DE102021120938B4

DE102021120938B4 - Ionenmobilitätsseparator-system mit speicherung durch rotierende felder

Info

Publication number: DE102021120938B4
Application number: DE102021120938.2A
Authority: DE
Inventors: Aneesh Prabhakaran
Original assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2041-08-12
Also published as: IE20210144A2; GB2601399A; CN114078686A; US20220057363A1; DE102021120938A1

Abstract

Ein Speicherionen-Mobilitätsseparator, umfassend:einen lonenpfad, auf dem sich Ionen von einem Eingang zu einem Ausgang des Mobilitätsseparators entlang einer ersten axialen Richtung relativ zu einer zentralen Achse des lonenpfades bewegen, wobei sich entlang des lonenpfades ein Gas befindet, das die Ionen passieren;eine erste krafterzeugende Vorrichtung, die eine erste Kraft auf die Ionen in der ersten axialen Richtung ausübt;eine zweite krafterzeugende Vorrichtung, die eine zweite Kraft auf die Ionen in einer zweiten axialen Richtung ausübt, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, wobei mindestens eine der beiden Kräfte räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, sodass Ionen während einer Akkumulationsphase gespeichert und anhand ihrer lonenmobilität entlang der ersten axialen Richtung getrennt werden, und wobei während einer Elutionsphase mindestens eine der beiden Kräfte variiert wird, um die Stärke der ersten Kraft relativ zur zweiten Kraft mit der Zeit zu erhöhen, sodass die Ionen abhängig von der lonenmobilität allmählich zum Ausgang des Ionenpfades getrieben werden; undeine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse ausübt, wobei relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse rotieren,wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so eingerichtet ist, dassKopopTTomq≪τRoFwobei p der Gasdruck, poder Normaldruck, T die Gastemperatur, Todie Normaltemperatur, Kodie normalisierte lonenmobilität, m die Masse, q die Ladung und τRoFdie Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes ist, die angibt, wie schnell sich das rotierende Speicherfeld an einer bestimmten Position verändert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der lonenmobilitätsspektrometrie und insbesondere auf die Speicherionen-Mobilitätsspektrometrie (TIMS) sowie auf Hybridsysteme, die lonenmobilitätsspektrometrie und Massenspektrometrie miteinander verbinden.
Stand der Technik
Die lonenmobilitätsspektrometrie (IMS) ist eine Analysetechnik, die verwendet wird, um die Mobilität von Ionen in einem Puffergas zu untersuchen und diese Ionen entsprechend ihrer Mobilität zu trennen. Ein inhärentes Merkmal der lonenmobilitätsspektrometrie besteht darin, dass die lonenmobilität in einem Puffergas von der Molekülgeometrie der Ionen abhängt. Dadurch lassen sich Isomere oder Konformations-Isomere häufig auflösen und somit trennen, die durch die Massenspektrometrie nicht aufgelöst werden können. Bei vielen Anwendungen wird auch die Möglichkeit genutzt, aus der gemessenen Mobilität eines Analytions dessen Wirkungsquerschnitt (Stoßquerschnitt mit den Atomen/Molekülen des Puffergases) zu bestimmen. Die Ermittlung von Wirkungsquerschnitten hat sich in vielen Bereichen als hilfreich erwiesen, z. B. bei der Identifizierung von Verbindungsklassen und der detaillierten Struktur, insbesondere im Bereich der Strukturbiologie.
Bei der Speicherionen-Mobilitätsspektrometrie (Trapped Ion Mobility Spectrometry, TIMS) werden Ionen entlang eines ungleichförmigen elektrischen Gleichspannungsfelds, typischerweise ein elektrischer Feldgradient, durch eine entgegenwirkende Gasströmung gespeichert oder aber entlang eines gleichförmigen elektrischen Gleichspannungsfelds durch eine entgegenwirkende Gasströmung, die ein ungleichförmiges axiales Geschwindigkeitsprofil aufweist. Die gespeicherten Ionen werden anhand ihrer Mobilität räumlich getrennt. Anschließend werden sie mit der Zeit nach ihrer Mobilität entweder durch eine Änderung der Gasgeschwindigkeit oder der Stärke des axial ausgerichteten elektrischen Gleichspannungsfelds eluiert (siehe z. B. Patent US 6 630 662 B1 von Loboda und Patent US 7 838 826 B1 von Park). Ein TIMS-Analysator wird im Niederdruckbereich von 2 bis 500 Pa betrieben. Dabei wird ein elektrisches Hochfrequenzfeld zum radialen Einschluss der Ionen eingesetzt. Die theoretische Grundlage von TIMS kann auch dem Artikel „Fundamentals of Trapped Ion Mobility Spectrometry“ von Michelmann et al. (J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2015, 26, 14-24) entnommen werden.
Das Patent US 9 683 964 B2 (Park et. al) beschreibt einen TIMS-Analysator mit einem Speicherbereich und einem Trennbereich für eine parallele Akkumulation. Der TIMS-Analysator akkumuliert Ionen im Speicherbereich, während gleichzeitig die vorab akkumulierten Ionen im Trennbereich analysiert werden. Eine Gasströmung treibt die Ionen gegen eine Rampe einer entgegenwirkenden elektrischen Gleichspannungsfeld-Barriere des Speicherbereichs, sodass die Ionen axial gespeichert und entlang der Rampe entsprechend ihrer Mobilität räumlich getrennt werden. Während der Akkumulation von Ionen im Speicherbereich treibt die Gasströmung auch Ionen, die in einer vorherigen Akkumulation gespeichert und in den Trennbereich überführt wurden, gegen eine Rampe einer entgegenwirkenden elektrischen Gleichspannungsfeld-Barriere des Trennbereichs, sodass die Ionen axial gespeichert und entsprechend ihrer Mobilität räumlich getrennt werden. Nachdem der Trennbereich mit zu analysierenden, akkumulierten Ionen beladen ist, wird die Höhe der entgegenwirkenden elektrischen Gleichspannungsfeld-Barriere stetig verringert, sodass lonensorten in der Reihenfolge ihrer Mobilität aus dem Trennbereich freigesetzt werden.
Ein weiterer TIMS-Analysator mit vorgeschaltetem lonenspeicher ist in EP 3 239 705 A1 offenbart. Der dort beschriebene TIMS-Analysator umfasst einen Satz von Elektroden und einen HF-Generator zur Versorgung benachbarter Elektroden mit elektrischen HF-Potentialen unterschiedlicher Phasen. Das elektrische HF-Feld, das durch Anlegen der elektrischen HF-Potenziale an die Elektroden erzeugt wird, erzeugt ein multipolares elektrisches HF-Feld, das die Ionen im lonenspeicher und/oder in einem Driftbereich des TIMS-Analysators einschließt.
Kevin Jeanne Dit Fouque et al. beschreiben in Trends in Analytical Chemistry 116 (2019) 308-315 in einem Übersichtsartikel über Trapped Ion Mobility Spectrometry (Speicherionen-Mobilitätsspektrometrie, TIMS) einen TIMS-Analysator, der einen Stapel segmentierter Ringelektroden umfasst, wobei eine HF-Spannung an die Elektroden anlegbar ist, um Ionen radial in einem Driftbereich des TIMS-Analysators zu fokussieren.
Bekanntermaßen steigt die Mobilitätsauflösung eines TIMS-Systems mit der Gasgeschwindigkeit, dem Druck und der Scanzeit. Wie bereits erwähnt, werden herkömmliche TIMS-Analysatoren in der Regel bei einem Druck von höchstens 500 Pa betrieben. Damit liegen sie nahe dem Minimum der Paschen-Kurve, was einer minimalen Durchbruchspannung entspricht. Die maximale Gasgeschwindigkeit, die in einem TIMS-System verwendet wird, ist durch die Stärke der elektrischen Gegenkraft begrenzt, die so hoch sein muss, dass höhere Gasgeschwindigkeiten kompensiert werden. Der Niederdruckbetrieb begrenzt folglich die Mobilitätsauflösung des TIMS-Systems und damit die Scanzeit.
Im Allgemeinen würde der Betrieb eines TIMS-Analysators bei erhöhtem Druck eine höhere Mobilitätsauflösung ermöglichen und auch eine Auswahl von interessierenden lonensorten bei einer erhöhten Wiederholrate ermöglichen, ohne dabei die Selektivität im Vergleich zum Betrieb bei niedrigerem Druck zu verringern. Dies wiederum würde den Einsatz eines viel höheren lonenstroms aus den lonenquellen ermöglichen, was zu einer niedrigeren Nachweisgrenze führen würde. Es gibt Systeme, die bei einem Druck von bis zu 5000 Pa arbeiten, doch wenn der Druck weiter erhöht wird, treten Probleme durch lonenverluste aufgrund einer radialen Ablenkung der Ionen innerhalb des TIMS auf, da Ionen durch den Kontakt mit umgebenden Oberflächen zerstört werden.
Der radiale Einschluss von Ionen innerhalb eines TIMS erfolgt üblicherweise durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld (HF), das die Ionen im TIMS-Analysators umgibt. Die veröffentlichte Patentanmeldung US 2017/0350860 A1 (Raether et al.) zeigt, dass das radial einschließende elektrische HF-Feld eines TIMS-Analysators zumindest teilweise ein hexapolares, oktopolares oder höheres elektrisches HF-Feld sein kann. Diese Systeme mit radialem Einschluss sind jedoch nur bedingt in der Lage, lonenverluste zu verhindern, sodass die Leistungsfähigkeit von TIMS-Systemen im Allgemeinen begrenzt ist.
KURZE BECHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Speicherionen-Mobilitätsanalysator einen lonenpfad auf, auf dem sich Ionen durch ein Gas von einem Eingang zu einem Ausgang entlang einer ersten axialen Richtung relativ zu einer zentralen Achse des lonenpfades bewegen. Eine erste krafterzeugende Vorrichtung wird bereitgestellt, die eine erste Kraft auf die Ionen in der ersten axialen Richtung ausübt. Zudem wird eine zweite krafterzeugende Vorrichtung bereitgestellt, die eine zweite Kraft auf die Ionen in einer zweiten axialen Richtung ausübt, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist. Mindestens eine der beiden Kräfte variiert räumlich entlang der ersten axialen Richtung, sodass die Ionen während einer Akkumulationsphase aufgrund der lonenmobilität entlang der ersten axialen Richtung gespeichert und getrennt werden. Während einer anschließenden Elutionsphase wird mindestens eine der beiden Kräfte so verändert, dass die Stärke der ersten Kraft im Verhältnis zur zweiten Kraft mit der Zeit zunimmt. Auf diese Weise werden die Ionen abhängig von der lonenmobilität allmählich zum Ausgang des lonenpfades getrieben. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes eingesetzt, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse ausübt. Dabei rotieren relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse.
