DE112010006135B3

DE112010006135B3 - Ionenfallen-Massenspektrometer

Info

Publication number: DE112010006135B3
Application number: DE112010006135.1T
Authority: DE
Inventors: Anatoly N. Verenchikov
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: US9768008B2; US10354855B2; JP2016006788A; JP6247261B2; GB2477007A; GB201000649D0; GB2476964A; US10541123B2; DE112010005660B4; US20160005584A1; US9786482B2; US9768007B2; US9082604B2; WO2011086430A1; US20150380233A1; US10153149B2; JP5805663B2; US10153148B2; JP2013517595A; GB201013841D0

Abstract

Elektrostatischer Analysator, umfassend:einen ersten Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld eines Ionenspiegels in einer X-Y-Ebene bilden; wobei der Ionenspiegel angeordnet ist, um Ionenreflexionen in einer X-Richtung bereitzustellen;einen zweiten dem ersten Satz von Elektroden gegenüberliegenden Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld in der X-Y-Ebene bilden; undeinen feldfreien Raum, der die beiden Elektrodensätze trennt;wobei die beiden Elektrodensätze angeordnet sind, um isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene und eine Ionendriftbewegung in einer zur X-Y-Ebene lokal orthogonalen Z-Richtung bereitzustellen,wobei beide Elektrodensätze mit einem konstanten Krümmungsradius R entlang der lokal orthogonalen Z-Richtung gekrümmt sind, um toroidale Feldbereiche zu bilden,wobei eine X-Länge L des elektrostatischen Analysators, die einen Ionenpfad pro Einzeloszillation repräsentiert, und ein Neigungswinkel α zwischen einer mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse in X-Z Ebene, gemessen in Bogenmaß, gewählt sind, um die folgende Beziehung zu erfüllen: R > 50*L*α2.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Flugzeitmassenspektrometern und elektrostatischen Fallen zum Einfangen und Analysieren geladener Partikel und insbesondere elektrostatische Fallenmassenspektrometer mit Spiegelerfassung und Fourier-Analyse und Anwendungsverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrostatische Fallen- (E-Fallen-) und Multipass-Flugzeit- (MP-TOF-) Massenspektrometer (MS) haben ein gemeinsames Merkmal - die elektrostatischen Felder des Analysators sind so gestaltet, dass sie eine isochrone Ionenbewegung in Bezug auf eine geringe Anfangsenergie-, Winkel- und Raumausdehnung der Ionenpakete liefern. Die zwei Techniken unterscheiden sich durch die Anordnung der Ionenbewegung und durch das Verfahren der Ionen m/z-Messung. Beim MP-TOF MS folgen Ionenpakete von einer gepulsten Quelle zu einem Detektor einem vorbestimmten gefalteten Ionenpfad und das Ionenmasse zu Ladungsverhältnis (m/z) wird aus der Ionenflugzeit (T) bestimmt, wobei T ~ (m/z)^0,5. Beim E-Fallen-MS werden Ionen unendlich eingefangen und der Ionenflugpfad ist nicht festgelegt. Das Ionen m/z wird aus der Frequenz (F) von Ionenschwingungen bestimmt, wobei F~(m/z)-^0,5. Das Signal von einem Spiegelladungsdetektor wird durch Fourier-Transformation (FT) analysiert.
Beide Techniken sind gefordert, eine Kombination der folgenden Parameter zu liefern:

(a) Spektralerfassungsrate bis zu 100 Spektren pro Sekunde zur Anpassung an die Geschwindigkeit von GC-MS, LC-IMS-MS und LC-MS-MS Experimenten; (b) Ionenladungsdurchsatz von 1E+9 bis 1E+11 Ionen/Sek. zur Anpassung an den Ionenfluss von modernen Ionenquellen wie ESI (1E+9 Ion/Sek.), EI (1E+10 Ion/Sek.) und ICP (1E+11 Ion/Sek.); und (c) Massenauflösungsleistung in der Größenordnung von 100.000 zur Bereitstellung einer Massengenauigkeit unter Teile-pro-Million (ppm) für eine eindeutige Identifizierung in hoch besetzten Massenspektren.

TOF MS: Ein wichtiger Schritt in Richtung TOF MS mit hoher Auflösung erfolgte mit der Einführung elektrostatischer Ionenspiegel. Mamyrin et al. schlugen in US4072862 A , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, einen Doppelstufen-Ionenspiegel vor, um eine Zeit pro Energiefokussierung zweiter Ordnung zu erreichen. Frey et al in US4731532 A , das hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird, führen einen gitterfreien Ionenspiegel mit einer verlangsamenden Linse am Spiegeleingang ein, um eine räumliche Ionenfokussierung zu erreichen und Ionenverluste auf Maschen zu vermeiden. Aberrationen von gitterfreien Ionenspiegeln wurden durch Einfügung einer beschleunigenden Linse von Wollnik et al. in Rapid Comm. Mass Spectrom., v.2 (1988) #5, 83-85, verbessert, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird. Von da an wurde offensichtlich, dass die Auflösung von TOF MS nicht mehr länger durch Analysatoraberrationen beschränkt ist, sondern vielmehr durch eine anfängliche zeitliche Ausdehnung, die in den gepulsten Ionenquellen auftritt. Zur Verringerung der Wirkungen der anfänglichen zeitlichen Ausdehnung sollte der Flugpfad verlängert werden.
Multi-Pass TOF MS: Eine Art von MP-TOF, ein vielfach reflektierendes MR-TOF MS, errichtet einen gefalteten W-förmigen Ionenpfad zwischen elektrostatischen Ionenspiegeln, um eine angemessene Größe des Instruments beizubehalten. Parallele Ionenspiegel, die von Gittern bedeckt sind, wurden von Shing-Shen Su, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes, v.88 (1989) 21-28, beschrieben, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird. Zur Vermeidung von Ionenverlusten an Gittern schlugen Nazarov et al. in SU1725289 A1 , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, gitterlose Ionenspiegel vor. Zur Kontrolle der Ionendrift schlugen Verenchikov et al. in WO2005001878 A2 , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, die Verwendung eines Satzes periodischer Linsen in einer feldfreien Region vor.
Eine andere Art von MP-TOF - der sogenannte Multiturn TOF (MT-TOF) - verwendet elektrostatische Sektoren zur Bildung von Spiralschleifen- (Rennbahn-) Ionenflugbahnen, wie in Satoh et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom., v.16 (2005) 1969-1975 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird. Im Vergleich zu MR-TOF hat der spiralförmige MT-TOF deutlich höhere optische Ionenaberrationen und kann viel geringere Energie-, Winkel- und Raumausdehnungen von Ionenpaketen tolerieren. Die MP-TOF MS bieten eine Massenauflösungsleistung im Bereich von 100.000, sind aber durch einen Raumladungsdurchsatz beschränkt, der mit 1E+6 Ionen pro Massenspitze pro Sekunde geschätzt wird.
E-Fallen-MS mit TOF-Detektor: Das Einfangen von Ionen in elektrostatischen Fallen (E-Falle) ermöglicht eine weitere Verlängerung des Flugpfades. GB2080021 B und US5017780 A , die beide hierin durch Bezugnahme einbezogen werden, schlagen einen I-Pfad MR-TOF vor, bei dem Ionenpakete zwischen koaxialen gitterlosen Spiegeln reflektiert werden. Das Schlingen (Looping) von Ionenflugbahnen zwischen elektrostatischen Sektoren ist von Ishihara et al. in US6300625 B1 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird. In beiden Beispielen werden Ionenpakete gepulst auf eine loopingförmige Flugbahn injiziert und nach einer im Voraus eingestellten Verzögerung werden die Pakete auf einen Flugzeitdetektor ausgestoßen. Zur Vermeidung spektraler Überlappungen wird die analysierte Masse umgekehrt proportional zur Anzahl von Zyklen verringert, was der wesentliche Nachteil von E-Fallen mit TOF-Detektor ist.
E-Fallen-MS mit Frequenzdetektor: Zur Überwindung von Massenbereichseinschränkungen verwenden elektrostatische I-Pfad Fallen (I-Pfad E-Falle) einen Spiegelstromdetektor zum Erfassen der Frequenz von Ionenschwingungen, wie in US6013913A , US5880466 A , US6744042 B2 , Zajfman et al. Anal. Chem, v.72 (2000) 4041-4046 vorgeschlagen, die hierin durch Bezugnahme einbezogen werden. Solche Systeme werden als I-Pfad E-Fallen oder Fourier-Transformation (FT) I-Pfad E-Fallen bezeichnet und sind Teil des Standes der Technik (1). Trotz des großen Analysators (0,5-1m zwischen Spiegelkappen) ist das von Ionenpaketen belegte Volumen auf ~1cm³ beschränkt. Eine Kombination von niederen Schwingungsfrequenzen (unter 100kHz für 1000amu Ionen) und geringer Raumladungskapazität (1E+4 Ionen pro Injizierung) schränkt entweder einen annehmbaren Ionenfluss deutlich ein oder führt zu starken Raumladungseffekten, wie Selbstbündelung von Ionenpaketen und Peakkoaleszenz.
Orbitale E-Fallen: In US5886346 A , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, schlug Makarov eine elektrostatische Orbitalfalle mit einem Spiegelladungsdetektor (Handelsname ‚Orbitrap‘) vor. Die Orbitalfalle ist eine zylindrische elektrostatische Falle mit einem hyper-logarithmischen Feld (2). Gepulste injizierte Ionenpakete rotieren um die Spindelelektrode zur Begrenzung von Ionen in der radialen Richtung und schwingen in einem nahezu idealen harmonischen axialen Feld. Für die vorliegende Erfindung ist relevant, dass der Feldtyp und die Anforderung einer stabilen Orbitalbewegung das Verhältnis zwischen charakteristischer Länge und Radius der Orbitrap fixieren und keine wesentliche Verlängerung einer einzelnen Dimension der Falle ermöglichen. In WO2009001909 A2 , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, schlugen Golikov et al. eine dreidimensionale elektrostatische Falle (3D-E-Falle) vor, die auch eine orbitale Ionenbewegung und Spiegelladungserfassung erfasst. Die Falle ist jedoch noch komplexer als Orbitrap. Ein analytisch definiertes elektrostatisches Feld definiert 3-D gekrümmte Elektroden mit Größen, die in alle drei Richtungen verbunden sind. Obwohl ein lineares elektrostatisches Feld (quadratisches Potential) der Orbitalfalle die Raumladungskapazität des Analysators erweitert, sind Ionenpakete durch die Kapazität der sogenannten C-Falle und durch die Notwendigkeit, Ionenpakete in die Orbitrap durch eine kleine (1mm) Apertur zu injizieren noch immer auf 3E+6 Ionen/ pro Injektion beschränkt (Makarov el al, JASMS, v.20, 2009, Nr.8, 1391-1396, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird). Die Orbitalfalle leidet an einer geringen Signalerfassung - es braucht eine Sekunde, um Spektren mit 100.000 Auflösung bei m/z=1000 zu erhalten. Eine geringe Erfassungsgeschwindigkeit in Kombination mit der begrenzten Ladungskapazität begrenzt den Wirkungsgrad in den ungünstigsten Fällen auf 0,3%.
Somit begrenzen in dem Versuch, eine hohe Auflösung zu erreichen, die MP-TOF und E-Fallen nach dem Stand der Technik den Durchsatz (d.h. Kombination der Erfassungsgeschwindigkeit und der Ladungskapazität) von Massenanalysatoren unter 1E+6 bis 1E+7 Ionen pro Sekunde, wodurch der effektive Wirkungsgrad unter 1% begrenzt wird. Die Datenerfassungsgeschwindigkeit von E-Fallen ist auf 1 Spektrum pro Sekunde bei einer Auflösung von 100.000 beschränkt.
Es ist eine Aufgabe zumindest eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, zumindest eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu beheben oder zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe zumindest eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, die Erfassungsgeschwindigkeit und den Wirkungsgrad von elektrostatischen Fallen mit hoher Auflösung für eine Anpassung an die Intensität moderner Ionenquellen, die 1E+9 Ionen/Sek. überschreitet, zu verbessern, und die Erfassungsgeschwindigkeit auf etwa 50-100 Spektren/Sek. zu bringen, die für eine Tandem-Massenspektrometrie erforderlich ist, während die Auflösungsleistung bei etwa 100.000 gehalten wird.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung ist definiert durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 11.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass Raumladungskapazität und Durchsatz von elektrostatischen Fallen (E-Falle) mit Ionenfrequenzerfassung wesentlich verbessert werden können, wenn im Wesentlichen (und möglicherweise unbegrenzt) elektrostatische Fallen in eine Z-Richtung (oder im Wesentlichen in eine Z-Richtung) verlängert werden können, die lokal orthogonal (oder im Wesentlichen orthogonal) zu einer Ebene einer isochronen Ionenbewegung (3) liegt. Die Verlängerung führt zu einer Widergabe der Feldstruktur und unterstützt dieselbe Ionenschwingungsfrequenz entlang der Z-Achse (oder im Wesentlichen entlang der Z-Achse). Dies unterscheidet sich von I-Pfad- und Orbital-E-Fallen nach dem Stand der Technik (1 und 2), wo alle drei Dimensionen der E-Falle aufgrund der verwendeten Feldstrukturen und Topologien verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung schlängt mehrere Arten von neuartigen, verlängerten elektrostatischen Feldern vor (in 4 und 5 dargestellt), die zweidimensionale ebene (P-2D) und torusförmige (T-2D) Felder, räumlich modulierte Felder mit 3-D Wiederholungsabschnitten umfassen, so dass diese Felder gemultiplext werden (5). Die neuartigen Felder können auch in TOF und offenen E-Fallen-Massenanalysatoren verwendet werden.
Eine Verlängerung des E-Fallenfeldes ermöglicht die Verwendung verlängernder ionengepulster Konverter und die Verwendung neuartiger verbesserter Schemata einer Ioneninjizierung(12 bis 18), während neuartige RF- und elektrostatische gepulste Konverter verwendet werden können. Verlängerte Felder ermöglichen eine Massenselektion zwischen Fallenregionen und eine MS-MS Analyse innerhalb von E-Fallen.
Die vorliegende Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Analyse der Beschleunigung in E-Fallen durch Verwendung viel kürzerer Ionenpakete (relativ zur E-Falle der X-Größe) und durch Erfassen der Frequenz mehrfacher Ionenschwingungen entweder mit einem Spiegelladungsdetektor oder mit einem TOF-Detektor vor, der einen Teil der Ionenpakete pro Schwingung abtastet. Die überlappenden Signale von mehreren ionischen Komponenten und von mehreren Schwingungszyklen können entweder durch das Verfahren der Spitzenformanpassung (als Wavelet-Fit bezeichnet) oder durch Analyse mit dem Fourier-Transformationsverfahren entschlüsselt werden, in dem höhere Harmonische verwendet werden, optional ergänzt durch eine logische Analyse der spektralen Überlappungen oder durch Analyse von Frequenzspektralmustern. Alternativ wird die spektrale Erfassung durch Verwendung der Filterdiagonalisierungsmethode (FDM) längerer Ionenpakete beschleunigt, die nahezu sinusoidale Signale bilden.
Die Verwendung der verlängerten elektrostatischen Felder erweitert das räumliche Volumen, während ein kleiner Ionenpfad pro einzelner Ionenschwingung möglich ist, üblicherweise etwa gleich der X-Größe von elektrostatischen Ionenfallen. Während eine hohe Auflösung durch die isochronen Eigenschaften der einfangenden Feldern bereitgestellt wird, werden der Wirkungsgrad, die Raumladungskapazität und der Raumladungsdurchsatz der neuartigen E-Falle durch mindestens eines oder eine beliebige Kombination der Folgenden verbessert:

• Durch ein größeres Volumen, das von Ionenpaketen innerhalb der Z-verlängerten E-Falle bereitgestellt wird;
• Durch einen kürzeren Ionenpfad pro einzelner Schwingung, der höhere Schwingungsfrequenzen und eine schnellere Datenerfassung ermöglicht;
• Durch eine Z-Verlängerung gepulster Konverter, die deren Ladungskapazität und Wirkungsgrad verbessert;
• Durch Verwendung neuartiger Arten verbesserter, gepulster Konverter;
• Durch Verwendung mehrerer Spiegelstromdetektoren;
• Durch Verwendung eines neuartigen Abtastprinzips für einen kleinen Teil der Ionengruppe auf einem Flugzeitdetektor, das die Verwendung viel kürzerer Ionenpakete ermöglicht und die spektrale Erfassung wie auch die Empfindlichkeit von E-Fallen deutlich beschleunigt;
• Durch das Bündeln von E-Fallen-Analysatoren für eine Parallelanalyse von mehreren Ionenflüssen, Ionenflussabschnitten oder Zeitscheiben eines Ionenflusses;
• Durch resonante Ionenselektion und MS-MS Merkmale innerhalb der neuartiger E-Falle;
• Durch Verwendung von Spektralanalyseverfahren für kurze Ionenpakete oder Verfahren vom FDM-Typ für lange Ionenpakete.

Die E-Falle der Erfindung überwindet mehrere Einschränkungen von elektrostatischen Fallen und TOF MS nach dem Stand der Technik, wie begrenzte Raumladungskapazität der Massenanalysator und der gepulsten Konverter, begrenzter dynamischer Bereich der Detektoren und geringer Wirkungsgrad gepulster Konverter. Die Erfindung verbessert die Spektralerfassung auf etwa 50-100 Spektren/Sek. bei Verwendung einer Spiegelladungserfassung und auf bis zu etwa 500-1000 Spektren/Sek. bei Verwendung von TOF-Detektoren, die die neuartige E-Falle mit chromatographischen Trennungen und Tandem-Massenspektrometrie kompatibel machen.
Gemäß der Offenbarung wird ein elektrostatisches Ionenfallen- (E-Fallen-) Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend:

(a) mindestens zwei parallele Sätze von Elektroden getrennt durch einen feldfreien Raum;
b) wobei jeder der zwei Elektrodensätze ein Volumen mit zweidimensionalem elektrostatischen Feld in einer X-Y-Ebene bildet;
(c) die Struktur der Felder so eingestellt ist, dass sowohl ein stabiles Einfangen von Ionen, die sich zwischen den Feldern innerhalb der X-Y-Ebene bewegen, wie auch isochrone, sich wiederholende Ionenschwingungen innerhalb der X-Y-Ebene bereitgestellt werden, so dass die stabile Ionenbewegung keine orbitale oder seitliche Bewegung erfordert; und
(d) wobei die Elektroden entlang einer im Allgemeinen gekrümmten Z-Richtung lokal orthogonal zur X-Y-Ebene verlängert sind, um entweder ebene oder torusförmige Feldregionen zu bilden.

