DE102019003439A1

DE102019003439A1 - Ionenführung

Info

Publication number: DE102019003439A1
Application number: DE102019003439.2A
Authority: DE
Inventors: Hamish Stewart; Alexander Wagner; Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US11749516B2; GB201906557D0; GB2575342A; US20220293410A1; US20230377868A1; US20200006045A1; US11373850B2; GB2575342B; CN110504152B; CN110504152A

Abstract

Eine Ionenführung kann einen Satz Plattenelektroden umfassen, wobei jede Plattenelektrode eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die durch diese hindurch ausgebildet sind. Der Satz Plattenelektroden ist räumlich derart angeordnet, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden eine kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden definiert. Die kontinuierliche Ionenflugbahn weist eine auf einer Helix und/oder Spirale beruhende Form auf.

Description

Technisches Gebiet der Offenlegung
Die Offenlegung betrifft Ionenführungen, insbesondere zur Verwendung in einem Ionenmobilitätsspektrometer oder einem Massenspektrometer.
Hintergrund der Offenlegung
Ionenführungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, sowohl in der Massenspektrometrie als auch in der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Bei der IMS werden Ionen durch ein elektrisches Feld in ein gasgefülltes Driftrohr gedrückt und ihrer Ionenmobilität entsprechend räumlich getrennt. Die Auflösung einer IMS-Vorrichtung nimmt mit der Länge des Driftbereichs zu, wobei sich sehr lange Vorrichtungen aufgrund ihrer Größe jedoch nicht für kommerzielle Instrumente eignen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Driftbahn in eine kompaktere Struktur einzufalten, die vom Konzept her Flugzeitmassenspektrometern mit mehreren Durchgängen ähnlich ist. Die Verwendung von IMS in einem Massenspektrometer ist beispielsweise in der Patentveröffentlichung Nr. 2004/031920 beschrieben.
In der US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0168882 wird ein Ionenführungs- oder Ionenmobilitätsspektrometer mit einem helikalen, toroidalen, teilweise toroidalen, hemitoroidalen, semitoroidalen oder spiralförmigen Ionenführungsbereich erläutert. Die Ionenführung umfasst eine Vielzahl gestapelter Elektroden, von denen jede eine Öffnung aufweist, durch die Ionen übertragen werden. An die Elektroden wird eine HF-Spannung angelegt, um Ionen radial in der Ionenführung einzugrenzen. An zumindest einige der Elektroden wird eine Gleichspannung oder Übergangsgleichspannung angelegt, um Ionen entlang der Ionenführung zu treiben. Die für eine solche Ausgestaltung erforderliche Anzahl an Elektroden ist proportional zur Länge der Ionenführung. Im Hinblick auf die Herstellung ist dies folglich eine schwierige und kostspielige Ausgestaltung, die aufgrund der großen Anzahl der erforderlichen elektrischen Verbindungen zudem mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Ausfalls einhergehen könnte.
Die US-Patentveröffentlichung 2014/0353487 beschreibt ein anderes IMS-Verfahren, bei dem Ionen mehrfach durch eine geschlossene Schleife getrieben werden. Dies ist platzsparend, geht jedoch mit einem geringeren Arbeitszyklus und Einschränkungen im Hinblick auf den Ionenmobilitätsbereich oder die Auflösung einher, da in der geschlossenen Schleife Ionen mit höherer Ionenmobilität Ionen mit geringerer Ionenmobilität möglicherweise einholen können.
Die US-Patentveröffentlichung 2014/0042315 betrifft die Messung der Ionenmobilität in Gasen bei Drücken von einigen Hektopascal. Driftbereiche werden in gekrümmte Formen gebogen, die sich in eine dritte Dimension erstrecken. Wechselnde Krümmungsrichtungen in den gekrümmten Formen (d. h. Krümmungen sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn) gleichen unterschiedliche Bahnlängen aus, indem ungefähr gleiche Driftabstände auf der äußeren und inneren Flugbahn passiert werden. Die unterschiedlichen Bahnlängen würden sonst zu einem Verlust der Auflösung führen. Ionen werden durch Schnittfokussierung oder permanente Fokussierung in der Nähe der Achse des gekrümmten Driftbereichs gehalten, sodass die durchschnittliche Driftbahn konstant ist. Eine mögliche Form ist eine Doppelschleife in Form einer Acht. Die Form verläuft senkrecht zu ihrer Projektionsebene, sodass mehrere Doppelschleifen übereinander liegen. Eine solche Anordnung kann zwar Vorteile bieten, ihre Herstellung gestaltet sich aber noch kompliziert. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass sich die Ionen auf ihrem Weg zwischen den Innen- und Außenkanten hin und her bewegen, sodass die praktischen Effekte dieser Ausgestaltung möglicherweise geringer sind als ursprünglich vorgesehen.
Die japanische Patentveröffentlichung 2007/311111 beschreibt ein Flugzeit(Time-of-Flight - TOF)-Massenspektrometer, das unter Verwendung einer inneren Metallplatte und einer äußeren Metallplatte ausgebildet wird, die eine spiralförmige Ionenflugbahn definieren. Zwischen der inneren Metallplatte und der äußeren Metallplatte ist ein Nebenschluss vorgesehen, um Strahlwechselwirkungen zu verhindern. Diese Anordnung wird auch in „A New Spiral Time-of-Flight Mass Spectrometer for High Mass Analysis“, Satoh et al., J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. Band 54, Nr. 1, 2006, beschrieben.
Aus diesem Grund sind für die Verwendung in IMS geeignete Ausgestaltungen von Ionenführungen wünschenswert, die einfacher herzustellen sind, robuster sind und eine hohe Auflösungsleistung bereitstellen können.
Kurzdarstellung der Erfindung
Vorgesehen sind: Ionenführungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 42; ein Ionenmobilitätsspektrometer gemäß Anspruch 43; und ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 44. Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt und in dieser Schrift erläutert.
In einem ersten Aspekt umfasst eine Ionenführung einen Satz Elektroden, bei denen es sich jeweils um eine Plattenelektrode oder eine Elektrodenstruktur handelt, welche eine Plattenelektrode funktionell nachahmt (mindestens ein Beispiel davon wird nachstehend erläutert). Zur Vereinfachung wird der Begriff „Plattenelektrode“ verwendet, um alle derartigen Elektrodenstrukturen abzudecken. Durch jede der Plattenelektroden sind mehrere Öffnungen gebildet. Die Plattenelektroden (von denen jede mehrere Öffnungen aufweist) sind räumlich so angeordnet (oder befestigt), dass eine relative Positionierung der Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode und der Öffnungen ihrer benachbarten Plattenelektroden eine kontinuierliche Ionenflugbahn durch die mehreren Öffnungen von jeder von dem Satz Plattenelektroden definiert.
Dadurch kann durch die mehreren Öffnungen von jeder von dem Satz Plattenelektroden eine einzelne kontinuierliche Ionenflugbahn bereitgestellt werden. Es ist bevorzugt, dass die Plattenelektroden aufeinanderfolgend angeordnet sind, das heißt in einem Stapel, sodass sich eine n-te Plattenelektrode neben einer (n+1)-ten Plattenelektrode befindet, wobei n=1 bis N-1, wobei N die Gesamtzahl der Plattenelektroden ist. Vorzugsweise befindet sich die N-te Plattenelektrode neben der ersten (n=1) Plattenelektrode, das heißt derart, dass die letzte (N-te) Elektrode auf die erste Elektrode trifft. Dabei sind die Plattenelektroden in einem gekrümmten Stapel angeordnet. Die Anzahl der Plattenelektroden kann nur 30 und bis zu 180 betragen.
In einigen Ausführungsformen sind zumindest manche von dem Satz Plattenelektroden räumlich um eine Achse angeordnet, die sich in eine axiale Dimension erstreckt, beispielsweise in einem Kreis oder einer kreisförmigen Anordnung um die Achse, wenngleich auch andere Anordnungen möglich sind, wie nachstehend beschrieben, wie etwa oval, rechteckig mit abgerundeten Ecken oder labyrinthisch. Auf diese Weise dreht sich die kontinuierliche Ionenflugbahn um die Achse, die sich in die axiale Dimension erstreckt. Die Achse wird somit zu einer Drehachse für die Ionenflugbahn. Auf diese Weise weist die kontinuierliche Ionenflugbahn eine spiralförmige, spiralartige, helikale oder helixartige Form (oder eine Kombination daraus) auf, wie weiter unten beschrieben. Wenn eine spiralförmige, spiralartige oder auf einer Spirale beruhende Form erläutert wird, kann sich dies auf eine Form beziehen, die einen grundsätzlichen Spiralcharakter aufweist, beispielsweise eine Kurve mit einem allgemein zunehmenden (oder abnehmenden) Radius von einem zentralen Punkt oder einer zentralen Linie. Eine helikale, helixartige oder auf einer Helix beruhende Form kann sich auf eine Form beziehen, die einen grundsätzlichen helikalen Charakter aufweist, beispielsweise eine Kurve, die sich entlang einer Achse erstreckt und eine sich im Allgemeinen wiederholende Form aufweist. Diese Ausdrücke werden nachstehend weitergehend erläutert.
Vorzugsweise weist jede Plattenelektrode von dem Satz Plattenelektroden die entsprechende Vielzahl von Öffnungen auf, die entlang einer ersten Dimension beabstandet sind. In einigen Ausführungsformen entspricht die erste Dimension der axialen Dimension (d. h., sie verläuft im Allgemeinen parallel zur Achse). Bei einer solchen Anordnung weist die kontinuierliche Ionenflugbahn einen helikalen Charakter auf. In anderen Ausführungsformen verläuft die erste Dimension senkrecht zur axialen Dimension. Dann weist die kontinuierliche Ionenflugbahn einen spiralförmigen Charakter auf (obwohl sie auch einen helikalen Charakter aufweisen kann, wie weitergehend erläutert wird). Die Öffnungen sind entlang der ersten Dimension durch einen Öffnungsabstand voneinander beabstandet. Vorzugsweise ist der Abstand der Öffnungen jeder Elektrode entlang der ersten Dimension gleich. Weiterhin bevorzugt weist eine jeweilige Plattenelektrode von dem Satz Plattenelektroden eine jeweilige Vielzahl von Öffnungen auf, die derart positioniert sind, dass sie in der ersten Dimension zu der jeweiligen Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen benachbarten Plattenelektrode versetzt sind. Wenn die erste Dimension senkrecht zur axialen Dimension verläuft (sodass eine spiralförmige kontinuierliche Ionenflugbahn gebildet wird), kann der Versatz sowohl in der ersten Dimension als auch in der axialen Dimension vorliegen. Dann weist die kontinuierliche Ionenflugbahn sowohl einen spiralförmigen als auch einen helikalen Charakter auf.
Um dies zu erreichen, werden die jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden in einigen Ausführungsformen derart positioniert, dass sie in der ersten Dimension im Verhältnis zueinander versetzt sind, wobei die Plattenelektroden insbesondere im Wesentlichen identisch sind. In einigen anderen Ausführungsformen, die aus Herstellungsperspektive weniger bevorzugt sind, kann ein Versatz der Öffnungen durch eine Variation der Position der Öffnungen in jeder Plattenelektrode definiert werden.
Der Versatz ist vorzugsweise geringer als der Öffnungsabstand. Auf diese Weise erstreckt sich die kontinuierliche Ionenflugbahn geringfügig (d. h. weniger als der Öffnungsabstand in jeder Elektrode) in die erste Dimension, wenn sie von einer jeweiligen Plattenelektrode zu einer jeweiligen benachbarten Plattenelektrode verläuft. Für eine komplette Rotation der kontinuierlichen Ionenflugbahn, sprich, nachdem sie jede Plattenelektrode passiert hat, erstreckt sich die Ionenflugbahn vorzugsweise um ein Maß, das dem Öffnungsabstand entspricht, in die erste Dimension. Dies ist beispielsweise in den Ausführungsformen bevorzugt, in denen die letzte (N-te) Elektrode auf die erste Elektrode trifft. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass der Versatz im Wesentlichen y/N entspricht, wobei y der Öffnungsabstand innerhalb jeder Plattenelektrode ist und N die Anzahl der Plattenelektroden ist. Somit beginnt die kontinuierliche Ionenflugbahn in einigen bevorzugten Ausführungsformen, nachdem die kontinuierliche Ionenflugbahn jede jeweilige erste Öffnung jeder Plattenelektrode passiert hat, eine jeweilige zweite Öffnung jeder Plattenelektrode, danach optional eine jeweilige dritte Öffnung jeder Plattenelektrode und so weiter zu passieren. Wenn die Plattenelektroden jeweils x Öffnungen aufweisen (wobei x mindestens 2, vorzugsweise 2 bis 100, besser noch 3 bis 100 ist), wird die kontinuierliche Ionenflugbahn jede Plattenelektrode im Allgemeinen x-mal passieren und dabei die Öffnungen jeder Plattenelektrode nacheinander passieren.
Im Gegensatz zu vorbekannten Ionenführungsstrukturen kann diese Ausgestaltung eine hohe IMS-Auflösung in einer relativ kompakten Vorrichtung bereitstellen, erfordert jedoch viel weniger Elektroden (und andere Komponenten) und elektrische Verbindungen, um eine Flugbahn gleicher Länge zu erreichen, da unterschiedliche Teile (Öffnungen) jeder Elektrode unterschiedliche Abschnitte einer einzelnen Flugbahn bereitstellen. Der Unterschied kann sich auf eine Größenordnung belaufen. In Ausführungsformen können zwischen 5 und 100 Öffnungen pro Elektrode vorgesehen sein. Das Verwenden von weniger Elektroden macht die Struktur elektrisch robuster, vereinfacht die Herstellung und senkt die Kosten. Auch die Genauigkeit kann sich verbessern. Im Vergleich zu Ausgestaltungen von Flugbahnen mit geschlossener Schleife kann ein höherer Arbeitszyklus erreicht werden. In Ionenführungsstrukturen mit geschlossenem Regelkreis (siehe beispielsweise US-2014/0353487 ) ist es möglich, dass manche Ionen mehr Zyklen der Flugbahn mit geschlossenem Regelkreis zurücklegen als andere. Dieser Nachteil ist bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung nicht vorhanden, wodurch ein größerer Ionenmobilitätsumfang bereitgestellt wird, der bei hoher Auflösung erhalten bleibt.
Wenn die Ionenflugbahn eine Helixform aufweist, ist diese nicht unbedingt im mathematischen Sinne helikal. Die helikale Form soll somit helixartig bedeuten, was helikale, im Wesentlichen helikale oder andere Formen einschließt, die einen Aspekt eines helikalen Charakters aufweisen, wovon hier Beispiele beschrieben werden. In ähnlicher Weise ist eine Spiralform nicht unbedingt im mathematischen Sinne spiralförmig und kann spiralartig sein, was im Wesentlichen Spiral- oder andere Formen einschließt, die einen Aspekt eines spiralförmigen Charakters aufweisen, wovon hier Beispiele beschrieben werden. Mit dieser Ausgestaltung ist eine Vielzahl von spiralartigen und helixartigen Formen für die Ionenflugbahn möglich. Die Helixform kann ein zweidimensionales Profil definieren, und typischerweise erstreckt sich die definierte Ionenflugbahn mehrere Male entlang des zweidimensionalen Profils, während sie sich in die erste Dimension erstreckt, die im Allgemeinen senkrecht zu dem zweidimensionalen Profil verläuft. Das zweidimensionale Profil kann beispielsweise kreisförmig, oval, rechteckig mit abgerundeten Ecken, labyrinthartig oder wie eine Acht geformt sein. Ein achtförmiges zweidimensionales Profil (oder allgemeiner eines sowohl mit einer Krümmung im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn) kann unter Verwendung einer ersten und einer zweiten Vielzahl von Elektroden bereitgestellt werden, von denen jede so angeordnet wird, dass sie ein kreisförmiges zweidimensionales Profil definiert. Somit können die erste Vielzahl von Elektroden um eine erste Achse angeordnet sein und die zweite Vielzahl von Elektroden um eine zweite Achse angeordnet sein, wobei sich sowohl die erste als auch die zweite Achse in die erste Dimension erstrecken, entlang derer die Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode beabstandet ist. Einige von der ersten Vielzahl von Elektroden und einige von der zweiten Vielzahl von Elektroden sind so angeordnet, dass sie einander überlappen, sodass das zweidimensionale Profil der ersten Vielzahl von Elektroden das zweidimensionale Profil der zweiten Vielzahl von Elektroden überdeckt. Dann kann die kontinuierliche Ionenflugbahn durch die Öffnungen sowohl der ersten als auch der zweiten Vielzahl von Elektroden definiert werden. Die sich überlappenden Elektroden können mit alternierenden Teilen mit einer Öffnung und Lücken (oder Ausschnitten) versehen sein, sodass der Teil mit einer Öffnung von einer der ersten Vielzahl von Elektroden in den Lückenteil von einer entsprechenden von der zweiten Vielzahl von Elektroden (und umgekehrt) passt.
