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Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Massenspektrometrie; insbesondere betrifft sie die Detektion von Ionen in dem Massenanalysator eines Massenspektrometers.
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Hintergrund der Erfindung
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Während des Prozesses einer Massentrennung innerhalb eines Massenanalysators werden Ionenstrahlen durch den Analysator transportiert. Flugzeit(TOF)-Massenanalysatoren (TOF – Time Of Flight) und Elektrostatische-Falle(EST)-Massenanalysatoren (EST – Electrostatic Trap) können die Ionen auf lange und/oder komplexe Strahlverläufe lenken, insbesondere wenn mit dem Analysator eine hohe Massenauflösung erhalten werden soll. Beispielsweise können hochauflösende Multireflexions-TOF(MR-TOF)-Massenanalysatoren Strahlengangslängen von einigen Metern oder einigen zehn Metern aufweisen, und bei den neuesten Ausführungen verwendet man keine langen, geraden feldfreien Bereiche, sondern stattdessen folgen Ionen komplexen gebogenen oder gefalteten Ionenverläufen, in manchen Fällen während sie sich kontinuierlich in Gegenwart eines Analysatorfelds befinden. Zu Beispielen solcher Analysatoren zählen Multisektor-MR-TOF-Ausführungen, wie sie im Patent
US 7,399,960 B2 beschrieben sind, Multireflexionsspiegel-ToF-Ausführungen, wie sie in
WO 2005/001878 A2 beschrieben sind, und Spiralbahn-TOF-Ausführungen, wie sie im Patent
US 7,186,972 B2 beschrieben sind. Die Aufrechterhaltung eines langen und/oder komplexen Strahlengangs innerhalb eines solchen Analysators kann sich schwierig gestalten. Eine beim Eintritt in den Analysator auftretende Änderung der Ionenstrahlcharakteristika wie z. B. Raumlage, Verlauf und Strahlenenergie kan den Ionenstrahl daran hindern, den erwünschten Ionenstrahlenweg innerhalb des Analysators zu vollenden, und möglicherweise unterwegs seinen Verlust, oder den Verlust eines Teils davon, durch Kollision mit einigen Elementen der Analysatorstruktur verursachen. Bei einem komplexen Strahlengang und einer komplexen Analysatorstruktur kann ein Nichtdetektieren eines hervortretenden Ionenstrahls den Analysator unbrauchbar machen, da das Bestimmen der Ursache des Problems sich als zu schwierig herausstellen kann. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Ionenstrahl den Analysator erfolgreich passiert, jedoch nicht dem optimalen Gang folgt und in Bereiche gelangt, in denen die Analysatorfelder nicht so präzise aufrechterhalten werden, wodurch er Strahlaberrationen unterliegen kann. Das Verknüpfen herkömmlicher ionenoptischer Einrichtungen mit solchen Massenanalysatoren und das Abstimmen von Massenanalysatoren für den Routinebetrieb können daher problematisch sein.
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Einige Ausführungen von TOF- und EST-Massenanalysatoren verwenden elektrische Felder, manchmal starke elektrostatische Felder, die innerhalb des Analysators entlang dem Großteil des Ionenstrahlengangs oder entlang dem gesamten Ionenstrahlengang vorliegen, und diese elektrostatischen Felder müssen über die gesamte Aufenthaltszeit des Ionenstrahls im Analysator präzise erzeugt und aufrechterhalten werden, damit mit dem Analysator eine hohe Massenauflösung erzielt wird. Wo starke Felder vorliegen, wird noch höhere Präzision der eingeführten Strahlencharakteristika gefordert, da kleinste Fehlausrichtungen des Ionenstrahlengangs durch das starke Feld verstärkt werden und der Strahl schnell vom idealen Strahlengang abweicht. Das Problem vergrößert sich, wenn die Flugbahn innerhalb des Massenanalysators mehrere Richtungsänderungen umfasst.
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Bei einigen Arten von TOF-Massenanalysatoren, wie zum Beispiel Mehrschlaufen-Analysatoren, kann der Strahl mit einer einzigen Schlaufe durch den Analysator, gefolgt von Ausgabe an einen außerhalb des Analysators liegenden Detektor überwacht werden. Ein ähnlicher Ansatz lässt sich bei anderen Arten von Massenanalysatoren anwenden, wo der Strahlengang auf sich selbst zurückgefaltet wird, d. h. Ausgabe an einen externen Detektor zur Überwachung, nachdem der Strahl nur einen Teil des gesamten Strahlengangs, der für eine vollständige Massenanalyse verwendet würde, passiert hat. In beiden Fällen wird ein externer Detektor zur vollständigen Massenanalyse am Ende der vollständigen Flugbahn verwendet, und der Ionenstrahl kann so von der Hauptflugbahn abgelenkt werden, dass er nach einer ganzzahligen Anzahl von Durchgängen auf ihm auftrifft. Jedoch gestatten bei anderen Arten von Analysatoren die Geometrie des Analysators und der entstehende Strahlengang möglicherweise nicht die Abgabe an den Enddetektor, bis die gesamte Flugbahn durchlaufen wurde. Ein Überwachen des Strahls, bevor er der vollständigen Flugbahn gefolgt ist, ist vorteilhaft, denn so kann die Strahlenlage und/oder der Strahlenverlauf bestimmt werden, bevor sich eine Strahlenfehlausrichtung durch mehrfache Durchläufe oder mehrfache Richtungsänderungen vervielfacht, wodurch der Strahl eventuell verloren geht. Es ermöglicht ebenso eine Messung der Anzahl von Ionen innerhalb des Strahls in kürzerer Zeit als sonst für eine vollständige Massenanalyse mit mehrfachen Durchgängen nötig wäre. Mehrschlaufen-Analysatoren und andere Formen von Massenanalysatoren, bei denen der Strahlengang auf sich selbst zurückgefaltet ist, haben einen begrenzten Massenbereich, da Ionen mit geringer Masse durch den Analysator laufen und nach mehrfachen Durchläufen Ionen mit hoher Masse einholen. Eine Entfaltung des komplexen resultierenden Spektrums überlappender Ionen kann schwierig oder unmöglich sein, und so wird eine Massenbereichsbegrenzung benötigt, damit sich Ionen nicht überlappen. Es ist daher wünschenswert, Massenanalysatoren zu verwenden, bei denen keine Wiederholungsbahn verwendet wird, in welchem Fall wie schon erwähnt der Strahlenweg die Ausgabe an den Enddetektor, bis die gesamte Flugbahn durchlaufen wurde, eventuell nicht zweckmäßig gestattet.
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Dokument
WO 2008/046594 A2 beschreibt einen (TOF) Massenspektrometer mit vielfachen Richtungsänderungen des Ionenstrahls. Ferner umfasst der Massenspektrometer eine Detektionsanordnung, die basierend auf der Detektion von Ionen, die zwei unterschiedliche Bahnlängen innerhalb des Spektrometers zurückgelegt haben, zwei Ausgaben bereitstellt. Sowohl Dokument
WO 2010/136533 A1 als auch Dokument
US 2006/0214100 A1 beschreiben einen (TOF) Massenspektrometer mit vielfachen Richtungsänderungen des Ionenstrahls, wobei der Massenspektrometer einen Detektor aufweist, welcher sich innerhalb eines Analysatorvolumens des Massenspektrometers befinden kann. Dokument
US 7,388,193 B2 beschreibt einen (TOF) Massenspektrometer mit einem Detektor, der sich innerhalb des Analysatorvolumens des Massenspektrometers befinden kann.
