DE102021127556A1

DE102021127556A1 - Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies, zum Entmischen einer Mischung mehrerer Ionenspezies und zum Bestimmen eines Mischungsverhältnisses der Mischung

Info

Publication number: DE102021127556A1
Application number: DE102021127556.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schlemmer
Original assignee: Univ Zu Koeln Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Zu Koeln Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Univ Zu Koeln Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Zu Koeln Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27
Also published as: WO2023066804A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Spektrums (10) einer Ionenspezies mit den Schrittena) Festhalten einer Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in einer Ionenfalle,b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas,c) Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie der Ionenspezies in der Ionenfalle ändert,d) Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibende Ionen mittels eines Detektors.Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entmischen einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis und ein Verfahren zum Bestimmen eines Mischungsverhältnisses einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen der obigen Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entmischen einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis.
Weiterhin betriff die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Mischungsverhältnisses einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis.
Ionenfallen und insbesondere Hochfrequenz-(RF)-Ionenfallen haben sich zu wichtigen Werkzeugen für die Ionenspektroskopie entwickelt. Beispielswiese wurden bereits in den 1980er Jahren sogenannte Paul-Fallen für hochauflösende laserinduzierte Fluoreszenzstudien von N₂ ⁺-Ionen verwendet. Zudem wurde ein indirektes Verfahren der Spektroskopie eingeführt, bei dem die Reaktionsprodukte einer Schwingungsdissoziation schwach gebundener Ionen-Komplexe beobachtet werden. Dieses Verfahren ist unterdessen als Aktionsspektroskopie bekannt, da die Absorption eines Photons durch den Ionen-Komplex durch die unimolekulare Zersetzung des Komplexes nachgewiesen wird, anstatt wie in spektroskopischen Verfahren üblich den Verlust des einfallenden Photons zu detektieren.
Der Fachartikel „Laboratory spectroscopy techniques to enable observations of interstellar ion chemistry" von McGuire, B.A., Asvany, O., Brünken, S., Schlemmer S. erschienen in Nat Rev Phys 2, 402-410 (2020); DOI: 10.1038/s42254-020-0198-0 beschreibt ein Verfahren der Aktionsspektroskopie, genannt laserinduzierte Reaktionsmethode (laser-induced reaction (LIR) method), bei der masseselektierte Molekülionen (im Folgenden als AB abgekürzt), die in einer Ionenfalle festgehalten sind, durch Anregung mit elektromagnetischer Strahlung aufgrund einer chemischen Reaktion und entsprechende Umwandlung in eine andere chemische Spezies eine Masseänderung erfahren. Diese Massenänderung wird massenspektrometrisch als Änderung der Masse der in der Ionenfalle gespeicherten Molekülionen detektiert.
Bei der chemischen Reaktion des Molekülions AB kann es sich beispielsweise um einen bimolekularen Prozess der Art AB + C ==> A + BC handeln, um ein Anhaften eines Reaktionspartners an dem zu untersuchenden Molekülion AB in der Art eines termolekularen Prozesses AB + C + M ==> ABC + M (wobei M hier vorliegend als Katalysator dient), oder um eine chemische Zerfallsreaktion des Molekülions AB in der Art von AB ==> A + B. Ein Nachteil des LIR-Verfahrens ist, dass lediglich Molekülionen untersucht werden können, bei denen eine endotherme chemische Reaktion, gegebenenfalls mit einem Reaktionspartner, existiert und der Reaktionspartner darüber hinaus bei den kalten Bedingungen in der Ionenfalle nicht kondensieren darf. Dies schränkt das LIR-Verfahren stark ein.
Zudem wird in dem obigen Fachartikel weiterhin ein Verfahren der Aktionsspektroskopie, genannt laserinduzierte Verhinderung von Komplexbildung (laser-induced inhibition of complex growth (LIICG)), beschrieben, bei der eine Rate der Komplexbildung von in einer Ionenfalle festgehaltenen Molekülionen AB mit einem Reaktionspartner durch Anregung mit elektromagnetischer Strahlung verändert wird. In anderen Worten wird also das Gleichgewicht der chemischem Reaktion AB + 2 C <==> ABC + C, bei der das Molekülion AB durch chemische Umwandlung in die andere chemische Spezies ABC eine Masseänderung widerfährt, durch Anregung beeinflusst. Nachteilig daran ist, dass dafür sehr kalte Temperaturen um 4 K notwendig sind - für Anion sogar noch tiefere Temperaturen - und dass das LIICG-Verfahren nicht hintergrundfrei ist.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, die die Erfassung von Spektren von Ionen und insbesondere Molekülionen vereinfachen. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, bei dem Spektren von Ionen hintergrundfrei erfassbar sind, und auf einen chemischen Reaktionspartner, der in einem Reaktionsprozess das Ion in eine andere chemische Spezies überführt, verzichtet werden kann. Zudem soll eine Möglichkeit bereitgestellt werden, Mischungen von Ionen zu entmischen und das Mischungsverhältnis zu bestimmen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies bereitgestellt, mit den Schritten

a) Festhalten einer Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in einer Ionenfalle,
b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas,
c) Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie der Ionenspezies in der Ionenfalle ändert, und
d) Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels eines Detektors.

Beim vorliegenden Verfahren der Aktionsspektroskopie werden nicht wie bisher Reaktionen herbeigeführt, die zu einer chemischen Umwandlung der Ionenspezies in eine andere Ionenspezies und eine damit einhergehende Masseänderung führen, sondern die Anregung der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen, umfassend die Ionenspezies, führt zu einer Veränderung, bevorzugt einer Erhöhung der kinetischen Energie der in der Ionenfalle festgehaltenten Ionenspezies. In anderen Worten umfasst Schritt c) bevorzugt ein Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich die kinetische Energie der Ionenspezies in der Ionenfalle erhöht. Die veränderte kinetische Energie der Ionenspezies und besonders bevorzugt die erhöhte kinetische Energie der Ionenspezies führt dazu, dass die Ionenspezies mit ihrer kinetischen Energie ein Einfangpotential der Ionenfalle überwinden und die Ionenspezies die Ionenfalle verlässt. Bildlich gesprochen wird die Ionenspezies vermittelt durch das Anregen mit der elektromagnetischen Strahlung beschleunigt. Das Einfangpotential der Ionenfalle ist bevorzugt derart gewählt, dass die schnellen Ionen der Ionenspezies die Ionenfalle verlassen können. Somit kann durch Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors und insbesondere durch Zählen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors, das Spektrum der Ionenspezies erfasst werden. Bevorzugt werden in Schritt d) die die Ionenfalle verlassenden Ionen mittels des Detektors erfasst, da derart ein hintergrundfreies Spektrum der Ionenspezies aufgezeichnet werden kann. Denn auf diese Weise wird lediglich dann ein Signal vom Detektor erzeugt, wenn die Ionen die Ionenfalle verlassen und andernfalls beträgt das Signal Null. Zusätzlich oder alternativ wird in Schritt d) vom Detektor eine Signaländerung erzeugt, wenn sich eine Anzahl an Ionen in der Ionenfalle ändert.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass das Spektrum der Ionenspezies schon bei sehr geringen Mengen an in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen umfassend die Ionenspezies erfasst werden kann. In anderen Worten reicht schon eine sehr geringe Anzahl an Teilchen der in Schritt a) in der Ionenfalle festgehaltenen Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies aus. Das Verfahren ist also sehr empfindlich. Die Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber anderen spektroskopischen Verfahren ist zudem dadurch erhöht, dass die Ionen umfassend die Ionenspezies in Schritt c) - also bei der Anregung - in der Ionenfalle festgehalten sind, wodurch die Interaktionszeit der Ionen mit der elektromagnetischen Strahlung verlängert ist. Zudem ermöglicht das Verfahren, hintergrundfreie Spektren der Ionenspezies zu erfassen. Im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren der Aktionsspektroskopie weist das vorliegende Verfahren den Vorteil auf, dass keine chemische Umwandlung der Ionenspezies stattfindet, so dass das Verfahren zum Ermitteln des Spektrums universeller eingesetzt werden kann und nicht lediglich auf Ionenspezies beschränkt ist, bei denen eine endotherme Reaktion existiert.
