DE112009001360B4

DE112009001360B4 - Massenspektrometer mit Spannungsstabilisierung mittels Leerbetrieb

Info

Publication number: DE112009001360B4
Application number: DE112009001360.0T
Authority: DE
Inventors: Alexander Makarov; Alexander Kholomeev
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: CA2725590C; GB2472560A; US9058964B2; GB201222847D0; DE112009001360T5; US9911586B2; CN102047378B; CN102047378A; JP5539333B2; GB0809950D0; WO2009144469A1; JP2011522365A; GB201021426D0; GB2472560B; US20150262802A1; CA2725590A1; DE112009005542B3; GB2495237A; US20110101218A1; GB2495237B

Abstract

Verfahren zum Umschalten zwischen einem ersten und zweiten Betriebsmodus eines Massenanalysators, mit den folgenden Schritten: Koppeln eines durch eine erste Stromversorgung erzeugten ersten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem ersten Betriebsmodus, während eine zweite Stromversorgung ein zweites von null verschiedenes Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Koppeln des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten von dem ersten Potential und von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem zweiten Betriebsmodus, während die erste Stromversorgung das erste Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Betrieb in dem ersten Betriebsmodus für eine erste vordefinierte Zeitdauer, wobei der Massenanalysator eine Massenanalyse ersten Typs für Ionen einer ersten Ladung unter Verwendung des ersten von null verschiedenen Potentials während des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus durchführt; und Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus für eine zweite vordefinierte Zeitdauer, wobei der Massenanalysator entweder eine Massenanalyse zweiten Typs für Ionen einer zweiten, entgegengesetzten Ladung oder keine Massenanalyse zum Aufrechterhalten der Stabilität des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten Potentials während des Betriebs in dem zweiten Betriebsmodus durchführt; wobei die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer so ausgewählt werden, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eines des ersten Potentials und des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, und so, dass die Schritte des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge mindestens einmal ausgeführt werden, wobei wenn das Massenspektrometer eine vordefinierte Anzahl von Malen im ersten Betriebsmodus betrieben wurde, das Massenspektrometer ...

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer zum Durchführen einer genauen Massenanalyse sowohl positiv geladener als auch negativ geladener Ionen und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Potentials für einen Massenanalysator eines solchen Massenspektrometers.
Stand der Technik
Viele Massenanalysatoren, die genaue Massenmessungen bereitstellen, verwenden elektrostatische Felder, die durch Hochspannungs-Stromversorgungen erzeugt werden. Bei vielen Anwendungen, zum Beispiel Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC/MS) mit Ionisierung bei atmosphärischem Druck, kann der Ionisationswirkungsgrad von Teilchen zur Analyse bei verschiedenen Polaritäten optimal sein. In solchen Fällen verlangt die Analyse aller Ionen, dass die Polarität des elektrostatischen Felds des Massenanalysators gewechselt wird. Zur genauen Massenanalyse ist es erwünscht, dass die Stabilität des elektrostatischen Felds maximiert wird.
Bestimmte existierende Technologien stellen sowohl positive als auch negative Potentiale unter Verwendung einer oder mehrerer Stromversorgungen mit derselben Polarität bereit. Polaritätswechsel kann dann durch Herunterfahren des gesamten Hochspannungsnetzwerks, Schalten von Relais zum Umkehren der Polarität des Stromversorgungsausgangs und Wiederherauffahren des Hochspannungsnetzwerks erzielt werden. Außerdem kann die Impulserzeugerverdrahtung oder -triggerung Justierung erfordern. Darüber hinaus kann zwischen verschiedenen Polaritäten eine verschiedene Rückkopplungswiderstandskette zur Spannungsregelung verwendet werden. Die Aufwärmung und Stabilisierung des gesamten Netzwerks, nachdem es heraufgefahren wurde, kann einige Stunden dauern. Während dieser Zeit ist, wenn die zum Erzeugen des elektrostatischen Felds bereitgestellten Potentiale instabil sein können, die Genauigkeit des Massenanalysators aus diesen Gründen schlecht. WO 2004/107388 A2 und WO 2008/081334 A2 zeigen auch Verfahren zur Injektion von Ionen in einen Massenanalysator, die stabile und genaue Potentiale erfordern.
Eine Hochspannungs-Stromversorgung mit verbesserter Umschaltgeschwindigkeit wird in WO 2007/029327 A1 beschrieben. Diese ist für die Versorgung einer Umsetzungsdynode ausgelegt. Es werden zwei Stromversorgungen verwendet, die jeweils eine Spannung mit in Bezug auf die andere entgegengesetzte Polarität liefern. Die Polarität des Stromversorgungsausgangs wird durch Herunterfahren der die unerwünschte Polarität bereitstellenden Versorgung und Regeln des anderen Stromversorgungsausgangs auf den gewünschten Wert geändert. Die Polaritätswechselgeschwindigkeit wird deshalb durch Aufopfern von Genauigkeit der Ausgangsspannung verbessert.
Aus der WO 2001/029875 A2 ist ein Verfahren zum Umschalten zwischen einem ersten und zweiten Modus der Stromversorgung für einen Massenanalysator, mit den folgenden Schritten: Koppeln eines durch eine erste Stromversorgung erzeugten ersten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem ersten Betriebsmodus, während eine zweite Stromversorgung ein zweites von null verschiedenes Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Koppeln des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem zweiten Betriebsmodus, während die erste Stromversorgung das erste Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Betrieb in dem ersten Betriebsmodus für eine erste vordefinierte Zeitdauer; und Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus für eine zweite vordefinierte Zeitdauer; wobei die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer so ausgewählt werden, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eines des ersten Potentials; und des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, und so, dass die Schritte des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge mindestens einmal ausgeführt werden. Ebenfalls ist ein entsprechender Massenanalysator aus der WO 2001/029875 A2 bekannt. Ähnliche Verfahren und Massenanalysatoren sind aus der US 5 402 059 A , der WO 2000/038304 A1 , der WO 2005/083742 A2 , der US 2009/0230297A1 , der US 2004/0169014 A1 , der US 2003/0184421 A1 , der US 2003/0048004 A1 , der US 2003/0042798 A1 , der US 5 881 215 A und der JP S 59-83581 A bekannt.
Kurzfassung der Erfindung
Vor diesem Stand stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Umschalten zwischen einem ersten und zweiten Modus der Stromversorgung für einen Massenanalysator bereit, mit den folgenden Schritten: Koppeln eines durch eine erste Stromversorgung erzeugten ersten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem ersten Betriebsmodus, während eine zweite Stromversorgung ein zweites von null verschiedenes Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Koppeln des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem zweiten Betriebsmodus, während die erste Stromversorgung das erste Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Betrieb in dem ersten Betriebsmodus für eine erste vordefinierte Zeitdauer; und Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus für eine zweite vordefinierte Zeitdauer. Die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer werden so ausgewählt, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eines des ersten Potentials; und des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, und so; dass die Schritte des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge mindestens einmal ausgeführt werden.
Die Verwendung von zwei kontinuierlich betriebenen Stromversorgungen bedeutet, dass von jeder Stromversorgung ein Potential kontinuierlich und unmittelbar verfügbar ist, trotz des Umstands, dass die Stromversorgungen niemals gleichzeitig verbunden sind. Dies mindert das Problem der Umschaltverzögerung, wenn eine Stromversorgung heraufgefahren werden muss, damit ein anderes Potential erzeugt werden kann.