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Die Verwendung von Teilen der Analysatorstruktur als zeitweilige Strahlenüberwachungseinrichtungen ist ebenso bei der Massenspektrometrie bekannt. Zum Beispiel kann die Außensektorelektrode einer elektrostatischen Sektoreinrichtung von der Spannungszufuhr, die zur Erzeugung des elektrostatischen Felds während der Verwendung als ein TOF, getrennt und stattdessen mit einem Elektrometer verbunden werden. Anstatt dass Ionen um den Sektor gelenkt werden, kollidieren sie mit der Außensektorelektrode aufgrund der Abwesenheit des elektrischen Felds des Analysators, und der an der Außensektorelektrode ankommende Strom wird von dem Elektrometer gemessen. Man kann einen ähnlichen Ansatz auch zum Beispiel durch Verwendung einer Linse in einem MR-TOF anwenden. Eine derartige Verwendung von Analysatorelektroden als Zwischendetektionsflächen verursacht jedoch den Verlust der Funktionsfähigkeit des Analysators als Massenanalysator, da die Spannungszufuhr zur Durchführung der Messung abgeschaltet und dann wieder zugeschaltet werden muss und das Analysatorfeld dadurch unterbrochen wird. Der Prozess ist langsam und die Messung findet in Abwesenheit des korrekten Analysatorfelds statt. Als Zwischendetektorflächen zur Strahlenüberwachung können, erneut unter Verwendung eines Elektrometers, Strahlenlochblenden verwendet werden. In Gegenwart des normalen Analysatorfelds gibt eine solche Lochblende den Ionenstrahl ab und bei der auf der Blendenplatte auftreffenden Ladung handelt es sich lediglich um ein Maß der Strahlenverluste. Um die in dem gesamten Strahl anwesende Ladung messen zu können, muss das Analysatorfeld geändert werden, um den gesamten Strahl so auf die Lochblende zu lenken, dass im Wesentlichen kein Strahl durch das Loch gelangt. In herkömmlichen Multisektor- und MR-TOF-Ausführungen können durch den Analysator hindurch Felder vorliegen und keine solchen Lochblenden vorliegen, da sie sowohl unnötig sind als auch das elektrische Feld in ihrer Nähe verzerren würden.
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Um kleinere Strahlströme zu messen, können sekundäre Elektronenvervielfacher verwendet werden, wie zum Beispiel von A. E. Giannakopulos et. al. in Int. J. Mass Spectrom. and Ion Processes, 131, (1994), 67, beschrieben. Diese Arten von Detektionssystem sind jedoch teuer und verlangen, dass Strukturen innerhalb des Analysators gebildet werden, um den Vervielfacher unterzubringen, dessen Anwesenheit die Qualität des elektrischen Felds innerhalb des Analysators beeinträchtigen kann. Ferner hängt die Detektionseffizienz von Elektronenvervielfachern von der chemischen Zusammensetzung der zu detektierenden Ionen und stark von ihrer Geschwindigkeit ab.
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Angesichts des oben Gesagten wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Die Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 12 definiert. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Ionen innerhalb eines Flugzeit- oder Elektrostatische-Falle-Massenanalysators bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
- (1) Einleiten von Ionen in den Massenanalysator;
- (2) Veranlassen, dass die Ionen einen Abschnitt einer Hauptflugbahn innerhalb des Massenanalysator folgen, wobei die Hauptflugbahn mehrfache Richtungsänderungen umfasst;
- (3) Durchführen einer Strahlablenkung, um zumindest einige der Ionen von der Hauptflugbahn abzulenken, so dass sie auf eine sich innerhalb des Massenanalysators befindende Detektionsfläche auftreffen, wobei die Detektionsfläche einen Teil einer Analysatorfeld des Massenanalysators aufrecht erhaltenden Elektrode bildet;
- (4) Messen einer Größe, die für die Ladung, die an der Detektionsfläche ankommt und durch die auftreffenden Ionen erzeugt wird, repräsentativ ist;
- (5) Bestimmen, aus der angewandten Strahl-Ablenkung, von Eigenschaften einer Trajektorie, der die Ionen direkt vor der Strahl-Ablenkung folgten, und/oder Bestimmen, aus der gemessenen Größe, eines Wertes, der für die Anzahl von Ionen, die auf der Detektorfläche auftrafen, repräsentativ ist;
wobei das Analysatorfeld in der Nähe der Detektionsfläche nicht null ist.
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Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung einen Flugzeit- oder Elektrostatische-Falle-Massenanalysator vor, der eine Detektionsfläche, die sich innerhalb des Massenanalysators befindet, wobei die Detektionsfläche bei Verwendung ein Teil einer das Analysatorfeld des Massenanalysators aufrecht erhaltenden Elektrode ist; und einen Deflektor umfasst, wobei der Massenanalysator im Gebrauch eine Flugbahn hat, die mehrfache Richtungsänderungen umfasst, wobei der Deflektor zur Ablenkung von Ionen von der Hauptflugbahn auf die Detektionsfläche vorgesehen ist und wobei das Analysatorfeld in der Nähe der Detektionsfläche nicht null ist.
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Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erhält die Detektionsfläche das Analysatorfeld in ihrer Nähe aufrecht.
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Hier wird auf Ionen als Beispiel für geladene Teilchen verwiesen, ohne andere Arten von ungeladenen Teilchen auszuschließen, außer der Kontext macht dieses notwendig. Ein Paket von Ionen umfasst eine Gruppe von Ionen, wobei die Gruppe für gewöhnlich verschiedene Masse-zu-Ladung-Verhältnisse aufweist, die zumindest anfänglich räumlich begrenzt sind. Vorzugsweise werden Ionen als Paket in den TOF- oder EST-Massenanalysator eingeleitet.
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Die Hauptflugbahn bezeichnet hier die Flugbahn, der die Ionen folgen, wenn sie innerhalb des Massenanalysators nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt werden, d. h., die Hauptflugbahn ist damit ein Raumvolumen innerhalb des Massenanalysators, durch das die Ionen beim Durchlaufen des Analysators laufen, während der Analysator zum Trennen der Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis betrieben wird. Die Hauptflugbahn umfasst mehrfache Richtungsänderungen, die durch Verwendung mehrfacher elektrostatischer Sektoren, mehrfacher Ionenspiegel, mehrfacher Ionendeflektoren oder dergleichen hervorgerufen werden können. Demgemäß umfasst der Massenanalysator einen EST- oder TOF-Massenanalysator. Zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete Massenanalysatoren sind zum Beispiel Multireflexions-TOF, Sektor-TOF, Multisektor-TOF und OrbitrapTM-EST. Zu den bevorzugten Analysatoren zählt ein Multireflexions-TOF und zu besonders bevorzugten Analysatoren zählt ein Multireflexions-TOF, der aus zwei eng gekoppelten Linearfeldspiegeln gebildet ist, umfassend Innen- und Außenfelddefinitionselektrodensysteme, die sich entlang einer Achse erstrecken.
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Wie der Begriff mehrfache Richtungsänderungen hier verwendet wird, beschreibt er mehrere alternierende Richtungsänderungen in mindestens einer Bewegungskoordinate. Mehrfache Richtungsänderungen werden von Ionen, die mehrere Reflexionen erfahren oder mehrere Umlaufbahnen durchlaufen, wie zum Beispiel in Multireflexions-, Multisektor- und Spiralbahn-TOF-Analysatoren, ausgeführt. Die Bewegungskoordinate liegt bevorzugt in einer Richtung einer Flugzeittrennung.
