Lage zu sein, einen Fluss von eintreffenden Ionen entlang zweier unterschiedlicher und getrennter Pfade abzulenken, um individuelle nachgeschaltete Analysen durchzuführen. Damit besitzt die Linse, obwohl durch die vorstehenden beispielhaften Konfigurationen einige spezifischen Einsatzmöglichkeiten der Linse beschrieben und veranschaulicht wurden, allgemeine Einsatzmöglichkeiten als eine selektive Ionenführung, die in der Lage ist, schnell und effizient einen eintreffenden Ionenstrahl entlang zweier unterschiedlicher Pfade zu übertragen.
• Die in diesem Dokument, einschließlich in den Ansprüchen, verwendeten Singularformen der Begriffe sind so auszulegen, dass sie auch die Pluralform einschließen und umgekehrt, sofern der Kontext nichts anderes vorgibt. Damit sollte erwähnt werden, dass die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ die Pluralverweise einschließen, sofern vom Kontext nichts anderes eindeutig vorgeschrieben ist.
• In der gesamten Beschreibung und den gesamten Ansprüchen sollen die Begriffe „umfassen“, „beinhalten“, „aufweisen“ und „enthalten“ sowie deren Varianten so verstanden werden, dass sie die Bedeutung von „einschließlich, jedoch ohne Beschränkung darauf haben und nicht beabsichtigen, weitere Komponenten auszuschließen.
• Die vorliegende Erfindung deckt auch die exakten Begriffe, Merkmale, Werte und Bereiche usw. in dem Fall ab, dass diese Begriffe, Merkmale, Werte und Bereiche usw. in Verbindung mit Begriffen wie „ungefähr“, „etwa“, „im Allgemeinen“, „im Wesentlichen“, „mindestens“ usw. verwendet werden (z. B. soll „ungefähr 3“ auch genau 3 abdecken, oder „im Wesentlichen konstant“ soll auch genau konstant abdecken).
• Die Formulierung „mindestens ein“ sollte so verstanden werden, dass sie „ein oder mehrere“ bedeutet und daher beide Ausführungsformen einschließt, die eine oder mehrere Komponenten einschließen. Darüber hinaus haben abhängige Ansprüche, die sich auf unabhängige Ansprüche beziehen, welche Merkmale mit „mindestens ein“ beschreiben, dieselbe Bedeutung, sowohl wenn das Merkmals als „das“ als auch als „das mindestens eine“ bezeichnet wird.
• Es sollte nachvollziehbar sein, dass Varianten der vorstehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, die dennoch unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Die in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale können, sofern nichts anderes angegeben ist, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. Sofern nichts anderes angegeben ist, ist somit jedes offenbarte Merkmal ein Beispiel einer allgemeinen Reihe äquivalenter oder ähnlicher Merkmale.
• Die Verwendung von exemplarischer Sprache, wie etwa „zum Beispiel“, „wie beispielsweise“, „beispielsweise“ und dergleichen soll lediglich die vorliegende Erfindung besser veranschaulichen und weist nicht auf eine Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung hin, sofern nichts anderes beansprucht wird. Alle in dieser Beschreibung beschriebenen Schritte können in jeder beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, sofern der Zusammenhang nichts anderes klar vorgibt.
• Alle in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale und/oder Schritte können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, in denen sich zumindest einige der Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale der vorliegenden Erfindung auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in jeder beliebigen Kombination genutzt werden.

Claims (30)

1. Elektrostatische Dualmodus-Linsenbaugruppe (1) zur selektiven Übertragung oder Reflexion eines Ionenstrahls (17) in einem Massenspektrometer, die Linsenbaugruppe (1) umfassend eine koaxiale Anordnung von mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3), die durch einen Spalt (15) in einer Ebene, die nicht senkrecht zum eintreffenden Ionenstrahl (17) ist, getrennt sind, und wobei die Elektroden (2, 3) betrieben werden können, um ein umschaltbares elektrisches Feld bereitzustellen, das, während eines ersten Betriebsmodus, einen Ionenstrahl (17), der in die Linsenbaugruppe (1) eindringt, entlang eines ersten linearen Pfads richtet, sodass der Ionenstrahl (17) durch die Linsenbaugruppe (1) hindurch entlang des ersten Pfads übertragen wird, und während eines zweiten Betriebsmodus einen Ionenstrahl (17), der in die Linsenbaugruppe (1) eindringt, entlang des ersten Pfads richtet, sodass der Ionenstrahl (17) durch das elektrische Feld reflektiert wird und die Linsenbaugruppe (1) entlang eines zweiten Pfads verlässt, wobei der Winkel zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad im Bereich von 100° bis 170° liegt.