Eines oder mehrere von Form; Größe; und Positionierung der und/oder Abstand zwischen den Öffnungen können bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden gleich sein. Wenn identische Plattenelektroden verwendet werden, sind sie typischerweise entlang der Achse der Helixform zueinander versetzt. Der Versatz zwischen einer Plattenelektrode und einer benachbarten Plattenelektrode ist vorzugsweise geringer als der Abstand der Öffnungen in einer Plattenelektrode. Der Versatz zwischen einer Plattenelektrode und einer benachbarten Plattenelektrode ist somit vorzugsweise so angeordnet, dass sich nach jeder vollständigen Rotation die p-te Öffnung der letzten (N-ten) Elektrode neben der (p+1)-ten Öffnung der ersten Elektrode in der Abfolge befindet (1≤p<x-1, wobei x die Anzahl der Öffnungen in jeder Elektrode ist). In einigen Ausführungsformen weist jede der Öffnungen jeder Plattenelektrode eine rechteckige oder ovoide Form auf. Es ist nicht notwendig, dass alle Öffnungen die gleiche Form oder Anordnung aufweisen, und Ausgestaltungen, die diesen Ansatz verwenden, werden nachstehend unter Bezugnahme auf eine Ionenführung gemäß einem zweiten Aspekt erläutert.
Für eine radiale Eingrenzung der Ionen kann eine HF-Leistungseinspeisung jede Plattenelektrode mit einer jeweiligen HF-Spannung versorgen, insbesondere so, dass benachbarte Elektroden HF-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen erhalten. Insbesondere kann eine erste HF-Spannung an jede zweite Plattenelektrode gemäß deren räumlicher Anordnung angelegt werden, um eine zweite HF-Spannung (mit zur ersten HF-Spannung entgegengesetzter Phase) für jede zweite Plattenelektrode des Satzes Elektroden, welche die erste HF-Spannung nicht erhält, bereitzustellen. Eine Gleichspannungseinspeisung kann einer oder mehreren Elektroden des Satzes Elektroden mindestens ein Gleichspannungspotential zuführen, insbesondere um eine Wanderwelle zu bilden, damit bewirkt wird, dass sich Ionen durch die definierte Ionenflugbahn bewegen.
Jede HF-Spannung kann eine Amplitude aufweisen, ausgewählt aus: (i) <100 V Spitze-Spitze; (ii) 100-200 V Spitze-Spitze; (iii) 200-300 V Spitze-Spitze; (iv) 300-400 V Spitze-Spitze; (v) 400-500 V Spitze-Spitze; und (vi) >500 V Spitze-Spitze. Jede HF-Spannung kann eine Frequenz aufweisen, die ausgewählt ist aus: (i) <100 kHz; (ii) 100-500 kHz; (iii) 0,5-1,0 MHz; (iv) 1,0-1,5 MHz; (v) 1,5-2,0 MHz; (vi) 2,0-2,5 MHz; (vii) 2,5-3,0 MHz; (viii) 3,0-4,0 MHz; (ix) 4,0-5,0 MHz; (x) 5,0-6,0 MHz; (xi) 6,0-7,0 MHz; (xii) 7,0-8,0 MHz; (xiii) 8,0-9,0 MHz; (xiv) 9,0-10,0 MHz; und (xv) >10,0 MHz. Die Gleichstrom-Wanderwellen-Spannungen oder -Wellenformen werden vorzugsweise an dem Satz Elektroden der Ionenführung mit einer Geschwindigkeit verschoben, die ausgewählt ist aus: (i) <100 m/s; (ii) 100-500 m/s; (iii) 500-1000 m/s; (iv) 1000-1500 m/s; (v) 1500-2000 m/s; (vi) 2000-2500 m/s; (vii) 2500-3000 m/s; (viii) >3000 m/s.
Ein Befestigungselement, an dem der Satz Elektroden befestigt wird, kann bereitgestellt werden, um die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festzulegen. Das Befestigungselement (zum Beispiel eine Leiterplatte) kann eine oder mehrere elektrische Verbindungen mit dem Satz Elektroden umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Befestigungselement: ein erstes Befestigungssubstrat, an dem ein erstes Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht wird; und ein zweites Befestigungssubstrat (das dem ersten Befestigungssubstrat gegenüberliegt), an dem ein zweites Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht wird. Das erste und das zweite Befestigungssubstrat können dabei entlang der ersten Dimension voneinander beabstandet sein, d. h. in der Richtung, in der die Öffnungen innerhalb jeder Plattenelektrode beabstandet sind, wobei die Plattenelektroden dazwischen liegen. Das erste Befestigungssubstrat kann eine oder mehrere erste elektrische Verbindungen mit jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden gemäß der räumlichen Anordnung umfassen. Das zweite Befestigungssubstrat kann eine oder mehrere zweite elektrische Verbindungen mit jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden zwischen den mit der einen oder den mehreren ersten elektrischen Verbindungen verbundenen Elektroden umfassen. Die zweiten elektrischen Verbindungen können derart angeordnet sein, dass sie eine elektrische Leistung bereitstellen, die sich von einer durch die ersten elektrischen Verbindungen bereitgestellten elektrischen Leistung unterscheidet, beispielsweise der ersten und zweiten HF-Spannung und/oder dem mindestens einen Gleichspannungspotential, die oben beschrieben wurden. Das erste und das zweite Befestigungssubstrat können jeweils eine Leiterplatte (Printed Circuit Board - PCB) umfassen, die zum Bereitstellen der elektrischen Verbindungen geeignet ist. Weiterhin ist die PCB vorzugsweise biegsam genug, um in eine gewünschte Form gebogen zu werden. In einigen Ausführungsformen kann die PCB eine im Wesentlichen helikale Form umfassen. In solchen Ausführungsformen umfasst die PCB vorzugsweise eine Ringform mit einem Schnitt, bei dem die zwei Enden der PCB neben dem Schnitt voneinander beabstandet sind. Die Enden können um einen Abstand beabstandet sein, der im Wesentlichen dem Öffnungsabstand innerhalb jeder Plattenelektrode entspricht. Zu diesem Zweck kann ein Abstandhalter zwischen den abgeschnittenen Enden der PCB vorgesehen sein.
Das Befestigungselement kann ein Befestigungssubstrat umfassen. In bestimmten Ausführungsformen ist jede Elektrode des Satzes Elektroden an dem Befestigungssubstrat angebracht, das eine derartige Form aufweist, dass die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden dadurch festgelegt wird. In anderen Ausführungsformen umfasst das Befestigungselement ferner einen Abstandhalter, der zwischen dem Befestigungssubstrat und dem Satz Elektroden angeordnet wird. Der Abstandhalter kann derart ausgelegt sein, dass er die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festlegt.
Eine Ionenführung gemäß einem zweiten Aspekt umfasst eine Vielzahl von Elektroden, wobei jede Elektrode mindestens eine Öffnung umfasst, damit eine Ionenflugbahn (vorzugsweise gekrümmt) definiert wird. Dieser Aspekt kann mit dem ersten Aspekt kombiniert werden, wobei jede Elektrode in diesem Fall eine Plattenelektrode (oder eine Struktur, die eine Plattenelektrode funktionell nachahmt) sein kann, die mehrere Öffnungen aufweist, und die Ionenflugbahn eine Helixform aufweisen kann. In diesem zweiten Aspekt befindet sich eine Öffnung einer ersten Elektrode vorteilhafterweise neben einer Öffnung einer zweiten Elektrode entlang der Ionenflugbahn. Die Öffnung der zweiten Elektrode weist eine Form, ein elektrisches Potential und/oder eine Position auf, die sich von jenen der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, um zu bewirken, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in einer Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern. Vorteilhafterweise weist die Ionenflugbahn mindestens eine Krümmung auf. Bei dieser Vorgehensweise kann bewirkt werden, dass die Ionen entlang verschiedener Teile der Krümmung derselben Bahn wandern, was die Auswirkungen von Bahnlängendifferenzen kompensieren kann. Im Vergleich zu weiteren Öffnungen oder kleineren helikalen Radien sollte dies den Auflösungsverlust reduzieren (bzw. jedwede Begrenzung der Auflösung erhöhen), wodurch bei kleineren Vorrichtungen oder Vorrichtungen mit höherer Raumladungskapazität eine gute Auflösung ermöglicht wird. In einem anderen Sinn kann angenommen werden, dass die mindestens eine Krümmung einen mittleren Krümmungsradius definiert. Dann kann bewirkt werden, dass die Ionen zwischen der Innenseite des mittleren Krümmungsradius und der Außenseite des mittleren Krümmungsradius oszillieren. Infolgedessen kann eine Differenz der Flugbahnlänge zwischen Ionen, die an einer Position auf der Innenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, und Ionen, die an einer Position auf der Außenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, korrigiert werden.
Vorteilhafterweise kann die Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, durch eine (weitere) Helixform definiert werden, wobei die Richtung der Ionenflugbahn eine Achse der (weiteren) Helixform ist. In der Kombination aus dem ersten und zweiten Aspekt können die Ionen dadurch entlang einer helikalen Bahn wandern, die senkrecht zur Helixform verläuft.
Eine Möglichkeit, diesen Effekt bereitzustellen, besteht darin, dass die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode einen jeweiligen ersten Schlitz und einen jeweiligen zweiten Schlitz umfassen, wobei sich jeder erste Schlitz von dem jeweiligen zweiten Schlitz unterscheidet und von diesem getrennt ist. Der erste Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode kann eine Form und/oder Position aufweisen, die sich von jenen des ersten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, um zu bewirken, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine erste Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern. Zusätzlich (und, weniger bevorzugt, alternativ) weist der zweite Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode eine Form und/oder Position auf, die sich von jenen des zweiten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, um zu bewirken, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine zweite Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern. Die erste und die zweite Richtung sind im Rotationssinn typischerweise gleichlaufend (zum Beispiel verlaufen beide im Uhrzeigersinn oder beide gegen den Uhrzeigersinn). Jeder erste Schlitz und jeder zweite Schlitz können eine Form aufweisen, die durch jeweilige Abschnitte ein und desselben Rechtecks definiert wird.
Ein dritter Aspekt einer Ionenführung (die wiederum mit einem oder beiden von dem ersten und zweiten Aspekt kombiniert werden kann) umfasst: eine erste Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Stabelektroden mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst; und eine zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Elektrodenteile mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst. Die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen sind in Bezug auf die parallelen Stabelektroden der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen orthogonal angeordnet (wobei die Stabelektroden horizontal angeordnet sind und die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen vertikal angeordnet sind, um ein Beispiel zu nennen). Dies kann derart bewirkt werden, dass die jeweiligen Lücken der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit den jeweiligen Lücken der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen gefluchtet werden, damit Ionen entlang einer kontinuierlichen Bahn dahindurch wandern können. Die erste und die zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen sind entlang der kontinuierlichen Bahn abwechselnd angeordnet (das heißt, voneinander beabstandet, wobei auf jede erste Elektrodenanordnung unmittelbar eine zweite Elektrodenanordnung folgt und auf jede zweite Elektrodenanordnung unmittelbar eine erste Elektrodenanordnung folgt, mit Ausnahme der letzten Elektrodenanordnung in der Ionenführung). Jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen (und optional jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen) ist daher nicht ausschließlich eine Plattenelektrode, sondern vielmehr eine Elektrodenstruktur, die eine Plattenelektrode mit Stabelektroden nachahmt. Aufeinanderfolgende Elektrodenanordnungen in der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen (oder in der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen) werden vorzugsweise mit HF-Potentialen mit unterschiedlicher (optional entgegengesetzter) Phase bereitgestellt. Eine solche Struktur kann eine Form einer Plattenelektrode sein, die in Ionenführungen gemäß dem ersten Aspekt verwendet wird.
In bestimmten Ausführungsform werden jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit (nur) einem HF-Potential bereitgestellt und jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit (nur) einem Gleichspannungspotential bereitgestellt. Die Potentiale können auf ähnliche Weise wie bei Ausführungsformen der oben beschriebenen Aspekte an die erste und zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen angelegt werden. Beispielsweise kann an jede zweite Elektrodenanordnung der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen eine erste HF-Spannung angelegt werden, und an jede zweite Elektrodenanordnung der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen, welche die erste HF-Spannung nicht erhält, kann eine zweite HF-Spannung (vorzugsweise mit zur ersten HF-Spannung entgegengesetzter Phase) angelegt werden. Eine Gleichspannungseinspeisung kann jeder von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen das Gleichspannungspotential zuführen, um vorzugsweise eine Wanderwelle zu bilden, um zu bewirken, dass Ionen durch die definierte Ionenflugbahn wandern.
Jede HF-Spannung kann eine Amplitude aufweisen, ausgewählt aus: (i) <100 V Spitze-Spitze; (ii) 100-200 V Spitze-Spitze; (iii) 200-300 V Spitze-Spitze; (iv) 300-400 V Spitze-Spitze; (v) 400-500 V Spitze-Spitze; und (vi) >500 V Spitze-Spitze. Jede HF-Spannung kann eine Frequenz aufweisen, die ausgewählt ist aus: (i) <100 kHz; (ii) 100-500 kHz; (iii) 0,5-1,0 MHz; (iv) 1,0-1,5 MHz; (v) 1,5-2,0 MHz; (vi) 2,0-2,5 MHz; (vii) 2,5-3,0 MHz; (viii) 3,0-4,0 MHz; (ix) 4,0-5,0 MHz; (x) 5,0-6,0 MHz; (xi) 6,0-7,0 MHz; (xii) 7,0-8,0 MHz; (xiii) 8,0-9,0 MHz; (xiv) 9,0-10,0 MHz; und (xv) >10,0 MHz. Die Gleichstrom-Wanderwellen-Spannungen oder -Wellenformen werden vorzugsweise an dem Satz Elektroden der Ionenführung mit einer Geschwindigkeit umgewandelt, die ausgewählt ist aus: (i) <100 m/s; (ii) 100-500 m/s; (iii) 500-1000 m/s; (iv) 1000-1500 m/s; (v) 1500-2000 m/s; (vi) 2000-2500 m/s; (vii) 2500-3000 m/s; (viii) >3000 m/s.
Optional könnte die zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen Plattenelektroden umfassen, die jeweils eine Öffnung aufweisen, um die jeweilige Lücke bereitzustellen.