Die Ionenspezies kann grundsätzlich jede Ionenspezies umfassen, also auch ein-atomige Ionen. Bevorzugt handelt es sich bei der Ionenspezies um eine Molekülionenspezies, also ein geladenes mehr-atomiges Molekül. Zudem kann es sich bei der Ionenspezies um Kationen oder Anion handeln. Insbesondere für Anionen weist das vorliegende Verfahren den Vorteil auf, dass keine derart tiefen Temperaturen erforderlich sind, wie dies im Stand der Technik etwa beim LIICG Verfahren der Fall ist. Das Verfahren eignet sich grundsätzlich um jegliche Arten von Spektren der Ionenspezies zu erfassen, insbesondere um Rotationsspektren, Schwingungsspektren, Ro-Vibrations-Spektren, elektronische Spektren, und/oder Spektren der Spin-Übergänge der Elektronen oder Kerne zu erfassen.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird die Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle festgehalten. Derart wird die Ionenspezies für die nachfolgende spektroskopische Untersuchung bereitgestellt. Grundsätzlich ist es möglich, dass es sich bei der Teilmenge an Ionen, die in der Ionenfalle festgehalten wird, um eine Mischung aus unterschiedlichen Ionen handelt, wobei die Mischung die zu untersuchende Ionenspezies umfasst. Alternativ ist es möglich, dass die Teilmenge an Ionen ausschließlich aus der zu untersuchenden Ionenspezies besteht. Beim Festhalten der Teilmenge an Ionen handelt es sich bevorzugt um ein Festhalten der zahlenmäßig geschlossenen Teilmenge - es werden also nicht kontinuierlich in einem dynamischen Gleichgewicht Ionen der Ionenfalle zugeführt und zugleich entfernt, sondern es werden bevorzugt genau die Ionen der Teilmenge in Schritt a) in der Ionenfalle festgehalten. Weiter bevorzugt wird die Teilmenge an Ionen durch elektromagnetische Felder in einem definierten Bereich der Ionenfalle festgehalten. Dies vereinfacht das Anregen der thermalisierten Ionen mit elektromagnetischer Strahlung.
In einem weiteren Schritt, werden die in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen thermalisiert. Dies bedeutet, dass ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen den in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen und ihrer Umgebung, die insbesondere durch das Puffergas bereitgestellt wird, hergestellt wird. In anderen Worten, lässt sich nach dem Thermalisieren der Ionen eine Verteilung der energetischen Zustände der Ionen im Wesentlichen durch die Boltzmann-Statistik beschreiben. Geringe Abweichungen von der Boltzmann-Statistik können aufgrund der zum Festhalten der Ionen in der Ionenfalle verwendeten elektromagnetischen Felder auftreten. Zudem lässt nach dem Thermalisieren der Ionen eine Geschwindigkeitsverteilung der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch die Maxwell-Boltzmann-Statistik beschreiben. Das Puffergas ist bevorzugt ein neutrales, sprich ungeladene Puffergas. Weiter bevorzugt ist das Puffergas ein inertes Puffergas. Besonders bevorzugt ist das Puffergas ein Edelgas, insbesondere Helium.
Besonders bevorzugt umfasst der Schritt b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch das Puffergas, ein Festhalten der Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle mit dem Puffergas für eine vordefinierte Zeitspanne, derart dass Stöße zwischen den Ionen umfassend die Ionenspezies und dem Puffergas auftreten. Zu Beginn des Verfahrens eventuell vorhandene Abweichungen der Verteilung der energetischen Zustände der Ionen von der Boltzmann-Statistik und/oder der Geschwindigkeitsverteilung von der Maxwell-Boltzmann-Statistik werden durch Stöße mit dem Puffergas geringer, bei denen ‚heiße‘ Teilchen thermalisieren. Bevorzugt wird also in Schritt b) ein Druck des Puffergases derart gewählt, dass eine Stoßhäufigkeit zwischen dem Puffergas und den in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen, nach der vordefinierten Zeitspanne zu einer Verringerung einer Abweichung der Verteilung der energetischen Zustände der Ionen von der Boltzmann-Statistik und/oder zu einer Verringerung einer Abweichung der Geschwindigkeitsverteilung der Ionen von der Boltzmann-Statistik führt. Das Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch das Puffergas kann beispielsweise mittels eines Thermalisierungspulses - sprich eines Gaspulses des Puffergases in die Ionenfalle - erfolgen. Weiter bevorzugt handelt es sich beim Puffergas um ein Kühlgas und bei der Ionenfalle um eine Tieftemperatur-Ionenfalle. In diesem Zusammenhang ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass Schritt b) ein Kühlen der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen auf einige wenige Kelvin, bevorzugt auf 1 K bis 120 K, besonders bevorzugt auf 4 K bis 100 K mittels des Puffergases umfasst. In anderen Worten nimmt das Puffergas bevorzugt die thermische Energie der Ionen auf und sorgt derart auch dafür, dass die Ionen in der Ionenfalle in einem geordneteren Zustand vorliegen, und derart weniger quantenmechanische Zustände besetzt sind.
In dem darauffolgenden Schritt des Verfahrens werden die thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung angeregt. Die Interaktion mit der elektromagnetischen Strahlung führt dazu, dass sich die durch die elektromagnetische Strahlung angeregten Ionen und insbesondere, dass sich die durch die elektromagnetische Strahlung angeregte Ionenspezies in einem energetisch höhergelegenen Zustand überführt wird. Durch nachfolgende Stöße der angeregten Ionenspezies mit dem Puffergas oder einem weiteren Puffergas wird zumindest ein Teil der im angeregten Zustand gespeicherten Energie in kinetische Energie, die auch als Translationsenergie oder Bewegungsenergie bezeichnet wird, umgewandelt. Derart führt, wie bereits erwähnt, die Anregung der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen, umfassend die Ionenspezies, zu einer Veränderung, und insbesondere zu einer Erhöhung der kinetischen Energie der Ionenspezies - ohne dass dabei die Ionenspezies chemisch in eine andere Ionenspezies umgewandelt wird.