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Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Ionen in den Analysator geleitet und laufen einen Abschnitt der Hauptflugbahn entlang, bevor sie derart umgelenkt werden, dass sie auf die Detektionsfläche auftreffen, wobei sich sowohl der Detektor als auch die Detektionsfläche innerhalb des Analysators befinden. Dementsprechend können Ionen die Hauptflugbahn entlang laufen und umgelenkt werden, bevor sie eine Richtungsänderung erfahren, oder in anderen Fällen können die Ionen umgelenkt werden, nachdem sie eine Richtungsänderung oder mehrere Richtungsänderungen erfahren haben.
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Der Massenanalysator verwendet ein Analysatorfeld innerhalb des Analysators, während er zur Trennung von Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis betrieben wird. Vorzugsweise umfasst das Analysatorfeld ein elektrisches Feld. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Analysatorfeld um ein elektrostatisches Feld. Das Analysatorfeld wirkt innerhalb des Analysators so, dass die Ionen dazu gezwungen werden, der Hauptflugbahn zu folgen, und dementsprechend befindet sich die Hauptflugbahn innerhalb des Analysatorfelds. Der Massenanalysator umfasst eine oder mehrere ein Feld aufrechterhaltende Elektroden, um das Analysatorfeld aufrechtzuerhalten, von denen mindestens eine die Detektionsfläche umfasst, d. h., die Detektionsfläche umfasst einen Teil einer der ein Feld aufrechterhaltenden Elektroden des Analysators.
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Das Analysatorfeld ist in einem Raumvolumen lokal zum Strahlendeflektor verzerrt, wenn der Strahlendeflektor dazu eingestellt ist, den Strahl so umzulenken, dass er auf die Detektionsfläche trifft. Anderswo innerhalb des Analysators ist das Analysatorfeld jedoch mehr oder weniger unverzerrt, beispielsweise je nach Entfernung vom Deflektor und dem Ort der das Feld aufrechterhaltenden Elektroden. Abschirmelektroden können um den Deflektor angeordnet werden, um das Raumvolumen, in dem das Analysatorfeld verzerrt ist, zu begrenzen, wobei die Abschirmelektroden angemessen elektrisch vorgespannt werden, um so das Analysatorfeld außerhalb des von ihnen umgebenen Raumvolumens, das den Strahldeflektor enthält, aufrechtzuerhalten.
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Der Begriff aktiv bezeichnet hier einen Zustand, in dem die ein Feld aufrechterhaltenden Elektroden zur Aufrechterhaltung des Analysatorfelds bestromt werden. Dementsprechend umfasst bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Detektionsfläche eine ein Feld aufrechterhaltende Elektrode, die sich in einem aktiven Zustand befindet, d. h. während sie das Analysatorfeld aufrechterhält. Auf diese Weise wird es möglich, den Verlauf, den die Ionen direkt vor der Ablenkung hatten, in dem Analysatorfeld zu überwachen. Zusätzlich können sowohl die Überwachung des Verlaufs und die Messung der Ionenanzahl schnell zwischen Massenanalysen durchgeführt werden, da die Detektionsfläche, die mit einem empfindlichen Ladungsverstärker verbunden ist, nicht in Spannung geschaltet ist, da während der Massenanalyse und der Strahlüberwachung die Detektionsfläche im Wesentlichen mit dem gleichen Potential beaufschlagt wird. Dementsprechend kann die Strahlüberwachung mit minimalem Zeitverlust zwischen Massenanalyseläufen stattfinden, was den Arbeitszyklus verbessert. Bevorzugt umfasst die Detektionsfläche eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode. Bei anderen Ausführungsformen kann die Detektionsfläche zeitweilig elektrisch vorgespannt sein, um Ionen so umzulenken, dass sie darauf auftreffen. Bei diesen Ausführungsformen umfasst die Detektionsfläche dieses Mal keine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode, sondern umfasst stattdessen einen Deflektor; dennoch umfasst die Detektionsfläche stets und bei allen Ausführungsformen Teil einer anderen ein Aktivfeld aufrechterhaltenden Elektrode, d. h., die Detektionsfläche befindet sich innerhalb oder auf einer ein Aktivfeld aufrechterhaltenden Elektrode. Bei diesen Ausführungsformen kann die Detektionsfläche den einzig nötigen Deflektor umfassen, der verursacht, dass die Ionen von der Hauptflugbahn abgelenkt werden und auf die Detektorfläche treffen, oder es können sich zusätzliche Deflektoren in dem Analysator befinden. Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Analysatorfeld in der Nähe der Detektionsfläche im Wesentlichen nicht null.
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Bei dem Strahldeflektor kann es sich um jegliche Art von schaltbarer ionenoptischer Einrichtung handeln, die die Richtung des Verlaufs der Ionen, die zum Beispiel in Form eines Ionenstrahls oder eines Ionenpakets vorliegen können, ändern können. Eine Ablenkung lässt sich durch Verwendung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern erzielen. Beispiele sind unter anderem Parallelplattendeflektoren, elektrische Sektoren, magnetische Sektoren, Spulen und elektrische oder magnetische Linsen. Vorzugsweise verwendet der Deflektor elektrische Felder; bevorzugt umfasst der Deflektor ein gegenüberliegendes Paar flacher Platten, die im Wesentlichen parallel liegen, mit einer Platte auf jeder Seite der Hauptflugbahn. Bei Gebrauch kann der Deflektor bestromt werden, um den Strahl von der Hauptflugbahn abzulenken, oder stromlos geschaltet werden, um den Strahl von der Hauptflugbahn abzulenken, wird aber bevorzugt bestromt, um den Strahl von der Hautpflugbahn abzulenken. Der Strahldeflektor befindet sich bevorzugt innerhalb des Analysators angrenzend an zumindest einem Punkt auf der Hauptflugbahn. Der Strahldeflektor kann sich angrenzend an einem geeigneten Punkt auf der Hauptflugbahn befinden. Wie oben erwähnt, kann die Detektionsfläche einen Deflektor umfassen.
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Die Detektionsfläche befindet sich innerhalb oder auf einer Oberfläche einer der ein Feld aufrechterhaltenden Elektroden. Die Detektionsfläche kann flach oder gekrümmt sein. Die Detektionsfläche kann eventuell Symmetrieebenen aufweisen; sie kann eine regelmäßige oder eine unregelmäßige Gestalt haben. Die Detektionsfläche befindet sich innerhalb des Massenanalysators, womit hier gemeint ist, dass die Detektionsfläche innerhalb oder auf einer Struktur oder Gruppe von Strukturen liegt, die bei Gebrauch das Massenanalysatorfeld definieren, und die Detektionsfläche befindet sich daher innerhalb des Raums, der von zumindest einem Abschnitt des Analysatorfelds belegt ist. Die Detektionsfläche kann sich angrenzend an die Hauptflugbahn oder in einer erheblichen Entfernung von der Hauptflugbahn befinden. Die Detektionsfläche ist mit einer Einrichtung zum Messen einer Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche ankommende Ladung ist, verbunden. Bevorzugt handelt es sich bei der Einrichtung zum Messen einer Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche ankommende Ladung ist, um einen ladungsempfindlichen Verstärker. Besonders bevorzugt ist dieser ladungsempfindliche Verstärker ein Elektrometer. Bei Ausführungsformen, in denen die Detektionsfläche eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode des Massenanalysators umfasst, ist die Detektionsfläche angemessen ausgebildet und ist, ob Ionen so abgelenkt werden, darauf aufzutreffen, oder nicht, elektrisch vorgespannt, so dass das Massenanalysatorfeld im Wesentlichen dadurch aufrechterhalten wird, in einem Raumvolumen lokal zur Detektionsfläche. Daher ist die Detektionsfläche bei diesen Ausführungsformen zusätzlich zur Verbindung mit einer Einrichtung zum Messen einer Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche ankommende Ladung ist, auch mit einer Energieversorgung verbunden, die zu ihrer elektrischen Vorspannung nötig ist, so dass das Massenanalysatorfeld im Wesentlichen dadurch aufrechterhalten wird, lokal zur Detektionsfläche.