Vorzugsweise ist das Verhältnis von Z-Breite der elektrostatischen Einfangfeldern zu dem Ionenpfad pro einzelner Ionenschwingung größer als eines aus der Gruppe: (i) 1; (ii) 3; (iii) 10; (iv) 30; und (v) 100. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis zwischen 3 und 30. Vorzugsweise sind die Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene entlang einer im Allgemeinen gekrümmten Referenzionenflugbahn T isochron, die durch einen Durchschnittsionenpfad pro einzelner Schwingung charakterisiert werden kann. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Z-Breite der elektrostatischen Einfangfelder zur Ionen-Z-Verschiebung pro einzelner Ionenschwingung größer als eines der folgenden Gruppe: (i) 10; (ii) 30; (iii) 100; (iv) 300; und (v) 1000. Die X-Richtung wird in Ausrichtung mit der isochronen Referenzflugbahn T in mindestens einem Punkt gewählt. Dann ist der Ionenpfad pro einzelner Ionenschwingung mit der X-Größe der E-Falle vergleichbar. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Durchschnittsgeschwindigkeiten in Z- und T-Richtungen kleiner als eines der folgenden Gruppe: (i) 0,001; (ii) 0,003; (iii) 0,01; (iv) 0,03; (v) 0,1; (vi) 0,3; (vii) 1; (viii) 2; und (ix) 3; und besonders bevorzugt bleibt das Verhältnis unter 0,01.
In einer besonderen Gruppe von Ausführungsformen kann die Falle für eine rasche Datenerfassung bei beschleunigten Schwingungsfrequenzen gestaltet sein. Vorzugsweise ist die Beschleunigungsspannung der elektrostatischen Falle größer als eines aus der folgenden Gruppe: (i) 1kV; (ii) 3kV; (iii) 5kV; (iv) 10kV; (v) 20kV; und (vi) 30kV. Besonders bevorzugt ist die Beschleunigungsspannung zwischen 5 und 10kV. Bevorzugter ist der Ionenpfad pro einzelner Schwingung kleiner als eines der folgenden Gruppe: (i) 100cm; (ii) 50cm; (iii) 30cm, (iv) 20cm; (v) 10cm, (vi) 5cm; und (vii) 3cm. Besonders bevorzugt ist der Pfad unter 10cm. Bevorzugter ist das Verhältnis von Ionenpfad pro einzelner Schwingung zu querverlaufender Y-Breite des elektrostatischen Einfangfeldes größer als eines aus der folgenden Gruppe: (i) 1; (ii) 3; (iii) 10; (iv) 30; und (v) 100. Besonders bevorzugte ist das Verhältnis zwischen 20 und 30. Bevorzugter werden die oben genannten Parameter zur Erhöhung der Frequenz F von Ionenschwingungen von m/z=1000 amu Ionen über einem aus der folgenden Gruppe gewählt: (i) 0,1 MHz; (ii) 0,3MHz; und (iii) 1MHz und besonders bevorzugt ist F zwischen 0,3 und 1MHz.
Die spezifizierten einfangenden elektrostatischen Feldern, zumindest innerhalb der Region der Ionenbewegung, können rein zweidimensional, im Wesentlichen zweidimensional sein oder können sich wiederholende, dreidimensionale Abschnitte aufweisen, entweder verbunden oder getrennt. In einer Gruppe von Ausführungsformen sind die elektrostatischen Felder zweidimensional, unabhängig von der Z- Richtung, und die Feldkomponente entlang der Z-Richtung Ez ist entweder Null oder konstant oder ändert sich linear in der Z-Richtung. In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen sind die Elektrodensätze im Wesentlichen in die dritte Z-Richtung verlängert, um dreidimensionale Feldsektionen E(X,Y,Z) entlang der Z-Richtung periodisch zu wiederholen.
Die Topologie der zweidimensionalen elektrostatischen Felder kann durch eine lineare oder gekrümmte Verlängerung der E-Fallenelektroden gebildet werden. In einer Gruppe von Ausführungsformen ist die Z-Achse gerade, in einer anderen ist die Z-Achse gekrümmt, um torusförmige Feldstrukturen zu bilden. Vorzugsweise ist das Verhältnis des Krümmungsradius R zu Ionenpfad L₁ pro einzelner Schwingung größer als eines der folgenden Gruppe: (i) 0,3; (ii) 1; (iii) 3; (iv) 10; (v) 30; und (vi) 100. Vorzugsweise ist das Verhältnis R/L₁ > 50*α², wobei α ein Neigungswinkel zwischen Ionenflugbahn und X-Achse in X-Z Ebene in Radianten ist. Die Anforderung, wird für eine Auflösungsleistung Res=300.000 eingestellt und kann als R~(Res)^1/2 gemildert werden. Weiter bevorzugt umfassen die torusförmigen E-Fallen mindestens eine Elektrode für eine radiale Ionenablenkung. Weiter bevorzugt ist die Z-Achse bei konstantem Radius gekrümmt, um torusförmige Feldregionen zu bilden; und wobei der Winkel Φ zwischen der Krümmungsebene und der X-Y-Ebene einer der folgenden Gruppe ist: (i) 0 Grad; (ii) 90 Grad; (iii) 0<Φ<180 Grad; (iv) Φ wird abhängig von dem Verhältnis des Krümmungsradius zu X-Größe der Falle gewählt, um die Anzahl von Fallenelektroden zu minimieren.
Die elektrostatischen Felder der E-Falle können mit einer Vielzahl von Elektrodensätzen gebildet werden, die eine weitere Klasse als die gezeigten Beispiele enthalten können. Vorzugsweise ist die Geometrie der Elektrodensätze eine der Geometrien die in 4 dargestellt sind. Vorzugsweise umfassen die Elektrodensätze eine Kombination von Elektroden aus der folgenden Gruppe: (i) ein Ionenspiegel; (ii) ein elektrostatischer Sektor; (iii) eine feldfreie Region; (iv) eine Ionenlinse; (v) ein Deflektor; und (vi) ein gekrümmter Ionenspiegel mit Merkmalen eines elektrostatischen Sektors. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Elektrodensätze parallel oder koaxial. Die bevorzugte Klasse von E-Fallenelektroden umfasst die Ionenspiegel, da diese bekanntlich eine räumliche und Flugzeitfokussierung hoher Ordnung bieten. In einer Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Elektrodensatz mindestens einen Ionenspiegel, der Ionen in einer ersten X-Richtung reflektiert. Vorzugsweise umfasst mindestens ein Ionenspiegel mindestens eine Elektrode mit einem Anziehungspotential, das mindestens zweimal größer als die Beschleunigungsspannung ist. Weiter bevorzugt umfasst der mindestens eine Ionenspiegel mindestens drei parallele Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen. Weiter bevorzugt umfasst der mindestens eine Ionenspiegel mindestens vier parallele Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen und eine beschleunigende Linsenelektrode zum Bereitstellen einer Flugzeitfokussierung dritter Ordnung in der ersten X-Richtung in Bezug auf Ionenenergie. In einer Ausführungsform stellt mindestens ein Teil des Ionenspiegels eine quadratische Verteilung des elektrostatischen Potentials in der ersten X-Richtung bereit. In einer Gruppe von Ausführungsformen umfasst der Elektrodensatz mindestens einen Ionenspiegel und mindestens einen elektrostatischen Sektor, getrennt durch einen feldfreien Raum.
Vorzugsweise umfasst die elektrostatische Falle ferner Begrenzungsmittel in der Z-Richtung für ein unbeschränktes Ioneneinfangen in nicht eingeschlossenen 2D-Feldern. Die Begrenzungsmittel erscheinen automatisch in torusförmigen eingeschlossenen Feldern. Das Hauptanliegen der Erfindung ist das Bewahren der isochronen Eigenschaften der Falle. Vorzugsweise, wenn auch nicht einschränkend, umfassen die Ionenbegrenzungsmittel in der Z-Richtung eines aus der folgenden Gruppe: (i) eine Elektrode mit Verzögerungspotential an der Z-Kante einer feldfreien Region; (ii) eine ungleichmäßige Z-Größe der Elektroden des Elektrodensatzes zum Verzerren des E-Fallenfeldes an der Z-Kante; (iii) mindestens eine Hilfselektrode für ein ungleichförmiges Durchdringen des Hilfsfeldes in Z-Richtung durch einen Schlitz in mindestens einer Elektrode oder mindestens einen Spalt zwischen Elektroden des Elektrodensatzes; (iv) mindestens eine Elektrode des Elektrodensatzes, die um die Z-Achse nahe den Z-Kanten der Falle gebogen ist; (v) Matsuda-Elektroden an Z-Grenzen von elektrostatischen Sektoren; und (vi) gespaltene Abschnitte an der Z-Kante der Spiegel oder der Sektorelektroden, die elektrisch vorgespannt sind. Vorzugsweise umfassen die Begrenzungsmittel in Z-Richtung eine Kombination von mindestens zwei Abstoßungsmitteln der Gruppe für einen wechselseitigen Ausgleich von Ionenfrequenzverzerrungen. Alternativ werden Ionenpakete in Z-Richtung durch räumliche Modulation der einfangenden elektrostatischen Felder fokussiert; und wobei die Stärke der Fokussierung begrenzt ist, um den gewünschten Grad an Isochronität der Ionenbewegung zu bewahren. Solche Mittel würden Ionen in mehreren Z-Regionen lokalisieren.
Vorzugsweise umfasst der Detektor zur Messung der Frequenz von Ionenschwingungen entweder einen Spiegelladungsdetektor oder einen TOF-Detektor, der einen Teil von Ionenpaketen pro einzelner Schwingung abtastet. Vorzugsweise, befindet sich der Detektor zur Messung der Frequenz von Ionenschwingungen in der Ebene einer temporären Ionenfokussierung und die E-Falle ist zur Reproduzierung der Position der temporären Ionenfokussierung pro mehreren Schwingungen abgestimmt. Vorzugsweise ist die X-Länge der Ionenpakete im Vergleich zur X-Größe der E-Falle viel kürzer eingestellt.
In einer Gruppe von Ausführungsformen umfasst der Detektor zum Messen der Frequenz von Ionenschwingungen mindestens eine Elektrode zum Erfassen eines Spiegelstroms, der durch Ionenpakete induziert wird. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Ionenpaketlänge zu Ionenpfad pro einzelner Schwingung kleiner als eines aus der folgenden Gruppe: (i) 0,001; (ii) 0,003; (iii) 0,01; (iv) 0,03; (v) 0,1; (vi) 0,3; (v) 0,5. Weiter bevorzugt ist die X-Größe von Ionenpaketen sowohl mit der X-Länge des Spiegelladungsdetektors wie auch der Y-Distanz von Ionenpaketen zum Spiegelladungsdetektor vergleichbar. In einer Ausführungsform umfasst die Spiegelladungselektrode mehrere Segmente, die entweder in X- oder Z-Richtung ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die mehreren Segmente an mehrere einzelne Vorverstärker und Datenerfassungskanäle angeschlossen. Die besonderen Anordnungen eines Mehrfachelektroden-Detektors können für mindestens einen Zweck aus folgender Gruppe optimiert sein: (i) Verbesserung der Auflösungsleistung der Analyse pro Erfassungszeit; (ii) Verstärkung des Signal-Rausch-Verhältnisses und des dynamischen Bereichs der Analyse durch Hinzufügen mehrerer Signale unter Berücksichtigung einzelner Phasenverschiebungen für verschiedene m/z ionische Komponenten; (iii) Verstärkung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Verwendung schmaler Bandbreitenverstärker auf verschiedenen Kanälen; (iv) Senken der Kapazität einzelner Detektoren; (v) Ausgleichen parasitärer Aufnahmesignale durch Differentialvergleich mehrerer Signale; (vi) Verbessern der Entschlüsselung der überlappenden Signale mehrerer m/z ionischer Komponenten aufgrund von Variationen zwischen Signalen in mehreren Kanälen; (vi) Nutzung von Phasenverschiebungen zwischen einzelnen Signalen für eine Spektralentschlüsselung; (vii) Aufnahme allgemeiner Frequenzlinien in die Fourier-Analyse; (viii) Unterstützung der Entschlüsselung steiler Signale von den kurzen Detektorsegmenten durch die Fourier-Transformation von Signalen von größeren Detektorsegmenten; (ix) Ausgleichen einer möglichen Verschiebung einer zeitweiligen Ionenfokussierungsposition; (x) Multiplexing der Analyse zwischen separaten Z-Regionen der elektrostatischen Falle; (xi) Messen der Homogenität einer Ionenfallenfüllung durch Ionen; (xii) Testen des kontrollierten Ionendurchgangs zwischen verschiedenen Z-Regionen der elektrostatischen Falle; und (xiii) Messen der Frequenzverschiebungen an Z-Kanten für einen kontrollierbaren Ausgleich von Frequenzverschiebungen an den Z-Kanten. Vorzugsweise sind Ionen zwischen z-Regionen einer E-Falle für einen Schmalband-Signalnachweis innerhalb einzelner Z-Regionen und eine bessere Spektralentschlüsselung m/z-getrennt.
In einer anderen Gruppe von Ausführungsformen umfasst der Detektor zum Messen der Frequenz von Ionenschwingungen einen Flugzeitdetektor, der einen Teil der Ionengruppe pro einer Schwingung abtastet. Vorzugsweise ist der Teil einer aus der folgenden Gruppe: (i) 10% bis 100%; (ii) 1 bis 10%; (iii) 0,1 bis 1%; (iv) 0,01 bis 0,1%; (v) 0,001 bis 0,01%; und (vi) weniger als 0,001%. Vorzugsweise wird der Teil elektronisch kontrolliert, z.B. durch Einstellen mindestens eines Potentials oder durch Einstellen eines Magnetfeldes, das die E-Falle umgibt. Vorzugsweise umfasst der Flugzeitdetektor ferner eine Ionen/Elektronen-Konvertierungsfläche und Mittel zum Anziehen derart gebildeter sekundärer Elektronen auf den Flugzeitdetektor; wobei die Konvertierungsfläche einen Teil des Ionenpfades einnimmt. Weiter bevorzugt umfasst die Ionen/Elektronen-Konvertierungsfläche eines aus der folgenden Gruppe: (i) eine Platte; (ii) eine perforierte Platte; (iii) ein Netz; (iii) einen Satz paralleler Drähte; (iv) einen Draht; (v) eine Platte, die von einem Netz mit unterschiedlichem elektrostatischen Potential überzogen ist; (v) ein Satz bipolarer Drähte. In einer Gruppe von besonderen Ausführungsformen befindet sich der Flugzeitdetektor innerhalb einer Erfassungsregion der elektrostatischen Falle und wobei die Erfassungsregion von dem Hauptvolumen der Falle durch eine einstellbare elektrostatische Barriere in Z-Richtung getrennt ist.
Vorzugsweise ist die Lebensdauer des TOF-Detektors verbessert. Vorzugsweise umfasst der TOF-Detektor zwei Verstärkungsstufen, wobei die erste Stufe ein herkömmlicher MCP oder SEM sein kann. Vorzugsweise wird die Lebensdauer der zweiten Stufe durch mindestens ein Mittel aus den Folgenden verbessert: (i) Verwendung reiner metallischer und nicht modifizierter Materialien für Dynoden; (ii) Verwendung mehrerer Dynoden zum Sammeln von Signalen in mehreren Kanälen; (iii) Aufnahme eines Spiegelladungssignal bei höheren Verstärkungsstufen; (iv) Schützen höherer Verstärkungsstufen des Detektors durch Zuleiten eines Hemmpotentials von früheren Verstärkungsstufen, das durch eine schnell reagierende Vakuumlampe verstärkt wird; (v) Verwendung eines Netzes zum Verlangsamen sekundärer Elektronen bei einigen höheren Verstärkungsstufen und Einspeisen eines verstärkten Signals von früheren Verstärkungsstufen in das Netz; (vi) Verwendung eines Signals von einem Spiegelladungsdetektor zum Auslösen der TOF-Erfassung unter einer gewissen Signalschwellenstärke; (vii) für die zweite Verstärkungsstufe, Verwendung eines Szintillators in Kombination mit entweder einem abgedichteten PMT oder einer Stiftdiode oder einer Lawinendiode oder einer Diodengruppe.
Die Erfindung schlägt mehrere Ausführungsformen der gepulsten Konverter vor, die besonders für die neuartige E-Falle geeignet sind. In einer Ausführungsform umfasst die elektrostatische Falle ferner einen gepulsten Hochfrequenz (RF)-Konverter für eine Ioneninjizierung in die E-Falle; und wobei der gepulste Konverter einen linearen Ionenleiter umfasst, der in die Z-Richtung verlängert ist, und Mittel für einen Ionenausstoß im Wesentlichen orthogonal zur Z-Richtung umfasst. In einer anderen Ausführungsform umfasst die elektrostatische Falle ferner einen elektrostatischen gepulsten Konverter zur Begrenzung eines kontinuierlichen Ionenstrahls (vor der Ioneninjizierung in die E-Falle), entweder in einer Form einer elektrostatischen Ionenfalle oder eines elektrostatischen Ionenleiters. Vorzugsweise, ist die Länge von Ionenpaketen entlang der Richtung von Ionenschwingungen im Vergleich zum Pfad einer einzelnen Schwingung viel kürzer eingestellt.
In einer allgemeineren Form kann die elektrostatische Falle ferner einen gepulsten Konverter umfassen, der Mittel für eine Ionenbegrenzung innerhalb eines feinen Bandraums umfassen kann, wobei der Bandraum im Wesentlichen in eine Richtung verlängert sein kann. Vorzugsweise kann die Distanz zwischen dem Bandraum und der elektrostatischen Falle mindestens dreimal kleiner sein als der Ionenpfad pro einzelner Schwingung, um die m/z-Spanne injizierter Ionen auszudehnen. In einer Ausführungsform kann der gepulste Konverter eine lineare RF-Ionenfalle mit einer Apertur oder einem Schlitz für einen axialen Ionenausstoß umfassen. Dann kann die Bandregion vorzugsweise im Wesentlichen in der X-Richtung orientiert sein. In einer anderen Ausführungsform kann der gepulste Konverter im Wesentlichen parallel zur Z-Richtung orientiert sein, um den Konverter mit dem Massenanalysator der verlängerten elektrostatischen Falle auszurichten.
In einer Gruppe von Ausführungsformen kann der gepulste Konverter einen linearen Hochfrequenz (RF)-Ionenleiter mit radialem Ionenausstoß entweder durch Schlitz in eine Elektrode oder zwischen Elektroden umfassen. Vorzugsweise kann die RF Ionenleiter eine Schaltung und ein Ioneneinleitungsmittel zum Kontrollieren der Ionenfüllzeit in den RF-Leiter umfassen. Vorzugsweise können die gasförmigen Bedingungen des linearen RF-Leiters eine beliebige von oder eine Kombination aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) im Wesentlichen eine Vakuumbedingung; (ii) eine temporäre gasförmige Bedingung, die durch eine gepulste Gasinjizierung mit anschließendem Herabpumpen vor der Ioneninjizierung erzeugt wird; und (iii) eine Vakuumbedingung, wobei es zu einer Ionendämpfung in einem zusätzlichen, stromaufwärts liegenden, gashaltigen RF-Ionenleiter kommt. In einer Gruppe von Ausführungsformen kann derselbe RF-Konverter zwischen mindestens zwei Stufen eines differentialen Pumpens vorragen, ohne das radiale RF-Feld zu verzerren; wobei der Gasdruck von im Wesentlichen gasförmigen Bedingungen stromaufwärts auf im Wesentlichen Vakuumbedingungen stromabwärts fällt; und wobei eine Ionenkommunikation zwischen den RF-Konverterregionen mindestens eine von oder eine Kombination aus der folgenden Gruppe umfasst: (i) eine Kommunikation, die einen freien Ionenaustausch zwischen den gasförmigen und den Vakuumregionen ermöglicht; (ii) eine Kommunikation, die ein freie Ionenfortpflanzung von der gasförmigen Region in die Vakuumregion in der Zeit zwischen Ionenausstößen ermöglicht; (iii) eine Kommunikation, die einen Zugang gepulster Ionen von der gasförmigen Region in die Vakuumregion des RF-Konverters ermöglicht; und (iv) eine Kommunikation, die eine Rückkehr von Ionen von der Vakuumregion in die gasförmige Region des RF-Konverters ermöglicht. Vorzugsweise umfasst der Konverter einen gekrümmten Teil zur Verringerung der Gaslast zwischen Pumpstufen.
In einer Gruppe von Ausführungsformen kann der lineare RF-Konverter Einfangmittel in der Z-Richtung umfassen; und wobei die Einfangmittel ein Mittel aus der folgenden Gruppe umfassen können: (i) mindestens eine Kantenelektrode zum Erzeugen eines Kanten-RF-Feldes; (ii) mindestens eine Kantenelektrode zum Erzeugen eines elektrostatischen Kantenfeldes; (iii) mindestens eine Hilfselektrode zum Erzeugen eines RF-Feldes, das durch die Konverterelektroden hindurchgeht; (iv) mindestens eine Hilfselektrode zum Erzeugen eines elektrostatischen Hilfsfeldes, das durch die Konverterelektroden hindurchgeht; (v) geometrisch veränderte Konverterelektroden zur Bildung eines dreidimensional verzerrten radialen RF-Feldes; und (vi) sektionierte Konverterelektroden, die an eine DC-Vorspannungsversorgung angeschlossen sind. Vorzugsweise sind die Z-Einfangmittel an eine gepulste Energieversorgung angeschlossen.
In einer anderen Ausführungsform kann der gepulste Konverter einen Satz von parallelen Elektroden mit räumlich abwechselnden elektrostatischen Potentialen (elektrostatischer Ionenleiter) für eine periodische räumliche Fokussierung und Begrenzung eines geringfügig divergierenden, kontinuierlichen Ionenstrahls umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann der gepulste Konverter eine ausgleichende elektrostatische Falle umfassen, wobei die Falle schnell schwingende Ionen sammelt und den Ionengehalt pulsförmig in die hauptanalytische E-Falle freisetzt. Die Ausführungsform ermöglicht die Bildung m/z-unabhängiger, länglicher Ionenpakete und die Bildung eines annähernd sinusförmigen Detektorsignals bei Hauptschwingungsfrequenz.
Die vorliegende Erfindung schlägt auch mehrere Ausführungsformen eines speziell zugeschnittenen Injizierungsmittels für eine effiziente Injizierung räumlich verlängerter Ionenpakete in die neuartige E-Falle vor. In einer Gruppe von Ausführungsformen kann das Ioneninjizierungsmittel eine gepulste Spannungsversorgung zum Umschalten von Elektrodenpotentialen der elektrostatischen Falle zwischen der Ioneninjizierungs- und Ionenschwingungsstufe umfassen. Vorzugsweise kann das Ioneninjizierungsmittel mindestens eines oder mehrere aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Injizierungsfenster in einer feldfreien Region; (ii) ein Spalt zwischen Elektroden der elektrostatischem Falle; (iii) ein Schlitz in einer äußeren Elektrode der elektrostatischen Falle; (iv) ein Schlitz in der äußeren Ionenspiegelelektrode; (v) ein Schlitz in mindestens einer Sektorelektrode; (vi) ein elektrisch isolierter Abschnitt mindestens einer Elektrode der elektrostatischen Falle mit einem Fenster zur Ioneneinleitung; und (vii) mindestens eine Hilfselektrode für einen Ausgleich von Feldverzerrungen, die durch ein Ioneneinleitungsfenster ausgelöst werden. In einer Gruppe von Ausführungsformen kann das Ioneninjizierungsmittel ein Ablenkungsmittel aus einem oder mehreren der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein gekrümmter Deflektor zum Drehen der Ionenflugbahn; (ii) mindestens ein Deflektor zum Lenken der Ionenflugbahn; und (iii) mindestens ein Paar von Deflektoren zum Verschieben der Ionenflugbahn. Vorzugsweise ist mindestens eine ablenkende Vorrichtung der Gruppe gepulst. In einer Gruppe von Ausführungsformen kann das Injizierungssmittel für den Zweck, die gepulste Ionenquelle oder den Ionenkonverter während der Ionenfüllungs- oder Ionenpaketbildungsstufe annähernd bei Massepotential zu halten, während der Ionendetektor im Wesentlichen bei Massepotential gehalten wird, mindestens eines oder mehrere Energieinstellungsmittel aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine Energieversorgung für ein einstellbares Floaten des gepulsten Konverters vor dem Ionenausstoß; (ii) ein Elektrodensatz für eine gepulste Beschleunigung von Ionenpaketen aus der gepulsten Ionenquelle oder dem gepulsten Konverter; und (iii) eine Elevatorelektrode, die sich zwischen dem gepulsten Konverter und der elektrostatischen Falle befindet, wobei der Elevator während des Durchgangs der Ionenpakete durch die Elevatorelektrode pulsierend gefloatet ist.
Der neuartige E-Fallen-Massenspektrometer ist mit Chromatographie, Tandem-Massenspektrometrie und mit anderen Trennverfahren vereinbar. Vorzugsweise kann die E-Falle Ionentrennungsmittel umfassen, die der elektrostatischen Falle vorangehen; und wobei das Trennungsmittel eines oder mehrere aus der folgenden Gruppe umfassen kann: (i) ein Masse-Ladungsseparator; (ii) ein Mobilitätsseparator; (iii) ein Differentialmobilitätsseparator; und (iv) ein Ladungsseparator. Bevorzugter kann das Massenspektrometer ferner eines oder mehrere Fragmentierungsmittel aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine kollisioninduzierte Dissoziationszelle; (ii) eine Elektronenanhaftungsdissoziationszelle; (iii) eine Anionenanhaftungsdissoziationszelle; (iv) eine Zelle zur Dissoziation durch metastabile Atome; und (v) eine Zelle für eine oberflächeninduzierte Dissoziation. Vorzugsweise kann vor der Analytionisierung und Ionenanalyse das E-Fallen-Massenspektrometer ein Analyttrennungsmittel aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Gaschromatograph; (ii) ein Flüssigkeitschromatograph; (iii) eine Kapillarelektrophorese; und (iv) ein Affinitätsseparator.
Die Erfindung schlägt MS-MS Merkmale innerhalb der neuartigen E-Falle vor. In einer Gruppe der Ausführungsformen kann die elektrostatische Falle ferner Mittel für eine selektive resonante Erregung von Ionenschwingungen innerhalb der elektrostatischen Falle entweder in X- oder Z-Richtung umfassen. Vorzugsweise kann die E-Falle ferner eine Oberfläche zur Ionenfragmentierung in der Region der Ionenumkehr in X-Richtung umfassen. Weiter bevorzugt kann die Falle ferner einen Deflektor zur Rückführung von Fragment-Ionen in den analytischen Teil der elektrostatischen Falle umfassen.
Die neuartige E-Falle ist für ein Multiplexen von Elektrodensätzen der elektrostatischen Falle geeignet. Vorzugsweise kann das elektrostatische Fallen-Massenspektrometer ferner mehrere Sätze von Z-länglichen Schlitzen innerhalb des Elektrodensatzes umfassen, um ein Array von Z-länglichen Einfangvolumina des elektrostatischen Feldes zu bilden, wobei jedes Feldvolumen durch einen einzelnen Satz von Schlitzen gebildet wird, der zwischen den Elektroden des Satzes ausgerichtet ist; und wobei das Array eine aus der folgenden Gruppe ist: (i) ein Array, aus durch Linearverschiebung gebildet wird; (ii) ein koaxial gemultiplextes Array; (iii) ein drehend gemultiplextes Array; und (iv) ein Array, das in 5A und 5B (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) dargestellt ist. Vorzugsweise, wenn auch nicht darauf beschränkt, können die mehreren Elektrodensätze zu einer aus der folgenden Gruppe angeordnet sein: (i) ein Array; (ii) ein Stapel; (iii) ein koaxial gemultiplextes Array; (iv) ein drehend gemultiplextes Array; (v) ein Array, das durch Bildung mehrerer Fenster innerhalb desselben Satzes von Elektroden gebildet wird; (vi) ein verbundenes Array, das aus linearen und gekrümmten Schlitzen entweder in Spiralform oder Schlangenform oder einer Stadionform gebildet ist; (vii) ein Array koaxialer Fallen. Vorzugsweise stehen entweder die Felder der gemultiplexten Elektrodensätze in Kommunikation oder Ionen werden zwischen den Feldern der gemultiplexten Elektrodensätze hindurchgeleitet. Bevorzugter kann die gemultiplexte E-Falle ferner mehrere gleichzeitig ausstoßende, gepulste Ionenkonverter umfassen; wobei jeder Konverter mit einem einzelnen Einfangfeld der elektrostatischen Falle in Kommunikation steht; wobei die mehreren Konverter einen Ionenfluss von einer Ionenquelle aus der folgenden Gruppe empfangen: (i) eine einzelne Ionenquelle, die der Reihe nach Teile oder Zeitschlitze des Ionenflusses zwischen den mehreren Konvertern multiplext; (ii) ein Massenspektrometer, das Teile des Ionenflusses mit unterschiedlicher m/z-Spanne zwischen den mehreren Konvertern multiplext; (iii) ein Mobilitätsseparator, der Teile des Ionenflusses mit unterschiedlicher Spanne einer Ionenmobilität multiplext; (iv) mehrere Ionenquellen, die jeweils ihren eigenen gepulsten Konverter speisen; und (v) eine separate Ionenquelle, die einen kalibrierenden Ionenfluss in mindestens einen der mehreren Konverter einspeist. Vorzugsweise kann sich das Array von Fallen innerhalb derselben Vakuumkammer befinden und kann von denselben Energieversorgungen gespeist werden. Vorzugsweise können entweder parallel oder der Reihe nach gefüllte Konverter gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig Ionenpakete in mehrere E-Fallen des Array injizieren, um eine Pulsaufnahme durch ladungsempfindliche Detektoren zu vermeiden.
In der bevorzugtesten Ausführungsform kann ein elektrostatisches Fallen-Massenspektrometer umfassen: (a) mindestens zwei parallele Ionenspiegel, die durch eine feldfreie Region getrennt sind, die ein im Wesentlichen zweidimensionales Feld in der X-Y-Ebene bildet; (b) wobei die Ionenspiegel Ionen in der X-Richtung verlangsamen und für eine unbeschränkte Ionenbegrenzung in der lokal orthogonalen Y-Richtung sorgen, so dass sich bewegende Ionen für sich wiederholende Schwingungen eingefangen werden; (c) eine gepulste Ionenquelle oder einen gepulsten Konverter zum Erzeugen von Ionenpaketen in einer breiten Spanne von m/z-Werten; (d) ein Mittel zum Injizieren der Ionenpakete in die elektrostatische Falle; (e) einen Detektor zum Messen der Frequenz von mehreren Ionenschwingungen innerhalb der Falle; und (f) wobei die Spiegel im Wesentlichen in die dritte Z-Richtung lokal orthogonal sowohl zur X- wie auch Y-Richtung verlängert sind. Vorzugsweise kann mindestens einer der Spiegel mindestens vier Elektroden umfassen, wobei mindestens eine Elektrode ein Anziehungspotential aufweist und eine räumliche Linse bildet, so dass die Ionenschwingungen in der X-Richtung relativ zu kleinen Abweichungen in der Raum-, Winkel- und Energieausdehnung der Ionenpakete bis mindestens zur zweiten Ordnung der Tailorentwicklung, einschließlich Kreuztermaberrationen, isochron sind und bis mindestens zur dritten Ordnung relativ zur Ionenenergie in der X-Richtung isochron sind. Vorzugsweise kann die E-Falle entweder ein ebene 2D-Falle mit Begrenzungsmitteln in der Z-Richtung sein oder die E-Falle kann zu einer 2D Torusform verlängert sein. Vorzugsweise akkumuliert der gepulste Konverter ein Ionenband und stößt dieses aus, das in die Z-Richtung gestreckt ist, und wobei das Injizierungsmittel im Wesentlichen verlängert und im Wesentlichen in Z- Richtung ausgerichtet ist. Vorzugsweise kann der Konverter entweder eine RF-Ionenbegrenzung oder einen elektrostatischen Leiter oder eine elektrostatische Falle umfassen. Vorzugsweise kann der Detektor entweder ein Spiegelladungsdetektor oder ein Flugzeitdetektor sein, der einen Teil von Ionen pro Schwingung abtastet. Vorzugsweise kann der Spiegelladungsdetektor in mehrere Segmente geteilt werden, um Signale hoher Frequenz zu bilden. Vorzugsweise kann die elektrostatische Falle ferner ein Mittel zum Wiedergewinnen von Spektren von Schwingungsfrequenzen durch ein Verfahren aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) das Wavelet-Fit, (ii) die Fourier-Transformationen, die höhere Harmonische berücksichtigen, und (iii) die FDM-Transformation.
Gemäß der Offenbarung wird ein Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Bilden von mindestens zweier paralleler elektrostatischer Feldvolumina, die durch einen feldfreien Raum getrennt sind;
(b) Anordnen der elektrostatischen Feldern, die zweidimensional sind, in einer X-Y-Ebene;
(c) wobei die Feldstruktur sowohl isochrone, sich wiederholende Ionenschwingungen zwischen den Feldern innerhalb der X-Y-Ebene wie auch ein stabiles Ioneneinfangen in der X-Y-Ebene bei einer Ionengeschwindigkeit von etwa Null in der orthogonalen Richtung zur X-Y-Ebene ermöglicht;
(d) Injizieren von Ionenpaketen in das Feld;
(e) Messen von Frequenzen der Ionenschwingungen mit einem Detektor; und
(f) wobei das elektrische Feld verlängert ist und die Feldverteilung in der X-Y-Ebene entlang einer Z-Richtung lokal orthogonal zur X-Y-Ebene reproduziert wird, um entweder ebene oder torusförmige Feldregionen zu erzeugen.