Die erste axiale Kraft und die zweite axiale Kraft können auf unterschiedlichen Wegen erzeugt werden. Entweder die erste Kraft oder die zweite Kraft kann durch eine Gasströmung erzeugt werden. Dabei kann die Gasströmung eine konstante Geschwindigkeit entlang des lonenpfades haben, oder die Gasgeschwindigkeit kann einen räumlichen Gradienten aufweisen und sich entlang des lonenpfades ändern. Entweder die erste Kraft oder die zweite Kraft kann auch durch ein elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt werden. Dabei kann die Feldstärke entlang des lonenpfades konstant sein oder einen räumlichen Gradienten aufweisen und sich entlang des lonenpfades ändert. So kann einer konstanten Gasströmung in der ersten axialen Richtung ein elektrisches Gleichspannungsfeld mit einem Gradienten in der zweiten axialen Richtung entgegengesetzt werden, oder einer Gasströmung mit einem Gradienten in der ersten axialen Richtung kann ein gleichbleibendes elektrisches Gleichspannungsfeld in der zweiten axialen Richtung entgegengesetzt werden. Gleichermaßen kann einer konstanten Gasströmung in der zweiten axialen Richtung ein elektrisches Gleichspannungsfeld mit einem Gradienten in der ersten axialen Richtung entgegengesetzt werden, oder einer Gasströmung mit einem Gradienten in der zweiten axialen Richtung kann ein gleichbleibendes elektrisches Gleichspannungsfeld in der ersten axialen Richtung entgegengesetzt werden. In beiden Fällen werden die Ionen entlang des lonenpfades eingeschlossen und anhand ihrer lonenmobilität getrennt. Dabei werden sie durch das rotierende Speicherfeld für den Einschluss in Richtung der zentralen Achse gedrängt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das rotierende Speicherfeld durch Anlegen elektrischer Potenziale an eine Reihe von radial segmentierten Elektroden erzeugt, die entlang der axialen Richtung des lonenpfads angeordnet und um die zentrale Achse zentriert sind. Im Ausführungsbeispiel werden Elektroden mit mindestens vier radialen Segmenten, bevorzugt sechs radialen Segmenten, stärker bevorzugt acht radialen Segmenten verwendet, obwohl auch mehr Segmente verwendet werden können. Jedes der Segmente der einzelnen Elektroden kann separat mit Spannung versorgt werden und ist mit einem hohen elektrischen Potenzial bzw. einem niedrigen elektrischen Potenzial belegt, wobei das hohe elektrischen Potenzial für die einzuschließenden Ionen vorzugsweise stärker abstoßend ist als das niedrige elektrischen Potenzial. Die Verteilung der Segmente mit hohem/niedrigem Potenzial wird kontinuierlich in einer ersten Rotationsrichtung mit einer vorgegebenen Frequenz f_RoF (Winkelfrequenz) verschoben, sodass das elektrische Feld, das von den mit Potenzialen versorgten Segmenten erzeugt wird, um die zentrale Achse rotiert. Ein spezifisches Minimum oder Maximum des erzeugten elektrischen Potenzials rotiert einmal in einem Zeitraum T_RoF um die zentrale Achse, wobei f_RoF gleich 1/T_RoF ist. Die Verteilung der Segmente mit hohem/niedrigem Potenzial kann für die einzelnen Elektroden zu jedem Zeitpunkt symmetrisch oder unsymmetrisch in Bezug auf die zentrale Achse sein. Die Verteilung von Segmenten mit hohem/niedrigem Potenzial kann im Zeitraum T_RoF mehrmals gleich sein, wenn die Verteilung bei einem Winkel von weniger als 360° rotationssymmetrisch ist. Wenn die Verteilung der Segmente mit hohem/niedrigem Potenzial und die Rotationsfrequenz für alle Elektroden identisch ist, verläuft die effektive elektrische Kraft des rotierenden Feldes ausschließlich in radialer Richtung.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird keine Gasströmung genutzt. Bei einem ruhenden Gas entlang des lonenpfades bewirken entgegengesetzte elektrische Feldkräfte eine Trennung der Ionen gemäß ihrer lonenmobilität. In einer Variante der Erfindung ohne Gasströmung wird eine der beiden entgegengesetzten Kräfte durch eine axiale Kraftkomponente des rotierenden Speicherfeldes erzeugt. Bei dieser Anordnung weist die Verteilung der Segmente mit hohem/niedrigem Potenzial für die verschiedenen Elektroden einen entlang der axialen Richtung zunehmenden Rotationsversatz auf. Dieser Versatz erzeugt eine axiale elektrische Feldkomponente zusätzlich zum radialen Speicherfeld. Diese axiale Feldkomponente kann daher als eine der beiden entgegenwirkenden axialen Kräfte fungieren, der z. B. ein elektrisches Gleichspannungsfeld mit einem Gradienten in der entgegengesetzten axialen Richtung entgegenwirkt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die axiale Kraft, die räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, so erzeugt werden, dass sie entlang der Bewegungsrichtung der Ionen nur bis zu einem Elutionspunkt variiert, an dem sie zu einem Plateau mit nahezu konstanter Kraft abflacht. Dieses Plateau erstreckt sich bis kurz vor den oder sogar bis zum Ausgang des lonenseparators. In einer solchen Ausführungsform erfolgt das Speichern und/oder Trennen der Ionen vor dem Elutionspunkt, und während der Elutionsphase, in der eine der beiden Kräfte mit der Zeit verändert wird, werden die lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität in Richtung des Elutionspunkts verschoben. Jede lonensorte erreicht dann nacheinander den Elutionspunkt, wobei die auf diese lonensorte wirkende Nettokraft ausreicht, um sie über den Elutionspunkt hinaus aus dem lonenseparator austreten zu lassen.
Der Speicherionen-Mobilitätsanalysator ist so eingerichtet, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{m}{q} ≪ τ_{R o F}$
wobei p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, K_o die normalisierte lonenmobilität, m die Masse, q die Ladung und T_RoF die Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes ist, die angibt, wie schnell sich das rotierende Speicherfeld an einem bestimmten Punkt verändert. Zur Annäherung an die Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes T_RoF kann die Zeitspanne T_RoF verwendet werden.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator kann außerdem so eingerichtet sein, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{U_{RoF}}{f_{RoF}} \leq c_{RoF}$
wobei c_RoF eine Einschlusskonstante, K_o die normalisierte lonenmobilität, p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, U_RoF die Potenzialdifferenz zwischen den Maxima und Minima des um die zentrale Achse rotierenden elektrischen Potenzials und f_RoF die Kreisfrequenz des rotierenden Speicherfeldes ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Gasdruck entlang des lonenpfades des Speicherionen-Mobilitätsseparators höher als 5000 Pa, insbesondere höher als 10.000 Pa oder 20.000 Pa und bevorzugt gleich dem Umgebungsdruck sein. Der Gasdruck im lonenpfad kann höher sein als der Umgebungsdruck. Der Innendurchmesser der radial segmentierten Elektroden ist bevorzugt kleiner als 10 mm und liegt stärker bevorzugt bei etwa 5 mm. Die Länge des lonenpfades kann mehr als 30 mm, 50 mm, 100 mm oder 200 mm betragen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Speicherionen-Mobilitätsseparator mit einer vorgelagerten lonenfalle kombiniert werden, die ebenfalls eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes umfasst. Die Vorrichtung der lonenfalle zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes erzeugt ebenfalls ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse der lonenfalle ausübt. Dabei rotieren relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse der lonenfalle. Die lonenfalle wird bevorzugt bei gleichem Druck betrieben wie der nachgelagerte Speicherionen-Mobilitätsseparator. Die lonenfalle wird bevorzugt so betrieben, dass sie Ionen aus einer lonenquelle akkumuliert, während der nachgelagerte Speicherionen-Mobilitätsseparator die zuvor von der lonenquelle bereitgestellten Ionen analysiert. Die lonenfalle kann ein zweiter Speicherionen-Mobilitätsseparator sein, der als lonenfalle betrieben wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein lonentrichter am Eingang und/oder Ausgang eines Speicherionen-Mobilitätsseparators angeordnet sein, für den wiederum eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes eingesetzt werden kann.
Ein Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich mit einer lonenquelle und einem Ionendetektor kombinieren und als eigenständiges lonenmobilitätsspektrometer betreiben. Die lonenquelle des eigenständigen lonenmobilitätsspektrometers erzeugt bevorzugt Ionen mithilfe von Sprühionisierung (z. B. Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) oder thermische Sprühionisierung), Desorptionsionisierung (z. B. Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) oder Sekundärionisierung), chemischer Ionisierung (CI), Photoionisierung (PI), Elektronenstoßionisierung (EI) oder Gasentladungsionisierung. Bei dem Ionendetektor handelt es sich bevorzugt um einen Faraday-Detektor oder einen Bildstromdetektor. Außerdem können zwei Speicherionen-Mobilitätsseparatoren miteinander gekoppelt werden, wobei sie als Tandemlonenmobilitätsspektrometer betrieben werden. Ein Tandem-lonenmobilitätsspektrometer kann eine Aktivierungs- und/oder Fragmentierungszelle zwischen den beiden Speicherionen-Mobilitätsseparatoren und bevorzugt ein lonentor umfassen, das sich zwischen dem vorgelagerten Speicherionen-Mobilitätsseparator und der Aktivierungs- oder Fragmentierungszelle befindet.
Ein oder mehrere Speicherionen-Mobilitätsseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können mit anderen Komponenten als Teil eines Hybridsystems verwendet werden, das lonenmobilitätsspektrometrie und Massenspektrometrie koppelt. Ein solches Hybridsystem kann eine vorgelagerte lonenquelle, einen Speicherionen-Mobilitätsseparator und einen nachgelagerten Massenanalysator als lonendetektor umfassen. Die lonenquelle des Hybridsystems erzeugt Ionen beispielsweise mithilfe von Sprühionisierung (z. B. Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) oder thermische Sprühionisierung), Desorptionsionisierung (z. B. Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) oder Sekundärionisierung), chemischer Ionisierung (CI), Photoionisierung (PI), Elektronenstoßionisierung (EI) oder Gasentladungsionisierung. Der Massenanalysator des Hybridsystems kann beispielsweise ein Flugzeitmassenanalysator, eine elektrostatische lonenfalle, eine HF-Ionenfalle, eine lonenzyklotronfrequenz-lonenfalle oder ein Quadrupol-Massenfilter sein.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator des Hybridsystems ist bevorzugt mit einer lonenfalle gekoppelt, die dem Speicherionen-Mobilitätsseparator vorgelagert ist und ebenfalls eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes umfasst. Die lonenfalle wird bevorzugt bei gleichem Druck betrieben wie der Speicherionen-Mobilitätsseparator. Des Weiteren wird die lonenfalle bevorzugt so betrieben, dass sie Ionen aus einer lonenquelle akkumuliert, während der Speicherionen-Mobilitätsseparator die zuvor von der lonenquelle bereitgestellten Ionen analysiert. Die lonenfalle kann ein zweiter Speicherionen-Mobilitätsseparator sein, der als lonenfalle betrieben wird.
