DE112009001895T5

DE112009001895T5 - Ionengatter eines Ionenmobilitätsspektrometers mit dualer Polarität und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE112009001895T5
Application number: DE112009001895T
Authority: DE
Inventors: Hua Peng; Qingjun Zhang; Jin Lin; Yuanjing Li; Zhiqiang Chen; Shaoji MAO; Zhude Dai; Shiping CAO; Zhongxia Zhang; Yangtian Zhang; Dexu Lin; Qinghua Wang
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: GB2464605B; GB2464605A; CN101728208B; US20100102219A1; CA2683179C; WO2010045805A1; DE112009001895B4; GB0918291D0; CA2683179A1; CN101728208A; DE112009001895B8; US8013297B2

Abstract

Ein Ionengatter eines IMS mit dualer Polarität und ein Verfahren dafür werden offenbart. Das Ionengatter umfasst eine Ionenquelle (0), eine erste Gatterelektrode (1), die auf einer Seite der Ionenquelle (0) angeordnet ist, eine zweite Gatterelektrode (2), die auf der anderen Seite der Ionenquelle (0) angeordnet ist, eine dritte Gatterelektrode (3), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der ersten Gatterelektrode (1) angeordnet ist, eine vierte Gatterelektrode (4), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der zweiten Gatterelektrode (2) angeordnet ist, wobei während der Ionenspeicherung das Potential des Ionengatters in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode (1) entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der dritten Gatterelektrode (3) entsprechen, verschieden ist und das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode (2) entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der vierten Gatterelektrode (4) entsprechen, verschieden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Untersuchung von Sprengstoffen, Drogen und dergleichen und insbesondere auf ein Ionengatter, das in einem Ionenmobil54itätsspektrometer (IMS) mit dualer Polarität verwendet wird, und das Verfahren dafür.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Im Allgemeinen ist ein IMS mit dualer Polarität hauptsächlich aus einer Ionenquelle, zwei Driftrohren (TOF), einer Reaktionszone für positive und negative Ionen, einem positiven Ionengatter, einem negativen Ionengatter und zwei Detektoren gebildet. Die einfachste Gestaltung ist derart, dass die zwei Driftrohre auf den zwei Seiten der Reaktionszone für positive bzw. negative Ionen angeordnet sind. Das IMS mit dualer Polarität unterscheidet sich von einem üblichen IMS darin, dass die Struktur des Ionengatters der Empfindlichkeit des Instruments aufgrund der Notwendigkeit der Detektion von positiven und negativen Ionen einen signifikanten Effekt auferlegt. Wie im Patentdokument 1 ( US 4 445 038 ) gezeigt, bilden zwei Elektroden, die vor den Driftrohren für positive bzw. negative Ionen angeordnet sind, die Gatter für positive und negative Ionen und die Ionenquelle ist in der Mitte der zwei Elektroden angeordnet. Probengas wird nach dem Eintritt von einem Rohr über der Ionenquelle ionisiert und bleibt innerhalb der Gatter für positive und negative Ionen auf beiden Seiten der Ionenquelle. Nachdem ein Impuls ankommt, werden die positiven und negativen Ionen innerhalb der Ionengatter jeweils an die benachbarten Driftrohre abgegeben. Das Patentdokument 1 bietet einen Vorteil einer einfachen Steuerung von Ionen, während es einen Nachteil eines komplexen Herstellungsprozesses für das Ionengatter, von strengen Anforderungen an die Anordnung und von hohen Herstellungskosten aufweist. Ferner ist die effektive Nutzrate von Ionen niedrig. Die Struktur der Gatter verursacht einen Verlust von etwa 90% der gesamten Ionen innerhalb der Gatter, was zu einer schlechten Instrumentenempfindlichkeit führt.