Andere Aspekte der Offenlegung umfassen ein Ionenmobilitätsspektrometer oder ein Massenspektrometer, das die Ionenführung eines beliebigen Aspekts umfasst. Im Falle des Ionenmobilitätsspektrometers ist die Ionenführung vorteilhafterweise als Driftrohr ausgelegt. Im Falle des Massenspektrometers kann die Ionenführung dazu ausgelegt sein, Ionen von einer stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung aufzunehmen und zu bewirken, dass die aufgenommenen Ionen entlang der Ionenflugbahn wandern. Das Massenspektrometer kann ferner einen Massenanalysator umfassen, der dazu ausgelegt ist, Ionen aufzunehmen, die entlang der Ionenflugbahn gewandert sind. Optional kann eine ionenoptische Umgehungsanordnung vorgesehen sein, die selektiv dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass Ionen von der stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung zum Massenanalysator wandern, ohne die Ionenführung zu durchlaufen.
Figurenliste
Die Erfindung kann auf unterschiedliche Art und Weise praktisch umgesetzt werden, und an dieser Stelle werden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen lediglich beispielhalber beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Ioneführung gemäß der Offenlegung ist;
2 einen Herstellungsschritt eines Befestigungssubstrats gemäß einer ersten Ausgestaltung für die Ionenführung von 1 zeigt;
Die 3A, 3B, 3C und 3D Herstellungsschritte zum Ausbilden einer Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 zeigen;
4 einen Betrieb einer Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 schematisch abbildet;
5 eine schematische Darstellung ist, die Verbindungen und Berührungsflächen mit einer Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 zum Betrieb zeigt;
6 ein Massenspektrometer schematisch darstellt, das eine Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 umfasst;
7A eine beispielhafte Elektrodenstruktur und ein beispielhaftes Befestigungssubstrat gemäß einer zweiten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung abbildet;
7B eine beispielhafte Elektrodenstruktur und ein beispielhaftes Befestigungssubstrat gemäß einer dritten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung abbildet;
8 verschiedene Profile für Ionenführungen gemäß der Offenlegung schematisch zeigt;
9 eine Elektrodenstruktur und ein Profil einer vierten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung schematisch abbildet;
10A eine Draufsicht einer fünften Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung zeigt;
10B eine Draufsicht eines ersten Teils einer Variante der Ausgestaltung von 10A zeigt;
10C eine Draufsicht eines zweiten Teils der Ausgestaltung von 10B zeigt;
10D eine Ionenflugbahn für die Ausgestaltung der 10B und 10C schematisch darstellt;
11A ein erstes Beispiel für Formen von Elektrodenöffnungen gemäß der Offenlegung darstellt, die für Ionenführungen geeignet sind;
11B ein zweites Beispiel für Formen von Elektrodenöffnungen gemäß der Offenlegung darstellt, die für Ionenführungen geeignet sind; und
12 eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung ist.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Nachfolgend werden einige verschiedene Ausgestaltungen, Strukturen und damit verbundene Herstellungsverfahren für Ionenführungen beschrieben. Zwar werden bestimmte Merkmale unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bestimmte Ausführungsformen oder Ausgestaltungen beschrieben, doch versteht es sich, dass diese, wo immer möglich, auch auf andere Ausführungsformen oder Ausgestaltungen angewendet werden können, die hier offenbart sind. Wenn in unterschiedlichen Zeichnungen gleiche Teile gezeigt sind, wurden der Übersichtlichkeit halber gleiche Bezugszeichen verwendet.
Zunächst auf 1 Bezug nehmend, ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Ionenführung 10 gemäß der Offenlegung gezeigt. Die Ionenführung 10 umfasst: eine erste Befestigungs-Leiterplatte (PCB) 20; eine zweite Befestigungs-PCB 30; und eine Vielzahl von Plattenelektroden 40. Jede der Plattenelektroden 40 ist zwischen der ersten Befestigungs-PCB 20 und der zweiten Befestigungs-PCB 30 (in einer Zwischenschichtstruktur) befestigt. Die Anzahl der Elektroden kann dadurch an einer Untergrenze begrenzt sein, dass der Radius zu klein wird, um in Platten (insbesondere feste Platten) zu passen, oder wenn die Krümmung zwischen jeder Platte das Feld stört. Die Komplexität und Kapazität wie auch der Raum können die Obergrenze für die Anzahl darstellen. Je nach Krümmungsradius und Größe der Elektroden können daher zwischen 30 und 180 Platten möglich sein. Darüber hinaus weist jede der Plattenelektroden 40 eine Vielzahl von Öffnungen auf; dabei weisen Plattenelektroden 40 die gleiche Größe, Form und Öffnungsanordnung auf. Im Prinzip könnte die Anzahl der Öffnungen pro Plattenelektrode 40 mindestens zwei betragen und bis zu 100 (oder möglicherweise mehr) betragen.
Dadurch kann allgemeiner davon ausgegangen werden, dass die entstehende Ionenführung 10 einen gekrümmten Stapel (in diesem Fall kreisförmig) aus länglichen Elektroden 40 umfasst, die jeweils an PCB-Befestigungssubstraten 20, 30 befestigt sind und eine Reihe von Öffnungen enthalten, sodass der Stapel eine Reihe von Kanälen definiert. Eine kleine axiale Verschiebung von einer Elektrode zur nächsten aufgrund der Form der ersten 20 und der zweiten 30 Befestigungs-PCB (oder alternativ hinsichtlich der Positionen der Öffnungen selbst) bewirkt, dass sich die Kanäle zwischen den Öffnungen überdecken und sich zu einer zusammengeführten, länglichen 3D-Ionenbahn zusammenfügen. Die Ionenbahn weist eine Helixform auf.
Im Allgemeinen kann daher ein erster Aspekt einer Ionenführung betrachtet werden. Die Ionenführung umfasst einen Satz Plattenelektroden (oder Elektroden, die jeweils derart ausgelegt sind, dass sie eine Plattenelektrode funktionell nachahmen). Jede Plattenelektrode weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, die durch sie hindurch ausgebildet sind. Der Satz Plattenelektroden ist räumlich derart angeordnet (oder befestigt), dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden eine kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden definiert. Die kontinuierliche Ionenflugbahn weist vorteilhafterweise eine auf einer Helix und/oder Spirale beruhende Form auf (die auf einer Spirale beruhende Form wird weiter unten in dieser Offenlegung unter Bezugnahme auf die 10A bis 10D weitergehend erläutert). Die kontinuierliche Ionenflugbahn kann als einzelne Ionenflugbahn angesehen werden, obwohl die kontinuierliche Ionenflugbahn in der Praxis in mehrere Ionenflugbahnen unterteilt sein kann (mindestens eine Möglichkeit, dies zu erreichen, wird weiter unten beschrieben). In einem weiteren Aspekt der Offenlegung kann ein Ionenmobilitätsspektrometer in Betracht gezogen werden, das eine wie hier beschriebene Ionenführung umfasst, die als Driftrohr ausgelegt ist.
Der Satz Plattenelektroden kann als in einer Abfolge angeordnet betrachtet werden. Dann kann eine erste Elektrode in der Abfolge derart angeordnet werden, dass eine Zugangsöffnung bereitgestellt wird, durch die Ionen in die kontinuierliche Ionenflugbahn eintreten können. Zusätzlich oder alternativ kann eine letzte Elektrode in der Abfolge derart angeordnet werden, dass eine Austrittsöffnung bereitgestellt wird, durch die Ionen aus der kontinuierlichen Ionenflugbahn austreten können. Typischerweise kann die Anzahl der Plattenelektroden nur 30 und/oder bis zu 180 betragen. Bei jeder Plattenelektrode umfasst die jeweilige Vielzahl von Öffnungen mindestens 3, 5, 10, 20, 30, 50, 70 oder 80 Öffnungen und/oder vorzugsweise nicht mehr als 80, 100 oder 120 Öffnungen.
Vorteilhafterweise ist bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden die jeweilige Vielzahl von Öffnungen entlang einer ersten Dimension (bei der es sich in einigen Ausführungsformen um die Achse der auf einer Helix beruhenden Form handelt) beabstandet. Dann kann die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen die kontinuierliche Ionenflugbahn derart definieren, dass sie sich in die erste Dimension erstreckt. Die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen kann die kontinuierliche Ionenflugbahn derart definieren, dass sie sich in die erste Dimension erstreckt. Der Satz Plattenelektroden kann teilweise oder ganz räumlich um eine Achse angeordnet sein, die sich in die erste Dimension erstreckt. Dann weist die kontinuierliche Ionenflugbahn typischerweise eine auf einer Helix beruhende Form auf. Die erste Dimension kann in solchen Fällen eine Achse der Ionenführung definieren.
Die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden beinhaltet vorzugsweise eine Beabstandung entlang der ersten Dimension. Anders formuliert, sind jeweilige benachbarte Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden derart positioniert, dass sie in der ersten Dimension zueinander versetzt sind. Dabei handelt es sich um eine Umsetzung dessen, was in dieser Offenlegung mitunter als axiale Verschiebung bezeichnet wird. Typischerweise weist jede Elektrode des Satzes Elektroden in solchen Ausführungsformen entlang der ersten Dimension den gleichen Abstand zwischen Öffnungen auf. Dann ist der Versatz zwischen der jeweiligen Vielzahl von Öffnungen von einer Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und der jeweiligen Vielzahl von Öffnungen von einer benachbarten Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden vorteilhafterweise geringer als der Abstand zwischen Öffnungen. Zum Beispiel kann der Versatz zwischen jeweiligen Vielzahlen von Öffnungen von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden im Wesentlichen y/N entsprechen, wobei y der Öffnungsabstand in jeder Plattenelektrode ist und N die Anzahl der Plattenelektroden ist. Dann entspricht ein Versatz zwischen einer Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden (die als eine Letzte des Satzes Plattenelektroden, die in einer Abfolge angeordnet sind, bezeichnet werden kann) und einer benachbarten Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden (die als eine Erste des Satzes Plattenelektroden in der Abfolge bezeichnet werden kann) vorteilhafterweise im Wesentlichen dem Abstand zwischen Öffnungen (d. h. y).
Weitere optionale, bevorzugte und vorteilhafte Merkmale dieses verallgemeinerten Aspekts, die auch auf seine spezifischen Ausführungsformen anwendbar sind, werden nachstehend erläutert. Zunächst werden die Herstellungsdetails der Ausgestaltung gemäß diesem Aspekt detailliert dargelegt.
Um an dieser Stelle auf 2 Bezug zu nehmen, ist ein Herstellungsschritt eines Befestigungssubstrats für die Ionenführung von 1 gezeigt. Zur Vereinfachung ist die erste Befestigungs-PCB 20 gezeigt, es versteht sich jedoch, dass dieses Verfahren auch auf die zweite Befestigungs-PCB 30 anwendbar ist. Die PCB 20 ist anfänglich ein Ring, der bei 21 eingeschnitten und dann gebogen oder zusammengedrückt wird, 22, um eine helikale Form zu schaffen, wobei die Lücke 23 zwischen den angeschnittenen (Anschluss-)Enden der PCB auf eine bestimmte Größe gebogen wird. Vorausgesetzt, die PCB 20 ist biegsam genug, kann die Helixform eine Einzeldrehung darstellen und eine feste Form aufweisen, indem die Rückseite der PCBs an einer Platte befestigt wird, die diese axiale Verschiebung enthält, oder indem ein Abstandhalter zwischen den angeschnittenen Enden jeder PCB 20 angeordnet wird 30.
Die axiale Verschiebung bei der Drehung der PCB 20, 30 (anders formuliert, die Helixform der PCB, wie in 2 gezeigt) verursacht die gleiche axiale Verschiebung in dem gestapelten Ring aus Elektroden 40, die die Ionenführung 10 bildet. Wenn diese axiale Verschiebung der Beabstandung der Öffnungen in jeder Elektrode entlang der ersten Dimension entspricht, fügen sich die Öffnungen im Ergebnis zu einem einzigen zusammengeführten helikalen Ionenkanal mit einer Einlassöffnung 42 und einer Auslassöffnung 44 zusammen.
Im Hinblick auf den oben erläuterten verallgemeinerten Aspekt der Ionenführung kann die Ionenführung ferner ein Befestigungselement umfassen, an dem der Satz Elektroden angebracht ist, um die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festzulegen. Das Befestigungselement kann eine Vielzahl von Bestandteilen in einer einstückigen oder trennbaren Struktur aufweisen. Vorteilhafterweise umfasst das Befestigungselement eine oder mehrere elektrische Verbindungen mit dem Satz Elektroden. Das Befestigungselement kann eine oder mehrere PCBs umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Befestigungselement: ein erstes Befestigungssubstrat, an dem ein erstes Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist; und ein zweites Befestigungssubstrat, an dem ein zweites Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist. Jedes von dem ersten und dem zweiten Befestigungssubstrat kann eine jeweilige PCB umfassen (oder sein). Vorzugsweise umfasst das erste Befestigungssubstrat eine oder mehrere erste elektrische Verbindungen mit jeder zweiten Elektrode des Satzes Elektroden gemäß deren räumlicher Anordnung. Dann kann das zweite Befestigungssubstrat eine oder mehrere zweite elektrische Verbindungen mit Elektroden des Satzes Elektroden umfassen, die nicht mit jeder zweiten Elektrode des Satzes Elektroden zwischen den mit der einen oder den mehreren ersten elektrischen Verbindungen verbundenen Elektroden verbunden sind. Die zweiten elektrischen Verbindungen sind vorteilhafterweise derart angeordnet, dass sie eine elektrische Leistung bereitstellen, die sich von einer durch die ersten elektrischen Verbindungen bereitgestellten elektrischen Leistung unterscheidet, insbesondere eine HF-Spannung mit entgegengesetzter Phase zu der, welche für die ersten elektrischen Verbindungen bereitgestellt wird (wie nachstehend erläutert). Alternative Ausgestaltungen werden weiter unten erläutert.
Unter Bezugnahme auf die 3A, 3B, 3C und 3D sind Herstellungsschritte zum Ausbilden einer solchen Ionenführung gezeigt. In 3A ist eine einzelne längliche Plattenelektrode 40 mit (beispielsweise) 5 Öffnungen gezeigt. Mehrere Plattenelektroden 40 werden zu einem Stapel geformt, wie in 3B gezeigt, und durch Fluchtung der Öffnungen wird eine Vielzahl einzelner Kanäle ausgebildet, durch die Ionen strömen können, wobei eine beispielhafte Ionenbahn 50 gezeigt ist. Bezugnehmend auf 3C sind die Plattenelektroden 40 im Verhältnis zueinander geringfügig (um weniger als den Öffnungsabstand) axial verschoben, sodass sich die Öffnungen überdecken und die Ionenbahnen 50 geneigt sind. In 3D sind die Plattenelektroden 40 entlang einer zylindrischen Drehachse angeordnet, während die axiale Beabstandung oder Funktion beibehalten wird. Die axiale Verschiebung bei einer Umdrehung erfolgt in Übereinstimmung mit dem Öffnungsabstand, und infolgedessen wird eine einzelne Ionenflugbahn 50 mit helikaler Form gebildet, da der Ionenstrahl am Ende jeder Umdrehung zur nächsten Öffnung in den Plattenelektroden wechselt. Diese Ionenflugbahn 50 kann einen Driftbereich für Ionen bilden, insbesondere bei einer IMS-Auslegung.
Auf konzeptioneller Ebene sieht die vorstehend beschriebene Vorgehensweise eine Ionenführung (mit entsprechendem Driftbereich) vor, die aus einem Stapel befestigter Elektrodenplatten ausgebildet wird, die jeweils eine Reihe Öffnungen enthalten, wobei die letzte Elektrode auf die erste trifft. Durch die Anwendung einer axialen Verschiebung von einer Plattenelektrode 40 zur nächsten werden die Bahnen durch die Öffnungen zu einer einzigen länglichen Ionenbahn zusammengeführt.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Betrieb einer Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 schematisch abgebildet. Ionen treten durch den Einlass 52 in die Ionenführung ein und bewegen sich entlang der helikalen Ionenbahn 50 weiter, wobei sie beim Auslass 54 aus der Ionenführung austreten. Die axiale Verschiebung der Plattenelektroden 40 (beispielsweise bezogen auf die 3C und 3D) verschafft Raum für die Injektion und Extraktion von Ionen in den bzw. aus dem helikalen Driftbereich. Ionen können in die lonenführung injiziert werden, indem der Auslass einer anderen ionenoptischen Vorrichtung mit dem Einlass 52 ausgerichtet wird, und sie können von der Ionenführung aufgenommen werden, indem der Einlass einer weiteren ionenoptischen Vorrichtung mit dem Auslass 54 ausgerichtet wird. Falls der räumliche Versatz an den Plattenelektroden 40 dadurch definiert wird, dass die Elektroden an einer geformten Komponente oder einem Abstandhalter befestigt werden, ist die Form dieses Teils wünschenswerterweise derart ausgelegt, dass der Zugang zu bzw. aus dem Kanal ermöglicht wird.