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Verbindung zu einer Energieversorgung hier umfasst eine Verbindung zu einer solchen Energieversorgung über eine andere Elektrode. Bei solchen Ausführungsformen ist eine jede Einrichtung zum Messen einer Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche ankommende Ladung ist, mit der Detektionsfläche verbunden, wie z. B. ein Elektrometer, und wird auf dem von der Energieversorgung bereitgestellte Potential schweben gelassen. Während sowohl der Massenanalyse als auch der Strahlüberwachung wird bevorzugt die Energieversorgung, die mit der Detektionsfläche verbunden ist, so gesteuert, dass das gleiche Potential mit hoher Präzision erzeugt wird. Die Detektionsfläche ist eine Fläche, die speziell zur Detektion von Ionen bereitgestellt ist, und ist gleichzeitig, bei einigen Ausführungsformen, eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode des Massenanalysators. Bei anderen Ausführungsformen ist die Detektionsfläche eine Fläche, die speziell zur Detektion von Ionen bereitgestellt ist, und ist gleichzeitig ein Deflektor. Die Detektionsfläche ist daher eine Oberfläche, die zwei Funktionen gleichzeitig durchführt: Detektion und Aufrechterhaltung des Massenanalysatorfelds in einem Raumvolumen lokal zur Detektionsfläche bei einigen Ausführungsformen, und Detektion und Strahlablenkung bei anderen Ausführungsformen. Das Analysatorfeld in der Nähe der Detektionsfläche ist ein im Wesentlichen elektrisches Feld von nicht null. Der Analysator verwendet ein Analysatorfeld, und bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Analysatorfeld in der Nähe der Detektionsfläche im Wesentlichen nicht null. Bei einigen Ausführungsformen erhält die Detektionsfläche das Analysatorfeld in ihrer Nähe aufrecht. Die Detektionsfläche kann Teil einer jeden Art von ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode bilden, zum Beispiel kann sie Teil einer Linse, eines Spiegels, eines elektrischen Sektors, länglicher Stäbe oder eines Satzes solcher Elemente bilden.
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Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Detektionsfläche in der Nähe des Deflektors befinden, oder sie kann sich eine erhebliche Entfernung vom Deflektor weg befinden. Selbst wenn sich die Detektionsfläche in der Nähe des Deflektors befindet, kann der Ionenstrahl einer Flugbahn folgen, die zwischen Vorbeilauf am Deflektor und Ankunft an der Detektionsfläche eine erhebliche Entfernung zurücklegt, da die Flugbahn zum Beispiel eine Umlaufbahn, eine Reflexion, einen gefalteten Gang oder Kombinationen davon zwischen dem Deflektor und der Detektionsfläche ausführen kann. Dies kann bei Ausführungsformen der Fall sein, bei denen die Detektionsfläche eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode umfasst, oder bei Ausführungsformen, bei denen die Detektionsfläche einen Deflektor umfasst. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen die Detektionsfläche einen Deflektor umfasst, können Ionen durch das Anlegen eines anziehenden Potentials an den Deflektor direkt von der Detektionsfläche angezogen werden. Ein zusätzlicher Vorteil lässt sich in Ausführungsformen, bei denen die Detektionsfläche nicht den Deflektor umfasst, erzielen, indem der Deflektor entweder mit ausreichender Entfernung zur Detektionsfläche und/oder an einer Stelle, die elektrisch von der Detektionsfläche abgeschirmt ist, angeordnet wird. In diesen Fällen stört das An- und Ausschalten des Deflektors dann einen Elektrometer, der mit der Detektionsfläche verbunden ist, durch Verursachung von aufgefangener elektrischer Störung, nicht erheblich.
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Bei Gebrauch wird der Deflektor bestromt oder stromlos geschaltet, um eine Strahlablenkung bereitzustellen, um zumindest einige der Ionen von der Hauptflugbahn, auf der sie gelaufen sind, so abzulenken, dass sie auf die Detektionsfläche treffen. Auftreffende Ionen tragen zu der Ladung bei, die auf der Detektionsfläche ankommt. Die Ionen, die auf der Detektionsfläche auftreffen, können nur eine Teilmenge der gesamten Anzahl von Ionen innerhalb des Analysators sein. Vorzugsweise umfasst die ionische Ladung von auf der Detektionsfläche auftreffenden Ionen im Wesentlichen die gesamte Ladung, die an der Detektionsfläche ankommt. Jedoch könnte es auch sein, dass andere Ladungsquellen an der Detektionsfläche ankommen, wie zum Beispiel sekundäre Elektronen, die durch das Auftreffen von Ionen auf naheliegenden anderen Flächen erzeugt werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt ein Mittel zum Bestimmen, aus der angewandten Ablenkung, von Eigenschaften des Verlaufs, den die auftreffenden Ionen direkt vor der Ablenkung nahmen, und/oder Bestimmen, von der gemessenen Menge, eines Werts, der für die Anzahl repräsentativ ist, der mindestens einigen der Ionen innerhalb des Massenanalysators bereit. Die Größe der Ablenkung, die auf die Ionen angewandt wird, um die Ionen dazu zu bringen, auf der Detektionsfläche aufzutreffen, ermöglicht es, dass Eigenschaften des Verlaufs, auf dem die detektierten Ionen direkt vor der Ablenkung liefen, gefolgert werden. Zu den Eigenschaften zählen vorzugsweise zum Beispiel die Ionenenergie, die Verlauflage und die Ionenverlaufrichtung. Solche Eigenschaften können gefolgert werden, da es bekannt ist, dass ein energiereicherer Ionenstrahl eine größere Ablenkungskraft zum Ablenken der Ionen um einen gegebenen Winkel benötigt als ein Strahl, der weniger energiereich ist. Wenn zum Beispiel der Deflektor ein elektrisches Feld verwendet, das durch die Anwendung eines Paars von gegenüberliegenden Potentialen an Parallelplatten bereitgestellt wird, stellt ein größerer an den Platten angelegter Potentialunterschied eine größere Ablenkungskraft bereit. Kenntnis der Geometrie der Deflektorstruktur, des Analysatorfelds, der Positionen des Deflektors und der Detektionsfläche, zusammen mit dem angelegten Potentialunterschied, ermöglicht es dem Fachmann, einige charakteristische Eigenschaften des detektierten Ionenstrahls zu berechnen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aus der Größe des detektierten Signals ein Wert, der für die Anzahl der Ionen innerhalb des Massenanalysators repräsentativ ist, geschlussfolgert werden. Die Größe des detektierten Signals stellt Informationen bereit über die Anzahl von Ladungen in dem abgelenkten Ionenstrahl, der auf die Detektorfläche aufgetroffen ist. Die Anzahl von Ladungen kann verwendet werden, um die Anzahl von Ionen in dem abgelenkten Ionenstrahl, der auf die Detektorfläche aufgetroffen ist, zu berechnen oder zu schätzen, und dies kann zur Berechnung der Anzahl von Ionen, die sich innerhalb des Massenanalysators befinden, verwendet werden. Die Anzahl von Ionen innerhalb des Massenanalysators ist möglicherwiese nicht gleich der Anzahl von Ionen im abgelenkten Ionenstrahl, der auf der Detektorfläche aufgetroffen ist, da der Deflektor so betrieben werden kann, dass nur ein Anteil der Ionen innerhalb des Analysators abgelenkt wird, wobei alle anderen Ionen weiterhin die Hauptflugbahn entlang laufen. Dies kann erreicht werden, indem der Deflektor für eine begrenzte Zeitdauer bestromt oder stromlos geschaltet wird, wodurch nur einige Ionen abgelenkt werden. Der Begriff Eigenschaften von Ionen, wie er hier verwendet wird, enthält die Anzahl von Ionen oder die Anzahl einer Teilmenge von Ionen.
