DE112011103924T5

DE112011103924T5 - Verfahren zur Massentrennung von lonen und Massentrenner

Info

Publication number: DE112011103924T5
Application number: DE112011103924T
Authority: DE
Inventors: Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: GB2496994A; DE112011103924B4; US20130248702A1; WO2012069597A1; US9972483B2; GB2496994B; GB2485826A; GB201020039D0; GB201221299D0; GB2485826B

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Trennen von Ionen entsprechend ihrer Flugzeit vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Analysators mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt und dazwischen ein Analysatorvolumen erzeugt, b. Injizieren von Ionen in das Analysatorvolumen oder Erzeugen von Ionen innerhalb des Analysatorvolumens, so dass sie entsprechend ihrer Flugzeit getrennt werden, wenn sie sich entlang einer Hauptflugbahn bewegen, während sie mehrere axiale Oszillationen in Richtung der Analysatorachse und mehrere radiale Oszillationen, während sie um eine oder mehrere innere felddefinierende Elektroden umlaufen, durchmachen, c. Bewirken, durch die mehreren axialen Oszillationen und die mehreren radialen Oszillationen, dass die getrennten Ionen einen Austrittsport nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen schneiden. Es ist auch ein Analysator zum Ausführen des Verfahrens vorgesehen, welcher aufweist: die beiden entgegengesetzten Ionenspiegel, die an eine erste Ebene angrenzen, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines Spiegels zwei Abschnitte aufweist, wobei die Abschnitte an eine zweite Ebene angrenzen, mit einem ersten Abschnitt zwischen der ersten und der zweiten Ebene und einem an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt mindestens einen Teil hat, der sich radial weiter weg von der Analysatorachse erstreckt als ein benachbarter Teil des zweiten Abschnitts an der zweiten Ebene.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Massentrennung von Ionen und insbesondere Verfahren und eine Vorrichtung für das Trennen von Ionen unter Verwendung von Flugzeit-(TOF)-Mehrfachreflexions-(MR)-Massenanalysatoren.
Hintergrund
Flugzeit-Massenspektrometer werden weit verbreitet verwendet, um das Masse-Ladung-Verhältnis geladener Teilchen auf der Grundlage ihrer Flugzeit entlang einer Bahn zu bestimmen. Die geladenen Teilchen, gewöhnlich Ionen, werden von einer gepulsten Quelle in Form eines Pakets emittiert und entlang einer vorgeschriebenen Flugbahn durch einen evakuierten Raum gerichtet, damit sie auf einen Detektor fallen oder durch einen Detektor hindurchtreten. (Hier werden Ionen als ein Beispiel geladener Teilchen verwendet.) In ihrer einfachsten Form folgt die Bahn einer Geraden, und in diesem Fall erreichen Ionen, welche die Quelle mit einer konstanten kinetischen Energie verlassen, den Detektor nach einer Zeit, die von ihrem Masse-Ladung-Verhältnis abhängt, wobei massivere Ionen langsamer sind. Die Flugzeitdifferenzen zwischen Ionen unterschiedlicher Masse-Ladung-Verhältnisse hängen unter anderem von der Länge der Flugbahn ab, wobei längere Flugbahnen die Zeitdifferenz erhöhen, was zu einer erhöhten Massenauflösung führt. Wenn eine hohe Massenauflösung erforderlich ist, ist es daher wünschenswert, die Länge der Flugbahn zu vergrößern. Eine einfache lineare Erhöhung der Bahnlänge führt jedoch zu einer erhöhten Instrumentengröße und erhöhten Herstellungskosten und erfordert mehr Laborplatz zum Unterbringen des Instruments.
Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um die Bahnlänge zu vergrößern, während eine praktische Größe des Instruments erhalten bleibt, indem komplexere Flugbahnen verwendet werden. Viele Beispiele von Spiegeln oder Reflektoren für geladene Teilchen wurden beschrieben, ebenso wie elektrische und magnetische Sektoren, von denen einige Beispiele von H. Wollnik und M. Przewloka in Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 96 (1990) 267–274 und G. Weiss in US-Patent 6 828 553 gegeben sind. In manchen Fällen lenken zwei entgegengesetzte Reflektoren oder Spiegel geladene Teilchen zwischen den Reflektoren oder Spiegeln wiederholt hin und her, wobei versetzte Reflektoren oder Spiegel bewirken, dass Ionen einem gefalteten Weg folgen, und Sektoren Ionen um einen Ring oder einen Weg in Form einer Achterbahn lenken. Hier werden die Begriffe Reflektor und Spiegel austauschbar verwendet, und sie beziehen sich beide auf Ionenspiegel oder Ionenreflektoren, sofern nichts anderes erwähnt wird. Viele solcher Konfigurationen wurden untersucht und werden Fachleuten bekannt sein.
Das elektrostatische Einsperren ist auch wohlbekannt, und eine Klasse von Fallen verwendet das orbitale Einsperren. Das orbitale elektrostatische Einsperren wurde von K. H. Kingdon (Phys. Rev. 21 (1923) 408) in einer Falle demonstriert, die eine äußere Elektrodenstruktur und eine innere Elektrodenstruktur aufweist, wobei die äußere Struktur die innere umgibt. Ionen laufen im Bereich zwischen der inneren und der äußeren Elektrodenstruktur um die innere Elektrodenstruktur um.
Ein Typ einer orbitalen elektrostatischen Falle, wobei entgegengesetzte lineare Felder verwendet werden, die zu harmonischen Ionenoszillationen in Richtung einer Analysatorachse führen, wird im Orbitrap^TM-Massenanalysator von A. A. Makarov verwendet ( US-Patent 5 886 346 und Anal. Chem. 72 (2000) 1156). Eine einzige spindelartige innere Elektrodenstruktur ist von einer äußeren Elektrodenstruktur mit einer tonnenartigen Form umgeben.
C. Köster (Int. J. Mass Spectrom. Band 287, Ausgaben 1 bis 3, Seiten 114–118 (2009)) beschreibt das harmonische Einsperren von Ionen in Strukturen, die mehrere innere Elektroden aufweisen, die alle von einer äußeren Elektrodenstruktur umgeben sind.
Diese elektrostatischen Fallen aus dem Stand der Technik, bei denen Ionen, wie hier beschrieben, um innere Elektroden und/oder die Analysatorachse umlaufen, wurden jedoch nicht für eine Funktion als Flugzeit-Massenspektrometer verwendet, weil sich die Ionen um die innere(n) Elektrode(n) ausbreiten, wobei Ionen gleichen Masse-Ladung-Verhältnisses Ringe bilden. Das Ausstoßen solcher Ringe zu einem Detektor kann nicht leicht erreicht werden, ohne andere Ionenringe innerhalb der Falle zu zerstören, und es wurden keine Mittel bereitgestellt, um Ionen zunehmenden oder abnehmenden Masse-Ladung-Verhältnisses sequenziell auszustoßen, um ein Spektrum zu erzeugen.
Das Patent SU1716922 beschreibt einen TOF-Analysator mit zwei Reflexionen, der entgegengesetzte Spiegel aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind. Die Spiegel weisen konzentrische Zylinder auf, und die Ionenbewegung parallel zur Analysatorachse ist nicht harmonisch. Ionen treten durch eine in den Durchmesser einer äußeren zylindrischen Elektrode eingesetzte Öffnung in den Analysator ein und folgen einer helikalen Bahnkurve mit konstantem Radius um eine innere zylindrische Elektrode, bevor sie aus einer Austrittsöffnung austreten und auf einen Detektor fallen. Bei dieser Vorrichtung ist die Eingangsöffnung an dem Radius, an dem Ionen zirkulieren sollen, in die Analysatorstruktur eingesetzt. Die gleiche oder eine weitere Öffnung ist auch an dem Radius, an dem Ionen zirkulieren sollen, in die Analysatorstruktur eingesetzt, um zu ermöglichen, dass Ionen den Analysator verlassen. Das Vorhandensein der eingesetzten Öffnungen würde ansonsten das Feld im Analysator verzerren, und um dies zu verhindern, müssen Feldkorrekturelektroden in den Analysator aufgenommen werden. Wie beschrieben, wurden hierdurch Hindernisse auf der Bahn der Ionen eingebracht, und die Randfeldkorrektur war nicht perfekt, was zu einer Verringerung der Empfindlichkeit und Auflösung des Spektrometers führte. Am wichtigsten ist, dass das Vorhandensein der Randfeldkorrekturelektroden die Anzahl der Oszillationen auf nur eine vollständige Oszillation begrenzte (ein Vorwärtsdurchgang und ein Rückwärtsdurchgang).
Vor diesem Hintergrund wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
Nachstehend wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit ein kurzer Glossar der hier für die Erfindung verwendeten Begriffe bereitgestellt, wobei eine vollständige Erklärung der Begriffe anderswo an relevanten Stellen in der Beschreibung bereitgestellt wird.
Elektrisches Feld des Analysators (hier auch als Analysatorfeld bezeichnet): das elektrische Feld innerhalb des Analysatorvolumens zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen der Spiegel, das durch das Anlegen von Potentialen an die felddefinierenden Elektrodensysteme erzeugt wird. Das Hauptanalysatorfeld ist das Analysatorfeld, in dem sich die geladenen Teilchen entlang einer oder mehreren Hauptflugbahnen bewegen.
Analysatorvolumen: das Volumen zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen der beiden Spiegel. Das Analysatorvolumen erstreckt sich nicht zu einem Volumen innerhalb des inneren felddefinierenden Elektrodensystems noch zu einem Volumen außerhalb der Innenfläche des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems.
Winkel der Umlaufbewegung: der Winkel in Bogenrichtung, wenn der Umlauf fortschreitet.
Bogenrichtung: die Winkelrichtung um die Längsachse z des Analysators. 1 zeigt die jeweiligen Richtungen der z-Achse des Analysators, der radialen Richtung r und der Bogenrichtung ∅, die demgemäß als Zylinderkoordinaten betrachtet werden können.
Bogenförmige Fokussierung: Fokussierung der geladenen Teilchen in Bogenrichtung, um ihre Divergenz in dieser Richtung zu beschränken.
Asymmetrische Spiegel: entgegengesetzte Spiegel, die sich entweder in ihren physikalischen Eigenschaften (beispielsweise Größe und/oder Form) oder in ihren elektrischen Eigenschaften oder beiden unterscheiden, um asymmetrische entgegengesetzte elektrische Felder zu erzeugen.
Strahl: die Folge geladener Teilchen oder Pakete geladener Teilchen, von denen einige oder alle zu trennen sind.
Gürtelelektrodenanordnung: eine gürtelförmige Elektrodenanordnung, die sich zumindest teilweise um die z-Achse des Analysators erstreckt.