Um die effektive Nutzrate von Ionen zu verbessern, schafft das Patentdokument 2 ( US-Patent 7 259 369 B2 ) ein Verfahren zum gleichzeitigen Speichern von positiven und negativen Ionen unter Verwendung einer vierfach polaren Ionenfalle und zum gleichzeitigen Abgeben von positiven und negativen Ionen unter der Steuerung von Elektroden. Die vierfach polare Ionenfalle besteht aus zwei abgeflachten Zylindern, einem äußeren Zylinder mit einem größeren inneren Radius und zwei kleineren hutförmigen Zylindern mit jeweils einem Loch in der Mitte. Die zwei abgeflachten Zylinder sind an beiden Enden des äußeren Zylinders angefügt und die zwei kleineren hutförmigen Zylinder sind innerhalb der zwei abgeflachten Zylinder jeweils so montiert, dass ihre Hutoberseiten einander gegenüber liegen. Die Struktur im Patentdokument 2 beseitigt den Nachteil im Patentdokument 1, da die vierfach polare Ionenfalle eine Funktion zum Fokussieren und Komprimieren von Ionen aufweist und folglich die Systemauflösung verbessert, während mehrere Gaseintrittslöcher vorhanden sind, die jederzeit die Änderung des Trägergases und des Wanderungsgases ermöglichen. Leider werden sowohl die positiven als auch negativen Ionen im gleichen Bereich in der Ionenfalle gespeichert und folglich geht ein Teil der Ionen aufgrund des Ladungsaustauschs zwischen den Ionen verloren. Ferner weist die vierfach polare Ionenfalle eine komplexe Struktur und folglich eine sehr strenge Anforderung an die Konzentrizität und Anordnung auf, was zu höheren Herstellungskosten führt. Das Schema der Elektrodensteuerung ist auch relativ kompliziert, was die Steuerung über die ganze Vorrichtung schwieriger macht.
Ein weiteres Patentdokument schafft ein Verfahren zum separaten Messen von positiven und negativen Ionen innerhalb eines einzelnen Driftrohrs unter Elektrodensteuerung. Diese Lösung ist hinsichtlich einer einfachen Struktur und kleinen Größe der Vorrichtung vorteilhaft, während der Mangel darin besteht, dass es unmöglich ist, sowohl die positiven als auch negativen Ionen gleichzeitig zu messen, und die Änderung des Trägergases und Wanderungsgases in der Vorrichtung eingeschränkt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik schafft die vorliegende Erfindung ein neues Gatter für positive und negative Ionen auf der Basis des existierenden IMS mit dualer Polarität, das den Verlust von Ionen effektiv verringern kann und die Empfindlichkeit für die IMS-Detektion beträchtlich verbessern kann. Unterdessen ist die Auflösung des IMS mit dualer Polarität durch ein einfaches, schnelles und ausreichendes Ionenabführungsschema erhöht. Die Herstellungskosten sind aufgrund eines einfachen Elektrodensteuerverfahrens, einer einfachen Ionengatterstruktur und eines einfachen Herstellungsprozesses signifikant verringert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionengatter eines IMS mit dualer Polarität mit einer Ionenquelle, einer ersten Gatterelektrode, die auf einer Seite der Ionenquelle angeordnet ist, einer zweiten Gatterelektrode, die auf der anderen Seite der Ionenquelle angeordnet ist, einer dritten Gatterelektrode, die auf der von der Ionenquelle entfernten Seite der ersten Gatterelektrode angeordnet ist, einer vierten Gatterelektrode, die auf der von der Ionenquelle entfernten Seite der zweiten Gatterelektrode angeordnet ist, geschaffen, wobei während der Phase der Ionenspeicherung das Potential des Ionengatters in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle und der dritten Gatterelektrode entsprechen, verschieden ist und das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die den Ionen entsprechen, verschieden ist.
Während der Phase der Ionenspeicherung ist vorzugsweise das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode entspricht, höher als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle und der dritten Gatterelektrode entsprechen, und das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode entspricht, ist niedriger als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle und der vierten Gatterelektrode entsprechen.
Vorzugsweise umfasst das Ionengatter ferner eine fünfte Gatterelektrode, die auf der von der Ionenquelle entfernten Seite der dritten Gatterelektrode angeordnet ist, und eine sechste Gatterelektrode, die auf der Seite der vierten Gatterelektrode angeordnet ist.
Vorzugsweise wirken die fünfte und die sechste Gatterelektrode als anfängliche Teile von Driftrohren für positive bzw. negative Ionen.
Während der Ionenabführung werden vorzugsweise Ionen durch Steuern des Potentials der Ionenquelle, der ersten, der zweiten, der dritten und/oder der vierten Gatterelektrode auf der Rohrachse abgeführt.
Vorzugsweise sind die erste, die dritte und die fünfte Gatterelektrode in Bezug auf die Ionenquelle symmetrisch zur zweiten, vierten und sechsten Gatterelektrode angeordnet.