Das Hybridsystem kann außerdem eine Fragmentierungszelle beinhalten, die sich zwischen dem Speicherionen-Mobilitätsseparator und dem Massenanalysator befindet. Die Ionen können z. B. durch eines der folgenden Verfahren in der Fragmentierungszelle fragmentiert werden: stoßinduzierte Dissoziation (CID), oberflächeninduzierte Dissoziation (SID), Photodissoziation (PD), Elektroneneinfang-Dissoziation (ECD), Elektronen-Transfer-Dissoziation (ETD), Stoßaktivierung nach Elektronen-Transfer-Dissoziation (EThcD), aktivierte lonen-Elektronen-Transfer-Dissoziation (AI-ETD) oder Fragmentierung durch Reaktionen mit hoch angeregten oder radikalischen Neutralteilchen. Das Hybridsystem kann zudem einen Massenfilter beinhalten, der sich zwischen dem Speicherionen-Mobilitätsseparator und der Fragmentierungszelle befindet.
Das Hybridsystem kann zwei Speicherionen-Mobilitätsseparatoren umfassen, zwischen denen sich eine Aktivierungszelle und/oder eine Fragmentierungszelle befindet. Die beiden Speicherionen-Mobilitätsseparatoren lassen sich innerhalb des Hybridsystems als Tandem-Ionenmobilitätsspektrometer betreiben. Bevorzugt befindet sich ein lonentor zwischen dem vorgelagerten Speicherionen-Mobilitätsseparator und der Aktivierungs- bzw. Fragmentierungszelle.
Die lonenquelle und der Speicherionen-Mobilitätsseparator werden bevorzugt bei einem relativ hohen Druck, z. B. über 5000 Pa, betrieben, wohingegen der Massenanalysator in einem Vakuum betrieben wird. In einer Ausführungsform des Hybridsystems werden sowohl die lonenquelle als auch der Speicherionen-Mobilitätsseparator bei Umgebungsdruck betrieben, wobei eine Transfervorrichtung den Speicherionen-Mobilitätsseparator mit einer nachgelagerten Vakuumkammer des Hybridsystems verbindet. Die Transfervorrichtung kann beispielsweise eine einzelne Transferkapillare, mehrere Transferkapillaren, eine Transferkapillare mit mehreren Bohrungen, eine einzelne Öffnung oder mehreren Öffnungen umfassen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Hybridsystem mindestens zwei lonenquellen, die bei unterschiedlichem Druck betrieben werden, wobei eine erste lonenquelle bei Umgebungsdruck und eine zweite lonenquelle bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben wird. Dabei ist der Speicherionen-Mobilitätsseparator in der Kammer der zweiten lonenquelle angeordnet und wird bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben, z. B. im Bereich zwischen 5000 Pa und 50.000 Pa. Die erste lonenquelle kann über eine der oben genannten Transfervorrichtungen mit der Kammer der zweiten lonenquelle gekoppelt werden. Der Speicherionen-Mobilitätsseparator kann über eine der oben genannten Transfervorrichtungen oder eine Pumpstufe mit einer nachgelagerten Vakuumkammer gekoppelt sein.
Das Hybridsystem kann weiterhin einen Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß dem Stand der Technik umfassen, der nach dem Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, bei einem Druck unterhalb von 5000 Pa betrieben wird und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines HF-Speicherfelds für den radialen Einschluss von Ionen innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators umfasst.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Analyse der Ionen mithilfe eines Speicherionen-Mobilitätsseparators, die die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines lonenpfades, auf dem sich Ionen von einem Eingang zu einem Ausgang des Mobilitätsseparators entlang einer ersten axialen Richtung relativ zu einer zentralen Achse des lonenpfades bewegen, wobei sich entlang des lonenpfades ein Gas befindet, das die Ionen passieren;
- Erzeugen einer ersten Kraft, die auf die Ionen in der ersten axialen Richtung einwirkt;
- Erzeugen einer zweiten Kraft, die auf die Ionen in einer zweiten axialen Richtung einwirkt, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, wobei mindestens eine der beiden Kräfte räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, sodass Ionen gespeichert und anhand ihrer lonenmobilität entlang der ersten axialen Richtung getrennt werden;
- Variieren von mindestens einer der beiden Kräfte, um die Stärke der ersten Kraft relativ zur zweiten Kraft mit der Zeit zu erhöhen, sodass die Ionen allmählich zum Ausgang des lonenwegs getrieben und als Funktion der lonenmobilität getrennt werden und
- Einschließen der Ionen unter Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse hin ausübt, wobei relative Maxima und Minima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse rotieren,
- wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so betrieben wird, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{m}{q} ≪ τ_{R o F}$
wobei p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, K_o die normalisierte lonenmobilität, m die Masse, q die Ladung und T_RoF die Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes ist, die angibt, wie schnell sich das rotierende Speicherfeld an einer bestimmten Position verändert.

Der Speicherionen-Mobilitätsseparator wird bevorzugt so betrieben, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} f_{R o F} \frac{m}{q} ≪ 1$
wobei p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, f_RoF die Kreisfrequenz des rotierenden Speicherfeldes, K_o die normalisierte lonenmobilität, m die Masse und q die Ladung ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator wird zudem bevorzugt so betrieben, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{U_{RoF}}{f_{RoF}} \leq c_{RoF}$
wobei c_RoF eine Einschlusskonstante, K_o die normalisierte lonenmobilität, p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, U_RoF die Potenzialdifferenz zwischen den Maxima und Minima des um die zentrale Achse rotierenden elektrischen Potenzials und f_RoF die Kreisfrequenz des rotierenden Speicherfeldes ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator kann bei einem Druck von mehr als 5000 Pa, insbesondere bei einem Druck von mehr als 10.000 Pa oder 20.000 Pa, und bevorzugt bei Umgebungsdruck betrieben werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der lonenmobilitätsseparator bei einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck betrieben werden.
Dabei können die zu analysierenden Ionen beispielsweise mithilfe von Sprühionisierung (z. B. Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) oder thermische Sprühionisierung), Desorptionsionisierung (z. B. Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) oder Sekundärionisierung), chemischer Ionisierung (CI), Photoionisierung (PI), Elektronenstoßionisierung (EI) oder Gasentladungsionisierung erzeugt werden.
Die Ionen können in einer lonenfalle gespeichert werden, die sich vor dem Speicherionen-Mobilitätsseparator befindet. Die lonenfalle wird bevorzugt so betrieben, dass sie Ionen aus einer lonenquelle akkumuliert, während die zuvor von der lonenquelle bereitgestellten Ionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator analysiert werden (parallele Akkumulation). Die Ionen werden bevorzugt in radialer Richtung mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes eingeschlossen, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse der lonenfalle ausübt. Dabei rotieren relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse der lonenfalle. Die lonenfalle kann ein zweiter Speicherionen-Mobilitätsseparator sein, der als lonenfalle betrieben wird.
In einer ersten Ausführungsform werden die getrennten Ionen direkt mit einem lonendetektor nachgewiesen, z. B. mit einem Faraday-Detektor oder einem Bildstromdetektor, um ein lonenmobilitätsspektrum zu messen.
In einer zweiten Ausführungsform werden die getrennten Ionen in einem Massenanalysator, der dem Speicherionen-Mobilitätsseparator nachgelagert ist, abhängig von der Masse weiter analysiert, um eine kombinierte Mobilitäts-Massen-Übersicht zu erstellen.
In einer dritten Ausführungsform werden die getrennten Ionen in Fragmentionen fragmentiert. Diese Fragmentionen werden in einem Massenanalysator, der dem Speicherionen-Mobilitätsseparator nachgelagert ist, abhängig von der Masse weiter analysiert. Vor der Fragmentierung können die getrennten Ionen weiter nach ihrer Masse gefiltert werden, z. B. in einem Quadrupol-Massenfilter, und/oder sie können vor der Fragmentierung selektiert werden, z. B. durch ein lonentor.
In einer vierten Ausführungsform werden Ionen einer bestimmten lonenmobilität selektiert, z. B. durch ein lonentor, das dem Speicherionen-Mobilitätsseparator benachbart ist. Die selektierten Ionen werden in einer nachgelagerten Aktivierungs- bzw. Fragmentierungszelle aktiviert bzw. fragmentiert und weiter anhand der lonenmobilität analysiert, z. B. in einem zusätzlichen, nachgelagerten Speicherionen-Mobilitätsseparator.
BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Die ist eine schematische Darstellung einer allgemeinen Version eines Speicherionen-Mobilitätsseparators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die zeigt den Speicherionen-Mobilitätsseparator aus mit den darin gespeicherten und getrennten Ionen.
Die zeigt den Speicherionen-Mobilitätsseparator aus , während die gespeicherten Ionen eluiert werden.
Die ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparators, in dem einer Gasströmung mit gleichbleibender Geschwindigkeit ein elektrischer Gleichspannungsfeld-Gradient entgegenwirkt.
Die ist eine schematische Ansicht einer Reihe von rotationssymmetrisch angeordneten Elektroden, die in dem Speicherionen-Mobilitätsseparator aus verwendet werden.
Die ist eine grafische Darstellung der Gasströmungsgeschwindigkeit und des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten des Speicherionen-Mobilitätsseparators aus .
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die effektiven Geschwindigkeitskomponenten des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten für jede von verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die Elution der verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparators, bei dem einer Gasströmung mit einem Geschwindigkeitsgradienten ein gleichbleibendes elektrisches Gleichspannungsfeld entgegenwirkt.
Die ist eine schematische Ansicht einer Reihe von rotationssymmetrisch angeordneten Elektroden, die im Speicherionen-Mobilitätsseparator aus verwendet werden.
Die ist eine grafische Darstellung der Gasströmungsgeschwindigkeit und des elektrischen Gleichspannungsfelds des Speicherionen-Mobilitätsseparators aus .
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die effektiven Geschwindigkeitskomponenten des elektrischen Gleichspannungsfelds für jede von verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die Elution der verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparators, in dem der axialen Komponente des rotierenden Speicherfeldes ein elektrischer Gleichspannungsfeld-Gradient entgegenwirkt.
Die ist eine schematische Ansicht einer Reihe von rotationssymmetrisch angeordneten Elektroden, die im Speicherionen-Mobilitätsseparator aus verwendet werden.
Die ist eine grafische Darstellung der axialen Komponente des rotierenden Speicherfeldes und des entgegenwirkenden elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten des Speicherionen-Mobilitätsseparators aus .
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die effektiven Geschwindigkeitskomponenten des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten für jede von verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die Elution der verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparators, in dem einer Gasströmung mit einem Geschwindigkeitsgradienten die axiale Komponente eines rotierenden Speicherfeldes entgegenwirkt.
Die ist eine schematische Ansicht einer Reihe von rotationssymmetrisch angeordneten Elektroden, die im Speicherionen-Mobilitätsseparator aus verwendet werden.