Beschleuniger für geladene Teilchen: eine Vorrichtung, die entweder die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen oder ihre kinetische Gesamtenergie ändert, wobei sie diese entweder erhöht oder verringert.
Ablenker für geladene Teilchen: eine Vorrichtung, welche den Strahl ablenkt.
Detektor: alle Komponenten, die benötigt werden, um ein messbares Signal von einem ankommenden Strahl geladener Teilchen zu erzeugen.
Ausstoßer: eine oder mehrere Komponenten zum Ausstoßen der geladenen Teilchen aus der Hauptflugbahn und wahlweise aus dem Analysatorvolumen.
Eintrittsport: Portöffnung, durch die Ionen hindurchtreten, wenn sie auf eine Hauptflugbahn gelangen. Die Portöffnung kann sich innerhalb des Analysatorvolumens oder am Rand des Analysatorvolumens befinden.
Äquator oder Äquatorposition des Analysators: der Mittelpunkt zwischen den beiden Spiegeln entlang der z-Achse des Analysators, d. h. der Punkt minimaler absoluter elektrischer Feldstärke in Richtung der z-Achse des Analysators innerhalb des Analysatorvolumens.
Austrittsport: Portöffnung, durch die Ionen hindurchtreten, wenn sie eine Hauptflugbahn verlassen, während sie weiterlaufen, um das Analysatorvolumen zu verlassen. Die Portöffnung kann sich innerhalb des Analysatorvolumens oder am Rand des Analysatorvolumens befinden.
Felddefinierende Elektrodensysteme: Elektroden, die, wenn sie elektrisch vorgespannt sind, eine Verzerrung des Analysatorfelds innerhalb des Analysatorvolumens erzeugen, zu ihrer Erzeugung beitragen oder diese unterbinden.
Injektor: eine oder mehrere Komponenten zum Injizieren der geladenen Teilchen auf die Hauptflugbahn durch den Analysator.
Hauptflugbahn: die stabile Bahnkurve, welcher die geladenen Teilchen während des größten Teils der Zeit, während derer die Teilchen getrennt werden, folgen. Der Hauptflugbahn wird vorherrschend unter dem Einfluss des Hauptanalysatorfelds gefolgt. Es kann mehrere Hauptflugbahnen geben.
m/z: Masse-Ladung-Verhältnis.
Empfänger: eine Vorrichtung für geladene Teilchen, welche einen Teil eines Detektors oder einer Vorrichtung zur Weiterverarbeitung der geladenen Teilchen oder diesen gesamten Detektor oder diese gesamte Vorrichtung bildet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem ersten unabhängigen Aspekt vorgesehen: ein Verfahren zum Trennen von Ionen entsprechend ihrer Flugzeit, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Analysators mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt und dazwischen ein Analysatorvolumen erzeugt, Injizieren von Ionen in das Analysatorvolumen oder Erzeugen von Ionen innerhalb des Analysatorvolumens, so dass sie entsprechend ihrer Flugzeit getrennt werden, wenn sie sich entlang einer Hauptflugbahn bewegen, während sie mehrere axiale Oszillationen in Richtung der Analysatorachse und mehrere radiale Oszillationen, während sie um eine oder mehrere innere felddefinierende Elektroden umlaufen, durchmachen, Bewirken, durch die mehreren axialen Oszillationen und die mehreren radialen Oszillationen, dass die getrennten Ionen einen Austrittsport nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen schneiden.
Vorzugsweise umfassen die entgegengesetzten Ionenspiegel elektrostatische Ionenspiegel, die aus einem inneren und einem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem bestehen, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt, wie weiter beschrieben wird. Jedes Elektrodensystem kann eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Vorzugsweise grenzen die entgegengesetzten Spiegel an eine Ebene an. Die entgegengesetzten Spiegel verwenden ein Analysatorfeld, das entgegengesetzte elektrostatische Felder aufweist, die in dem Analysatorvolumen erzeugt werden, d. h. dem Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem. Vorzugsweise sind die entgegengesetzten elektrostatischen Felder im Wesentlichen lineare entgegengesetzte Felder, und die Ionenbewegung in Richtung der Analysatorachse ist harmonisch. Ionen können unter Verwendung eines Injektors in der Art einer gepulsten Ionenquelle, beispielsweise einer C-Falle, die eine Speichervorrichtung aufweisen kann, in das Analysatorvolumen injiziert werden, oder Ionen können innerhalb des Analysatorvolumens gebildet werden, beispielsweise durch Anregung eines Gases durch einen Laserstrahl. Die Ionen laufen innerhalb des Analysatorvolumens entlang einer Bahnkurve, die eine Hauptflugbahn aufweist. Während sie sich entlang der Hauptflugbahn bewegen, werden sie entsprechend ihrer Flugzeit in eine Folge von Ionen zerlegt. Für ein Ionenpaket, das Ionen eines m/z-Bereichs aufweist, die mit ähnlicher kinetischer Energie in das Analysatorvolumen eintreten oder in diesem gebildet werden, werden die Ionen entsprechend ihren m/z-Werten getrennt, wobei Ionen mit niedrigeren m/z-Werten Ionen mit höheren m/z-Werten vorangehen.
Das Analysatorfeld kann vorteilhafterweise zu allen Zeiten auf das Hauptanalysatorfeld gelegt werden (d. h. das Analysatorfeld, in dem sich die geladenen Teilchen entlang der Hauptflugbahn bewegen), einschließlich der Zeiten, zu denen Ionen in den Analysator injiziert und aus dem Analysator ausgestoßen werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich die Hauptflugbahn von der Grenze des Analysatorvolumens und zu dieser, nämlich von einem Punkt, an dem Ionen in das Analysatorvolumen eintreten, zu einem Punkt, an dem Ionen aus dem Analysatorvolumen austreten. Vorteilhafterweise sind gemäß diesen Ausführungsformen keine zusätzlichen ionenoptischen Vorrichtungen innerhalb des Analysatorvolumens erforderlich, und es brauchen auch keine an den Analysator angeschlossene Leistungsversorgungen geschaltet werden, um das Eintreten in den Analysator und das Austreten aus diesem zu bewirken. Ferner wird durch die Eintritts- und Austrittsports keine erhebliche Verzerrung des Analysatorfelds herbeigeführt, und es sind folglich keine Feldkorrekturelektroden zur Kompensation innerhalb des Analysators erforderlich. Diese Vorteile verringern die Komplexität des Analysators und seine Baukosten. Sie verringern auch die technischen Schwierigkeiten der Analysatorsteuerung während der Prozesse zum Injizieren von Ionen in den Analysator und zum Ausstoßen von Ionen aus dem Analysator, weil kein schnelles Schalten von Analysatorleistungsversorgungen erforderlich ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen werden Ionen von einem Injektor in der Art einer gepulsten Ionenquelle durch eine Öffnung im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel gelenkt und kommen auf der Hauptflugbahn im Analysatorvolumen an, wobei sie sich in einer Richtung bewegen und eine Energie besitzen, so dass sie der Hauptflugbahn ohne weiteren Eingriff folgen. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen und während sie sich noch auf der Hauptflugbahn bewegen, erreicht die getrennte Folge von Ionen die gleiche oder eine andere Öffnung im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel und tritt aus dem Analysatorvolumen aus.
Die Hauptflugbahn erstreckt sich zu einem Austrittsport. Die Hauptflugbahn kann sich von einem Eintrittsport zu einem Austrittsport erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich die Hauptflugbahn von einem Eintrittsport zu einem Austrittsport. Gemäß einigen Ausführungsformen weist der Austrittsport eine diskrete Öffnung im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem oder beiden der Spiegel auf.
Gemäß einigen Ausführungsformen werden Ionen innerhalb des Analysatorvolumens erzeugt und bewegen sich unmittelbar auf der Hauptflugbahn fort. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen und während sie sich noch auf der Hauptflugbahn bewegen, erreicht die getrennte Folge von Ionen einen Austrittsport und verlässt anschließend das Analysatorvolumen.
Vorteile der Erfindung werden durch die Verwendung radialer Oszillationen sowie axialer Oszillationen des Ionenstrahls verwirklicht. Die Perioden der radialen und axialen Oszillationen werden so festgelegt, dass der Ionenstrahl zu einem Austrittsport gelenkt wird, der gemäß einigen Ausführungsformen eine diskrete Öffnung im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel aufweist.
Beim Hindurchlaufen durch den Austrittsport bewegt sich der Strahl weiter, um aus dem Analysatorvolumen auszutreten. Der Strahl kann unmittelbar aus dem Analysatorvolumen austreten, wenn er durch den Austrittsport tritt, oder er kann sich über eine weitere Strecke innerhalb des Analysatorvolumens bewegen, bevor er das Analysatorvolumen verlässt, wobei der Strahl beispielsweise durch den Austrittsport hindurchlaufen kann und in eine ionenoptische Vorrichtung eintreten kann, die sich zumindest teilweise innerhalb des Analysatorvolumens befindet, und dadurch transportiert werden kann, bevor er das Analysatorvolumen verlässt.
Der Strahl wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen zum Austrittsport gelenkt. Vorzugsweise ist die vorgegebene Anzahl von Umläufen größer als zwei. Bevorzugter ist die vorgegebene Anzahl von Umläufen größer als 5 und kleiner als die Grenze, bei der die Bahnkurven beginnen, einander zu überlappen. Die Grenze, bei der Bahnkurven beginnen, einander zu überlappen, hängt unter anderem von den Strahldivergenzeigenschaften und den Parametern der Hauptflugbahn ab. Die vorgegebene Anzahl von Umläufen kann eine ganzzahlige Anzahl von Umläufen oder eine ganzzahlige Anzahl von Umläufen zuzüglich eines teilweisen Umlaufs einschließen.