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Es können mehrere Detektionsflächen innerhalb des Analysators vorliegen, auf die von einem einzigen Deflektor Ionen gelenkt werden, oder vorzugsweise mehrfache Deflektoren. Ein jeweiliger Deflektor kann Ionen von der Hauptflugbahn auf eine oder mehrere Detektionsflächen lenken, wenn zum Beispiel eine unterschiedliche Spannung an den Deflektor angelegt wird, was eine unterschiedliche Ablenkungskraft erzeugt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Deflektor Ionen von der Hauptflugbahn auf eine oder mehrere Detektionsflächen lenken, wenn er mit der gleichen Ablenkungskraft arbeitet, doch Ionen nähern sich ihm auf der Hauptflugbahn von verschiedenen Richtungen. Ionen können der Hauptflugbahn in einer Richtung durch den Massenanalysator folgen und so gelenkt werden, dass sie ihren gesamten Verlauf, oder einen Teil davon, durch den Analysator zurückverfolgen, so dass die gesamte Flugbahnlänge erhöht wird, und können anschließend zum Beispiel neben einem Deflektor vorbeilaufen, während sie in beiden Richtungen laufen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich eine Hauptflugbahn an einer oder an mehreren Stellen innerhalb des Analysators kreuzen, ohne dass Ionen den gleichen Weg verfolgen, und ein Deflektor kann neben einer oder mehreren solchen Strahlkreuzungen angeordnet sein.
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Innerhalb des gleichen Massenanalysators können unterschiedliche Detektionsflächen verwendet werden. Die Detektionsflächen können unterschiedliche Gestalten, Größen und Orientierungen haben. Einige Detektionsflächen können zusätzliche Elektronenvervielfachung verwenden, während andere dies nicht aufweisen, und dementsprechend können einige Detektionsflächen einem Zweck und andere einem anderen Zweck dienen.
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Der Lauf von Ionen entlang der Hauptflugbahn und die Übertragung von Ionen zwischen ionenoptischen Einrichtungen wie z. B. dem Deflektor und der Detektionsfläche geschehen möglicherweise nicht ohne Ionenverlust. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf den Fall begrenzt, bei dem alle Ionen entlang einem Weg oder zwischen Einrichtungen in jedem oder einem beliebigen Schritt des Verfahrens übertragen werden.
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Beschreibung von Figuren
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1 zeigt ein schematisches Diagramm, das Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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2 zeigt schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mittels der folgenden Beispiele und der begleitenden Figuren beschrieben.
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Mit Bezug auf das schematische Diagramm von 1a, umfasst ein TOF- oder EST-Massenanalysator 10 ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektroden 20. Ionen werden in den Analysator entlang Eintrittsverlauf 30 eingeleitet, und wenn der Massenanalysator 10 dazu betrieben ist, Ionen gemäß ihrem zu trennen, folgen die Ionen einer Hauptflugbahn 40 innerhalb des Analysators, und verlassen den Analysator entlang Austrittsverlauf 50, um vom Detektor 60 außerhalb des Analysators detektiert zu werden. Der Analysator verwendet ein Analysatorfeld, während er dazu betrieben wird, Ionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu trennen. Deflektor 100 und Detektionsfläche 200 befinden sich innerhalb des Analysators. Detektionsfläche 200 umfasst auch Teil einer ein Aktivfeld aufrechterhaltenden Elektrode 20 und ist an einem elektrischen Potential gehalten, das das Analysatorfeld in seiner Nähe aufrechterhält. Die Detektionsfläche 200 ist physisch in einer ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode 20 eingebaut und wird auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten wie ein Feld aufrechterhaltende Elektrode 20, ist aber davon derart elektrisch isoliert, dass die Detektionsfläche die darauf auftreffende Ladung an ein Detektionssystem übertragen kann. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Ionen durch die Wirkung von Deflektor 100 von der Hauptflugbahn 40 abgelenkt, um dem Hilfsweg 150 zur Detektionsfläche 200 zu folgen. Der Elektrometer 210 ist elektrisch über Verbindung 220 mit Detektionsfläche 200 verbunden. Der Elektrometer 210 misst eine Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche 200 ankommende Ladung ist, und leitet die Ausgabe 230 an Steuerung 250 weiter, die einen Computer umfasst. Der Elektrometer 210 ist ein differenzieller Ladungsverstärker, der aufgefangenes Rauschen von Hochfrequenzantriebspotentialen, die an andere Komponenten innerhalb des Massenspektrometers angelegt werden, ablehnt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass Elektrometer 210 praktisch über Detektionsfläche 200 und der benachbarten ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode 20, in der sich Detektionsfläche 200 befindet, verbunden ist, da beide diese Elektroden auf dem gleichen Potential gehalten werden. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform wird im Folgenden mit Bezug auf 2e beschrieben.
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Eine alternative Ausführungsform ist in 1b gezeigt, in der gleiche Merkmale die gleichen Kennzeichnungen wie in 1a aufweisen. TOF- oder EST-Massenanalysator 11 umfasst ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektroden 20. Ionen werden in den Analysator entlang Eintrittsverlauf 30 eingeleitet, und wenn der Massenanalysator 11 dazu betrieben wird, Ionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu trennen, folgen die Ionen einer Hauptflugbahn 40 innerhalb des Analysators und verlassen den Analysator entlang Austrittsverlauf 50, um vom Detektor 60 außerhalb des Analysators detektiert zu werden. Der Analysator verwendet ein Analysatorfeld, während er dazu betrieben wird, Ionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis zu trennen. Deflektor 100 und Detektionsfläche 200 befinden sich innerhalb des Analysators und umfassen die gleiche Elektrode. Die Detektionsfläche 200 ist physisch in die ein Feld aufrechterhaltende Elektrode 20 eingebaut, ist aber davon während des Detektionsprozesses elektrisch isoliert und bildet zu der Zeit nicht selbst eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Ionen durch die Wirkung des Deflektors 100 von der Hauptflugbahn 40 abgelenkt, um dem Hilfsweg 150 zur Detektionsfläche 200 zu folgen. In diesem Beispiel stört der Deflektor 100 das Analysatorfeld, womit Ionen von dem Deflektor abgestoßen werden, woraufhin sie dem Hilfsweg 150 folgen und trotz des abstoßenden elektrischen Potentials, der an die Detektionsfläche 200 angelegt ist, nach einer Richtungsänderung auf die Detektionsfläche 200 treffen. Bei anderen Ausführungsformen kann ein anziehendes Potential den gleichen Zweck erfüllen. Der Elektrometer 210 ist über die Verbindung 220 mit der Detektionsfläche 200 verbunden. Der Elektrometer 210 misst eine Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche 200 ankommende Ladung ist, und leitet die Ausgabe 230 an Steuerung 250 weiter, die einen Computer umfasst. Der Elektrometer 210 ist ein differenzieller Ladungsverstärker, der aufgefangenes Rauschen von Hochfrequenzantriebspotentialen, die an andere Komponenten innerhalb des Massenspektrometers angelegt werden, ablehnt.