Die ist eine grafische Darstellung der Gasströmungsgeschwindigkeit und der axialen Komponente des rotierenden Speicherfeldes des Speicherionen-Mobilitätsseparators aus .
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die effektiven Geschwindigkeitskomponenten der axialen Komponente des rotierenden Speicherfeldes für jede von verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine grafische Darstellung ähnlich wie , die jedoch die Elution der verschiedenen lonensorten mit unterschiedlicher lonenmobilität zeigt.
Die ist eine schematische Darstellung eines Speicherionen-Mobilitätsspektrometrie-Systems, in dem ein erfindungsgemäßer Speicherionen-Mobilitätsseparator zusammen mit einer lonenquelle und einem lonendetektor verwendet wird.
Die ist eine schematische Darstellung eines Speicherionen-Mobilitätsspektrometrie-Systems, in dem ein erfindungsgemäßer Speicherionen-Mobilitätsseparator zusammen mit einer lonenquelle, einer lonenfalle und einem lonendetektor verwendet wird.
Die ist eine schematische Darstellung eines Hybridsystems, das einen erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparator bei Umgebungsdruck zusammen mit einer lonenquelle, einem lonentrichter, einem Massenfilter, einer Fragmentierungszelle und einem Massenanalysator als lonendetektor verwendet.
Die ist eine schematische Darstellung eines Hybridsystems ähnlich dem von , das jedoch den erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparator zusammen mit einer vorgelagerten lonenfalle und einem nachgelagerten lonentrichter verwendet, die beide ein rotierendes Speicherfeld aufweisen.
Die ist eine schematische Darstellung eines Hybridsystems ähnlich dem von , das jedoch den erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparator zusammen mit einer vorgelagerten lonenfalle und einem nachgelagerten lonentor sowie einen Niederdruck-Speicherionen-Mobilitätsseparator mit einem Hochfrequenz-Speicherfeld verwendet.
Die ist eine schematische Darstellung eines Hybridsystems ähnlich wie in , das jedoch eine nachgeschaltete Aktivierungs-/Fragmentierungszelle vor dem Niederdruck-Speicherionen-Mobilitätsseparator mit einem Hochfrequenz-Speicherfeld verwendet.
Die ist eine schematische Darstellung eines Hybridsystems ähnlich wie in , das jedoch sowohl Niederdruck- als auch Hochdrucklonenquellen verwendet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die zeigen schematisch drei Betriebsphasen für eine allgemeine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speicherionen-Mobilitätsseparators 100. Der Speicherionen-Mobilitätsseparator 100 umfasst einen lonenkanal 101, der typischerweise eine den lonenpfad umgebende Struktur und Elektroden zur Erzeugung elektrischer Felder innerhalb des lonenkanals 101 umfasst. Wie in gezeigt, treten die Ionen 102 an einer Seite des lonenkanals 101 ein und bewegen sich dann zur anderen Seite des lonenkanals 101, wobei sie unterwegs vorübergehend je nach ihrer Mobilität an bestimmten Positionen gespeichert werden. Die Ionen 102 sind die molekularen Bestandteile eines zu analysierenden Probenmaterials, die ionisiert und in den lonenkanal 101 eingeleitet werden, typischerweise von einer lonisierungsquelle eines bekannten Typs, wie z. B. einer Elektrospray-Ionenquelle oder einer MALDI-Ionenquelle (matrixunterstützte Laser-Desorptions-Ionisierung) oder einer CI-Ionenquelle (chemische Ionisierung). Die Ionen 102 weisen beim Eintritt in den lonenkanal 101 eine zufällige Position und Geschwindigkeit auf, werden aber vor dem Verlassen des lonenkanals 101 anhand der lonenmobilität getrennt. Von dort können sie zu einem lonendetektor (z. B. als Teil eines lonenmobilitätsspektrometers) oder zu einem anderen Analysesystem geleitet werden, das die getrennten Ionen auswertet (z. B. ein Massenanalysator).
Die Bewegungsrichtung der Ionen 102 entlang des lonenkanals 101 wird als Z-Richtung bezeichnet und ist in den durch Pfeile dargestellt. Die Trennung der Ionen 102 anhand der lonenmobilität geschieht durch entgegengesetzte Kräfte F_A und F_B in axialer Richtung des lonenkanals 101, die gegensätzliche Geschwindigkeitskomponenten erzeugen, von denen mindestens eine von der lonenmobilität abhängt, und so eine mobilitätsabhängige Trennung erzielt. Eine der entgegengesetzten Kräfte kann durch eine Gasströmung entlang der Z-Achse erzeugt werden, entweder in Bewegungsrichtung der Ionen oder in entgegengesetzter Richtung. Es ist auch möglich, dass die entgegenwirkende Kraft durch ein elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt wird, das bei vorhandenem Gas auf die Ionen wirkt.
Außerdem variiert mindestens eine der entgegengesetzten Kräfte F_A und F_B räumlich entlang von zumindest einem Teil der Z-Achse. Die entgegengesetzten Kräfte F_A und F_B sind bevorzugt so abgestimmt, dass es für jede interessierende lonensorte in der lonengruppe 102 einen Gleichgewichtspunkt mit Nullgeschwindigkeit innerhalb des lonenkanals 101 gibt. Da sich eine mobilitätsabhängige Kraft auf Ionen mit unterschiedlicher Mobilität verschieden auswirkt, hängt die räumliche Position entlang der Z-Achse, für die die Nettogeschwindigkeit einer lonensorte gleich Null ist, von der Mobilität K dieser lonensorte ab. So werden die Ionen, wie in schematisch dargestellt, entlang der Achse an mobilitätsabhängigen Positionen unter der Einwirkung der entgegengesetzten Axialkräfte F_A und F_B gespeichert. In der Abbildung sind die Ionen als Kreise dargestellt. Kreise mit größerem Durchmesser entsprechen Ionen mit größerem Wirkungsquerschnitt und folglich einer geringeren Mobilität K. Fachkundige werden jedoch erkennen, dass die Ionen 102 entlang der Z-Achse auch von höherer zu geringerer Mobilität getrennt werden könnten, abhängig von der relativen Anordnung der entgegengesetzten Axialkräfte.
Die gespeicherten Ionen 102 werden schließlich aus dem lonenkanal 101 eluiert, indem eine bzw. beide Kräfte F_A und F_B so angepasst werden, dass sich die Geschwindigkeitskomponenten ändern und der Gleichgewichtspunkt für eine zu eluierende lonensorte nicht innerhalb des lonenkanals 101 liegt. Diese relative Änderung der entgegengesetzten axialen Kräfte kann schrittweise erfolgen, sodass lonensorten mit zunehmender bzw. abnehmender Mobilität K nacheinander den Speicherionen-Mobilitätsseparator 100 in Z-Richtung verlassen. Beispielsweise werden in die Ionen 102 aus dem Speicherionen-Mobilitätsseparator 100 von niedriger zu höherer Mobilität K eluiert.
Zusätzlich zu den entgegengesetzten axialen Kräften F_A und F_B wirkt erfindungsgemäß eine radiale Einschlusskraft F_CONF, die die Ionen in Richtung der zentralen Achse des lonenkanals 101 treibt. Diese Kraft wird in den und durch den in radialer Richtung weisenden Pfeil mit der Bezeichnung F_CONF dargestellt. Da die Einwirkung bestimmter entgegengesetzter axialer Kräfte auf die Ionen 102, insbesondere bei höherem Druck, dazu führen kann, dass die Ionen von der zentralen Achse des lonenkanals 101 weggelenkt werden, leitet die radiale Einschlusskraft F_CONF die Ionen in Richtung der zentralen Achse zurück. So wird verhindert, dass die Ionen aus dem lonenkanal 101 austreten oder bei einer Kollision mit einer Elektrode oder einem anderen Bauteil des lonenkanals 101 zerstört werden. Vor allem die radiale Einschlusskraft ermöglicht selbst bei Umgebungsdruck eine effektive Trennung anhand der lonenmobilität. Der radiale Einschluss kann auch deshalb von Vorteil sein, da die Trennwirkung auf der zentralen Achse möglicherweise höher ist als an achsfernen Positionen.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in den gezeigt. Die schematische Ansicht von zeigt ein Außengehäuse 201 des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200, der bei einem Druck von 20.000 Pa (200 mbar) betrieben wird. Wie in den treten die Ionen in den Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 auf der linken Seite der Abbildung ein und bewegen sich in Richtung der Z-Achse. Die Ionen sind innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 entgegengesetzten axialen Kräften ausgesetzt, die durch eine Gasströmung 204 in positiver Richtung der Z-Achse und ein elektrisches Gleichspannungsfeld 206 in negativer Richtung der Z-Achse erzeugt werden. Die Gasströmung kann beispielsweise eine Geschwindigkeit von bis zu 20 m/s haben. In dieser Ausführungsform hat der Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 eine Zylinderform, und entlang der Innenwand des Gehäuses 201 befindet sich eine Reihe von radial segmentierten Elektroden 210 mit Elektrodensegmenten, die gleichmäßig über den Innenumfang des Gehäuses 201 verteilt sind. Diese segmentierten Elektroden werden verwendet, um ein rotierendes Speicherfeld zu erzeugen, das eine übermäßige Abweichung der Ionen von einer Längsachse des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 verhindert.
Eine schematische, perspektivische Sicht auf die segmentierten Elektroden 210 ist in dargestellt. In dieser Ausführungsform besitzt jede Elektrode acht radiale Segmente, und an jedes einzelne der Elektrodensegmente kann eine Gleichspannung angelegt werden. Zur Erzeugung des benötigten rotierenden Speicherfeldes werden die Elektrodensegmente jeder Elektrode nach einem festgelegten Verfahren aufgeladen (Zustand mit hohem elektrischem Potenzial) und entladen (Zustand mit niedrigem elektrischem Potenzial), wodurch eine Rotation der elektrischen Potenziale um die Elektroden simuliert wird. In dieser Ausführungsform zeigt der abgebildete Pfeil 208 die Rotationsrichtung der Spannungsversorgung an, wobei der aufgeladene/entladene Zustand aller Elektrodensegmente in regelmäßigen Abständen gleichzeitig geändert wird. Damit eine „Rotation“ der elektrischen Potenziale erfolgt, nimmt jedes Segment bei jeder Änderung der elektrischen Potenzialzustände den letzten Zustand des benachbarten Elektrodensegments in Rotationsrichtung entgegen der Pfeilrichtung an. Auf diese Weise „rotieren“ die elektrischen Potenziale um die Elektroden in Richtung des Pfeils 208.