Ionen werden im Inneren des Kanals eingegrenzt, indem unterschiedliche HF-Phasen an jede benachbarte Plattenelektrode 40 angelegt werden (anders formuliert, wechselt die Phase der angelegten HF zwischen benachbarten Plattenelektroden 40). Falls die Plattenelektroden 40 zwischen zwei PCB-Substraten befestigt werden (wie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt), ist es vorteilhaft, HF-Spannungen mit den jeweils entgegengesetzten Phasen an die verschiedenen PCB-Substrate anzulegen, um Kapazitätseffekte zu minimieren. Dies ist unter Bezugnahme auf 5 dargestellt, die eine schematische Darstellung ist, welche Verbindungen und Berührungsflächen mit einer solchen Ionenführung 10 zeigt. Die Plattenelektroden 40 sind zwischen dem ersten PCB-Substrat 20 und dem zweiten PCB-Substrat 30 befestigt. Es ist eine Metallabdeckung 60 vorgesehen, um die Vorrichtung einzugrenzen, die dann an einer PEEK- oder Metallhalterung 70 befestigt wird. Das Eingrenzen der Ionenflugbahn (des Driftbereich) ermöglicht es, sie verglichen mit einem umgebenden Unterdruck benachbarter Teile des Instruments auf einem relativ erhöhten Druck zu halten. Der Druck des die Metallabdeckung 60 umgebenden Bereichs könnte lediglich 1×10^-4 Pa (1×10^-6 mbar) und bis zu 200 Pa (2 mbar) betragen, wenngleich 1×10^-3 Pa bis 1 Pa (1×10^-5 bis 1×10^-2 mbar) eher typisch sind. Im Inneren der Ionenführung (Metallabdeckung 60) ist ein Bereich von 0,01 bis 1000 Pa (1×10^-4 bis 10 mbar) möglich, wahrscheinlich jedoch auf oder auf ungefähr 0,5 Pa (5×10^-3 mbar) optimiert. Die Ionenmobilität an sich funktioniert über einen weiten Bereich hinweg, doch die erforderlichen Spannungen können gefährlich werden, wenn der Druck zu hoch ist.
Eine Ioneninjektionsführung 80 wird verwendet, um der Ionenführung 10 Ionen bereitzustellen, und eine Extraktionsführung 90 nimmt Ionen von der Ionenführung 10 auf. Der Ioneninjektionsführung 80 ist eine Ionenquelle vorgeschaltet (d. h., die Ionenquelle ist stromaufwärts der Ioneninjektionsführung 80 vorgesehen). Die Ionenquelle kann von einer jeden geeigneten bekannten Art sein, zum Beispiel: eine Atmosphärendruck-Ionenquelle, eine Elektrospray-Ionenquelle, eine Ionenquelle mit chemischer Ionisation, eine MALDI-Ionenquelle, eine Elektronenstoßionenquelle oder eine Ionenquelle mit Laserionisation. Im Allgemeinen ist der Ionenquelle eine Ionenfalle oder eine andere Ionenbündelungsvorrichtung nachgeschaltet (die durch Anlegen geeigneter Stopp- und Extraktions-Gleichspannungspotentiale in die Ioneninjektionsführung 80 integriert werden kann). Dadurch können dem Driftbereich kompakte Ionenpakete (d. h. Impulse) zugeführt werden, die dann ausgehend von ihrer Mobilität innerhalb des Driftbereichs getrennt werden können. Ein Ionendetektor ist hinter der Extraktionsführung vorgesehen - oder ein weiterer Massenanalysator für eine komplexere Analyse.
Ein HF-Potential einer ersten Phase 25 wird dem ersten PCB-Substrat 20 zugeführt, das dann über elektrische Verbindungen mit anderen Plattenelektroden 40 verfügt. Ein HF-Potential einer zweiten, entgegengesetzten Phase 35 wird dem zweiten PCB-Substrat 30 zugeführt, das dann über elektrische Verbindungen mit den anderen Plattenelektroden 40 verfügt, die nicht mit dem ersten PCB-Substrat 20 verbunden sind.
Ionen können durch Anlegen einer Gleichstrom-Wanderwelle an das erste PCB-Substrat 20 und/oder das zweite PCB-Substrat 30, das über elektrische Verbindungen mit den Plattenelektroden 40 verfügt, durch die Flugbahn 50 hindurch angetrieben werden. Konkret werden auf die zwei eingrenzenden HF-Spannungen mit entgegengesetzten Phasen Gleichspannungspotentiale gelegt. Dies wird unter Verwendung einer Wanderwelle, wie in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0168882 erläutert, oder, weniger bevorzugt, unter Verwendung von transienten Gleichspannungspotentialen, wie in der US-Patentveröffentlichung 2014/0353487 erläutert, möglicherweise auf dieselbe Weise erreicht. In der Ausgestaltung der 1 bis 5 stellt eine einzelne Plattenelektrode 40 ein Potential für mehrere Punkte entlang der Ionenflugbahn 50 bereit. Folglich ist es schwierig und nicht besonders praktisch, Ionen mit einem konstanten Gleichspannungsgradienten anzutreiben, wie es bei bestehenden IMS-Vorrichtungen üblich wäre. Als Alternative kann eine HF-Wanderwelle erzeugt werden, indem mehrere HF-Phasen in der Art einer Ionenfördervorrichtung (wie in US-Patent Nr. 6 894 286 oder US-Patent Nr. 9 536 721 erläutert) an benachbarte Platten angelegt werden.
Diese Merkmale erschließen sich unter Bezugnahme auf die oben verwendeten allgemeinen Begriffe. In diesem Sinne kann zusätzlich ein Leistungseinspeisungssystem vorgesehen sein, das dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere Spannungen an den Satz Plattenelektroden anzulegen, um Ionen auf bzw. in der kontinuierlichen Ionenflugbahn einzugrenzen und/oder um zu bewirken, dass Ionen die kontinuierliche Ionenflugbahn durchwandern.
Es kann eine HF-Leistungseinspeisung bereitgestellt werden, die dazu ausgelegt ist, jeder Elektrode des Satzes Elektroden eine jeweilige HF-Spannung bereitzustellen, sodass benachbarte Elektroden HF-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen aufnehmen. Insbesondere können die HF-Spannungen bewirken, dass Ionen in der kontinuierlichen Ionenflugbahn eingegrenzt werden. In einigen Ausführungsformen kann die HF-Leistungseinspeisung weiterhin dazu ausgelegt sein, jeder Elektrode des Satzes Elektroden eine jeweilige HF-Spannung bereitzustellen, um zu bewirken, dass Ionen die definierte Ionenflugbahn durchwandern. Die HF-Leistungseinspeisung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden gemäß deren räumlicher Anordnung eine erste HF-Spannung bereitzustellen und jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden, die die erste HF-Spannung nicht empfängt, eine zweite HF-Spannung bereitzustellen. Insbesondere weist die erste HF-Spannung im Allgemeinen eine zu der zweiten HF-Spannung entgegengesetzte Phase auf. Vorteilhafterweise weisen die erste und die zweite HF-Spannung die gleiche Amplitude und/oder Frequenz auf.
In bevorzugten Ausführungsformen wird außerdem eine Gleichspannungseinspeisung bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, einer oder mehreren Elektroden des Satzes Elektroden zumindest ein Gleichspannungspotential zuzuführen. Die Gleichspannungseinspeisung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, zumindest einigen Elektroden des Satzes Elektroden Gleichspannungen zuzuführen, um eine Wanderwelle zu bilden, um zu bewirken, dass Ionen die definierte Ionenflugbahn durchwandern.
An dieser Stelle werden konkretere Einzelheiten in Bezug auf die in den 1 bis 5 gezeigte Ausgestaltung bereitgestellt. Eine Stapelringionenführung der Art, die in 1 genauer gezeigt ist, weist typischerweise Plattenelektroden 40 auf, die alle 0,5 mm bis 2 mm voneinander beabstandet sind (dabei kann die Beabstandung einheitlich oder variabel sein), wobei die Plattenelektrode 40 eine Dicke zwischen 0,25 mm und 1 mm aufweist (wobei auch hier einheitliche oder unterschiedlich Dicken möglich sind). Vorzugsweise wären die Plattenelektroden 40 jeden Millimeter beabstandet und 0,5 mm dick. Die Plattenelektroden 40 bestehen typischerweise aus Metall, vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium. Zusätzlich oder alternativ können die Plattenelektroden 40 teilweise oder vollständig mit einem Metall wie Gold beschichtet werden, was besonders nützlich sein kann, wenn die Plattenelektroden 40 an eine PCB gelötet werden sollen.
Die Öffnungen in den Plattenelektroden 40 können eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich kreisförmig, oval, rechteckig, ringförmig oder weniger regelmäßige Formen. Es ist allgemein bevorzugt, dass die Öffnungen die Form eines Briefkastens (rechteckig oder rechteckig mit abgerundeten Ecken) oder eine ovoide Form aufweisen und sich über die Länge der Ionenführung erstrecken. Dies kann die Größe der Öffnung für die Raumladungskapazität maximieren, aber die durch Differenzen der möglichen Radien der Ionenbahn verursachte Diffusion minimieren. Bei dieser Ausgestaltung sind die Formen der Öffnungen alle gleich. Dabei werden untenstehend jedoch Alternativen erläutert.
Die Länge und Breite rechteckiger Öffnungen kann zwischen 1 mm und mehr liegen. Die Öffnungsbreite wird vorzugsweise klein gehalten, im Allgemeinen bei weniger als (oder nicht mehr als) 5 mm, um die Schwankung der Ionenbahnlänge zu beschränken. Größere Breiten sind möglich, insbesondere wenn der Radius der Helix groß ist (beispielsweise ein Radius von mindestens 150 mm oder mehr). Die Öffnungslänge kann durch die verfügbare axiale Verschiebung pro benachbarter Öffnung beschränkt werden, die selbst beschränkt werden muss, um die Integrität der Ionenführung zu bewahren. Große axiale Verschiebungen zwischen Öffnungen benachbarter Plattenelektroden 40 können Übertragungsverlust und Ionendiffusion hervorrufen. Im Allgemeinen wird eine axiale Verschiebung zwischen Öffnungen von bis zu und von etwa 100 µm als sicher angesehen, da sich dies der mechanischen Genauigkeit der Baugruppe anzunähern beginnt, wenngleich im Falle rechteckiger Öffnungen möglicherweise beträchtlich größere Verschiebungen tolerierbar sind, beispielsweise von bis zu, von etwa oder von etwas mehr als 250 µm. Die Plattenelektroden 40 sind untereinander vorteilhafterweise identisch; in diesem Fall sollte der Abstand zwischen den Öffnungen über die Platte hinweg konstant sein.
Ein Beispiel für eine Ionenführung gemäß der Ausgestaltung von 1 würde ein helikales Driftrohr bilden, das 180 Plattenelektroden 40 umfasst, von denen jede 0,5 mm dick ist. Die Plattenelektroden 40 sind (bezogen auf die Mitte der Öffnungen) alle 1 mm voneinander beabstandet. Dies kann einen kompakten zentralen Helixradius von 57,3 mm ergeben, und eine axiale Verschiebung von 100 µm zwischen benachbarten Plattenelektroden 40 ermöglicht es, dass eine einzelne Windung einer Helix bis zu 18 mm lang ist. Zwischen den Öffnungen benachbarter Plattenelektroden 40 kann es gewisse Überhänge geben, insbesondere für Elektrodenmaterial oder um Platz für die Ioneninjektion oder -extraktion an den Abschlussenden bereitzustellen. Infolgedessen sind 15 mm lange Öffnungen realisierbar.
Wenn sich eine solche Helix über 11 Durchgänge erstreckt, um eine Vorrichtung auszubilden, die eine axiale Länge von knapp unter 20 cm (19,8 cm) aufweist, würde die Gesamtdriftbahn (Ionenflugbahn) nahezu 2 m betragen. In einem Tischgerät ist eine Verdoppelung oder Verdreifachung dieser Skala in allen Dimensionen mechanisch realisierbar, was Bahnlängen von 16 m bzw. 54 m ergibt. Längere Bahnlängen als diese werden unnötig und unterliegen möglicherweise dem Gesetz des sinkenden Grenzertrags, da Ionen über die Bahnlänge diffundieren (da die Auflösung proportional zur Quadratwurzel der Bahnlänge ist). Ein Problem besteht darin, dass sehr lange dünne Elektrodenplatten beginnen können, durchzuhängen, obwohl sich dieser Effekt mit jedem Vierteldurchgang über viele Platten ausgleicht und gegebenenfalls ein zusätzlicher Mittelträger angebrachte werden könnte. Der Gasdruck im Inneren der Vorrichtung, die vorzugsweise mit Helium oder Stickstoff gefüllt ist, beträgt normalerweise etwa 0,1 mbar (10 Pa) bis 1 mbar (100 Pa), obwohl beträchtliche Variationen möglich sind.
Eine HF-Spannung Spitze zu Spitze von etwa 300 V ist geeignet. Das Anlegen von HF-Spannungen mit entgegengesetzten Phasen an benachbarte Plattenelektroden 40 bedeutet, dass die Gesamtzahl der Platten wünschenswerterweise einer geraden Zahl entspricht. Wenn eine Wanderwelle mit transienten Gleichspannungsimpulsen angelegt wird, beispielsweise, wenn an jede vierte Elektrode ein Impuls von etwa 10 V angelegt wird und dieser Impuls dazu ausgelegt ist, an jeder aus vier Elektrodenplatten bestehenden Reihe „herab zu wandern“, dann ist die Gesamtanzahl der Elektroden in einem Stapel wünschenswert durch 4 teilbar.
Allgemein formuliert, wie oben erläutert, können eines oder mehrere von Form; Größe; Positionierung der Öffnungen; und Abstand zwischen den Öffnungen bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden gleich sein. Bei jeder Plattenelektrode weisen von der Vielzahl von Öffnungen optional alle die gleiche Form auf. Die Form der Öffnungen kann in einigen Ausführungsformen zwischen den Plattenelektroden gleich sein. Vorteilhafterweise weist von der Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode jede eine rechteckige oder ovoide (ovale) Form auf. Auch kreisförmige, rechteckige Formen, Ringe und andere regelmäßige (beispielsweise polygonale) oder unregelmäßige Formen sind möglich. Weitere Öffnungsformen und Unterschiede zwischen Öffnungsformen werden unten erläutert.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Massenspektrometer 100 schematisch dargestellt, das eine Ionenführung gemäß der Offenlegung umfasst. Dieses umfasst: eine Ionenquelle 110; ein S-Objektiv 120; eine Eingangsionenführung 130; eine 90-Grad-Ionenführung 140; die Ionenführung 10 der 1-5 als Ionenmobilitätstrenner; ein Quadrupol-Massenfilter 150; eine Ausgangsionenführung 160; eine gekrümmte Falle (C-Falle) 170; eine Stoßkammer 180; und einen Orbitalfang-Massenanalysator 190. In diesem Beispiel dient der Ionenmobilitätsseparator 10 dazu, Ionen vor dem Quadrupol-Massenfilter 150 auszusortieren. Dies kann dann beispielsweise verwendet werden, um: den Arbeitszyklus des Quadrupol-Massenfilters 150 zu verbessern; chemische Einflüsse zu beheben; und/oder Informationen bezüglich der Mobilität von Ausgangsionen zu verschaffen. In Variationen dieser Anordnung kann sich der Ionenmobilitätsseparator 10 zusätzlich oder alternativ hinter dem Quadrupol-Massenfilter 150 oder zwischen der Stoßkammer 180 und der C-Falle 170 befinden, was der Aussortierung fragmentierter Ionen dient.