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Bei den Ausführungsformen von 1a und 1b, wird die Steuerung 250 dazu verwendet, vorhergehende ionenoptische Einrichtungen (nicht gezeigt), die den Eintrittsverlauf 30 beeinflussen, und/oder das Analysatorfeld zu steuern. Der Eintrittsverlauf 30 für das nächste Paket von eingeleiteten Ionen kann dadurch eingestellt werden, und/oder das Analysatorfeld kann dadurch eingestellt werden, indem zum Beispiel an ein Feld aufrechterhaltende Elektroden 20 angelegte elektrische Potentiale geändert werden, um so den Ionenstrahlweg durch den Analysator 10 zu steuern. Es ist wünschenswert, den Ionenstrahlweg durch den Analysator 10, 11 so zu steuern, dass der Ionenstrahl entlang dem optimalen Weg, der zum Beispiel die höchste Übertragung und/oder die höchste Massenauflösung bereitstellt, gelenkt wird. Die vorliegende Erfindung kann dadurch in einem Feedbacksystem verwendet werden, damit auf Basis der Menge, die repräsentativ für die an der Detektionsfläche ankommende Ladung ist, und/oder der Eigenschaften des Verlaufs, auf dem die Ionen direkt vor der Ablenkung gelaufen sind, der Ionenstrom ausgerichtet und der Massenanalysator mit der Steuerung 250 abgestimmt werden kann. Vorteilhafterweise wird der Ionenstrahl detektiert, nachdem er nur einen Abschnitt der Hauptflugbahn abgelaufen hat, so dass Strahlfehlausrichtungen, durch die der Ionenstrahl an einer stromabwärts gelegenen Stelle entlang der Hauptflugbahn verloren gehen würde, detektiert und anschließend eingeleitete Ionenstrahlen erneut ausgerichtet werden können.
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Die Steuerung 250 wird auch zur Steuerung vorhergehender ionenoptischer Einrichtungen (nicht gezeigt) verwendet, so dass auf Basis der Ladungsmenge, die vom Elektrometer 210 detektiert wurde, eine gewünschte Anzahl von Ionen zum Analysator 10, 11 in dem nächsten eingeleiteten Paket weitergleitet wird. Die vom Elektrometer 210 detektierte Ladungsmenge ist für die Anzahl von Ionen bezeichnend, die die Detektionsfläche 200 erreicht haben, und dieses ist wiederum bezeichnend für die Anzahl von Ionen, die in den Analysator 10, 11 eingeleitet wurden. Wo es wünschenswert ist, eine gewisse Anzahl an Ionen in den Analysator 10, 11 einzuleiten, um zum Beispiel den Analysator 10, 11 optimal zu füllen, so dass die Massenauflösung nicht durch Raumladung beeinträchtigt wird oder um sicherzustellen, dass der Detektor 60 nicht überladen wird, kann die Anzahl an Ionen wie beschrieben von der Steuerung 250, die in Form einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC – Automatic Gain Control) vorliegt, gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Verstärkung des Detektors 60 auch durch die Steuerung 250 auf Basis der Ladungsmenge, die vom Elektrometer 210 detektiert wurde, eingestellt werden, was den Vorteil liefert, dass das Detektionssystem damit für die Anzahl an Ionen, die anschließend am Detektor 60 ankommen werden, vorbereitet ist. Der nutzbare Dynamikbereich des Detektionssystems kann damit so angeordnet werden, um der Ankunftsrate von Ionen, die sich schon im Flug innerhalb des Analysators befinden oder die in einer anschließenden Einleitung in den Analysator eingeleitet werden, Rechnung zu tragen.
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Die Detektionsfläche 200 kann mit verschiedenen Arten von Ladungsverstärkern verbunden sein. Zusätzliche Elektronenvervielfachungsmittel wie Jalousie- oder Kanalelektronen(Channeltron)-Vervielfacher können verwendet werden, wobei sie positioniert werden können, um Sekundärelektronen, die als Reaktion auf auftreffende Ionen von der Detektionsfläche freigegeben werden, zu empfangen. Vorteile dieser Arten von Vervielfachern sind u. a., dass sie aufgrund ihrer hohen Bandbreite mit schnellen Wiederholungsraten betrieben werden können und dass sie sehr kleine Ionenströme messen können. Alternativ dazu können Elektrometer ohne weitere Elektronenvervielfachung verwendet werden, in welchem Fall die von der Detektionsfläche empfangene Gesamtladung gemessen wird, die die von auftreffenden Ionen empfangene ionische Ladung und möglicherweise die Ladung aufgrund sekundärer Elektronen und/oder sekundärer Ionen, die von der Fläche des Detektors freigegeben werden, beinhaltet. Vorteile dieser Art von Detektion sind u. a., dass die Detektionseffizienz nicht von einem Prozess abhängt, bei dem die kinetische Energie der auftreffenden Ionen in sekundäre Elektronen umgewandelt wird, was wie schon beschrieben von der Masse der auftreffenden Ionen und ihrer chemischen Zusammensetzung abhängt.
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Bei Ausführungsformen, bei denen der Deflektor neben der Hauptflugbahn relativ näher an dem Eingang des Massenanalysator als an dessen Ausgang angeordnet ist, ist der Prozess zum Erhalten einer für die Anzahl von Ionen in dem Strahl repräsentativen Messung für den Zweck einer AGC oder für den Zweck der Einstellung der Verstärkung eines Endflugzeitdetektors viel kürzer als die Analysezeit, bei der ein Paket von Ionen eingeleitet, getrennt und dann außerhalb des Massenanalysators detektiert wird. Für AGC-Zwecke kann zum Beispiel die Anzahl von Ionen, die verwendet werden kann, wesentlich höher als die nutzbar genutzte Anzahl bei einer Analyse sein, da die Raumladungseffekte auf Masseauflösung zum Beispiel nicht für den Prozess der AGC wichtig sind und toleriert werden können. Damit können Ladungsdetektionssysteme relativ niedriger Bandbreite verwendet werden, was Kosten spart. ACG in MR-TOF wird bevorzugt dann verwendet, wenn große Massenbereichsspektren erfasst werden und wo der Massenanalysator Teil eines Spektrometersystems ist, der MS/MS und MS
n einbezieht, wo häufige Prüfungen der Instrumentenabstimmung gewünscht sind. In der Regel können AGC-Messungen durchgeführt werden, bevor einige oder alle volle Massenspektren erfasst werden und bevor einige oder alle Fragmentationsspektren erfasst werden. Mit Bezug auf das schematische Diagramm von
2a enthalten bevorzugte Analysatoren ein Multireflexions-TOF
800, das aus zwei sich gegenüberliegenden, eng gekoppelten Linearfeldspiegeln
810,
820 gebildet wird, umfassend Innen- bzw. Außenfelddefinitionselektrodensysteme
900,
910, die sich entlang einer Achse z erstrecken. Ein solcher Analysator wird ausführlich in der GB-Patentanmeldung
GB 2 470 599 A (0909232.1) beschrieben, die hiermit gänzlich durch Bezug einbezogen wird.