Vorzugsweise sind die erste, die dritte und die fünfte Gatterelektrode in Bezug auf die Ionenquelle asymmetrisch zur zweiten, vierten und sechsten Gatterelektrode angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für ein Ionengatter eines IMS mit dualer Polarität geschaffen, das Ionengatter umfasst eine Ionenquelle und das Verfahren umfasst die Schritte des Einstellens des Potentials in einer ersten Position auf der Rohrachse auf einer Seite der Ionenquelle so, dass es vom Potential der Ionenquelle und vom Potential des Ionengatters in einer dritten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben Seite der Ionenquelle, verschieden ist, um einen ersten Ionenspeicherbereich zu bilden; und des Einstellen des Potentials in einer zweiten Position auf der Rohrachse auf der anderen Seite der Ionenquelle so, dass es vom Potential der Ionenquelle und vom Potential in einer vierten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben anderen Seite der Ionenquelle verschieden ist, um einen zweiten Ionenspeicherbereich zu bilden.
Vorzugsweise wird das Potential in einer ersten Position auf der Rohrachse auf einer Seite der Ionenquelle so eingestellt, dass es höher ist als das Potential der Ionenquelle und das Potential in einer dritten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben Seite der Ionenquelle, um einen ersten Ionenspeicherbereich zu bilden, und das Potential in einer zweiten Position auf der Rohrachse auf der anderen Seite der Ionenquelle wird so eingestellt, dass es niedriger ist als das Potential der Ionenquelle und das Potential in einer vierten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben anderen Seite der Ionenquelle, um einen zweiten Ionenspeicherbereich zu bilden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Abführen von Ionen durch Steuern des Potentials auf der Rohrachse.
Vorzugsweise umfasst der Schritt zum Abführen von Ionen durch Steuern des Potentials auf der Rohrachse das Anlegen eines jeweiligen Potentials in einer der ersten, zweiten, dritten und vierten Position, um die Ionen abzuführen.
Mit dem Ionengatter und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung tritt, nachdem Probengas in die Ionengatter eintritt, ein Ladungsaustausch mit Reaktionsionen zwischen der ersten Gatterelektrode und der zweiten Elektrode auf und positive und negative Ionen (Probenionen, Reaktionsionen) werden kontinuierlich in den Speicherbereichen für die positiven und negativen Ionen gespeichert. Dies führt zu einer Verbesserung der Nutzrate von Ionen. Dann werden die Ionen schrittweise aus den Speicherbereichen für die positiven und negativen Ionen durch eine einfache Steuerung einer Kombination der Elektroden abgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 ein schematisches Diagramm der Schnittstruktur eines Ionengatters eines IMS mit dualer Polarität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematisches Diagramm der detaillierten Struktur jeder in 1 gezeigten Elektrode ist;
3 ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein schematisches Diagramm ist, das Elektrodensteuerimpulse zeigt;
5 ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
7 ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird eine ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren gegeben, in denen durchweg gleiche Bezugszeichen identische oder ähnliche Komponenten bedeuten, obwohl sie in verschiedenen Figuren dargestellt sind. Wegen der Deutlichkeit und Kürze wird hier auf eine spezifische Beschreibung irgendeiner bekannten Funktion oder Struktur, die hier enthalten ist, verzichtet, ansonsten kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung unklar gemacht werden.
[Erste Ausführungsform]
1 zeigt ein Ionengatter für positive und negative Ionen, das in einem IMS mit dualer Polarität verwendet wird. Das Ionengatter ist mit einer Ionenquelle 0, einer ersten Gatterelektrode 1, einer zweiten Gatterelektrode 2, einer dritten Gatterelektrode 3 und einer vierten Gatterelektrode 4 versehen. Die zweite Gatterelektrode 2 ist zwischen der Ionenquelle 0 und der vierten Gatterelektrode 4 angeordnet und die erste Gatterelektrode 1 ist zwischen der Ionenquelle 0 und der dritten Gatterelektrode 3 angeordnet. Ferner kann eine fünfte Gatterelektrode 5 der anfängliche Teil eines Driftrohrs zum Detektieren von negativen Ionen sein und eine sechste Gatterelektrode 6 kann der anfängliche Teil eines Driftrohrs zum Detektieren von positiven Ionen sein. In Bezug auf die Ionenquelle 0 sind die erste, die dritte und die fünfte Gatterelektrode 1, 3, 5 symmetrisch zur zweiten, vierten und sechsten Gatterelektrode 2, 4, 6 angeordnet.