Wenn eine Stromversorgung jedoch für eine zu lange Zeit im Leerlauf gehalten wird, kann sich die Stabilität der Stromversorgung verschlechtern. In diesem Kontext bezieht sich „Leerlauf” auf eine Stromversorgung, die ein von null verschiedenes Potential erzeugt, aber von einer Last getrennt ist, so dass sie effektiv einen Strom von null liefert. Durch Umschalten des Massenanalysators zwischen der ersten Stromversorgung und der zweiten Stromversorgung dergestalt, dass über eine vorbestimmte Zeitlänge beide Stromversorgungen mit dem Massenanalysator verbunden werden, werden der durch die erste Stromversorgung bereitgestellte mittlere Strom und der durch die zweite Stromversorgung bereitgestellte mittlere Strom auf nicht weniger als einem vorbestimmten, von null verschiedenen Wert gehalten. Die Stabilität und deshalb die Genauigkeit beider Stromversorgungen werden dadurch verbessert. Das Umschalten wird unabhängig von den analytischen Anforderungen des Massenanalysators ausgeführt.
Es ist sehr wünschenswert, dass die Impedanz der an die Stromversorgung anzulegenden Last an die Impedanz der Stromversorgung angepasst ist. Durch regelmäßiges Koppeln der Stromversorgung, die nicht zur Massenanalyse verwendet wird, mit dem Massenanalysator hält dies vorteilhafterweise die Stabilität des durch die Stromversorgung erzeugten Potentials aufrecht.
Somit können die Stromversorgungen beide genaue Ausgänge bereitstellen, so dass zwei hochgenaue Potentiale unmittelbar zum Umschalten zwischen ihnen verfügbar sind. Diese Vorteile sind besonders wünschenswert, wenn für beide Potentiale ein signifikanter Wiederaufladestrom zusammen mit hoher Genauigkeit benötigt wird.
Vorzugsweise ist die Polarität des ersten Potentials der des zweiten Potentials entgegengesetzt. Die zwei genauen Potentiale können deshalb zur Analyse sowohl von positiven als auch negativen geladenen Teilchen verwendet werden. Gegebenenfalls weist das erste von null verschiedene Potential den gleichen Betrag wie das zweite von null verschiedene Potential auf.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer nicht länger als die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer. Ganz besonders bevorzugt ist die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer im Wesentlichen gleich der Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer. Auf diese Weise ist der von den zwei Stromversorgungen entnommene mittlere Strom ähnlich.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren das Empfangen von geladenen Teilchen in dem Massenanalysator während der ersten vordefinierten Zeitdauer. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen eines elektrischen Felds in dem Massenanalysator unter Verwendung des ersten Potentials, um so eine Analyse dieser geladenen Teilchen dadurch während der ersten vordefinierten Zeitdauer zu gestatten. Auf diese Weise können Ionen unter Verwendung des durch eine Stromversorgung erzeugten genauen Potentials analysiert werden.
Gegebenenfalls wird, wenn das Massenspektrometer eine vordefinierte Anzahl von Malen im ersten Betriebsmodus betrieben wird, insbesondere dergestalt, dass diese vordefinierte Anzahl von Analysen empfangener geladener Teilchen in dem Massenanalysator durchgeführt wird, das Massenspektrometer nicht nochmals im ersten Betriebsmodus betrieben, ohne dass das Massenspektrometer zuerst in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Vorzugsweise ist die vordefinierte Anzahl von Malen 100 oder 20 oder 10. Besonders bevorzugt ist die vordefinierte Anzahl von Malen 3 oder 2. Ganz besonders bevorzugt ist die vordefinierte Anzahl von Malen 1. Auf diese Weise wird die Stabilität der zwei Stromversorgungen auf im Wesentlichen gleichem Wert gehalten. Es wird angemerkt, dass typischerweise nur der Umschaltprozess selbst einen Stromfluss erzeugt und, nachdem das Potential an dem Massenanalysator konstant ist, fließt kein Strom durch die Stromversorgungen. Die vorbestimmte Zeitlänge hängt dadurch mit der Dauer eines einzelnen Massenanalysezyklus zusammen.
Es ist ein Vorteil, dass die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer auf der Zeitlänge basiert, die es dauert, um die Schritte des Empfangens von geladenen Teilchen und des Analysierens bzw. Erzeugens des elektrischen Felds, um so eine Analyse der geladenen Teilchen zu gestatten, durchzuführen. Auf diese Weise hängt die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer von der für eine Analyse erforderlichen Zeitlänge ab. Vorzugsweise ist die Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer nicht länger als die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer.
Vorteilhafterweise ist die Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer unabhängig von der Polarität der während der ersten vordefinierten Zeitdauer in dem Massenanalysator empfangenen geladenen Teilchen.
Die vorbestimmte Zeitlänge ist vorzugsweise nicht größer als die Summe der Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer und der Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen eines dritten Potentials derselben Polarität wie das erste Potential. Der erste Betriebsmodus kann dann Folgendes umfassen: Koppeln des ersten Potentials mit dem Massenanalysator, aber nicht Koppeln des dritten Potentials mit dem Massenanalysator während eines ersten Zeitraums, wobei der erste Zeitraum mindestens ein Teil der ersten vordefinierten Zeitdauer ist. Vorzugsweise umfasst der erste Betriebsmodus außerdem Folgendes: Koppeln des ersten Potentials mit dem Massenanalysator und Koppeln des dritten Potentials mit dem Massenanalysator während eines zweiten Zeitraums, wobei der zweite Zeitraum ein Teil der ersten vordefinierten Zeitdauer ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform geht der zweite Zeitraum dem ersten Zeitraum voraus, und eine Stromversorgung erzeugt weiter das dritte Potential während des ersten Zeitraums. Es ist auch vorteilhaft, dass während des zweiten Betriebsmodus eine Stromversorgung weiter das dritte Potential erzeugt.
Das dritte Potential wird vorzugsweise durch eine dritte Stromversorgung erzeugt, obwohl als Alternative auch die erste Stromversorgung das dritte Potential erzeugen kann. Die Stabilität und die Genauigkeit der ersten Stromversorgung sind wenn möglich größer als die der dritten Stromversorgung. Der durch das erste Potential fließende Strom wird dadurch vorteilhafterweise verringert. Darüber hinaus ist der Betrag des dritten Potentials vorzugsweise größer als der des ersten Potentials. Dies verringert vorteilhafterweise unerwünschte parasitäre Oszillationen (als „Klingeln” bekannt), da der Spannungsschritt, wenn das erste Potential geliefert wird, relativ klein ist.
Außerdem kann das Verfahren vorteilhafterweise ferner das Erzeugen eines vierten Potentials derselben Polarität wie das zweite Potential umfassen. Der zweite Betriebsmodus kann dann Folgendes umfassen: Koppeln des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator, aber nicht Koppeln des vierten Potentials mit dem Massenanalysator während eines dritten Zeitraums, wobei der dritte Zeitraum ein Teil der zweiten vordefinierten Zeitdauer ist. Vorzugsweise umfasst der zweite Betriebsmodus auch Folgendes: Koppeln des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator und Koppeln des vierten Potentials mit dem Massenanalysator während eines vierten Zeitraums, wobei der vierte Zeitraum ein Teil der zweiten vordefinierten Zeitdauer ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform geht der vierte Zeitraum dem dritten Zeitraum voraus, und während des dritten Zeitraums erzeugt eine Stromversorgung weiter das vierte Potential. Der dritte Zeitraum und der vierte Zeitraum folgen vorzugsweise dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum, so dass die erste vordefinierte Zeitdauer der zweiten vordefinierten Zeitdauer vorausgeht. Es ist auch vorteilhaft, dass während des ersten Betriebsmodus (der ersten vordefinierten Zeitdauer) eine Stromversorgung weiter das vierte Potential erzeugt. Das vierte Potential wird vorzugsweise durch eine vierte Stromversorgung erzeugt, obwohl als Alternative auch die zweite Stromversorgung das vierte Potential erzeugen kann. Die Stabilität und Genauigkeit der zweiten Stromversorgung ist, wenn möglich, größer als die der vierten Stromversorgung. Darüber hinaus ist der Betrag des vierten Potentials vorzugsweise größer als der des zweiten Potentials.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Massenspektrometer dafür ausgelegt, in der ersten vordefinierten Zeitdauer im ersten Betriebsmodus, umfassend den ersten Zeitraum und den zweiten Zeitraum, und in der zweiten vordefinierten Zeitdauer im zweiten Betriebsmodus, umfassend den dritten Zeitraum und vierten Zeitraum, zu arbeiten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform präsentiert der Massenanalysator eine im Wesentlichen reaktive Last, wobei seine Impedanz mathematisch ausgedrückt deshalb vorherrschend imaginär ist. In solchen Fällen ist ersichtlich, dass nur dann ein signifikanter Strom fließt, wenn die Stromversorgung mit der Last verbunden ist. Um die Stabilität der Versorgung aufrechtzuerhalten, ist es daher wünschenswert, dass die Stromversorgung regelmäßig mit einer impedanzangepassten Last verbunden und von dieser getrennt wird. Vorzugsweise präsentiert der Massenanalysator eine im Wesentlichen kapazitive Last, und besonders bevorzugt ist der Massenanalysator vom Orbitrap-Typ. Als Alternative ist der Massenanalysator vom Flugzeittyp und gegebenenfalls umfasst der Massenanalysator eine elektrostatische Falle. Gegebenenfalls präsentiert der Massenanalysator eine im Wesentlichen induktive Last.
In einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung in einem Massenspektrometer begründet, umfassend: einen Massenanalysator; eine erste Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein erstes Potential zu erzeugen; eine zweite Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein zweites Potential zu erzeugen; einen Schalter mit einem ersten Betriebsmodus, in dem der Schalter dafür ausgelegt ist, das erste Potential mit dem Massenanalysator zu koppeln und das zweite Potential von dem Massenanalysator zu trennen, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem der Schalter dafür ausgelegt ist, das zweite Potential mit dem Massenanalysator zu koppeln und das erste Potential von dem Massenanalysator zu trennen; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, den Schalter für eine erste vordefinierte Zeitdauer in seinen ersten Betriebsmodus zu schalten, und den Schalter für eine zweite vordefinierte Zeitdauer in seinen zweiten Betriebsmodus zu schalten, wobei die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer so ausgewählt werden, dass innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus mindestens einmal ausgeführt werden. Die zweite Stromversorgung ist dafür ausgelegt, weiter das zweite Potential zu erzeugen, wenn der Schalter in seinem ersten Betriebsmodus ausgelegt ist, und die erste Stromversorgung ist dafür ausgelegt, weiter das erste Potential zu erzeugen, wenn der Schalter in seinem zweiten Betriebsmodus ausgelegt ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Potentials für einen Massenanalysator eines Massenspektrometers bereitgestellt, mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines ersten Potentials aus einer ersten Stromversorgung; Erzeugen eines zweiten Potentials aus einer zweiten Stromversorgung; Umschalten von einem ersten Betriebsmodus, in dem das erste Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, in einen zweiten Betriebsmodus, in dem das erste Potential nicht mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, aber die erste Stromversorgung weiter das erste Potential erzeugt; und Umschalten von einem dritten Betriebsmodus, in dem das zweite Potential mit einer Dummy-Last gekoppelt ist, in einen vierten Betriebsmodus, in dem das zweite Potential nicht mit der Dummy-Last gekoppelt ist, aber die zweite Stromversorgung weiter das zweite Potential erzeugt. Der Schritt des Umschaltens von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und der Schritt des Umschaltens von dem dritten Betriebsmodus in den vierten Betriebsmodus erfolgen jeweils während einer vorbestimmten Zeitlänge mindestens einmal.
Die vorbestimmte Zeitlänge kann wie oben erläutert mit Bezug auf andere Aspekte der vorliegenden Erfindung festgelegt werden. Vorzugsweise besitzt der Massenanalysator eine charakteristische Impedanz, und die Dummy-Last besitzt die charakteristische Impedanz des Massenanalysators.
Bei einer Ausführungsform weist das erste Potential dem zweiten Potential entgegengesetzte Polarität auf. Dann umfasst das Verfahren gegebenenfalls ferner während des zweiten Betriebsmodus Umschalten von dem dritten Betriebsmodus oder dem vierten Betriebsmodus in einen fünften Betriebsmodus, in dem das zweite Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Umschalten von dem ersten Betriebsmodus oder dem zweiten Betriebsmodus in einen sechsten Betriebsmodus, in dem das erste Potential mit einer zweiten Dummy-Last gekoppelt ist. Falls der dritte Betriebsmodus und der sechste Betriebsmodus nicht gleichzeitig auftreten, ist die zweite Dummy-Last gegebenenfalls dieselbe wie die erste Dummy-Last.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: Erzeugen eines dritten Potentials aus einer dritten Stromversorgung; und Umschalten von einem siebten Betriebsmodus, in dem das dritte Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, in einen achten Betriebsmodus, in dem das dritte Potential nicht mit dem Massenanalysator gekoppelt ist. Vorteilhafterweise besitzt das dritte Potential dieselbe Polarität wie das erste Potential, und der siebte Betriebsmodus wird verwendet, während der erste Betriebsmodus verwendet wird.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner das Umschalten von dem siebten Betriebsmodus oder dem achten Betriebsmodus in einen neunten Betriebsmodus, in dem das dritte Potential mit einer dritten Dummy-Last gekoppelt ist. Falls der neunte Betriebsmodus und der sechste Betriebsmodus nicht gleichzeitig auftreten, ist die dritte Dummy-Last gegebenenfalls dieselbe wie die zweite Dummy-Last. Falls der neunte Betriebsmodus und der dritte Betriebsmodus nicht gleichzeitig auftreten, ist die dritte Dummy-Last gegebenenfalls dieselbe wie die erste Dummy-Last.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: Erzeugen eines vierten Potentials aus einer vierten Stromversorgung; und Umschalten von einem zehnten Betriebsmodus, in dem das vierte Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, in einen elften Betriebsmodus, in dem das vierte Potential nicht mit dem Massenanalysator gekoppelt ist. Vorteilhafterweise besitzt das vierte Potential dieselbe Polarität wie das zweite Potential, und der zehnte Betriebsmodus wird verwendet, während der fünfte Betriebsmodus verwendet wird.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner das Umschalten von dem zehnten Betriebsmodus oder dem elften Betriebsmodus in einen zwölften Betriebsmodus, in dem das vierte Potential mit einer vierten Dummy-Last gekoppelt ist. Falls der zwölfte Betriebsmodus und der dritte Betriebsmodus nicht gleichzeitig auftreten, ist die dritte Dummy-Last gegebenenfalls dieselbe wie die erste Dummy-Last. Falls der zwölfte Betriebsmodus und der sechste Betriebsmodus nicht gleichzeitig auftreten, ist die dritte Dummy-Last gegebenenfalls dieselbe wie die zweite Dummy-Last.
In einem verwandten Aspekt wird ein Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend: einen Massenanalysator; eine erste Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein erstes Potential zu erzeugen; eine zweite Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein zweites Potential zu erzeugen; eine Dummy-Last; einen ersten Schalter mit einem ersten Betriebsmodus, in dem das erste Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in dem das erste Potential nicht mit dem Massenanalysator gekoppelt ist; einen zweiten Schalter mit einem dritten Betriebsmodus, in dem das zweite Potential mit der Dummy-Last gekoppelt ist, und einem vierten Betriebsmodus, in dem das zweite Potential nicht mit der Dummy-Last gekoppelt ist; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, die erste Stromversorgung zu steuern, so dass sie das erste Potential weiter erzeugt, wenn der erste Schalter in seinem zweiten Modus arbeitet, und die zweite Stromversorgung zu steuern, so dass sie weiter das zweite Potential erzeugt, wenn der zweite Schalter in seinem vierten Modus arbeitet; und wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, den ersten Schalter zu steuern, so dass er während eines vordefinierten Zeitraums mindestens einmal von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschaltet, und den zweiten Schalter zu steuern, so dass er während des vordefinierten Zeitraums mindestens einmal von dem dritten Betriebsmodus in den vierten Betriebsmodus umschaltet.