2a zeigt einen Querschnitt durch den Analysator
800. Die beiden Spiegel
810,
820 liegen im Wesentlichen symmetrisch um die z = 0-Ebene. Vorzugsweise sind die Innen- und Außenfelddefinitionselektrodensysteme
900,
910 wie in
2a gezeigt konzentrisch. Die Innen- und Außenfelddefinitionselektrodensysteme
900,
910 beider Spiegel
810,
820 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Analysatorachse. Das Außenfelddefinitionselektrodensystem
910 jedes Spiegels ist größer als das Innenfelddefinitionselektrodensystem
900 und befindet sich um das Innenfelddefinitionselektrodensystem
900. Wie bei der elektrostatischen Falle Orbitrap
TM ist das Innenfelddefinitionselektrodensystem
900 spindelartiger Form, mit einem sich vergrößernden Durchmesser in Richtung des Mittelpunkts zwischen den Spiegeln, (d. h. in Richtung des Äquators (oder z = 0-Ebene) des Analysators), und das Außenfelddefinitionselektrodensystem
910 ist trommelartiger Form, mit einem sich vergrößernden Durchmesser in Richtung des Mittelpunkts zwischen den Spiegeln. Die Felddefinitionselektrodensysteme
900,
910 sind von solcher Gestalt, dass sie innerhalb der Spiegel eine quadrologarithmische Potentialverteilung erzeugen. Die Außenfelddefinitionselektrodensysteme beider Spiegel
910 haben einen taillierten Abschnitt,
955, in einem Bereich, der die z = 0-Ebene kreuzt. Wo sich die Außenfelddefinitionselektrodensysteme
910 beider Spiegel bei
957 taillieren, ist ein Array von Elektrodenspuren
958 an unterschiedlichen dem Analysator zugewandten Radialpositionen positioniert. Diese Elektrodenspuren sind geeignet elektrisch vorgespannt, so dass sie den taillierten Abschnitt des Außenfelddefinitionselektrodensystems daran hindern, die quadrologarithmische Potentialverteilung an anderer Stelle innerhalb des Analysators zu verzerren. Das Array von Elektrodenspuren
958 kann als Alternative zum Beispiel durch eine geeignete Widerstandsbeschichtung ersetzt werden, oder andere Elektrodenmittel können vorgesehen werden. Wie hier bezeichnet bildet aufgrund ihrer Funktion das Array von Elektrodenspuren, Widerstandsbeschichtung oder andere Elektrodenmittel zum Verhindern von Verzerrung des Hauptfelds Teil des Außenfelddefinitionselektrodensystems des Spiegels, zu dem sie gehören. Felddefinitionsbandelektroden
965,
975 befinden sich in dem Bereich der z = 0-Ebene, das Innenfelddefinitionselektrodensystem
900 umgebend. Die Innen- und Außenbandelektrodenbaugruppen
965 und
975 tragen jeweils Innen- bzw. Außenablenkungselektroden
923,
924. Gegenüberliegende Linsenelemente
996,
997 werden auch auf den Innen- bzw. Außenbandelektrodenbaugruppen
965 und
975 getragen. Zusätzliche Paare von Linsenelementen ähnlich den Linsenelementen
996,
997 werden auf den Innen- und Außenbandelektrodenbaugruppen
965,
975 getragen, die ringförmig ganz um die z-Achse bis auf den Bereich, in dem sich die Innen- und Außenablenkungselektroden
923,
924 befinden, beabstandet sind. Diese Linsenelemente dienen der Funktion der Kontrolle der Ionenstrahldivergenz, während der Ionenstrahl der Hauptflugbahn zwischen den Paaren von Linsenelementen, wie unten ausführlicher beschrieben ist, folgt. Beide Ablenkungselektroden
923,
924 der Deflektorbaugruppe und die Linsenelektroden
996,
997 sind aus Klarheitsgründen der Figur schematisch als von den Bandelektrodenbaugruppen
965,
975, in denen sie montiert sind, hervorstehend gezeigt, aber in der Praxis können diese Elektroden in die Bandelektrodenbaugruppen eingesetzt sein und die Oberflächen der Bandelektrodenbaugruppen und der Deflektor- und Linsenelektroden können bündig sein. Die Innenfläche des taillierten Abschnitts
955 des Außenfelddefinitionselektrodensystems wird dazu verwendet, die Außenbandelektrode,
975 zu tragen, die wiederum Deflektor- bzw. Linsenelektroden
924,
997 trägt. Die Innen- bzw. Außenbandelektrodenbaugruppen
965 und
975 können dann praktisch innerhalb des Analysators an den Innen- bzw. Außenfelddefinitionselektrodensystemen
900,
910 montiert sein. Die Bandelektrodenbaugruppen
965 und
975 können zum Beispiel über kurze Isolatoren oder eine isolierende Platte an den Innen- und Außenfelddefinitionselektrodensystemen
900,
910 montiert sein.
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2b zeigt ein schematisches Diagramm des gleichen Analysators 800, der in 2a gezeigt ist, aber ohne Bezugsziffern, so dass man eine Hauptflugbahn klar erkennen kann. Die Hauptflugbahn ist umlaufbahnartig und umschreibt eine sich wiederholende Spirale 920, die sich zwischen den Innen- und Außenfelddefinitionselektrodensystemen 900, 910 befindet. Die umlaufbahnartige Bewegung des Strahls ist eine spiralartige Bewegung, die um die Analysatorachse z läuft, während er von einem Spiegel zum anderen in einer parallel zur z-Achse verlaufenden Richtung läuft. Die spiralartige Hauptflugbahn 920 läuft mehrfach um die Achse z, bevor sie den gleichen Weg wiederholt. Ionen können zur Detektion ausgegeben werden, bevor sich der Weg so wiederholt, womit ein TOF-Massenanalysator ohne Massenbereichsbegrenzung bereitgestellt wird. Die Hauptflugbahn 920 läuft mehrfach durch den Äquator der Innenfelddefinitionselektrodenstruktur (die Ebene z = 0), wobei sie jedes Mal gegenüber dem vorherigen Durchlauf um einen Winkel um die z-Achse versetzt ist. Die Hauptflugbahn 920 läuft zwischen gegenüberliegenden Linsenelementen (996, 997 und anderen nicht gezeigten Paaren), die wie oben beschrieben auf den Bandelektrodenbaugruppen montiert sind, und die Strahldivergenz kann mehrfach durch die Linsenelemente gesteuert werden, während der Strahl den Analysator passiert. Der die Hauptflugbahn 920 entlang laufende Ionenstrahl wird somit auch mindestens einmal Ablenkungselektroden 923, 924 geeigneter Größe (wie in 2a angegeben) passieren, und solche Elektroden können dazu verwendet werden, den Ionenstrahl von der Hauptflugbahn abzulenken, so dass er anschließend auf eine Detektionsfläche (nicht gezeigt) trifft, wie in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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2c zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Analysators der in Bezug auf 2a und 2b beschriebenen Art, wobei einige alternative Ausführungsformen und eine bevorzugte Position der Detektionsfläche gezeigt werden. Die Außenfelddefinitionselektrode 910 ist aus Deutlichkeitsgründen nicht in der Figur gezeigt. Die Innenbandelektrode 965 trägt die kontinuierliche Linsenelementelektrode 980, die bei Gebrauch die Winkeldivergenz des Strahls auf ähnliche Weise wie Linsenelement 996 von 2a steuert. Ein ähnliches kontinuierliches Linsenelement befindet sich auf der Außenbandelektrodenbaugruppe, ist aber nicht gezeigt. Zur Steuerung der Winkeldivergenz bei Gebrauch haben die Linsenelemente auf den Innen- und Außenbandelektrodenbaugruppen ein angelegtes elektrisches Potential der gleichen Polarität und einer ähnlichen Größe. Das in 2c gezeigte Beispiel zeigt eine alternative Anordnung zur Positionierung der Ablenkungselektrode, die das Auslassen eines Linsenelements vermeidet, da bei diesem Beispiel die kontinuierliche Linsenelektrode 980 als Deflektor verwendet wird, um den ganzen oder einen Anteil des Ionenstrahls abzulenken, während er die z = 0-Ebene in einem ersten Durchlauf passiert, indem gegenüberliegende Polaritätspotentiale an die Innen- und Außenlinsenelektroden angelegt werden. Jeder Ionenstrahl, der den Äquator des Analysators passiert, wird dann von der Hauptflugbahn weggelenkt. An einem gewissen Punkt um den Äquator treffen Ionen, die so die Hauptflugbahn verlassen, in einem anschließenden Durchlauf auf die Detektionsfläche 985. Die Flugbahn der abgelenkten Ionen führt somit eine Umlaufbahn und zwei Reflexionen zwischen der Ablenkung durch den Deflektor und dem Empfangenwerden durch die Detektionsfläche durch. Auf diese Weise kann ein Anteil des eingeleiteten Ionenstrahls oder der ganze eingeleitete Ionenstrahl geprüft werden. Die Detektionsfläche 985 befindet sich neben der kontinuierliche Linsenelektrode 980 und ist auf dem gleichen Potential wie die Innenbandelektrodenbaugruppe 965 vorgespannt, wodurch das Analysatorfeld in ihrer Nähe aufrechterhalten wird. Bei diesem Beispiel sind das kontinuierliche Linsenelement 980 und die Detektionsfläche 985 in die Bandelektrode 965 eingesetzt.