Vorzugsweise kann die Schwingungsfrequenz von 1000amu Ionen größer sein als eine aus der Gruppe: (i) 100kHz; (ii) 200kHz; (iii) 300kHz; (iii) 500kHz; und (iv) 1MHz. Die Einstellung umfasst die Verwendung einer hohen Beschleunigungsspannung und geringen X-Größe der Falle, während eine große Z-Größe zur Bewahrung einer großen Raumladungskapazität der E-Falle beibehalten wird. Vorzugsweise wird die Länge der Ionenpakete entlang der Richtung von Ionenschwingungen im Vergleich zu dem Ionenpfad einer einzelnen Schwingung viel kürzer eingestellt. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Erfassen eines Spiegelstromsignals umfassen, das durch Ionenpakete induziert wird, und umfasst einen Schritt zum Konvertieren des Signals in ein Massenspektrum durch eines oder mehrere Verfahren aus der folgenden Gruppe: (i) Fourier-Analyse; (i) Fourier-Analyse, die eine reproduzierbare Verteilung höherer Harmonischen berücksichtigt; (ii) Wavelet-Fit-Analyse; (iii) Filterdiagonalisierungsmethode; und (iv) eine Kombination der oben genannte.
In einem Verfahren werden Ionen in elektrostatischen Feldern einer E-Falle eingefangen, in einem anderen verlaufen injizierte Ionen durch die elektrostatischen Felder der E-Falle in der Z-Richtung. In einem Verfahren können die elektrostatischen Felder zwei Feldregionen von Ionenspiegeln umfassen, die durch einen feldfreien Raum getrennt sind; wobei die Ionenspiegelfelder eine räumliche Fokussierungsregion umfassen. Vorzugsweise kann der elektrostatische Ionenspiegel mindestens eine Elektrode mit einem Anziehungspotential aufweisen und wobei die Spiegel so angeordnet und abgestimmt sind, dass sie Folgendes gleichzeitig bereitstellen: (i) eine Ionenverlangsamung in einer X-Richtung für sich wiederholende Schwingungen sich bewegender Ionenpakete; (ii) eine räumliche Fokussierung oder Begrenzung sich bewegender Ionenpakete in einer querverlaufenden Y-Richtung (iii) eine Flugzeitfokussierung in T-Richtung relativ zu kleinen Abweichungen in Raum-, Winkel- und Energieausdehnung von Ionenpaketen auf mindestens eine zweite Ordnung der Tailorentwicklung einschließlich Kreuzterme; (iv) eine Flugzeitfokussierung in T-Richtung relativ zur Energieausdehnung von Ionenpaketen auf mindestens die dritte Ordnung der Tailorentwicklung.
Vorzugsweise können Ionenpakete in Z-Richtung durch ein Verfahren der folgenden Gruppe fokussiert werden: (i) durch räumliche Modulation in Z-Richtung des einfangenden elektrostatischen Feldes, um periodisch dreidimensionale Feldabschnitte E(X,Y,Z) entlang der Z-Richtung zu wiederholen; (ii) durch Verzerren eines elektrostatischen Feldes mit Streufeldern, die zwischen Elektroden oder durch Schlitze eindringen; und (iii) durch Einführen eines räumlichen Fokussierungsfeldes innerhalb einer nahezu feldfreien Region. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Einführens eines Streufeldes, das in das elektrostatische Feld der Ionenspiegel eindringt, wobei das Streufeld entlang der Z-Achse für mindestens einen Zweck aus der folgenden Gruppe variabel ist: (i) Trennen des Volumens der elektrostatischen Falle in Teile; (ii) Ausgleichen mechanischer Fehlausrichtungen des Spiegelfeldes; (iii) Regulieren der Ionenverteilung entlang der Z-Achse; und (iv) Zurückstoßen von Ionen an Z-Grenzen.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Ionenpaketinjizierung in die elektrostatischen Felder umfassen; und wobei die Zahl injizierter Ionen eingestellt wird, um eine konstante Zahl injizierter Ionen beizubehalten oder um die Ioneneinleitungszeit von einer Ionenquelle zwischen Signalerfassungen zu verändern.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Ionentrennung vor dem Schritt einer Ioneninjizierung in die Einfangfelder durch ein Trennverfahren aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine Masse-Ladungstrennung; (ii) eine Mobilitätstrennung; (iii) eine Differentialmobilitätstrennung; und (iv) eine Ladungstrennung. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Ionenfragmentierung nach dem Schritt einer Ionentrennung und vor dem Schritt einer Ioneninjizierung in die Einfangfelder umfassen und wobei der Schritt einer Fragmentierung einen Schritt aus der folgenden Gruppe umfasst: (i) eine kollisionsinduzierte Dissoziation; (ii) eine Elektronenanheftungsdissoziation; (iii) eine Anionenanheftungsdissoziation; (iv) eine Dissoziation durch metastabile Atome; und (v) eine oberflächeninduzierte Dissoziation.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Bildung eines Array einfangender elektrostatischer Felder umfassen; und kann innerhalb mehrerer Einfangfelder ferner mindestens einen Schritt einer parallelen massenspektrometrischen Analyse aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) Analyse von Zeitschlitzen eines einzelnen Ionenflusses; (ii) Analyse von Zeitschlitzen eines einzelnen Ionenflusses über eine Fragmentierungszelle eines Tandem-Massenspektrometers; (iii) Analyse von mehreren Teilen desselben Ionenflusses zur Erweiterung der Raumladungskapazität der Analyse; (iv) Analyse von masse- oder mobilitätsgetrennten Teilen desselben Ionenflusses; und (v) Analyse von mehreren Ionenflüssen. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner mindestens einen Schritt einer Ionenflussbündelung aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) sequenzielle Ioneninjizierung in mehrere Einfangfelder von einem einzelnen Konverter; (ii) Verteilung von Ionenflussteilen oder Zeitscheiben zwischen mehreren Konvertern und Ioneninjizierung von den mehreren Konvertern in mehrere Einfangfelder; und (iii) Akkumulierung von Ionenflussteilen oder Zeitschlitzen innerhalb mehrerer Konverter und synchrone Ioneninjizierung in mehrere Einfangfelder. Das Verfahren kann ferner einen Schritt einer Ionenpaketinjizierung in das elektrostatische Feld umfassen; wobei die Zahl injizierter Ionen eingestellt wird, um entweder eine konstante Zahl injizierter Ionen zu bewahren oder die Ioneneinleitungszeit von einer Ionenquelle zu ändern.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer resonanten Erregung der Ionenschwingungen in einer X- oder Z-Richtung und einen Schritt einer Ionenfragmentierung an einer Oberfläche umfassen, die sich nahe dem Ionenreflexionspunkt befindet. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Multiplexing-Schritt der einfangenden elektrostatischen Feldern in eine Gruppe einfangender elektrostatischer Felder für einen Zweck aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine parallele massenspektrometrische Analyse; (ii) Multiplexen desselben Ionenflusses zwischen einzelnen elektrostatischen Feldern; (ii) Erweiterung der Raumladungskapazität des einfangenden elektrostatischen Feldes. Ein besonderes Verfahren kann ferner einen Schritt einer resonanten Erregung der Ionenschwingungen in X- oder Z-Richtung und einen Schritt einer Ionenfragmentierung an einer Oberfläche umfassen, die sich nahe dem Ionenreflexionspunkt befindet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrostatischer Analysator gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Der elektrostatischer Analysator umfasst:

(a) mindestens einen ersten Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld von Ionenspiegeln in einer X-Y-Ebene bilden; wobei die Spiegel für eine Ionenreflexion in einer X-Richtung sorgen;
(b) mindestens einen zweiten Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld in der X-Y-Ebene bilden;
(c) einen feldfreien Raum, der die zwei Elektrodensätze trennt;
(d) wobei die Elektrodensätze zur Bereitstellung isochroner Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene angeordnet sind;
(e) wobei beide Elektrodensätze bei konstantem Krümmungsradius R entlang einer dritten lokal orthogonalen Z-Richtung gekrümmt sind, um torusförmige Feldregionen innerhalb der Elektrodensätze zu bilden; und
(f) wobei der Ionenpfad pro einzelner Schwingung L und mit einem Neigungswinkel α zwischen einer mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse und gemessen in Radianten zur Erfüllung des Verhältnisses: R > 50*Lα² gewählt ist.

Vorzugsweise kann innerhalb des ersten Satzes von Spiegelelektroden mindestens eine äußere Ringelektrode an eine höhere Abstoßungsspannung relativ zur Gegenelektrode des inneren Ringes angeschlossen sein. In einer Ausführungsform können die torusförmigen Räume aus Abschnitten mit unterschiedlichem Krümmungsradius bestehen, um eine Form aus der folgenden Gruppe zu bilden: (i) eine Spirale; (ii) eine Schlangenform; (iii) eine Stadionform. Vorzugsweise ist der Winkel zwischen der Ebene der Z-Achsenkrümmung und der X-Achse einer aus der folgenden Gruppe: (i) 0 Grad; (ii) 90 Grad; (iii) ein willkürlicher Winkel; und (iv) ein Winkel, ausgewählt für ein bestimmtes Verhältnis zwischen X-Größe und Krümmungsradius des Analysators, zur Minimierung der Anzahl von Elektroden. Vorzugsweise ist die Form der Elektrodensätze wie in 4C bis 4H dargestellt. Vorzugsweise können mindestens zwei Elektrodensätze unter Berücksichtigung der Analysatorsymmetrie identisch sein. Vorzugsweise kann der zweite Elektrodensatz mindestens eine Ionen-optische Vorrichtung aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Ionenspiegel; (ii) ein elektrostatischer Sektor; (iii) eine Ionenlinse; (iv) ein Deflektor; und (v) ein gekrümmter Ionenspiegel mit Merkmalen eines elektrostatischen Sektors. Weiter bevorzugt kann der zweite Elektrodensatz eine Kombination aus mindestens zwei Ionen-optischen Vorrichtungen der oben genannten Gruppe umfassen. Weiter bevorzugt umfasst der Analysator ferner mindestens eine zusätzliche Ionen-optische Vorrichtung der Gruppe, um eine zentrale Referenzionenflugbahn in der X-Y-Ebene mit einer Form aus der folgenden Gruppe bereitzustellen: (i) O-förmig; (ii) C-förmig; (iii) S-förmig; (iv) X-förmig; (v) V-förmig; (vi) W-förmig; (vii) UU-förmig; (viii) W-förmig; (ix) Ω-förmig; (x) γ-förmig; und (xi) Form einer 8. In einer Ausführungsform kann mindestens ein Ionenspiegel mindestens vier parallele Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen aufweisen, und wobei mindestens eine Elektrode ein Anziehungspotential aufweist, das mindestens zweimal größer als jenes der Beschleunigungsspannung zur Bereitstellung isochroner Schwingungen mit Ausgleich von Aberrationskoeffizienten mindestens der zweiten Ordnung ist. In einer anderen Ausführungsform kann mindestens ein Teil des Ionenspiegels eine quadratische Verteilung des elektrostatischen Potentials in der ersten X-Richtung bereitstellen; wobei der Spiegel eine räumliche Fokussierungslinse umfasst; und wobei die Elektroden ferner ein Mittel für eine radiale Ionenablenkung über die Z-Achse zum Bereitstellen einer orbitalen Ionenbewegung umfassen.
Vorzugsweise kann der Analysator unter Verwendung einer Technologie der folgenden Gruppe konstruiert werden: (i) Beabstanden von Metallringen durch keramische Kugeln ähnlich Kugellagern; (ii) Elektroerosion oder Laserschneiden eines Plattenstapels; (iii) maschinelle Bearbeitung eines keramischen oder halbleitenden Blocks mit anschließender Metallisierung von Elektrodenflächen; (iv) Elektroformen; (v) chemisches Ätzen oder Ätzen durch Ionenstrahl eines halbleitenden Stapels mit Oberflächenmodifizierungen zur Kontrolle der Leitfähigkeit; und (vi) eine keramische Leiterplattentechnologie. Vorzugsweise werden die verwendeten Materials so gewählt, dass sie verringerte Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und ein Material der folgenden Gruppe umfassen: (i) Keramik; (ii) Quarzglas; (iii) Metalle wie Invar, Zirkon, oder Molybdän- und Wolframlegierungen; und (iv) Halbleiter wie Silizium, Borcarbid oder hybride halbleitende Verbindungen mit einer Wärmeausdehnung von Null. Vorzugsweise können die Analysatorregionen gemultiplext werden, indem entweder koaxiale Schlitze in parallel ausgerichteten Elektroden gebildet werden oder die Analysatoren gestapelt werden. Vorzugsweise kann der Analysator ferner einen gepulsten Konverter umfassen, der verlängert und entlang der Z-Richtung ausgerichtet ist, um der Krümmung des Analysators zu folgen; wobei der Konverter ein Mittel für einen Ionenausstoß in der Richtung orthogonal zur Z-Richtung hat; und wobei der Konverter eines aus der folgenden Gruppe umfasst: (i) ein Hochfrequenz-Ionenleiter; (ii) eine Hochfrequenz-Ionenfalle; (iii) ein elektrostatischer Ionenleiter; und (iv) eine elektrostatische Ionenfalle mit Ionenschwingungen in X-Richtung.
Vorzugsweise kann die elektrostatische Falle ein Massenanalysator eines Massenspektrometers sein, und wobei der elektrostatische Analysator als eines aus der folgenden Gruppe verwendet wird: (i) eine geschlossene elektrostatische Falle; (ii) eine offene elektrostatische Falle; und (iii) ein TOF Analysator.
Das entsprechende Verfahren gemäß Anspruch 11 einer massenspektrometrischen Analyse kann die folgenden Schritte umfassen:

(a) Bilden mindestens einer Region eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in einer X-Y-Ebene für eine Ionenreflexion in eine X-Richtung;
(b) Bilden mindestens einer zweiten Region eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in der X-Y-Ebene;
(c) Trennen der zwei Feldregionen durch einen feldfreien Raum;
(d) Anordnen der elektrostatischen Felder zur Bereitstellung isochroner Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene;
(e) wobei sowohl die ersten wie auch zweiten Feldregionen bei konstantem Krümmungsradius R entlang einer dritten lokal orthogonalen Z-Richtung gekrümmt sind, um torusförmige Feldregionen zu bilden; und
(f) wobei der Ionenpfad pro einzelner Schwingung L und ein Neigungswinkel α zwischen einer mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse und gemessen in Radianten so gewählt sind, dass sie das Verhältnis: R > 50*L*α² erfüllen.

Vorzugsweise können die elektrostatischen Felder für mindestens einen weiteren Schritt aus der folgenden Gruppe angeordnet sein: (i) eine Ionenverlangsamung in die X-Richtung für sich wiederholende Ionenschwingungen; (ii) eine räumliche Fokussierung oder Begrenzung sich bewegender Ionen in eine querverlaufende Y-Richtung; (iii) eine Ionenablenkung orthogonal zur X-Richtung; (iv) eine Flugzeitfokussierung in X-Richtung relativ zur Energieausdehnung von Ionenpaketen auf mindestens die dritte Ordnung der Tailorentwicklung; (v) räumliche Ionenfokussierung oder Begrenzung sich bewegender Ionen in die Z-Richtung; und (vi) radiale Ablenkung für eine orbitale Ionenbewegung. Vorzugsweise kann ein möglicher Nicht-Parallelismus der zwei Feldregionen zumindest teilweise durch unscharfe Felder von Hilfselektroden (E-Keil) ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist mindestens einer der Elektrodensätze winkelig moduliert, um dreidimensionale Feldabschnitte E(X,Y,Z) entlang der Z-Richtung periodisch zu reproduzieren.
Gemäß der Offenbarung wird ein elektrostatisches Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend:

(a) mindestens eine Ionenquelle;
(b) Mittel für eine ionengepulste Injizierung, wobei das Mittel mit der mindestens einen Ionenquelle in Kommunikation steht;
(c) mindestens einen Ionendetektor;
(d) einen Satz von Analysatorelektroden;
(e) einen Satz von Energieversorgungen, die an die Analysatorelektroden angeschlossen sind;
(f) eine Vakuumkammer, die den Elektrodensatz umschließt;
(g) innerhalb des Elektrodensatzes mehrere Sätze von länglichen Schlitzen, die ein Array von länglichen Volumina bilden;
(h) wobei jedes Volumen des Arrays durch einen einzelnen Satz von Schlitzen gebildet wird, die zwischen den Elektroden ausgerichtet sind;
(i) jedes Volumen ein zweidimensionales elektrostatisches Feld in einer X-Y-Ebene bildet, das in einer lokal orthogonalen Z-Richtung verlängert ist; und
(j) jedes zweidimensionale Feld zum Einfangen sich bewegender Ionen in der X-Y-Ebene und einer isochronen Ionenbewegung entlang einer mittleren Ionenflugbahn, die in der X-Y-Ebene liegt, angeordnet ist.

Vorzugsweise können die Feldvolumina als eines aus der folgenden Gruppe ausgerichtet sein: (i) ein Stapel linearer Felder; (ii) ein drehendes Array linearer Felder; (iii) eine einzelne Feldregion, die entlang einer spiralförmigen, stadionförmigen oder einer schlangenförmigen Linie gefaltet ist; (iv) ein koaxiales Array torusförmiger Felder; und (v) ein Array getrennter zylindrischer Feldregionen. Vorzugsweise kann die Z-Achse entweder gerade sein, um ebene Feldvolumina zu bilden, oder zu einem Kreis geschlossen sein, um torusförmige Feldvolumina zu bilden. Vorzugsweise können die Feldvolumina mindestens einen Feldtyp aus der folgenden Gruppe bilden: (i) ein Ionenspiegel; (ii) ein elektrostatischer Sektor; (iii) eine feldfreie Region; (iv) ein Ionenspiegel für eine Ionenreflexion in der ersten Richtung und eine Ionenablenkung in einer zweiten orthogonalen Richtung. Vorzugsweise können die Felder zur Bereitstellung isochroner Ionenschwingungen relativ zur anfänglichen Winkel-, Raum- und Energieausdehnung injizierter Ionenpakete auf mindestens die erste Ordnung der Tailorentwicklung angeordnet sein. Vorzugsweise können die Felder zur Bereitstellung isochroner Ionenschwingungen relativ zur anfänglichen Energieausdehnung injizierter Ionenbündel auf mindestens die dritte Ordnung der Tailorentwicklung angeordnet sein. Vorzugsweise, können die mehreren elektrostatischen Felder als eines aus der folgenden Gruppe angeordnet sein: (i) eine geschlossene elektrostatische Falle; (ii) eine offene elektrostatische Falle; (iii) ein Flugzeit-Massenspektrometer.
Vorzugsweise kann der gepulste Konverter eines aus der folgenden Gruppe umfassen:

(i) ein Hochfrequenz-Ionenleiter mit einem radialen Ionenausstoß; (ii) ein elektrostatischer Ionenleiter mit periodischen elektrostatischen Linsen und mit einem radialen Ionenausstoß; und (iii) eine elektrostatische Ionenfalle mit gepulster Ionenfreisetzung in die elektrostatischen Felder des Massenspektrometers. Vorzugsweise kann der mindestens eine Ionendetektor eines aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Spiegelladungsdetektor zum Erfassen der Frequenz von Ionenschwingungen; (ii) mehrere Spiegelladungsdetektoren, die entweder in X- oder Z-Richtung ausgerichtet sind; und (iii) ein Flugzeitdetektor, der einen Teil von Ionenpaketen pro einzelner Ionenschwingung abtastet. Vorzugsweise sind die Elektroden Miniaturen, um den Schwingungspfad unter etwa 10cm zu halten; und wobei der Elektrodensatz durch ein Herstellungsverfahren aus der folgenden Gruppe hergestellt werden kann: (i) Elektroerosion oder Laserschneiden eines Plattenstapels;
(ii) maschinelle Bearbeitung eines keramischen oder halbleitenden Blocks mit anschließender Metallisierung von Elektrodenflächen; (iii) Elektroformen; (iv) chemisches Ätzen oder Ätzen durch Ionenstrahl eines halbleitenden Stapels mit Oberflächenmodifizierungen zur Kontrolle der Leitfähigkeit; und (v) Verwendung einer keramischen Leiterplattentechnologie.

Das entsprechende Verfahren einer massenspektrometrischen Analyse umfasst die folgenden Schritte: (a) Bilden eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in einer X-Y-Ebene; wobei das Feld stabile Ionenbewegung in der X-Y-Ebene und isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene ermöglicht; (b) Erweitern des Feldes in einer lokal orthogonalen Z-Richtung zur Bildung entweder eines ebenen oder torusförmigen elektrostatischen Feldvolumens; (c) Wiederholen des Feldvolumens in eine Richtung orthogonal zur Z-Richtung; (d) Injizieren von Ionenpaketen in die mehreren Volumina des elektrostatischen Feldes; und (e) Erfassen entweder der Frequenz von Ionenschwingungen oder einer Flugzeit durch die elektrostatischen Feldvolumina.
Vorzugsweise kann der Schritt eines Feldmultiplexing einen Schritt aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) Stapeln linearer Felder; (ii) Bilden eines drehenden Arrays linearer Felder; (iii) Falten einer einzelnen Feldregion entlang einer spiral-, stadionförmigen oder einer schlangenförmigen Linie; (iv) Bilden eines koaxialen Arrays torusförmiger Felder; und (v) Bilden eines Arrays getrennter zylindrischer Feldvolumina. Vorzugsweise kann der Schritt einer Ionenpaketinjizierung einen Schritt einer gepulsten Ionenbildung in einer einzelnen gepulsten Ionenquelle und einen Schritt einer sequenziellen Ioneninjizierung in die mehreren Volumina eines elektrostatischen Feldes umfassen; und wobei die Periode zwischen Pulsbildungen kürzer ist als die Analysezeit innerhalb eines einzelnen Ioneneinfangvolumens. Alternativ kann der Schritt einer Ionenpaketinjizierung einen Schritt einer gepulsten Ionenbildung innerhalb mehrerer gepulster Ionenquellen und einen Schritt einer parallelen Ioneninjizierung in die mehreren Volumina eines elektrostatischen Feldes umfassen. Alternativ kann der Schritt einer Ionenpaketinjizierung einen Schritt einer Ionenflussbildung in einer einzelnen Ionenquelle, einen Schritt einer gepulster Konvertierung von Zeitschlitzen des Ionenflusses in Ionenpakete innerhalb eines einzelnen gepulsten Konverters und einen Schritt einer sequenziellen Ioneninjizierung der Zeitschlitze in die mehreren Volumina eines elektrostatischen Feldes umfassen.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Masse-Ladungs- oder Mobilitätstrennung vor dem Schritt einer gepulsten Ionenkonvertierung umfassen. Ein Verfahren kann ferner einen Schritt einer Ionenfragmentierung vor dem Schritt einer Ioneninjizierung umfassen. In einem anderen Verfahren kann der Schritt einer Masse-Ladungs- oder Mobilitätstrennung einen Schritt eines Ioneneinfangens und einen Schritt einer zeitsequenziellen Freisetzung eingefangener ionischer Komponenten umfassen.
In einem Verfahren kann der Schritt einer Ioneninjizierung einen Schritt einer Ionenflussbildung in einer einzelnen Ionenquelle, einen Schritt einer Teilung des Ionenflusses zwischen mehreren gepulsten Konvertern, einen Schritt einer gepulsten Konvertierung der Ionenflussteile in Ionenpakete innerhalb mehrerer gepulster Konverter, und einen Schritt einer parallelen Ioneninjizierung von den mehreren gepulsten Konvertern in die mehreren Volumina eines elektrostatischen Feldes umfassen. In einem anderen Verfahren kann der Schritt einer Ioneninjizierung einen Schritt einer Ionenflussbildung in mehreren Ionenquellen, einen Schritt einer gepulsten Konvertierung der mehreren Ionenflüsse in Ionenpakete innerhalb mehrerer gepulster Konverter und einen Schritt einer parallelen Ioneninjizierung von den mehreren gepulsten Konvertern in die mehreren Volumina eines elektrostatischen Feldes umfassen. In einem anderen Verfahren bildet mindestens eine Ionenquelle Ionen mit bekanntem Masse zu Ladungsverhältnis und bekannter Ionenflussstärke für den Zweck der Kalibrierung einer massenspektrometrischen Analyse.
Gemäß der Offenbarung wird ein Ionenfallen-Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend:

(a) ein Ionenfallen-Analysator, der Ionenschwingungen in elektrischen oder magnetischen Feldern bereitstellt; wobei die Periode der Schwingungen monoton vom Ionenmasse zu Ladungsverhältnis abhängt;
(b) wobei der Analysator zum Bereitstellen isochroner Ionenschwingungen mindestens zur ersten Ordnung einer Raum-, Winkel- und Energieausdehnung eines Ionen-Ensembles angeordnet ist;
(c) Mittel für eine Ionenpaketinjizierung in den Analysator;
(d) mindestens einen schnellen Ionen-Detektor zur Abtastung eines Teils von Ionen pro einzelner Schwingung, wobei mindestens einige Ionen unerfasst bleiben; und
(e) Mittel zur Wiedergewinnung von Spektren von Ionenschwingungsfrequenzen aus dem Detektorsignal.

Vorzugsweise kann die Vorrichtung ferner einen Ionen/Elektronen-Konverter umfassen, der einem Teil von Ionenpaketen ausgesetzt wird; wobei sekundäre Elektronen von dem Konverter auf einen Detektor in orthogonaler Richtung zu Ionenschwingungen extrahiert werden. Vorzugsweise kann der Konverter eines aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Platte; (ii) eine perforierte Platte; (iii) ein Netz; (iii) ein Satz paralleler Drähte; (iv) ein Draht; (v) eine Platte, die von einem Netz mit unterschiedlichem elektrostatischen Potential überzogen ist; (v) ein Satz bipolarer Drähte. Vorzugsweise kann der abgetastete Teil eines Ionenpakets pro einzelner Schwingung einer aus der folgenden Gruppe sein: (i) unter 100%; (ii) unter 10%; (iii) unter 1%; (iv) unter 0,1%; (v) unter 0,01%. Alternativ kann der Teil entweder durch Einstellen mindestens eines Potentials des Spektrometers oder durch Anlegen eines umgebenden Magnetfeldes elektronisch kontrolliert werden.
Vorzugsweise kann die räumliche Auflösung des Detektors mindestens N-mal feiner sein als jene des Ionenpfades pro einzelner Schwingung; und wobei der Faktor N einer aus der folgenden Gruppe ist: (i) über 10; (ii) über 100; (iii) über 1000; (iv) über 10.000; und (v) über 100.000. Vorzugsweise kann der schnelle Ionendetektor mindestens eine Komponente aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine Mikrokanalplatte; (ii) ein sekundärer Elektronenvervielfacher; (iii) ein Szintillator, gefolgt von entweder einem Photoelektronvervielfacher oder von einer schnellen Photodiode; und (iv) eine elektromagnetische Aufnahmeschaltung für das Erfassen sekundärer Elektronen, die rasch im Magnetfeld schwingen. Vorzugsweise kann sich der Detektor innerhalb einer Erfassungsregion des Ionenfallen-Analysators befinden und wobei die Falle ferner ein Mittel für einen massenselektiven Ionentransfer zwischen den Regionen durch Resonzanzerregung einer Ionenbewegung umfasst. Vorzugsweise kann die Vorrichtung ferner Ionisierungsmittel, iongepulste Injizierungsmittel und Mittel zur Wiedergewinnung von Frequenzspektren umfassen. Vorzugsweise können der Ionenfallen-Analysator ein elektrostatischer Fallen-Analysator aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine geschlossene elektrostatische Falle; (ii) eine offene elektrostatische Falle; (iii) eine orbitale elektrostatische Falle; und (iii) ein Multipass-Flugzeit-Analysator mit zeitweiligem Ioneneinfangen. Weiter bevorzugt umfasst der elektrostatische Ionenfallen-Analysator mindestens einen Elektrodensatz aus der folgenden Gruppe: (i) ein Ionenspiegel; (ii) ein elektrostatischer Sektor; (iii) eine feldfreie Region; (iv) ein Ionenspiegel für eine Ionenreflexion in der ersten Richtung und eine Ionenablenkung in einer zweiten orthogonalen Richtung.
In einer Gruppe von Ausführungsformen kann der Ionenfallen-Analysator eine magnetische Ionenfalle aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ICR magnetische Falle; (ii) eine Penning-Falle; (iii) eine Magnetfeldregion, die durch Hochfrequenzbarrieren begrenzt ist. Weiter bevorzugt umfasst die magnetische Ionenfalle ferner einen Ionen/Elektronen-Konverter, der in einem Winkel zu den Magnetfeldlinien eingerichtet ist, und wobei der schnelle Detektor zum Erfassen sekundärer Elektronen entlang der Magnetfeldlinien angeordnet ist. In einer anderen Gruppe von Ausführungsformen umfasst der Ionenfallen-Analysator eine Hochfrequenz (RF)-Ionenfalle und einen Ionen/Elektronen-Konverter, der mit einem Null-Hochfrequenzpotential ausgerichtet ist; und wobei die RF-Ionenfalle eine Falle aus der folgenden Gruppe umfasst: (i) eine Paul-Ionenfalle; (ii) eine lineare RF Vierpol-Ionenfalle; (iii) eine geradlinige Paul- oder lineare Ionenfalle; (iv) eine Gruppe geradliniger RF-Ionenfallen.
Vorzugsweise kann das Massenspektrometer ferner eine elektrostatische Linse zur räumlichen Fokussierung sekundärer Elektronen jenseits des Konverters umfassen und umfasst vorzugsweise ferner mindestens einen Empfänger sekundärer Elektronen aus der folgenden Gruppe: (i) eine Mikrokanalplatte; (ii) ein sekundärer Elektronenvervielfacher; (iii) Szintillator; (iv) eine Stiftdiode, eine Lawinenphotodiode; (v) eine sequenzielle Kombination der oben genannten; und (vi) eine Gruppe der oben genannten.
Das entsprechende Verfahren einer massenspektrometrischen Analyse kann die folgenden Schritte umfassen:

(a) Bilden eines elektrischen oder magnetischen analytischen Feldes zur Anordnung von Ionenschwingungen, deren Schwingungsperiode eine monotone Funktion des Ionenmasse zu Ladungsverhältnisses ist;
(b) innerhalb der Felder, Anordnen isochroner Ionenschwingungen auf mindestens die erste Ordnung einer Raum-, Winkel- und Energieausdehnung der gesamten Ionen;
(c) Injizieren von Ionenpaketen in das analytische Feld;
(d) Abtasten eines Teils von Ionen pro einzelner Schwingung auf einem schnellen Detektor; und
(e) Wiedergewinnen von Spektren von Ionenschwingungsfrequenzen aus dem Detektorsignal.

Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Aussetzung einer Konvertierungsfläche mindestens einem Teil schwingender Ionen und einen Schritt einer seitlichen Abtastung sekundärer Elektronen auf dem Detektor umfassen. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer räumlichen und Flugzeitfokussierung sekundärer Elektronen bei ihrem Durchgang zwischen dem Konverter und dem Detektor umfassen.
Vorzugsweise kann der Ioneninjizierungsschritt zur Bereitstellung einer Zeit-Fokus-Ebene in der Ebene des Detektors ausgebildet sein und wobei die analytischen Felder zur Wiedergabe der Stelle der Zeit-Fokus-Ebene für anschließende Ionenschwingungen eingestellt sind. Vorzugsweise kann der Schritt einer Wiedergewinnung von Frequenzspektren einen Schritt aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) die Fourier-Analyse; (ii) die Fourier-Analyse unter Berücksichtigung einer reproduzierbaren Verteilung höherer Schwingungsharmonischen; (iii) die Wavelet-Fit-Analyse; (iv) eine Kombination der Fourier- und der Wavelet-Analyse; (iv) eine Filterdiagonalisierungsmethode zur Analyse kombiniert mit einer logischen Analyse höherer Harmonischen; und (v) eine logische Analyse überlappender Gruppen steiler Signale, die verschiedenen Schwingungsfrequenzen entsprechen. Vorzugsweise kann der Schritt einer Ioneninjizierung periodisch angeordnet sein und wobei eine Periode kürzer als eine Ionenverweilzeit in dem analytischen Feld ist. Vorzugsweise kann die Erfassung in einem Teil des elektrostatischen Feldes erfolgen und wobei Ionen in den Erfassungsteil des Feldes massenselektiv eingeleitet werden. Vorzugsweise können die Ionenpakete sequenziell in das analytische Feld in Untergruppen injiziert werden und wobei die Untergruppen durch einen Schritt aus der folgenden Gruppe gebildet werden: (i) Trennung gemäß der Ionen m/z-Sequenz; (ii) Auswahl einer begrenzten m/z-Spanne; (iii) Auswahl von Ionenfragmenten entsprechend den Stammionen einer besonderen m/z-Spanne; und (iv) Auswahl einer Spanne einer Ionenmobilität.
Gemäß der Offenbarung wird ein Massenspektrometer bereitgestellt, umfassend:

(a) eine Ionenquelle, die Ionen erzeugt;
(b) ein gashaltiger Hochfrequenz-Ionenleiter, der mindestens einen Teil der Ionen empfängt;
(c) einen gepulsten Konverter, von dem mindestens eine Elektrode an ein Hochfrequenzsignal angeschlossen ist; wobei der gepulste Konverter mit dem gashaltigen Ionenleiter in Kommunikation steht;
(d) ein elektrostatischer Analysator, der ein zweidimensionales elektrostatisches Feld in einer X-Y-Ebene bildet; wobei das Feld im Wesentlichen in eine dritte lokal orthogonale und im Allgemeinen gekrümmte Z-Richtung verlängert ist und isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene ermöglicht;
(e) Mittel für einen ionengepulsten Ausstoß des Konverters in den elektrostatischen Analysator in einer Form eines Ionenpakets, das im Wesentlichen in die Z-Richtung verlängert ist;
(f) wobei der gepulste Ionenkonverter im Wesentlichen in die im Allgemeinen gekrümmte Z-Richtung verlängert ist und parallel zu dem verlängerten elektrostatischen Analysator ausgerichtet ist; und
(g) wobei der gepulste Konverter im Wesentlichen bei Vakuumbedingungen ist, die vergleichbar mit Vakuumbedingungen in dem elektrostatischen Analysator sind.

Vorzugsweise kann die wesentliche Verlängerung in Z-Richtung des elektrostatischen Analysators, des Konverters und des Ionenpakets mindestens eine zehnfache Verlängerung relativ zu den entsprechenden Dimensionen sowohl in die X- wie auch Y-Richtung umfassen.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung ferner mindestens einen Detektor aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Flugzeitdetektor wie eine Mikrokanalplatte oder ein sekundärer Elektronenvervielfacher für ein destruktives Erfassen von Ionenpaketen am Ausgangsteil des Ionenpfades; (ii) ein Flugzeitdetektor, der einen Teil von injizierten Ionen pro einzelner Ionenschwingung abtastet; (iii) ein Ionen/Elektronen-Konverter in Kombination mit einem Flugzeitdetektor für den Empfang sekundärer Elektronen; (iv) ein Spiegelstromdetektor. Vorzugsweise umfasst der elektrostatische Analysator einen Analysator aus der folgenden Gruppe: (i) eine geschlossene elektrostatische Falle; (ii) eine offene elektrostatische Falle; (iii) eine orbitale elektrostatische Falle; (iv) ein Flugzeitmasse-Analysator. Vorzugsweise umfasst der elektrostatische Analysator mindestens einen Elektrodensatz aus der folgenden Gruppe: (i) ein Ionenspiegel; (ii) ein elektrostatischer Sektor; (iii) ein Ionenspiegel mit radialer Ablenkung für eine orbitale Ionenbewegung; (iv) eine feldfreie Region; (v) eine räumliche Fokussierungslinse; und (vi) ein Deflektor. Vorzugsweise können der Ionenleiter und der gepulste Konverter entweder ähnliche oder identische Querschnitte in der X-Y-Ebene haben. Vorzugsweise kann der Konverter eine Vakuumverlängerung des gashaltigen Ionenleiters sein, die durch Vorragen eines einzelnen Ionenleiters durch mindestens eine Stufe eines differentialen Pumpens gebildet wird. Vorzugsweise kann der Konverter ferner einen stromaufwärts liegenden gekrümmten Hochfrequenzteil zur Verringerung der Gaslast von dem gashaltigen Ionenleiter umfassen. Vorzugsweise umfasst der gepulste Konverter ferner Mittel für eine Zuleitung von gepulstem Gas in den gepulsten Konverter. Vorzugsweise kann das Ioneninjizierungsmittel eine gekrümmte Transferoptik zum Blockieren eines direkten Gaspfades von dem Konverter in den elektrostatischen Analysator umfassen.
Vorzugsweise kann das Mittel zur Ioneninjizierung mindestens ein Injizierungsmittel aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) ein Injizierungsfenster in einer feldfreien Region des Analysators; (ii) ein Spalt zwischen Elektroden des Analysators; (iii) ein Schlitz in einer Elektrode des Analysators; (iv) ein Schlitz in der äußeren Ionenspiegelelektrode; (v) ein Schlitz in mindestens einer Sektorelektrode; (vi) ein elektrisch isolierter Abschnitt mindestens einer Elektrode des Analysators mit einem Fenster zur Ioneneinleitung; (vii) mindestens eine Hilfselektrode für den Ausgleich von Feldverzerrungen, die durch ein Ioneneinleitungsfenster eingeführt werden; (viii) ein gepulster gekrümmter Deflektor zum Drehen der Ionenflugbahn; (ix) mindestens ein gepulster Deflektor zum Lenken der Ionenflugbahn; und (x) mindestens ein Paar von Deflektoren für eine gepulste Verschiebung der Ionenflugbahn. Weiter bevorzugt kann mindestens eine der Elektroden zur Ioneneinleitung an eine gepulste Energieversorgung angeschlossen sein.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung ferner ein Energieeinstellungsmittel aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine Energieversorgung für ein einstellbares Floaten des gepulsten Konverters vor einem Ionenausstoß; (ii) einen Elektrodensatz für eine gepulste Beschleunigung von Ionenpaketen aus der gepulsten Ionenquelle oder dem gepulsten Konverter; und (iii) eine Elevatorelektrode, die sich zwischen dem gepulsten Konverter und der elektrostatischen Falle befindet, wobei der Elevator während des Durchgangs der Ionenpakete durch die Elevatorelektrode pulsierend gefloatet wird.
Vorzugsweise kann der eingeschriebene Radius des gepulsten Konverters einer aus der folgenden Gruppe sein: (i) 3mm; (ii) 1mm; (iii) 0,3mm; (iv) 0,1mm; und wobei die Frequenz des Hochfrequenzfeldes umgekehrt proportional zum eingeschriebenen Radius erhöht ist. Vorzugsweise kann der Konverter durch ein Herstellungsverfahren aus der folgenden Gruppe gebildet werden: (i) Elektroerosion oder Laserschneiden eines Plattenstapels; (ii) maschinelle Bearbeitung eines keramischen oder halbleitenden Blocks mit anschließender Metallisierung von Elektrodenflächen; (iii) Elektroformen; (iv) chemisches Ätzen oder Ätzen durch Ionenstrahl eines halbleitenden Stapels mit Oberflächenmodifizierungen zur Kontrolle der Leitfähigkeit; und (v) Verwendung einer keramischen Leiterplattentechnologie.
Das entsprechende Verfahren einer massenspektrometrischen Analyse umfasst die folgenden Schritte:

(a) Bilden von Ionen in einer Ionenquelle;
(b) Hindurchleiten mindestens eines Teils der Ionen durch einen gashaltigen Hochfrequenz-Ionenleiter;
(c) innerhalb eines gepulsten Konverters, Empfangen mindestens eines Teils der Ionen von dem gashaltigen Hochfrequenz-Ionenleiter und Begrenzen der empfangenen Ionen in einer X-Y-Ebene durch ein Hochfrequenzfeld;
(d) Pulsinjizierung von Ionen von dem gepulsten Konverter in ein elektrostatisches Feld eines elektrostatischen Ionenanalysators und in die Richtung lokal orthogonal zu der Z-Richtung;
(e) innerhalb des elektrostatischen Analysators Bilden eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in einer X-Y-Ebene; wobei das Feld im Wesentlichen in eine lokal orthogonale und im Allgemeinen gekrümmte Z-Richtung verlängert ist und isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene ermöglicht;
(f) wobei das Hochfrequenzfeldvolumen des gepulsten Ionenkonverters im Wesentlichen in der im Allgemeinen gekrümmten Z-Richtung verlängert ist und parallel zu dem verlängerten elektrostatischen Analysator ausgerichtet ist; und
(g) wobei der gepulste Konverter im Wesentlichen bei Vakuumbedingungen ist, die mit Vakuumbedingungen in dem elektrostatischen Analysator vergleichbar sind.

Vorzugsweise kann die Ionenkommunikation zwischen dem gashaltigen Ionenleiter und dem vakuumgepulsten Konverter einen Schritt aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) Bereitstellen einer konstanten Ionenkommunikation zum Aufrechterhalten eines Gleichgewichts einer Ionen m/z-Zusammensetzung; (ii) gepulste Injizierung von Ionen aus einem gashaltigen in ein Vakuumteil; und (iii) Leiten von Ionen in ein Vakuumteil in einem Durchgangsmodus. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt entweder eines statischen oder gepulsten Ionenabstoßes an Z-Kanten des gepulsten Konverters entweder durch RF- oder DC-Felder umfassen. Vorzugsweise kann die Füllzeit des gepulsten Konverters kontrolliert werden, um entweder eine Sollzahl der Füllionen zu erreichen oder zwischen zwei Füllzeiten zu wechseln. Vorzugsweise kann die Distanz zwischen dem gepulsten Konverter und dem elektrostatischen Feld des Analysators mindestens dreimal kleiner gehalten werden als der Ionenpfad pro einzelner Schwingung, um die m/z-Spanne eingeleiteter Ionen auszudehnen. Vorzugsweise durchqueren die injizierten Ionen das elektrostatische Feld des Analysators in der Z-Richtung.
Vorzugsweise kann das begrenzende Hochfrequenzfeld vor dem Ionenausstoß aus dem gepulsten Konverter ausgeschaltet werden. Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt einer Ionenerfassung umfassen, wobei die gepulsten elektrischen Felder in dem Ioneninjizierungsschritt eingestellt sind, um die Flugzeitfokussierung in der X-Z Ebene des Detektors bereitzustellen; und wobei elektrische Felder des elektrostatischen Analysators eingestellt sind, um die Flugzeitfokussierung in der X-Z Ebene des Detektors bei anschließenden Ionenschwingungen zu unterstützen.
Ein besonderes Verfahren kann ferner einen Schritt eines Multiplexens der einfangenden elektrostatischen Felder zu einem Array einfangender elektrostatischer Felder für einen Zweck aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) eine parallele massenspektrometrische Analyse; (ii) Multiplexen desselben Ionenflusses zwischen einzelnen elektrostatischen Feldern; und (iii) Erhöhung der Raumladungskapazität des einfangenden elektrostatischen Feldes.
Figurenliste
Es werden nun verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einer Anordnung, die nur veranschaulichenden Zwecken dient, nur als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:

1 eine koaxiale I-Pfad E-Falle nach dem Stand der Technik mit einem Spiegelladungsdetektor zeigt;
2 eine orbitale Falle nach dem Stand der Technik mit einer orbitalen Ionenbewegung innerhalb eines hyper-logarithmischen Feldes zeigt;
3 das Prinzip einer 2-D E-Fallen-Verlängerung in der Z-Richtung veranschaulicht;
4 verschiedene Arten und die Topologien von Elektrodensätzen zeigt, die eine Z-Verlängerung der elektrostatischen Falle ermöglichen;
5 die Arten von Multiplexen von elektrostatischen Feldern zeigt;
6 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine verallgemeinerte Ausführungsform einer neuartigen E-Falle zeigt;
7 Größen und Spannungen für einen beispielhaften Ionenspiegel und einen beispielhaften gepulsten Konverter wie auch simulierte Parameter injizierter Ionenpakete zeigt;
8 verschiedene Ausführungsformen von Begrenzungsmitteln und deren Zeitverzerrungen zeigt;
9 die Simulationsergebnisse für eine Spiegelladungserfassung zeigt, die durch die Wavelet-Fit-Analyse beschleunigt ist;
10 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) Ausführungsformen mit der Teilung von Spiegelladungsdetektoren in Z- und X-Richtungen zeigt;
11 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) ein Prinzip der Verwendung eines TOF-Detektors mit einer Ionen/Elektronen-Konvertierungsfläche für die Erfassung der Ionenschwingungsfrequenzen veranschaulicht;
12 eine schematische Darstellung für den ionengepulsten Konverter zeigt, der aus einem radialen ausstoßenden Hochfrequenz-Ionenleiter gebaut ist;
13 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine schematische Darstellung für einen gekrümmten gepulsten Konverter zeigt, der für eine zylindrische Ausführungsform einer E-Falle geeignet ist;
14 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine Ausführungsform eines gepulsten Konverters zeigt, der durch einen feldfreien Raum einer E-Falle vorragt;
15 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine Ausführungsform einer Ioneninjizierung über einen gepulsten elektrostatischen Sektor zeigt;
16 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine Ausführungsform einer Ioneninjizierung über einen gepulsten Deflektor zeigt;
17 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine Ausführungsform einer Ioneninjizierung über einen elektrostatischen Ionenleiter zeigt;
18 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) eine Ausführungsform eines gepulsten Konverters zeigt, der aus einer ausgleichenden E-Falle besteht;
19 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) die bevorzugteste Ausführungsform zeigt, wobei die E-Falle zu einem Zylinder gekrümmt ist und wobei das E-Fallen-Massenspektrometer mit einem Chromatograph und mit einem ersten MS zur MS-MS Analyse kombiniert ist; und
20 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) Prinzipien einer Ionenselektion, oberflächeninduzierten Fragmentierung und Massenanalyse von Fragment-Ionen innerhalb derselben E-Fallen-Vorrichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine koaxiale E-Falle 11 nach dem Stand der Technik von US 6,744,042 B2 , das hierin zum Zwecke durch Bezugnahme einbezogen wird, zwei koaxiale Ionenspiegel 12 und 13, die durch eine feldfreie Region 14 beabstandet sind, eine gepulste Ionenquelle 17, einen Spiegelstromdetektor 15 mit Vorverstärker und ADC 16, einen Satz gepulster Energieversorgungen 17 und DC 18 Energieversorgungen, die wie dargestellt an die Spiegelelektroden angeschlossen sind. Der Abstand zwischen Spiegelkappen ist 400mm und die Beschleunigungsspannung ist 4kV.
In Betrieb erzeugt die Ionenquelle 17 Ionenpakete bei 4keV Energie, die gepulst in den Abstand zwischen Ionenspiegeln durch zeitweiliges Senken der Spannungen der Spiegel 12 zugeleitet werden. Nach Wiederherstellen der Spiegelspannungen schwingen die Ionenpakete zwischen den Ionenspiegeln in der Nähe der Z-Achse, wodurch sich wiederholende I-Pfad-Ionenflugbahnen entstehen. Die Pakete werden räumlich auf 2mm Durchmesser fokussiert und entlang der Z-Achse auf etwa 30mm verlängert, d.h. das Ionenpaketvolumen kann mit 100mm³ geschätzt werden. Schwingende Ionenpakete lösen ein Spiegelstromsignal auf der zylindrischen Detektorelektrode 18 aus. Die typische Schwingungsfrequenz ist 300kHz für 40amu Ionen (entsprechend F=60kHz für 1000amu Ionen, die anderswo in dieser Anmeldung betrachtet werden). Das Signal wird für eine Zeitspanne von ~1 Sekunde erfasst. US 6,744,042 B2 beschreibt Raumladungs-Selbstbündelungseffekte als den Hauptfaktor, der die Flugzeiteigenschaften von elektrostatischen I-Pfad-Fallen für Ionenpakete mit 1E+6 Ionen entsprechend einer Ladungsdichte von 1E+4 Ionen/mm³, bestimmt. Der Durchsatz der zylindrischen Falle ist geringer als 1E+6 Ionen/Sek., was einem sehr niedrigen 0,1% Wirkungsgrad entspricht, wenn intensive modern Ionenquellen verwendet werden, die mehr als 1E+9 Ionen/Sek. erzeugen.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst eine orbitale elektrostatische Falle 21 nach dem Stand der Technik von US 5,886,346 A zwei koaxiale Elektroden 22 und 23, die ein hyper-logarithmisches elektrostatisches Feld bilden. Ionen (durch Pfeil 27 dargestellt) werden von einer externen Ionenquelle erzeugt, werden innerhalb der C-Falle 24 in einem mäßig länglichen Volumen 25 gelagert und werden gepulst in die orbitale Falle 21 über eine feine ~1mm Apertur eingespritzt (Makarov et al. JASMS 17 (2006) 977-982, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird) und werden dann durch ansteigende Orbitrap-Potentiale eingefangen. Die Ionenpakete drehen um die zentrale Elektrode 32, während sie in dem axialen parabolischen Potential (linearen Feld) schwingen, wodurch spiralförmige Flugbahnen entstehen. Wie in Anal. Chem. v.72 (2000) 1156-1162, beschrieben, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, überschreitet das Verhältnis von tangentialen und axialen Schwingungsfrequenzen π/2^1/2, um die radiale Bewegung zu stabilisieren, und in den praktischen Orbitrap-Geometrien ist das Verhältnis von tangentialen zu axialen Durchschnittsgeschwindigkeiten höher als ein Faktor von 3. Der ladungsempfindliche Verstärker 26 erfasst ein Differentialsignal, das durch Ionendurchgänge über den Elektrodenspalt zwischen zwei Hälften 23A und 23B der Elektrode 23 induziert wird. Die Fourier-Transformation des Spiegelstromsignals liefert Spektren von Schwingungsfrequenzen, die dann in Massenspektren umgewandelt werden.
Eine orbitale elektrostatische Falle in US 5,886,346 A , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, mit C-Falle stellt eine große Raumladungskapazität pro einzelner Ioneninjizierung von bis zu 3E+6 Ionen pro Injizierung (JASMS v.20, 2009, Nr.8, 1391-1396) bereit. Die Ladungsdichte wird mit 1E+4 Ionen/mm³ geschätzt. Eine höhere Toleranz der Orbitalfalle (im Vergleich zu I-Pfad E-Fallen) wird durch das ladungstolerante harmonische Potential und durch eine höhere Feldstärke erklärt. Die Unterseite der orbitalen Falle ist in der Signalerfassung langsam: es dauert etwa 1 Sekunde, um ein Spektrum mit 100.000 Auflösungsleistung zu erhalten. Die geringere Geschwindigkeit begrenzt auch den maximalen Ionenfluss auf 3E+6 Ionen/Sekunde, was weitaus geringer ist als durch moderne Ionenquellen bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Raumladungskapazität von E-Fallen durch Verlängern von E-Fallen in die Richtung im Allgemeinen orthogonal zur Ionenschwingungsebene. Die Erfassungsgeschwindigkeit wird durch Verwendung schärferer Ionenpakete und durch Anwenden verschiedener Wellenform-Analysemethoden beschleunigt.
VORRICHTUNG UND VERFAHREN DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 3 (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) umfasst das Verfahren der massenspektrometrischen Analyse der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte: (a) Bilden mindestens zwei paralleler elektrostatischer Feldvolumina, getrennt durch einen feldfreien Raum; (b) Anordnen der elektrostatischen Felder, die zweidimensional sind, in einer X-Y-Ebene; (c) wobei die Feldstruktur sowohl isochrone sich wiederholende Ionenschwingungen zwischen den Feldern innerhalb der X-Y-Ebene wie auch ein stabiles Ioneneinfangen in der X-Y-Ebene bei einer Ionengeschwindigkeit von etwa Null in der orthogonalen Richtung zur X-Y-Ebene ermöglicht; (d) Injizierung von Ionenpaketen in das Feld; (e) Messen von Frequenzen der Ionenschwingungen mit einem Detektor; und (f) wobei das elektrische Feld verlängert ist und die Feldverteilung in der X-Y-Ebene entlang einer Z-Richtung lokal orthogonal zur X-Y-Ebene reproduziert wird, um entweder ebene oder torusförmige Feldregionen zu bilden.
Der Deutlichkeit wegen ermöglichen die hier verwendeten elektrostatischen Felder, im Gegensatz zu Orbitalfallen, bei welchen eine orbitale Bewegung für eine Stabilität von Ionenschwingungen erforderlich ist, eine stabile Ionenbewegung bei einer Ionengeschwindigkeit von Null in der Z-Richtung. Dies schließt eine Ionenbewegung in Z-Richtung nicht aus. In einem solchen Fall würden die neuartigen verlängerten elektrostatischen Felder auch schwingende Ionen einfangen.
Das Zeichen 30 zeigt X-, Y- und Z-Achsen und zeigt, das trotz Verschiebungen und Drehungen zwischen X-Y-Ebenen die im Allgemeinen gekrümmte Z-Achse lokal orthogonal zur X-Y-Ebenen bleibt, so dass die Achsen X und Y in jeder X-Y-Ebene wechselseitig orthogonal bleiben. Das Zeichen zeigt reproduzierte Feldregionen als dunkle eingeschlossene Regionen willkürlicher Form und zeigt, dass die Feldregionen parallel bleiben und mit der lokalen X-Y-Ebene ausgerichtet sind. Die Feldverteilungen E₁(X,Y) und E₂(X,Y) werden von Region zu Region entlang einer im Allgemeinen gekrümmten Achse Z reproduziert. Das Zeichen zeigt auch eine willkürliche und im Allgemeinen gekrümmte Referenz-Ionenflugbahn bzw. Trajektorie T entsprechend einer unbeschränkt stabilen und isochronen Ionenbewegung zwischen Feldregionen und über eine feldfreie Region. In der gesamten Anmeldung ist die X-Achse für gewöhnlich so gewählt, dass die T-Richtung der Flugbahn mit der X-Achse in mindestens einem Punkt übereinstimmt. Es ist zu beachten, dass die Feldverlängerung nicht nur eine lineare Verlängerung von zweidimensionalen Feldern sein kann, sondern auch eine periodische Wiederholung von dreidimensionalen Feldsegmenten, die X-Y-Symmetrieebenen mit der reproduzierten Feldverteilung E₁(X,Y) und E₂(X,Y) und somit mit der reproduzierten Ionenbewegung entlang der Referenz-Flugbahnen T haben.
Die Reproduktion der Feldstruktur ermöglicht die Reproduktion von Eigenschaften periodischer Schwingungen von Ebene zu Ebene. Dies ermöglicht im Wesentlichen die Verlängerung des Einfangvolumens, während dieselbe Schwingungsfrequenz innerhalb des gesamten Einfangfeldes beibehalten wird, wodurch die Raumladungskapazität und der Raumladungsdurchsatz von elektrostatischen Fallen signifikant verbessert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3, und auf Ebene der schematischen Zeichnungen umfasst eine bevorzugte Ausführungsform 31 des elektrostatischen Fallen- (E-Fallen-) Massenspektrometers: eine Ionenquelle 32, einen gepulsten Ionenkonverter 33, ein Ioneninjizierungsmittel 34, eine E-Falle 35, die aus zwei Sätzen von Elektroden 36 besteht, die durch eine feldfreie Region 37 getrennt sind, optional ein Mittel 38 zum Begrenzen von Ionen in der Z-Richtung an Z-Kanten der E-Falle und einen Detektor 40 zum Erfassen der Frequenz von Ionenschwingungen, hier als Elektroden für die Bildstromerfassung dargestellt. In anderen Ausführungsformen umfasst das Mittel einen Flugzeitdetektor. Optional umfasst die E-Falle ferner Hilfselektroden 39 mit Hilfsfeldern, die in den Raum von Elektroden 36 eindringen.
In Betrieb sind die Elektrodensätze für ein unbeschränktes Einfangen sich bewegender Ionen innerhalb eines gewissen Bereichs von Ionenenergien angeordnet, während die Ionenbewegung entlang der X-Achse aufrechterhalten wird, die isochron ist. Die Elektrodenfelder sorgen für eine Ionenreflexion entlang der X-Achse und eine unbeschränkte räumliche Begrenzung von Ionen in der Y-Richtung durch räumliche Fokussierung von Ionenpaketen. Z-Begrenzungsmittel 38 sorgen für eine unbeschränkte Ionenbegrenzung in der dritten Z-Richtung. Elektrodensätze 36 sind im Wesentlichen in der Drift-Z-Richtung verlängert, um ebene Felder E₁(X,Y) und E₂(X,Y) zu bilden. Alternativ werden die Felder durch Widerholen derselben Feldabschnitte entlang der Z-Achse verlängert, wobei vorzugsweise die Feldabschnitte in Kommunikation bleiben. Verschiedene Feldtopologien sind im nächsten Abschnitt dargestellt.
Ferner erzeugt die externe Ionenquelle 32 in Betrieb Ionen von analysierten Verbindungen. Der gepulste Konverter 33 akkumuliert Ionen und injiziert periodisch Ionenpakete durch Injizierungsmittel 34 und im Wesentlichen entlang der X-Achse in die E-Falle 35 ein. Vorzugsweise ist der Ionenkonverter 34 auch entlang der Z-Achse verlängert, um die Raumladungskapazität des Konverters zu verbessern. Der Detektor 40 (hier Spiegelstromdetektor) erfasst die Frequenz F von Ionenschwingungen entlang der X-Achse und das Signal wird in ein Massenspektrum umgewandelt, da F~(m/z)^-0,5.
UNTERSCHEIDUNG ZUM STAND DER TECHNIK
Die neuartige E-Falle stellt zwei neuartige Merkmale bereit, die bei E-Fallen und TOF MS nach dem Stand der Technik nicht erreichbar waren: (a) wesentliche Verlängerung des E-Fallen-Volumens und (b) wesentliche Verlängerung des gepulsten Konverters, wodurch die Raumladungskapazität der E-Falle und der Wirkungsgrad des Konverters verbessert werden.
Die neuartige E-Falle unterscheidet sich von TOF und M-TOF MS nach dem Stand der Technik durch: (a) Erfassungsprinzip: die neuartige E-Falle misst die Frequenz unbeschränkter Ionenschwingungen, während die TOF nach dem Stand der Technik die Flugzeit pro bestimmtem Flugpfad misst; (b) durch die Ionenpaketgröße - während M-TOF eine periodische Linse zur Begrenzung von Ionen in Z-Richtung verwendet, ermöglicht die neuartige E-Falle, dass Ionen einen großen Teil der Z-Breite einnehmen, wodurch die Raumladungskapazität verbessert wird; und (c) durch eine viel breitere Klasse von einfangenden elektrostatischen Feldern der Erfindung;
Die neuartige E-Falle unterscheidet sich von den koaxialen I-Pfad E-Fallen nach dem Stand der Technik durch die elektrische Feldtopologie: die neuartige ebene E-Falle verwendet ausdehnbare ebene und torusförmige 2-D Felder, während I-Pfad E-Fallen nach dem Stand der Technik axialsymmetrische zylindrische Felder mit beschränktem Volumen verwenden.
Die neuartige E-Falle unterscheidet sich von den Rennbahn-Mehrfachwindungs-E-Fallen nach dem Stand der Technik durch: (a) Verlängern des Sektorfeldes in Z-Richtung zur Verbesserung der Raumladungskapazität der neuartigen E-Falle; und (b) Verwendung mehrerer anderer zweidimensionaler Felder, die eine höhere Ordnung räumlicher und Flugzeitfokussierung ermöglichen; und (c) durch das Prinzip der Frequenzmessung in der neuartigen E-Falle gegenüber dem Flugzeitprinzip im Großteil der Rennbahn-E-Fallen nach dem Stand der Technik;
Die neuartige E-Falle unterscheidet sich von den Orbitalfallen nach dem Stand der Technik durch: (a) die Art des elektrostatischen Feldes - die neuartige E-Falle verwendet Felder von Ionenspiegeln und elektrostatischen Sektoren, während die Orbitalfallen hyper-logarithmische Felder verwenden; (b) elektrostatische Feldtopologie - die neuartige E-Falle verwendet ausdehnbare 2D Felder, während das hyper-logarithmische Feld in alle drei Richtungen gut definiert ist; (c) die Rolle einer orbitalen Ionenbewegung - die neuartige Falle ermöglicht das Ioneneinfangen ohne orbitale Bewegung, während in Orbitalfallen das Verhältnis der orbitalen und axialen Durchschnittsgeschwindigkeiten deutlich über dem Faktor 3 liegt, um die radiale Ionenbegrenzung zu erreichen; (d) Form von Ionenflugbahnen - die neuartige Falle ermöglicht stabile Ionenflugbahnen innerhalb einer gewissen Ebene, die in Orbitalfallen nicht erreichbar sind; und (e) eine wesentliche Verlängerung eines gepulsten Konverters ist in dem gegenwärtigen Format der Orbitalfalle nicht erreichbar, da Ionenpakete durch eine kleine ~1mm Apertur eingeführt werden müssen.
Die neuartige E-Falle unterschiedet sich von der 3D E-Falle nach dem Stand der Technik, WO 2009/001909 A2 , das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, durch:

(a) elektrische Feldtopologie - die neuartige E-Falle verwendet ausdehnbare Felder, während die 3D E-Falle ein dreidimensionales Feld verwendet, das keine unbegrenzte Feldverlängerung in einer lateralen Richtung ermöglicht; (b) elektrische Feldart - die Erfindung schlägt ausdehnbare ebene Felder vor, während 3-D Fallen eine besondere Klasse dreidimensionaler Felder verwenden; (c) Rolle der lateralen Bewegung und Ionenflugbahn - die neuartige E-Falle ermöglicht eine Ausrichtung von Ionenflugbahnen innerhalb einer Ebene, während die 3-D E-Falle nach dem Stand der Technik eine orbitale Ionenbewegung zur Stabilisierung einer Ionenflugbahn in lateraler Richtung benötigt; und (d) Elektrodenform - die neuartige E-Falle ermöglicht praktisch verwendbare gerade und kreisförmige Elektroden, während die 3D E-Falle komplexe 3-D gekrümmte Elektroden erfordert.

Betrachten wir die neuartigen Feldstrukturen und Feldtopologien der vorliegenden Erfindung näher.
ARTEN UND TOPOLOGIEN AUSDEHNBARER FELDER
Unter Bezugnahme auf 4, wird die allgemeine Benennung von Koordinatenachsen in der gesamten Anmeldung wie folgt beibehalten:

• X-, Y- und Z-Achsen sind lokal orthogonal;
• T- ist die Richtung der isochronen gekrümmten Referenz-Ionenflugbahn in der X-Y-Ebene;
• X-Y-Ebene ist die Ebene eines 2D elektrostatischen Feldes oder eine Symmetrieebene von 3D Feldsegmenten; neuartige E-Fallen ermöglichen ein stabiles Einfangen sich bewegender Ionen innerhalb der X-Y-Ebene;
• X-Richtung stimmt mit der T-Richtung in mindestens einem Punkt überein; Falle X- Länge = L;
• Y-Richtung ist lokal orthogonal zu X, Falle Y-Höhe = H;
• Z-Richtung ist lokal orthogonal zur X-Y-Ebene; das Feld der E-Falle ist entlang einer linearen oder gekrümmten Z-Richtung verlängert. Ionenpakete sind in Z-Richtung verlängert; Falle Z-Breite = W.