2. Linsenbaugruppe (1) gemäß Anspruch 1, wobei das elektrische Feld während des ersten Betriebsmodus in Bezug auf die Richtung oder Bewegung des eintreffenden Ionenstrahls (17) symmetrisch ist und während des zweiten Betriebsmodus das elektrische Feld innerhalb der Linsenbaugruppe (1), welches den Ionenstrahl (17) entlang des zweiten Pfads reflektiert, asymmetrisch ist.
3. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Winkel zwischen den Pfaden im Bereich von 120° bis 160°, besonders bevorzugt von 130° bis 150°, am meisten bevorzugt von 140° bis 150° liegt.
4. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linsenbaugruppe (1) eine erste Blende und eine zweite Blende, durch welche hindurch der Partikelstrahl (7) in die und aus der Linsenbaugruppe (1) übertragen wird, entlang des ersten Pfads aufweist, wobei die Linsenbaugruppe (1) des Weiteren eine Reflektionsblende, durch welche hindurch der Ionenstrahl (17) aus der Linsenbaugruppe (1) heraus reflektiert wird, entlang des zweiten Pfads aufweist; und die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden so angeordnet sind, dass sie ein elektrisches Feld für das Richten des Ionenstrahls (17) innerhalb der Linsenbaugruppe (1) erzeugen, sodass in einem ersten Modus, bei dem ein erster Satz von einer oder mehreren Spannungen an die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden angelegt ist, die elektrostatische Linsenbaugruppe (1) ein elektrisches Feld aufweist, das den Ionenstrahl (17) selektiv durch die erste und die zweite Blende hindurch entlang des ersten Pfads überträgt, und in einem zweiten Modus, bei dem ein zweiter Satz von einer oder mehreren Spannungen an die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3) angelegt ist, die elektrostatische Linsenbaugruppe (1) ein elektrisches Feld aufweist, das den Ionenstrahl (17), der durch die erste Blende hindurch übertragen wird, selektiv entlang des zweiten Pfads durch die Reflektionsblende hindurch reflektiert.
5. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei an die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3) im ersten Betriebsmodus dieselbe Spannung angelegt ist, um die Ionenstrahlübertragung zu bewirken, und im zweiten Betriebsmodus verschiedene Spannungen an sie angelegt sind, um die Ionenstrahlreflektion zu bewirken.
6. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3), wenn das erste Set von Spannungen angelegt ist, in dem ersten Modus ein elektrisches Feld erzeugen, das eine axiale Symmetrie aufweist, um die Ionenstrahlenübertragung zu bewirken, und wenn das zweite Set von Spannungen angelegt ist, in dem zweiten Modus ein elektrisches Feld erzeugen, das keine axiale Symmetrie aufweist, um die Ionenstrahlreflektion zu bewirken.
7. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3) koaxial auf dem ersten Pfad angeordnet sind.
8. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 7, wobei die Reflektionsblende durch einen Spalt (15) zwischen den mindestens zwei Elektroden (2, 3) in der Linsenbaugruppe (1) oder durch eine Öffnung in mindestens einer Elektrode bereitgestellt wird, durch welche hindurch der Ionenstrahl (17) in der Linsenbaugruppe (1) reflektiert wird.
9. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linsenbaugruppe (1) mindestens eine weitere Elektrode umfasst, die den beiden Elektroden vorgeschaltet angeordnet sind, und/oder mindestens eine weitere Elektrode umfasst, die den beiden Elektroden nachgeschaltet angeordnet sind.
10. Linsenbaugruppe (1) gemäß Anspruch 9, wobei die mindestens eine weitere Elektrode eine Plattenelektrode (4, 6) ist, die eine weitere Blende auf dem ersten Pfad aufweist.
11. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend mindestens eine Ionenführung (12), die der Linsenbaugruppe (1) nachgeschaltet entlang des ersten und/oder zweiten Pfads angeordnet ist, wobei die Ionenführung (12) darin ein elektrisches Feld zum Richten des Ionenstrahls (17) erzeugt, der reflektiert wird und/oder in der Linsenbaugruppe (1) übertragen wird.