Bei einer anderen Auslegung könnte sich die Stoßkammer 180 stromaufwärts der C-Falle 170, aber stromabwärts des Massenfilters 150 befinden, und der Ionenmobilitätsseparator 10 könnte sich hinter der Stoßkammer befinden, was der Aussortierung fragmentierter Ionen entsprechend ihrer Mobilität dient. Es versteht sich, dass noch andere Auslegungen eines Massenspektrometers mit einer Ionenführung gemäß der Offenlegung möglich sind. Im Allgemeinen kann jede geeignete bestehende Auslegung eines Massenspektrometers, das einen Ionenmobilitätsseparator umfasst, unter Verwendung der Ionenführung gemäß dieser Offenlegung als der Ionenmobilitätsseparator aufgebaut werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein solches System im Prinzip zwar verlustfrei sein sollte, verlängerte Driftbereiche jedoch mit beträchtlichen Ionenverlusten einhergehen können. Im Hinblick auf die Empfindlichkeit und möglicherweise auf manche schnelle Betriebsmodi von Hybridinstrumenten kann eine Option bereitgestellt werden, den Ionenmobilitätsseparator 10 (mit seinem verlängerten Driftbereich) vollständig zu umgehen. Verzweigte Ionenführungen (wie in der US-Patentveröffentlichung 2008/0061227 erläutert) oder -fallen (wie in der US-Patentveröffentlichung 2014/0353487 vorgesehen), die über eine kurze Ionenführung verbunden sind, wären für diesen Zweck geeignet.
Allgemein formuliert, kann ein Aspekt der Offenlegung als Massenspektrometer betrachtet werden, das eine beliebige wie hier offenbarte Ionenführung umfasst. Vorteilhafterweise ist die Ionenführung dazu ausgelegt, Ionen von einer stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung aufzunehmen und zu bewirken, dass die aufgenommenen Ionen entlang der Ionenflugbahn wandern. Das Massenspektrometer kann ferner einen Massenanalysator umfassen, der dazu ausgelegt ist, Ionen aufzunehmen, welche entlang der Ionenflugbahn gewandert sind, und die aufgenommenen Ionen optional zu analysieren. In einigen Ausführungsformen kann das Massenspektrometer ferner eine ionenoptische Umgehungsanordnung umfassen, die selektiv dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass Ionen von der stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung zu dem Massenanalysator wandern, ohne die Ionenführung zu passieren. Dies kann beispielsweise eine oder mehrere Ionenablenkvorrichtungen umfassen.
Es versteht sich, dass an der vorstehenden Ausgestaltung Änderungen vorgenommen werden können, die jedoch nach wie vor in den Schutz- und Geltungsbereich der Offenlegung fallen. Zum Beispiel muss die axiale Verschiebung der Öffnung zwischen benachbarten Plattenelektroden 40 nicht durch Befestigen von Platten zwischen zwei helikal geformten PCBs erzeugt werden. Es könnte eine einzelne helikale Platte verwendet werden, und der andere Endpunkt könnte ein aus PEEK oder Keramik zugeschnittener Block sein, wobei zur Positionierung der Platten Schlitze eingeschnitten werden und ein geeignetes Loch eingeschnitten wird, um den Zugang zum Endpunkt zu ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 7A sind eine beispielhafte Elektrodenstruktur und ein beispielhaftes Befestigungssubstrat gemäß einer zweiten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung abgebildet. Bei dieser alternativen Ausgestaltung wird die axiale Verschiebung vollständig bei flachen PCBs 220 (oder, weniger bevorzugt, zusätzlichen Metall- oder Isolierteilen) definiert, indem die Plattenelektroden 240 an einem oder beiden Endpunkten mit einer Keilform versehen werden. Die Befestigungs-PCBs 220 tragen die Drehachse umgebende Schlitze variierender Länge, sodass der Abstand der Einfügung des Keils in den Schlitz in Abhängigkeit von der Schlitzbreite variiert, um die axiale Position der Platten zu steuern. Dadurch werden die Plattenelektroden 240 und damit ihre jeweiligen Öffnungen mit zunehmender axialer Verschiebung um die Drehachse versehen. Die Schlitze können kostengünstig in die Leiterplatte 220 lasergeschnitten oder gefräst werden. Die Elektrodenplatten werden dabei (als Zwischenschichten) zwischen den zwei flachen PCBs 220 befestigt.
Unter Bezugnahme auf 7B sind eine Elektrodenstruktur und ein Befestigungssubstrat gemäß einer dritten Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung gezeigt. Diese umfasst: zwei gegenüberliegende PCBs 260; einen einen Versatz definierenden Abstandhalter 280; und Plattenelektroden 40. Bei dieser alternativen Struktur wird die axiale Verschiebung durch ein Merkmal definiert, das an einem Endpunkt des Satzes Plattenelektroden 40 in das Abstandhalterstück 280 eingefräst ist. Als alternative, aber ähnliche Vorgehensweise können Schlitze mit variierender Tiefe in den Abstandhalter eingeschnitten werden. Derartige Vorgehensweisen ermöglichen es, dass Positionen der Plattenelektroden 40 durch einen anderen Teil als die PCB 280 definiert werden. Bei einer jeder Ausgestaltung können elektrische Verbindungen hergestellt werden, indem sie an eine oder mehrere PCBs 260 gelötet werden, die an oder in der Nähe von dem Abstandhalter 280 angebracht sind. Vorteilhafterweise können die PCBs 280 dann flach sein, wobei der Verbindungsteil der Platten in verschiedenen Längen durchtritt.
PCBs sind nicht unbedingt erforderlich, aber nützlich als Mittel zur Spannungsversorgung. In einer weiteren Ausgestaltung können elektrische Verbindungen und bis zu einem gewissen Grad eine mechanische Definition und Unterstützung mit Metallringen mit eingeätzten/eingeschnittenen Verbindungsschlitzen oder durch direkte Verdrahtung der Elektrodenplatten hergestellt werden.
In verschiedenen Ausgestaltungen können die Plattenelektroden, die jeweils mit einer Reihe von Elektrodenöffnungen versehen sind, aus PCB oder Keramikplatten mit metallisierten Öffnungen ausgebildet werden. Der Vorteil einer metallisierten PCB kann in einer reduzierten Kapazität bestehen, sie kann jedoch dem Risiko eines Aufladens und elektrischen Durchschlags von scharfen Metallkanten unterliegen. Metallplatten können derart konstruiert werden, dass sich überdeckende Metallbereiche mit entgegengesetzter HF minimiert werden. Zusätzliche geerdete Platten können zwischen Plattenelektroden angeordnet werden, an die eine HF angelegt wird, um entgegengesetzte HF-Spannungen voneinander abzuschirmen.
Im oben erläuterten verallgemeinerten Sinne kann das Befestigungselement ein Befestigungssubstrat umfassen, woran jede Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist, wobei das Befestigungssubstrat eine Form aufweist, durch welche die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festgelegt wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Befestigungselement umfassen: ein Befestigungssubstrat; und einen Abstandhalter, der zwischen dem Befestigungssubstrat und dem Satz Elektroden angeordnet wird. Der Abstandhalter kann derart ausgelegt sein, dass er die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festlegt.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung können sich die Plattenelektroden voneinander unterscheiden, wobei nach wie vor der gleiche Effekt wie bei der oben erläuterten Ausgestaltung erzielt wird. Eine Möglichkeit, dies umzusetzen, besteht darin, den axialen Versatz zwischen Öffnungen in benachbarten Plattenelektroden durch entsprechendes Einstellen der Öffnungsposition in jeder Plattenelektrode zu erzeugen. Dies kann die Herstellung erheblich erschweren, ist aber noch realisierbar. Es wird wünschenswerterweise darauf geachtet, den Zugang zur Ioneninjektion und -extraktion zu bewahren.
Wie bereits erwähnt, kann die Auflösung durch eine Schwankung der Bahnlänge eingeschränkt werden, die durch Ionen verursacht wird, die in der Lage sind, am Außen- oder Innenradius der helikalen Bahn zu sitzen. Raumladungseffekte werden dieses Problem verstärken, indem sie Ionen in die äußeren Randbereiche drängen und sie dort gefangen halten. Die oben erläuterten Ausgestaltungen ergeben zwar helikale Ionenflugbahnen mit kreisförmigem zweidimensionalem Profil (beispielsweise von direkt oben oder direkt unten gesehen), doch sind auch andere zweidimensionale Profile möglich. Unter Bezugnahme auf 8 sind andere Profile für Ionenführungen schematisch gezeigt, insbesondere: (a) ein rechteckiges Profil mit abgerundeten Ecken (oder „Vierkantprofil“); und (b) ein labyrinthartiges Profil. Es könnten auch andere geschlossene Formen für das zweidimensionale Profil in Betracht gezogen werden. Zweidimensionale Profile mit einem geringeren Krümmungsgrad als ein kreisförmiges Profil, wie die in 8 gezeigten, können dazu beitragen, die Beschränkung der Auflösung zu minimieren. Labyrinthartige Profile können eine Ionenflugbahn zudem effizienter auf den verfügbaren Raum komprimieren. Solche Strukturen definieren nach wie vor eine Ionenflugbahn mit einer im Allgemeinen helikalen Form, wobei die Ionenflugbahn jedoch nicht unbedingt eine Helix beschreiben muss. Das heißt, die Ionenflugbahnen in 8 umfassen nach wie vor eine Umlaufbahn, die sich ebenfalls in eine Richtung erstreckt, die senkrecht zur Rotationsrichtung verläuft, wie bei einer Helix der Fall.
Eine weitere Option, das Problem der beschränkten Auflösung zu beheben, besteht in der Verwendung eines Achtprofils, wofür in der oben erwähnten US-Patentveröffentlichung 2014/0042315 ein Beispiel erläutert wird. In der dort beschriebenen Vorgehensweise werden gleichlange Krümmungsbereiche im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn verwendet, um die Bahn auszugleichen, wodurch es beispielsweise ermöglicht wird, dass Ionen ebensoviel Zeit im Außen- wie Innenradius der Bahn verbringen, und so Abweichungen auszugleichen. Raumladungseffekte können bei dieser Vorgehensweise hilfreich sein, da sie verhindern, dass Ionen zwischen verschiedenen Bahnen hin und her wandern.
Eine Schwierigkeit bei der vorstehenden Ausführungsform der 1 bis 5 besteht darin, dass es mit ihr schwierig ist, ein Achtprofil umzusetzen, da sich Ionenbahnen mit entgegengesetzter Krümmung normalerweise nicht kreuzen können. Auf 9 Bezug nehmend, sind eine Elektrodenstruktur und ein Profil einer vierten Ausgestaltung einer Ionenführung schematisch abgebildet, die der Behebung dieses Problems dient. Die rechte Seite zeigt das zweidimensionale Profil der Ionenführung gemäß dieser Gestaltung, und die linke Seite zeigt den Aufbau der Elektrodenplatten an drei verschiedenen Teilen des zweidimensionalen Profils. Im Wesentlichen wird das zweidimensionale Achtprofil unter Verwendung von zwei Helices mit sich überdeckenden kreisförmigen Profilen ausgebildet, damit sich Ionen nach jedem Durchgang zwischen den Helices bewegen können. Die Struktur der Elektrodenplatten, die dies ermöglicht, wird unten erläutert.
Mit dem oberen Teil des zweidimensionalen Profils beginnend, ist eine erste Elektrodenplattenstruktur 300 gezeigt. Diese Elektrodenplattenstruktur unterscheidet sich nicht von den beispielsweise in den 1, 3A bis 3D und 5 gezeigten. In der Mitte des zweidimensionalen Profils sind eine erste 310 und eine zweite 320 Elektrodenplattenstruktur, die sich überlappen, gezeigt. Diese länglichen Elektrodenplatten haben ein gezacktes Muster, sodass die ersten 310 und zweiten 320 Elektrodenplatten einander überlappen. Infolgedessen werden Ionen, die der Krümmung der oberen Helix folgen, zur unteren Helix geleitet, um am Ende jedes Durchgangs mit einer entgegengesetzten Krümmung zu wandern, ohne dass Ionen zusammenstoßen. Es lässt sich erkennen, dass das Passieren von Ionen zwischen den Flugbahnen mit entgegengesetzter Krümmung nicht nach jedem Durchgang erfolgen muss, sondern vorzugsweise derart herbeigeführt wird, dass die Ionen die gleiche Strecke durch die Flugbahnen beider entgegengesetzter Krümmungen zurücklegen. Eine solche Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, ist mechanisch jedoch komplex.
In dem oben erläuterten allgemeinen Sinn kann davon ausgegangen werden, dass die helikale oder auf einer Helix beruhende Form ein zweidimensionales Profil definiert. Demnach definiert die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden vorzugsweise die kontinuierliche Ionenflugbahn, um sich mehrfach entlang des zweidimensionalen Profils zu erstrecken. Anders formuliert, erstreckt sich die kontinuierliche Ionenflugbahn über mehrere Durchgänge um die auf einer Helix beruhende Form hinweg.
Das zweidimensionale Profil weist in einer Ausführungsform eine Kreisform auf. Es sind auch andere Formen mit geschlossener Schleife möglich, beispielsweise oval, rechteckig mit abgerundeten Ecken oder labyrinthartig. In bestimmten Ausführungsformen weist das zweidimensionale Profil die Form einer Acht (Lemniskate) auf. Eine Möglichkeit, eine solche Ausgestaltung umzusetzen, besteht darin, dass der Satz Plattenelektroden eine erste und eine zweite Vielzahl von (Platten-)Elektroden umfasst. Jede von der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden ist derart angeordnet, dass ein entsprechendes kreisförmiges zweidimensionales Profil definiert wird. Einige von der ersten Vielzahl von Elektroden und einige von der zweiten Vielzahl von Elektroden sind derart angeordnet, dass sie einander überlappen, sodass das zweidimensionale Profil der ersten Vielzahl von Elektroden das zweidimensionale Profil der zweiten Vielzahl von Elektroden überdeckt. Dann wird die kontinuierliche Ionenflugbahn vorteilhafterweise durch die Vielzahl von Öffnungen sowohl der ersten als auch der zweiten Vielzahl von Elektroden definiert. Zum Beispiel können die sich überlappenden Elektroden eine gezackte Form (typischerweise mit einer rechteckigen Form) aufweisen. Die Verzahnung der sich überlappenden Elektroden der ersten Vielzahl von Elektroden ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass sie die Verzahnung der sich überlappenden Elektroden der zweiten Vielzahl von Elektroden spiegelbildlich wiedergibt, sodass sich die Elektroden überlappen können. Die Öffnungen der ersten Vielzahl von Elektroden können dadurch Ionen aus den Öffnungen der zweiten Vielzahl von Elektroden aufnehmen, und die Öffnungen der zweiten Vielzahl von Elektroden können dementsprechend Ionen aus den Öffnungen der ersten Vielzahl von Elektroden aufnehmen.