Die zeigt die elektrischen Potenzialzustände der Elektrodensegmente zu einem bestimmten Zeitpunkt, wobei die aufgeladenen Segmente weiß dargestellt und (auf der äußeren Elektrode) mit dem Buchstaben „H“ beschriftet sind. Die entladenen Segmente sind in der Abbildung grau dargestellt und (auf der äußeren Elektrode) mit dem Buchstaben „L“ beschriftet. Anhand der Farbgebung lässt sich erkennen, dass die Rotationsposition der aufgeladenen und entladenen Segmente in dieser Ausführungsform für jede der Elektroden entlang der Längsrichtung des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 gleich ist. Dadurch sind die Einschlusskräfte, die durch die elektrischen Felder entstehen, welche von den an den segmentierten Elektroden angelegten elektrischen Potenzialen erzeugt werden, zu jedem beliebigen Zeitpunkt in radialer Richtung ausgerichtet.
Die segmentierten Elektroden 210 sind in als schematischer Querschnitt dargestellt und in Längsrichtung des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 von Segment 210₁ bis 210_n beschriftet. Es versteht sich für Fachkundige, dass die tatsächliche Anzahl der eingesetzten segmentierten Elektroden je nach Anwendung abweichen kann. In dieser Ausführungsform ist der lonenkanal 50 mm lang und der Innendurchmesser der Elektroden beträgt 5 mm. Wie in gezeigt, ist das rotierende Speicherfeld symmetrisch zur zentralen Achse. Zu jedem Zeitpunkt besteht eine axialsymmetrische Verteilung von aufgeladenen und entladenen Segmenten rund um jede Elektrode. Das Muster in dieser Ausführungsform mit den Bezeichnungen „H“ für ein aufgeladenes Segment und „L“ für ein entladenes Segment ist demnach HHLLHHLL, wobei diese Potenzialverteilung kontinuierlich um die einzelnen Elektroden rotiert. In dieser Ausführungsform beträgt das hohe Potenzial „H“ 450 V, während das niedrige Potenzial „L“ 0 V beträgt, und die Rotationsfrequenz beträgt 125 KHz.
Die an den segmentierten Elektroden angelegten elektrischen Potenziale erzeugen mithilfe eines „rotierenden Feldes“ eine Einschlusskraft auf die Ionen, die sie in Richtung einer zentralen Längsachse des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 treibt. Da die Ionen während des Trennvorgangs, insbesondere bei hohem Druck, in radialer Richtung abgelenkt werden können, wird durch den Einsatz des Speicherfeldes ein lonenverlust verhindert. Dieser entsteht, wenn die Ionen in Kontakt mit den Elektroden 210 oder dem Gehäuse 201 des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200 kommen. Die Rotation des Speicherfeldes erzeugt bei einer ausreichenden Frequenz eine zeitlich gemittelte Kraft auf die Ionen, die radial nach innen gerichtet ist. Auf diese Weise bleiben die Ionen nahe der Mitte des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200, während sie durch die entgegengesetzten axialen Kräfte, die auf sie einwirken, getrennt werden.
Die Wirkung der entgegengesetzten axialen Kräfte auf die Ionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 ist in den dargestellt, die jeweils eine Grafik zur Geschwindigkeit (oder zu einer effektiven Geschwindigkeitskomponente) in Abhängigkeit von der Position entlang der Z-Achse zeigen. Wie in gezeigt, gibt es eine gleichbleibende Gasgeschwindigkeit, v_gas, die die Ionen entlang der Z-Achse vorwärtstreibt. Dieser Bewegung ist ein Gleichspannungsfeld -E_DC(t) entgegengesetzt, das einen räumlichen Gradienten entlang der Z-Achse aufweist, der von Null bis zu einem Maximum an der Längsposition z_p ansteigt. Dies kann, wie im Folgenden erläutert, ein Elutionspunkt für Ionen sein, an dem die Ionen nicht mehr im Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 zurückgehalten werden. Der negative Wert des elektrischen Gleichspannungsfelds ist auf seine entgegengesetzte Richtung zur längsgerichteten Kraft des Gases zurückzuführen und wird in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, da in dieser Ausführungsform die Stärke des elektrischen Gleichspannungsfeldes während der Elution der verschiedenen lonensorten verringert wird.
Die ähnelt , zeigt aber die „effektive“ Geschwindigkeitskomponente -v_DC infolge des entgegenwirkenden elektrischen Gleichspannungsfelds für jede der verschiedenen lonensorten K_n-1, K_n und K_n+i. Diese „effektive“ Geschwindigkeitskomponente ist in Gegenwart eines Gases mobilitätsabhängig, und der entsprechende -v_DC-Gradient ist daher in der Abbildung in gestrichelten Linien für die jeweiligen lonensorten K_n-1, K_n und K_n+1 dargestellt. Diese Gradienten stellen die Geschwindigkeitskomponenten dar, die den verschiedenen lonensorten durch das elektrische Gleichspannungsfeld E_DC(T) in Abwesenheit der Gasströmung v_gas übertragen werden. Das heißt, -v_DC ist die dem elektrischen Gleichspannungsfeld zuzuordnende Geschwindigkeitskomponente für ein Ion in einem ruhenden Gas bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur. Dieser Wert ist proportional zur Stärke des elektrischen Gleichspannungsfelds und für jede lonensorte mit einer anderen Mobilität K unterschiedlich (wobei v_DC = K · E_DC). Für die drei lonensorten K_n-1, K_n und K_n+1 erzeugt die Gasströmung in Abwesenheit des elektrischen Gleichspannungsfelds die „effektive“ Geschwindigkeit v_gas.
Der elektrische Gleichspannungsfeld-Gradient entlang der Z-Achse führt zu einem entsprechenden Gradienten für -v_DC, der für lonensorten mit unterschiedlicher Mobilität verschieden ist, wie in gezeigt. Während der anfänglichen Akkumulationsphase der Ionen ist die Größe des elektrischen Gleichspannungsfelds so gewählt, dass für jede der relevanten lonensorten an einer anderen Position entlang der Z-Achse (-v_DC) gleich und entgegengesetzt der Geschwindigkeitskomponente v_gas ist, die durch die Gasströmung übertragen wird. Aufgrund der unterschiedlichen -v_DC-Gradienten der verschiedenen lonensorten werden die Ionen der jeweiligen lonensorte voneinander getrennt und an den unterschiedlichen Positionen entlang der Z-Achse gespeichert. Die verschiedenen lonensorten, K_n-1, K_n und K_n+1, sind in durch unterschiedlich große Kreise abgebildet, wobei die größeren Kreise lonensorten mit größerem Querschnitt und damit mit geringerer Mobilität K entsprechen.
Nach der Auftrennung der verschiedenen lonensorten können die Ionen nacheinander aus dem Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 eluiert und in eine nachgelagerte Komponente oder in einen Ionendetektor geleitet werden. Bei der Elution wird der elektrische Gleichspannungsfeld-Gradient nach und nach verkleinert, wodurch sich die Stärke der -v_DC-Geschwindigkeitskomponenten entsprechend verringern, wie in dargestellt. Durch das Absenken des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten wird der Punkt, an dem sich die entgegenwirkenden Geschwindigkeitskomponenten v_gas und -v_DC ausmitteln, für jede der lonensorten in +Z-Richtung, d. h. zum Ausgang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 200, verschoben. Das elektrische Feld ist so aufgebaut, dass der Gradient in +Z-Richtung ansteigt, bis er am Elutionspunkt z_p entlang der Z-Achse ein Plateau erreicht. Da die Position zum Speichern der Ionen für jede der lonensorten unterschiedlich ist, führt die Verschiebung dieser Speicherpositionen durch das Absenken des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten dazu, dass die einzelnen lonensorten zu unterschiedlichen Zeitpunkten am Elutionspunkt z_p ankommen. Sobald eine lonensorte am Elutionspunkt angekommen ist, wird sie nicht mehr von den entgegenwirkenden Geschwindigkeitskomponenten aufgehalten und verlässt den Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 in +Z-Richtung, wie für die lonensorte K_n-1 in gezeigt. Dadurch werden die getrennten lonensorten aus dem Speicherionen-Mobilitätsseparator 200 nacheinander eluiert, von niedriger Mobilität bis hin zu hoher Mobilität.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in den dargestellt. In dieser Ausführungsform wird ein räumlich gleichbleibendes elektrisches Gleichspannungsfeld 304 genutzt, um den Ionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator 300 eine Geschwindigkeitskomponente in der +Z-Richtung bereitzustellen. Eine entgegenwirkende Gasströmung 306 erzeugt eine ansteigende Geschwindigkeitskomponente in -Z-Richtung. Die räumlich unterschiedliche Wirkung der Gasströmung wird durch ein Gehäuse 301 mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt, das sich in +Z-Richtung verengt (und folglich in Richtung der Gasströmung vergrößert). Aufgrund dieses sich ändernden Durchmessers nimmt die Geschwindigkeit der Gasströmung vom Elutionspunkt z_p zum Punkt des loneneintritts in den Speicherionen-Mobilitätsseparator 300 ab. Diese räumliche Veränderung der Gasströmungsgeschwindigkeit ist in grafisch dargestellt und mit -v_gas bezeichnet, da die Gasströmung in entgegengesetzter Richtung zum lonenpfad fließt. Das elektrische Gleichspannungsfeld bleibt entlang der Z-Achse räumlich unverändert und ist in der Abbildung durch eine gestrichelte Linie mit der Bezeichnung E_DC(t) dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass das elektrische Gleichspannungsfeld nicht zu einer radialen Ablenkung der Ionen beiträgt.
Ebenfalls in ist eine Reihe von segmentierten Elektroden 310 zu sehen. Diese Elektroden ähneln denen aus den und und werden auf ähnliche Weise zur Erzeugung eines rotierenden elektrischen Speicherfeldes eingesetzt. Da das Gehäuse 301 des Speicherionen-Mobilitätsseparators 300 unterschiedliche Durchmesser aufweist und die segmentierten Elektroden 310 entlang der Innenseite des Gehäuses angeordnet sind, verändert sich auch der jeweilige Umfang der segmentierten Elektroden 310 über die Länge des Speicherionen-Mobilitätsseparators. Da die segmentierten Elektroden 310 jedoch um die Z-Achse angeordnet sind und die relativen Positionen der Elektrodensegmente rotationssymmetrisch sind, bieten die Elektroden die erforderliche Einschlusskraft auf der ganzen Länge des lonenkanals. Diese drängt die Ionen zur Längsachse des Speicherionen-Mobilitätsseparators 300.