Radiale und/oder axiale Oszillationen des Ionenstrahls können durch Anwenden einer oder mehrerer Strahlablenkungen innerhalb des Analysatorvolumens herbeigeführt werden. Alternativ und bevorzugter werden sowohl die radialen als auch die axialen Oszillationsperioden durch die Bahnkurve der Ionen wenn sie in den Analysator eintreten, oder durch den Ort der gebildeten Ionen innerhalb des Analysatorvolumens zusammen mit der Stärke und Form des Analysatorfelds festgelegt. Dieses bevorzugtere Verfahren hat den Vorteil, dass keine Strahlablenkungsvorrichtung innerhalb des Analysatorvolumens erforderlich ist, welche das Analysatorfeld verzerren könnte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der Ionen von einer externen gepulsten Ionenquelle, die sich außerhalb des Analysatorvolumens befindet, in den Analysator eingebracht werden, werden radiale Oszillationen herbeigeführt, wenn die Ionen kinetische Energie in der zur Analysatorachse senkrechten Richtung besitzen, wodurch bei der festgelegten Stärke des Analysatorfelds eine kreisförmige Umlaufbahn mit dem Radius R erzeugt werden würde. R liegt innerhalb des Analysatorvolumens irgendwo zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem. Weil die Ionen allerdings durch einen Eintrittsport in der äußeren Elektrodenstruktur von einem der Spiegel in das Analysatorvolumen eintreten, treten die Ionen bei einem Radius ein, der jenem der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme des Spiegels an dieser Position auf der Analysatorachse ähnelt, und die Umlaufbewegung ist nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, so dass die Umlaufbahnkurve radiale Oszillationen aufweist. Während die Ionen eine Bewegungskomponente in einer Richtung senkrecht zur Analysatorachse aufweisen, so dass sie um die Analysatorachse umlaufen, werden sie mit einer Bewegungskomponente in Richtung der Analysatorachse durch den Eintrittsport in das Analysatorvolumen und folglich in einer Richtung zu einem der entgegengesetzten Spiegel hin injiziert. Die Hauptflugbahn erstreckt sich demgemäß um die Analysatorachse und entlang der Analysatorachse in einer exzentrischen Helix. Die Ionen dringen in einen ersten der entgegengesetzten Spiegel ein, während sie um die Analysatorachse umlaufen, und werden durch die Wirkung des ersten Spiegels um die Richtung der Analysatorachse gewendet und laufen zum anderen entgegengesetzten Spiegel zurück (dem zweiten Spiegel). Die Ionen dringen in den zweiten Spiegel ein und werden wieder zum ersten Spiegel zurück gewendet. Daher machen die Ionen sowohl axiale als auch radiale Oszillationen durch. Die Ionen machen mehrere axiale und radiale Oszillationen durch. Die Perioden der axialen und radialen Oszillationen werden vorzugsweise durch die Bahnkurve des Ionenstrahls beim Eintritt in den Analysator und durch die Stärke und Form des Analysatorfelds festgelegt. Diese werden so gewählt, dass der Ionenstrahl erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen zu der Zeit, zu der er einen Austrittsport erreicht, eine maximale radiale Ausdehnung der Umlaufbahn erhält, wobei er zu dieser Zeit ohne weiteren Eingriff durch den Austrittsport hindurchtritt und weiterläuft, um das Analysatorvolumen zu verlassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen werden Ionen an solchen Stellen innerhalb des Analysatorvolumens erzeugt, dass das Hauptanalysatorfeld unmittelbar eine Ionenbewegung entlang der Hauptflugbahn herbeiführt. Wiederum erstreckt sich die Hauptflugbahn in einer exzentrischen Helix um die Analysatorachse und entlang der Analysatorachse. Die Ionen dringen in einen ersten der entgegengesetzten Spiegel ein, während sie um die Analysatorachse umlaufen, und werden durch die Wirkung des ersten Spiegels um die Richtung der Analysatorachse gewendet und laufen zum anderen entgegengesetzten Spiegel zurück (dem zweiten Spiegel). Die Ionen dringen in den zweiten Spiegel ein und werden wieder zum ersten Spiegel zurück gewendet. Daher machen die Ionen sowohl axiale als auch radiale Oszillationen durch. Die Ionen machen mehrere axiale und radiale Oszillationen durch. Die Perioden der axialen und radialen Oszillationen werden vorzugsweise durch den Ort der Erzeugung der Ionen und durch die Stärke und Form des Analysatorfelds festgelegt. Diese werden so gewählt, dass der Ionenstrahl erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen zu der Zeit, zu der er einen Austrittsport erreicht, eine maximale radiale Ausdehnung der Umlaufbahn erhält, wobei er zu dieser Zeit ohne weiteren Eingriff durch den Austrittsport hindurchtritt und weiterläuft, um das Analysatorvolumen zu verlassen.
Der Austrittsport kann dieselbe Öffnung wie der Eintrittsport sein, oder er kann eine andere Öffnung sein. Wenn der Austrittsport eine andere Öffnung ist, kann er innerhalb der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur desselben Spiegels, der den Eintrittsport aufweist, gebildet sein, oder er kann innerhalb der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur des entgegengesetzten Spiegels gebildet sein.
Der Austrittsport und, sofern er verwendet wird, der Eintrittsport liegen vorzugsweise nicht in der z=0-Ebene, wo die Spiegel aneinander angrenzen, es sei denn, dass sich eine zusätzliche Strahlablenkvorrichtung innerhalb des Analysators befindet. Ohne eine Strahlablenkung besitzt eine Hauptflugbahn, die an der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode an oder in der Nähe der z=0-Ebene beginnt, eine maximale radiale Strahleinhüllende, so dass der Strahl, beim axialen Oszillieren, die Innenfläche der äußeren Elektrode bei der nächsten maximalen radialen Oszillation trifft. Vorzugsweise liegen der Austrittsport und, sofern er verwendet wird, der Eintrittsport in einer Entfernung von der z=0-Ebene. Bevorzugter befinden sich der Austrittsport und, sofern er verwendet wird, der Eintrittsport an der Ebene, in der der Wendepunkt des Ionenstrahls in einem oder beiden Spiegeln auftritt. (Die Ionen weisen in einem gegebenen Spiegel mehrere Wendepunkte auf, nämlich einen für jede Oszillation in Richtung der Analysatorachse, und diese Wendepunkte liegen auf einer Ebene innerhalb jedes Spiegels, welche als die Wendeebene bezeichnet werden kann.) Ionen, welche durch den Eintrittsport in den Analysator eintreten, beginnen dann auf der Hauptflugbahn an maximalen axialen und radialen Koordinaten und oszillieren axial und radial mit einer kosinusförmigen Zeitabhängigkeit. Falls die axiale Oszillationsfrequenz ω ist und die radiale Oszillationsfrequenz ω_r ist, ist, wenn ω.t = π.n, n = 1, 2, ..., ist, die normierte Amplitude der radialen Oszillation als Funktion der Zeit A = cos(ω_r.t) = cos((ω_r/ω).π.n). Die axialen und radialen Oszillationsfrequenzen werden so gewählt, dass ω und ω_r nicht in einem Verhältnis (ω_r/ω) sehr kleiner ganzer Zahlen (d. h. 2, 3, 4...) sondern vorzugsweise in einem Verhältnis ganzer Zahlen im Bereich von 7–20 stehen. Hierdurch wird dann eine Hauptflugbahn erzeugt, die axial und radial ausreichend oft oszilliert, um eine große Länge der Flugbahn zu erzeugen, die jedoch nicht so groß ist, dass die Einhüllende der Hauptflugbahn mit der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode von einem der Spiegel kollidiert, bevor der Austrittsport erreicht wird.
Falls das Verhältnis ω_r/ω beispielsweise 7/9 ist, gelten, wenn n = 1, A = –0,766; n = 2, A = 0,174; n = 3, A = 0,5; n = 4, A = –0,94; n = 5, A = 0,94; n = 6, A = –0,5, n = 7, A = –0,174; n = 8, A = 0,766; n = 9, A = –1,0, und der Strahl erreicht den Austrittsport, der sich in diesem Fall auf der vom Eintrittsport entgegengesetzten Seite des Analysators befindet (Bogendrehung um 180 Grad). Der Strahl nähert sich der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode des Spiegels, wenn n = 4 und n = 5 ist, und der Ionenstrahl muss an diesen Punkten so weit beschränkt sein, dass er die Elektrode nicht trifft. Vorzugsweise bleibt der Strahl mindestens 1 mm von der Elektrodenoberfläche entfernt.
Bei einem anderen Beispiel gelten, falls das Verhältnis ω_r/ω 10/11 ist, wenn n = 1, A = –0,959; n = 2, A = 0,841; n = 3, A = –0,655; n = 4, A = 0,415; n = 5, A = –0,142; n = 6, A = –0,142, n = 7, A = 0,415; n = 8, A = –0,655; n = 9, A = 0,841; n = 10, A = –0,959; n = 11, A = 1, und der Strahl erreicht den Austrittsport, der sich in diesem Fall auf der gleichen Seite des Analysators befindet wie der Eintrittsport und die gleiche Öffnung wie der Eintrittsport aufweisen kann.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis nicht auf ganze Zahlen beschränkt sein, wobei der Austrittsport in diesem Fall um einen gewissen Bruchteil von π Radiant um die Analysatorachse vom Eintrittsport entfernt liegt.