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2d zeigt eine schematische Querschnittseitenansicht eines Abschnitts eines Analysators der in Bezug auf 2a und 2b beschriebenen Art, wobei einige alternative Ausführungsformen gezeigt sind. In diesem Beispiel wird die Detektionsfläche im Zusammenhang mit einem Elektronenvervielfachungssystem verwendet. 2d zeigt ein schematische Ansicht eines Teils der Innen- bzw. Außenbandelektroden 965, 975. Die Detektionsfläche 986 ist eine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode, die in die Innenbandelektrode 965 eingesetzt ist. Positiv geladene Ionen 987, die auf die Detektionsfläche 986 auftreffen, erzeugen Sekundärelektronen 988, die, unter der Wirkung des Analysatorfelds, von der Detektionsfläche 986 abgestoßen werden und auf die Anode 989 treffen, nachdem sie die Schlitzplatte 990 passiert haben. Schlitzplatte 990 ist Teil der Außenbandelektrode 975 und dient der Aufrechterhaltung des Analysatorfelds in dem Raumvolumen lokal zur Schlitzplatte 990, während Sekundärelektronen 988 zur Anode 989 laufen können, die Teil einer Elektronenvervielfachungsvorrichtung ist. Bei dieser Anordnung werden Ionen durch eine Ablenkungselektrode an anderer Stelle innerhalb des Analysators (und nicht in der Figur gezeigt) abgelenkt. Bei einer alternativen Ausführungsform wirkt die Detektionsfläche 986 selbst als Deflektor und ist keine ein Aktivfeld aufrechterhaltende Elektrode, in welchem Fall Ionen abgelenkt werden können, wenn sie in einer ersten Umlaufbahn nahe an der Detektionsfläche 986 vorbeilaufen, wodurch die Ionen in einer anschließenden Umlaufbahn auf die Detektionsfläche 986 treffen, oder sie können durch ein ausreichend starkes anziehendes Potential auf die Detektionsfläche 986 abgelenkt werden, welches angelegt wird, wenn sich die Ionen der Detektionsfläche 986 nähern, so dass die Ionen abgelenkt und detektiert werden, während sie in der gleichen Umlaufbahn laufen.
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2e zeigt ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie Hochspannungsenergieversorgung 710 und ein Elektrometer 720 mit einer Detektionsfläche 730 und einer benachbarten ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode 740 verbunden sein können. Der Widerstand 750 ist zwischen Verbindungen 760 und 770 verbunden. Die Verbindung 760 verbindet elektrisch die Hochspannungsenergieversorgung 710 und einen Eingang des Differenzialelektrometerverstärkers 720 mit einer ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode 740. Die Verbindung 770 verbindet elektrisch einen zweiten Eingang eines Differenzialelektrometerverstärkers 720 mit der Detektionsfläche 730. Ionen 780 treffen auf die Detektionsfläche 730 auf. Das Elektrometer 720 gibt am Ausgang 790 ein Signal aus, das für die auf die Detektionsfläche 730 auftreffende Ladung repräsentativ ist. Bei dieser Anordnung hat der Widerstand 750 einen Wert von 10 MOhm. Geeignete Werte für solche Widerstände sind auch, aber nicht begrenzt auf, der Bereich von 1 bis 100 MOhm. Die schnelle Änderung der Ladung, die an der Detektionsfläche 730 ankommt, wird vom Differenzialelektrometerverstärker 720 über Verbindung 770 registriert, während aufgefangenes Rauschen von der Detektionsfläche 730 und der ein Feld aufrechterhaltenden Elektrode 740 sich im Wesentlichen aufheben, da ähnliches Rauschen an beiden Eingängen 760, 770 des Differenzialelektrometerverstärkers 720 erscheint.
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Wie sie hierin, einschließlich der Ansprüche verwendet werden, sind Singularformen der hierin aufgeführten Begriffe, sofern nicht anders angegeben, so zu verstehen, dass sie die Pluralform einschließen, und umgekehrt. Beispielsweise bedeutet hierin und in den Ansprüchen, sofern nicht anders angegeben, ein Singularbezug wie „ein” „ein oder mehr”.
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In der gesamten Beschreibung und Ansprüchen dieser Schrift bedeuten die Wörter ”umfassen”, ”enthalten”, ”aufweisen” und ”enthalten” und Variationen der Wörter, zum Beispiel ”umfassend” und ”umfasst” usw. „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt”, und sollen andere Komponenten keineswegs ausschließen (und tun dies auch nicht).
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Es versteht sich, dass Variationen der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung durchgeführt werden können und trotzdem noch in den Bereich der Erfindung fallen. Jedes in dieser Schrift offenbarte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, von alternativen Merkmalen mit dem gleichen, äquivalenten oder ähnlichen Zweck ersetzt werden. Somit handelt es sich, sofern nicht anders angegeben, bei jedem offenbarten Merkmal lediglich um ein Beispiel einer übergeordneten Reihe von äquivalenten oder ähnlichen Merkmalen.
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Die Verwendung eines Beispiels und aller Beispiele oder der hier verwendeten beispielhaften Sprache („beispielsweise”, „wie z. B.”, „zum Beispiel” und ähnliche Sprache) soll lediglich zur besseren Veranschaulichung der Erfindung dienen und ist nicht als Eingrenzung des Erfindungsbereichs gedacht, sofern nicht anders angegeben. Keine Sprache in der Beschreibung sollte so interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich zur Ausführung der Erfindung angedeutet wird.