Weitere alternative Strukturen können in Betracht gezogen werden. Unter Bezugnahme auf 10A ist eine Draufsicht einer fünften Ausgestaltung einer Ionenführung gemäß der Offenlegung gezeigt. Dabei wird eine andere Struktur abgebildet, die effizient mit Elektroden mit mehreren Öffnungen als „flache Spirale“ konstruiert werden kann. Bei dieser Ausgestaltung müssen benachbarte Platten entlang der Drehachse, entlang welcher die Plattenelektroden angeordnet sind, nicht gegeneinander verschoben werden. Stattdessen wird der Abstand der Plattenelektroden von der Drehachse zwischen aufeinanderfolgenden Plattenelektroden verschoben. Wenn die Platten von der Drehachse abgewandt angeordnet sind, wird dadurch eine einzelne spiralförmige Bahn für die Ionen anstelle einer helikalen Bahn ausgebildet.
In 10A sind die Elektroden 340 mit mehreren Öffnungen (hier mit jeweils 5 Öffnungen 341 gezeigt) jeweils senkrecht zur Drehachse (die mit dem Punkt 342 markiert ist und sich in die Ebene der Zeichnung und aus dieser heraus erstreckt) verschoben. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, würden Ionen an der Einlassöffnung 350 in die Struktur eintreten und an der Auslassöffnung 360 aus der Struktur austreten. Aus diesem Grund würden sie entlang der spiralförmigen lonenflugbahn 365 wandern. Diese Vorgehensweise kann mit anderen hier offenbarten kombiniert werden; so können beispielsweise auch die anderen beschriebenen Verfahren zum Ausgleichen der Flugbahn im Falle von Ionen auf dem Innen- und Außenradius angewendet werden, wie unten erläutert.
Der axiale Versatz kann auf die gleiche Weise wie im Falle der helikalen Strukturen umgesetzt werden, d. h. durch Biegen der PCB (die sich an der Außenkante der Plattenelektroden 340 befinden und sich in die Ebene der Zeichnung erstrecken würde), der Schlitze, die das Eindringen der Elektroden in den Träger definieren, oder eines Abstandhalterstücks oder einer anderen geeigneten Struktur.
Wie vorstehend allgemein betrachtet, können von dem Satz Plattenelektroden manche oder alle räumlich um eine Achse angeordnet werden, die senkrecht zur ersten Dimension (die Dimension, entlang derer die Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode beabstandet ist) verläuft. Dann verhält sich die erste Dimension typischerweise radial zur Achse, und die kontinuierliche Ionenflugbahn weist eine auf einer Spirale beruhende Form auf. Eine auf einer Spirale beruhende Form kann sich auf eine Form beziehen, die einen grundlegenden Spiralcharakter aufweist, beispielsweise eine Kurve mit einem allgemein zunehmenden (oder abnehmenden) Radius ab der Achse. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass jede der jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden derart positioniert wird, dass sie in der ersten Dimension (der radialen Dimension) zueinander versetzt sind. Es können auch Varianten einer Spiralform (bei denen der Spiralcharakter durch eine andere Form abgewandelt ist, beispielsweise mit einer geringfügigen Variation in einer Dimension senkrecht zur Richtung der Spiralbewegung, wodurch eine „Zickzackform“ gebildet wird) betrachtet werden.
Ein gewisser helikaler Charakter kann einbezogen werden, indem eine axiale Verschiebung zusätzlich zur radialen hinzugefügt wird, um Folgendes zu ermöglichen: Raum für benachbarte ionenoptische Komponenten; oder Raum, um die Ionenbahn von spiraligen zu gegenspiraligen Auslegungen zu wechseln (durch Umkehren des Trends der radialen Verschiebung). Somit kann die Bahnlänge innerhalb eines kleinen Raums stark vergrößert werden, indem sich abwechselnde spiralige und gegenspirale Strukturen gestapelt werden. Eine Struktur gemäß diesem letzteren Vorschlag wird unter Bezugnahme auf die 10B, 10C und 10D erläutert.
Unter Bezugnahme auf 10B ist eine Draufsicht auf einen ersten Teil einer Variante der Ausgestaltung von 10A gezeigt, und unter Bezugnahme auf 10C ist eine Draufsicht auf einen zweiten Teil dieser anderen Ausgestaltung gezeigt. Die zwei Teile sind (in zwei Ebenen) gestapelt, wobei der in 10B gezeigte Teil unten (Ebene 1) und der in 10C gezeigte Teil oben (Ebene 2) liegt. Ionen treten durch den Ioneneinlass 370 in die Struktur ein und passieren die ersten Plattenelektroden 374, um entlang der ersten spiralförmigen Ionenflugbahn 375 (einer nach außen verlaufenden Spirale) zu wandern und durch den Ionenzwischenauslass 378 auszutreten. Diese Ionen werden dann (möglicherweise durch weitere Ablenkelektroden, nicht gezeigt) zum Ionenzwischenauslass 380 auf der zweiten Ebene (10C) geleitet. Von hier passieren die Ionen die zweiten Plattenelektroden 384, um entlang der zweiten spiralförmigen Ionenflugbahn 385 (einer nach innen verlaufenden Spirale) zu wandern und durch den Ionenauslass 388 auszutreten. Elektrodenplatten können mit zwei Dimensionen des Öffnungsstapels konstruiert (beispielsweise geätzt) werden, sodass mehrere Ebenen in einen einzelnen Ring aus Elektrodenplatten integriert werden können. Unter Bezugnahme auf 10D ist die Ionenflugbahn für die Ausgestaltung der 10B und 10C schematisch dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in diesen Zeichnungen verwendet werden, um die Bahn der Ionen vom Ioneneinlass 370 durch den spiralförmigen Ionenflugbereich 375 und gegenüberliegenden spiralförmigen Ionenflugbereich 385 bis zum Ionenauslass 388, durch den sie austreten, zu zeigen.
Allgemein formuliert, kann jede jeweilige benachbarte Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden derart positioniert werden, dass sie in axialer Richtung zueinander versetzt sind. Dies kann bewirken, dass die kontinuierliche Ionenflugbahn eine Form aufweist, die sowohl auf einer Spirale als auch einer Helix beruht.
In Ausführungsformen kann in Betracht gezogen werden, dass der Satz Plattenelektroden eine erste und eine zweite Vielzahl von Elektroden umfasst. Die erste Vielzahl von Elektroden ist räumlich typischerweise derart angeordnet, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode der ersten Vielzahl von Elektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden der ersten Vielzahl von Elektroden eine erste kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode der ersten Vielzahl von Elektroden definiert. Die zweite Vielzahl von Elektroden ist räumlich im Allgemeinen derart angeordnet, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode der zweiten Vielzahl von Elektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden der zweiten Vielzahl von Elektroden eine zweite kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode der zweiten Vielzahl von Elektroden definiert. Die zweite Vielzahl von Elektroden kann auf die erste Vielzahl Elektroden gestapelt werden (wobei zum Beispiel die erste Vielzahl von Elektroden im Allgemeinen in einer ersten Ebene angeordnet wird und die zweite Vielzahl von Elektroden in einer zweiten Ebene angeordnet wird, die parallel zur ersten Ebene verläuft, von der ersten Ebene in einer Richtung, die senkrecht zu ihr verläuft, jedoch beabstandet ist), sodass Ionen, die aus der ersten kontinuierlichen Ionenflugbahn austreten, zur zweiten kontinuierlichen Ionenflugbahn geleitet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die erste und/oder zweite kontinuierliche Ionenflugbahn eine auf einer Spirale und einer Helix beruhende Form aufweisen.
Zum Beispiel können ein Eingang in die erste kontinuierliche Ionenflugbahn an einem ersten Ende von einer von der ersten Vielzahl von Elektroden bereitgestellt werden und ein Ausgang aus der ersten kontinuierlichen Ionenflugbahn an einem zweiten Ende von einer von der ersten Vielzahl von Elektroden, das dem ersten Ende gegenüberliegt, bereitgestellt werden (wobei das erste und das zweite Ende in der ersten Dimension definiert sind). Dann kann ein Eingang in die zweite kontinuierliche Ionenflugbahn am zweiten Ende von einer von der zweiten Vielzahl von Elektroden (das mit dem zweiten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden gefluchtet ist) bereitgestellt werden, und ein Ausgang aus der ersten kontinuierlichen Ionenflugbahn kann am ersten Ende von einer von der zweiten Vielzahl von Elektroden (mit dem ersten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden gefluchtet) bereitgestellt werden.
Optional sind die erste Vielzahl von Elektroden räumlich um eine erste Achse (die erste kontinuierliche Ionenflugbahn, die sich entlang einer Richtung der ersten Achse erstreckt) angeordnet und die zweite Vielzahl von Elektroden räumlich um eine zweite Achse (die zweite kontinuierliche Ionenflugbahn, die sich entlang einer Richtung der zweiten Achse erstreckt) angeordnet. Dann können die erste und die zweite Achse (im Wesentlichen) parallel oder (im Wesentlichen) koaxial sein.
Wie zuvor erwähnt, kann es zwar vorteilhaft sein, dass jede der Plattenelektroden identisch ist, doch ist dies nicht notwendig. Ein weiterer Vorteil des Minimierens der Verringerung der Auflösung kann sich aus der Änderung der Öffnungsform zwischen Öffnungen benachbarter Elektroden entlang der Ionenflugbahn ergeben. Dies wird unter Bezugnahme auf 11A erklärt, in der erste Beispiele für Elektrodenöffnungsformen 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470 dargestellt sind. Indem die Form der Öffnungen entlang der Ionenflugbahn (mittels steigender Bezugszahlen dargestellt) der Reihe nach geändert wird, können Ionen dazu veranlasst werden, mindestens einmal pro Durchgang durch die Haupthelix einer engen Bahn um den Außen- und Innenradius zu folgen. Dies kann äquivalent zu einem Verwirbeln der gefangenen Ionenpakete sein, sodass sie einer gleichmäßigeren Bahnlänge folgen. Diese Vorgehensweise könnte potentiell auf jede Ionenmobilitätsvorrichtung mit Krümmung angewendet werden und muss nicht nur mit den zuvor beschriebenen Ionenführungen (die z. B. eine helikal geformte Ionenflugbahn aufweisen) verwendet werden. Die Kraft, die diesen Effekt erzeugt, kann durch Variation der Form der Öffnungen ausgeübt werden, wenn sich Ionen um jede Krümmung oder Kurve der Ionenflugbahn voran bewegen. Auf konzeptioneller Ebene versteht es sich, dass die Variation der Struktur der Öffnungen derart ist, dass mitgeführte Ionen untereinander ähnlichen Driftbahnen unterzogen werden, selbst wenn der Innen- und Außenradius des Öffnungsstapels beträchtlich variieren.
Die in 11A gezeigte Vorgehensweise weist zwei verbundene Schlitze 405, 415 als Öffnungen auf (obwohl mehr solche Schlitze verwendet werden könnten, falls dies gewünscht ist). So könnte zum Beispiel jede der Öffnungen in den Ausführungsformen der Plattenelektroden, die in den 1, 3A-D und 5 gezeigt sind, so ausgebildet sein, dass sie die zwei Schlitze umfasst. Ansatzpunkte oder Schieber 406, 407, die die Schlitze trennen, scheinen sich mit zunehmender Entfernung entlang der Ionenflugbahn, sprich, mit fortschreitender Bewegung durch Öffnungen von Platte zu Platte, um die Form zu bewegen und/oder die Form zu ändern, was bewirkt, dass sich Ionen im Bereich der Öffnung hin und her bewegen. Es ist nicht notwendig, dass die Ansatzpunkte oder Schieber 406, 407 die Öffnungen vollständig trennen, auch wenn dies der Einfachheit halber gezeigt ist. Die Schlitze 405, 415 und die Ansatzpunkte oder Schieber 406, 407 sind zwar nur für eine erste Elektrode 400 gezeigt, doch lassen sich die entsprechenden Teile in den anderen Elektroden unmittelbar erkennen. Somit wird bewirkt, dass sich Ionen, die entlang der Ionenflugbahn wandern, in eine Richtung verlagern, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft. Durch das Verlagern der Ionen in einer senkrechten Richtung, insbesondere bei dem einen oder den mehreren gekrümmten Abschnitten der Ionenflugbahn, kann bewirkt werden, dass die Ionen entlang verschiedener Segmente des Ionenflugbahn-Querschnitts wandern, beispielsweise, damit sie sich um die Öffnungen herum drehen und dadurch eine Helixform definieren, wobei die Richtung der Ionenflugbahn die Achse der Helixform ist.
11A zeigt diese Vorgehensweise mit einer Öffnung auf, die aus zwei miteinander verbundenen Schlitzen in einer allgemein rechteckigen Form gebildet wird. Um fortzufahren, werden unter Bezugnahme auf 11B weitere Beispiele für Elektrodenöffnungsformen gemäß der Offenlegung gezeigt, die für Ionenführungen geeignet sind. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, könnte es sich bei der Öffnung auch um Folgende handeln: eine Ringform 480 (in dieser Zeichnung mit einem einzelnen Schieber 481 gezeigt, obwohl mehr als ein solcher Schieber oder Ansatzpunkt verwendet werden könnte), die sich, wie anhand des Pfeils gezeigt, umlaufend zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden dreht, um nur einen breiten Schlitz 482, wobei durch eine Rotation des Schlitzes zwischen in Reihe angeordneten Elektroden, wie anhand der Pfeile gezeigt, Kraft aufgebracht wird, oder um einen Ringschlitz 484 mit einem oder mehreren Ansatzpunkten 485, die von der Öffnungsseite abstehen, die sich gemäß der verschieben (dies ist weniger bevorzugt, da sich Ionen von sich aus im Bereich des Schlitzes hin und her bewegen könnten, was zu einer Diffusion führen würde).
Obwohl dieser Effekt in der Darstellung durch Ändern der Form von Öffnungen entlang der Ionenflugbahnlänge erzeugt wird, kann er alternativ durch Anlegen einer Spannung an zusätzliche Elektroden, die zwischen den HF-Öffnungen befestigt sind, erreicht werden, um ein Beispiel zu nennen.
In einem zweiten Aspekt im verallgemeinerten Sinn (der mit anderen hier beschriebenen Aspekten kombiniert werden kann) kann eine Ionenführung in Betracht gezogen werden, die eine Vielzahl von Elektroden umfasst. Jede Elektrode umfasst mindestens eine Öffnung, um eine Ionenflugbahn (durch die Öffnungen) zu definieren, die mindestens eine Krümmung aufweist, welche einen mittleren Krümmungsradius definieren kann. Eine Öffnung einer ersten Elektrode der Vielzahl von Elektroden grenzt an eine Öffnung einer zweiten Elektrode der Vielzahl von Elektroden entlang der Ionenflugbahn an. Dann weist die Öffnung der zweiten Elektrode eine Form, ein elektrisches Potential und/oder eine Position auf, die sich von jenen der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich Ionen, die entlang der Ionenflugbahn wandern, in eine Richtung verlagern, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft. Durch das Verlagern der Ionen in eine senkrechte Richtung, insbesondere bei dem einen oder den mehreren gekrümmten Abschnitten der Ionenflugbahn, kann bewirkt werden, dass die Ionen entlang verschiedener Segmente des Ionenflugbahn-Querschnitts wandern. Insbesondere müssen die Ionen nicht unbedingt zu einem inneren oder äußeren Teil des gekrümmten Abschnitts gezwungen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann bewirkt werden, dass die Ionen zwischen der Innenseite des mittleren Krümmungsradius und der Außenseite des mittleren Krümmungsradius oszillieren. Solche Vorgehensweisen können Beschränkungen der Auflösung aufgrund von Schwankungen der Bahnlänge minimieren. Beispielsweise kann eine Differenz der Flugbahnlänge zwischen Ionen, die an einer Position auf der Innenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, und Ionen, die an einer Position auf der Außenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, korrigiert werden.
Um dies mit dem ersten Aspekt zu kombinieren, kann (zum Beispiel) angenommen werden, dass die Ionenflugbahn eine auf einer Spirale und/oder einer Helix beruhende Form aufweist. Darüber hinaus kann jede Elektrode eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen. Bei den Elektroden kann es sich um eine Plattenelektrode oder eine Elektrodenstruktur handeln, die eine Plattenelektrode funktionell nachahmt.