12. Linsenbaugruppe (1) gemäß Anspruch 11, des Weiteren umfassend mindestens einen Detektor (14), welcher der Ionenführung (12) nachgeschaltet angeordnet ist.
13. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linsenbaugruppe (1) so angeordnet ist, dass sie Ionen in eine Kammer richtet, die mit einem unterschiedlichen Druck betrieben wird als die elektrostatische Linsenbaugruppe (1), bevorzugt so, dass das Verhältnis des Drucks in den beiden Kammern mindestens 10 beträgt.
14. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linsenbaugruppe (1) so angeordnet ist, dass sie Ionen in eine erste Kammer richtet, die mit einem Druck betrieben wird, der im Bereich von 5×10^-3 bis 10^-5 mbar liegt, und eine zweite Kammer, die mit einem Druck betrieben wird, der im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 mbar liegt.
15. Linsenbaugruppe (1) gemäß Anspruch 14, wobei der Detektor (14) in der zweiten Kammer angeordnet ist, die mit einem Druck von 10^-6 bis 10^-7 mbar betrieben wird.
16. Linsenbaugruppe (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend mindestens eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Linsenbaugruppe (1) für eine erste Periode in einem Scanmodus zu betreiben, während dem Ionen mit einem oder mehreren Masse-zu-Ladung-Verhältnissen in die Linse reflektiert werden, wobei die Masse-zu-Ladung-Verhältnisse der reflektierten Ionen durch einen Massenfilter (23) gesteuert werden, der sich der Linsenbaugruppe (1) vorgeschaltet befindet, und für eine zweite Periode in einem Übertragungsmodus, während dem Ionen mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einem Bereich, der substantiell größer als während des Scanmodus ist, entlang der ersten Achse durch die Linse hindurch übertragen werden.
17. Massenspektrometer, umfassend: - eine Ionenquelle (20); - mindestens einen Massenfilter (23), zur Übertragung von Ionen aus der Ionenquelle (20); - mindestens eine elektrostatische Linsenbaugruppe (1) zur selektiven Übertragung eines Ionenstrahls (17) entlang zweier getrennter Pfade, wobei die Linsenbaugruppe (1) eine koaxiale Anordnung von mindestens zwei rohrförmigen Elektroden (2, 3) umfasst, die durch einen Spalt (15) in einer Ebene, die nicht senkrecht zum eintreffenden Ionenstrahl (17) ist, getrennt sind, wobei die Linsenbaugruppe (1) betrieben werden kann, um ein umschaltbares elektrisches Feld zum Richten eines Ionenstrahls (17) bereitzustellen, der entlang eines ersten linear Pfads aus der Ionenquelle (20) in die Linsenbaugruppe (1) eindringt, sodass in einem ersten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl (17) selektiv entlang des ersten Pfads durch die Linsenbaugruppe (1) hindurch richtet, und in einem zweiten Betriebsmodus das elektrische Feld den Ionenstrahl (17) entlang eines zweiten Pfads reflektiert, wobei der Winkel zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad im Bereich von 100° bis 170° liegt; - mindestens einen Massenanalysator zum Analysieren von Ionen die in der Linsenbaugruppe (1) übertragen und/oder reflektiert werden; und - mindestens einen Detektor (14) zum Detektieren von Partikeln, die durch den Massenanalysator analysiert werden.
18. Massenspektrometer gemäß Anspruch 17, wobei die elektrostatische Linsenbaugruppe (1) als eine Linsenbaugruppe (1) bereitgestellt ist, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 16 dargelegt ist.
19. Massenspektrometer gemäß Anspruch 17 oder Anspruch 18, umfassend mindestens einen Massenanalysator zum Analysieren von Ionen, die durch die elektrostatische Linsenbaugruppe (1) hindurch entlang des ersten Pfads übertragen werden, und mindestens einen Detektor (14) zum Detektieren von Ionen, die durch die elektrostatische Linsenbaugruppe (1) entlang des zweiten Pfads reflektiert werden.
20. Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, des Weiteren umfassend mindestens eine Kollisionszelle (25), die der elektrostatischen Linsenbaugruppe (1) nachgeschaltet angeordnet ist und zum Empfangen von Ionen konfiguriert ist, die durch die Linsenbaugruppe (1) übertragen werden.
21. Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Massenfilter (23) in einem ersten Filtermodus betrieben werden kann, um einen Teil des Ionenstrahls (17) mit einem wählbaren Masse-zu-Ladung-Verhältnis in die elektronische Linsenbaugruppe zu übertragen, wobei der Ionenstrahl (17) entlang der zweiten Achse reflektiert wird; und in einem zweiten Breitmassenmodus betrieben werden kann, um Ionen eines Massenbereichs, der substantiell größer als während des Filtermodus ist, zu übertragen, wobei während des Breitmassenmodus der übertragene Ionenstrahl (17) entlang der ersten Achse durch die Linsenbaugruppe (1) hindurch übertragen wird.
22. Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die elektrostatische Linsenbaugruppe (1), im Betrieb, Ionen in Kammern richtet, die mit unterschiedlichem Druck betrieben werden, sodass das Verhältnis der Drücke in den Kammern mindestens 10 beträgt.
23. Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Ionenquelle eine ICP-Ionenquelle (20) ist und der Massenfilter (23) so betrieben werden kann, dass keine Plasmagasionen, bevorzugt Argon-Plasmagasionen, übertragen werden.
24. Verfahren, das das Betreiben des Massenspektrometers nach einem der Ansprüche 17 bis 23 umfasst, wobei das Verfahren umfasst: • das Übertragen des Ionenstrahls (17) aus der Ionenquelle (20) durch den mindestens einen Massenfilter (23) hindurch; • das selektive Richten des Ionenstrahls (17), der durch den Massenfilter (23) hindurch übertragen wird, sodass o während mindestens einer Übertragungsperiode Ionen in einem ersten Massenbereich, die durch den ersten Massenfilter (23) übertragen werden, entlang des ersten Pfads gerichtet werden, und o während mindestens einer Scanperiode Ionen mit mindestens einem wählbaren Masse-zu-Ladung-Verhältnis, die durch den Massenfilter (23) übertragen werden, zu dem Detektor (14) entlang des zweiten Pfads gerichtet werden, wobei das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der reflektierten Ionen durch den Massenfilter (23) gescannt wird und wobei der Winkel zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad im Bereich von 100° bis 170° liegt; wobei Ionen, die während der mindestens einen Übertragungsperiode durch den ersten Massenfilter (23) übertragen werden, weiter übertragen werden zu dem mindestens einen Massenanalysator, wobei die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt werden und wobei die somit getrennten Ionen durch den mindestens einen Detektor (14) detektiert werden.
25. Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei die Ionen durch eine Kollisionszelle (25) hindurch übertragen werden, bevor sie zu dem Massenanalysator übertragen werden.
26. Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, wobei die Dauer der mindestens einen Scanperiode weniger als ungefähr 20 % oder weniger als ungefähr 10 % oder weniger als ungefähr 5% oder weniger als ungefähr 1 % der mindestens einen Übertragungsperiode beträgt.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der Ionenstrahl (17) selektiv mithilfe einer elektrostatischen Linsenbaugruppe (1) übertragen wird, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 22 dargelegt ist.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei während der Übertragungsperiode der erste Massenfilter (23) dazu eingerichtet ist, nur Ionen innerhalb eines Bereichs mit vorgegebenem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu übertragen, bevorzugt so, dass die übertragenen Partikel ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis innerhalb eines Gesamtbereichs von nicht mehr als ungefähr 40 um ein vordefiniertes Verhältnis herum haben, vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 30, ungefähr 25 oder ungefähr 20.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 28, umfassend: a. das Übertragen des Ionenstrahls (17) in den Massenfilter (23); b. das Betreiben des Massenfilters (23), sodass Ionen innerhalb einer Vielzahl von Massenbereichen, die jeweils geringer als 1 atomare Masseneinheit sind, sequentiell durch den Massenfilter (23) übertragen werden, und das selektive Richten der somit übertragenen Ionen entlang des zweiten Pfads, in mindestens einen Detektor (14), um ein Massenspektrum zu ermitteln; c. während einer Übertragungsperiode, das selektive Richten von Ionen in einem ersten Massenbereich, die durch den ersten Massenfilter (23) entlang des ersten Pfads gerichtet werden, in mindestens einen Massenanalysator.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die Kollisionszelle (25) mit mindestens einem Gas unter Druck gesetzt ist, um die Fragmentierung und/oder Massenverschiebung von Ionen in dem Ionenstrahl (17) zu fördern.

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