Vorteilhafterweise umfasst die Dummy-Last einen Widerstand. Gegebenenfalls umfasst die Dummy-Last einen Widerstand parallel mit einem Kondensator; und/oder einer Induktivität.
Ferner wird ein Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend: einen Massenanalysator, eine erste Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein erstes Potential mit von null verschiedenem Betrag V₁ und einer ersten Polarität zu erzeugen; eine zweite Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein zweites Potential mit von null verschiedenem Betrag V₂ und einer zweiten entgegengesetzten Polarität zu erzeugen; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, das erste Potential dem Massenanalysator zuzuführen und das dem Massenanalysator zugeführte Potential direkt zwischen dem ersten Potential mit von null verschiedenem Betrag V₁ in einem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Potential mit von null verschiedenem Betrag V₂ in einem zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
Außerdem wird ein Verfahren zum Umschalten zwischen einem ersten und zweiten Modus der Stromversorgung für einen Massenanalysator in Betracht gezogen, mit den folgenden Schritten: Koppeln eines durch eine erste Stromversorgung erzeugten ersten Potentials mit dem Massenanalysator in einem ersten Betriebsmodus, während eine zweite Stromversorgung ein zweites Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Koppeln eines durch eine zweite Stromversorgung erzeugten zweiten Potentials mit dem Massenanalysator in einem zweiten Betriebsmodus, während die erste Stromversorgung das erste Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; und Umschalten von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus dergestalt, dass nur eines von dem ersten Potential; oder dem zweiten Potential zu einem beliebigen Zeitpunkt mit dem Massenanalysator gekoppelt ist.
Vorzugsweise ist die Polarität des ersten Potentials dem des zweiten Potentials entgegengesetzt. Die zwei genauen Potentiale können deshalb zur Analyse sowohl von positiven als auch von negativen geladenen Teilchen verwendet werden.
Zusätzlich wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Potentials für einen Massenanalysator eines Massenspektrometers in Betracht gezogen, mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines ersten Potentials mit von null verschiedenem Betrag V₁ und einer ersten Polarität; Erzeugen eines zweiten Potentials mit von null verschiedenem Betrag V₂ und einer zweiten, entgegengesetzten Polarität; Leiten des ersten Potentials zu dem Massenanalysator; und Umschalten des dem Massenanalysator zugeführten Potentials direkt zwischen dem ersten Potential mit von null verschiedenem Betrag V₁ in einem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Potential mit von null verschiedenem Betrag V₂ in einem zweiten Betriebsmodus.
Durch Erzeugen von zwei separaten Potentialen entgegengesetzter Polaritäten und direktes Umschalten zwischen ihnen, so dass der Massenanalysator zwischen dem Verbundensein von einem Potential mit dem anderen Potential für keine signifikante Zeitlänge mit irgendeinem anderen Potential gekoppelt ist oder auf einem unbestimmten Potential liegen darf, ist es nicht notwendig, darauf zu warten, bis sich Stromversorgungen aufwärmen, bevor ein genaues Potential in einem Massenanalysator genutzt werden kann.
Gegebenenfalls ist der von null verschiedene Betrag V₁ gleich dem von null verschiedenen Betrag V₂.
Es ist auch eine Kombination dieser Aspekte möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung kann auf vielerlei Weisen in die Praxis umgesetzt werden, von denen nun lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eine beschrieben werden wird. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Massenspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine ausführlichere schematische Darstellung der Ausführungsform von 1;
3 eine Steuerung zur Verwendung in der Ausführungsform von 2;
4 beispielhafte in der Steuerung von 3 verwendete Signale;
5 eine schematische Schaltanordnung zur Verwendung in der Ausführungsform von 2;
6 beispielhafte Signale zur Verwendung in der schematischen Schaltanordnung von 5;
7 ein alternatives Ausgangssignal der schematischen Schaltanordnung von 5; und
8 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Nunmehr mit Bezug auf 1 ist ein schematisches Diagramm eines Massenspektrometers gezeigt, umfassend eine erste Stromversorgung 10, eine zweite Stromversorgung 20, einen durch die Steuerung 40 gesteuerten Schalter 30 und einen Massenanalysator 50. Die erste Stromversorgung arbeitet, um ein erstes Potential 15 zu erzeugen, und die zweite Stromversorgung arbeitet, um ein zweites Potential 25 zu erzeugen.
Die erste Stromversorgung 10 und die zweite Stromversorgung 20 arbeiten kontinuierlich. Das erste Potential 15 besitzt mit Bezug auf ein Massepotential eine negative Polarität, und das zweite Potential 25 besitzt mit Bezug auf ein Massepotential eine positive Polarität. Das erste Potential kann zur Analyse positiver Ionen in dem Massenanalysator 50 verwendet werden, und das zweite Potential kann zur Analyse von negativen Ionen in dem Massenanalysator 50 verwendet werden. Die Steuerung 40 stellt sicher, dass innerhalb eines vordefinierten Zeitraums das erste Potential 15 und das zweite Potential 25 beide mindestens einmal mit dem Massenanalysator 50 verbunden werden.
Für Fachleute ist erkennbar, dass 1 etwas vereinfacht ist, um die Schlüsselmerkmale der Erfindung zu veranschaulichen. In 2 ist eine ausführlichere schematische Darstellung der Ausführungsform von 1 gezeigt. Zum Beispiel ist für Fachleute erkennbar, dass, falls ein Massenanalysator 100 des Typs Orbitrap (TM) verwendet wird, mehr als ein Potential erforderlich ist. Zur Erzeugung eines elektrischen Felds zur Ionenerfassung kann ein grobes Potential verwendet werden, während zur Bereitstellung eines stabilen elektrischen Felds für Ionenmessung ein genaues Potential verwendet wird.
Die erste grobe Stromversorgung 60 stellt ein negatives grobes Potential 61 bereit, und die zweite grobe Stromversorgung 70 stellt ein positives grobes Potential 71 bereit. Die erste genaue Stromversorgung 65 stellt ein negatives genaues Potential 66 bereit, und die zweite genaue Stromversorgung 75 stellt ein positives genaues Potential 76 bereit. Die durch jede dieser Stromversorgungen bereitgestellten Potentiale sind geregelt.
Die Steuerung 45 steuert Hochspannungs-(HV-)Schalter 80, 81, 82 und 83. Das negative grobe Potential 61 wird dem ersten HV-Schalter 80 zugeführt, und die Steuerung 45 stellt zur Steuerung dieses Schalters ein erstes Schaltsignal 46 bereit. Das negative genaue Potential 66 wird dem zweiten HV-Schalter 81 zugeführt, und die Steuerung 45 stellt zur Steuerung dieses Schalters das zweite Schaltsignal 47 bereit.
Das positive grobe Potential 71 wird einem dritten HV-Schalter 82 zugeführt, und die Steuerung 45 stellt zur Steuerung dieses Schalters ein drittes Schaltsignal 48 bereit. Das positive genaue Potential 76 wird dem vierten HV-Schalter 83 zugeführt, und die Steuerung 45 stellt zur Steuerung dieses Schalters ein viertes Schaltsignal 49 bereit.