Die Ionenquelle 0 dient zum Ionisieren von Probenmolekülen. Die Ionenquelle kann ein radioaktives Isotop, ein Laser und dergleichen sein. Jede der ersten und der zweiten Gatterelektrode 1, 2 ist eine Platte mit einem Loch in der Mitte. Sie sind als kreisförmige Elektroden ausgebildet, um Ionen, die in der Nähe gespeichert sind, davor zu schützen, dass sie aufgrund einer Kollision mit irgendeiner Elektrode verloren gehen, wie in 2A und 2B gezeigt. Jede der dritten und der vierten Gatterelektrode 3, 4 ist eine Platte mit einer hohen Ionendurchlässigkeit (oberhalb 80%), die aus einem leitenden Material besteht und als netzartige Elektrode ausgebildet ist, wie in 2C und 2D gezeigt. Jede der fünften und der sechsten Gatterelektrode 5, 6 ist auch eine Platte mit einer hohen Ionendurchlässigkeit (oberhalb 80%), die aus einem leitenden Material besteht und als netzartige Elektrode ausgebildet ist, wie in 2E und 2F gezeigt.
Alternativ kann jede der dritten, der vierten, der fünften und der sechsten Gatterelektrode 3, 4, 5, 6 irgendeine der bekannten Elektroden mit anderen Strukturen, beispielsweise eine Platte mit mehreren Löchern, sein.
Anfänglich werden die Ionenquelle 0, die fünfte Gatterelektrode 5 und die sechste Gatterelektrode 6 auf ein Potential von 0 gesetzt, die erste und die vierte Gatterelektrode 1, 4 weisen jeweils ein Potential auf, das höher ist als jenes der Ionenquelle 0, und die zweite und die dritte Gatterelektrode 2, 3 weisen jeweils ein Potential auf, das niedriger ist als jenes der Ionenquelle 0. Da das Potential der ersten Gatterelektrode 1 höher ist als die Potentiale der Ionenquelle 0 und der dritten Gatterelektrode 3, wird ein Ionenspeicherbereich zum Speichern von negativen Ionen benachbart zur ersten Gatterelektrode 1 gebildet.
Das Potential der zweiten Gatterelektrode 2 ist niedriger als die Potentiale der Ionenquelle 0 und der vierten Gatterelektrode 4 und folglich wird ein Ionenspeicherbereich zum Speichern von positiven Ionen benachbart zur zweiten Gatterelektrode 2 gebildet. Die durchgezogene Linie in 3 stellt eine Kurve der Verteilung der elektrischen Feldstärke in jeweiligen Positionen innerhalb des Rohrs während der Speicherphase dar. Die Ionenquelle 0 und die erste und die zweite Gatterelektrode 1, 2 können zusammen als kombinierte Elektrode gebildet werden.
Nachdem Probengas in das System eintritt, tritt ein Ladungsaustausch mit Reaktionsionen zwischen der ersten und der zweiten Gatterelektrode 1, 2 auf. Durch das elektrische Feld zwischen der ersten und der zweiten Gatterelektrode 1, 2 getrieben, durchdringen positive und negative Ionen innerhalb dieses Bereichs die Ionenquelle 0 und werden dann im Speicherbereich für negative Ionen benachbart zur ersten Gatterelektrode 1 und im Speicherbereich für positive Ionen benachbart zur zweiten Gatterelektrode 2 gespeichert.
Die Instrumentenempfindlichkeit wird durch kontinuierliches Füllen der Ionenspeicherbereiche mit Ionen während der Periode der Instrumentenmessung wesentlich verbessert. Dann wird ein negativer Impuls mit einer Amplitude U, wie in 4 gezeigt, an die kombinierte Elektrode angelegt, deren Potential gleichzeitig um den Betrag U verringert wird. Ein elektrisches Feld zum Abführen von negativen Ionen wird momentan zwischen der Ionenquelle 0 und der dritten Gatterelektrode 3 aufgebaut.