Aufgrund der veränderten kinetischen Energie der Ionenspezies, überwindet die Ionenspezies das Einfangpotential der Ionenfalle. Insbesondere ist also vorliegend mit dem Begriff Verlassen der Ionenfalle gemeint, dass die Ionenspezies das Einfangpotential der Ionenfalle überwindet. Entsprechend wird in dem der Anregung nachfolgenden Schritt durch Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen mittels des Detektors genau dann ein Signal erzeugt, wenn die elektromagnetische Strahlung, die in Schritt c) zur Anregung verwendet wird, in ihrer Frequenz mit einem energetischen Übergang der Ionenspezies übereinstimmt. Alternativ oder zusätzlich wird in dem der Anregung nachfolgenden Schritt durch Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors genau dann eine Signaländerung erzeugt, wenn die elektromagnetische Strahlung, die in Schritt c) zur Anregung verwendet wird, in ihrer Frequenz mit einem energetischen Übergang der Ionenspezies übereinstimmt. Somit lässt sich mit dem Verfahren das Spektrum der Ionenspezies erfassen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen des Spektrums einer Ionenspezies handelt es sich also in anderen Worten um eine Kombination von Absorptionsspektroskopie, bei der die Ionenspezies die elektromagnetische Strahlung absorbiert und mittelbar in einen Zustand höherer kinetischer Energie überführt wird, mit der Detektion über Massenspektrometrie. Beim Verfahren wird die zu untersuchende, bevorzugt massenselektierte Ionenspezies also spektroskopisch adressiert.
Im Hinblick auf die Massenspektrometrie und insbesondere im Hinblick auf Schritt d) und/oder in Hinblick auf das Zählen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder in Hinblick auf das Zählen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors ist bevorzugt vorgesehen, dass das Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen mittels des Detektors und/oder das Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors ein Erfassen der Ionen mittels eines Einzelionendetektors, beispielsweise eines Sekundärelektronenvervielfachers umfasst.
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen, dass das Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen mittels des Detektors und/oder das Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors ein Sammeln der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder ein Sammeln der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen in einer zweiten Ionenfalle und/oder in einem weiteren Bereich der Ionenfalle umfasst. Die Ionen können also in anderen Worten zur Detektion in eine zweite Ionenfalle überführt werden oder in einen zweiten Bereich der Ionenfalle überführt werden. Unter dem zweiten Bereich der Ionenfalle ist vorliegend ein Bereich der Ionenfalle zu verstehen, der aufgrund der Feldverteilung der elektromagnetischen Felder in der Ionenfalle die gleiche Funktion wie eine eigeneständige Ionenfalle erfüllt und derart die Ionen in diesem zweiten Bereich festgehalten werden können. In anderen Worten können also die die Ionenfalle verlassenden Ionen auch erst in einer weiteren Ionenfalle oder dem zweiten Bereich der ursprünglichen Ionenfalle gesammelt werden und dann gemeinsam zwecks Zählung dem Detektor zugeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich in Schritt c) die Masse der Ionenspezies nicht ändert und/oder keine chemische Reaktion der Ionenspezies mit dem Puffergas und/oder einem Reaktionspartner stattfindet. Anders als im Stand der Technik wird durch die Anregung mit der elektromagnetischen Strahlung keine chemische Reaktion der Ionenspezies und damit einhergehende Masseänderung ausgelöst. Insbesondere bleibt die Masse der Ionenspezies über das gesamte Verfahren gleich. Weiter bevorzugt ändert sich in Schritt c) auch eine Ladung der Ionenspezies nicht.
Ebenfalls in Zusammenhang mit Schritt c) ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in Schritt c) ein energetischer Übergang der Ionenspezies mit der elektromagnetischen Strahlung angeregt wird. Bevorzugt stimmt eine Frequenz der zur Anregung verwendeten elektromagnetischen Strahlung mit einer Frequenz des energetischen Übergangs der Ionenspezies überein. In anderen Worten wird die Ionenspezies in Schritt c) bevorzugt resonant angeregt. Bei dem energetischen Übergang der Ionenspezies kann es sich grundsätzlich um jeglichen energetischen Übergang, besonders bevorzugt um einen Rotationsübergang, Schwingungsübergang, elektronischen Übergang und/oder Spin-Übergang handeln. Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ist an die Frequenz des elektrischen Überganges angepasst und liegt bevorzugt für elektronische Übergänge der Valenzelektronen im UV- bis sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, für Schwingungsübergänge im IR-Bereich, für Rotationsübergänge im Mikrowellenbereich, für Spin-Übergänge der Elektronen im Mikrowellenbereich und für Spin-Übergänge der Atomkerne im Mikrowellen- bis Radiowellenbereich.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass Schritt c) ein Umwandeln innerer Energie der Ionenspezies in kinetische Energie der Ionenspezies umfasst. Mit innerer Energie der Ionenspezies ist vorliegend nicht die thermodynamische Größe innere Energie U des Systems gemeint, bei deren Betrachtung auch Beiträge der kinetischen Energie berücksichtigt werden, sondern eine Energie der Ionenspezies, die in inneren Freiheitsgraden der Ionenspezies gespeichert wird. Bei den inneren Freiheitsgraden handelt es sich bevorzugt um innere Freiheitsgrade der Ionenspezies wie Rotation, Schwingung, elektronische Zustände und Kernspinzustände. Diese Zustände sind über die Gesetze der Quantenmechanik vielfach miteinander verknüpft, so dass die Adressierung eines Freiheitsgrades automatisch mit der Adressierung anderer Freiheitsgrade verbunden sein kann und derart Aufschluss über mehrere Zustände gleichzeitig erhalten werden kann. Dieses Verhalten ist besonders ausgeprägt, bei der Verknüpfung der Kernspinzustände mit den Zuständen der räumlichen inneren Bewegung der Ionenspezies. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Umwandeln innerer Energie der Ionenspezies in kinetische Energie der Ionenspezies durch Stöße der Ionenspezies mit dem Puffergas oder einem weiteren Puffergas erfolgt. Besonders bevorzugt umfasst somit Schritt c) ein Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit der elektromagnetischen Strahlung in Gegenwart des Puffergases oder eines weiteren Puffergases.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass Schritt c) ein Erhöhen innerer Energie der Ionenspezies durch Anregung mittels elektromagnetischer Strahlung und ein Umwandeln der erhöhten inneren Energie der Ionenspezies in kinetischer Energie der Ionenspezies durch Stöße der Ionenspezies mit dem Puffergas und/oder einem weiteren Puffergas umfasst. Besonders bevorzugt ist also ein Druck des Puffergases oder des weiteren Puffergases in der Ionenfalle also derart gewählt, dass die erhöhte innerer Energie der Ionen durch Stöße der Ionenspezies mit dem Puffergas in kinetische Energie der Ionenspezies umgewandelt wird. Insbesondere ist der Druck des Puffergases oder des weiteren Puffergases derart gewählt, dass es nicht wie in Schritt b) zu einer Thermalisierung kommt. In anderen Worten ist also der Druck des Puffergases oder des weiteren Puffergases derart gewählt, dass die statistisch zu erwartende Anzahl an Stößen der Ionenspezies mit dem Puffergas oder dem weiteren Puffergas nicht derart hoch ist, dass es aufgrund von Sekundärstößen zur Thermalisierung kommt, bei dem das Puffergas oder das weitere Puffergas die erhöhte innere Energie der Ionenspezies aufnimmt. Anderseits ist die statistisch zu erwartende Anzahl an Stößen aber auch hoch genug, dass eine stoßvermittelte Umwandlung der erhöhten inneren Energie in kinetische Energie bei der Ionenspezies stattfindet. Bevorzugt ist der Druck des Puffergases oder des weiteren Puffergases in Schritt c) konstant. Dies im Gegensatz zu Schritt b), bei dem bevorzugt ein Thermalisierungspuls verwendet wird.
Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass eine stoßvermittelte Erhöhung der kinetischen Energie der Ionenspezis innerhalb einer Zeitspanne von ≤ 1 ms nach dem Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung sattfindet. Diese Zeit ist so kurz gewählt, dass eine spontane Abregung der inneren Anregung - sprich der erhöhten innerer Energie - der Ionen unwahrscheinlich ist und dagegen die stoßvermittelte Erhöhung der kinetischen Energie wahrscheinlich wird. Hingegen würde eine Thermalisierung, bei dem das Puffergas oder das weitere Puffergas die erhöhte innere Energie der Ionenspezies aufnimmt - was vorliegend gerade vermieden wird - innerhalb einer Zeitspanne von ≤ 2 ms nach dem Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung stattfinden.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in Schritt b) die in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen derart thermalisiert werden, und in Schritt c) derart mit elektromagnetischer Strahlung angeregt werden, dass nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung die innere Energie der Ionenspezies höher ist, als die kinetische Energie der Ionenspezies nach dem Thermalisieren. In anderen Worten weisen die Ionen, umfassend die Ionenspezies, nach dem Thermalisieren in Schritt b) eine derart geringe kinetische Energie auf, dass direkt nach Anregung der thermalisierten Ionenspezies mit elektromagnetischer Strahlung in Schritt c) die durch Anregung erhöhte innere Energie der Ionenspezies größer ist, als die kinetische Energie der Ionenspezies. Dies vereinfacht, dass nachfolgend aufgrund von Stößen der Ionenspezies mit dem Puffergas oder dem weiteren Puffergas wenigstens ein Teil der inneren Energie der Ionenspezies in kinetische Energie umgewandelt wird, so dass die kinetische Energie der Ionenspezies ansteigt. Insbesondere steigt die kinetische Energie der Ionenspezies soweit an, dass die angestiegene kinetische Energie der Ionenspezies das Speicherpotential der Ionenfalle übersteigt und derart die Ionenspezies die Ionenfalle verlässt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) eine Teilmenge an masseselektierten Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle festgehalten wird. Unter masseselektierten Ionen sind vorliegend Ionen zu verstehen die das gleiche Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z aufweisen. Bei Ionen gleicher Ladung bedeutet dies somit, dass die Ionen auch die gleiche Masse aufweisen. Dies vereinfacht das Erfassen des Spektrums der Ionenspezies und das Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors. Liegt die Teilmenge als Mischung unterschiedlicher Ionen vor, handelt es sich somit bevorzugt um eine Mischung isobarer Ionen, also Ionen die das gleiche Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z in einer gegebenen Präzision aber unterschiedliche Zusammensetzungen, Verknüpfungen und/oder Anordnungen der Atome aufweisen. Beispiele einer Mischung isobarer Ionen sind die Molekülionen CO⁺, N₂ ⁺ und C₂H₄ ⁺ mit nominalem Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z von 28, oder als weiteres Beispiel Isomere - sprich chemische Verbindungen mit gleicher Summenformel und entsprechend gleicher Molekülmasse, die sich jedoch in der Verknüpfung und/oder der räumlichen Anordnung der Atome zueinander unterscheiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) zum Festhalten der Teilmenge an Ionen ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt wird, dass die Ionenspezies mit veränderter kinetischer Energie die Ionenfalle verlässt. In anderen Worten verlässt also bevorzugt die Ionenspezies mit erhöhter kinetischer Energie nach Durchführen des Schritts c) die Ionenfalle. Das Speicherpotential der Ionenfalle ist bevorzugt derart gewählt, dass die durch die Anregung der Ionenspezies verursachte Erhöhung der kinetischen Energie ausreichend ist, dass die Ionenspezies nach Durchführen des Schritts c) die Ionenfalle verlässt. Besonders bevorzugt wird das Speicherpotential in Schritt a) auf die Ionenspezies und das Spektrum - also den im folgenden Schritt anzuregenden energetischen Übergang der Ionenspezies - abgestimmt.
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei der Ionenfalle um eine Radiofrequenz-Ionenfalle und/oder eine Hochfrequenz-Ionenfalle und besonders bevorzugt um eine Radiofrequenz-Multipol-Ionenfalle oder aber auch einer sogenannten Penning-Ionenfalle handelt. Beispielsweise handelt es sich bei der Ionenfalle um eine Paul-Falle, bei der die Ionen mittels eines elektrischen Wechselfeldes in der Ionenfalle festgehalten werden. In anderen Worten umfasst also bevorzugt Schritt a) ein Festhalten der Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Radiofrequenz-Ionenfalle und/oder der Hochfrequenz-Ionenfalle und besonders bevorzugt in der Radiofrequenz-Multipol-Ionenfalle. Radiofrequenz-Ionenfallen ermöglichen das Speicherpotential besonders exakt über das elektrische Feld einzustellen.
Hinsichtlich des Erfassens der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder des Erfassens der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in Schritt d) eine Masseeinstellung des Detektors der Masse der Ionenspezies entspricht. Nicht wie bei den im Stand der Technik beschriebenen Aktionsspektroskopie-Verfahren, bei denen eine chemische Umwandlung der spektroskopisch zu untersuchenden Ionenspezies in eine chemisch andere Ionenspezies stattfindet, sich derart eine Masseänderung ergibt und entsprechend auch die Masseeinstellung des Detektors zum Erfassen des Spektrums der Ionenspezis nicht mit der Masse der Ionenspezies übereinstimmt, sondern mit der Masse eines Reaktionsproduktes, findet beim vorliegenden Verfahren keine chemische Umwandlung der Ionenspezies während des Verfahrens statt. Entsprechend ist vorliegend zur Detektion der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen bevorzugt auch die Masseeinstellung des Detektors zu verwenden, die mit der Masse der spektroskopisch zu untersuchenden Ionenspezies übereinstimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren die Schritte

e) Entfernen aller Ionen aus der Ionenfalle, und
f) Wiederholen der Schritte a) bis e) mit weiteren Teilmengen der Ionen umfasst,

Bevorzugt werden also, nachdem die erste Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle resonant angeregt wurde, und daraufhin die angeregte Ionenspezies die Ionenfalle verlassen hat, und dies mittels des Detektors erfasst wurde, alle noch verbleibenden Ionen aus der Ionenfalle entfernt, um das Verfahren von vorne mit dem Festhalten einer weiteren Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle zu beginnen. Dies ermöglicht, die thermalisierten Ionen der weiteren Teilmenge an Ionen in der Ionenfalle mit einer anderen Frequenz an elektromagnetischer Strahlung als zuvor anzuregen und derart bei mehrfach wiederholter Durchführung des Verfahrens alle Frequenzmesspunkte des Spektrums der Ionenspezies mit jeweils einer neuen Teilmenge an Ionen abzuarbeiten. Wenn zum Anregen in Schritt c) eine Frequenz verwendet wird, die nicht mit einem energetischen Übergang der Ionenspezies übereinstimmt, also nicht resonant ist, wird die kinetische Energie der Ionenspezies auch nicht verändert, so dass die Ionenspezies auch nicht die Ionenfalle verlassen kann. Entsprechend erzeugt der Detektor in diesem Falle kein Signal und/oder keine Signaländerung.
In Zusammenhang mit dem wiederholten Durchführen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass Schritt d) ein Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder ein Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors als Funktion der Anregungsfrequenz umfasst. Somit wird also ein Spektrum der Ionenspezies mit x- und y-Achse bereitgestellt, bei dem das Detektorsignal, das beim Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder beim Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen vom Detektor erzeugt wird (y-Achse), gegen die Anregungsfrequenz (x-Achse) aufgetragen ist. Besonders bevorzugt werden die die Ionenfalle verlassenden Ionen als Funktion der Anregungsfrequenz mittels des Detektors erfasst. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass die die Ionenfalle verlassenden Ionen in einer weiteren Ionenfalle gesammelt werden und/oder in einem zweiten Bereich der Ionenfalle gesammelt werden und anschließend detektiert werden. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Verfahrens.