Der Ausgang des zweiten HV-Schalters 81 und des vierten HV-Schalters 83 werden miteinander verbunden und als Ausgang 90 dem Massenanalysator 100 zugeführt. Der Ausgang 90 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt nur entweder ein positives Potential oder ein negatives Potential sein.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt das negative genaue Potential 66 –5 kV und das positive genaue Potential 76 +5 kV. Die Stabilität dieser zwei Potentiale ist hoch (typischerweise +/–2 ppm). Der Betrag des negativen groben Potentials 66 und des positiven groben Potentials 76 ist etwa 800–1800 V niedriger als das jeweilige genaue Potential. Die Stabilität der groben Potentiale ist wesentlich geringer als die der genauen Potentiale (z. B. +/–20–30 ppm). Diese vier Stromversorgungen werden unabhängig geregelt, wodurch die Stabilität der mehreren Ausgänge verbessert und insbesondere die Entkopplung der groben Stromversorgungen von den genauen Stromversorgungen verbessert wird.
Dadurch können die erste grobe Stromversorgung 60 oder die zweite grobe Stromversorgung 70 über 80% des gesamten Spannungsbereichs eine viel höhere Ladung zum Wiederaufladen der Massenanalysator-Lastkapazität (etwa 50 bis 100 pF einschließlich der Drähte plus der Kapazität assoziierter Transistoren) liefern. Dann hat die negative genaue Stromversorgung 65 oder die positive genaue Stromversorgung 75 nur einen kleinen Teil des Spannungsbereichs übrig, um wieder aufzuladen.
Das Verfahren zum Betrieb des Massenspektrometers kann im Entwurf der Steuerung 45 besser verstanden werden. In 3 ist eine Steuerung gezeigt, die drei Eingangssignale aufweist, die zur Steuerung des Ausgangs 90 verwendet werden. Ein Polaritätssignal 101 gibt die Polarität des Ausgangs 90 an, ein Grob-Versorgungstriggersignal 102 gibt an, dass der Ausgang 90 den Grob-Stromversorgungsausgang umfassen sollte, und ein Genau-Versorgungstriggersignal 103 gibt an, dass der Ausgang 90 den Genau-Stromversorgungsausgang umfassen sollte.
Das Tor 110 empfängt das Polaritätssignal 101 und das Grob-Triggersignal 102 und erzeugt ein Grob-Versorgungssteuersignal 111. Das Gate 120 empfängt das Polaritätssignal 101 und das Genau-Triggersignal 103 und erzeugt ein Genau-Versorgungssteuersignal 121.
Es werden zwei Detektoren 131 ansteigender Flanken vorgesehen, die den Wechsel des Eingangs von einem niedrigen Logikpegel zu einem hohen Logikpegel detektieren. Ein Detektor 131 ansteigender Flanken empfängt das Grob-Versorgungssteuersignal 111, und der andere Detektor 131 ansteigender Flanken empfängt das Genau-Versorgungssteuersignal 121.
Außerdem sind zwei Detektoren 132 fallender Flanken vorgesehen, die den Wechsel des Eingangs von einem hohen Logikpegel zu einem niedrigen Logikpegel detektieren. Ein Detektor 132 fallender Flanken empfängt das Grob-Versorgungssteuersignal 111, und der andere Detektor 132 fallender Flanken empfängt das Genau-Versorgungssteuersignal 121.
Die Ausgänge jedes der Detektoren 131 ansteigender Flanken und der Detektoren 132 fallender Flanken werden einer jeweiligen Transistorausgangsstufe 133 zugeführt. Die Ausgänge der Transistorausgangsstufen 133 werden Isolatoren 134 zugeführt, die in diesem Fall Übertrager sind. Die Ausgänge der Isolatoren 134 werden jeweils einem jeweiligen Ladungsakkumulator 135 zugeführt. Diese liefern das erste Schaltsignal 46, das zweite Schaltsignal 47, das dritte Schaltsignal 48 und das vierte Schaltsignal 49.
Die Funktionsweise der Steuerung 45 kann mit Bezug auf die in der Steuerung während des Normalbetriebs erzeugten Signale besser verstanden werden. Nunmehr mit Bezug auf 4 sind beispielhafte in der Steuerung 45 verwendete Signale gezeigt.
4 ist zweigeteilt. Auf der linken Seite von 4 ist das Polaritätssignal 101 niedrig, wodurch negative Polarität angezeigt wird. Der Ausgang 90 wird anfänglich durch das Potential der negativen genauen Stromversorgung bereitgestellt. Das Grob-Versorgungstriggersignal 102 wechselt anfänglich von einem niedrigen Logikpegel zu einem hohen Logikpegel, was zu einem positiven Impuls in dem Grob-Versorgungssteuersignal 111 führt. Dies bewirkt, dass der Ausgang 90 von dem Potential der genauen negativen Versorgung in Richtung des groben positiven Potentialwerts zunimmt, wobei die genaue negative Stromversorgung herausgeschaltet wird. Der Ausgang 90 nähert sich für einen kurzen Zeitraum 141 einer konstanten Spannung und kann sich für einen Teil des Zeitraums 141 auf dieser Spannung legen. Nach einer Verzögerung von 10–10000 Mikrosekunden relativ zum Anfang des Grob-Versorgungstriggersignals 102 wechselt das Genau-Versorgungstriggersignal 103 von niedrig zu hoch. Dies verursacht einen positiven Impuls in dem Genau-Versorgungssteuersignal 121 und führt dazu, dass der Wert des Ausgangs 90 bis auf den des positiven genauen Versorgungspotentials zunimmt, wobei die positive grobe Stromversorgung immer noch verbunden ist.
Nach einiger Zeit geht das Grob-Versorgungstriggersignal 102 von einem hohen Logikpegel zu einem niedrigen Logikpegel über. Dies bewirkt einen negativen Impuls in dem Grob-Versorgungssteuersignal 111 und führt dazu, dass der Wert des Ausgangs 90 um das Potential der negativen groben Stromversorgung abnimmt, wobei die positive genaue Stromversorgung und die positive grobe Stromversorgung beide herausgeschaltet sind. Nach einer weiteren Verzögerung geht das Genau-Versorgungstriggersignal 103 von einem hohen Logikpegel zu einem niedrigen Logikpegel über. Dies führt zu einem negativen Impuls in dem Genau-Versorgungssteuersignal 121 und bewirkt, dass sich der Wert des Ausgangs 90 auf den Wert der negativen genauen Stromverssorgung verringert, wobei die grobe negative Stromversorgung immer noch verbunden ist.
Auf der rechten Seite von 4 ist das Polaritätssignal 101 hoch, wodurch positive Polarität angezeigt wird. Der Ausgang 90 wird anfänglich durch das Potential der positiven genauen Stromversorgung bereitgestellt. Das Grob-Versorgungstriggersignal 102 wechselt anfänglich von einem niedrigen Logikpegel zu einem hohen Logikpegel, was zu einem negativen Impuls in dem Grob-Versorgungssteuersignal 111 führt. Dies bewirkt, dass der Ausgang 90 in Richtung des groben negativen Potentialwerts abnimmt. Der Ausgang 90 nähert sich für einen kurzen Zeitraum 151 einer konstanten Spannung und kann sich für einen Teil des Zeitraums 151 auf dieser Spannung legen. Nach einer Verzögerung von 10–10000 Mikrosekunden relativ zum Anfang des Grob-Versorgungstriggersignals 102 wechselt das Genau-Versorgungstriggersignal 103 von niedrig zu hoch. Dies bewirkt einen negativen Impuls in dem Genau-Versorgungssteuersignal 121 und führt dazu, dass der Wert des Ausgangs 90 auf den des genauen negativen Versorgungspotentials abnimmt, wobei die grobe negative Stromversorgung immer noch verbunden ist.