Das Potential der ersten Gatterelektrode 1 ist während der Breitenperiode des negativen Impulses niedriger als jenes der dritten Gatterelektrode 3, wie durch die gestrichelte Linie in 3 angegeben. Folglich werden negative Ionen, die nahe der ersten Gatterelektrode 1 gespeichert sind, durch das elektrische Abführungsfeld angetrieben und treten in das Driftrohr zum Detektieren von negativen Ionen ein. Unterdessen werden positive Ionen, die nahe der zweiten Gatterelektrode 2 gespeichert sind, durch das elektrische Feld komprimiert.
Nach dem Ablauf eines Zeitintervalls t wird die kombinierte Elektrode einem positiven Impuls mit einer Amplitude U unterzogen und ein elektrisches Feld zum Abführen von positiven Ionen wird momentan zwischen der Ionenquelle 0 und der vierten Gatterelektrode 4 aufgebaut.
Das Potential der zweiten Gitterelektrode 2 ist während der Breitenperiode des positiven Impulses höher als jenes der vierten Gitterelektrode 4, wie durch die Strich-Punkt-Linie in 3 angegeben. Folglich werden positive Ionen, die nahe der zweiten Gitterelektrode 2 gespeichert sind, durch das elektrische Abführungsfeld angetrieben und treten in das Driftrohr zum Detektieren von positiven Ionen ein. Negative Ionen, die nahe der ersten Gitterelektrode 1 gespeichert sind, werden auch komprimiert.
Wie in praktischen Anwendungen erforderlich, sind das Zeitintervall t, die Breiten der positiven und negativen Impulse einstellbar und die kombinierte Elektrode kann zuerst einem positiven Impuls und dann einem negativen Impuls unterzogen werden. Innerhalb einer einzelnen Impulsperiode erfüllt das Zeitintervall t vom Beginn eines Zustandes bis zum Beginn eines anderen Zustandes die Beziehung 500 ms ≥ t ≥ 20 μs.
Die obige erste Ausführungsform stellt den Prozess zum Abführen von Ionen durch die kombinierte Elektrode mit der Ionenquelle 0, der ersten und der zweiten Gitterelektrode 1, 2 dar, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform begrenzt ist. Die Ionen können beispielsweise durch Steuern nur des Potentials der Ionenquelle 0 abgeführt werden, was einen negativen (positiven) Impuls mit einer solchen großen Sprungamplitude erfordert, dass ermöglicht wird, dass Ionen die Elektrode 1 (2) durchdringen, und bewirkt, dass das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der ersten (zweiten) Gitterelektrode 1 (2) entspricht, niedriger (größer) als jenes der dritten (vierten) Gitterelektrode 3 (4) ist. Die Rohrachse ist eine Mittellinie des Driftrohrs.
[Zweite Ausführungsform]
5 ist ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 5 gezeigt, werden gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an die jeweiligen Elektroden und die Ionenquelle Spannungen während der Ionenspeicherphase so angelegt, dass die Potentiale entlang der Rohrachse des Ionengatters die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der fünften Gitterelektrode 5 > das Potential an der ersten Gitterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3, und folglich wird ein Speicherbereich für negative Ionen zum Speichern von negativen Ionen benachbart zur ersten Gatterelektrode 1 gebildet; und das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6 < das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 < das Potential an der Ionenquelle 0 < das Potential an der vierten Gatterelektrode 4, und folglich wird ein Speicherbereich für positive Ionen zum Speichern von positiven Ionen benachbart zur zweiten Gatterelektrode 2 gebildet.
Während der Phase der Abführung eines negativen Ions wird ein negativer Impuls an die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der fünften Gatterelektrode 5 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 > das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0, und folglich werden nur negative Ionen abgeführt.
Während der Phase der Abführung eines positiven Ions wird ein positiver Impuls an die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 > das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 > das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6, und folglich werden nur positive Ionen abgeführt.
In diesem Fall können Ionen durch lediglich Steuern der Ionenquelle 0 abgeführt werden und folglich sind die Struktur der Steuerschaltung (nicht dargestellt) und der Steuerprozess vereinfacht.
Alternativ kann die Ionenabführung durch Anlegen von Impulsen an die dritte bzw. die vierte Gatterelektrode 3, 4 ermöglicht werden.
Wie in 5 gezeigt, wird ein positiver Impuls an die dritte Gatterelektrode 3 während der Phase der Abführung von negativen Ionen angelegt, um zu veranlassen, dass das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 größer ist als jenes an der ersten Gatterelektrode 1, aber niedriger als jenes an der fünften Gatterelektrode 5, so dass nur negative Ionen abgeführt werden.