In diesem zweiten Aspekte wird die Richtung, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft, vorzugsweise durch eine helikale (oder auf einer Helix beruhende) Form definiert, wobei die Richtung der Ionenflugbahn eine Achse der helikalen Form ist. Indem bewirkt wird, dass sich Ionen „in einer Spirale bewegen“ (was in diesem Kontext bedeutet, dass sie in einer helikalen Form wandern), werden die Ionen effektiv verwirbelt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ionenflugbahn (insbesondere in Kombination mit dem ersten Aspekt) an sich eine Spiral- und/oder Helixform besitzen kann, sodass die Ionen entlang einer Ionenflugbahn mit einer auf einer Spirale und/oder Helix beruhenden Form in einer helikalen Bewegung (die als eine weitere Helixform bezeichnet werden kann) senkrecht zu dieser Bahn wandern können.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils einen jeweiligen ersten Schlitz und einen jeweiligen zweiten Schlitz. Vorteilhafterweise ist jeder erste Schlitz in Bezug auf den jeweiligen zweiten Schlitz unterschiedlich und/oder von diesem getrennt. Dann weist der erste Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode vorteilhafterweise eine Form und/oder Position auf, die sich von jenen des ersten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine erste Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern. Zusätzlich oder alternativ weist der zweite Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode eine Form und/oder Position auf, die sich von jenen des zweiten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine zweite Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern.
In einer Ausführungsform weisen jeder erste Schlitz und jeder zweite Schlitz eine Form auf, die durch jeweilige Abschnitte ein und desselben Rechtecks definiert sind (wobei jeder von dem ersten und zweiten Schlitz optional mindestens eine Ecke des Rechtecks beinhalten). In Ausführungsformen umfassen die Öffnung der ersten Elektrode und/oder die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils eine Ringform (die kreisförmig, oval, rechteckig sein oder eine andere ringförmige Form aufweisen kann).
In einigen Ausgestaltungen umfassen die Öffnung der ersten Elektrode und/oder die Öffnung der zweiten Elektrode weitergehend jeweils einen oder mehrere Schieber oder Ansatzpunkte, die von einer Seite der jeweiligen Öffnung abstehen und sich umlaufend zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verschieben. In anderen Ausgestaltungen umfassen die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils einen breiten oder geraden Schlitz. Dann kann sich der Schlitz umlaufend zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verschieben. Die Rotationsverschiebung der Schieber, Ansatzpunkte und/oder des Schlitzes kann bewirken, dass sich die Ionen senkrecht zur Flugbahnrichtung verlagern.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Richtung dieselbe Richtung. Anders formuliert, bewirkt die relative Positionierung sowohl des ersten als auch des zweiten Schlitzes, dass Ionen auf dieselbe Weise getrieben werden. Dies erfolgt typischerweise in einer helikalen Bewegung, wie oben erläutert, derart, dass die erste Richtung durch eine erste weitere Helixform definiert wird und die zweite Richtung durch eine zweite weitere Helixform definiert wird. Dann ist die Richtung der Ionenflugbahn vorzugsweise eine Achse sowohl der ersten als auch der zweiten weiteren Helixform. Die erste und zweite weitere Helixform können gleich sein. Optional kann sich die zweite Richtung von der ersten Richtung unterscheiden, zum Beispiel, wenn von der ersten und der zweiten weiteren Helixform eine rechtslaufend und die andere linkslaufend ist (unterschiedliche Chiralität).
Wie oben erläutert, können Elektrodenanordnungen oder -strukturen verwendet werden, bei denen es sich nicht unbedingt um Plattenelektroden handelt, die aber den gleichen funktionellen Effekt haben. Eine solche Struktur wird unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, in der eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausgestaltung einer Ionenführung gezeigt ist. Dabei werden gestapelte Stabelektroden 510, 520 anstelle von Plattenelektrodenöffnungen verwendet. Die gestapelten Stabelektroden 510, 520 können als ein Stapel aus Elektrodenanordnungen gesehen werden, wobei jede Anordnung zwei parallele Stabelektroden mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst (wobei die Lücke eine Dimension ist, die orthogonal zu einer Richtung der Längsausdehnung der Stabelektroden verläuft). Eine HF-Spannung mit einer ersten Phase wird an die ersten Stabelektroden 510 angelegt, und eine HF-Spannung mit einer zweiten, entgegengesetzten Phase wird an die zweiten Stabelektroden 520 angelegt. An die ersten Stabelektroden 510 und die zweiten Stabelektroden 520 werden vorzugsweise keine Gleichspannungen angelegt. Zwischen den HF-Stabelektroden 510 und den HF-Stabelektroden 520 sind weitere Elektroden 500 mit einer angelegten Gleichspannung vorgesehen. An die weiteren Elektroden 500 werden vorzugsweise keine HF-Spannungen angelegt. Daher überlappen sich die Gleichspannungselektroden 500 zwischen aufeinanderfolgenden HF-Stabelektroden 510, 520. Diese Gleichspannungselektroden 500 verschaffen eine Lateralfokussierung. In dieser Ausgestaltung sind sie als Plattenelektroden dargestellt, sie können äquivalent aber auch anhand von Stabelektroden oder Drähten, die von oben oder unten fixiert werden, bereitgestellt werden. Daraus geht hervor, dass die Gleichspannungselektroden 500 parallele Elektrodenteile (vertikale Teile in der Figur) mit einer jeweiligen Lücke dazwischen bereitstellen (wobei die Ebene der Lücke im Allgemeinen parallel zu und räumlich von der Ebene der Lücke zwischen den Stabelektroden 510 und/oder der Ebene der Lücke zwischen den Stabelektroden 520 getrennt ist), die orthogonal (rechtwinklig) in Bezug auf die parallelen HF-Stabelektroden 510, 520 angeordnet sind. Die Elektrodenteile der Gleichspannungselektroden 500 können Teile der Platte an den Seiten der Plattenöffnung oder parallele Gleichspannungsstangen oder -drähte sein. Auf diese Weise wird die Ionenflugbahn oder der Ionenflugkanal in einer Dimension durch die gestapelten Anordnungen paralleler Stabelektroden, die alternierende HF-Potentiale führen, und in einer anderen (orthogonalen) Dimension durch Gleichspannungselektrodenteile (die Stabelektroden oder Öffnungsseiten in einer länglichen Platte sein können) definiert. Die Stabelektroden 510, 520 queren daher den Umfang des Ionenflugbahnquerschnitts (die effektive „Öffnung“, welche durch die parallelen HF-Stabelektroden 510, 520 zusammen mit den Gleichspannungselektroden 500 erzeugt wird).
Ein Nachteil dieser Auslegung ist, dass die Gleichspannungselektroden 500 zwischen die HF-Stabelektroden 510, 520 gelangen, was die Trennung im HF-Stapel erhöht. Allerdings geht sie insofern mit einigen Vorteilen einher, als die Gleichspannungsteile 500 die entgegengesetzten HF-Potentiale voneinander abschirmen können, was die Kapazität verringert. Die Kanalhöhe in dieser Anordnung kann unter Verwendung der Gleichspannungsteile 500 stark variiert werden und ist nicht durch physische Beschränkungen, die durch die HF-Elektroden 510, 520 auferlegt werden, begrenzt. Dies kann nützlich sein, wenn enge Kanäle wünschenswert sind (da hohe Kanäle Auflösungsverluste verursachen können). Darüber hinaus könnte die Wanderwellen-Gleichspannung unter Verwendung der Gleichstromteile 500 allein angelegt werden und nicht mit HF-Spannungen vermischt werden müssen. Alternativ können die HF-Elektroden 510, 520 und die Gleichspannungskomponenten 500 ausgetauscht werden.
Ein besonderer Vorteil einer wie in 12 gezeigten Struktur kann realisiert werden, wenn eine solche Struktur in der Konstruktion einer spiralförmigen Ionenführung verwendet wird, zum Beispiel von der Art, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erläutert wird. Bei einer solchen Umsetzung können zwei relativ lange parallele Stabelektroden mit HF (nur optional; d. h., nur mit einem oder mehreren HF-Potentialen versorgt) verwendet werden, um einen länglichen Kanal in einer ersten Ebene zu erzeugen. Dann wird eine Schicht aus orthogonalen Gleichspannungsdrähten, -stäben oder -öffnungen in einer zweiten Ebene bereitgestellt (befestigt), die von der ersten Ebene getrennt ist (und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur ersten Ebene verläuft, zumindest in einer Dimension). Die Schicht aus Elektroden mit Gleichspannung (nur; d. h., nur mit einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen versorgt) teilt den Kanal und definiert die Ionenbahn und/oder die Anzahl der Windungen in der Spirale. Alternativ (und in Übereinstimmung mit der oben erläuterten vertauschten Anordnung) können die relativ langen parallelen Stabelektroden mit Gleichspannung (nur; d. h. nur einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen) bereitgestellt werden, und die Schicht aus orthogonalen Drähten, Stäben oder Öffnungen kann mit HF (nur; d. h. nur einem oder mehreren HF-Potentialen) bereitgestellt werden.
Im verallgemeinerten Sinne kann eine Ionenführung gemäß einem dritten Aspekt in Betracht gezogen werden. Diese Ionenführung umfasst: eine erste Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Stabelektroden mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst; und eine zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Elektrodenteile mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst. Die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen sind in Bezug auf die parallelen Stabelektroden der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen vorzugsweise orthogonal (im rechten Winkel) angeordnet. Die jeweiligen Lücken der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen sind mit den jeweiligen Lücken der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen gefluchtet, um es zu ermöglichen, dass Ionen entlang einer kontinuierlichen Bahn dahindurch wandern können (bzw. um effektiv Öffnungen bereitzustellen, die dies ermöglichen). Die erste und die zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen sind entlang der kontinuierlichen Bahn vorteilhafterweise abwechselnd angeordnet. Die parallelen Stabelektroden der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen und die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen können Plattenelektroden im funktionellen Sinne effektiv nachahmen.
Vorzugsweise wird jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential und in einigen Ausführungsformen nur mit einem HF-Potential bereitgestellt (d. h., ein jedes Potential oder jegliche Potentiale, die jeder Elektrode zugeführt werden, haben keine Gleichspannungskomponente). Zusätzlich oder alternativ wird jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem Gleichspannungspotential und, besser noch, nur mit einem Gleichspannungspotential bereitgestellt (d. h., ein jedes Potential oder jegliche Potentiale, die jeder Elektrode zugeführt werden, haben keine HF-Komponente). Dies kann umgekehrt werden, sodass jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem Gleichspannungspotential und, besser noch, nur mit einem Gleichspannungspotential bereitgestellt wird (d. h., ein jedes Potential oder jegliche Potentiale, die jeder Elektrode zugeführt werden, haben keine HF-Komponente). Zusätzlich oder alternativ wird in diesem Fall jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential und in einigen Ausführungsformen nur mit einem HF-Potential bereitgestellt (d. h., ein jedes Potential oder jegliche Potentiale, die jeder Elektrode zugeführt werden, haben keine Gleichstromkomponente). Optional werden aufeinanderfolgende Elektrodenanordnungen in der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen (oder, im Fall der umgekehrten Anordnung, in der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen) mit HF-Potentialen unterschiedlicher (optional entgegengesetzter) Phase bereitgestellt. Die Verwendung von Elektroden mit Gleichspannung allein kann die HF-Elektroden teilweise abschirmen (insbesondere, wenn aufeinanderfolgende Elektroden mit HF-Potentialen unterschiedlicher Phasen versorgt werden), wie oben erläutert. In einigen Ausführungsformen umfasst jede Elektrodenanordnung der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen eine jeweilige Elektrode (optional Plattenelektrode; in diesem Sinne ist eine Platte gemeint und nicht eine Struktur, die eine Platte nachahmt), die eine Öffnung aufweist, um die jeweilige Lücke bereitzustellen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Arten von Vorrichtungen und Anwendungen (insbesondere Massenspektrometern und/oder Ionenmobilitätsspektrometern) beschrieben wurde und die Erfindung besondere Vorteile in einem solchen Fall besitzt, wie hier erläutert, kann die Erfindung auch auf andere Arten von Vorrichtungen und/oder Anwendung angewendet werden. Die konkreten Herstellungsdetails der Ionenführung und die damit verbundenen Verwendungsmöglichkeiten sind potentiell zwar vorteilhaft (insbesondere im Hinblick auf bekannte Herstellungsbeschränkungen und -fähigkeiten), können aber beträchtlich variiert werden, um Vorrichtungen mit einem ähnlichen oder identischen Betrieb zu erlangen. Jedes in dieser Schrift offengelegte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt jedes offengelegte Merkmal lediglich ein Beispiel einer allgemeinen Reihe äquivalenter oder ähnlicher Merkmale dar, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben.
Im in dieser Schrift, einschließlich in den Ansprüchen, verwendeten Sinne sind Singularformen der Begriffe in dieser Schrift so auszulegen, dass sie auch die Pluralform einschließen und umgekehrt, es sei denn, der Kontext legt etwas anderes nahe. Beispielsweise bedeutet in dieser Schrift, einschließlich in den Ansprüchen, eine Bezugnahme im Singular, beispielsweise „ein“ oder „eine“ (wie beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler), „ein/e oder mehrere“ (zum Beispiel ein oder mehrere Analog-Digital-Wandler), es sei denn, der Kontext legt etwas anderes nahe. In der gesamten Beschreibung und den gesamten Ansprüchen der vorliegenden Offenlegung bedeuten die Wörter „umfassen“, „beinhalten“, „aufweisen“ und „enthalten“ und Varianten dieser Wörter, zum Beispiel „umfassend“ und „umfasst“ oder Ähnliche, „einschließlich ohne Beschränkung darauf“ und sind nicht dazu gedacht, weitere Komponenten auszuschließen (und schließen sie auch nicht aus).
Die Verwendung sämtlicher in dieser Schrift bereitgestellter Beispiele oder auf Beispiele verweisender Formulierungen („zum Beispiel“, „wie etwa“, „beispielsweise“ und derartige Formulierungen) soll lediglich die Erfindung besser veranschaulichen und weist nicht auf eine Einschränkung des Schutz- und Geltungsumfangs der Erfindung hin, es sei denn, es wird etwas anderes beansprucht. Formulierungen in der Patentschrift sind keinesfalls dahingehend auszulegen, dass sie auf ein nicht beanspruchtes Element als maßgeblich für die praktische Umsetzung der Erfindung hinweisen.
Alle in dieser Patentschrift beschriebenen Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, es sei denn, es ist etwas anders angegeben oder der Kontext gibt etwas anderes vor.
Alle in dieser Patentschrift offengelegten Merkmale können in beliebiger Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest manche solche Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Wie in dieser Schrift beschrieben, kann es bestimmte Kombinationen von Aspekten geben, die von weiterem Nutzen sind, wie beispielsweise die Aspekte bezüglich Ionenführungen zur Verwendung in Massenspektrometern und/oder Ionenmobilitätsspektrometern. Insbesondere gelten die bevorzugten Merkmale der Erfindung für alle Aspekte der Erfindung und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können in nicht wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale getrennt (nicht miteinander kombiniert) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0353487 [0015]
US 6894286 [0050]
US 9536721 [0050]

Claims

Ionenführung, umfassend: einen Satz Plattenelektroden, wobei jede Plattenelektrode eine Vielzahl von dadurch ausgebildeten Öffnungen aufweist, wobei der Satz Plattenelektroden räumlich derart angeordnet wird, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden eine kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode des Satzes von Plattenelektroden definiert, wobei die kontinuierliche Ionenflugbahn eine auf einer Helix und/oder Spirale beruhende Form aufweist.
Ionenführung nach Anspruch 1, wobei bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden eines oder mehrere von Form; Größe; und Abstand zwischen Öffnungen gleich sind.