Nach einer weiteren Verzögerung wechselt das Grob-Versorgungstriggersignal 102 von einem hohen Logikpegel zu einem niedrigen Logikpegel. Dies verursacht einen positiven Impuls in dem Grob-Versorgungssteuersignal 111 und führt dazu, dass der Wert des Ausgangs 90 auf den Wert des groben positiven Versorgungspotentials zunimmt, wobei die genaue negative Stromversorgung und die grobe negative Stromversorgung beide herausgeschaltet sind. Als Letztes geht das Genau-Versorgungstriggersignal 103 von einem hohen Logikpegel zu einem niedrigen Logikpegel über. Dies führt zu einem positiven Impuls in dem Genau-Versorgungssteuersignal 121 und bewirkt, dass der Wert des Ausgangs 90 auf das Potential der genauen positiven Stromversorgung zunimmt, wobei die grobe positive Stromversorgung weiterhin verbunden ist.
Wie aus 4 zu sehen ist, existieren nur zwei Arten von Steigungen. Die erste ist eine „Abwärtssteigung”, die zur Injektion negativer Ionen zum Zeitpunkt 130 verwendet werden könnte, gefolgt von Detektion der negativen Ionen zum Zeitpunkt 140. Die Andere ist eine „Aufwärtssteigung”, die der Injektion von positiven Ionen zum Zeitpunkt 150 und Messung von positiven Ionen zum Zeitpunkt 160 folgen könnten.
Wie aus 4 beobachtet werden kann, stellt die grobe Stromversorgung den größten Teil der erforderlichen Spannungsdifferenz bereit, wenn ein Übergang stattfindet, und somit wird die schneller schaltende und genauere Versorgung vor unnötiger Last geschützt.
Nunmehr mit Bezug auf 5 ist eine schematische Schaltanordnung gezeigt. Wenn identische Komponenten wie in 2 und 3 angegeben sind, werden dieselben Bezugszahlen verwendet. Diese Darstellung zeigt das System in einem „Leerlauf”-Zustand (alle Schalter sind in eine „Aus”-Stellung gestellt). Wenn eines der Grob-Triggersignale auf einen hohen Logikpegel gesetzt wird, schaltet das System abhängig von dem Zustand des Polaritätssignals von dem positiven Zweig zu dem negativen Zweig oder umgekehrt. Wenn eines der Genau-Triggersignale auf einen hohen Logikpegel gesetzt wird, wird das jeweilige genaue Potential durch Schließen des jeweiligen Schalters addiert. Ein Widerstand 91 und ein Kondensator 92 wirken als Tiefpassfilter und steuern die Spannungssteigung am Ausgang 90.
Die Gradienten der Steigungen beim Übergang zwischen einem Potential und dem entgegengesetzten Potential werden durch den Widerstand 171 und den Widerstand 181 in der Leitung gesteuert, die den Grob-Positiv-Stromversorgungsausgang 76 bzw. den Grob-Negativ-Stromversorgungsausgang 66 bereitstellen. Die Diode 170 und die Diode 180 verhindern parasitäre Rückwärtsströme durch die Grob-Stromversorgungsausgänge aufgrund der jeweiligen genauen Stromversorgung, wodurch die groben Stromversorgungen beschädigt werden können. Folglich stellt jede grobe Stromversorgung keine Quelle von Rauschen bereit, wenn sie mit der genauen Stromversorgung der jeweiligen Polarität parallel geschaltet wird. Die Gründe hierfür sind die Folgenden: die Diode 170 und die Diode 180 gewährleisten Schutz durch ihre negative Vorspannung; die Auswirkung von Instabilitäten werden durch den Widerstand 171 und 181 gedämpft; und die Ausgänge der genauen Stromversorgungen werden geregelt, und dies würde jegliche verbleibende Effekte kompensieren. Tatsächlich sind die groben Stromversorgungen eigentlich keine Rauschquellen, sondern werden stattdessen weniger effektiv geregelt als die genauen Stromversorgungen.
Wie bei der bevorzugten Implementierung arbeitet die in 5 gezeigte Anordnung auf die folgende Weise. In einem ersten Schritt bewirkt das dritte Schaltsignal 48, dass der dritte HV-Schalter 82 geschlossen wird. Alle drei anderen Schalter werden offen gelassen, so dass der Ausgang 90 in Richtung des groben positiven Potentials 71 zunimmt.
In einem zweiten Schritt bewirken das dritte Schaltsignal 48 und das vierte Schaltsignal 49, dass der dritte HV-Schalter 82 und der vierte HV-Schalter 83 geschlossen werden. Die anderen beiden Schalter sind offen, so dass der Ausgang 90 in Richtung des positiven genauen Potentials 76 zunimmt. In einem dritten Schritt bewirkt das erste Schaltsignal 46, dass der erste HV-Schalter 80 geschlossen wird. Alle anderen Schalter werden geöffnet, so dass der Ausgang 90 in Richtung des groben negativen Potentials 61 abnimmt.
In einem vierten Schritt bewirken das erste Schaltsignal 46 und das zweite Schaltsignal 47, dass der erste HV-Schalter 80 und der zweite HV-Schalter 81 geschlossen werden. Die beiden anderen Schalter sind offen, so dass der Ausgang 90 in Richtung des negativen genauen Potentials 66 abnimmt.
Nunmehr mit Bezug auf 6 sind beispielhafte Signale zur Verwendung in der schematischen Schaltanordnung von 5 gezeigt. Die Signale werden durch dieselben Bezugszahlen wie die entsprechenden Signale von 5 identifiziert. Wenn diese Signale verwendet werden, resultiert das Ausgangssignal 90'. Diese Signalanordnung kann höhere Spannungsgenauigkeit und schnelleres Schalten erreichen.
Während die in 3 gezeigte Ausführungsform zwei Steuersignale (das Grob-Versorgungssteuersignal 111 und das Genau-Versorgungssteuersignal 121) verwendet, wobei ansteigende und fallende Flanken Triggerereignisse sind, verwendet die Ausführungsform von 5 vier Steuerleitungen (das erste Schaltsignal 46, das zweite Schaltsignal 47, das dritte Schaltsignal 48 und das vierte Schaltsignal 49). Die Verwendung von zusätzlichen Steuersignalen vergrößert die Flexibilität des Systems zum Betrieb und erlaubt schnellere Anstiegszeiten. Die vorliegende Erfindung kann für vielfältige Anwendungen verwendet werden. Die Anwendungen können Folgendes umfassen: Bereitstellen eines Potentials für eine Elektrode (einschließlich Dynoden) oder ein Gitter in einem Massenanalysator; Versorgen der Mittelelektrode eines Massenanalysators des Typs Orbitrap (TM) mit Spannungen; Versorgen anderer Elektroden eines Massenanalysators des Typs Orbitrap (TM) (zum Beispiel Ablenkblech, gekrümmte Ionenfalle, Ionentore) mit Spannungen; Versorgen von Elektroden in elektrostatischen Massenanalysatoren, Flugzeit-(TOF-)Massenanalysatoren, einschließlich Mehrfachreflexions- oder Mehrfachablenktypen, mit Spannungen; Versorgen eines Bradbury-Nielsen-Tors mit Spannungen; Versorgen eines Ablenkblechs mit Spannungen; Spannungsversorgung für die Verwendung als Detektoroffset; Spannungsversorgung für Extraktionselektroden (einschließlich Gitter) in TOF-Instrumenten; und Spannungsversorgung für schaltbare Spiegel oder Sektoren in Einfach- oder Mehrfachreflexions-TOF-Instrumenten.