Wie in 5 gezeigt, wird ein negativer Impuls an die vierte Gatterelektrode 4 während der Phase der Abführung von positiven Ionen angelegt, um zu veranlassen, dass das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 größer ist als jenes an der sechsten Gatterelektrode 6, aber niedriger als jenes an der zweiten Gatterelektrode 2, so dass nur positive Ionen abgeführt werden.
In diesem Fall sind die Struktur der Steuerschaltung und der bei der Ionenabführung verwendete Steuerprozess auch einfach und der Wirkungsgrad der Ionenabgabe ist relativ hoch.
Alternativ kann die Ionenabführung durch Anlegen von Impulsen an beide der Gatterelektroden des Speicherbereichs für positive und negative Ionen bzw. der Ionenquelle 0 ermöglicht werden.
Während der Phase der Abführung von negativen Ionen werden negative Impulse an die ersten Gatterelektroden 1 und die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der fünften Gatterelektrode 5 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 > das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0, und folglich werden nur negative Ionen abgeführt.
Während der Phase der Abführung von positiven Ionen werden positive Impulse an die zweite Gatterelektrode 2 und die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 > das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 > das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6, und folglich werden nur positive Ionen abgeführt.
In diesem Fall sind die Struktur der Steuerschaltung und der Steuerprozess auch einfach und der Wirkungsgrad der Ionenabgabe ist relativ hoch.
[Dritte Ausführungsform]
6 ist ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
An die jeweiligen Elektroden und die Ionenquelle werden während der Ionenspeicherphase Spannungen angelegt, so dass die Potentiale entlang der Rohrachse des Ionengatters die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der fünften Gatterelektrode 5 das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3, und folglich wird ein Speicherbereich für negative Ionen benachbart zur ersten Gatterelektrode 1 gebildet; und das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 < das Potential an der Ionenquelle 0 das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6 < das Potential an der vierten Gatterelektrode 4, und folglich wird ein Speicherbereich für positive Ionen benachbart zur zweiten Gatterelektrode 2 gebildet.
Während der Phase der Abführung von negativen Ionen werden die negativen Ionen durch Steuern nur des Potentials an der Ionenquelle 0 abgeführt, was einen negativen Impuls mit einer Sprungamplitude erfordert, die groß genug ist, um zu ermöglichen, dass die Ionen die erste Gatterelektrode 1 durchdringen, und bewirkt, dass das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode 1 entspricht, niedriger ist als das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der dritten Gatterelektrode 3 entspricht.
Während der Phase der Abführung von positiven Ionen werden die positiven Ionen durch Steuern nur des Potentials an der Ionenquelle 0 abgeführt, was einen positiven Impuls mit einer Sprungamplitude erfordert, die groß genug ist, um zu ermöglichen, dass die Ionen die zweite Gatterelektrode 2 durchdringen, und bewirkt, dass das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode 2 entspricht, höher ist als das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der vierten Gatterelektrode 4 entspricht.
In diesem Fall sind die Struktur der Steuerschaltung und der Steuerprozess einfach und der Wirkungsgrad der Ionenabgabe ist relativ hoch.
Alternativ können die Ionen durch Anlegen von Impulsen an die erste Gatterelektrode 1, die Ionenquelle 0 und die zweite Gatterelektrode 2 gleichzeitig abgeführt werden.
Während der Phase der Abführung von negativen Ionen werden negative Impulse an die ersten Gatterelektroden 1 und die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der fünften Gatterelektrode 5 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 > das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0, und folglich werden negative Ionen abgeführt.
Während der Phase der Abführung von positiven Ionen werden positive Impulse an die zweite Gatterelektrode 2 und die Ionenquelle 0 angelegt, so dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 > das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 > das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6, und folglich werden positive Ionen abgeführt.
In diesem Fall ist der Wirkungsgrad der Ionenabgabe signifikant hoch.
[Vierte Ausführungsform]
7 ist ein schematischer Graph der Verteilung von Potentialen entlang der Rohrachse während der Ionenspeicherung und -abführung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 7 gezeigt, werden an die jeweiligen Elektroden und die Ionenquelle während der Ionenspeicherphase Spannungen angelegt, so dass die Potentiale entlang der Rohrachse des Ionengatters die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 > das Potential an der fünften Gatterelektrode 5, und folglich wird ein Speicherbereich für negative Ionen zum Speichern von negativen Ionen benachbart zur ersten Gatterelektrode 1 gebildet; und das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 < das Potential an der Ionenquelle 0 < das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 < das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6, und folglich wird ein Speicherbereich für positive Ionen zum Speichern von positiven Ionen benachbart zur zweiten Gatterelektrode 2 gebildet.