Ionenführung nach Anspruch 2, wobei bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden die jeweilige Vielzahl von Öffnungen entlang einer ersten Dimension beabstandet ist und die jeweilige Vielzahl von Öffnungen der jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden derart positioniert sind, dass sie in der ersten Dimension zueinander versetzt sind.
Ionenführung nach Anspruch 3, wobei jeweilige benachbarte Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden derart positioniert sind, dass sie in der ersten Dimension zueinander versetzt sind.
Ionenführung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei jede Elektrode des Satzes Elektroden den gleichen Abstand zwischen Öffnungen entlang der ersten Dimension und den Versatz zwischen der jeweiligen Vielzahl von Öffnungen von einer Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden aufweist und die jeweilige Vielzahl von Öffnungen von einer benachbarten Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden geringer als der Abstand zwischen Öffnungen ist.
Ionenführung nach Anspruch 5, wobei der Versatz zwischen jeweiligen Vielzahlen von Öffnungen jeweiliger benachbarter Plattenelektroden im Wesentlichen y/N entspricht, wobei y der Öffnungsabstand in jeder Plattenelektrode ist und N die Anzahl der Plattenelektroden ist.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei bei jeder Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden die jeweilige Vielzahl von Öffnungen entlang einer ersten Dimension beabstandet ist, wobei die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen die kontinuierliche Ionenflugbahn definiert, sodass sie sich in die erste Dimension erstreckt.
Ionenführung nach Anspruch 7, wobei zumindest einige von dem Satz Plattenelektroden räumlich um eine Achse angeordnet sind, die sich in die erste Dimension erstreckt, wobei die kontinuierliche Ionenflugbahn eine auf einer Helix beruhende Form aufweist.
Ionenführung nach Anspruch 7, wobei zumindest einige von dem Satz Plattenelektroden räumlich um eine Achse angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Dimension verläuft, sodass sich die erste Dimension radial zur Achse verhält und die kontinuierliche Ionenflugbahn eine auf einer Spirale beruhende Form aufweist.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode die gleiche Form aufweist.
Ionenführung nach Anspruch 10, wobei jede von der Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode eine rechteckige oder ovoide Form aufweist.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei bei jeder Elektrode die jeweilige Vielzahl von Öffnungen mindestens 3 Öffnungen umfasst.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die kontinuierliche Ionenflugbahn eine auf einer Helix beruhende Form aufweist, die ein zweidimensionales Profil definiert, wobei die relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden des Satzes Plattenelektroden die kontinuierliche Ionenflugbahn derart definiert, dass sie sich mehrmals entlang des zweidimensionalen Profils erstreckt.
Ionenführung nach Anspruch 13, wobei das zweidimensionale Profil kreisförmig, oval, rechteckig mit abgerundeten Ecken, labyrinthartig oder achtförmig ist.
Ionenführung nach Anspruch 14, wobei das zweidimensionale Profil achtförmig ist und wobei der Satz Plattenelektroden eine erste und eine zweite Vielzahl von Elektroden umfasst, von denen jede derart angeordnet wird, dass sie ein kreisförmiges zweidimensionales Profil definiert, wobei einige von der ersten Vielzahl von Elektroden und einige von der zweiten Vielzahl von Elektroden derart angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig überlappen, sodass das zweidimensionale Profil der ersten Vielzahl von Elektroden das zweidimensionale Profil der zweiten Vielzahl von Elektroden überdeckt, wobei die kontinuierliche Ionenflugbahn durch die Vielzahl von Öffnungen sowohl der ersten als auch der zweiten Vielzahl von Elektroden definiert wird.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Satz Plattenelektroden eine erste und eine zweite Vielzahl von Elektroden umfasst; wobei die erste Vielzahl von Elektroden räumlich derart angeordnet wird, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode der ersten Vielzahl von Elektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden der ersten Vielzahl von Elektroden eine erste kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode der ersten Vielzahl von Elektroden definiert; wobei die zweite Vielzahl von Elektroden räumlich derart angeordnet wird, dass eine relative Positionierung jeder Vielzahl von Öffnungen einer jeweiligen Plattenelektrode der zweiten Vielzahl von Elektroden und von jeweiligen benachbarten Plattenelektroden der zweiten Vielzahl von Elektroden eine zweite kontinuierliche Ionenflugbahn durch die jeweilige Vielzahl von Öffnungen jeder Plattenelektrode der zweiten Vielzahl von Elektroden definiert; und wobei die zweite Vielzahl von Elektroden auf die erste Vielzahl von Elektroden gestapelt wird, sodass Ionen, die aus der ersten kontinuierlichen Ionenflugbahn austreten, zur zweiten kontinuierlichen Ionenflugbahn geleitet werden.
Ionenführung nach Anspruch 16, wobei die erste Vielzahl von Elektroden räumlich um eine erste Achse angeordnet wird und die zweite Vielzahl von Elektroden räumlich um eine zweite Achse angeordnet wird, wobei die erste und zweite Achse parallel sind.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei: eine Öffnung einer ersten Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden an eine Öffnung einer zweiten Plattenelektrode des Satzes Plattenelektroden entlang der kontinuierlichen Ionenflugbahn angrenzt und die Öffnung der zweiten Plattenelektrode eine Form, ein elektrisches Potential und/oder eine Position aufweist, die sich von jenen der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, um zu bewirken, dass sich entlang der kontinuierlichen Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine Richtung verlagern, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft.
Ionenführung nach Anspruch 18, wobei die Richtung, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft, durch eine weitere Helixform definiert ist, wobei die Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn eine Achse der weiteren Helixform ist.
Ionenführung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei jede von der Öffnung der ersten Plattenelektrode und der Öffnung der zweiten Plattenelektrode einen jeweiligen ersten Schlitz und einen jeweiligen zweiten Schlitz umfassen, wobei sich jeder erste Schlitz von dem jeweiligen zweiten Schlitz unterscheidet und von diesem getrennt ist; wobei der erste Schlitz der Öffnung der zweiten Plattenelektrode eine Form und/oder Position aufweist, die sich von jenen des ersten Schlitzes der Öffnung der ersten Plattenelektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich entlang der kontinuierlichen Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine erste Richtung, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft, verlagern; und wobei der zweite Schlitz der Öffnung der zweiten Plattenelektrode eine Form und/oder Position aufweist, die sich von jenen des zweiten Schlitzes der Öffnung der ersten Plattenelektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich entlang der kontinuierlichen Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine zweite Richtung, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft, verlagern.
Ionenführung nach Anspruch 20, wobei jeder erste Schlitz und jeder zweite Schlitz eine Form aufweisen, die durch jeweilige Abschnitte ein und desselben Rechtecks definiert wird.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend: eine HF-Leistungseinspeisung, die dazu ausgelegt ist, jeder Elektrode des Satzes Elektroden eine jeweilige HF-Spannung bereitzustellen, sodass benachbarte Elektroden HF-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen aufnehmen.
Ionenführung nach Anspruch 22, wobei die HF-Leistungseinspeisung dazu ausgelegt ist, jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden gemäß deren räumlicher Anordnung eine erste HF-Spannung bereitzustellen und jeder zweiten Plattenelektrode des Satzes Elektroden, die die erste HF-Spannung nicht empfängt, eine zweite HF-Spannung bereitzustellen, wobei die zweite HF-Spannung eine zur zweiten HF-Spannung entgegengesetzte Phase aufweist.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend: eine Gleichspannungseinspeisung, die dazu ausgelegt ist, einer oder mehreren Elektroden des Satzes Elektroden zumindest ein Gleichspannungspotential zuzuführen; wobei die Gleichspannungseinspeisung dazu ausgelegt ist, zumindest einigen Elektroden des Satzes Elektroden Gleichspannungen zuzuführen, um eine Wanderwelle zu bilden, damit bewirkt wird, dass Ionen die definierte Ionenflugbahn durchwandern.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend: ein Befestigungselement, an dem der Satz Elektroden befestigt wird, um die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festzulegen.
Ionenführung nach Anspruch 25, wobei das Befestigungselement eine oder mehrere elektrische Verbindungen zu dem Satz Elektroden umfasst.
Ionenführung nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei das Befestigungselement umfasst: ein erstes Befestigungssubstrat, an dem ein erstes Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist; und ein zweites Befestigungssubstrat, an dem ein zweites Ende jeder Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist.
Ionenführung nach Anspruch 27, wobei das erste Befestigungssubstrat eine oder mehrere erste elektrische Verbindungen zu jeder zweiten Elektrode des Satzes Elektroden gemäß deren räumlicher Anordnung umfasst, und wobei das zweite Befestigungssubstrat eine oder mehrere zweite elektrische Verbindungen mit Elektroden des Satzes Elektroden umfasst, die nicht mit jeder zweiten Elektrode des Satzes Elektroden zwischen mit der einen oder den mehreren ersten elektrischen Verbindungen verbundenen Elektroden verbunden ist, wobei die zweiten elektrischen Verbindungen derart angeordnet sind, dass sie eine elektrische Leistung bereitstellen, die sich von einer durch die ersten elektrischen Verbindungen bereitgestellten elektrischen Leistung unterscheidet.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei das Befestigungselement ein Befestigungssubstrat umfasst, woran jede Elektrode des Satzes Elektroden angebracht ist, wobei das Befestigungssubstrat eine Form aufweist, durch welche die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festgelegt wird.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei das Befestigungselement umfasst: ein Befestigungssubstrat; und einen Abstandhalter, der zwischen dem Befestigungssubstrat und dem Satz Elektroden angeordnet wird, wobei der Abstandhalter dazu ausgelegt ist, die relative Positionierung von Öffnungen zwischen benachbarten Elektroden des Satzes Elektroden festzulegen.
Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Satz Plattenelektroden umfasst: eine erste Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Stabelektroden mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst; und eine zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Elektrodenteile mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst, wobei die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen in Bezug auf die parallelen Stabelektroden der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen orthogonal angeordnet sind, sodass die jeweilige Lücke der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit den jeweiligen Lücken der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen gefluchtet sind, um es zu ermöglichen, dass Ionen entlang einer kontinuierlichen Bahn dahindurch wandern; und wobei die erste und die zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen entlang der kontinuierlichen Bahn abwechselnd angeordnet sind.
Ionenführung nach Anspruch 31, wobei jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential bereitgestellt wird und jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem Gleichspannungspotential bereitgestellt wird oder wobei jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem Gleichspannungspotential bereitgestellt wird und jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential bereitgestellt wird.
Ionenführung, umfassend: eine erste Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Stabelektroden mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst; und eine zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen, wobei jede Elektrodenanordnung jeweilige parallele Elektrodenteile mit einer jeweiligen Lücke dazwischen umfasst, wobei die parallelen Elektrodenteile der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen in Bezug auf die parallelen Stabelektroden der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen orthogonal angeordnet sind, sodass die jeweilige Lücke der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit den jeweiligen Lücken der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen gefluchtet sind, um es zu ermöglichen, dass Ionen entlang einer kontinuierlichen Bahn dahindurch wandern; wobei die erste und die zweite Vielzahl von Elektrodenanordnungen entlang der kontinuierlichen Bahn abwechselnd angeordnet sind; und wobei jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential bereitgestellt wird und jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen nur mit einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen bereitgestellt wird oder wobei jede von der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen nur mit einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen bereitgestellt wird und jede von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit einem HF-Potential bereitgestellt wird.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei jede Elektrodenanordnung von der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen eine jeweilige Elektrode mit einer Öffnung aufweist, um die jeweilige Lücke bereitzustellen.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 31 bis 3, wobei aufeinanderfolgende Elektrodenanordnungen in der ersten Vielzahl von Elektrodenanordnungen oder in der zweiten Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit HF-Potentialen mit unterschiedlicher Phase bereitgestellt werden.
Ionenführung, umfassend eine Vielzahl von Elektroden, wobei jede Elektrode mindestens eine Öffnung umfasst, damit eine Ionenflugbahn, die mindestens eine Krümmung aufweist, definiert wird, wobei: eine Öffnung einer ersten Elektrode der Vielzahl von Elektroden an eine Öffnung einer zweiten Elektrode der Vielzahl von Elektroden entlang der Ionenflugbahn angrenzt; und die Öffnung der zweiten Elektrode eine Form, ein elektrisches Potential und/oder eine Position aufweist, die sich von jenen der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich Ionen, die entlang der Ionenflugbahn wandern, in eine Richtung verlagern, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, sodass die Ionen entlang verschiedener Bahnen der mindestens einen Krümmung der Ionenflugbahn wandern, wodurch Auswirkungen durch Bahnlängendifferenzen minimiert werden.
Ionenführung nach Anspruch 36, wobei die mindestens eine Krümmung einen mittleren Krümmungsradius definiert, wobei die Öffnung der zweiten Elektrode eine Form, ein elektrisches Potential und/oder eine Position aufweist, die sich von jenen der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass die Ionen zwischen der Innenseite des mittleren Krümmungsradius und der Außenseite des mittleren Krümmungsradius oszillieren, um eine Differenz der Flugbahnlänge zwischen Ionen, die an einer Position auf der Innenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, und Ionen, die an einer Position auf der Außenseite des mittleren Krümmungsradius in die Ionenführung eintreten, zu korrigieren.
Ionenführung nach Anspruch 36 oder Anspruch 37, wobei die Richtung, die senkrecht zur Richtung der kontinuierlichen Ionenflugbahn verläuft, durch eine Helixform definiert ist, wobei die Richtung der Ionenflugbahn eine Achse der Helixform ist.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils einen jeweiligen ersten Schlitz und einen jeweiligen zweiten Schlitz umfassen, wobei sich jeder erste Schlitz von dem jeweiligen zweiten Schlitz unterscheidet und von diesem getrennt ist; wobei der erste Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode eine Form und/oder Position aufweist, die sich von jenen des ersten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine erste Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern; und wobei der zweite Schlitz der Öffnung der zweiten Elektrode eine Form und/oder Position aufweist, die sich von jenen des zweiten Schlitzes der Öffnung der ersten Elektrode unterscheiden, damit bewirkt wird, dass sich entlang der Ionenflugbahn wandernde Ionen in eine zweite Richtung, die senkrecht zur Richtung der Ionenflugbahn verläuft, verlagern.
Ionenführung nach Anspruch 39, wobei jeder erste Schlitz und jeder zweite Schlitz eine Form aufweisen, die durch jeweilige Abschnitte ein und desselben Rechtecks definiert ist.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 36 bis 40, wobei die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils eine Ringform umfassen.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 36 bis 41, wobei die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils ferner einen oder mehrere Schieber oder Ansatzpunkte, die von einer Seite der jeweiligen Öffnung abstehen und sich umlaufend zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verschieben, umfassen.
Ionenführung nach einem der Ansprüche 36 bis 39, wobei die Öffnung der ersten Elektrode und die Öffnung der zweiten Elektrode jeweils einen breiten oder geraden Schlitz umfassen und wobei sich der Schlitz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode umlaufend verschiebt.
Ionenmobilitätsspektrometer, umfassend die Ionenführung nach einem vorhergehenden Anspruch, die als Driftrohr ausgelegt ist.
Massenspektrometer, umfassend: die Ionenführung nach einem der Ansprüche 1 bis 43, die dazu ausgelegt ist, Ionen von einer stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung aufzunehmen und zu bewirken, dass die aufgenommenen Ionen entlang der Ionenflugbahn wandern; und einen Massenanalysator, der dazu ausgelegt ist, Ionen aufzunehmen, die entlang der Ionenflugbahn gewandert sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 45, ferner umfassend: eine ionenoptische Umgehungsanordnung, die selektiv dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass Ionen von der stromaufwärts gelegenen Ionenquelle oder ionenoptischen Vorrichtung zum Massenanalysator wandern, ohne die Ionenführung zu passieren.