Die vorliegende Ausführungsform arbeitet deshalb auf der Basis des folgenden Ansatzes. Die Stromversorgungen werden in einem Zyklus des in 4 oder 6 gezeigten Typs zyklisch mit der Mittelelektrode eines Orbitrap(TM)-Massenanalysators 100 verbunden. Die Ionen werden während der Steigung zum Zeitpunkt 130 oder der Steigung zum Zeitpunkt 150 (abhängig von dem Ladungszustand) in den Massenanalysator 100 injiziert. Somit werden Ionen verschiedener Masse, die zu verschiedenen Zeitpunkten ankommen, in stabilen Orbits um die Mittelelektrode des Massenanalysators 100 herum erfasst. Dies wird ausführlicher in Hardman, M. & Makarov, A. A.: Interfacing the Orbitrap Mass Analyzer to an Electrospray Ion Source; Anal. Chem., 2003, 75, 1699–1705, beschrieben. Auf diese Weise dient die Kombination von genauen und groben Stromversorgungen auch dem Zwecke des Steuerns der Injektion und Erfassung von Ionen in dem Orbitrap(TM)-Massenanalysator 100. Die Steigung dieses Spannungsanstiegs wird durch den Widerstand 91 und den Kondensator 92 in Kombination mit der Widerstands-, kapazitiven und induktiven Last des Massenanalysators 100 und der Verdrahtung gesteuert.
Obwohl hier eine spezifische Ausführungsform beschrieben wurde, können Fachleute verschiedene Modifikationen und Substitutionen in Betracht ziehen. Zum Beispiel ist für Fachleute ohne Weiteres erkennbar, dass die in 5 gezeigten Schalter Relais, Transistoren oder Halbleiterschalter sein könnten.
Außerdem ist für Fachleute erkennbar, dass es erwünscht sein kann, den Massenanalysator mit anderen Hochspannungen mit mehreren Polaritäten zu versehen, die keine hohe Genauigkeit erfordern und/oder eine signifikant kleinere Amplitude als die für das elektrische Feld erforderlichen aufweisen, wie zum Beispiel Linsen und Impulserzeuger. Diese könnten unter Verwendung von herkömmlichen Ansätzen mit geschalteter Polarität versehen werden, oder es könnte die oben beschriebene Technik angewandt werden.
Für Fachleute ist erkennbar, dass in dem Betrieb von 5 das System nach dem zweiten Schritt zu dem „Leerlauf”-Zustand zurückkehren kann. Dies kann verwendet werden, um dabei zu helfen, die Möglichkeit zu vermeiden, dass zwei Stromversorgungen entgegengesetzter Polarität gleichzeitig mit der Last verbunden werden. Der „Leerlauf”-Zustand kann deshalb die Stromversorgungen vor beschädigenden Rückwärtsströmen entgegengesetzter Polarität schützen. Zusätzlich kann das System nach dem vierten Schritt zu dem „Leerlauf”-Zustand zurückkehren, und daraufhin kann der erste Schritt von Neuem beginnen. Für Fachleute ist erkennbar, dass im „Leerlauf”-Zustand das Potential der Elektrode, das von der Stromversorgung bzw. den Stromversorgungen getrennt wurde, zuerst auf demselben Potential bleiben wird und dann zu einem undefinierten Zustand abklingen wird. Somit ist es normalerweise nicht erwünscht, für längere Zeiten in dem „Leerlauf”-Zustand zu bleiben.
Bei einem zu dem oben beschriebenen alternativen Ansatz zum Betrieb wird ein Netzwerk des in 5 gezeigten Typs mit einer Impulserzeugerelektrode eines Flugzeit-Massenspektrometers, wie zum Beispiel einer Elektrode in einem Orthogonal-Beschleuniger, der Ionen auf die Flugbahn injiziert, verbunden. Der Stromversorgungs-Ausgangszyklus ist dem in 4 oder 6 gezeigten ähnlich. Ionen werden zum Beispiel während der Periode konstanter Spannung 141 (oder Periode konstanter Spannung 161) in den Orthogonal-Beschleuniger (oder eine Injektorfalle) injiziert. Als Alternative könnte bei einer Ausführungsform wie in 5 gezeigt das Timing der Steuersignale justiert werden, um eine „Halte”-Zeit zu enthalten, wobei die Ionen während des Haltens auf der jeweiligen groben Stromversorgung injiziert und dann durch die Steigungen 130 bzw. 150 auf die Flugbahn gepulst werden.
Abhängig von den Bedingungen kann ein weiterer „Ruhe”-Punkt auf oder in der Nähe von Masse eingeführt werden, indem entweder die Elektrode zu diesem Zeitpunkt direkt mit Masse verbunden wird oder durch Verwendung einer zusätzlichen Stromversorgung, die virtuelle Masse bereitstellt. Die Ionen würden dann vor dem Auswurfimpuls in den Impulserzeuger (Orthogonal-Beschleuniger, lineare Ionenfalle oder nichtlineare Falle) injiziert.
Nunmehr mit Bezug auf 7 ist ein alternatives Ausgangssignal der schematischen Schaltanordnung von 5 gezeigt. Dieses Ausgangssignal erlaubt einen weiteren Ruhepunkt, wobei die der Massenspektrometerelektrode zugeführte Spannung stabil ist. Die erste Hälfte des gezeigten Signals betrifft den Fall, wobei nur zwei Stromversorgungen verwendet werden. Im Gegensatz dazu betrifft die zweite Hälfte die Verwendung von vier Stromversorgungen, die zu einer charakteristischen „Kerbe” oder „Vertiefung” in dem Ausgangssignal führt.
Dieser Einfach- oder Zweifach-Schrittimpuls würde dann Ionen mit genau definierter Energie auf die Detektionstrajektorie einführen. Dasselbe Prinzip kann für einen „Energielift” während der Injektion von Ionen in einem Flugzeit-Massenanalysator verwendet werden.
Ähnlich kann die Erfindung auf andere Komponenten eines Flugzeit-(TOF-)Massenanalysators angewandt werden, wie zum Beispiel die Elektroden eines Ionenspiegels oder Ablenkblechs eines Reflektrons, eine mehrfach reflektierende oder Mehrfachumdrehungs-TOF-Einrichtung, um so einen schnelleren Wechsel zwischen dem Positiv- und Negativionenmodus zu erlauben.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung regelmäßig jede der Stromversorgungen mit dem Massenanalysator verbinden, ist für Fachleute erkennbar, dass eine Last, die eine Impedanz aufweist, die an die des Massenanalysators angepasst ist, als Ersatz verwendet werden kann. Dies wird als eine Dummy-Last bezeichnet. Es hat sich gezeigt, dass es beträchtliche Schwierigkeiten beim Modellieren der Impedanz des Massenanalysators, um so ein Dummy zu erzeugen, gibt. Insbesondere erlauben Herstellungstoleranzen, dass die charakteristische Impedanz zwischen Massenanalysatoren unterschiedlich ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Modellierung der Impedanz eines Massenanalysators des Typs Orbitrap (TM) ein signifikantes Problem darstellt.
Folglich ist die Verwendung einer Dummy-Last keine bevorzugte Ausführungsform. Dessen ungeachtet ist für Fachleute erkennbar, dass eine Dummy-Last verwendet werden könnte, statt eine Stromversorgung mit dem Massenanalysator zu verbinden, die kein Potential für Massenanalyse bereitstellen muss.
Nunmehr mit Bezug auf 8 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis dieses Konzepts gezeigt. Diese alternative Ausführungsform ist 5 ähnlich, und wenn dieselben Merkmale gezeigt sind, werden identische Bezugszahlen verwendet. Hochspannungs-(HV-)Schalter 190, 191, 192 und 193 können die Ausgänge der vier Stromversorgungen (die Potentiale 61, 71, 66 und 76) entweder mit dem Ausgang 90 oder mit einer Dummy-Last verbinden.
Bei dieser Ausführungsform wird für jede Stromversorgung eine einzelne Dummy-Last vorgesehen. Zusätzliche Schalter 201, 211, 221 und 231 werden zum Steuern der Verbindung jedes jeweiligen Dummy-Lastwiderstands 202, 212, 222 und 232 vorgesehen. Parallel mit jedem Dummy-Lastwiderstand 202, 212, 222 und 232 wird ein jeweiliger Kondensator 203, 213, 223 und 233 vorgesehen.