Wie unten beschrieben, können die Achsen gedreht werden, während die Eigenschaft, lokal orthogonal zueinander zu liegen, beibehalten wird. Dann drehen X-Y- und X-Z-Ebenen und folgen den Krümmungen der Z-Richtung.
Unter Bezugnahme auf 4-A sind einige bekannte Arten von elektrostatischen Feldern dargestellt, die (a) im Wesentlichen zweidimensional sind und (b) eine isochrone Ionenbewegung ermöglichen. Diese Felder werden in Fallen 41 verwendet, die aus parallelen Ionenspiegeln 46, getrennt durch einen feldfreien Raum 49, gebildet sind, wie auch in Fallen 42, die aus elektrostatischen Sektoren 47 und feldfreien Regionen 49 gebildet sind, so dass Ionenflugbahnen geschlungen werden. Obwohl die Aberrationen elektrischer Sektoren relativ zu jenen in Ionenspiegeln geringfügig sind, bieten Sektoren einen Vorteil einer kompakten Flugbahnfaltung und einer leichten Ioneninjizierung, z.B. durch ein Fenster 476 in einem gepulsten Abschnitt 475. Die Erfindung schlägt ferner neuartige Kombinationen vor, einschließlich Fallen 43, die aus isolierten Ionenspiegeln 46 und Sektoren 47 gebaut sind, wie auch Fallen 44, die aus hybriden Feldern 48 gebaut sind, die Merkmale sowohl des elektrostatischen Sektors wie auch des Ionenspiegels aufweisen. Es ist zu beachten, dass alle Felder einschließlich elektrostatischer Sektoren 57 durch eine gebogene T-Achse charakterisiert sind. Von den hybriden Feldern wird erwartet, dass sie eine zusätzliche Stabilität für eine radiale Ionenbewegung liefern, die die Feldlinearität für eine bessere Isochronität und höhere Raumladungskapazität von E-Fallen verbessern würde.
Unter Bezugnahme auf 4-B sind mehrere beispielhafte Formen von Ionenspiegelelektroden und von Sektorelektroden dargestellt. Für einen Fachmann ist klar, dass, obwohl die dargestellten Ionenspiegel 461 aus parallelen und gleich dicken Elektroden bestehen, einer aus einem Spiegel aus willkürlich geformten Elektroden bestehen kann, wie in den Ausführungsformen 462 und 463, z.B. für den Zweck der Verringerung der Anzahl verwendeter Potentiale oder zum Erreichen einer besseren Isochronität. Es ist auch klar, dass die Sektoren 47 aus mehreren Untereinheiten (wie in Ausführungsformen 471 und 472) mit einem weiten Bereich voll drehender Winkel bestehen können, während die isochronen Eigenschaften von E-Fallen beibehalten werden. Es ist auch klar, dass ein asymmetrisches zweidimensionales Feld verwendet werden kann und die isochronen Feldeigenschaften für die Referenz-Ionenflugbahnen T erreicht werden können, die nicht mit der X-Symmetrieachse ausgerichtet sind, obwohl der Einfachheit wegen eine symmetrische Anordnung bevorzugt ist.
Unter Bezugnahme auf 4-C und auf das Beispiel der E-Falle 41 schlägt die Erfindung eine Feldverlängerung auf mehrere Weisen vor: eine lineare Verlängerung der Z-Achse wie in 411 und eine Verlängerung mit Schließen der Z-Achse zu einem Kreis, wie in der Ausführungsform 412. Nach der Laplace-Gleichung für elektrostatische Felder dEx/dx + dE_Y/dy = - dEz/dz, muss zur Reproduktion eines elektrostatischen Feldes E(x,y) in der Z-Richtung, die z-Ableitung dEz/dz der Z-Feldkomponente entweder Null oder konstant sein, was entweder einem Null Ez=0, einem konstanten Ez=konst oder einem linearen Ez=const*z Feld entspricht. Im einfachsten Fall von Ez=0 ermöglicht die Gleichung die reproduktive Verlängerung eines rein zweidimensionalen E(x,y) Feldes entlang einer geraden oder einer konstant gekrümmten Achse Z.
Unter Bezugnahme auf 4-D ist die Ebene der Z-Achsenkrümmung zur X-Achse (oder T-Achse) in einem willkürlichen Winkel Φ geneigt, wobei spezielle Topologiefälle Φ=180 Grad (0 Grad) wie in den Ausführungsformen 415-417, und Φ=90 Grad wie in der Ausführungsform 412 entsprechen. Vorzugsweise sollte der Krümmungsradius R relativ groß gewählt werden, um die Krümmungseffekte zu verringern und das Volumen der E-Falle zu vergrößern. Dennoch entsprechen einige spezielle geometrische Fälle einem bestimmten Verhältnis von R relativ zur X-Größe von Fallen, z.B. sind in den Ausführungsformen 413 und 414 die Wahl des Winkels Φ und des Krümmungsradius R ausgeglichen, um die Falle aus zwei kreisförmigen Ionenspiegeln und nicht aus vier Ionenspiegeln zu bilden. Die Ausführungsformen 413, 414 und 415 bieten einen Vorteil kompakter Größe des Spiegeldetektors 50. Die Ausführungsformen 412, 415, 416 und 417 ermöglichen ein kompaktes Einbinden der Falle und eine mechanische Stabilität von Ringelektroden.
Unter Bezugnahme auf 4-E können die elektrostatischen Fallen 42, die aus Sektoren 47 gebaut sind, auch entweder durch eine lineare Verlängerung der Z-Achse verlängert werden, wie in der Ausführungsform 421, oder durch Schließen der Z-Achse zu einem Kreis, um das Sektorfeld sphärisch zu machen, wie in der Ausführungsform 422, oder torusförmig mit dem Winkel Φ=0 in der Ausführungsform 423 und Φ=90 in der Ausführungsform 424. Vernünftige Elektrodenstrukturen ergeben sich bei anderen willkürlichen Winkeln Φ.
Unter Bezugnahme auf 4-E können die kombinierten Fallen 43, die aus den Sektoren 47 und den Ionenspiegeln 46 gebaut sind, auf verschiedene Weisen konstruiert werden, abhängig von der Anordnung und dem Sektordrehwinkel. Die beispielhaften Zeichnungen zeigen einige neuartige Kombinationen mit einer U-Form der Ionenflugbahn, obwohl viel mehr dieser Strukturen konstruiert werden können, indem Ionenflugbahnen zu einer O-, C-, S-, X-, V-, W-, UU-, W-, Ω-, γ, und 8- Trajektorie und so weiter geformt werden. In allen diesen kombinierten Fallen 43 ist die T-Achse der Referenz-Ionenflugbahn gekrümmt. Dies schließt jedoch das Biegen der Z-Achse wie in der Ausführungsformen 432, 433 und 434 nicht aus. Die Ausführungsform 431 entspricht einer geraden Z-Achse. Die Ausführungsform 432 entspricht einer kreisförmigen Achse Z mit besonderem Krümmungsradius zur Bildung eines sphärischen Sektors. Die Ausführungsformen 433 und 434 entsprechen einer kreisförmigen Achse Z mit einem größeren Krümmungsradius zur Bildung torusförmiger Felder und den besonderen Fällen des Winkels Φ=90 und Φ= 180 (0).
Unter Bezugnahme auf 4-G wird das ähnliche Umschlagen von Fallen 43 an den Beispielen 436 und 437 der V-Flugbahn-Fallen gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 4-H ist ein gekrümmtes Beispiel 442 der hybriden Falle 44 dargestellt, wobei die Ionenspiegel 48 auch die Funktion von elektrostatischen Sektoren erfüllen, d.h. mindestens einige innere Ringelektroden haben eine Spannung, die relativ zu äußeren Ringelektroden versetzt ist. Die Ionenbewegung ist durch T-Linien dargestellt und besteht aus den Ionenschwingungen entlang der X-Achse und einer orbitalen Bewegung entlang der kreisförmigen Z-Achse. Obwohl die Stabilität einer radialen Ionenbewegung vorwiegend durch räumliche Fokussierungseigenschaften der zweidimensionalen Felder geregelt wird, kann dennoch eine stärkere radiale Bewegung die Region von rein quadratischem Potential nahe dem Verlangsamungspunkt erweitern. Im Gegensatz zu bekannten Orbitalfallen ermöglicht die vorgeschlagene hybride E-Falle eine flexible Variation von Parametern. Das Vorhandensein eines feldfreien Raumes erleichtert die Ioneninjizierung und den Ionennachweis durch TOF-Detektoren.
Die oben beschriebenen ausdehnbaren Felder können entlang der Z-Achse räumlich moduliert werden, ohne isochrone oder räumliche Begrenzungseigenschaften von E-Fallen zu verlieren. Eine solche Modulierung kann z.B. durch (a) leichte periodische Variationen des Krümmungsradius; (b) Biegen von Fallenelektroden; (c) Verwendung von Streufeldern von Hilfselektroden; und (d) Verwendung räumlicher Fokussierunglinsen im feldfreien Raum erreicht werden. Eine solche räumliche Modulierung können für eine Ionenpaketlokalisierung innerhalb mehrerer Regionen verwendet werden.
Andere besondere Geometrien von isochronen und verlängerten E-Fallen können nach der folgenden, oben dargelegten Strategie erzeugt werden: (a) Verwendung einer Kombination von isochronen Ionenspiegeln, elektrostatischen Sektoren, die durch feldfreie Regionen voneinander getrennt sind; (b) Verlängern dieser Felder linear oder zu Torusformen oder Sphären; (c) Variieren des Krümmungsradius und eines Neigungswinkel zwischen der lokalen Ebene einer zentralen Ionenflugbahn und einer X-Achse die mit der T-Linie an mindestens einem Punkt übereinstimmt; (d) räumliche Modulation dieser Felder entlang der sich ausdehnenden Z-Achse; (e) optionales Multiplexen dieser Fallen, während optional kommunizierende Feldsegmente beibehalten werden; (f) optional Verwenden einer orbitalen Bewegung; und (g) Verwenden verschiedener räumlicher Orientierungen der multiplexten Felder. Zwischen den mehreren Strukturen und Topologien kann eine Präferenz beruhend auf Folgenden getroffen werden: (a) bekannte isochrone Eigenschaften wie im Fall von Spiegeln und Sektoren; (b) kompaktes Umschlagen von Ionenfallen wie in Zylindern und Sektorfeldern; (c) praktische Ioneninjizierung wie in Sektoren; (d) geringe Größe des Spiegelstromdetektors wie in 4G; (e) mechanische Stabilität von Elektroden wie kreisförmigen Elektroden; (f) weiter Bereich von Betriebsparametern und leichtes Abstimmen; (g) Kompatibilität für ein Stapeln, wie bei kreisförmigen und ebenen Fallen, die aus Spiegeln gebaut sind; und h) H erstellungskosten.
Nach bestem Wissen des Erfinders wurden die verlängerten zweidimensionalen Geometrien in elektrostatischen Fallen mit Frequenznachweis nicht verwendet, und insbesondere nicht für den Zweck einer Erhöhung der Raumladungskapazität der E-Fallen und der gepulsten Konverter. Die neuartigen Felder können für geschlossene und offene E-Fallen wie auch für TOF-Spektrometer verwendet werden. Die Auswahl der neuartigen elektrostatischen Felder bietet mehrere Vorteile, wie kompaktes Falten des Feldvolumens; einfacher Elektrodenaufbau; und geringe Kapazität von Erfassungselektroden. Diese Felder können leicht in die Z-Richtung verlängert werden, ohne grundlegende Einschränkung der Z-Größe, so dass das Verhältnis der Z-zu X-Größe Hunderte erreichen kann. Dann kann eine hohe Ionenschwingungsfrequenz im MHz Bereich bei Volumina von Ionenpaketen im 1E+4 - 1E+5 mm³ Bereich erreicht werden.
Unter Bezugnahme auf 5 sind Beispiele für ein räumliches Multiplexen und Stapeln von elektrostatischen Feldern dargestellt. Unter Bezugnahme auf 5-A werden die radialen gemultiplexten E-Fallen 51 innerhalb koaxialer Elektroden durch Schneiden eines Satzes von radial ausgerichteten Schlitzen gebildet, wodurch mehrere kommunizierende E-Fallen-Analysatoren gebildet werden. Die radiale gemultiplexte E-Falle kann zu einer Torusform gewickelt werden, um eine E-Falle 52 zu bilden. Vorzugsweise kann ein gebündelter Ionenkonverter 53 Ionenpakete in jede einzelne E-Falle lenken, indem eine separate Pulsamplitude bei einzelnen Elektroden des Konverters gewählt wird. Unter Bezugnahme auf 5-B wird der zum Stapel gebündelte Analysator 54 innerhalb einer Schicht von Platten 542 durch Schneiden eines Satzes paralleler ausgerichteter Schlitze gebildet. Die Platten 542 sind an demselben Satz hoch stabilisierter Energieversorgungen 544 angebracht, aber jede E-Falle hat einen einzelnen Detektor und Datenerfassungskanal 545. Der Konverter 546 ist auf mehrere parallele und unabhängige Kanäle aufgeteilt. Vorzugsweise hat die generische Ionenquelle Mittel zur Teilung des Ionenstroms in Teilströme, die als weiße Pfeile 547 dargestellt sind. Die Teilströme sind Zeitfraktionen oder proportionale Fraktionen des Hauptstroms von der Ionenquelle. Jede Fraktion wird in einen einzelnen Kanal des gebündelten gepulsten Konverters gelenkt. Das Multiplexen bzw. Bündeln von ebenen oder kreisförmigen Strukturen ist perfekt mit einer Ultraminiaturisierung vereinbar, unter Verwendung solcher Technologien einer Fallenherstellung wie (i) maschinelle Mikrobearbeitung; (ii) Elektroerosion; (iii) Elektroformen; (iv) Laserschneiden; und (v) mehrschichtige Leiterplattentechnologie bei Verwendung verschiedener Stapel, die leitende, halbleitende und isolierende Filme enthalten, mit einer möglichen Metallisierung oder Oberflächenmodifizierungen nach dem Schneiden von Elektrodenfenstern. Unter Bezugnahme auf 5-C wird das Multiplexen von mehreren Fallen verwendet, um das Volumen einer einzelnen E-Falle innerhalb einer kompakten Packung weiter auszudehnen, indem entweder ein schlangenförmiger 55 oder spiralförmiger 56 Schlitz innerhalb von Spiegelplattenelektroden gebildet wird. Das Volumen der E-Falle kann mehrere kommunizierende Einfangvolumina wie in der Ausführungsform 57 aufweisen. Die vorgeschlagenen, neuartigen, gemultiplexten, elektrostatischen Analysatoren können für andere Arten von Massenspektrometer verwendet werden, wie offene Fallen oder TOF MS. Verfahren zur Verwendung gestapelter Fallen sind in einem separaten Abschnitt beschrieben.
Zur Vermeidung komplexer Zeichnungen und Geometrien behandelt die folgende Beschreibung vorwiegende ebene und kreisförmige E-Fallen, die aus Ionenspiegeln gebaut sind, wie in 4-C dargestellt.
EBENE E-FALLEN
Unter Bezugnahme auf 6 umfasst eine bevorzugte Ausführungsform 61 der Erfindung eine Ionenquelle 62, einen gepulsten Ionenkonverter 63, Ioneninjizierungsmittel 64, einen ebenen elektrostatischen Fallen- (E-Fallen-) Analysator 65 mit zwei ebenen und parallelen elektrostatischen Ionenspiegeln 66, die durch eine feldfreie Region 67 getrennt sind, Mittel 68 zum Begrenzen von Ionen in der Drift-Z-Richtung, Hilfselektroden 69 und Elektroden 70 für eine Spiegelstromerfassung. Optional ist der Spiegelstromdetektor 70 durch einen Flugzeitdetektor 70T ergänzt. Das ebene E-Fallen-Analysator 65 ist im Wesentlichen in der Drift-Z-Richtung verlängert, um die Raumladungskapazität und räumliche Akzeptanz des Analysators zu erhöhen. Es ist von prinzipieller Bedeutung, eine hohe Qualität einer räumlichen und Flugzeitfokussierung von Ionenspiegel bereitzustellen. Die ebenen Ionenspiegel umfassen mindestens vier Spiegelelektroden. In einem M-TOF nach dem Stand der Technik ist von solchen Spiegeln bekannt, dass sie eine unbeschränkte Ionenbegrenzung innerhalb der X-Y-Ebene, die Flugzeitfokussierung der dritten Ordnung in Bezug auf Ionenenergie und die Flugzeitfokussierung der zweiten Ordnung in Bezug auf Raum-, Winkel- und Energieausdehnung einschließlich Kreuzterme bereitstellen.
In Betrieb werden Ionen eines weiten Massebereichs in der äußeren Ionenquelle 62 erzeugt. Ionen gelangen in den gepulsten Konverter 63 und im bevorzugten Modus werden Ionen entweder durch Einfangen innerhalb des Z-verlängerten Konverters 63 oder durch langsames Führen von Ionen entlang der Z-Achse akkumuliert.
Ionenpakete (durch Pfeile dargestellt) werden periodisch von dem Konverter 63 mit Hilfe des Injizierungsmittels 64 in die ebene E-Falle 65 gepulst injiziert. Ionenpakete werden im Wesentlichen entlang der X-Achse injiziert und beginnen zwischen den Ionenspiegeln 66 zu schwingen. Aufgrund der mäßigen Ionenenergie, die in die Z-Richtung ausgebreitet wird, driften die einzelnen Ionen langsam in der Z-Richtung. Einmal pro hundert X-Reflexionen erreicht das einzelne Ion periodisch eine Z-Kante des Analysators 65, wird sanft von dem Begrenzungsmittel 69 reflektiert und kehrt seine langsame Drift in der Z-Richtung um.
Bei jeder Reflexion in der X-Richtung gehen Ionen an Detektorelektroden 70 vorbei und induzieren ein Spiegelstromsignal aus. Die Länge des Ionenpakets wird vorzugsweise mit einem Abstand zwischen Elektroden in Y-Richtung vergleichbar gehalten. Das periodische Spiegelstromsignal wird während mehrerer ionischer Schwingungen aufgezeichnet, mit Fourier-Transformation oder anderen unten beschriebenen Transformationsverfahren analysiert, um die Informationen über Schwingungsfrequenzen zu erhalten. Die Frequenzen F werden in Ionen m/z-Werte umgewandelt, da F~(m/z)^-0,5. Die Auflösung der Fourier-Analyse ist zu der Anzahl von erfassten Schwingungszyklen proportional. Auflösung ~ N/3. In der bevorzugten Art des Betriebs der elektrostatischen Falle jedoch wird eine viel schnellere Spektrenerfassung erwartet. Diese kann erreicht werden, indem die X-Länge der Ionenpakete mit der Y-Dimension der E-Falle vergleichbar und kurz (~ 1/20) im Vergleich zu der E-Falle der X-Größe gehalten wird. Signale sind viel steiler und es wird erwartet, dass die erforderliche Erfassungszeit proportional zur relativen Länge des Ionenpakets abfällt. Analog zum TOF MS ist die Auflösungsleistung beschränkt, da R=T_a/2ΔT, wobei T_a die Analysezeit ist und ΔT die Zeitdauer des Ionenpakets ist. Zur Vereinfachung der spektralen Entschlüsselung ist die Verringerung einer m/z-Spanne analysierter Ionen innerhalb eines einzelnen E-Fallenabschnitts bevorzugt.
RAUMLADUNGSKAPAZITÄT VON EBENEN E-FALLEN
Die erhöhte Raumladungskapazität und der Raumladungsdurchsatz der neuartigen elektrostatischen Falle ist das primäre Ziel der Erfindung. Die Ausdehnung der Z-Breite erhöht die Raumladungskapazität der elektrostatischen Falle und des gepulsten Konverters. Zur Schätzung der Raumladungskapazität und der Analysegeschwindigkeit werden die folgenden beispielhaften Parameter der ebenen E-Falle angenommen: die Z-Breite ist Z=1000mm, (vorzugsweise ist der Analysator zu einem Torus mit 300mm Durchmesser umgeschlagen); X-Länge ist X = 100mm, die X-Größe des Detektors ist X_D=3mm, die Y-Höhe des Spalts zwischen den Elektroden ist Y=5mm, und die Beschleunigungsspannung U_A=8kV. Die Ionenpakethöhe wird mit Y_P=1mm und die Länge mit X_P= 5mm geschätzt.
Für diese Zahlen kann das Volumen, das von Ionenpaketen eingenommen wird, mit V= 5.000mm² geschätzt werden, was größer ist als 100mm³ in der I-Pfad E-Falle und 300mm³ in Orbitalfallen. Außerdem liefert die beispielhafte elektrostatische Falle eine zehnmal größere Feldstärke im Vergleich zu den I-Pfad E-Fallen, wodurch die Ladungsdichte auf n₀=1E+4 Ionen/mm³ angehoben werden kann. Somit wird die Raumladungskapazität der neuartigen E-Falle mit 5E+7 Ionen pro Injizierung geschätzt: SSC= V*n₀ = 5E+3(mm³)*1E+4(Ionen/mm³) = 5E+7 (Ionen/Injizierung).
In den später beschriebenen Abschnitten wird die Erfassungszeit mit 20ms geschätzt, d.h. die Erfassungsgeschwindigkeit ist 50 Spektren pro Sekunde. Der Raumladungsdurchsatz der neuartigen elektrostatischen Falle kann mit 2E+9 Ionen/Sek. pro einzelner Massekomponente geschätzt werden, was mit dem Ionenfluss der modernen intensiven Ionenquellen übereinstimmt.
Die oben angegebenen Schätzungen werden unter der Annahme relativ kurzer (5mm) Ionenpakete vorgenommen. Wenn nur die Frequenz des Signals analysiert wird, kann die Pakethöhe vergleichbar mit dem einzelnen Reflexionspfad gestaltet werden, z.B. 50mm. Dann wird die Raumladungskapazität zehnmal höher und gleich 5E+8 Ionen pro Injizierung. Es wird vorgeschlagen, eine Filterdiagonalisierungsmethode (FDM), die von Aizikov et al. in JASMS 17 (2006) 836-843 beschrieben ist, bei der Anwendung bei ICR magnetischem MS zu verwenden. Die E-Fallen haben einen Vorteil einer gut definierten Anfangsphase, von der erwartet wird, dass sie die Analyse um einen zehnfachen Faktor beschleunigt.
Das Streben nach einem höheren Durchsatz muss mit der Raumladungskapazität des gepulsten Konverters abgewogen werden. Die besondere Ausführungsform 63 des gepulsten Ionenkonverters (ein später beschriebener geradliniger RF-Konverter mit radialem Ionenausstoß) nähert sich der Raumladungskapazität des E-Fallen-Massenanalysators. Vorzugsweise ist der eingeschriebene Durchmesser des geradlinigen RF-Konverters zwischen 2 und 6mm und die Z-Länge des Konverters ist 1000mm. Der typische Durchmesser eines Ionenstrangs ist 0,7mm und das belegte Volumen ist etwa 500mm³. Eine Raumladungsstörung erscheint nur, wenn das Potential des Ionenstrangs kT/e = 0,025V überschreitet. Es kann berechnet werden, dass ein solcher Schwellenwert 2E+7 Ionen pro Injizierung entspricht. Bei einer erwarteten 50Hz Wiederholungsrate des Ionenausstoßes ist der Raumladungsdurchsatz des gepulsten Konverters 1E+9 Ionen/Sek. und stimmt mit dem eingestellten Maßstab 1E+9 i/s für den Ionenfluss von den modernen intensiven Ionenquellen überein. Außerdem legen die später präsentierten Simulierungsergebnisse nahe, dass ein höheres Raumladungspotential (bis zu 0,5-1eV) innerhalb des RF-Konverters noch immer eine effiziente Ioneninjizierung ermöglichen würde.
AUFLÖSUNG EBENER E-FALLEN
Unter Bezugnahme auf 7-A ist zur Abschätzung der Nützlichkeit der Erfindung ein besonderes Beispiel von Ionenspiegeln 71 der ebenen elektrostatischen Falle gemeinsam mit dem ebenen linearen Hochfrequenz-Ionenkonverter 72 dargestellt. Ionenspiegel 71, die zwar Ionenspiegeln des ebenen M-TOF nach dem Stand der Technik ähnlich sind, unterscheiden sich dennoch durch relativ weite Abstände zwischen Elektroden und breitere Elektrodenfenster, um elektrische Entladungen zu vermeiden.
Die Zeichnungen zeigen Größen und Spannungen von Ionenspiegeln 71 für eine gewählte Beschleunigungsspannung U_acc= -8kV. Die Spannungen können versetzt sein, um die Erdung des feldfreien Raumes zu ermöglichen. Der Abstand 73 zwischen den Spiegelkappen ist L= 100mm; jeder Ionenspiegel umfasst vier Platten mit quadratischen Fenstern von 5mm und eine Platte (M4 Elektrode) mit 3mm Fenster. Zur Unterstützung einer Ioneninjizierung durch die Spiegelkappe haben die äußeren Platten 74 einen Schlitz für die Ioneninjizierung und das Potential an der äußeren Platte 74 ist gepulst. Die Spalten um den Elektrodenspalt für M4 sind auf 3mm vergrößert, um der 13kV Spannungsdifferenz standzuhalten. Das gezeigte Beispiel verwendet Ionenspiegel mit erhöhten isochronen Eigenschaften. Das Ionenspiegelfeld umfasst vier Spiegelelektroden und eine räumliche Fokussierungsregion einer M4 Elektrode mit einem etwa zweimal größeren Anziehungspotential als die Beschleunigungsspannung. Die Potentialverteilung in X-Richtung ist so eingestellt, dass alle der folgenden Eigenschaften von Ionenschwingungen erzielt werden: (i) eine Ionenverlangsamung in eine X-Richtung für sich wiederholende Schwingungen sich bewegender Ionenpakete; (ii) eine räumliche Fokussierung sich bewegender Ionenpakete in eine querverlaufende Y-Richtung (iii) eine Flugzeitfokussierung in X-Richtung relativ zu kleinen Abweichungen in der Raum-, Winkel- und Energieausdehnung von Ionenpaketen auf mindestens eine zweite Ordnung der Tailorentwicklung einschließlich Kreuzterme; und (iv) eine Flugzeitfokussierung in X-Richtung relativ zur Energieausdehnung von Ionenpaketen auf mindestens eine dritte Ordnung der Tailorentwicklung.
Für den Zweck einer gleichmäßigen Verteilung von Ionenpaketen entlang der Z-Richtung und für den Zweck eines Ausgleichs geringfügiger mechanischer Fehlausrichtungen der Ionenspiegel schlägt die Erfindung die Verwendung eines elektrostatischen kontrollierbaren Keils vor. Der Schlitz in der Bodenelektrode 75 ermöglicht ein mäßiges Durchdringen eines Streufeldes, das durch mindestens eine Hilfselektrode 76 erzeugt wird. In einer besonderen Ausführungsform ist die Hilfselektrode 76 im Vergleich zu der Spiegelkappe geneigt, um ein lineares Z-abhängiges Streufeld zu erhalten. Abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen der Bodenspiegelkappe und der Hilfselektrode würde das Feld eine linear Z-abhängige Verzerrung des Feldes innerhalb der elektrostatischen Falle erzeugen, um einen geringen Nicht-Parallelismus von zwei Spiegelkappen auszugleichen. In einer anderen besonderen Ausführungsform ist ein linearer Satz von Hilfselektroden entlang der Z-Richtung gedehnt. Optional werden die Spannungen der Hilfselektroden langsam in der Zeit variiert, um eine Ionenmischung innerhalb des Volumens der E-Falle bereitzustellen. Andere Nützlichkeiten von elektrostatischen Keilen sind unten in mehreren Abschnitten beschrieben.
Es sollten einige praktische Überlegungen bei der Spiegelkonstruktion berücksichtigt werden: Mechanische Genauigkeit und Spiegelparallelismus sollten mindestens unter 1E-4 der Kappe-zu-Kappe-Distanz L sein, was sich in einer Genauigkeit von mehr als 10 Mikron bei L=100mm niederschlägt. Unter Berücksichtigung der geringen Dicke der Spiegelelektroden (2-2,5mm) ist bevorzugt, starre Materialien zu verwenden, wie metallbeschichtete Keramik. Für die Präzision und Robustheit kann der gesamte Ionenspiegelblock als ein Paar von keramischen Platten (oder Zylindern in anderen Beispielen) konstruiert sein, mit Isolierrillen und Metallbeschichtung von Elektrodenflächen. Ein Teil der Rillen sollte beschichtet sein, um den Ladungsaufbau durch Streuionen zu verhindern. Alternativ kann ein Kugellagerdesign keramische Kugeln aufnehmen, die mit einer Genauigkeit von Submikron hergestellt sind.
Es ist auch bevorzugt, die X-Größe der E-Falle weiter unter 10cm und sogar unter 1cm zu verringern, während eine große Z-Größe (z.B. 10 bis 30cm Durchmesser) verwendet wird. Zur Erfüllung der Anforderungen an mechanische Genauigkeit und elektrische Stabilität kann eine solche E-Falle durch Verwendung einer Technologie der folgenden Gruppe konstruiert werden: (i) Elektroerosion oder Laserschneiden eines Plattenstapels; (ii) maschinelle Bearbeitung eines keramischen oder halbleitenden Blocks mit anschließender Metallisierung von Elektrodenflächen; (iii) Elektroformen; (iv) chemisches Ätzen oder Ätzen durch Ionenstrahl eines halbleitenden Stapels mit Oberflächenmodifizierungen zur Kontrolle der Leitfähigkeit; und (v) eine keramische Leiterplattentechnologie. Für den Zweck einer Wärmestabilität können die verwendeten Materialien so gewählt werden, dass sie einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, und ein Material aus der folgenden Gruppe umfassen: (i) Keramik; (ii) Quarzglas; (iii) Metalle wie Invar, Zirkon, oder Molybdän- und Wolframlegierungen; und (iv) Halbleiter wie Silizium, Borcarbid oder hybride halbleitende Verbindungen mit einer Wärmeausdehnung von Null.
Es können weniger Elektroden mit gekrümmten Fenstern, wie in 4-C dargestellt, zur Verringerung der Anzahl statischer und gepulster Potentiale sowie zur Erhöhung der relativen Elektrodendicke verwendet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Ionenabstimmungsregion der Ionenspiegel so konstruiert werden, dass sie eine parabolische Potentialverteilung aufrechterhält, um die Raumladungskapazität der Falle zu erhöhen. Eine räumliche Defokussierungseigenschaft des linearen Feldes kann durch eine starke Linse, die vorzugsweise in den Spiegel eingebaut ist, und durch eine orbitale Bewegung innerhalb der E-Falle 442 ausgeglichen werden, die in 4-H dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 7B und 7C wird die Aberrationsgrenze der Auflösungsleistung gemeinsam mit Parametern der injizierten Ionenpakete für eine elektrostatische Falle, die in 7-A dargestellt ist, simuliert. Es wird angenommen, dass die akkumulierte Ionenwolke innerhalb des RF-Konverters 72 Wärmeenergien aufweist. Dann wird der Strahl auf ein Band von weniger als 0,2mm begrenzt und, wie in der Figur dargestellt, werden die ausgestoßenen Pakete eng mit einer Winkeldivergenz unter 0,2 Grad fokussiert. Die Umkehrzeit wird mit 8-10ns geschätzt, wie in 7-B dargestellt, während die Energieausdehnung 50eV ist. Die Anfangsparameter werden in der ersten Zeit-Fokus-Ebene gemessen. Die geschätzte Zeitbreite der Ionenpakete nach 50ms Zeit ist nur 20ns (7-C), d.h. die Aberrationsgrenze der Auflösung ist über 1.000.000! Dies lässt vermuten, dass die praktisch erreichbare Auflösung eher begrenzt ist durch: (a) die Zeitdauer von Ionenpaketen; (b) die Zeitverzerrungen, die durch Z-Begrenzungsmittel eingeführt werden; und (c) die Effizienz von Spektrentransformationsverfahren, die die Erfassungsgeschwindigkeit begrenzen.
Unter der Annahme, dass die Auflösung durch eine relative Pakethöhe und durch die Detektorhöhe begrenzt ist, bin ich zu den folgenden Schätzungen gekommen. Für eine E-Falle von 7 bei 8keV Beschleunigung ist die Geschwindigkeit von 1kDa Ionen 40km/s, die Frequenz des Ionendurchgangs durch den Detektor ist F=400kHz und die Flugzeit pro einzelnem Durchgang ist T₁=2,5µs. Unter Berücksichtigung, dass die erfasste (effektive) Länge von Ionenpaketen 20-25-mal kürzer ist, d.h. 4~5mm lang, ist die Paketzeit-Breite für 1kDa Ionen etwa 0,1µs. Dann würde zum Gewinnen von Spektren mit 100.000 Massenauflösung (entsprechend 200.000 Flugzeitauflösung) 20ms dauern, d.h. etwa 50-mal schneller sein als bei Orbitalfallen nach dem Stand der Technik. Es ist auch verständlich, dass eine längere Erfassung die Auflösung bis zu einer Aberrationsgrenze von einer Million verbessern kann.
BEGRENZUNGSMITTEL
Die Begrenzungsmittel können abhängig von der Topologie der E-Falle variieren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4B umfasst die bevorzugteste Ausführungsform des Begrenzungsmittels für die zylindrischen elektrostatischen Fallen das Wickeln des Analysators zu einem Torus. Die beispielhaften Ausführungsformen 412-417, 419, 422-424, 432-437 und 442 solcher torusförmiger Fallen sind in 5 dargestellt. Simulierungen legen nahe, dass die Verzerrung der isochronen ionischen Bewegung und der räumlichen Ionenbegrenzung nur bei einem ziemlich kleinen Radius R der Analysatorbiegung im Vergleich zur Ionenfalle X-Länge L auftreten. Gemäß Simulierungen ist für einen gewählten Auflösungsschwellenwert R=300.000 und bei dem Neigungswinkel der Ionenflugbahn zur X-Achse α=3 Grad das Verhältnis R/L > 1/8 und für α=4 Grad R/L> 1/4. Ich erkannte, dass zum Erhalten eines stabilen Ioneneinfangens und zur Bereitstellung einer Auflösungsleistung von mehr als 300.000 das Verhältnis zwischen Krümmungsradius R, X-Länge L der torusförmigen Fallen und dem Neigungswinkel α in Radianten zwischen der mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse angegeben werden kann als: R > 50*L*α². Die Anforderung nach einer minimalen Abnahme des Radius R fällt bei geringerer Auflösung. Dennoch ist für eine Erhöhung der Raumladungskapazität und des Raumladungsdurchsatz von E-Fallen bevorzugt, die R zu X-Länge zwischen 1 und 10 zu verwenden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4-A umfasst die bevorzugte Ausführungsform eines Begrenzungsmittels für eine E-Falle 42, die aus elektrostatischen Sektoren gebaut ist, entweder einen Deflektor an Z-Kanten der feldfreien Region oder eine Matsuda-Platte 477, die nach dem Stand der Technik bekannt ist. Beide Lösungen sorgen für eine Ionenabstoßung an den Z-Grenzen. Z-Begrenzungsmittel für ebene elektrostatische Fallen 411 umfassen mehrere beispielhafte Ausführungsformen. Unter Bezugnahme auf 8-A umfasst eine Ausführungsform des Begrenzungsmittels eine schwache Biegung 82 mindestens einer Ionenspiegelelektrode relativ zur Z-Achse. Eine elastische Biegung kann durch Verwendung ungleichförmiger keramischer Abstandshalter zwischen den Metallelektroden erreicht werden. Eine weitere Ausführungsform des Begrenzungsmittels umfasst eine zusätzliche Elektrode 83, die an der Z-Kante der feldfreien Region eingebaut ist. Unter Bezugnahme auf 8-B kann eine alternative elektronische Biegung durch Teilung der Spiegelkappenelektrode und durch Anlegen eines zusätzlichen Verzögerungspotentials an Z-Kantenabschnitte 104 erreicht werden. Eine andere Ausführungsform für eine elektronische Kantenbiegung wird mit Hilfe unscharfer Felder erreicht, die durch den Kappenschlitz gehen. Jedes dieser Mittel würde Ionenreflexionen an den Z-Kanten verursachen, wie in 8-C dargestellt.
Die Abstoßung durch die Z-Kanten-Elektrode 83 verlangsamt die Ionenbewegung in der Z-Kantenfläche und bewirkt somit eine positive Zeitverschiebung. Da andere Mittel von 8-A und 8-B eine negative Zeitverschiebung einführen, würde die Kombination dieser Mittel mit Mittel 83 einen teilweisen wechselseitigen Ausgleich der Zeitverschiebungen ermöglichen, wie in 8-D dargestellt, die Simulierungsergebnisse für die Zeitverschiebungen pro einzelner Kantenreflexion zeigt. Es ist zu beachten, dass durch die richtige Wahl der durchschnittlichen Ionenenergie in der Z-Richtung eine durchschnittliche Null-Zeitverschiebung für eine Ionenpaket-Schwingungsfrequenz erreicht werden kann. Dennoch würde aufgrund der Ionenenergieausdehnung in der Z-Richtung eine Ionenpaket-Zeitausdehnung auftreten, aber nicht die Verschiebung in der Schwingungsfrequenz!
Unter Bezugnahme auf 8-D kann die Zeitausdehnung der Ionenpakete in der Z-Kantenfläche geschätzt werden. Für das besondere gezeigte Beispiel mit einem Neigungswinkel von 0,5 bis 1,5 Grad würde die Zeitausdehnung von 1000amu Ionen pro einzelner Z-Reflexion unter 0,5ns bleiben. Unter der Annahme, dass der durchschnittliche Winkel (Energie in Z-Richtung =3eV/Ladung) gleich α=1 Grad ist und unter Berücksichtigung der großen Analysator-Z-Breite W=1000mm, treten solche Kantenablenkungen nur einmal alle 500 Schwingungen auf, d.h. einmal pro 1ms. Die Zeitausdehnung bei Z-Reflexionen wird kleiner als 5E-7 der Flugzeit. Somit würden bei mäßigen Neigungswinkeln von α ~ 1 Grad die Z-Kantenablenkungen die Auflösung der E-Falle bis zu R = 1.000.000 nicht beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform verwendet der E-Fallen-Analysator kein Begrenzungsmittel und Ionen können sich frei in der Z-Richtung fortpflanzen. Die Ausführungsform beseitigt mögliche Aberrationen des Z-Begrenzungsmittels, ermöglicht die Entfernung von Ionen zwischen Injizierungen und kann eine ausreichende Ionenverweilzeit bieten, einfach weil eine ausreichende Z-Länge des E-Fallen-Analysators zur Verfügung steht. Zum Beispiel würde ein Flugzeitdetektor eine Auflösung deutlich über 100.000 für berechnete 500 Spiegelreflexionen ermöglichen.
NEUARTIGE E-FALLEN MIT SPIEGELSTROMDETEKTOREN
Unter Bezugnahme auf 9-A umfassen die Erfassungsmittel 91 mindestens eine Detektorelektrode 93 und einen Differentialsignalverstärker 95, der das Signal zwischen der Detektorelektrode 93 und den umgebenden Elektroden 94 oder der Erde aufnimmt. Die vorbeifliegenden Ionenpakete 92 induzieren ein Spiegelstromsignal an der Detektorelektrode aus. Das Signal wird differentialverstärkt, mit einem Analog/Digital-Wandler 96 aufgezeichnet und in einem Prozessor 97 zu einem Massenspektrum umgewandelt, wobei der Prozessor vorzugsweise mehrere Kerne hat. In einer Ausführungsform wird eine kurze Detektorelektrode in der mittleren Ebene der E-Falle gehalten. Das Ioneninjizierungsmittel und die E-Falle sind so abgestimmt, dass die erste und folgenden Zeitfokussierung-Ebenen mit der Detektorebene übereinstimmen. In einer anderen Ausführungsform sind Aufnahmeelektroden lang gewählt, so dass das Signal annähernd sinusförmig wird. Alternativ wird eine Linie von Elektroden zur Bildung höherer Frequenzsignale pro einzelnem Ionendurchgang verwendet.
Die vorliegende Erfindung schlägt die folgenden Verfahren vor, die auf kurzen Ionenpaketen beruhen: (a) eine Wavelet-Fit-Transformation, bei der das Signal durch das sich wiederholende Signal der bekannten Form modelliert wird, die Frequenz abgetastet wird und Resonanzanpassungen bestimmt werden; (b) Umhüllen von Rohspektren mit einem speziell gestalteten Wavelet; und (c) eine Fourier-Transformation, die mehrere Frequenzspitzen pro einzelner m/z Komponente liefert, dann gefolgt von einem Umhüllen mehrerer Frequenzspitzen mit der kalibrierten Verteilung zwischen Spitzen; höhere Harmonische verbessern die Auflösung des Algorithmus. Möglicherweise kann die Zunahme in der Analysegeschwindigkeit L/Δ erreichen, zuvor geschätzt als L/ΔX ~20. Alternativ wird die Datenerfassung in E-Fallen beschleunigt durch: Verwendung eines langen Detektors, Erzeugen von annähernd sinusförmigen Wellenformen und Anwenden einer Filterdiagonalisierungsmethode (FDM), die von Aizikov et al. in JASMS, 17 (2006) 836-843 beschrieben ist, das hierin durch Bezugnahme einbezogen wird.
Unter Bezugnahme auf 9-B sind die Ergebnisse der Wavelet-Fit-Transformation dargestellt. Die Wellenform wird als Spiegelsignal am Detektor 93 modelliert. Für jede ionische Komponente wird das Signal um 1/20 der Flugperiode unter Annahme einer Gaußschen räumlichen Verteilung innerhalb des Ionenpakets ausgedehnt, während das bekannte Bogen-Tangente-Verhältnis für die induzierte Ladung pro einzelnem Ion berücksichtigt wird. 9-B zeigt ein Segment der Signalform für zwei ionische Komponenten mit willkürlichen Massen 1 und 1,00001. Aufgrund der sehr ähnlichen Massen (und somit Frequenzen) wird das Rohsignal von ionischen Komponenten auffallend erst nach 10.000 Schwingungen abgetrennt. Unter Bezugnahme auf 9-C wird das Frequenzspektrum aus dem 10.000 Periodensignal gewonnen. Ionische Komponenten werden mit 200.000 Flugzeitauflösung entsprechend 100.000 Massenauflösungsleistung aufgelöst. Für das beispielhafte Signal ermöglicht die Wavelet-Fit-Analyse eine 20-mal schnellere Analyse als die Fourier-Analyse. Die Wavelet-Fit-Analyse erzeugt jedoch die zusätzlichen Frequenzhypothesen, die durch die Kombination der Wavelet-Fit-Analyse mit der Fourier-Analyse von Signalen von einem zusätzlichen Breitendetektor oder durch logische Analyse der Überlappungen oder durch Analyse einer begrenzten m/z-Spanne entfernt werden können. Die vorgeschlagene Strategie kann in anderen einfangenden Massenspektrometern, wie Orbitalfallen, FTMS und den bestehenden, nicht verlängerten E-Fallen, verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 9-D wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) mit der Anzahl N analysierter Perioden erhöht. Das anfängliche ‚rohe‘ Spektrum wurde mit weißem Rauschen mit der Standardabweichung (RSD) gemischt, das zehnmal stärker als jene der ionischen Signalamplitude ist, d.h. SNR=0,1. Nach der Wavelet-Fit-Analyse von N=10.000 Schwingungen verbesserte sich das SNR auf SNR=10, d.h. 100 mal = N^0,5. Somit würde die Analysenbeschleunigung das SNR verringern. Es ist zu beachten, dass das erfasste Signal die Massengenauigkeit nicht beeinträchtigen würde, die durch Ionenstatistik begrenzt ist. Es ist auch zu beachten, dass in Fällen, wenn der dynamische Bereich durch die Raumladungskapazität der Falle begrenzt ist, der dynamische Bereich der Analyse pro Sekunde proportional zur Quadratwurzel der Analysegeschwindigkeit verbessert werden kann.
Unter Berücksichtigung der Spezifikation der Spiegelladungserfassung sollte die Signalerfassung vorzugsweise Strategien mit variablen Erfassungszeiten beinhalten. Längere Erfassungen verbessern die spektrale Auflösung und Empfindlichkeit, begrenzen aber den Raumladungsdurchsatz und den dynamischen Bereich der Analyse. Es können entweder längere Erfassungen T~1 Sek. gewählt werden, um eine Auflösungsleistung bis zu 1.000.000 entsprechend der Aberrationsgrenze der beispielhaften E-Falle zu erreichen, oder T<1ms gewählt werden, um den Raumladungsdurchsatz der E-Falle bis zu 1E+11 Ionen/Sek. für eine bessere Abstimmung mit intensiven Ionenquellen, wie ICP, zu erreichen. Strategien mit einer Einstellung oder automatischen Einstellung der Ionensignalstärke und der spektralen Erfassungszeit sind in der Folge im Abschnitt zur Ioneninjizierung besprochen.
Unter Bezugnahme auf 10 wird in einer besonderen Ausführungsform mindestens eine Detektorelektrode entweder in Z-Richtung 102 und/oder X-Richtung 103 in eine Reihe von Segmenten geteilt. Jedes Segment wird vorzugsweise von einem separaten Vorverstärker 104 oder 105 erfasst und ist optional an einen separaten Erfassungskanal angeschlossen. Die Detektorteilung 102 in die Z-Richtung ermöglicht die Verringerung der Detektorkapazität pro Kanal und dadurch wird die Bandbreite des Datensystems erhöht. Das Teilen der Elektroden verringert die Kapazität einzelner Segmente im Verhältnis zur Z-Breite der Segmente. Die Teilung ermöglicht auch den Nachweis der Homogenität einer Ionenfüllung der elektrostatischen Falle in der Z-Richtung, wenn Daten mit mehreren Datenkanälen erfasst werden. Im Falle einer mäßigen Ungenauigkeit in der Analysatorgeometrie können Z-Lokalisierungen eingefangener Ionen oder Frequenzverschiebungen, die mit der Z-Position korrelieren, auftreten. Dann kann ein Satz von Hilfselektroden 106 zur Umverteilung von Ionen in der Z-Richtung und für einen Ausgleich der Frequenzverschiebungen verwendet werden. Alternativ kann eine Z-Lokalisierung für eine Mehrfachkanal-Erfassung verwendet werden, z.B. für das Erfassen von Spektren mit unterschiedlicher Auflösungsleistung und Erfassungszeit, oder bei unterschiedlicher Empfindlichkeit der einzelnen Kanäle oder für die Verwendung schmaler Bandbreitenverstärker, usw.. Die besonders günstige Anordnung scheint zu sein, wenn Ionen zwischen mehreren Z-Regionen gemäß ihrem m/z-Wert verteilt sind. Dann wird jeder Detektor für die Erfassung einer relativ schmalen m/z-Spanne verwendet, die eine Schmalbanderfassung höhere Harmonischer ermöglicht, während Artefaktspitzen in den unverschlüsselten Spektren vermieden werden. Zum Beispiel kann das Erfassen der 11. Harmonischen (relativ zur Hauptschwingungsfrequenz) durch das Vorhandensein der 9. und 13. Harmonischen gestört sein. Dann entspricht der zulässige Frequenzbereich von 13:9 ungefähr dem 2:1 m/z-Bereich. Die Z-Lokalisierung kann entweder durch Verwendung von Hilfselektroden (z.B. 39 in 3), oder durch räumliche oder winkelige Modulierung des elektrostatischen Feldes in Z-Richtung erreicht werden. Ein Verfahren umfasst einen Schritt einer Flugzeittrennung von Ionen innerhalb des RF gepulsten Konverters, um eine Ionentrennung entlang der Z-Achse gemäß der m/z-Sequenz zum Zeitpunkt der Ioneninjizierung in mehrere Z-Regionen der E-Falle zu erreichen. Ein anderes Verfahren umfasst eine Massentrennung in Ionenfallen, Ionenmobilitäts- oder TOF-Analysatoren für eine sequenzielle Ioneninjizierung in mehrere Konverter und für eine anschließende Analyse innerhalb gemultiplexter E-Fallenvolumina mit Schmalbandverstärkern, die auf eine entsprechende schmale m/z-Spanne abgestimmt sind.
Die Teilung 102 der Detektorelektroden in X-Richtung beschleunigt wahrscheinlich die Frequenzanalyse, verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und entfernt höhere Harmonische in den Frequenzspektren durch Entschlüsseln von Phasenverschiebungen zwischen benachbarten Detektoren. In einer Ausführungsform liefert ein abwechselndes Muster von Detektorabschnitten Signalreihen 108 mit einer höheren Frequenz. In diesem Fall können die Detektoren an einen einzelnen Vorverstärker und ein Datensystem angeschlossen sein. In einer anderen Ausführungsform werden mehrere Datenkanäle verwendet. Die Mehrfachkanal-Erfassung in E-Fallen ist die mögliche Methode, die mehrere Vorteile liefern kann, wie:

(i) Verbessern der Auflösungsleistung der Analyse pro Erfassungszeit; (ii) Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses und des dynamischen Bereichs der Analyse durch Hinzufügen mehrerer Signale unter Berücksichtigung einzelner Phasenverschiebungen für verschiedene m/z ionische Komponenten; (iii) Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Verwendung von Schmalbandbreitenverstärkern auf verschiedenen Kanälen; (iv) Verringern der Kapazität einzelner Detektoren; (v) Ausgleichen parasitärer Aufnahmesignale durch Differentialvergleich von mehreren Signalen; (vi) Verbessern der Entschlüsselung der überlappenden Signale von mehreren m/z ionischen Komponenten aufgrund von Variationen zwischen Signalen in mehreren Kanälen; (vi) Nutzung der Phasenverschiebung zwischen einzelnen Signalen für eine spektrale Entschlüsselung; (vii) Aufnahme allgemeiner Frequenzlinien in die Fourier-Analyse; (viii) Unterstützung der Entschlüsselung von steilen Signalen und der kurzen Detektorsegmente durch die Fourier-Transformation von Signalen von den großen Detektorsegmenten; (ix) Ausgleichen einer möglichen Verschiebung einer temporären Ionenfokussierungsposition; (x) Multiplexen der Analyse zwischen separaten Z-Regionen der elektrostatischen Falle; (xi) Messen der Homogenität einer Ionenfallenfüllung durch Ionen; (xii) Testen des kontrollierten Ionendurchgangs zwischen verschiedenen Z-Regionen der elektrostatischen Falle; und (xiii) Messen der Frequenzverschiebungen an Z-Kanten für einen kontrollierbaren Ausgleich der Frequenzverschiebungen an den Z-Kanten.