Während der Phase der Abführung von negativen Ionen werden die negativen Ionen durch Steuern nur des Potentials an der Ionenquelle 0 abgeführt, was einen negativen Impuls mit einer Sprungamplitude erfordert, die groß genug ist, um zu ermöglichen, dass die Ionen die erste Gatterelektrode 1 durchdringen, und bewirkt, dass das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode 1 entspricht, niedriger ist als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der dritten und der fünften Gatterelektrode 3 und 5 entsprechen.
Während der Phase der Abführung von positiven Ionen werden die positiven Ionen durch Steuern nur des Potentials an der Ionenquelle 0 abgeführt, was einen positiven Impuls mit einer Sprungamplitude erfordert, die groß genug ist, um zu ermöglichen, dass die Ionen die zweite Gatterelektrode 2 durchdringen, und bewirkt, dass das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode 2 entspricht, höher ist als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der vierten und der sechsten Gatterelektrode 4 und 6 entsprechen.
In diesem Fall sind die Struktur der Steuerschaltung und der Steuerprozess einfach und der Wirkungsgrad der Ionenabgabe ist relativ hoch.
Alternativ können die Ionen durch Anlegen von Impulsen an die erste Gatterelektrode 1, die Ionenquelle 0 und die zweite Gatterelektrode 2 gleichzeitig abgeführt werden.
Während der Phase der Abführung von negativen Ionen wird durch Anlegen von negativen Impulsen an die erste Gatterelektrode 1 und die Ionenquelle 0 und Durchdringen des Potentials an der dritten Gatterelektrode 3, wobei das Potential einen Wert gleich dem Potential an der fünften Gatterelektrode 5 aufweist, ermöglicht, dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der fünften Gatterelektrode 5 = das Potential an der dritten Gatterelektrode 3 > das Potential an der ersten Gatterelektrode 1 > das Potential an der Ionenquelle 0, und folglich werden negative Ionen abgeführt.
Während der Phase der Abführung von positiven Ionen wird durch Anlegen von positiven Impulsen an die zweite Gatterelektrode 2 und die Ionenquelle 0 und Durchdringen des Potentials an der vierten Gatterelektrode 4, wobei das Potential einen Wert gleich dem Potential an der sechsten Gatterelektrode 6 aufweist, ermöglicht, dass die entlang der axialen Richtung des Ionengatters erzeugten Potentiale die folgende Beziehung erfüllen: das Potential an der Ionenquelle 0 > das Potential an der zweiten Gatterelektrode 2 > das Potential an der vierten Gatterelektrode 4 = das Potential an der sechsten Gatterelektrode 6, und folglich werden negative Ionen abgeführt.
In diesem Fall ist der Wirkungsgrad der Ionenabgabe signifikant hoch.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, tritt, nachdem Probengas in die Ionengatter eintritt, ein Ladungsaustausch mit Reaktionsionen zwischen der ersten Gatterelektrode und der zweiten Elektrode auf und positive und negative Ionen (Probenionen, Reaktionsionen) werden kontinuierlich in den Speicherbereichen für die positiven und negativen Ionen gespeichert.
Während der Ionenabführung werden dann die Ionen schrittweise aus den Speicherbereichen für die positiven und negativen Ionen durch eine einfache Steuerung der kombinierten Elektrode abgeführt.
Die vorangehende Beschreibung soll nur die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, anstatt die vorliegende Erfindung zu begrenzen. Für den Fachmann auf dem Gebiet sollte irgendeine Änderung oder irgendein Austausch, die bzw. der leicht innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann, durch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst sein. Daher sollte der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche definiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4445038 [0002]
US 7259369 B2 [0003]

Claims

Ionengatter eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS) mit dualer Polarität, wobei das Ionengatter umfasst: eine Ionenquelle (0), eine erste Gatterelektrode (1), die auf einer Seite der Ionenquelle (0) angeordnet ist, eine zweite Gatterelektrode (2), die auf der anderen Seite der Ionenquelle (0) angeordnet ist, eine dritte Gatterelektrode (3), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der ersten Gatterelektrode (1) angeordnet ist, eine vierte Gatterelektrode (4), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der zweiten Gatterelektrode (2) angeordnet ist, wobei während der Phase der Ionenspeicherung das Potential des Ionengatters in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode (1) entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der dritten Gatterelektrode (3) entsprechen, verschieden ist und das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode (2) entspricht, von den Potentialen in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der vierten Gatterelektrode (4) entsprechen, verschieden ist.