Der „Leerlauf”-Zustand der HV-Schalter 190, 191, 192 und 193 0 wird mit einem jeweiligen Dummy-Lastwiderstand 202, 212, 222 und 232 verbunden. Die zusätzlichen Schalter 201, 211, 221 und 231 sind optional. Der Dummy-Lastwiderstand 202, 212, 222 und 232 kann ein beliebiges Modell der realen Last sein (die durch den Massenanalysator 50 oder den Orbitrap(TM)-Massenanalysator 100 bereitgestellt wird), einschließlich einer Kopie der realen Last, wie zum Beispiel ein Produktionsmodell, das nicht mit den Genauigkeitsanforderungen für einen Orbitrap(TM)-Massenanalysator übereinstimmt. Als Alternative kann ein Netzwerk von Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten verwendet werden.
Außerdem muss nicht eine Dummy-Last pro Stromversorgung vorliegen. Abhängig von den tatsächlichen Anforderungen und Kosten können weniger Dummy-Lasten verwendet werden. Zum Beispiel könnte nur eine Dummy-Last verwendet werden, oder eine Dummy-Last pro Polarität, oder es könnten nur die genauen Stromversorgungen mit der Dummy-Last verbunden werden. In einem alternativen Betriebsmodus können die genauen Stromversorgungen zyklisch mit dem Massenanalysator und die groben Stromversorgungen mit der Dummy-Last bzw. den Dummy-Lasten verbunden werden.

Claims

Verfahren zum Umschalten zwischen einem ersten und zweiten Betriebsmodus eines Massenanalysators, mit den folgenden Schritten: Koppeln eines durch eine erste Stromversorgung erzeugten ersten von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem ersten Betriebsmodus, während eine zweite Stromversorgung ein zweites von null verschiedenes Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Koppeln des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten von dem ersten Potential und von null verschiedenen Potentials mit dem Massenanalysator in einem zweiten Betriebsmodus, während die erste Stromversorgung das erste Potential erzeugt, aber von dem Massenanalysator getrennt ist; Betrieb in dem ersten Betriebsmodus für eine erste vordefinierte Zeitdauer, wobei der Massenanalysator eine Massenanalyse ersten Typs für Ionen einer ersten Ladung unter Verwendung des ersten von null verschiedenen Potentials während des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus durchführt; und Betrieb in dem zweiten Betriebsmodus für eine zweite vordefinierte Zeitdauer, wobei der Massenanalysator entweder eine Massenanalyse zweiten Typs für Ionen einer zweiten, entgegengesetzten Ladung oder keine Massenanalyse zum Aufrechterhalten der Stabilität des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten Potentials während des Betriebs in dem zweiten Betriebsmodus durchführt; wobei die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer so ausgewählt werden, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eines des ersten Potentials und des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, und so, dass die Schritte des Betriebs in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge mindestens einmal ausgeführt werden, wobei wenn das Massenspektrometer eine vordefinierte Anzahl von Malen im ersten Betriebsmodus betrieben wurde, das Massenspektrometer mindestens einmal in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wobei bei mindestens einem Betrieb im zweiten Betriebsmodus keine Massenanalyse durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polarität des ersten Potentials der des zweiten Potentials entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Betrag des ersten von null verschiedenen Potentials gleich dem des zweiten von null verschiedenen Potentials ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer nicht länger als die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer gleich der Länge der zweiten vordefinierten Zeitdauer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit den folgenden Schritten: Empfangen von geladenen Teilchen in dem Massenanalysator während der ersten vordefinierten Zeitdauer; und Erzeugen eines elektrischen Felds in dem Massenanalysator unter Verwendung des ersten Potentials, um so die Massenanalyse ersten Typs der während der ersten vordefinierten Zeitdauer von diesem empfangenen geladenen Teilchen zu gestatten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Länge der ersten vordefinierten Zeitdauer auf der Zeitlänge basiert, die in Anspruch genommen wird, um die Schritte des Empfangens geladener Teilchen und des Erzeugens des elektrischen Felds auszuführen, um so die Massenanalyse ersten Typs der geladenen Teilchen zu gestatten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem folgenden Schritt: Erzeugen eines dritten Potentials derselben Polarität wie das erste Potential; wobei im ersten Betriebsmodus während eines ersten Zeitraums das erste Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, aber das dritte Potential nicht mit dem Massenanalysator gekoppelt ist, wobei der erste Zeitraum eine Teilmenge der ersten vordefinierten Zeitdauer ist; und wobei im ersten Betriebsmodus während eines zweiten Zeitraums das erste Potential und das dritte Potential mit dem Massenanalysator gekoppelt sind, wobei der zweite Zeitraum eine Teilmenge der ersten vordefinierten Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Zeitraum dem ersten Zeitraum vorausgeht und wobei während des ersten Zeitraums weiter das dritte Potential erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei während des zweiten Betriebsmodus weiter das dritte Potential erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Betrag des dritten Potentials größer als der des ersten Potentials ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das dritte Potential durch eine dritte Stromversorgung erzeugt wird und wobei die Genauigkeit der ersten Stromversorgung größer als die der dritten Stromversorgung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Massenanalysator einer vom Typ Orbitrap-Typ verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei als Massenanalysator einer vom Typ Flugzeittyp verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei als Massenanalysator einer verwendet wird, der eine elektrostatische Falle umfasst.
Massenspektrometer, umfassend: einen Massenanalysator; eine erste Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein erstes von null verschiedenes Potential zu erzeugen; eine zweite Stromversorgung, die dafür ausgelegt ist, ein von dem ersten Potential und von null verschiedenes zweites Potential zu erzeugen; und einen Schalter mit einem ersten Betriebsmodus, in dem der Schalter dafür ausgelegt ist, das erste Potential mit dem Massenanalysator zu koppeln und das zweite Potential von dem Massenanalysator zu trennen, und einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Schalter dafür ausgelegt ist, das zweite Potential mit dem Massenanalysator zu koppeln und das erste Potential von dem Massenanalysator zu trennen, dergestalt, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eines des ersten Potentials oder des zweiten Potentials mit dem Massenanalysator gekoppelt ist; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, den Schalter für eine erste vordefinierte Zeitdauer in seinen ersten Betriebsmodus zu schalten, den Massenanalysator zu steuern, um eine Massenanalyse ersten Typs für Ionen einer ersten Ladung unter Verwendung des ersten von null verschiedenen Potentials durchzuführen, während der Schalter in seinen ersten Betriebsmodus geschaltet ist, den Schalter für eine zweite vordefinierte Zeitdauer in seinen zweiten Betriebsmodus zu schalten und den Massenanalysator zu steuern, um entweder eine Massenanalyse zweiten Typs für Ionen einer zweiten, entgegengesetzten Ladung oder keine Massenanalyse zum Aufrechterhalten der Stabilität des durch die zweite Stromversorgung erzeugten zweiten Potentials durchzuführen, während der Schalter in seinen zweiten Betriebsmodus geschaltet ist, wobei die erste vordefinierte Zeitdauer und die zweite vordefinierte Zeitdauer so ausgewählt werden, dass innerhalb einer vorbestimmten Zeitlänge der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus mindestens einmal ausgeführt werden; und wobei die zweite Stromversorgung dafür ausgelegt ist, weiter das zweite Potential zu erzeugen, wenn der Schalter in seinen ersten Betriebsmodus geschaltet ist, und wobei die erste Stromversorgung dafür ausgelegt ist, weiter das erste Potential zu erzeugen, wenn der Schalter in seinen zweiten Betriebsmodus geschaltet ist, wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Massenspektrometer mindestens einmal in dem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, wenn das Massenspektrometer eine vordefinierbare Anzahl von Malen im ersten Betriebsmodus betrieben wurde, wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, dass bei mindestens einer Ausführung des Betriebs im zweiten Betriebsmodus keine Massenanalyse durchgeführt wird.