Die Erfindung ermöglicht nicht nur, das Spektrum der Ionenspezies zu erfassen, sondern auch eine Mischung an isobaren Ionen zu entmischen und das Mischungsverhältnis zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Entmischen einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis bereitgestellt, mit den Schritten

a) Festhalten der Ionen umfassend die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einer Ionenfalle,
b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas, und
c) Anregen genau einer Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie dieser Ionenspezies in der Ionenfalle ändert,

Zudem wird in diesem Zusammenhang erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen eines Mischungsverhältnisses einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis bereitgestellt, mit den Schritten

a) Festhalten der Ionen umfassend die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einer Ionenfalle,
b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas,
c) Anregen genau einer Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie dieser Ionenspezies in der Ionenfalle ändert, und
d) Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibende Ionen mittels eines Detektors,

Die Schritte dieser beiden Verfahren sind analog zum Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies, mit dem Unterschied, dass im ersten Schritt nicht eine Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle festgehalten wird, sondern die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis. In anderen Worten wird in Schritt a) also eine Mischung isobarer Ionen bereitgestellt. Zudem werden im Verfahren zum Entmischen der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis die Schritte a) und c) derart ausgeführt, dass alle Teilchen der durch die elektromagnetische Strahlung angeregte Ionenspezies die Ionenfalle verlassen. In anderen Worten werden also bevorzugt in Schritt c) alle Teilchen genau einer Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung derart angeregt, dass sie die Ionenfalle verlassen.
Beim Verfahren zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies ist es hingegen nicht notwendig, dass die Schritte a) und c) derart ausgeführt werden, dass alle Teilchen die Ionenfalle verlassen. Zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses kann auch aus einem zeitlichen Verlauf eines in Schritt d) detektierten Detektorsignals, auf die Gesamtzahl der Teilchen derjenigen Ionenspezies geschlossen werden, die in Schritt c) angeregt wurden - und zwar auch zu einem Zeitpunkt bevor alle Teilchen dieser Ionenspezies die Ionenfalle verlassen haben. Bevorzugt weist das Detektorsignal einen exponentiellen Verlauf auf. Entsprechend kann das Mischungsverhältnis der Mischung auch bestimmt werden, wenn nicht alle in Schritt c) angeregten Teilchen die Ionenfalle verlassen haben, sondern lediglich ein Anteil der angeregten Teilchen. Bevorzugt werden aber auch beim Verfahren zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses die Schritte a) und c) derart ausgeführt, dass alle Teilchen der durch die elektromagnetische Strahlung angeregte Ionenspezies die Ionenfalle verlassen.
Das Verfahren zum Entmischen der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis sowie das Verfahren zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis umfassen bevorzugt nachfolgend an Schritt c) ein Abwarten einer vordefinierten Zeitspanne, bis alle Teilchen der in Schritt c) angeregten Ionenspezies die Ionenfalle verlassen. Zudem kann bevorzugt über das vom Detektor in Schritt d) beim Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder beim Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen erzeugten Detektorsignals, und insbesondere über eine Änderung des Detektorsignals über die Zeit, festgestellt werden, wann alle Teilchen der in Schritt c) angeregten Ionenspezies die Ionenfalle verlassen haben. Weiter bevorzugt wird in Schritt a) eine endliche Anzahl an Ionen umfassend die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in der Ionenfalle festgehalten und in Schritt c) lange genug abgewartet, dass alle Teilchen der in Schritt c) angeregten Ionenspezies die Ionenfalle verlassen.
Beide Verfahren basieren darauf, dass durch resonante Anregung genau einer Ionenspezies der Mischung diese Ionenspezies dazu veranlasst wird, die Ionenfalle zu verlassen, wodurch eine selektive Entmischung der Mischung stattfindet. Durch Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder durch Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors, kann darüber hinaus das Mischungsverhältnis bestimmt werden. Insbesondere wird in Schritt c) mit elektromagnetischer Strahlung angeregt, deren Frequenz mit einer Frequenz eines energetischen Überganges genau einer Ionenspezies der Mischung übereinstimmt. In anderen Worten nutzen das Verfahren zum Entmischen der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis und das Verfahren zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung also die Möglichkeit, dass die Ionenspezies einer isobaren Mischung spektroskopisch unterscheidbar sind und entsprechend selektiv angeregt werden können zum Entmischen und zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses der isobaren Mischung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt e) Ermitteln, ob eine Übergangsfrequenz zu einer anderen Ionenspezies der Mischung als der in Schritt c) angeregten Ionenspezies gehört, durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung aufweisend eine andere Frequenz als zur Anregung in Schritt c) verwendet wurde.
In anderen Worten wird also bevorzugt in einem weiteren Schritt ermittelt, ob eine Frequenz, die von der in Schritt c) verwendeten Frequenz verschieden ist, mit einem energetischen Übergang einer anderen als in Schritt c) angeregten Ionenspezies der Mischung übereinstimmt: Verlassen alle Teilchen einer Ionenspezies der Mischung die Ionenfalle, indem diese eine Ionenspezies in Schritt c) durch die Anregung bei einer Frequenz der elektromagnetischen Strahlung adressiert wird, dann kann durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung mit einer anderen Frequenz ermittelt werden, ob diese andere Frequenz einen energetischen Übergang anregt, der zu einer anderen Ionenspezies der Mischung gehört. Würde die andere Frequenz mit einem energetischen Übergang derjenigen Ionenspezies übereinstimmen, die schon in Schritt c) angeregt wurde, und die Ionenfalle entsprechend verlassen hat, würde die Anzahl der Ionen in der Ionenfalle bei Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung mit der anderen Frequenz nicht weiter abnehmen. Stimmt hingegen die andere Frequenz mit einem energetischen Übergang einer weiteren Ionenspezies der Mischung überein, wird die Zahl der Ionen in der Ionenfalle nach Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung mit der anderen Frequenz abnehmen. Derart können auch die Spektren der jeweiligen Ionenspezies der Mischung bestimmt werden. Alternativ dazu kann für jede Frequenz ein verbleibender Anteil der Ionen in der Ionenfalle ermittelt werden, wodurch ebenfalls die Spektren zugeordnet werden können.
Das Verfahren zum Entmischen der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis und das Verfahren zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses der Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis ermöglichen, Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis voneinander zu trennen, was mit massenspektrometrischen Methoden bisher nicht möglich ist. Insbesondere können nicht nur chemische Verbindungen mit unterschiedlicher Summenformel aber nominal gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis, wie CO⁺, N₂ ⁺ und C₂H₄ ⁺, voneinander getrennt werden, sondern auch Isomere, also chemische Verbindungen mit gleicher Summenformel, die sich jedoch in der Verknüpfung und/oder der räumlichen Anordnung der Atome zueinander unterscheiden. In anderen Worten ermöglichen die Verfahren also die Entmischung und das Bestimmen von Mischungsverhältnissen bei Mischungen aus Konstitutionsisomeren, Stereoisomeren, Konfigurationsisomeren, Konformationsisomeren (auch Konformere genannt), Diastereomeren und Enantiomeren. Beispielsweise kann mittels der Verfahren eine Mischung aus HCO⁺ und HOC⁺ entmischt und das Mischungsverhältnis bestimmt werden. Zudem lassen sich mittels der Verfahren auch Kernspin-Isomere voneinander trennen, also chemische Verbindungen, die sich lediglich durch den Zustand der Spins der Atomkerne voneinander unterscheiden. Dies hängt ursächlich mit der Verknüpfung der spektroskopisch adressierbaren Zustände mit den Kernspinzuständen über die Gesetze der Quantenmechanik zusammen.