Ionengatter nach Anspruch 1, wobei während der Phase der Ionenspeicherung das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der ersten Gatterelektrode (1) entspricht, höher ist als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der dritten Gatterelektrode (3) entsprechen, und das Potential in der Position auf der Rohrachse, die der zweiten Gatterelektrode (2) entspricht, niedriger ist als die Potentiale in den Positionen auf der Rohrachse, die der Ionenquelle (0) und der vierten Gatterelektrode (4) entsprechen.
Ionengatter nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine fünfte Gatterelektrode (5), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der dritten Gatterelektrode (3) angeordnet ist, und eine sechste Gatterelektrode (6), die auf der von der Ionenquelle (0) entfernten Seite der vierten Gatterelektrode (4) angeordnet ist.
Ionengatter nach Anspruch 3, wobei die fünfte Gatterelektrode (5) und die sechste Gatterelektrode (6) als anfängliche Teile von Driftrohren für positive bzw. negative Ionen wirken.
Ionengatter nach Anspruch 1, wobei während der Phase der Ionenabführung Ionen durch Steuern des Potentials der Ionenquelle (0), der ersten Gatterelektrode (1), der zweiten Gatterelektrode (2), der dritten Gatterelektrode (3) und/oder der vierten Gatterelektrode (4) auf der Rohrachse abgeführt werden.
Ionengatter nach Anspruch 2, wobei die erste Gatterelektrode (1), die dritte Gatterelektrode (3) und die fünfte Gatterelektrode (5) in Bezug auf die Ionenquelle (0) symmetrisch zur zweiten Gatterelektrode (2), vierten Gatterelektrode (4) und sechsten Gatterelektrode (6) angeordnet sind.
Ionengatter nach Anspruch 3, wobei die erste Gatterelektrode (1), die dritte Gatterelektrode (3) und die fünfte Gatterelektrode (5) in Bezug auf die Ionenquelle (0) asymmetrisch zur zweiten Gatterelektrode (2), vierten Gatterelektrode (4) und sechsten Gatterelektrode (6) angeordnet sind.
Verfahren für ein Ionengatter eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS) mit dualer Polarität, das Ionengatter umfasst eine Ionenquelle und das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einstellen des Potentials in einer ersten Position auf der Rohrachse auf einer Seite der Ionenquelle so, dass es vom Potential der Ionenquelle und vom Potential des Ionengatters in einer dritten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben Seite der Ionenquelle verschieden ist, um einen ersten Ionenspeicherbereich zu bilden; und Einstellen des Potentials in einer zweiten Position auf der Rohrachse auf der anderen Seite der Ionenquelle so, dass es vom Potential der Ionenquelle und vom Potential in einer vierten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben anderen Seite der Ionenquelle verschieden ist, um einen zweiten Ionenspeicherbereich zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Potential in einer ersten Position auf der Rohrachse auf einer Seite der Ionenquelle so eingestellt wird, dass es höher ist als das Potential der Ionenquelle und das Potential in einer dritten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in einer Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben Seite der Ionenquelle, um einen ersten Ionenspeicherbereich zu bilden, und das Potential in einer zweiten Position auf der Rohrachse auf der anderen Seite der Ionenquelle so eingestellt wird, dass es niedriger ist als das Potential der Ionenquelle und das Potential in einer vierten Position auf der Rohrachse, die zur ersten Position in der Richtung von der Ionenquelle weg benachbart ist, auf derselben anderen Seite der Ionenquelle, um einen zweiten Ionenspeicherbereich zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner einen Schritt zum Abführen von Ionen durch Steuern des Potentials auf der Rohrachse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Abführen von Ionen durch Steuern des Potentials auf der Rohrachse das Anlegen eines jeweiligen Potentials in einer der ersten, zweiten, dritten und vierten Position umfasst, um die Ionen abzuführen.