Wie in der schematischen perspektivischen Ansicht von gezeigt, bestehen die in dieser Ausführungsform eingesetzten segmentierten Elektroden 310 jeweils aus acht Elektrodensegmenten, die in gleichem Abstand auf dem Elektrodenumfang angeordnet sind. Zur Erzeugung des benötigten rotierenden Speicherfeldes werden die Elektrodensegmente jeder Elektrode 310 aufgeladen und entladen, um eine Rotation der elektrischen Potenziale um die Elektrode in Richtung des Pfeils 308 zu simulieren. Die Vorgehensweise beim Auf- und Entladen der Elektrodensegmente ist in dieser Ausführungsform die gleiche wie in der Ausführungsform von , aber die an die Segmente angelegten elektrischen Potenziale in sind unterschiedlich. Insbesondere ist der jeweilige Zustand der elektrischen Potenziale der Segmente zueinander um die Mittelachse nicht symmetrisch, sondern es werden zwei benachbarte Segmente gleichzeitig mit Spannung versorgt, während die anderen Segmente spannungsfrei sind. Der Verlauf der elektrischen Potenziale folgt der Pfeilrichtung 308, sodass sich die beiden aufgeladenen Segmente gemeinsam und segmentweise um die Elektrode verschieben. Die aufgeladenen Segmente sind mit der Bezeichnung „H“ weiß dargestellt, während die entladenen Segmente mit der Bezeichnung „L“ grau dargestellt sind. Dadurch wird ersichtlich, dass das rotierende Feld unsymmetrisch zur zentralen Achse ist und das elektrische Potenzialmuster in dieser Ausführungsform HHLLLLLL ist, wobei diese Verteilung fortlaufend um die einzelnen Elektroden rotiert.
In dieser Ausführungsform ist der Speicherionen-Mobilitätsseparator 300 etwa 100 mm lang, wobei der Durchmesser der segmentierten Elektroden 310 bis zum Elutionspunkt z_p auf 5 mm abnimmt. Der Speicherionen-Mobilitätsseparator 300 wird bei einem Druck von etwa 100.000 Pa (1000 mbar) betrieben. Dabei beträgt das hohe Potenzial „H“ 400 V und das niedrige Potenzial „L“ 0 V. Die Rotationsfrequenz der Potenziale an den Elektrodensegmenten entspricht 25 KHz, wobei die Position der aufgeladenen Segmente, wie in gezeigt, für alle Elektroden jederzeit gleich ist. So entsteht ein rotierendes Feld, das über die gesamte Länge des Speicherionen-Mobilitätsseparators 300 synchronisiert ist. Die Gasgeschwindigkeit kann im Gradienten zwischen 6 m/s und 20 m/s variieren, alternativ zwischen 5 m/s und 10 m/s in einem eingeschränkten Mobilitätsbereich.
Wie in gezeigt, ist die Größe der Geschwindigkeitskomponente -v_gas aufgrund der Gasströmung ein Gradient entlang der Z-Achse, während die Geschwindigkeitskomponente v_DC räumlich konstant verläuft, wenn auch mit unterschiedlichen Größen für verschiedene lonensorten. Die Abbildung zeigt, wie während einer anfänglichen Akkumulationsphase die Geschwindigkeitskomponenten so ausgeglichen werden, dass die verschiedenen lonensorten entlang der Z-Achse getrennt werden, aber innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators 300 gespeichert bleiben. Da die lonensorten mit höherer Mobilität eine stärkere „effektive“ Geschwindigkeitskomponente v_DC gegenüber dem entgegenwirkenden Gasgeschwindigkeitsgradienten haben als die lonensorten mit geringerer Mobilität, wird die Sorte mit höherer Mobilität K_n-1 näher am Ausgang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 300 gespeichert als die Sorte mit geringerer Mobilität K_n+1. Zur Elution der Ionen wird die Größe des elektrischen Gleichspannungsfelds mit der Zeit nach und nach erhöht, was zu einer Verschiebung der gespeicherten Ionen in Richtung des Elutionspunkts z_p führt. Wenn die elektrische Feldstärke entsprechend hoch ist, wird die lonensorte K_n+1 mit hoher Mobilität eluiert (siehe , gefolgt von den anderen lonensorten mit absteigender lonenmobilität.
Die Ausführungsform der unterscheidet sich von den vorgenannten Ausführungsformen insofern, dass zur Trennung der Ionen anhand ihrer Mobilität keine Gasströmung verwendet wird. Wie in dargestellt, wirkt ein elektrischer Gleichspannungsfeld-Gradient 406 der Bewegungsrichtung der Ionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator 400 entgegen, während die entgegenwirkende Kraft von einer axialen Komponente eines rotierenden elektrischen Feldes 404 bereitgestellt wird, das mit segmentierten Elektroden 410 erzeugt wird. Der Gradient des elektrischen Gleichspannungsfelds in dieser Ausführungsform weist denselben Typ auf wie in der Ausführungsform der und variiert in seiner Größe von Null am Eingang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 400 bis zu einem Maximum am Elutionspunkt z_p. Im Speicherionen-Mobilitätsseparator 400 ist ein ruhendes Gas bei einem Druck von 100.000 Pa (1000 mbar) enthalten, und die Geschwindigkeitskomponente in -Z-Richtung, die durch den Gradienten des elektrischen Gleichspannungsfelds entsteht, ist folglich für jede lonensorte unterschiedlich. Die entgegengesetzte Geschwindigkeitskomponente in +Z-Richtung wird durch eine axiale Kraftkomponente des von den segmentierten Elektroden erzeugten rotierenden Feldes erzeugt, wie im Folgenden näher beschrieben.
Die ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Reihe von acht segmentierten Elektroden, die sich an einem Abschnitt des Speicherionen-Mobilitätsseparators 400 befinden könnten. Wie in den vorherigen Abbildungen besteht jede Elektrode aus acht Segmenten und in der Abbildung sind die aufgeladenen Segmente weiß und mit „H“ beschriftet, während die entladenen Segmente grau und mit „L“ beschriftet sind. Die Spannungszufuhr zu den Segmenten einer beliebigen Elektrode ist symmetrisch und folgt einem HHLLHHLL-Muster, aber anders als in ist die Rotationsposition der aufgeladenen und entladenen Segmente nicht zwischen den einzelnen Elektroden synchronisiert. Während die Rotation der elektrischen Potenziale in Pfeilrichtung 408 für alle Elektroden mit der gleichen Frequenz erfolgt, sind die Rotationspositionen der aufgeladenen und entladenen Segmente von einer Elektrode zur nächsten versetzt, sodass zwischen ihnen axial ausgerichtete elektrische Feldkomponenten entstehen.
In ist die Rotationsposition der aufgeladenen Segmente einer Elektrode zu jedem Zeitpunkt bezogen auf eine benachbarte Elektrode um eine Position versetzt. Wie an der Farbgebung der Segmente zu sehen ist, weist jede nachfolgende Elektrode in +Z-Richtung eine Rotationsposition auf, die im Vergleich zur unmittelbar vorangehenden Elektrode einen Schritt voraus ist. Da die Rotation der elektrischen Potenziale für jede der Elektroden mit der gleichen Frequenz erfolgt, wird dieser relative Versatz der Rotationspositionen von einer Elektrode zur nächsten während der Rotation beibehalten. Die Rotation der elektrischen Potenziale mit diesem zunehmenden Versatz erzeugt jedoch eine axial ausgerichtete elektrische Feldkomponente in +Z-Richtung und damit eine Geschwindigkeitskomponente, die der aus dem elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten entstehenden Geschwindigkeitskomponente entgegenwirkt und die von der lonenmobilität abhängt.
Die entgegenwirkenden elektrischen Feldkomponenten sind in dargestellt. Da die Wirkung des elektrischen Gleichspannungsfeld-Gradienten auf die Ionen mobilitätsabhängig ist, sind die Gradienten der Geschwindigkeitskomponenten für die lonensorten K_n-1, K_n und K_n+1 unterschiedlich, wie in dargestellt. Da zudem die axiale Geschwindigkeitskomponente v_RW, die durch die rotierenden Potenziale an den segmentierten Elektroden erzeugt wird, ebenfalls mobilitätsabhängig ist, werden auch die unterschiedlichen Stärken dieser Komponenten für die verschiedenen lonensorten dargestellt. Während einer Akkumulationsphase werden die entgegengesetzten Kräfte ausgeglichen, sodass die lonensorten unterschiedlicher lonenmobilität K an verschiedenen axialen Positionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator 400 gespeichert werden. Da lonensorten mit höherer Mobilität weniger durch das vorhandene ruhende Gas im Speicherionen-Mobilitätsseparator 400 beeinflusst werden, liegt der Gleichgewichtspunkt zwischen den entgegenwirkenden Kräften für diese lonensorten näher am Elutionspunkt z_p, während die lonensorten mit geringerer Mobilität näher am Eingang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 400 gespeichert werden.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator in dieser Ausführungsform wird bei einem Druck von etwa 100.000 Pa (1000 mbar) betrieben, ist 100 mm lang und hat einen Innendurchmesser von 5 mm. Es wird das symmetrische Potenzialmuster HHLLHHLL mit einem Potenzial von 400 V auf den aufgeladenen Segmenten und einem Potenzial von 0 V auf den entladenen Segmenten angewendet, wobei die Rotationsfrequenz 30 KHz beträgt. Bei der Elution der Ionen in dieser Ausführungsform wird das elektrische Gleichspannungsfeld nach und nach verkleinert. Dies führt zu einer aufeinanderfolgenden Elution der lonensorten von höherer zu geringerer Mobilität. Wie in gezeigt, verlässt die lonensorte K_n+1 mit relativ geringer lonenmobilität den Speicherionen-Mobilitätsseparator 400, wohingegen die Ionen mit höherer Mobilität zurückgehalten werden. Schließlich werden alle Ionen eluiert und an eine nachgelagerte Komponente oder an einen Detektor weitergeleitet.
In der Ausführungsform der wird eine Gasströmung 504 mit einer in +Z-Richtung abnehmenden Geschwindigkeit eingesetzt, der die axiale Komponente 506 eines mit segmentierten Elektroden 510 erzeugten rotierenden Feldes entgegengesetzt ist. Der Geschwindigkeitsgradient wird innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators 500 mit gleichbleibendem Innendurchmesser erzeugt, indem das Gas mit unterschiedlicher Pumpgeschwindigkeit in +Z-Richtung abgesaugt wird. Wenn das Gas durch eine oder mehrere Pumpöffnungen 502 abgepumpt wird, strömt es innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators 500 durch Spalten zwischen den Elektroden 510. Die Geschwindigkeit innerhalb des Speicherionen-Mobilitätsseparators 500 nimmt entlang der Z-Achse bis zum Elutionspunkt z_p ab, wonach kein Gas mehr in radialer Richtung abgepumpt wird, wodurch ein Plateau entsteht. Wie in gezeigt, ist der Versatz der Rotationspositionen zwischen den aufgeladenen und entladenen Segmenten von einer Elektrode zur nächsten derselbe wie bei der Ausführungsform in .