Gemäß alternativen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil eines Injektors in das Analysatorvolumen eingeführt, jedoch elektrisch davon abgeschirmt, und Ionen werden durch einen Eintrittsport auf die Hauptflugbahn injiziert, wobei sie sich in einer Richtung bewegen und Energie besitzen, so dass sie der Hauptflugbahn ohne weiteren Eingriff folgen. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen, und während sie sich noch auf der Hauptflugbahn bewegen, erreicht die getrennte Folge von Ionen einen Austrittsport und tritt in eine weitere ionenoptische Vorrichtung ein, die in das Analysatorvolumen eingeführt, jedoch elektrisch davon abgeschirmt ist, und die Ionen werden aus dem Analysatorvolumen heraus transportiert. Gemäß diesen Ausführungsformen verlassen Ionen demgemäß das Analysatorvolumen nur dann, wenn sie den Austrittsport erreichen, während sie eine Bahnkurve innerhalb eines verhältnismäßig schmalen Winkelbereichs besitzen. Die Winkelbereichsbeschränkung bedeutet, dass der Ionenstrahl für ein erfolgreiches Austreten eine gewisse Resonanz zwischen den axialen Oszillationen, den radialen Oszillationen und der Bogenwinkelfrequenz des Strahls besitzen muss. Verschiedene solcher Resonanzbedingungen sind mit unterschiedlichen Verweilzeiten innerhalb des Analysators möglich. Diese Ausführungsformen sind komplexer als andere beschriebene Ausführungsformen, sie weisen jedoch weiter den Vorteil auf, dass während des Injizierens und Ausstoßens von Ionen kein schnelles Schalten von Leistungsversorgungen erforderlich ist. Sie haben auch den Vorteil, dass sich die maximale radiale Ausdehnung des Strahls zu keiner Zeit der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode nähert und dass die Gesamtlänge der Hauptflugbahn um einen Faktor 3 bis 10, typischerweise 3 bis 5, vergrößert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem weiteren unabhängigen Aspekt vorgesehen: ein Analysator zum Trennen von Ionen entsprechend ihrer Flugzeit, welcher aufweist: zwei entgegengesetzte Ionenspiegel, die an eine erste Ebene angrenzen, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt, wobei: das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines Spiegels zwei Abschnitte aufweist, wobei die Abschnitte an eine zweite Ebene angrenzen, mit einem ersten Abschnitt zwischen der ersten und der zweiten Ebene und einem an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt mindestens einen Teil hat, der sich radial weiter weg von der Analysatorachse erstreckt als ein benachbarter Teil des zweiten Abschnitts an der zweiten Ebene.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Analysator mindestens einen Spiegel auf, der eine unterteilte äußere felddefinierende Elektrodenstruktur aufweist, wobei die Unterteilung einen radialen Zwischenraum bereitstellt, durch den Ionen eintreten und austreten können. Die unterteilte äußere felddefinierende Elektrodenstruktur des mindestens einen Spiegels weist zwei Abschnitte auf, die an eine zweite Ebene angrenzen, wobei sich ein Abstand radial weiter von der Analysatorachse erstreckt als ein benachbarter Teil des zweiten Abschnitts, wobei sich die beiden Abschnitte treffen, wodurch ein radialer Zwischenraum gebildet ist. Der radiale Zwischenraum weist vorzugsweise einen Austrittsport auf. Der radiale Zwischenraum weist bevorzugter einen Austrittsport und einen Eintrittsport auf. Der radiale Zwischenraum kann sich um die gesamte Analysatorachse erstrecken, oder er kann sich nur teilweise um die Analysatorachse erstrecken. Wenn sich der radiale Zwischenraum um die gesamte Analysatorachse erstreckt, weist der erste Abschnitt des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems einen größeren Durchmesser auf als der zweite Abschnitt des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems an der zweiten Ebene. Wenn sich der radiale Zwischenraum nur teilweise um die Analysatorachse erstreckt, kann es einen oder mehrere radiale Zwischenräume geben, die sich um die Analysatorachse erstrecken. Vorzugsweise gibt es radiale Zwischenräume, die sich in Bereichen erstrecken, in denen Ionen in den Analysator zu injizieren sind, und die sich in Bereichen erstrecken, in denen Ionen aus dem Analysator auszustoßen sind, wodurch Eintritts- und Austrittsports bereitgestellt werden. Beide Spiegel können unterteilte äußere felddefinierende Elektrodenstrukturen aufweisen. Vorzugsweise weist nur ein Spiegel eine unterteilte äußere felddefinierende Elektrodenstruktur auf. Der Begriff angrenzen bedeutet in diesem Zusammenhang nicht unbedingt, dass die Spiegel oder die Abschnitte einander physikalisch berühren, sondern er bedeutet, dass sie sich nahezu berühren oder dicht beabstandet beieinander liegen. Die beiden Abschnitte grenzen an einer zweiten Ebene an, und es kann sich in Richtung der Analysatorachse an der zweiten Ebene ein kleiner Zwischenraum zwischen den Abschnitten befinden, oder dies kann nicht der Fall sein. Bei der Verwendung können an den ersten und den zweiten Abschnitt das äußeren felddefinierenden Elektrodensystems unterschiedliche elektrische Vorspannungen angelegt sein.
Die entgegengesetzten Spiegel können asymmetrisch sein, oder dies kann nicht der Fall sein, so dass die entgegengesetzten Spiegel asymmetrische entgegengesetzte elektrische Felder aufweisen können, oder dies kann nicht der Fall sein. Während die Größe und/oder die Form des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems eines Spiegels von jenen des entgegengesetzten Spiegels abweichen können, können die Größen und Formen der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme zusammen mit den angelegten elektrischen Potentialen asymmetrische entgegengesetzte elektrische Felder induzieren, oder dies kann nicht der Fall sein. Vorzugsweise induzieren die Größen und Formen der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme zusammen mit den angelegten elektrischen Potentialen symmetrische entgegengesetzte elektrische Felder.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen einen oder mehrere der folgenden Vorteile auf: (a) Beim Eintritt der Ionen in das Analysatorvolumen ist keine Strahlablenkung erforderlich, (b) beim Austritt der Ionen aus dem Analysatorvolumen ist keine Strahlablenkung erforderlich, (c) das Analysatorfeld kann zu allen Zeiten während des Strahleintritts, der m/z-Trennung und des Austritts von Ionen aus dem Analysatorvolumen auf die Hauptfeldstärke des Analysators gelegt und bei dieser gehalten werden, (d) die Verweilzeit der Ionen innerhalb des Analysators kann durch Auswählen von Strahlinjektionsparametern oder des Ionenerzeugungsorts innerhalb des Analysators gewählt werden, um das Verhältnis axialer und radialer Oszillationsfrequenzen auszuwählen, (e) in der Nähe der Eintritts- und/oder Austrittsports ist keine Abschirmung erforderlich, um ein unverzerrtes Analysatorfeld aufrechtzuerhalten, (f) Einfachheit des Gesamtaufbaus.
Das Verfahren ermöglicht es, dass Ionen entsprechend ihrer Flugzeit unter Verwendung eines Analysators getrennt werden, wobei der Ionenstrahl in den Analysator injiziert wird oder innerhalb des Analysators gebildet wird und Ionen mehrerer Masse-Ladung-Verhältnisse aufweist. Das Verfahren kann unter Verwendung des Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Die beiden entgegengesetzten Spiegel können gleich sein, oder sie können voneinander verschieden sein. Vorzugsweise sind die beiden entgegengesetzten Spiegel gleich.
Mit Bezug auf die beiden entgegengesetzten Spiegel sei bemerkt, dass mit dem Begriff entgegengesetzte elektrische Felder (wobei die elektrischen Felder optional entlang z im Wesentlichen linear sind) ein Paar von Spiegeln für geladene Teilchen gemeint ist, die jeweils geladene Teilchen unter Verwendung eines elektrischen Felds zum anderen Spiegel reflektieren, wobei diese elektrischen Felder vorzugsweise zumindest in Längsrichtung (z-Richtung) des Analysators im Wesentlichen linear sind, so dass das elektrische Feld eine lineare Abhängigkeit vom Abstand zumindest in der Längsrichtung (z-Richtung) hat und das elektrische Feld mit dem Abstand zu jedem Spiegel im Wesentlichen linear ansteigt. Falls ein erster Spiegel entlang einer positiven Richtung der z-Achse lang gestreckt ist und ein zweiter Spiegel entlang einer negativen Richtung der z-Achse lang gestreckt ist, wobei die Spiegel vorzugsweise an oder in der Nähe der z=0-Ebene aneinander angrenzen, nimmt das elektrische Feld innerhalb des ersten Spiegels vorzugsweise linear mit dem Abstand zum ersten Spiegel in positiver z-Richtung zu, und das elektrische Feld innerhalb des zweiten Spiegels nimmt vorzugsweise linear mit dem Abstand zum zweiten Spiegel in negativer z-Richtung zu. Demgemäß sind die entgegengesetzten elektrischen Felder der entgegengesetzten Spiegel in entgegengesetzte Richtungen orientiert. Diese Felder werden durch das Anlegen von Potentialen (elektrische Vorspannung) an die felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel erzeugt, welche vorzugsweise parabolische Potentialverteilungen innerhalb jedes Spiegels erzeugen. Die entgegengesetzten elektrischen Felder bilden gemeinsam ein Analysatorfeld. Das Analysatorfeld ist demgemäß das elektrische Feld innerhalb des Analysatorvolumens zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen, das durch das Anlegen von Potentialen an die felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel erzeugt wird. Das Analysatorfeld wird nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben. Das elektrische Feld innerhalb jedes Spiegels kann entlang z innerhalb nur eines Teils jedes Spiegels im Wesentlichen linear sein. Vorzugsweise ist das elektrische Feld innerhalb jedes Spiegels innerhalb jedes gesamten Spiegels entlang z im Wesentlichen linear. Die entgegengesetzten Spiegel können voneinander durch einen Bereich beabstandet sein, in dem das elektrische Feld entlang z nicht linear ist. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen können sich in diesem Bereich, d. h. wo das elektrische Feld nicht linear entlang z ist, eine oder mehrere Gürtelelektrodenanordnungen befinden, wie hier weiter beschrieben wird. Vorzugsweise weist jeder solche Bereich entlang z eine geringere Länge auf als 1/3 des Abstands zwischen den maximalen Wendepunkten des geladenen Teilchenstrahls innerhalb der beiden Spiegel. Vorzugsweise fliegen die geladenen Teilchen in dem Analysatorvolumen mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang z über weniger als die Hälfte der Gesamtzeit ihrer Oszillation, wobei die Oszillationszeit die Zeit ist, welche die Teilchen benötigen, um denselben Punkt entlang z nach einmaliger Reflexion von jedem Spiegel zu erreichen.
Vorzugsweise grenzen die entgegengesetzten Spiegel direkt aneinander an, so dass sie sich an oder in der Nähe der z=0-Ebene treffen. Innerhalb des Analysators kann es zusätzliche Elektroden geben, die weiteren Funktionen dienen, von denen Beispiele nachstehend beschrieben werden, wie beispielsweise Gürtelelektrodenanordnungen. Diese zusätzlichen Elektroden können innerhalb eines oder beider der entgegengesetzten Spiegel liegen.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen sind die entgegengesetzten Spiegel um die z=0-Ebene im Wesentlichen symmetrisch. Gemäß anderen Ausführungsformen können die entgegengesetzten Spiegel um die z=0-Ebene nicht symmetrisch sein. Jeder Spiegel weist ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem auf, die entlang einer jeweiligen Spiegelachse lang gestreckt sind, wobei das äußere System das innere System umgibt und wobei jedes System eine oder mehrere Elektroden aufweist. Beim Betrieb laufen die geladenen Teilchen in dem Strahl um eines oder mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme innerhalb jedes jeweiligen Spiegels um, während sie sich innerhalb jedes jeweiligen Spiegels bewegen, wobei sie sich innerhalb des Analysatorvolumens zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen bewegen, während sie dies tun. Die Umlaufbewegung des Strahls ist eine exzentrische helikale Bewegung um die Analysatorachse z während der Bewegung von einem Spiegel zum anderen in einer zur z-Achse parallelen Richtung. Die Umlaufbewegung um die z-Achse des Analysators ist gemäß einigen Ausführungsformen im Wesentlichen elliptisch, während sie gemäß anderen Ausführungsformen eine andere Form aufweist. Die Umlaufbewegung um eines oder mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme kann vom Abstand von der z=0-Ebene abhängen.
Die Spiegelachsen sind im Wesentlichen mit der z-Achse des Analysators ausgerichtet. Die Spiegelachsen können miteinander ausgerichtet sein, oder es kann ein gewisses Maß an Fehlausrichtung herbeigeführt sein. Die Fehlausrichtung kann die Form eines Versatzes zwischen den Spiegelachsen annehmen, wobei die Achsen parallel sind, oder sie kann die Form einer Winkeldrehung von einer der Spiegelachsen in Bezug auf die andere oder sowohl eines Versatzes als auch einer Drehung annehmen. Vorzugsweise sind die Spiegelachsen entlang derselben Längsachse im Wesentlichen ausgerichtet, und diese Längsachse ist vorzugsweise mit der Analysatorachse im Wesentlichen koaxial. Vorzugsweise sind die Spiegelachsen mit der z-Achse des Analysators koaxial.