In einer Ausführungsform kann die Detektorelektrode floaten und kapazitiv an einen Verstärker gekoppelt sein, da die Ionenschwingungsfrequenz (geschätzt mit 400 KHz für 1000amu) viel höher im Vergleich zur Rauschfrequenz der HV-Energieversorgungen im 20-40 kHz Bereich ist. Es ist weiterhin bevorzugt, die Spiegelladungsdetektoren bei nahezu geerdetem Potential zu halten. In einer anderen Ausführungsform wird die geerdete Spiegelplatte als Detektor verwendet. In einer weiteren Ausführungsform ist die feldfreie Region des Analysators geerdet und Ionen werden entweder von einem gefloateten gepulsten Konverter injiziert oder Ionen werden im Injizierungsschritt auf volle Energie gepulst beschleunigt. Der gepulste Konverter kann temporär in der Ionenfüllstufe geerdet werden. Eine weitere Ausführungsform verwendet eine hohle Elektrode (Elevatorelektrode), die während des Ionendurchgangs durch den Elevator pulsierend gefloatet ist.
NEUARTIGE E-FALLEN MIT FLUGZEITDETEKTOREN
Unter Bezugnahme auf 11 werden alternativ oder zusätzlich zum Spiegelstromdetektor 112 Ionen durch einen empfindlicheren Flugzeitdetektor 113 erfasst, wie eine Mikrokanalplatte (MCP) oder einen sekundären Elektronenvervielfacher (SEM). Das grundlegende Konzept eines solchen Erfassungsverfahrens liegt in der Erfassung nur einer kleinen und kontrollierbaren Fraktion injizierter Ionen pro Schwingungszyklus mit anschließender Analyse von Ionenschwingungsfrequenzen auf der Basis steiler periodischer Signale. Der erwartete abgetastete Teil kann zwischen 0,01% und 10% variieren und hängt von den entgegenwirkenden Anforderungen der Auflösungsleistung und der Erfassungsgeschwindigkeit ab. Der abgetastete Prozentsatz ist zur der durchschnittlichen Anzahl von Ionenschwingungen umgekehrt proportional, die mit 10 bis 100.000 gewählt wird. Vorzugsweise wird der abgetastete Teil elektronisch kontrolliert, z.B. durch Ionenpaketverschlucken oder seitliche Ablenkung im E-Fallenfeld. Die Einstellung ermöglicht einen Wechsel zwischen Spektren mit höherer Geschwindigkeit und Empfindlichkeit und Spektren mit höherer Auflösungsleistung. Schließlich kann der abgetastete Teil nach einer voreingestellten Schwingungszeit auf bis zu 100% erhöht werden.
Der Flugzeitdetektor ist imstande, kompakte Ionenpakete ohne Verschlechterung der Flugzeitauflösung zu erfassen. Vorzugsweise ist der Ioneninjizierungsschritt zur Bildung kurzer Ionenpakete (X-Größe ist im 0,01-1mm Bereich) und zur Bereitstellung einer Flugzeitfokussierung von Ionenpaketen in der Detektorebene eingestellt, die sich üblicherweise in der Symmetrieebene der E-Falle befindet. Die Potentiale der E-Falle sind vorzugsweise zur Aufrechterhaltung der Stelle einer Flugzeitfokussierung in der Detektorebene eingestellt.
Alternativ oder zusätzlich zu der Fourier- und der Wavelet-Fit-Analyse wird die Entschlüsselung des Rohsignals durch eine logische Analyse überlappender Signale von unterschiedlichen m/z ionischen Komponenten unterstützt. Wie in der späteren, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung vom Autor beschrieben, ist die logische Analyse in Stufen unterteilt, wobei: (a) Signalgruppen entsprechend einer Hypothese von möglichen Schwingungsfrequenzen akkumuliert werden; (b) die überlappenden Signale für jedes Hypothesenpaar entweder verworfen oder zur Extraktion einzelner Komponentensignale analysiert werden, (c) die Gültigkeit der Hypothesen auf Basis der Signalverteilung innerhalb jeder Gruppe analysiert wird; und (d) die Frequenzspektren rekonstruiert werden, wobei Signalüberlappungen das Ergebnis nicht mehr länger beeinflussen. Eine solche Analyse kann möglicherweise Signale geringer Intensität bis zu 5-10 Ionen pro einzelner m/z Komponente extrahieren. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein gepulster Ionenkonverter entlang eines anfänglichen Teils der Z-Länge von E-Fallen und Ionen können durch die Falle in einer Z-Richtung hindurchgehen, so dass leichte Ionen früher bei einer Erfassungszone eintreffen. Dies verringert Spitzenüberlappungen. Da das vorgeschlagene Verfahren Reihen von periodischen steilen Signalen erzeugt, wird ferner vorgeschlagen, den Durchsatz der Analyse durch Verwendung häufiger Ioneninjizierungen zu verbessern, wobei die Periode kürzer ist als die durchschnittliche Ionenverweilzeit im Analysator. Die zusätzliche spektrale Komplikation sollte ähnlich der Entschlüsselung von Ionenfrequenzmustern entschlüsselt werden.
Um den Detektor kompakt und frei von Totzonen zu machen, wird vorzugsweise eine Ion/Elektron (I-E)-Konvertierungsfläche 114 im Ionenpfad angeordnet und ein SEM oder MCP Detektor außerhalb des Ionenpfades platziert. Der I-E Konverter kann entweder eine Platte, optional von einem Netz zur Beschleunigung sekundärer Partikel bedeckt, oder ein Netz oder einen Satz paralleler Drähte oder einen Satz bipolarer Drähte oder einen einzelnen Draht umfassen. Die Wahrscheinlichkeit einer Ionenkollision mit dem Konverter kann auf mehrere Weisen elektronisch kontrolliert werden, wie durch ein schwaches Lenken von Ionen von der zentralen Flugbahn in Y-Richtung und zu der Seitenzone des I-E Konverters oder TOF-Detektors, oder durch lokale Ionenpaket-Defokussierung, die zu einem lokalen Verschlucken von Ionenpaketen in Y-Richtung führt, oder durch Anlegen eines Anziehungspotentials an den I-E Konverter (das auch als abstoßendes Feld für sekundäre Elektronen dient), usw. Der abgetastete Ionenteil kann durch Transparenz des Konverters, durch Fenstergröße in der Konverterelektrode oder durch Z-Lokalisierung des Konverters kontrolliert werden. Ionen, die auf den Ionen/Elektronen-Konverter prallen, geben sekundäre Elektronen aus. Ein schwaches elektrostatisches oder Magnetfeld wird zum Sammeln der sekundären Elektronen auf dem SEM verwendet. Die sekundären Elektronen werden dann vorzugsweise orthogonal zum Ionenpfad abgetastet. Vorzugsweise werden kurze Ionenpakete gebildet (z.B. unter 10ns), um die Massenanalyse weiter zu beschleunigen. Vorzugsweise ist die Abtastungsionenoptik für eine Raum- und Flugzeitfokussierung sekundärer Elektronen optimiert.
In einer Ausführungsform wird der Detektor zum Erfassen eines kleinen Teils von Ionen pro Schwingung an einer Z-Kante der E-Falle angeordnet und Ionen können den Detektor erreichen, sobald sie sich in die Detektor Z-Fläche bewegen. In einer anderen Ausführungsform sind die Ionen innerhalb einer freien Schwingungsfläche begrenzt und können sich dann in die Erfassungsfläche bewegen, zum Beispiel durch Ändern der Potentiale an der Hilfselektrode 115. Alternativ werden Ionenpakete in die Y-Richtung ausgedehnt, um auf den Detektor zu prallen. In einer anderen Ausführungsform nimmt der Netzkonverter nur eine gewählte kleine Fraktion der Ionenpfadfläche ein. In einer anderen Ausführungsform werden Ionen von einem separaten E-Fallen-Volumen durch Abtasten elektrischer Pulse oder durch eine periodische Reihe von Pulsen zu einem Detektor geleitet, um die Überlappung verschiedener ionischer Komponenten an dem Detektor zu verringern und die Entschlüsselung der spektralen Frequenz zu vereinfachen. Solche Abtastpulse können Z-ablenkende Pulse sein, die Ionenpaketen einen Anstoß geben, um eine schwache Z-Barriere zu überwinden.
Im Gegensatz zum Spiegelstromdetektor behandelt der TOF-Detektor vorzugsweise viel steilere Spitzen. Außerdem ist der TOF-Detektor empfindlicher, da er imstande ist einzelne Ionen zu erfassen. Im Vergleich zum TOF-Massenspektrometer erweitert die Erfindung den dynamischen Bereich des Detektors um Größenordnungen, da das Ionensignal auf mehrere Zyklen ausgebreitet wird. Für neuartige E-Fallen ermöglicht der TOF-Detektor das Ausdehnen der Höhe der E-Falle, wodurch die Anforderungen für eine mechanische Genauigkeit für eine E-Falle mit hoher Auflösung erleichtert werden und ferner eine Erhöhung der Raumladungskapazität, des Durchsatzes und des dynamischen Bereichs möglich ist.
Es ist bevorzugt, die Lebensdauer des Detektors durch Verwendung sich nicht verschlechternder Konvertierungsflächen zu verlängern, selbst auf Kosten einer geringeren Verstärkung sekundärer Elektronen pro Verstärkungsstufe. Bei Analyse von Signalen bei der Rate von 1E+9 Ionen pro Sekunde wird die Lebensdauer des TOF-Detektors das Hauptanliegen. Ein MCP mit geringer Verstärkung (z.B. 100-100) kann für die erste Konvertierungsstufe verwendet werden. Dann würde eine 1Coulomb Lebensladung eine Lebensdauer von ungefähr 1 Jahr bei 1E+9 e/Sek. Ladungseingang und 1E+11 e/Sek. Ladungsausgang ermöglichen. Ebenso können herkömmliche Dynoden in der anfänglichen Verstärkungsstufe verwendet werden. Zur Vermeidung einer Dynodenoberflächenvergiftung und Alterung in der anschließenden Signalverstärkungsstufe sollten entweder Dynoden mit nicht modifizierten Oberflächen oder eine Spiegelladungserfassung des anfänglich verstärkten Signals vorhanden sein. Die zweite Stufe kann ein Szintillator sein, gefolgt von einem abgedichteten PMT, einer Stiftdiode, einer Lawinenphotodiode oder einem Diodenarray.
Das neuartige Erfassungsverfahren ist bei anderen bekannten Arten von Ionenfallen anwendbar, wie I-Pfad koaxiale Fallen, die in 2 dargestellt sind, elektrostatische Rennbahn-Fallen, die elektrostatische Sektoren verwenden, in 11-B, magnetische Fallen mit Ion Cyclotron Resonance (ICR) in 11-C, Penning-Fallen, eine ICR-Zelle mit RF Barrieren, Orbitalfallen in 11-D und linearen Hochfrequenz (RF)-Ionenfallen in 11-E.
In Rennbahn-Ionenfallen (11-B) kann ein ziemlich transparenter (90-99,9%) I-e Konverter 114 an einer Ionen-Zeit-Fokus-Ebene eingerichtet sein und einen kleinen Teil Ionenpakete pro Zyklus abtasten. Die sekundären Elektronen werden vorzugsweise seitlich auf einen abgesetzten TOF-Detektor 113 durch kombinierte Wirkung von lokalen elektrischen Feldern und schwachen Magnetfeldern extrahiert, um Elektronen von sekundären negativen Ionen zu trennen. Alternativ wird der Prozentsatz abgetasteter Ionen verringert und durch Einrichten eines Detektors in einer peripheren Region des Ionenpfades oder durch Verwendung eines ringförmigen Detektors 113A kontrolliert. Die Rennbahn-Ionenfallen nach dem Stand der Technik verwenden schmale Ionenpfade. Die Erfindung schlägt eine Verlängerung der Fallen in Z-Richtung vor.
Im ICR MS (11C) ist der TOF-Detektor 113 vorzugsweise koaxial und außerhalb der ICR-Zelle eingerichtet und ein I-e Konverter 114 ist vorzugsweise bei einem relativ großen Radius innerhalb der ICR-Zelle eingerichtet. Vorzugsweise werden Ionen einer begrenzten m/z-Spanne durch Resonanz auf größere Umlaufbahnen erregt und prallen auf den I-e Konverter 114, so dass eine relativ kleine Winkelausbreitung Φ_p von Ionenpaketen beibehalten wird. Der Konverter ist in einem Winkel zur Achse Z eingerichtet, so dass sekundäre Elektronen von der Konvertierungsfläche freigesetzt werden können, trotz der spiralförmigen Magnetronbewegung in Mikrogröße, während sekundäre Ionen wahrscheinlich von der Oberfläche eingefangen werden. Vorzugsweise nimmt der Konverter einen kleinen Teil eines Ionenpfades ein, um mehrere Signale pro m/z Komponente zu bilden. Alternativ wird die Abtastung eines kleinen Teils durch langsame Ionenerregung durchgeführt. Das Verfahren verbessert die Erfassungsgrenze im Vergleich zur Spiegelstromerfassung.
Unter Bezugnahme auf 11-D sind in Orbitalfallen zwei Beispiele einer Anordnung des I-e Konverters 114 und der Detektoren 113 in Reihen dargestellt und ihre Polaritätsvariationen sind in Spalten dargestellt. Vorzugsweise wird eine m/z-Spanne eingefangener Ionen entweder auf eine größere axiale Bewegung (obere Reihe) oder auf eine unterschiedlich große radiale Bewegung (untere Reihe) eingestellt. Bei allmählicher Erregung würden sich mehrere periodische Signale pro einzelner m/z bilden.
Unter Bezugnahme auf 11-E kann in linearen RF-Ionenfallen 119 die Konvertierungsfläche 114 diagonal zu Vierpolstäben angeordnet werden und sekundäre Elektronen können durch einen Schlitz in den RF-Stäben auf einen Detektor 113 abgetastet werden. Die Konvertierungsfläche 114 ist an der Oberfläche eingerichtet, die dem Null-RF-Potential entspricht, das aufgrund entgegengesetzter RF-Signale an den Fallenstäben erscheint. Die Anordnung beruht auf einem sehr schnellen Elektronentransfer, der Nanosekunden benötigt, relativ zu langsamen (unter Mikrosekunden) Variationen des RF-Feldes. Vorzugsweise werden Ionen einer gewählten m/z-Spanne auf größere Schwingungsumlaufbahnen erregt, vorzugsweise mit einer starken kreisförmigen Bewegungskomponente aufgrund einer drehenden Erregung. Dann würde der kleine Teil von Ionen aufgrund des langsam zunehmenden orbitalen Radius und Variationen in der Hochfrequenz-Ionenbewegung abgetastet werden. Vorzugsweise wird ein Satz gebündelter linearer RF-Fallen zur Erhöhung des Analysedurchsatzes verwendet.
In allen beschriebenen Verfahren werden mehrere periodische Signale gebildet, die mit logischer Analyse behandelt werden. Die Erregung einer schmalen m/z-Spanne vereinfacht die spektrale Entschlüsselung. Der Erfassungsschwellenwert wird mit 5 bis 10 Ionen pro Ionenpaket geschätzt, wodurch die Erfassungsgrenze im Vergleich zur Spiegelstromerfassung erhöht ist. In allen beschriebenen Ausführungsformen und Verfahren kann die spektrale Entschlüsselung entweder durch sequenzielle Injizierung von Ionen innerhalb einer begrenzten m/z-Spanne, oder durch sequenzielle Erregung von Ionen einer begrenzten m/z-Spanne verbessert werden.
IONENINJIZIERUNG IN NEUARTIGE E-FALLEN
Die Ioneninjizierung in neuartige E-Fallen der Erfindung muss mehrere Bedingungen erfüllen: (a) sie sollte Ionen zwischen den Injizierungen akkumulieren, um den Wirkungsgrad des Konverters zu erhöhen; (b) eine Raumladungskapazität von 1E+7 - 1E+8 Ionen bei einer langen Ionenspeicherung bis zu 20msec bereitstellen; (c) vorzugsweise entlang der Drift-Z-Richtung verlängert sein; (d) in unmittelbarer Nähe des Analysators angeordnet sein, um die m/z-Spanneneinschränkungen aufgrund von Flugzeiteffekten bei der Injizierung zu vermeiden; (e) bei Gasdrücken unterhalb von 1E-7Torr arbeiten, um ein gutes Vakuum im Analysator aufrechtzuerhalten; (f) Ionenpakete mit Energieausdehnung unter 3-5%, mit minimaler Winkelausdehnung (weniger als 1 Grad) und mit der X-Länge entweder zwischen 0,1mm im Falle eines TOF-Detektors oder bis zu 30mm im Falle der Verwendung eines Spiegeldetektors mit FDM Analyse erzeugen; und (g) eine minimale Verzerrung an den Potentialen und Feldern von elektrostatischen Fallen induzieren.
Unter Bezugnahme auf 12 stellt eine Ausführungsform 121 einer E-Falle mit einem Hochfrequenz (RF)-gepulsten Konverter 125 allgemein eine Gruppe der Konverter-Ausführungsformen und Injizierungsverfahren dar. Der Konverter 125 umfasst einen Hochfrequenz (RF)-Ionenleiter oder eine Ionenfalle 124 mit einem Eingangsende 124A, einem Ausgangsende 124B und einem Seitenschlitz 126 für einen radialen Ausstoß. Der Konverter ist an einen Satz von DC-, RF- und Pulsversorgungen (nicht dargestellt) angeschlossen. Vorzugsweise umfasst der Konverter einen geradlinigen Vierpol 124, wie in der Figur dargestellt, obwohl der Konverter andere Arten von RF-Ionenleitern oder Fallen umfassen kann, wie einen RF-Kanal, eine RF-Fläche, eine RF-Gruppe von Fallen, die durch Drähte gebildet sind, eine RF-Ringfalle, usw. Vorzugsweise wird das RF-Signal nur an die mittleren Platten des geradlinigen Konverters 125 angelegt, wie im Icon 130 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann der RF-Ionenleiter für den Zweck der Schaffung X-verlängerter Ionenpakete, in die X-Richtung verlängert sein und mehrere RF-Elektroden umfassen. Dennoch wird erwartet, dass der Konverter Ionenpakete liefert, die in Z-Richtung mindestens zehnmal länger sind. Vorzugsweise haben die Eingangs- und Ausgangsabschnitte des Konverters Elektroden mit ähnlichem Querschnitt, aber diese Elektroden sind elektrisch isoliert, so dass eine RF- oder DC-Vorspannung für das Einfangen von Ionen in der Z-Richtung möglich ist. Figur zeigt auch andere Komponenten der elektrostatischen Falle: eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Ionenquelle 142, einen gashaltigen und RF-Ionenleiter bei Zwischengasdruck 123, ein Injizierungsmittel 127 und eine ebene elektrostatische Falle 149 mit einer Spiegelkappenelektrode 128 mit einem Injizierungsschlitz. Vorzugsweise ist der gepulste Konverter 135 gekrümmt, so dass er auf die kreisförmige Krümmung der elektrostatischen Falle 139 wie in 13 dargestellt abgestimmt ist.
In Betrieb werden Ionen von der Ionenquelle 122 eingespeist, passieren den gashaltigen Ionenleiter 123 und füllen den gepulsten Konverter 125. In einem Verfahren werden Ionen zuerst in dem gashaltigen Ionenleiter 123 akkumuliert und werden dann in den Konverter 125 durch das Eingangsende 124A gepulst injiziert, passieren den Leiter 124 und werden am Ausgangsende 124B entweder durch eine RF- oder eine DC-Barriere reflektiert. Nach der gepulsten Ioneninjizierung wird das Potential des Eingangsendes 124A erhöht, um unbeschränkt Ionen im Teil 124 einzufangen. Die Dauer des Injizierungspulses wird eingestellt, um den m/z-Bereich eingefangener Ionen zu maximieren. In einem anderen Verfahren bleiben der gashaltige Ionenleiter 123 und der Konverter 125 konstant in Kommunikation und Ionen werden frei zwischen diesen Vorrichtungen für die Zeit ausgetauscht, die für das Ausbalancieren der m/z-Zusammensetzung innerhalb des Konverters 125 notwendig ist. In einem anderen Verfahren werden Ionen kontinuierlich von dem gashaltigen Ionenleiter 123 eingespeist und passieren den Konverter 125 bei einer geringen Geschwindigkeit (unter 100m/s) und treten durch das Ausgangsende 124B aus. Unter Berücksichtigung der verlängerten ~ 1m Länge des Konverters wird die Ionenfortpflanzungszeit mehr als 10ms, d.h. vergleichbar mit der Periode zwischen Ausstößen in die elektrostatische Falle (20ms für R=100.000). Für diese Ausführungsform ist bevorzugt, dieselben geradlinigen Elektroden und dieselbe RF-Energieversorgung sowohl für den gashaltigen Ionenleiter wie auch den Vakuumkonverter zu verwenden und eine DC-Barriere zwischen ihnen zu entfernen. Vorzugsweise ragt ein Konverter durch mindestens eine Stufe eines differenziellen Pumpens. Vorzugsweise hat der Konverter gekrümmte Teile zur Verringerung des direkten Gasaustritts zwischen Pumpstufen. In diesen Verfahren ist optional ein Teil des Konverters mit einem Gaspuls gefüllt, wie im Zeichen 130 dargestellt, um die kinetische Energie von Ionen zu verringern, entweder für das Einfangen oder für das Verlangsamen ihrer axialen Geschwindigkeit. Ein solcher Puls wird vorzugsweise mit einem pneumatischen Ventil oder durch einen Lichtpuls erzeugt, der kondensierte Dämpfe desorbiert. Der vorgeschlagene gepulste Konverter mit dem radialen RF-Ioneneinfangen bei tiefem Vakuum ermöglicht die folgenden Merkmale: (i) Verlängern der Konverter Z-Größe zur Anpassung an die Z-Größe der E-Falle; (ii) Ausrichten des Konverters entlang der im Allgemeinen gekrümmten E-Falle; (iii) Kurzhalten der X-Distanz (relativ zur X-Größe der E-Falle) zwischen dem Konverter und der E-Falle für einen weiteren m/z-Bereich eingeleiteter Ionen; und (iv) Aufrechterhalten eines tiefen Vakuums in der E-Falle im Bereich unter 1E-9 Torr und schließlich unter 1E-11Torr. Die vorgeschlagene Lösung unterscheidet sich von gasgefüllten RF-Ionenfallen nach dem Stand der Technik, die diese Merkmale nicht bereitstellen.
Die Erfindung schlägt mehrere Ausführungsformen und Verfahren der Ioneninjizierung (12-16) des linearen RF-Fallenkonverters von 12 in E-Fallen vor. In diesen Schemata wird das RF-Begrenzungsfeld optional vor dem Ionenausstoß ausgeschaltet. In einem Verfahren werden, sobald der Konverter 125 gefüllt ist, Ionen radial durch den Seitenschlitz 126 und durch den Schlitz in der Spiegelkappe 128 injiziert. Zum Injizierungszeitpunkt wird das Potential der Spiegelkappe 128 gesenkt, um Ionen in die elektrostatische Falle einzuführen. Sobald die schwersten Ionen die Spiegelkappenregion verlassen, wird das Potential der Spiegelkappe 128 auf den normalen Reflexionswert gebracht. Beispielhafte Werte für einen Wechsel von Spiegelspannungen sind zuvor in 6 angeführt. In einem anderen Verfahren, das in 14 dargestellt ist, ragen ein geradliniger ionengepulster Konverter 142 und ein gepulster Beschleuniger 143 durch eine feldfreie Region 144 einer elektrostatischen Falle 145. Sobald der Konverter 142 mit Ionen gefüllt ist, wird das RF-Signal ausgeschaltet und ein Satz von Pulsen wird an den Konverter 142 und den Beschleuniger 143 angelegt, um Ionen in die feldfreie Region 144 der elektrostatischen Falle 145 zu injizieren. Nach der Injizierung werden die Potentiale am Konverter 142 und am Beschleuniger 143 auf das Potential der feldfreien Region 144 gebracht, so dass keine verzerrten Ionenschwingungen möglich sind. Die Ausführungsform ermöglicht beständige Spiegelspannungen, erfordert aber komplexe RF- und gepulste Signale. Unter Bezugnahme auf 15 werden in einer anderen Ausführungsform 151 Ionen über einen elektrostatischen Sektor 156 in eine E-Falle injiziert. Der Sektor biegt Ionenflugbahnen, so dass sie mit der X-Achse 158 der elektrostatischen Falle 155 ausgerichtet sind. Nach der Injizierung wird das Sektorfeld ausgeschaltet, um nicht verzerrte Ionenschwingungen in der E-Falle zu ermöglichen. Aufgrund der mäßigen Anforderungen bezüglich der anfänglichen Zeitausdehnung von Ionenpaketen kann das Sektorfeld in jedem passenden Winkel, z.B. 90 Grad, errichtet werden. Der Sektor kann als länglicher Kanal zur Trennung differenziell gepumpter Stufen dienen. Die Ausführungsform setzt Einschränkungen hinsichtlich des akzeptierten m/z-Bereichs. Unter Bezugnahme auf 16 werden in einer weiteren Ausführungsform 161 Ionen über einen gepulsten Deflektor 167 injiziert. Die Flugbahnen werden vom Deflektor 167 so gelenkt, dass sie mit der X-Symmetrieachse der E-Falle 165 ausgerichtet sind. Der gepulste Deflektor beschränkt ebenso den akzeptierten m/z-Bereich.
In einer Gruppe von Ausführungsformen wird die radiale Größe des Ionenstranges in der X-Y-Ebene durch Verwendung eines kleinen eingeschriebenen Radius r des RF-Konverters (r=0,1-3mm) verringert. Die dünneren Ionenpakete wären mit miniaturisierten (unter 1-10cm in X-Richtung) E-Fallen vereinbar oder ermöglichen eine höhere Auflösungsleistung einer größeren E-Falle. Zur Aufrechterhaltung des m/z-Bereichs sollte die Frequenz des RF-Feldes mit 1/r eingestellt werden. Ein solcher kompakter Konverter kann durch ein Herstellungsverfahren der folgenden Gruppe hergestellt werden: (i) Elektroerosion oder Laserschneiden eines Plattenstapels; (ii) maschinelle Bearbeitung eines keramischen oder halbleitenden Blocks mit anschließender Metallisierung von Elektrodenflächen; (iii) Elektroformen; (iv) chemisches Ätzen oder Ätzen durch Ionenstrahl eines halbleitenden Stapels mit Oberflächenmodifizierungen zur Kontrolle der Leitfähigkeit; und (v) Verwendung einer keramischen Leiterplattentechnologie.
In einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) umfassen die Injizierungsmittel eine RF-Ionenfalle mit axialem Ionenausstoß. Die Falle ist nahe der Z-Kante der E-Falle eingerichtet und mit einem kleinen Winkel zur X-Achse geneigt. Ionen werden durch eine feldfreie Region in die Falle gepulst injiziert. Die Lösung umfasst den vollen m/z-Bereich, beeinträchtigt aber die Raumladungskapazität des Konverters.
Unter Bezugnahme auf 17 umfasst in einer weiteren alternativen Ausführungsform der gepulste Konverter einen elektrostatischen Ionenleiter 171. Der Leiter wird durch zwei parallele Reihen von Elektroden 172 und 173 gebildet. Jede Reihe umfasst zwei abwechselnde Elektrodengruppen 172A, 172B und 173A, 173B. Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden ist vorzugsweise mindestens zweimal kleiner als die X-Breite des Kanals. Die Eingangsseite des Leiters ist durch den breiten Pfeil 174 angezeigt, der auch die Richtung des eintretenden Ionenstrahls anzeigt. Die Ausgangsseite der Führung 171 ist optional mit einem Reflektor 175 ausgestattet. Eine umgeschaltete Energieversorgung 176 führt zwei gleiche statische Potentiale mit entgegengesetzter Polarität U und -U den Elektroden 172A, 172B und 173A, 173B in einer räumlich alternierenden Weise zu und schaltet sie beim Ionenausstoß um.
In Betrieb wird ein kontinuierlicher, langsamer und geringfügig divergierender Ionenstrahl über die Eingangsseite des Ionenleiters eingeführt. Vorzugsweise beziehen sich Potentiale U an der Führung auf die Energie E des sich fortpflanzenden Ionenstrahls 174 mit 0,01U<E/q<0,3U. Räumlich alternierende Potentiale erzeugen eine Reihe von schwachen elektrostatischen Linsen, die Ionen innerhalb des Kanals halten. Die Ionenzurückhaltung ist durch simulierte Ionenflugbahnen dargestellt, die im Icon 177 gezeigt sind. Sobald Ionen den Spalt füllen, werden die Potentiale an Elektrodengruppen 172A und 173B zur entgegengesetzten Polarität umgeschaltet. Dies würde ein Extraktionsfeld über den Kanal erzeugen und würde die Ionen zwischen den Elektroden 173 ausstoßen. Die Ausführungsform ist frei von RF-Feldern, was die Aufnahme durch Detektorelektroden eliminiert. Sie ermöglicht auch eine Verlängerung der X-Größe von Ionenpaketen für das Erfassen der Hauptschwingungsharmonischen.
Unter Bezugnahme auf 18 wird in einer anderen Ausführungsform 181 eine ausgleichende E-Falle 182 zum Injizieren länglicher Ionenpakete in die analytische E-Falle 183 vorgeschlagen. Im Vergleich zur analytischen E-Falle 183 ist die ausgleichende E-Falle 182 in X-Richtung mindestens zweimal kürzer und verwendet eine einfachere Geometrie, da sie nicht isochron sein sollte. Vorzugsweise wird ein quasi-kontinuierlicher Ionenstrahl über eine Z-Kante der ausgleichenden E-Falle und über eine Elektrode 184 eingeführt. Vorzugsweise ist die Elektrode 184 relativ lang in X-Richtung gestaltet, um die Energieausdehnung von Ionen zu minimieren, und ist beim beschleunigenden Potential eingestellt. Ein linearer RF-Ionenleiter 186 erzeugt einen quasi-kontinuierlichen Ionenstrahl von 0,1-1ms Dauer. Die Ionen treten über eine Apertur 185 der Elektrode 184 ein und werden entlang der X-Richtung auf die Beschleunigungsenergie beschleunigt. Aufgrund der Kantenfelder und aufgrund einer anfänglichen Ionenenergie in Z-Richtungen pflanzen sich die Ionen durch die ausgleichende Falle entlang einer zickzackförmigen Ionenflugbahn fort. Der kontinuierliche Ionenstrahl füllt die ausgleichende E-Falle und Ionen aller m/z füllen den X-Raum homogen. Nach der Injizierung wird das Potential der gemeinsamen Spiegelelektrode 185 gesenkt, so dass Ionen von der ausgleichenden E-Falle 182 in die analytische E-Falle 183 gehen. Das Verfahren liefert Ionenpakete, die für alle m/z-Komponenten gleich verlängert sind, und ist nützlich, wenn FFT- oder FDM-Verfahren einer Spektralanalyse angewendet werden, wobei die Aufnahmesignale bei Hauptsschwingungsharmonischen sinusförmig sein sollte.
Für eine Erdung eines gepulsten Konverters verwendet eine Ausführungsform eine Elevatorelektrode. Sobald ein Ionenpaket den Elevator füllt, wird das Potential der Elevatorelektrode zur Beschleunigung von Ionen am Ausgang des Elevators angehoben.
EINSTELLUNG DER VERSTÄRKUNG UND MULTIPLEXEN VON E-FALLEN FÜR TANDEMS
Ähnlich wie bei anderen Arten von MS ist die neuartige E-Falle für Tandems mit verschiedenen chromatographischen Trennungen von Neutralen und mit Massenspektrometrie oder Mobilitätstrennung von Ionen geeignet.
Unter Bezugnahme auf 19 umfasst die bevorzugteste Ausführungsform 191 der Erfindung einen in Serie angeschlossenen Chromatographen 192, eine Ionenquelle 193, ein erstes Massenspektrometer 194, eine Fragmentierungszelle 195, einen gashaltigen Hochfrequenz RF-Ionenleiter 196, einen gepulsten Konverter 198, und eine zylindrische elektrostatische E-Falle 199 mit einem Spiegelstromdetektor 200 und einem Flugzeitdetektor 200T. Die Falle hat eine optionale ringförmige 199D Elektrode zur Korrektur einer radialen Ionenverschiebung. Eine Variation des Ionenflusses in die E-Falle ist durch das symbolische Zeitdiagramm 197 dargestellt.
Der Chromatograph 192 ist entweder ein Flüssigkeits- (LC)- oder ein Gas (GC)-Chromatograph oder eine Kapillarelektrophorese (CE) oder eine andere bekannte Art von Verbindungsseparatoren oder ein Tandem mit mehreren Verbindungstrennungsstufen, wie zweidimensionale GCxGC, LC-LC, LC-CE, usw.. Die Ionenquelle kann jede Ionenquelle nach dem Stand der Technik sein. Die Quelle wird auf der Basis der analytischen Anwendung gewählt und kann zum Beispiel eine der folgenden Liste sein: Elektrospray (ESI), Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI), Atmospheric pressure Photo Ionization (APPI), Matrix Assisted Laser Desorption und Ionization (MALDI), Electron Impact (EI) und Inductively Coupled Plasma (ICP). Das erste Massenspektrometer MS1 194 ist vorzugsweise ein Vierpol, obwohl es eine Ionenfalle, eine Ionenfalle mit massenselektivem Ausstoß, ein magnetisches Massenspektrometer, ein TOF, oder ein anderer Massenseparator sein kann, der nach dem Stand der Technik bekannt ist. Die Fragmentierungszelle 195 ist vorzugsweise eine kollisionsaktivierte Dissoziationszelle, kann aber auch eine Elektronablösungs- oder Oberflächendissoziationszelle oder eine Zelle zur Ionendissoziation durch metastabile Atome sein oder jede andere bekannte Fragmentierungszelle oder eine Kombination dieser. Der Ionenleiter 196 kann ein gasgefüllter Multipol mit einer RF-Ionenbegrenzung oder jeder andere bekannte Ionenleiter sein. Vorzugsweise ist der RF-Leiter geradlinig, so dass er an den ionengepulsten Konverter der elektrostatischen Falle angepasst ist. Der Konverter 198 ist vorzugsweise eine geradlinige RF-Vorrichtung mit radialem Ausstoß, die in 12 und 13 dargestellt ist, obwohl er jeder Konverter sein kann, der in 14 -Figur 18 dargestellt ist. Die elektrostatische Falle 199 ist vorzugsweise die zylindrische Falle, die in 13 beschrieben ist, obwohl sie die ebene Falle von 12 oder eine kreisförmige Sektorfalle 42, 43 oder 44 wie in 4A (die nicht unter die unabhängigen Ansprüche fällt, jedoch zur Erläuterung dient) dargestellt, oder jede andere E-Falle, die in 4 dargestellt ist, sein kann. In diesem besonderen Beispiel wird die elektrostatische Falle als Massenspektrometer MS2 der zweiten Stufe verwendet. Die Erfassungsmittel sind vorzugsweise ein Paar von Differentialdetektoren mit einem Einzelkanal-Datenerfassungssystem, obwohl sie mehrere Detektorsegmente umfassen können, die entweder in Z- oder X-Richtung geteilt sind, so wie mehrere Datensysteme, oder einen Flugzeitdetektor, der optional in Kombination mit einem Spiegelladungsdetektor verwendet wird.
Die LC-MS-MS und die GC-MS Tandems stellen mehrere Anforderungen an die elektrostatische Falle, wie Synchronisierung der wesentlichen Hardware-Komponenten und die Anpassung an variable Signalstärken. Der Ionenfluss von der Ionenquelle variiert im Laufe der Zeit. Typische Breiten von chromatographischen Peaks sind 5-15 Sekunden im LC-Fall, etwa 1 Sekunde im GC-Fall und 20-50ms im GCxGC Fall. Es wird erwartet, dass die neuartige E-Falle eine Erfassungsgeschwindigkeit bis zu 50-100 Spektren/Sek. bei R=100.000 liefert, was die typischen chromatographischen Anforderungen überschreitet, aber entweder für Tandem MS mehrerer Vorläufer oder für eine Zeitenfaltung nahezu gleichzeitig koeluierender Komponenten erforderlich ist.
Für eine MS-MS Analyse können mehrere Strategien verwendet werden, umfassend:

(a) datenabhängige Analyse, wobei die Stammmasse und die Dauer der einzelnen MS-MS Schritte auf der Basis der Stammmassenspektren gewählt werden; (b) Gesamtmassen-MS-MS-Analyse bei höherer Erfassungsgeschwindigkeit, z.B. erfolgt eine MS1 Abtastung in 1 Sekunde bei 500 Auflösung und MS2 erfolgt in der E-Falle mit 10.000 Auflösung; (c) datenabhängige Analyse, wobei die Stammionenmassen und Füllzeit für eine Analyse mit hoher Auflösung auf der Basis einer Gesamtmassen- MS-MS Analyse bei mäßiger Auflösung gewählt werden.

Während schwacher chromatographischer Spitzen ist die Empfindlichkeit des Instruments durch das Rauschen des Verstärkers und durch die relativ kurze Erfassungszeit beschränkt. Es ist vorteilhaft, die Fallenfüllzeit und die Datenerfassungszeit während der Elution schwacher chromatographischer Spitzen zu verlängern, wobei solche Einstellungen wie die endgültige Bestimmung der Verbindungskonzentration berücksichtigt werden. Die Dauer der Ionenfüllung und der Signalerfassung kann bis zum Zehnfachen verlängert werden, bevor die GC-Trennungsgeschwindigkeit beeinträchtigt wird, und bis zum 50-100-Fachen, bevor die LC-Trennungsgeschwindigkeit beeinträchtigt wird.
Ein bevorzugtes Verfahren der Verstärkungseinstellung eines E-Fallenbetriebs ist am besten für die LC-MS und GC-MS Analyse geeignet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einleiten eines variablen Ionenflusses in den Ionenleiter 196; Messen eines momentanen Ionenstroms I_F vom Ionenleiter in den Konverter; Einstellen einer Dauer T_F des Ionenflusses in den Konverter, um den Konverter mit der voreingestellten Sollzahl von Ladungen N_e=I_F*T_F/e zu füllen; Injizieren der Ionen von dem Konverter in die elektrostatische Falle 199; Einstellen der Datenerfassungszeit in der elektrostatischen Falle gleich T_F, und Anhängen der Informationen über die Füllzeit an die Spektrendatei; und dann Fortfahren mit dem nächsten Schritt. Das Massenspektrometriesignal wird dann unter Berücksichtigung des aufgezeichneten Signals und der Füllzeit rekonstruiert. Der Ionenstrom in den Konverter kann z.B. an Elektroden der Transferoptik gemessen werden. Alternativ kann der Ionenstrom auf der Basis der Signalstärke der vorangehenden Spektren gemessen werden. Die Sollzahl von Ladungen N_e kann mit weiten Grenzen eingestellt werden, um die Füllzeit zu quantifizieren. Zum Beispiel kann die Füllzeit zweimal pro Schritt variiert werden. Zusätzliche Kriterien können für die Einstellung der Füllzeit T_F verwendet werden. Zum Beispiel kann eine minimale Erfassungszeit so eingestellt werden, dass eine minimale Auflösung durch ein Chromatogramm beibehalten wird. Eine maximale Erfassungszeit kann eingestellt werden, um eine ausreichende chromatographische Auflösung beizubehalten. Es wird erwartet, dass die Wahl des Anwenders der voreingestellten Sollzahl von Ladungen N_e die durchschnittliche Signalstärke der verwendeten Ionenquelle, eine Konzentration der Probe und mehrere andere Parameter der Anwendung berücksichtigt. Alternativ kann die Ionenfüllzeit periodisch geändert werden, so dass zwischen den Signalsätzen an der Datenanalysestufe gewählt wird.
Die Tandemanalysen können ferner verbessert werden, wenn E-Fallenbündel verwendet werden, die in 5 dargestellt sind. Die vorgeschlagenen Bündel werden durch Ausbildung mehrerer Sätze ausgerichteter Schlitze innerhalb desselben Satzes von Elektroden gebildet, um mehrere Volumina zu bilden, die jeweils einer einzelnen E-Falle entsprechen. Dies ermöglicht eine ökonomische Herstellung von gebündelten E-Fallen, die sich dieselbe Vakuumkammer und denselben Satz von Energieversorgungen teilen. Die E-Fallenbündelung ist vorzugsweise von einer Bündelung gepulster Konverter begleitet. Dann können der Ionenfluss oder Zeitscheiben des Ionenflusses oder Flüsse von mehreren Ionenquellen zwischen den gepulsten Konvertern gebündelt werden. In einem Verfahren wird ein kalibrierender Fluss für den Zweck einer Massen- und/oder Empfindlichkeitskalibrierung mehrerer E-Fallen verwendet. In einer besonderen Ausführungsform 53 wird derselbe Fluss zwischen mehreren E-Fallen drehend gebündelt.
In einem Verfahren werden mehrere elektrostatische Fallen vorzugsweise parallel für eine Analyse desselben Ionenstroms für den Zweck einer weiteren Erhöhung der Raumladungskapazität, der Auflösung der Analyse und des dynamischen Bereichs elektrostatischer Fallen betrieben. Die E-Fallenbündelung ermöglicht eine Verlängerung der Erfassungszeit und Erhöhung der Auflösung. In einem anderen Verfahren werden mehrere elektrostatische Fallen für verschiedene Zeitscheiben desselben Ionenstroms verwendet, der entweder von einer Ionenquelle mit variabler Intensität oder von MS1 oder IMS kommt. Die Zeitfraktionen des Hauptionenstroms werden zwischen mehreren elektrostatischen Fallen zeitabhängig und datenabhängig aufgeteilt. Die Zeitschlitze können innerhalb gebündelter Konverter gesammelt und gleichzeitig in parallele elektrostatische Fallen mit einem einzelnen Spannungspuls eingespritzt werden. Die parallele Analyse kann für mehrere Ionenquellen verwendet werden, einschließlich einer Quelle für Kalibrierungszwecke. In einem anderen Verfahren wird die gemultiplexte Analyse in einem Satz von elektrostatischen Fallen mit einem vorangehenden Schritt einer Rohmassentrennung von Ionenströmen in m/z-Fraktionen oder Ionenmobilitätsfraktionen und Bilden der Teilströme mit schmäleren m/z-Bereichen kombiniert. Dies ermöglicht die Verwendung schmaler Bandbreitenverstärker mit einem signifikant verringertem Rauschpegel und somit die Verbesserung der Erfassungsgrenze schließlich auf ein einzelnes Ion.
MASSENSELEKTION IN E-FALLE
Die Ionenpakete können unbeschränkt innerhalb der elektrostatischen Ionenfalle für viele tausende Schwingungen begrenzt werden, wobei die Zahl von Schwingungen durch langsame Verluste aufgrund der Streuung auf Restgas und aufgrund einer Kopplung der Ionenbewegung an das Detektionssystem begrenzt ist. In einem Verfahren der Erfindung wird ein schwaches periodisches Signal an Fallenelektroden angelegt, so dass die Resonanz zwischen dem Signal und den Ionenbewegungsfrequenzen entweder für eine Entfernung bestimmter ionischer Komponenten oder für eine Auswahl einzelner ionischer Komponenten durch eine gekerbte Wellenform oder für eine Massenanalyse mit resonantem Ionenausstoß aus dem Ionenschwingungsvolumen auf einen Flugzeitdetektor oder in eine Fragmentierungsfläche oder für einen Durchgang zwischen E-Fallenregionen verwendet wird. Die Komponente von Interesse würde Verzerrungen bei jedem Zyklus empfangen, während die temporären Überlappungen in Raumkomponenten nur wenige Verzerrungen empfingen. Wenn niedere Verzerrungsamplituden gewählt werden und wenn eine Akkumulierung der Verzerrungen durch viele Zyklen hindurch erfolgt, erscheint eine scharfe Resonanz bei der Ionenentfernung/-auswahl. Für die Erregung von X-, Y- oder Z-Bewegungen ist bevorzugt, einige Elektroden in der feldfreien Region zu verwenden und eine Reihe von periodischen ablenkenden/beschleunigenden kurzen Pulsen zu wählen, die exakt zu dem Zeitablauf eines Durchgangs eines Ionenpakets für eine besondere ionische Komponente passen. Die resonante Erregung in der Z-Richtung ist besonders bevorzugt, da sie Schwingungsfrequenzen nicht beeinflusst. Die möglichen Barrieren an Z-Kanten sind schwach (1-10eV) und es wäre eine mäßige Erregung notwendig, um alle Ionen eines bestimmten m/z-Bereichs durch eine Z-Barriere auszustoßen, selbst wenn die Erregungspulse innerhalb eines Bruchteils der Z-Breite angelegt werden.
Unter Bezugnahme auf 20 verwendet ein Beispiel des MS-MS Verfahrens eine Möglichkeit von MS-MS in elektrostatischen Fallen. Die Ionenauswahl in elektrostatischen Fallen ist vorzugsweise von einer oberflächeninduzierten Fragmentierung auf einer Oberfläche 202 einer elektrostatischen Falle 201 begleitet. Eine optimale Stelle einer solchen Oberfläche ist in der Region einer Ionenreflexion in X-Richtung innerhalb der Ionenspiegel, wo Ionen eine mäßige Energie haben. Zur Vermeidung von Feldverzerrungen während des Großteils einer Ionenschwingung kann die Oberfläche 202 an einer Z-Kante 203 der elektrostatischen Falle 201 angeordnet werden. Die Oberfläche liegt vorzugsweise hinter der schwachen Z-Barriere, die z.B. durch einen elektronischen Keil 204 gebildet wird. Die Ionenauswahl wird durch eine synchronisierte Reihe von Pulsen erreicht, die an Elektroden 205 angelegt wird. Ionen mit einer Masse von Interesse würden die Erregung in Z-Richtung akkumulieren und würden die Z-Barriere queren. Sobald primäre Ionen auf die Oberfläche prallen, bilden sie Fragmente, die zurück in die elektrostatische Falle beschleunigt werden. Vorzugsweise wird ein Deflektor 206 verwendet, um ein sich wiederholendes Aufprallen auf der Fragmentierungsoberfläche zu vermeiden. Das Verfahren ist besonders im Falle einer Verwendung mehrerer elektrostatischer Fallen geeignet, wobei jede Falle einen relativ schmalen Massebereich von Ionen behandelt.

Claims

Elektrostatischer Analysator, umfassend: einen ersten Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld eines Ionenspiegels in einer X-Y-Ebene bilden; wobei der Ionenspiegel angeordnet ist, um Ionenreflexionen in einer X-Richtung bereitzustellen; einen zweiten dem ersten Satz von Elektroden gegenüberliegenden Satz von Elektroden, die ein zweidimensionales elektrostatisches Feld in der X-Y-Ebene bilden; und einen feldfreien Raum, der die beiden Elektrodensätze trennt; wobei die beiden Elektrodensätze angeordnet sind, um isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene und eine Ionendriftbewegung in einer zur X-Y-Ebene lokal orthogonalen Z-Richtung bereitzustellen, wobei beide Elektrodensätze mit einem konstanten Krümmungsradius R entlang der lokal orthogonalen Z-Richtung gekrümmt sind, um toroidale Feldbereiche zu bilden, wobei eine X-Länge L des elektrostatischen Analysators, die einen Ionenpfad pro Einzeloszillation repräsentiert, und ein Neigungswinkel α zwischen einer mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse in X-Z Ebene, gemessen in Bogenmaß, gewählt sind, um die folgende Beziehung zu erfüllen: R > 50*L*α².
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, wobei innerhalb des ersten Satzes von Elektroden mindestens eine äußere Ringelektrode mit einer höheren Abstoßspannung verbunden ist relativ zu einer gegenüberliegenden Elektrode eines Innenrings.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, wobei die Form der sich entlang der Z-Achse erstreckenden Elektrodensätze, die zu einem Kreis geschlossen ist, gebildet ist, derart, dass die Feldverteilungen in der X-Y-Ebene in Z-Richtung reproduziert werden.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, wobei die zwei Elektrodensätze identisch sind unter Berücksichtigung der Analysatorsymmetrie.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, wobei der zweite Elektrodensatz mindestens eine optische Ionenanordnung aus der Gruppe: (i) einen Ionenspiegel; und (ii) einen elektrostatischen Sektor umfasst.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 5, wobei der zweite Elektrodensatz eine Kombination aus den beiden optischen Ionenanordnungen umfasst.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 6, ferner umfassend mindestens eine zusätzliche optische Ionenanordnung aus der Gruppe, um eine zentrale Referenz-Ionenflugbahn in der X-Y-Ebene bereitzustellen mit einer Form aus der Gruppe: (i) O-förmig; (ii) C-förmig; (iii) S-förmig; (iv) X-förmig; (v) V-förmig; (vi) W-förmig; (vii) UU-förmig; (viii) VV-förmig; (ix) Ω-förmig; (x) γ-förmig; und (xi) 8-förmig geformt.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Analysator einen Ionenspiegel mit mindestens vier parallelen Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen umfasst, und wobei mindestens eine Elektrode der mindestens vier parallelen Elektroden ein Anziehungspotential aufweist, das mindestens doppelt so groß ist wie die Beschleunigungsspannung, um isochrone Schwingungen unter Kompensation von Aberrationskoeffizienten zumindest zweiter Ordnung bereitzustellen.
Elektrostatischer Analysator nach Anspruch 1, ferner umfassend einen gepulsten Konverter, der sich entsprechend der Elektrodensätze entlang der Z-Richtung erstreckt, derart, dass die Feldverteilungen in der X-Y-Ebene in Z-Richtung reproduziert werden, und ausgerichtet ist, um der konstanten Krümmung der Elektrodensätze zu folgen, wobei der gepulste Konverter Mittel zum Ionenausstoß in der Richtung orthogonal zur Z-Richtung umfasst, und wobei der gepulste Konverter ferner umfasst einen aus der Gruppe: (i) einen Hochfrequenz-Ionenleiter; (ii) eine Hochfrequenz-Ionenfalle; (iii) einen elektrostatischen Ionenleiter; und (iv) eine elektrostatische Ionenfalle mit Ionenschwingungen in X-Richtung.
Massenspektrometer, umfassend den elektrostatischen Analysator nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Analysator verwendet wird als eine geschlossene elektrostatische Falle.
Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Satzes von Elektroden zum Bilden eines ersten Feldbereichs eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in einer X-Y-Ebene zur Ionenreflexion in einer X-Richtung; Bereitstellen eines zweiten dem ersten Satz von Elektroden gegenüberliegenden Satzes von Elektroden, wobei der zweite Satz von Elektroden eingerichtet ist zum Bilden eines zweiten Feldbereichs eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes in der X-Y-Ebene; Trennen der beiden Feldbereiche durch einen feldfreien Raum; Anordnen der elektrostatischen Felder, um isochrone Ionenschwingungen in der X-Y-Ebene und eine Ionendriftbewegung in einer zur X-Y-Ebene lokal orthogonalen Z-Richtung bereitzustellen; wobei sowohl der erste als auch der zweite Feldbereich mit einem konstanten Krümmungsradius R entlang der lokal orthogonalen Z-Richtung gekrümmt sind, um einen toroidalen Feldbereich zu bilden, und wobei eine X-Länge L des elektrostatischen Analysators, die einen Ionenpfad pro Einzeloszillation repräsentiert, und ein Neigungswinkel α zwischen einer mittleren Ionenflugbahn und der X-Achse in X-Z Ebene, gemessen in Bogenmaß, gewählt werden, um die folgende Beziehung zu erfüllen: R > 50*L*α².