Insbesondere lassen sich mittels des Verfahrens zum Entmischen einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis auch Proben für spektroskopische Untersuchungen generieren, die lediglich eine spektroskopische Spezies aufweisen. In anderen Worten ist die Ionenspezies bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Isomere, Konstitutionsisomere, Stereoisomere, Konfigurationsisomere, Konformationsisomere, Diastereomere, Enantiomere und Spin-Isomere.
Im Hinblick auf das Entmischen von Enantiomeren und das Bestimmen des Mischungsverhältnisses von Enantiomeren ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis eine Mischung umfassend zwei Enantiomere ist, nämlich eine chirale (S)-Ionenspezies und eine zur (S)-Ionenspezies enantiomere (R)-Ionenspezies, und dass Schritt c) ein Anregen genau eines Enantiomers der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung und mit einem enantiomeren-spezifischen Anregungsschema, derart dass sich eine kinetische Energie dieses Enantiomers ändert, umfasst. Beim enantiomeren-spezifischen Anregungsschema handelt es sich weiter bevorzugt um ein Verfahren der enantiomeren-spezifischen Mikrowellen-Spektroskopie (enantiomer-specific microwave spectroscopy, EMS). Weiter bevorzugt handelt es sich beim enantiomeren-spezifischen Anregungsschema um einen mikrowellen-vermittelten kohärenten Populationstransfer, bei dem durch phasenkontrollierte Mikrowellenpulse dipol-erlaubte Rotationsübergänge angeregt werden, wobei selektiv entweder die R-Form oder die S-Form der Ionenspezies in einen höheren Rotationszustand überführt werden. Unter einem dipol-erlaubten Rotationsübergang wird vorliegend ein Übergang zwischen zwei Rotationszuständen der Ionenspezies verstanden, der ein von Null verschiedenes Übergangsdipolmoment aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines der oben beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Ionenfalle, wobei die Ionenfalle zum Erzeugen eines Radiofrequenzfeldes mehrere Elektroden umfasst, wobei die Elektroden in einer Multipol-Elektrodenkonfiguration angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung eine um die Ionenfalle herum angeordnete Ringelektrode umfasst.
Ein wesentlicher Aspekt der Vorrichtung ist, dass um die Ionenfalle die Ringelektrode angeordnet ist. Die Ionenfalle weist zur Erzeugung des für das Festhalten der Ionen in der Ionenfalle verwendete Radiofrequenzfeldes mehrere Elektroden auf. Die Elektroden sind in einer Multipol-Elektrodenkonfiguration angeordnet, beispielsweise in einer Quadrupol-Konfiguration oder in einer 22-Pol-Konfiguration. Bevorzugt handelt es sich bei der Ionenfalle um eine Ionenfalle, deren Elektroden in einer 22-Pol Elektrodenkonfiguration angeordnet sind. Um ein besonderes präzises Einstellen des Ionenfallenpotentials zu ermöglichen, weist die Vorrichtung die Ringelektrode auf. Die Ringelektrode ist um die Ionenfalle herum angeordnet und besonders bevorzugt um die in Multipol-Elektrodenkonfiguration angeordneten Elektroden herum. Das Anlegen einer Spannung an die Ringelektrode führt aufgrund des elektrischen Durchgriffs dazu, dass das Potential der Ionenfalle nur sehr wenig verändert wird. So ändert beispielsweise das Anlegen einer Spannung von 1 V an die Ringelektrode das Potential einer 22-Pol Ionenfalle um 0,6 meV, was einem elektrischen Potential von 0,6 mV entspricht. Die Spannung der Ringelektrode wird also um etwa den Faktor von 1600 verringert.
Die Ringelektrode ermöglicht also auf besonderes einfache Weise, dass in Schritt a) des Verfahrens zum Festhalten der Teilmenge an Ionen ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt wird, dass die Ionenspezies mit veränderter kinetischer Energie die Ionenfalle verlässt. In anderen Worten kann mit der Ringelektrode eine sehr geringe Potentialbarriere in der Ionenfalle erzeugt werden. Somit kann mittels der Ringelektrode eine Diskriminierung der schnellen Ionen - also der Ionenspezies mit erhöhter kinetischer Energie - von den thermalisierten Ionen bis hin zu sehr geringen Energiewerten, sehr fein eingestellt werden.
Weiterhin ist es bevorzugt möglich, dass die Vorrichtung nicht lediglich eine Ringelektrode umfasst, sondern mehrere. Die Ringelektrode ist bevorzugt derart um die Ionenfalle herum angeordnet, dass eine Mittelachse der Ringelektrode parallel zu einer Längsachse der Ionenfalle ist. Weiter bevorzugt kann durch eine Veränderung der Größe der Ringelektrode oder eines Abstandes zwischen den Elektroden und der Ringelektrode die Höhe der Potentialbarriere eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine weitere Ionenfalle umfasst, wobei die erste Ionenfalle und die weitere Ionenfalle derart miteinander verbunden sind, dass Ionen, die die erste Ionenfalle verlassen, in der weiteren Ionenfalle gesammelt werden. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Detektion der die Ionenfalle verlassenden Ionen. Bei der weiteren Ionenfalle kann es sich auch um einen zweiten Bereich in der ersten Ionenfalle handeln, wobei die elektromagnetischen Felder der ersten Ionenfalle derart ausgestaltete sind, dass Ionen auch im zweiten Bereich festgehalten werden können und entsprechend der zweite Bereich die gleiche Funktion erfüllt wie eine eigeneständige zweite Ionenfalle. Die zweite Ionenfalle und/oder der zweite Bereich ermöglichen, dass die die Ionenfalle verlassenden Ionen in der weiteren Ionenfalle oder dem zweiten Bereich der ursprünglichen Ionenfalle gesammelt werden und dann gemeinsam zwecks Zählung einem Detektor zugeführt werden.