Die felddefinierenden Elektrodensysteme können eine Vielzahl von Formen annehmen, wie nachstehend beschrieben wird. Vorzugsweise weisen die felddefinierenden Elektrodensysteme Formen auf, die innerhalb der Spiegel eine quadro-logarithmische Potentialverteilung erzeugen, es werden jedoch auch andere Potentialverteilungen erwogen, und sie werden weiter beschrieben.
Die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme eines Spiegels können unterschiedliche Formen aufweisen. Vorzugsweise weisen die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme eine verwandte Form auf, wie weiter beschrieben wird. Bevorzugter haben die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels beide einen kreisförmigen transversalen Querschnitt (d. h. transversal zur z-Achse des Analysators). Die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme können jedoch auch andere als kreisförmige Querschnitte haben, wie elliptische, hyperbolische und andere. Die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme können konzentrisch sein, oder dies kann nicht der Fall sein. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme konzentrisch. Die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel sind vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Analysatorachse.
Einer der Spiegel kann eine andere Form als der andere Spiegel in Bezug auf eines oder mehrere der folgenden aufweisen: die Form seines Aufbaus, seine Gestalt, seine Abmessungen, die Formübereinstimmung der Gestalten zwischen den inneren und äußeren Elektrodensystemen, die Konzentrizität zwischen den inneren und äußeren Elektrodensystemen, die an die inneren und/oder äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme angelegten elektrischen Potentiale oder andere. Wenn die Spiegel voneinander verschiedene Formen haben, können sie entgegengesetzte elektrische Felder erzeugen, die voneinander verschieden sind, oder die Spiegel können entgegengesetzte elektrische Felder erzeugen, die im Wesentlichen gleich sind. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die innerhalb der beiden Spiegel erzeugten elektrischen Felder im Wesentlichen gleich, während die Spiegel unterschiedlich aufgebaut sind und/oder an die felddefinierenden Elektrodensysteme unterschedliche elektrische Potentiale angelegt sind. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Spiegel im Wesentlichen identisch, und es sind ein erster Satz eines oder mehrerer elektrischer Potentiale an die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel angelegt und ein zweiter Satz eines oder mehrerer elektrischer Potentiale an die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel angelegt. Gemäß anderen Ausführungsformen unterscheiden sich die Spiegel auf vorgeschriebene Arten, oder es sind unterschiedliche Potentiale an sie angelegt, um eine Asymmetrie zu erzeugen (d. h. verschiedene entgegengesetzte elektrische Felder), wodurch zusätzliche Vorteile bereitgestellt werden.
Ein felddefinierendes Elektrodensystem eines Spiegels kann aus einer einzigen Elektrode bestehen, wie beispielsweise im US-Patent 5 886 346 beschrieben ist, oder aus mehreren Elektroden (beispielsweise wenigen oder vielen Elektroden) bestehen, wie beispielsweise in WO 2007/000587 beschrieben ist. Das innere Elektrodensystem eines der Spiegel oder beider Spiegel kann beispielsweise, ebenso wie das äußere Elektrodensystem, eine einzige Elektrode sein. Alternativ können mehrere Elektroden verwendet werden, um das innere und/oder das äußere Elektrodensystem eines oder beider Spiegel zu bilden. Vorzugsweise bestehen die felddefinierenden Elektrodensysteme eines Spiegels aus einzelnen Elektroden für jedes von dem inneren und dem äußeren Elektrodensystem. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines oder beider Spiegel in mindestens zwei Abschnitte zerlegt. Die Oberflächen des inneren und des äußeren Elektrodensystems bilden Äquipotentialflächen der elektrischen Felder.
Das äußere felddefinierende Elektrodensystem jedes Spiegels ist größer als das innere felddefinierende Elektrodensystem und liegt um das innere felddefinierende Elektrodensystem. Wie bei der elektrostatischen Falle Orbitrap^TM weist das innere felddefinierende Elektrodensystem vorzugsweise eine Spindelform auf, bevorzugter mit einem zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln zunehmenden Durchmesser (d. h. zum Äquator (oder zur z=0-Ebene) des Analysators hin), und das äußere felddefinierende Elektrodensystem weist vorzugsweise eine tonnenartige Form auf, bevorzugter mit einem zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln hin zunehmenden Durchmesser. (Die Orbitrap^TM ist beispielsweise im US-Patent 5 886 346 beschrieben.) Diese bevorzugte Form eines Analysatoraufbaus verwendet vorteilhafterweise weniger Elektroden und bildet ein elektrisches Feld mit einem höheren Linearitätsgrad als viele andere Aufbauformen. Insbesondere wird durch Bilden parabolischer Potentialverteilungen in Richtung der Spiegelachsen innerhalb der Spiegel unter Verwendung von Elektroden, die geformt sind, um dem parabolischen Potential in der Nähe der Achsenenden zu entsprechen, ein gewünschtes lineares elektrisches Feld mit einer höheren Genauigkeit in der Nähe der Orte, an denen die geladenen Teilchen ihre Wendepunkte erreichen und sich am langsamsten bewegen, erreicht. Eine größere Feldgenauigkeit in diesen Bereichen ermöglicht einen höheren Grad einer zeitlichen Fokussierung, wodurch ermöglicht wird, dass höhere Massenauflösungsvermögen erhalten werden. Wenn das innere felddefinierende Elektrodensystem eines Spiegels mehrere Elektroden aufweist, sind die mehreren Elektroden vorzugsweise in der Lage, eine einzige Elektrode mit einer spindelartigen Form nachzubilden. Ähnlich sind die mehreren Elektroden, wenn das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines Spiegels mehrere Elektroden aufweist, vorzugsweise in der Lage, eine einzige Elektrode mit einer tonnenartigen Form nachzubilden.
Die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels weisen vorzugsweise zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln hin (d. h. zum Äquator (oder zur z=0-Ebene) des Analysators hin) einen zunehmenden Durchmesser auf. Die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels können getrennte Elektrodensysteme sein, die voneinander durch einen elektrisch isolierenden Zwischenraum getrennt sind, oder ein einziges inneres felddefinierendes Elektrodensystem kann alternativ die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel bilden (beispielsweise wie bei der elektrostatischen Falle Orbitrap^TM). Das einzelne innere felddefinierende Elektrodensystem kann aus einem einzigen Stück eines inneren felddefinierenden Elektrodensystems bestehen, oder es kann durch zwei in elektrischem Kontakt stehende innere felddefinierende Elektrodensysteme gebildet sein. Das einzelne innere felddefinierende Elektrodensystem weist vorzugsweise eine spindelartige Form, bevorzugter mit einem zunehmenden Durchmesser zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln hin, auf. Ähnlich weisen die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels vorzugsweise einen zunehmenden Durchmesser zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln hin auf. Die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels können voneinander getrennte Elektroden sein, die durch einen elektrisch isolierenden Zwischenraum getrennt sind, oder ein einziges äußeres felddefinierendes Elektrodensystem kann alternativ die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel bilden. Das einzelne äußere felddefinierende Elektrodensystem kann eine aus einem Einzelstück bestehende äußere Elektrode oder aus zwei in elektrischem Kontakt stehenden äußeren Elektroden bestehen. Das einzelne äußere felddefinierende Elektrodensystem weist vorzugsweise eine tonnenartige Form auf, bevorzugter mit einem zunehmenden Durchmesser zum Mittelpunkt zwischen den Spiegeln hin.
Vorzugsweise grenzen die beiden Spiegel in der Nähe oder bevorzugter an der z=0-Ebene an, um eine kontinuierliche Äquipotentialfläche zu definieren. Der Begriff angrenzen bedeutet in diesem Zusammenhang nicht unbedingt, dass die Spiegel einander physikalisch berühren, sondern dass sie einander beinahe berühren oder dicht benachbart zueinander liegen. Dementsprechend machen die geladenen Teilchen gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen vorzugsweise eine einfache harmonische Bewegung in Längsrichtung des Analysators durch, was perfekt oder nahezu perfekt ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird innerhalb des Analysators eine quadro-logarithmische Potentialverteilung erzeugt. Das quadro-logarithmische Potential wird vorzugsweise durch elektrisches Vorspannen der beiden felddefinierenden Elektrodensysteme erzeugt. Das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem sind vorzugsweise so geformt, dass ein quadro-logarithmisches Potential zwischen ihnen erzeugt wird, wenn sie elektrisch vorgespannt werden. Die Gesamtpotentialverteilung innerhalb jedes Spiegels ist vorzugsweise ein quadro-logarithmisches Potential, wobei das Potential eine quadratische (d. h. parabolische) Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der z-Achse des Analysators (welche die Längsachse ist) hat und in radialer Richtung (r) eine logarithmische Abhängigkeit vom Abstand hat. Gemäß anderen Ausführungsformen sind die Formen der felddefinierenden Elektrodensysteme derart, dass kein logarithmischer Potentialterm in radialer Richtung erzeugt wird und andere mathematische Formen die radiale Potentialverteilung beschreiben.
Hier bezeichnet der Begriff radial die zylindrische Koordinate r. Gemäß einigen Ausführungsformen besitzen die felddefinierenden Elektrodensysteme des Analysators keine Zylindersymmetrie, beispielsweise wenn das Querschnittsprofil in einer Ebene bei konstantem z-Wert eine Ellipse ist, und der Begriff radial beinhaltet keine Einschränkung nur auf zylindersymmetrische Geometrien, wenn er in Zusammenhang mit solchen Ausführungsformen verwendet wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist das elektrische Feld des Analysators nicht unbedingt in Richtung der z-Achse des Analysators linear, aber es ist gemäß bevorzugten Ausführungsformen entlang zumindest eines Abschnitts der Länge des Analysatorvolumens entlang z linear.
Alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben gegenüber vielen mehrfach reflektierenden Systemen aus dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Das Vorhandensein eines oder mehrerer innerer felddefinierender Elektrodensysteme dient dazu, geladene Teilchen auf einer Seite des Systems von der auf Teilchen auf der anderen Seite vorhandenen Ladung abzuschirmen, wodurch die Raumladungswirkungen auf die Paketfolge verringert werden. Zusätzlich ändert die axiale Verbreiterung des Strahls (d. h. die Verbreiterung in Richtung der z-Achse des Analysators) infolge eines restlichen Raumladungseinflusses nicht erheblich die Flugzeit der Teilchen in axialer Richtung, also der Richtung der Flugzeittrennung.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen, welche entgegengesetzte lineare elektrische Felder in Richtung der Analysatorachse verwenden, bewegen sich die geladenen Teilchen, während sie sich auf der Hauptflugbahn befinden, stets mit Geschwindigkeiten, die nicht nahe bei null sind und die ein erheblicher Bruchteil der maximalen Geschwindigkeit sind. Gemäß diesen Ausführungsformen sind die geladenen Teilchen auch nie scharf fokussiert, außer gemäß einigen Ausführungsformen, bei denen sie nur zu Beginn der Hauptflugbahn fokussiert sind. Diese beiden Merkmale verringern dadurch weiter die Raumladungswirkungen auf den Strahl. Die unerwünschte Wirkung der Selbstbündelung geladener Teilchen kann auch durch Einführen sehr kleiner Feldnichtlinearitäten verhindert werden, wie in WO06129109 beschrieben ist.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen verwendet die Erfindung eine konzentrische Elektrodenstruktur mit einem quadro-logarithmischen Potential, wie sie bei einer elektrostatischen Falle Orbitrap^TM in Form eines TOF-Trenners verwendet wird. Im Prinzip werden durch eine solche Struktur sowohl eine vollkommene Winkelfokussierung als auch eine vollkommene Energie-Zeit-Fokussierung erreicht.
Ein weiteres grundsätzliches Problem, das bei reflektierenden Anordnungen mit einer gefalteten Bahn aus dem Stand der Technik auftritt, bei denen parabolische Potentialreflektoren verwendet werden, besteht darin, dass die parabolischen Potentialreflektoren nicht direkt aneinander angrenzend angeordnet werden können, ohne das lineare Feld der Reflektoren bis zu einem gewissen Grad zu verzerren, was im Allgemeinen zur Einbringung eines verhältnismäßig langen Abschnitts eines verhältnismäßig feldfreien Driftraums zwischen den Reflektoren geführt hat. Ferner führt im Stand der Technik die Verwendung linearer Felder (parabolischer Potentiale) in Reflektoren dazu, dass die geladenen Teilchen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung instabil sind. Um dies zu kompensieren, wurde im Stand der Technik eine Kombination eines feldfreien Bereichs, einer starken Linse und eines gleichmäßigen Felds verwendet. Entweder die Verzerrung und/oder das Vorhandensein feldfreier Bereiche macht eine vollkommene harmonische Bewegung bei solchen parabolischen Potentialreflektoren aus dem Stand der Technik unmöglich. Um einen hohen Grad einer zeitlichen Fokussierung am Detektor zu erhalten, muss das Feld innerhalb eines oder mehrerer der Reflektoren geändert werden, um zu versuchen, dies zu kompensieren, oder es muss eine zusätzliche ionenoptische Komponente in die Flugbahn eingebracht werden. Im Gegensatz zu den Spiegeln gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann mit diesen Mehrfachreflexionsanordnungen keine vollkommene Winkel- und Energiefokussierung erreicht werden.
Eine in jedem Spiegel gebildete bevorzugte quadro-logarithmische Potentialverteilung U(r, z) ist in Gleichung (1) beschrieben:
wobei r, z Zylinderkoordinaten sind (r = radiale Koordinate, z = longitudinale oder axiale Koordinate), C eine Konstante ist, k der Feldlinearitätskoeffizient ist und R_m der charakteristische Radius ist. Der letztgenannte hat auch eine physikalische Bedeutung: Die radiale Kraft ist für r < R_m zur Analysatorachse hin gerichtet und für r > R_m von ihr fort gerichtet, während sie bei r = R_m gleich 0 ist. Die radiale Kraft ist bei r < R_m zur Achse hin gerichtet. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen liegt R_m bei einem größeren Radius als die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel, so dass geladene Teilchen, die sich in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem bewegen, stets eine einwärts gerichtete radiale Kraft zu den inneren felddefinierenden Elektrodensystemen hin spüren. Diese einwärts gerichtete Kraft gleicht die Zentripetalkraft der umlaufenden Teilchen aus.
Wenn sich Ionen auf einer Kreisspirale mit dem Radius R in einer solchen Potentialverteilung bewegen, könnte ihre Bewegung durch drei charakteristische Oszillationsfrequenzen geladener Teilchen in dem Potential von Gleichung (1) beschrieben werden: eine axiale Oszillation in z-Richtung, die in Gleichung (2) durch ω angegeben ist, eine Umlauffrequenz der Oszillation (nachstehend als Winkeloszillation bezeichnet) um das innere felddefinierende Elektrodensystem herum in einer hier als Bogenrichtung (φ) bezeichneten Richtung, wie hier in Gleichung (2) durch ω_φ angegeben ist, und eine radiale Oszillation in r-Richtung, die in den Gleichungen (2) durch φ_r angegeben ist.
wobei e die Elementarladung ist, m die Masse und z die Ladung der geladenen Teilchen ist und R der Anfangsradius der geladenen Teilchen ist. Die Radialbewegung ist stabil, falls R < R_m/2^1/2 und daher ω_φ > ω/2^1/2 gilt, und für jede Reflexion (d. h. Änderung der axialen Oszillationsphase um π) muss sich die Bahnkurve um mehr als π/(2)^1/2 Radians drehen. Eine ähnliche Begrenzung ist für Potentialverteilungen vorhanden, die von (1) abweichen, und sie stellt einen erheblichen Unterschied gegenüber allen anderen Typen bekannter Ionenspiegel dar.
Die Gleichungen (2) zeigen, dass die axiale Oszillationsfrequenz von der Anfangsposition und der Anfangsenergie unabhängig ist und dass sowohl die Rotations- als auch die radiale Oszillationsfrequenz vom Anfangsradius R unabhängig sind. Eine weitere Beschreibung der Eigenschaften dieses Typs eines quadro-logarithmischen Potentials ist beispielsweise in A. Makarov, Anal. Chem. 2000, 72, 1156–1162 gegeben.
Wenngleich eine bevorzugte Ausführungsform eine durch Gleichung (1) definierte Potentialverteilung verwendet, brauchen dies andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht. Ausführungsformen, welche die entgegengesetzten linearen elektrischen Felder in Richtung der Analysatorachse (Längsachse) verwenden, können beliebige der durch die Gleichungen (3a) und (3b) in (x, y)-Koordinaten beschriebenen allgemeinen Formen verwenden, wobei die Gleichungen auch in WO06129109 angegeben sind.
wobei
α, β, γ, a, A, B, D, E, F, G, H beliebige Konstanten (D > 0) sind und j eine ganze Zahl ist. Die Gle6ichungen (3a) und (3b) sind im Allgemeinen ausreichend, um beliebige oder alle Terme in Gleichung (1) vollkommen zu entfernen, die von r abhängen, und sie durch andere Terme zu ersetzen, einschließlich Ausdrücken in anderen Koordinatensystemen (wie elliptisch, hyperbolisch usw.). Für ein Teilchen, das seine Bahn bei z = 0 beginnt und beendet, entspricht die Flugzeit in dem durch die Gleichungen (3a) und (3b) beschriebenen Potential einer Hälfte einer axialen Oszillation:
Die Koordinate des Wendepunkts ist z_tp = v_z/ω, wobei v_z die axiale Komponente der Geschwindigkeit bei z = 0 ist und die äquivalente Bahnlänge über eine Hälfte der axialen Oszillation (d. h. eine einzige Reflexion) v_zT = πz_tp ist. Die äquivalente oder effektive Bahnlänge ist daher um einen Faktor π größer als die tatsächliche Bahnlänge, und sie ist ein Maß, welches die Bahnlänge repräsentiert, über welche eine Flugzeittrennung auftritt. Diese Vergrößerung um den Faktor π ist auf die Verzögerung der geladenen Teilchen in axialer Richtung zurückzuführen, wenn sie weiter in jeden der Spiegel eindringen. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt das bevorzugte Nichtvorhandensein einer erheblichen Länge eines feldfreien Bereichs in axialer Richtrung diese erhebliche Vergrößerung und ist ein zusätzlicher Vorteil gegenüber reflektierenden TOF-Analysatoren, die vergrößerte feldfreie Bereiche verwenden.
Der Strahl geladener Teilchen fliegt entlang einer Hauptflugbahn durch den Analysator. Die Hauptflugbahn umfasst vorzugsweise eine zwischen den beiden entgegengesetzten Spiegeln reflektierte Flugbahn. Die Hauptflugbahn des Strahls zwischen den beiden entgegengesetzten Spiegeln liegt im Analysatorvolumen, d. h. zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem. Die beiden direkt entgegengesetzten Spiegel definieren bei der Verwendung eine Hauptflugbahn, welche die geladenen Teilchen nehmen, während sie zumindest eine vollständige Oszillation der Bewegung in Richtung der z-Achse des Analysators zwischen den Spiegeln durchmachen. Während der Strahl geladener Teilchen entlang der Hauptflugbahn durch den Analysator fliegt, macht er vorzugsweise mindestens eine vollständige Oszillation einer im Wesentlichen einfachen harmonischen Bewegung entlang der Längsachse (z-Achse) des Analysators durch, während die Ionen um die Analysatorachse umlaufen (d. h. eine Drehung in Bogenrichtung ausführen). Hier bezeichnet der Begriff Winkel der Umlaufbewegung den Winkel in Bogenrichtung bei fortschreitender Umlaufbahn. Dementsprechend ist eine bevorzugte Bewegung des Strahls entlang seiner Flugbahn innerhalb des Analysators eine helikale Bewegung um das innere felddefinierende Elektrodensystem. Wie bereits beschrieben wurde, ist die Hauptflugbahn gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine exzentrische Helix. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen liegt das Verhältnis zwischen der radialen Oszillationsfrequenz und der axialen Oszillationsfrequenz ω_r/ω zwischen einem oder mehreren der Bereiche: 0,5 und 3, 0,6 und 2,5, 0,7 und 2,0, 0,8 und 1,7 und bevorzugter zwischen 0,85 und 1,2.
Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung verwenden zwei entgegengesetzte Spiegel mit dem Analysatorfeld, das innerhalb des Analysatorvolumens durch Anlegen von Potentialen an Elektrodenstrukturen erzeugt wird, die zwei entgegengesetzte äußere felddefinierende Elektrodensysteme und zwei entgegengesetzte innere felddefinierende Elektrodensysteme aufweisen, wobei die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme mehrere spindelartige Elektrodenstrukturen aufweisen, die sich innerhalb der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme erstrecken. Jede der mehreren spindelartigen Strukturen erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur z-Achse. In Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist das Feld in z-Richtung im Wesentlichen linear und ist die Ionenbewegung entlang der Hauptflugbahn in z-Richtung im Wesentlichen einfach harmonisch. Die Ionenbewegung orthogonal zur z-Richtung kann eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich eines Umlaufs um eine oder mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen. Der Begriff ”umlaufend ... um” umfasst das einmalige oder mehrmalige aufeinander folgende Umlaufen um jede von mehreren der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen, und er umfasst auch das Umlaufen um mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen in jeder Umlaufbahn, so dass jede Umlaufbahn mehr als eine der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen umfasst. Die vorstehenden Ausführungsformen sind spezielle Lösungen der allgemeinen Gleichung U(x, y, z) = k / 2·z² + V(x, y) (5a) wobei k das gleiche Vorzeichen wie die Ionenladung hat (k ist beispielsweise für positive Ionen positiv) und ΔV(x, y) = – k / 2 (5b)
Insbesondere umfassen die Lösungen
wobei
und wobei A_i, B, C, D, E, F, G, H reelle Konstanten sind und jedes f_i(x, y) erfüllt:
Eine spezielle Lösung ist f(x, y) = (x² + y²)² – 2b²(x² – y²) + b⁴ (6d) wobei b eine Konstante ist (C. Köster, Int. J. Mass Spectrom. Band 287, Ausgaben 1–3, Seiten 114–118 (2009)).
Die Gleichungen (6a–c) mit der speziellen Lösung (6d) werden durch zwei entgegengesetzte Spiegel erfüllt, wobei jeder Spiegel innere und äußere felddefinierende Elektrodensysteme aufweist, die entlang einer z-Achse lang gestreckt sind, wobei jedes System eine oder mehrere Elektroden aufweist, wobei das äußere System das innere umgibt. Die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme weisen jeweils eine oder mehrere Elektroden auf. Die eine oder die mehreren Elektroden weisen spindelartige Strukturen auf, die sich im Wesentlichen parallel zur z-Achse erstrecken. Jede spindelartige Struktur kann selbst eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Eine der spindelartigen Strukturen kann sich auf der z-Achse befinden. Zusätzlich oder alternativ können sich zwei oder mehr der spindelartigen Strukturen außerhalb der z-Achse befinden, wobei sie typischerweise symmetrisch um die z-Achse angeordnet sind.
Der Analysator kann ferner eine oder mehrere bogenförmige Fokussierlinsen aufweisen, wie weiter beschrieben wird. Diese Linsen beschränken die Winkeldivergenz der Ionen in Bogenrichtung. Wenn es mehrere bogenförmige Fokussierlinsen gibt und wenn sich diese Linsen an oder in der Nähe der z=0-Ebene befinden, schreitet die Position des Strahls am Linsenort vorzugsweise nach einer gegebenen Anzahl von Reflexionen von den Spiegeln (beispielsweise nach einer oder zwei Reflexionen) um eine Strecke in Bogenrichtung voran. Auf diese Weise fliegt der Strahl entlang der Hauptflugbahn durch den Analysator entlang der Analysatorachse auf einer Bahn hin und her, die um die Analysatorachse (d. h. in Bogenrichtung) in der z=0-Ebene stufenweise fortschreitet, so dass an die Hauptflugbahn angrenzende bogenförmige Fokussierlinsen geschnitten werden. Die Umlaufbewegung kann eine elliptische oder eine andere Querschnittsform haben.
Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen läuft der Strahl um das innere felddefinierende Elektrodensystem jedes Spiegels und damit um die z-Achse des Analysators einmal pro Reflexion um und schneidet eine einzige bogenförmige Fokussierlinse.
Ein kennzeichnendes Merkmal einiger bevorzugter Ausführungsformen besteht darin, dass die Hauptflugbahn etwa einmal oder mehr als einmal um das innere felddefinierende Elektrodensystem umläuft, während sie eine einzige Oszillation in Richtung der Analysatorachse ausführt. Dies hat die vorteilhafte Wirkung, dass der geladene Teilchenstrahl um das innere felddefinierende Elektrodensystem getrennt wird, wodurch die Raumladungseffekte eines Teils des Strahls in Bezug auf einen anderen verringert werden, wie zuvor beschrieben wurde. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass das starke effektive radiale Potential eine starke radiale Fokussierung des Strahls erzwingt und damit eine geringe radiale Größe des Strahls bereitstellt. Dies erhöht wiederum das Auflösungsvermögen der Vorrichtung infolge einer geringeren relativen Größe des Strahls und einer kleineren Änderung störender Potentiale über den Strahl. Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen der Frequenz der Umlaufbewegung und der Oszillationsfrequenz in Richtung der Längsachse z des Analysators zwischen 0,71 und 5. Bevorzugter liegt das Verhältnis zwischen der Frequenz der Umlaufbewegung und der Oszillationsfrequenz in Richtung der Längsachse des Analysators zwischen (in der Reihenfolge zunehmender Präferenz) 0,8 und 4,5, 1,2 und 3,5, 1,8 und 2,5. Einige bevorzugte Bereiche umfassen daher 0,8 bis 1,2, 1,8 bis 2,2, 2,5 bis 3,5 und 3,5 bis 4,5.
Wenn sich die geladenen Teilchen entlang der Hauptflugbahn des Analysators bewegen, werden sie entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis (m/z) getrennt. Der Trennungsgrad hängt unter anderem von der Flugbahnlänge in Richtung der z-Achse des Analysators ab. Nach der Trennung verlässt die Folge getrennter Ionen den Analysator durch den Austrittsport, und anschließend können ein oder mehrere m/z-Bereiche aus der Folge zur Weiterverarbeitung unter Verwendung eines Ionengatters ausgewählt werden. Der Begriff m/z-Bereich umfasst hier einen Bereich, der so schmal ist, dass nur eine aufgelöste m/z-Spezies enthalten ist.
Bei Analysatoren aus dem Stand der Technik mit durch Gleichung (3) beschriebenen Potentialverteilungen und bei anderen Analysatortypen in der Art jener mit der quadro-logarithmischen Potentialverteilung wird die Divergenz in r beschränkt, und die Bogendivergenz wird überhaupt nicht beschränkt. Beim quadro-logarithmischen Potential wird eine starke radiale Fokussierung automatisch erreicht, wenn sich Ionen auf Bahnkurven bewegen, die entweder einer kreisförmigen Helix oder einer exzentrischen Helix folgen, die unbeschränkte Bogendivergenz des Strahls würde jedoch, falls sie nicht eingeschränkt wird, zu einem Problem einer vollständigen Überlappung der Bahnkurven für Ionen mit gleichem m/z, jedoch unterschiedlichen Anfangsparametern führen. Die injizierten geladenen Ionen würden, wie bei der elektrostatischen Falle Orbitrap^TM, Ringe um das innere felddefinierende Elektrodensystem bilden, wobei die Ringe Ionen mit dem gleichen m/z-Wert aufweisen und in axialer Längsrichtung des Analysators oszillieren. Bei der elektrostatischen Falle Orbitrap^TM bleibt die Bildstromerfassung von Ionen innerhalb der Falle unbeeinflusst. Für die Verwendung eines solchen Felds für eine Flugzeittrennung und -auswahl geladener Teilchen muss jedoch ein Teil des Strahls für die Erfassung oder Weiterverarbeitung selektiv aus der Vorrichtung ausgestoßen werden. Irgendeine Form eines Ausstoßungsmechanismus muss in die Strahlbahn eingebtracht werden, um den Strahl aus dem Feld zu einem Detektor auszustoßen. Ein Ausstoßungsmechanismus innerhalb des analysierenden Felds müsste auf alle Ionen in dem Ring wirken, falls er alle geladenen Teilchen mit dem gleichen m/z-Wert, die in dem Analysator vorhanden sind, ausstoßen oder detektieren sollte. Diese Aufgabe ist praktisch nicht erfüllbar, weil die verschiedenen Ringe geladener Teilchen mit unterschiedlichen m/z-Werten mit unterschiedlichen Frequenzen in Längsrichtung des Analysators oszillieren und sich Ringe unterschiedlicher m/z-Werte zu einer gegebenen Zeit überlappen können. Selbst wenn der Strahl ausgestoßen oder erfasst wird, bevor er einen Satz vollständiger Ringe unterschiedlicher m/z-Teilchen bildet, wird das anfängliche Paket geladener Teilchen während der Flugbahn zu einer Folge von Paketen, wobei Teilchen mit niedrigeren m/z-Werten Teilchen mit höheren m/z-Werten vorangehen. Pakete geladener Teilchen vorne in der Folge, die bogenförmig divergiert sind, wobei sie sich um das innere felddefinierende Elektrodensystem ausbreiten, könnten Paketen überlagert werden, die in der Folge weiter zurück liegen. Falls geladene Teilchen nach ihrer Flugzeit zu trennen sind und eine Untermenge durch Ausstoßen aus dem Analysator zu einem Empfänger auszuwählen ist, wählt der Auswahlprozess unerwünscht Ionen aus, die stark unterschiedliche Flugzeiten aufweisen, weil überlappende geladene Teilchen aus verschiedenen Abschnitten der Folge ausgestoßen werden.
Die vorliegende Erfindung kann mit Ionenstrahlen verwendet werden, die eine begrenzte Divergenz in Bogenrichtung haben und die nur während einer begrenzten Zeit im Analysator bleiben, so dass sich die Bahnkurven nicht überlappen. Wenn die Folge der Ionen jedoch eine ausreichende Divergenz in Bogenrichtung hat und während einer ausreichenden Zeit im Analysator bleibt, damit ein Überlappen der Bahnkurven auftritt, adressiert die vorliegende Erfindung dieses Problem durch Herbeiführen einer bogenförmigen Fokussierung, d. h. einer Fokussierung der geladenen Teilchenpakete der gewünschten Ionen in Bogenrichtung, um ihre Divergenz in dieser Richtung zu beschränken. Der Begriff bogenförmig wird hier verwendet, um die Winkelrichtung um die z-Achse des Analysators in Längsrichtung zu bezeichnen. 1 zeigt die jeweiligen Richtungen der z-Achse des Analysators, der radialen Richtung r und der Bogenrichtung ∅, die demgemäß als zylindrische Koordinaten angesehen werden können.
Analysatoren mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang der z-Achse des Analysators lang gestreckt sind, sind in den anhängigen Patentanmeldungen PCT/EP2010/057340 und PCT/EP2010/057342 des Anmelders beschrieben, wobei ihr gesamter Inhalt hier durch Verweis aufgenommen sei.
Die bogenförmige Fokussierung beschränkt den Strahl, so dass die interessierenden Ionen in ihrer Verbreiterung um die z-Achse des Analysators ausreichend lokalisiert bleiben (d. h. in Bogenrichtung), damit sie erfolgreich ausgestoßen werden können. Mit einer solchen bogenförmigen Fokussierung kann das bevorzugte quadro-logarithmische Potential gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich mit großen Anzahlen von Mehrfachreflexionen verwendet werden, um einen TOF-Analysator hoher Massenauflösung für die m/z Auswahl zu erhalten, der optional einen unbegrenzten Massenbereich aufweist. Die bogenförmige Fokussierung kann auch in Orbitalanalysatoren verwendet werden, die andere Formen von Potentialverteilungen aufweisen.