Die entgegenwirkenden Kräfte bei dieser Ausführungsform sind in dargestellt, die den räumlichen Gradienten der Gasgeschwindigkeit in +Z-Richtung und die Stärke der axialen Komponente (-E_RW) des entgegengesetzten rotierenden Feldes zeigt. Da die durch die axiale Komponente des rotierenden Feldes erzeugten Geschwindigkeitskomponenten von der lonenmobilität abhängen, werden die verschiedenen lonensorten während einer Akkumulationsphase nach ihrer Mobilität entlang der Z-Achse getrennt, wie in dargestellt. Damit die Ionen eluiert werden, wird die Geschwindigkeit der Gasströmung schrittweise erhöht, sodass jede lonensorte nacheinander am Elutionspunkt z_p ankommt und den Speicherionen-Mobilitätsseparator 500 verlässt, wie in für die lonensorte mit der Mobilität K_n-1 zu sehen ist. Der Speicherionen-Mobilitätsseparator in dieser Ausführungsform wird bei einem Druck von etwa 100.000 Pa (1000 mbar) betrieben, ist 60 mm lang und hat einen Innendurchmesser von 5 mm. Es wird das symmetrische Spannungspotenzialmuster HHLLHHLL mit einem Potenzial von 450 V auf den aufgeladenen Segmenten und einem Potenzial von 0 V auf den entladenen Segmenten angewendet, wobei die Rotationsfrequenz 25 KHz beträgt. Vor der Elution beträgt der Gasgeschwindigkeitsgradient 2 m/s am Eingang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 500 und 0,5 m/s am Elutionspunkt. Während der Elution wird der Gradient allmählich erhöht auf 8 m/s am Eingang des Speicherionen-Mobilitätsseparators 500 und 2 m/s am Elutionspunkt.
Die zeigt eine schematische Darstellung eines lonenmobilitätsspektrometrie-Systems, das einen Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzen kann. In dieser Ausführungsform wird eine lonenquelle 601 bei Umgebungsdruck betrieben, die zu einer der bekannten Arten von lonenquellen gehören kann, wie z. B. Photoionisierung, chemische Ionisierung oder Ionisierung durch dielektrische Barriereentladung (DBDI). Die von der lonenquelle 601 erzeugten Ionen werden in einen wie oben beschriebenen Speicherionen-Mobilitätsseparator 610 mit einem lonenkanal eingeleitet, der über eine Vorrichtung mit einem rotierenden Speicherfeld verfügt.
Durch die oben beschriebene Vorgehensweise werden die im Speicherionen-Mobilitätsseparator 610 gespeicherten Ionen entsprechend ihrer abnehmenden oder zunehmenden Mobilität gespeichert, getrennt und eluiert. Die austretenden lonensorten werden nacheinander vom lonendetektor 690 erfasst, der die Intensität des lonensignals für jede lonensorte aufzeichnet und so die Erstellung eines lonenmobilitätsspektrums ermöglicht, das den einzelnen Bestandteilen der von der lonenquelle 601 eingebrachten Ionen entspricht. Bei dem lonendetektor 690 handelt es sich bevorzugt um einen Faraday-Detektor. Ein IMS-Gerät dieses Typs kann vor allem zur Messung von Schadstoffen in der Luft nützlich sein, z. B. zur Überwachung von Chemielaboren, zur Überwachung von Filtern, zur Kontrolle von Trocknungsverfahren, zur Überwachung von Abluft oder zum Nachweis von chemischen Kampfstoffen, Sprengstoffen oder Drogen.
Die zeigt eine schematische Darstellung eines IMS-Systems mit einer anderen Anordnung der Komponenten. In dieser Ausführungsform ist die lonenquelle 601 eine bekannte lonenquelle, die bei einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck betrieben wird, wie z. B. eine chemische lonisierungsquelle oder eine DBDI-Quelle. Die von der lonenquelle 601 erzeugten Ionen gelangen in eine lonenfalle 611, in der die Ionen durch ein rotierendes elektrisches Feld radial und durch entgegenwirkende axial ausgerichtete elektrische Gleichspannungsfelder axial eingeschlossen werden. Die lonenfalle kann ein Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung sein, sodass die lonensorten anhand ihrer lonenmobilität an unterschiedlichen axialen Positionen gespeichert werden, bevor sie nacheinander an einen Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 gemäß der vorliegenden Erfindung übertragen werden.
Sobald sich die Ionen im Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 befinden, werden sie getrennt und nacheinander nach ihrer lonenmobilität eluiert sowie vom lonendetektor 690 erfasst. Während der Trennung und Elution der Ionen durch den Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 wird eine neue Gruppe von Ionen aus der lonenquelle 601 in die lonenfalle 611 eingebracht, bevor sie anschließend in den Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 geleitet wird, sobald die vorherige lonengruppe vollständig gescannt wurde. Sowohl die lonenfalle 611 als auch der Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 verfügen über ein rotierendes Speicherfeld, wie es in diesem Dokument beschrieben ist, um den radialen Einschluss der Ionen sicherzustellen.
Die Ausführungsform in hat den Vorteil, dass die Ionen in einem anfänglichen Schritt mit der lonenfalle 611 akkumuliert werden, während eine vorherige Gruppe von Ionen aus dem Speicherionen-Mobilitätsseparator 612 eluiert und vom lonendetektor 690 erfasst wird. In einem Ausführungsbeispiel ist der lonendetektor 690 ein Faraday-Detektor, und die Vorrichtung wird für die gleichen Verwendungszwecke eingesetzt wie die Ausführungsform in .
Die zeigt eine Ausführungsform eines Hybridsystems, das lonenmobilitätsspektrometrie (IMS) und Massenspektrometrie (MS) koppelt, wobei ein Speicherionen-Mobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Eine lonenquelle 701 wird bei Umgebungsdruck betrieben. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um eine Elektrosprühlonenquelle. Andere mögliche Arten von lonenquellen sind thermische Sprühionisierung, Desorptionsionisierung (z. B. Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) oder Sekundärionisierung), chemische Ionisierung (CI), Photoionisierung (PI), Elektronenstoßionisierung (EI) oder Gasentladungsionisierung. Die von der lonenquelle 701 erzeugten Ionen werden in einen Speicherionen-Mobilitätsseparator 710 eingeleitet, bei dem es sich um eine der Vorrichtungen zur Trennung nach lonenmobilität handelt, wie sie bisher gezeigt worden sind.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator 710 wird bei Umgebungsdruck betrieben und gibt anhand ihrer lonenmobilität getrennte Ionen aus, die dann über die Transfervorrichtung 730 in eine erste Vakuumkammer 740 des IMS-MS-Hybridsystems (lonenmobilitätsspektrometrie/Massenspektrometrie) übertragen werden. Bei der Transfervorrichtung 730 kann es sich um ein beliebiges Bauteil zum lonentransfer handeln, z. B. über eine einzige Transferkapillare, mehrere Transferkapillaren, eine Transferkapillare mit mehreren Bohrungen, eine einzelne Öffnung oder mehrere Öffnungen. Wenn die Ionen in der ersten Vakuumkammer 740 ankommen, werden sie in einen lonentrichter 742 umgelenkt, wie in der gleichzeitig beantragten Patentanmeldung US 2020/0381240 A1 (Anmeldung Nr. 16/884,626) gezeigt und beschrieben.
Innerhalb des evakuierten Bereichs des IMS-MS-Hybridsystems werden die getrennten Ionen von der ersten Vakuumkammer 740 zum Massenfilter 770 übertragen. Der Massenfilter 770 entspricht einem gängigen Typ, z. B. einem Quadrupol-Massenfilter, der die lonenweiterleitung auf die Ionen innerhalb eines bestimmten Bereichs von ladungsbezogener Masse m/z einschränkt. Die durch den Massenfilter 770 gelangten Ionen werden dann zu einer Fragmentierungszelle 780 geleitet, in der Ionen fragmentiert werden, um eine massenspektrometrische Messung der lonenfragmente zu ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Fragmentierung mittels Infrarot-Mehrfach-Photodissoziation (IRMPD) oder Ultraviolett-Photodissoziation (UVPD), wie in der Technik bekannt ist. Es können jedoch auch beliebig viele andere gängige Fragmentierungsarten genutzt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: stoßinduzierte Dissoziation (CID), oberflächeninduzierte Dissoziation (SID), Photodissoziation (PD), Elektroneneinfang-Dissoziation (ECD), Elektronen-Transfer-Dissoziation (ETD), Stoßaktivierung nach Elektronen-Transfer-Dissoziation (EThcD), aktivierte lonen-Elektronen-Transfer-Dissoziation (AI-ETD) oder Fragmentierung durch Reaktionen mit hoch angeregten oder radikalischen Neutralteilchen.
Nach der Fragmentierung werden die fragmentierten Ionen zum Massenanalysator 790 geleitet, der einer von vielen verschiedenen Typen von Massenanalysatoren sein kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Massenanalysator ein Flugzeitmassenanalysator mit orthogonalem loneneinschuss, wie in der Technik bekannt ist. Zu den weiteren in Frage kommenden Massenanalysatoren gehören eine elektrostatische lonenfalle, eine HF-Ionenfalle, eine lonenzyklotronfrequenz-lonenfalle und ein Quadrupol-Massenfilter.
In ist ein weiteres IMS-MS-Hybridsystem dargestellt, das Speicherionen-Mobilitätsseparatoren wie die hier beschriebenen verwendet. In dieser Ausführungsform entsprechen die Transfervorrichtung 730, der lonentrichter 740, der Massenfilter 770, die Fragmentierungszelle 780 und der Massenanalysator 790 den oben mit Bezug auf beschriebenen Komponenten. In dieser Ausführungsform werden jedoch zwei Speicherionen-Mobilitätsseparatoren verwendet, wie in gezeigt und oben beschrieben. Dabei fungiert der Speicherionen-Mobilitätsseparator 711 als lonenfalle, in der die Ionen an verschiedenen axialen Positionen anhand ihrer lonenmobilität gespeichert werden, wie oben beschrieben. Die Ionen aus der lonenfalle werden an einen zweiten Speicherionen-Mobilitätsseparator 712 weitergeleitet, der als Mobilitätsanalysator die Ionen trennt und sie entsprechend ihrer lonenmobilität eluiert. Die eluierten Ionen werden in einen lonentrichter 720 eingeschleust, in dem die Ionen durch ein rotierendes elektrisches Feld radial eingeschlossen werden, und gelangen gebündelt in die lonentransfervorrichtung 730. Der Rest des in gezeigten Systems wird auf die gleiche Weise wie das System in betrieben, wobei die lonenfalle 711 und der Speicherionen-Mobilitätsseparator 712 bei Umgebungsdruck betrieben werden.