Weiter bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Detektor umfasst, bevorzugt einen Einzelionendetektor, beispielsweise einen Sekundärelektronenvervielfacher. Weiter bevorzugt ist der Detektor derart ausgestaltet, dass die die Ionenfalle verlassenden Ionen mittels des Detektors gezählt werden und/oder dass die in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels des Detektors gezählt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung erschließen sich dem Fachmann aus der Beschreibung der Verfahren.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
In den Zeichnungen zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Spektrums einer Ionenspezies, das nach einem Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aufgezeichnet wurde,
2 eine schematische Darstellung eines Signals eines Detektors, das beim Durchführen eines Vorversuchs zu einem Verfahren zum Entmischen einer Mischung und/oder zum Bettimmen eines Mischungsverhältnisses zweier oder mehrerer Ionenspezies, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aufgezeichnet wurde,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Spektrums einer Ionenspezies, das nach einem Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aufgezeichnet wurde, und
4 eine schematische Darstellung eines effektiven Potentials einer Ionenfalle einer Vorrichtung, die zum Durchführen eines Verfahrens zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies verwendet werden kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrums 10 der Ionenspezies HCO⁺, das nach einem Verfahren zum Erfassen eines Spektrums 10, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aufgezeichnet wurde. Dafür wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Teilmenge der Ionenspezies HCO⁺ in einer 22 Pol-Ionenfalle festgehalten. Zudem wurden die HCO⁺-Ionen in der Ionenfalle mit einem Puffergas auf 112 K thermalisiert. Die thermalisierten HCO⁺-Ionen wurden anschließend in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung angeregt. Die zur Anregung verwendete elektromagnetische Strahlung weist vorliegend eine Wellenzahl zwischen 2159,59 cm^-1 und 2159,63 cm^-1 auf, was auch der x-Achse 12 des Spektrums 10 entspricht. Im Bereich zwischen etwa 2159,600 cm^-1 und 2159,607 cm^-1 weist die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz auf, die mit dem Ro-vibrations-Übergang der HCO⁺-Ionen übereinstimmt, bei dem die CO-Streckschwingung angeregt wird. Eine Anregung der sich in der Ionenfalle befindenden thermalisierten HCO⁺-Ionen mit elektromagnetischer Strahlung dieser Frequenzen führt dazu, dass sich eine kinetische Energie der HCO⁺-Ionen in der Ionenfalle derart erhöht, dass die HCO⁺-Ionen die Ionenfalle verlassen können. Das Verlassen der HCO⁺-Ionen wird in einem der Anregung mit einer spezifischen Frequenz folgenden Schritt indirekt von einem Detektor registriert, der die in der Ionenfalle verbleibenden Ionen zählt. Das Detektorsignal des Detektors nach einer Anregung mit einer spezifischen Anregungsfrequenz entspricht jeweils im Grundsatz einem in der 1 dargestellten Messpunkt 14 des Spektrums 10. Allerdings ist auf der y-Achse 16 des Spektrums 10 in 1 das normalisierte Detektorsignal aufgetragen.
Nachfolgend an die Anregung der Ionen bei einer spezifischen Frequenz und der Aufzeichnung des Detektorsignals, werden alle Ionen aus der Ionenfalle entfernt und eine erneute Teilmenge an HCO⁺-Ionen wird in der Ionenfalle festgehalten. Diese HCO⁺-Ionen werden wie bereits die erste Teilmenge mittels des Puffergases thermalisiert und anschließend mit elektromagnetischer Strahlung angeregt. Dabei weist die zur Anregung verwendete elektromagnetische Strahlung eine andere Frequenz auf als zuvor, so dass mittels des Detektors der nächste Messpunkt 14 des Spektrums 10 aufgezeichnet wird. Der Vorgang wird solange wiederholt bis alle Frequenzmesspunkte der x-Achse 12 abgearbeitet sind.
In einem Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung, die nicht mehr mit der Frequenz eines energetischen Übergangs der HCO⁺-Ionen übereinstimmt (also vorliegend etwa von 2159,59 cm^-1 bis 2159,600 cm^-1 und von etwa 2159,607 cm^-1 bis 2159,63 cm^-1) werden die HCO⁺-Ionen nicht in ihrer kinetischen Energie erhöht, so dass diese die Ionenfalle nicht verlassen. Entsprechend bleibt das Detektorsignal in diesen Bereichen konstant.
Zudem ist in 1 eine Gaußkurve 18 dargestellt, deren Parameter durch Ausgleichsrechnung an die Messpunkte 14 angepasst wurden. Die Abweichung der Frequenz des Maximalwerts 20 der Gaußkurve 18 von dem in der Literatur bekannten Wert 22 der Frequenz für die CO-Streckschwingung in HCO⁺-Ionen von 2159,61 cm^-1 liegt vorliegend an einer unvollständigen Frequenzkalibrierung.
2 zeigt das Detektorsignal bei einem Vorversuch zu einem Verfahren zum Entmischen einer Mischung und/oder zum Bettimmen eines Mischungsverhältnisses zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Beim Verfahren zum Entmischen einer Mischung und/oder zum Bettimmen eines Mischungsverhältnisses zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis wird die Mischung analog zum Verfahren zum Erfassen des Spektrums in einem ersten Schritt in einer Ionenfalle festgehalten und durch ein neutrales Puffergas thermalisiert. Anschließend wird genau eine Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung derart angeregt, dass sich eine kinetische Energie der angeregten Ionenspezies in der Ionenfalle ändert. Zudem wird zum Festhalten der Mischung der Ionen ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt, dass die Teilchen mit geänderter kinetischer Energie die Ionenfalle verlassen.
2 zeigt nun das Detektorsignal bei einem Vorversuch, um für die Ionenspezies HCO⁺ eine Zeitspanne zu ermitteln, ab wann alle in der Ionenfalle festgehaltenen HCO⁺-Ionen nach Anregung der CO-Streckschwingung mit elektromagnetischer Strahlung die Ionenfalle verlassen haben. Auf der x-Achse 24 in 2 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen, auf der y-Achse 16, ist analog zu 1 das normalisierte vom Detektor aufgezeichnete Detektorsignal aufgetragen.
Zudem ist in 2 eine Exponentialfunktionskurve 26 der Form 1 - e^(-ax) dargestellt, deren Parameter durch Ausgleichsrechnung an die Messpunkte 12 angepasst wurden. An 2 ist zu erkennen, dass mit länger werdender Zeit eine Sättigung aufgrund der Begrenzten Anzahl an in der Ionenfalle festgehaltenen HCO⁺-Ionen eintritt. Nach etwa 3,5 Sekunden haben alle zuvor in der Ionenfalle angeregten HCO⁺-Ionen die Ionenfalle verlassen.
3 zeigt analog zu 1 eine schematische Darstellung eines Spektrums 10 der Ionenspezies HCO⁺, das analog zu dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Erfassen eines Spektrums 10, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aufgezeichnet wurde. Im Gegensatz zu 1 bei dem die durch Ausgleichsrechnung an die Messpunkte 14 angepasste Gaußkurve 18 eine typische Glockenform aufweist, ist die in 3 durch Ausgleichsrechnung an die Messpukte 14 angepasste Gaußkurve 18 verzerrt. Dies liegt daran, dass für das Spektrum in 3 jeweils für jeden Frequenzmesspunkt die in 2 bestimmten 3,5 Sekunden abgewartet wurden, nachdem die in der Ionenfalle festgehaltenen HCO⁺-Ionen angeregt wurden, und in dieser Zeitspanne praktisch alle HCO⁺-Ionen die Ionenfalle verlassen haben. Entsprechend ergibt sich im Wellenzahlenbereich zwischen etwa 2159,600 cm^-1 und 2159,607 cm^-1, der resonant mit der CO-Streckschwingung ist, ein beinahe rechteckiger Verlauf der Gaußkurve 18.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines effektiven Potentials eine Ionenfalle einer Vorrichtung, die zum Durchführen eines Verfahrens zum Erfassen eines Spektrums einer Ionenspezies verwendet werden kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst die Ionenfalle, die das in 4 gezeigte Ionenpotential aufweist. Bei der Ionenfalle handelt es sich um eine Ionenfalle, die Elektroden in einer 22-Pol Konfiguration umfasst. Um die Ionenfalle herum, ist zudem eine Ringelektrode angeordnet.
Der obere Teil von 4 zeigt einen Schnitt entlang der z-Richtung der Achse der Ionenfalle. Die x-Achse 28 des Diagramms entspricht somit der z-Achse der Ionenfalle in der Einheit mm, die y-Achse 30 des Diagramms gibt das Potential der Ionenfalle in meV an.
Der untere Teil von 4 zeigt ein Höhenliniendiagramm in der r-z Ebene der Ionenfalle. Die x-Achse 28 des Diagramms entspricht somit der z-Achse der Ionenfalle in der Einheit mm, die y-Achse 32 des Diagramms entspricht somit dem Radius der Ionenfalle in der Einheit mm. Die Ringelelektrode 34 befindet sich 10 mm von einer Mitte der Ionenfalle (z = 0) in axialer Richtung. Im unteren Diagramm in 4 sind die effektiven Potentiale 36 in der r-z Ebene eingezeichnet für eine Ringelektrode 34a mit einer Dicke von 0,5 mm (durchgezogene Höhenlinie 36a) und für eine Ringelektrode 34b mit einer Dicke von 0,15 mm (gestrichelte Höhenlinie 36b), wenn 1 V an die Ringelektrode 34 angelegt ist und 0 V an eine Endelektrode der Ionenfalle neben der Ringelektrode 34.
Im oberen Diagramm ist zusätzlich zum Potential 36a, 36b entlang der z-Achse der Ionenfalle, für die zwei Ringelektroden 34a, 34b unterschiedlicher Dicken und wenn 1 V an die Ringelektrode 34 angelegt ist und 0 V an die Endelektrode der Ionenfalle neben der Ringelektrode 34, das Ionenpotential 36c der Ringelektrode 34b mit 0,15 mm Dicke eingezeichnet, wenn 1 V an die Ringelektrode 34b angelegt ist und -0,1 V an die Endelektrode der Ionenfalle neben der Ringelektrode (Strichpunktlinie). Die Ringelektrode 34 erlaubt also das Einstellen einer geringen Barriere im meV Energiebereich unter Verwendung eines Elektrodenpotentials von typischerweise 1 V.
Bezugszeichenliste

10: Spektrum
12: x-Achse, Wellenzahl in cm^-1
14: Messpunkt
16: y-Achse, normalisiertes Detektorsignal
18: Gaußkurve
20: Maximalwert von Gaußkurve
22: aus Literatur bekannter Wert für CO Streckschwingung in HCO⁺
24: x-Achse, Zeit in Sekunden
26: Exponentialfunktionskurve
28: x-Achse, axiale Achse der Ionenfalle in mm
30: y-Achse, Ionenfallenpotential in meV
32: y-Achse, radiale Achse der Ionenfalle in mm
34a: Ringelektrode mit 0,5 mm Dicke
34b: Ringelektrode mit 0,15 mm Dicke
36a: Höhenlinie/Ionenfallenpotential für Ringelektrode 34a
36b: Höhenlinie/Ionenfallenpotential für Ringelektrode 34b
36c: Höhenlinie/Ionenfallenpotential für Ringelektrode 34b und Spannung von Endelektrode von -0,1 V

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Laboratory spectroscopy techniques to enable observations of interstellar ion chemistry" von McGuire, B.A., Asvany, O., Brünken, S., Schlemmer S. erschienen in Nat Rev Phys 2, 402-410 (2020) [0005]

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Spektrums (10) einer Ionenspezies mit den Schritten a) Festhalten einer Teilmenge an Ionen umfassend die Ionenspezies in einer Ionenfalle, b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas, c) Anregen der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie der Ionenspezies in der Ionenfalle ändert, d) Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels eines Detektors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c) sich die Masse der Ionenspezies nicht ändert und/oder keine chemische Reaktion der Ionenspezies mit dem Puffergas und/oder einem Reaktionspartner stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) ein energetischer Übergang der Ionenspezies mit der elektromagnetischen Strahlung angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt c) ein Umwandeln innerer Energie der Ionenspezies in kinetischer Energie der Ionenspezies umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt c) ein Erhöhen innerer Energie der Ionenspezies durch Anregung mittels elektromagnetischer Strahlung und ein Umwandeln der erhöhten inneren Energie der Ionenspezies in kinetischer Energie der Ionenspezies durch Stöße der Ionenspezies mit dem Puffergas und/oder einem weiteren Puffergas umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) die in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen derart thermalisiert werden, und in Schritt c) derart mit elektromagnetischer Strahlung angeregt werden, dass nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eine innere Energie der Ionenspezies höher ist, als eine kinetische Energie der Ionenspezies nach dem Thermalisieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) eine Teilmenge an masseselektierten Ionen umfassend die Ionenspezies in der Ionenfalle festgehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) zum Festhalten der Teilmenge an Ionen ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt wird, dass die Ionenspezies mit veränderter kinetischer Energie die Ionenfalle verlässt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt d) eine Masseeinstellung des Detektors der Masse der Ionenspezies entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte e) Entfernen aller Ionen aus der Ionenfalle, und f) Wiederholen der Schritte a) bis e) mit weiteren Teilmengen der Ionen umfasst, wobei beim Wiederholen in Schritt c) die elektromagnetische Strahlung jeweils eine andere Frequenz als zuvor aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Schritt d) ein Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder ein Erfassen der in der Ionenfalle verbleibende Ionen mittels des Detektors als Funktion der Anregungsfrequenz umfasst.
Verfahren zum Entmischen einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis mit den Schritten a) Festhalten der Ionen umfassend die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einer Ionenfalle, b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas, und c) Anregen genau einer Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie dieser Ionenspezies in der Ionenfalle ändert, wobei in Schritt a) zum Festhalten der Ionen umfassend die Mischung ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt wird, dass alle Teilchen der in Schritt c) angeregten Ionenspezies nach Durchführen des Schritts c) die Ionenfalle verlassen.
Verfahren zum Bestimmen eines Mischungsverhältnisses einer Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis mit den Schritten a) Festhalten der Ionen umfassend die Mischung zweier oder mehrerer Ionenspezies mit gleichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in einer Ionenfalle, b) Thermalisieren der in der Ionenfalle festgehaltenen Ionen durch ein Puffergas, c) Anregen genau einer Ionenspezies der Mischung der thermalisierten Ionen in der Ionenfalle mit elektromagnetischer Strahlung, derart dass sich eine kinetische Energie dieser Ionenspezies in der Ionenfalle ändert, und d) Erfassen der die Ionenfalle verlassenden Ionen und/oder Erfassen der in der Ionenfalle verbleibenden Ionen mittels eines Detektors, wobei in Schritt a) zum Festhalten der Ionen umfassend die Mischung ein Speicherpotential der Ionenfalle derart gewählt wird, dass Teilchen der in Schritt c) angeregten Ionenspezies nach Durchführen des Schritts c) die Ionenfalle verlassen.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend den Schritt e) Ermitteln, ob eine Übergangsfrequenz zu einer anderen Ionenspezies der Mischung als der in Schritt c) angeregten Ionenspezies gehört, durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung aufweisend eine andere Frequenz als zur Anregung in Schritt c) verwendet wurde.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Ionenfalle, wobei die Ionenfalle zum Erzeugen eines Radiofrequenzfeldes mehrere Elektroden umfasst, und wobei die Elektroden in einer Multipol-Elektrodenkonfiguration angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine um die Ionenfalle herum angeordnete Ringelektrode (34) umfasst.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch umfassend eine weitere Ionenfalle, wobei die erste Ionenfalle und die weitere Ionenfalle derart miteinander verbunden sind, dass Ionen, die die erste Ionenfalle verlassen, in der weiteren Ionenfalle gesammelt werden.