zeigt ein IMS-MS-Hybridsystem, das Speicherionen-Mobilitätsseparatoren der vorliegenden Erfindung umfasst. In dieser Ausführungsform sind die lonenquelle 701 und die Speicherionen-Mobilitätsseparatoren 711 und 712 die gleichen wie in . Der Austritt aus dem Speicherionen-Mobilitätsseparator 712 erfolgt jedoch nicht in einen lonentrichter, sondern die Ionen werden in ein lonentor 713 geleitet. Das lonentor gehört zu einem in der Technik bekannten Typ, wie z. B. das in Patent US 10 241 079 B2 beschriebene lonentor, und wird verwendet, um eine oder mehrere lonensorten auszuwählen oder um die Intensität von sehr häufig vorkommenden lonensorten nach ihrer Trennung im vorgelagerten Speicherionen-Mobilitätsseparator 712 zu verringern. Diese ausgewählten/verringerten lonensorten werden dann in eine erste Vakuumkammer 740 geleitet, die einen lonentrichter enthält und auf die gleiche Weise wie die entsprechende Komponente in betrieben wird. Innerhalb des Vakuumbereichs des IMS-MS-Hybridsystems werden die Ionen, die den lonentrichter passieren, dann in einem Niederdruck-Speicherionen-Mobilitätsseparator 760 mit einem Hochfrequenz-Speicherfeld analysiert, das eine abschließende Trennung der ausgewählten/verringerten Ionen anhand der lonenmobilität durchführt. Diese nach Mobilität getrennten Ionen werden daraufhin an den Massenfilter 770, die Fragmentierungszelle 780 und den Massenanalysator 790 weitergeleitet, die auf die gleiche Weise funktionieren, wie oben mit Bezug auf beschrieben.
zeigt eine Ausführungsform, die der in gleicht, mit dem Unterschied, dass eine Aktivierungs-/Fragmentierungszelle 750 verwendet wird, die sich zwischen der ersten Vakuumkammer 740 und dem Niederdruck-Speicherionen-Mobilitätsseparator 760 mit Hochfrequenz-Speicherfeld 760 befindet. Die Aktivierungs-/Fragmentierungszelle 750 ist eine in der Technik bekannte Komponente, die zur Fragmentierung bzw. stoßinduzierten Aktivierung von Ionen dient, wie z. B. in der veröffentlichten Patentanmeldung US 2019/0265195 A1 beschrieben. Auf diese Weise werden die fragmentierten und/oder aktivierten Ionen schließlich in den Niederdruck-Speicherionen-Mobilitätsseparator 760 mit Hochfrequenz-Speicherfeld 760 geleitet.
In ist ein IMS-MS-Hybridsystem dargestellt, das Speicherionen-Mobilitätsseparatoren wie die hier beschriebenen verwendet. Die lonenquelle 701 ist eine Umgebungsdruck-Ionenquelle wie die in den Ausführungsformen der genutzten lonenquellen, wobei auch zusätzliche lonenquellen 702 und 703 vorhanden sind. Im Gegensatz zur lonenquelle 701 werden diese zusätzlichen lonenquellen in einer Vakuumumgebung betrieben, allerdings bei einem Druck von mindestens 5.000 Pa (50 mbar). Bei einem solchen Druck können verschiedene Arten von bekannten lonenquellen betrieben werden, z. B. eine MALDI-Ionenquelle oder eine Elektrosprüh-Ionenquelle (ESI) bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks. Die Vorrichtungen der Speicherionen-Mobilitätsseparatoren 711 und 712 werden wieder jeweils als lonenfalle und Mobilitätsanalysator verwendet, wobei sich diese Bauteile jedoch ebenfalls in der gleichen Druckumgebung wie die lonenquellen 702, 703 befinden. Die von den Speicherionen-Mobilitätsseparatoren 711 und 712 ausgehenden Ionen werden in die erste Vakuumkammer 740 geleitet, die zusammen mit dem Massenfilter 770, der Fragmentierungszelle 780 und dem Massenanalysator 790 betrieben wird, wie oben mit Bezug auf die beschrieben.

Claims

Ein Speicherionen-Mobilitätsseparator, umfassend: einen lonenpfad, auf dem sich Ionen von einem Eingang zu einem Ausgang des Mobilitätsseparators entlang einer ersten axialen Richtung relativ zu einer zentralen Achse des lonenpfades bewegen, wobei sich entlang des lonenpfades ein Gas befindet, das die Ionen passieren; eine erste krafterzeugende Vorrichtung, die eine erste Kraft auf die Ionen in der ersten axialen Richtung ausübt; eine zweite krafterzeugende Vorrichtung, die eine zweite Kraft auf die Ionen in einer zweiten axialen Richtung ausübt, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, wobei mindestens eine der beiden Kräfte räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, sodass Ionen während einer Akkumulationsphase gespeichert und anhand ihrer lonenmobilität entlang der ersten axialen Richtung getrennt werden, und wobei während einer Elutionsphase mindestens eine der beiden Kräfte variiert wird, um die Stärke der ersten Kraft relativ zur zweiten Kraft mit der Zeit zu erhöhen, sodass die Ionen abhängig von der lonenmobilität allmählich zum Ausgang des Ionenpfades getrieben werden; und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse ausübt, wobei relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse rotieren, wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so eingerichtet ist, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{m}{q} ≪ τ_{R o F}$
wobei p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, K_o die normalisierte lonenmobilität, m die Masse, q die Ladung und τ_RoF die Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes ist, die angibt, wie schnell sich das rotierende Speicherfeld an einer bestimmten Position verändert.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach Anspruch 1, wobei der Gasdruck entlang des ionenpfades größer als 5000 Pa ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kraft, die räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, einen Gradienten entlang eines ersten Abschnitts des lonenpfades aufweist, der zu einem Plateau mit weitgehend gleichbleibender Kraft nahe dem Ausgang des Mobilitätsseparators abflacht.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die erste Kraft und die zweite Kraft jeweils in ihrer Art unterscheiden und jeweils durch eine Gasströmung, ein elektrisches Gleichspannungsfeld oder eine axiale Komponente des rotierenden Speicherfeldes erzeugt werden.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach Anspruch 1, wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so eingerichtet ist, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{U_{RoF}}{f_{RoF}} \leq c_{RoF}$
wobei c_RoF eine Einschlusskonstante, K_o die normalisierte lonenmobilität, p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, U_RoF die Potenzialdifferenz zwischen den Maxima und Minima des um die zentrale Achse rotierenden elektrischen Potenzials und f_RoF die Kreisfrequenz des rotierenden Speicherfeldes ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung des rotierenden Speicherfeldes eine Vielzahl von radial segmentierten Elektroden mit jeweils mindestens vier Segmenten umfasst.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach Anspruch 6, wobei jede Elektrode acht radiale Segmente besitzt.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei an jedes der Segmente der radial segmentierten Elektroden eines von zwei unterschiedlichen elektrischen Potenzialen angelegt wird, und wobei eine Verteilung der an die Segmente jeder Elektrode angelegten elektrischen Potenziale zu jedem Zeitpunkt symmetrisch zur zentralen Achse ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei an jedes der Segmente der radial segmentierten Elektroden eines von zwei unterschiedlichen elektrischen Potenzialen angelegt wird, und wobei eine Verteilung der an die Segmente jeder Elektrode angelegten elektrischen Potenziale zu jedem Zeitpunkt unsymmetrisch zur zentralen Achse ist.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der weiterhin eine lonenfalle umfasst, die dem Speicherionen-Mobilitätsseparator vorgelagert ist und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes aufweist, die ein radial inhomogenes elektrisches Potential erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse der lonenfalle ausübt, wobei relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse der lonenfalle rotieren.
Der Speicherionen-Mobilitätsseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der weiterhin einen lonentrichter umfasst, der sich am Eingang oder Ausgang des Speicherionen-Mobilitätsseparators befindet und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes umfasst, die ein radial inhomogenes elektrisches Potential erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse des lonentrichters ausübt, wobei relative Minima und Maxima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse des lonentrichters rotieren.
Ein Verfahren zur Analyse von Ionen unter Verwendung eines Speicherionen-Mobilitätsseparators, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellung eines lonenpfades, auf dem sich Ionen von einem Eingang zu einem Ausgang des Mobilitätsseparators entlang einer ersten axialen Richtung relativ zu einer zentralen Achse des lonenpfades bewegen, wobei sich entlang des lonenpfades ein Gas befindet, das die Ionen passieren; Erzeugen einer ersten Kraft, die auf die Ionen in der ersten axialen Richtung einwirkt; Erzeugen einer zweiten Kraft, die auf die Ionen in einer zweiten axialen Richtung einwirkt, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, wobei mindestens eine der beiden Kräfte räumlich entlang der ersten axialen Richtung variiert, sodass Ionen gespeichert und anhand ihrer lonenmobilität entlang der ersten axialen Richtung getrennt werden; Variieren von mindestens einer der beiden Kräfte, um die Stärke der ersten Kraft relativ zur zweiten Kraft mit der Zeit zu erhöhen, sodass die Ionen allmählich zum Ausgang des Ionenpfades getrieben und als Funktion der lonenmobilität getrennt werden; und Einschließen der Ionen unter Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Speicherfeldes, die ein radial inhomogenes elektrisches Potenzial erzeugt, das eine Einschlusskraft auf die Ionen in radialer Richtung zur zentralen Achse hin ausübt, wobei relative Maxima und Minima des elektrischen Potenzials zeitabhängig um die zentrale Achse rotieren, wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so betrieben wird, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{m}{q} ≪ τ_{R o F}$
wobei p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, K_o die normalisierte lonenmobilität, m die Masse, q die Ladung und τ_RoF die Zeitkonstante des rotierenden Speicherfeldes ist, die angibt, wie schnell sich das rotierende Speicherfeld an einer bestimmten Position verändert.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die getrennten Ionen von einem lonendetektor detektiert werden.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die getrennten Ionen in einem Massenanalysator, der dem Speicherionen-Mobilitätsseparator nachgelagert ist, abhängig von der Masse weiter analysiert werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die getrennten Ionen in Fragmentionen fragmentiert werden, die in einem Massenanalysator, der dem Speicherionen-Mobilitätsseparator nachgelagert ist, abhängig von der Masse weiter analysiert werden.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die getrennten Ionen vor der Fragmentierung nach der Masse gefiltert und/oder vor der Fragmentierung ausgewählt werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei Ionen mit spezifischer lonenmobilität ausgewählt werden, die ausgewählten Ionen in einer nachgelagerten Aktivierungs-/Fragmentierungszelle aktiviert bzw. fragmentiert werden und die aktivierten/fragmentierten Ionen weiter anhand ihrer lonenmobilität analysiert werden.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Speicherionen-Mobilitätsseparator so betrieben wird, dass $K_{o} \frac{p_{o}}{p} \frac{T}{T_{o}} \frac{U_{RoF}}{f_{RoF}} \leq c_{RoF}$
wobei c_RoF eine Einschlusskonstante, K_o die normalisierte lonenmobilität, p der Gasdruck, p_o der Normaldruck, T die Gastemperatur, T_o die Normaltemperatur, U_RoF die Potenzialdifferenz zwischen den Maxima und Minima des um die zentralen Achse rotierenden elektrischen Potenzials und f_RoF die Kreisfrequenz des rotierenden Speicherfeldes ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei Ionen aus einer lonenquelle in einer vorgelagerten lonenfalle des Speicherionen-Mobilitätsseparators akkumuliert werden, während Ionen, die zuvor von der lonenquelle bereitgestellt wurden, im Speicherionen-Mobilitätsseparator analysiert werden.