Der Begriff bogenförmige Fokussierlinse (oder einfach bogenförmige Linse) wird hier verwendet, um eine Vorrichtung zu beschreiben, die ein Feld bereitstellt, das in Bogenrichtung auf die geladenen Teilchen einwirkt, wobei das Feld die Strahldivergenz in Bogenrichtung verringert. Der Begriff fokussieren soll in diesem Zusammenhang nicht implizieren, dass notwendigerweise irgendeine Form einer Strahlüberkreuzung gebildet wird, noch dass notwendigerweise eine Strahltaille gebildet wird. Die Linse kann in anderen Richtungen sowie in der Bogenrichtung auf die geladenen Teilchen einwirken. Vorzugsweise wirkt die Linse im Wesentlichen nur in Bogenrichtung auf die geladenen Teilchen ein. Das durch die bogenförmige Linse bereitgestellte Feld ist ein elektrisches Feld. Es ist daher ersichtlich, dass die bogenförmige Linse eine beliebige Vorrichtung sein kann, die eine Störung des Analysatorfelds erzeugt, das andernfalls bei Nichtvorhandensein der Linse existieren würde. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist der Analysator einen oder mehrere Sätze von Elektroden auf, die, wenn sie angeregt sind, dreidimensionale Störungen? des elektrischen Felds innerhalb des einen oder der beiden Ionenspiegel erzeugen, um die bogenförmige Fokussierung von Ionen zu induzieren, wenn sie durch das gestörte elektrische Feld laufen. Die Linse kann zu dem Analysator hinzugefügte zusätzliche Elektroden aufweisen, oder sie kann Änderungen an den Formen der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Linse lokal modifizierte innere felddefinierende Elektrodensysteme aus einem oder beiden der Spiegel, beispielsweise ein inneres felddefinierendes Elektrodensystem mit einem lokal modifizierten Oberflächenprofil, auf. Gemäß einigen Ausführungsformen besteht die Linse aus einer einzigen Elektrode angrenzend an die Hauptflugbahn. Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Linse ein Paar entgegengesetzter Elektroden auf beiden Seiten der Hauptflugbahn in unterschiedlichen Abständen von der z-Achse des Analysators auf. Das Paar entgegengesetzter Elektroden kann mit verschiedenen Formen aufgebaut und beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig sein. Gemäß einigen Ausführungsformen, die mehrere Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn aufweisen, können benachbarte Elektroden in eine aus einem Stück bestehende Linsenelektrodenanordnung aufgenommen sein, der eine andere aus einem Stück bestehende Linsenelektrodenanordnung gegenübersteht, die sich auf der anderen Seite des Strahls in einem anderen Abstand von der Analysatorachse befindet. Das heißt, dass ein Paar aus einem einzigen Stück bestehender Linsenelektrodenanordnungen verwendet werden kann, die geformt sind, um mehrere Linsen bereitzustellen. Auf diese Weise werden mehrere Linsen durch eine aus einem einzigen Stück bestehende Linsenelektrodenanordnung bereitgestellt, der eine andere aus einem einzigen Stück bestehende Linsenelektrodenanordnung in einem anderen Abstand von der Analysatorachse gegenübersteht, wobei die aus einem einzigen Stück bestehenden Linsenelektrodenanordnungen geformt sind, um mehrere bogenförmige Fokussierlinsen bereitzustellen. Die aus einem einzigen Stück bestehenden Linsenelektrodenanordnungen haben vorzugsweise Kanten mit mehreren glatten Bogenformen. Die aus einem einzigen Stück bestehenden Linsenelektrodenanordnungen erstrecken sich vorzugsweise zumindest teilweise, bevorzugter im Wesentlichen in Bogenrichtung um die z-Achse.
Die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen befinden sich im Analysatorvolumen. Das Analysatorvolumen ist das Volumen zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen der beiden Spiegel. Das Analysatorvolumen erstreckt sich nicht bis zu einem Volumen innerhalb der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme und auch nicht bis zu einem Volumen außerhalb der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme.
Die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen können sich irgendwo innerhalb des Analysators an oder in der Nähe der Hauptflugbahn befinden, so dass die eine oder die mehreren Linsen beim Betrieb auf die geladenen Teilchen einwirken, während sie vorbeifliegen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen befinden sich die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen in etwa am Mittelpunkt zwischen den beiden Spiegeln (d. h. am Mittelpunkt entlang der z-Achse des Analysators). Der Mittelpunkt zwischen den beiden Spiegeln entlang der z-Achse des Analysators, d. h. der Punkt minimaler absoluter Feldstärke in Richtung der z-Achse, wird hier als Äquator oder Äquatorposition des Analysators bezeichnet. Der Äquator ist dann auch der Ort der z=0-Ebene. Gemäß einer bevorzugteren Ausführungsform werden die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen angrenzend an einen oder beide der maximalen Wendepunkte der Spiegel (d. h. die Punkte maximaler Auslenkung entlang z) angeordnet. Gemäß anderen Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen gegenüber dem Mittelpunkt zwischen den beiden Spiegeln (d. h. dem Mittelpunkt entlang der z-Achse des Analysators) versetzt, befinden sich jedoch noch in der Nähe des Mittelpunkts, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird.
Die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen wirken auf die geladenen Teilchen, während sie sich entlang der Hauptflugbahn zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen bewegen.
Die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen können von den inneren und/oder äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen, von zusätzlichen Haltern oder von einer Kombination der beiden gehalten werden.
Die bogenförmige Fokussierung wird vorzugsweise auf dem Strahl in Intervallen entlang der Flugbahn ausgeführt. Die Intervalle können regelmäßig (d. h. periodisch) oder unregelmäßig sein.
Die bogenförmige Fokussierung ist bevorzugter eine periodische bogenförmige Fokussierung. Mit anderen Worten wird die bogenförmige Fokussierung bevorzugter in regelmäßigen Bogenpositionen entlang der Flugbahn ausgeführt.
Die bogenförmige Fokussierung wird vorzugsweise durch eine oder mehrere Linsen erreicht, die vorzugsweise innerhalb des Analysatorvolumens zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen angeordnet sind, d. h. welche die beispielsweise quadro-logarithmischen Potentiale erzeugen. Vorzugsweise befinden sich die eine oder die mehreren Linsen in der Nähe des Wendepunkts des Ionenstrahls in einem oder beiden Spiegeln. Wenn es mehr als eine Linse gibt, können sich die mehreren Linsen vollständig um die z-Achse des Analysators erstrecken oder sich teilweise um die Analysatorachse erstrecken. Gemäß Ausführungsformen, bei denen die Spiegel mit der Analysatorachse im Wesentlichen konzentrisch sind, sind die eine oder die mehreren Linsen vorzugsweise auch mit der Analysatorachse im Wesentlichen konzentrisch.
Die eine oder die mehreren Linsen können an oder in der Nähe der z=0-Ebene zentriert sein. Dies liegt daran, dass an dieser Ebene die axiale Kraft auf die Teilchen null ist, wenn die z-Komponente des elektrischen Felds null ist, und gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen stört das Vorhandensein von Linsen das parabolische Potential in z-Richtung anderswo im Analysator am wenigsten, wodurch die wenigsten Aberrationen für die zeitliche Fokussierung herbeigeführt werden.
Gemäß einer bevorzugteren Ausführungsform können sich die eine oder die mehreren Linsen in der Nähe eines oder beider Wendepunkte innerhalb des Analysators befinden. In diesem Fall bewegen sich die geladenen Teilchen mit der kleinsten kinetischen Energie auf der Flugbahn, während die z-Komponente des elektrischen Felds auf der Flugbahn den höchsten Wert annimmt, und es müssen niedrigere Fokussierungspotentiale an die bogenförmigen Linsen angelegt werden, um die gewünschte Beschränkung der Bogendivergenz zu erreichen. Ferner können sich die Linsen an dieser Stelle außerhalb der Strahleinhüllenden befinden, wodurch der Aufbau vereinfacht wird und eine mögliche Kollision von Ionen mit den bogenförmigen Linsen infolge der radialen Oszillation der Ionenbewegung verhindert wird.
Wenn es mehr als eine bogenförmige Fokussierlinse gibt, werden die bogenförmigen Fokussierlinsen vorzugsweise periodisch um die Analysatorachse, d. h. regelmäßig um die Analysatorachse in Bogenrichtung beabstandet angeordnet, d. h. als ein Array bogenförmiger Fokussierlinsen. Vorzugsweise werden die bogenförmigen Fokussierlinsen in dem Array im Wesentlichen an derselben z-Koordinate angeordnet. Das Array bogenförmiger Fokussierlinsen erstreckt sich vorzugsweise in Bogenrichtung um die z-Achse. Wie vorstehend beschrieben wurde, schreitet die Strahlposition in der Nähe des Äquators (oder in der Nähe der z=0-Ebene) nach einer gegebenen Anzahl von Reflexionen (beispielsweise nach einer oder zwei Reflexionen) von den Spiegeln (eine vollständige Oszillation entlang z umfasst zwei Reflexionen) vorzugsweise um einen Winkel oder eine Strecke in Bogenrichtung voran. In ähnlicher Weise schreitet die Strahlposition auch um die Analysatorachse um einen Winkel oder eine Strecke in Bogenrichtung am Wendepunkt der Ionen innerhalb jedes Spiegels (d. h. am Maximum z) voran. Die bogenförmigen Fokussierlinsen sind vorzugsweise periodisch um die Achse des Analysators angeordnet und in Bogenrichtung in einem Abstand angeordnet, der im Wesentlichen gleich dem Abstand in Bogenrichtung ist, um den sich der Strahl nach einer gegebenen Anzahl von Reflexionen von den parabolischen Spiegeln vorbewegt.
Gemäß einigen Ausführungsformen bilden die mehreren bogenförmigen Fokussierlinsen ein Array bogenförmiger Fokussierlinsen, die sich im Wesentlichen an der gleichen z-Koordinate befinden, die vorzugsweise an oder in der Nähe von z = 0 liegt, jedoch bevorzugter gegenüber z = 0 versetzt ist (jedoch in der Nähe davon liegt). Die versetzte z-Koordinate liegt vorzugsweise dort, wo die Hauptflugbahn sich während einer Oszillation kreuzt, wobei diese versetzte z-Koordinate in der Nähe der z=0-Ebene liegt. Die letztgenannte Anordnung hat den Vorteil, dass jede bogenförmige Fokussierlinse verwendet werden kann, um den Strahl zweimal zu fokussieren, d. h. nach einer Reflexion von einem Spiegel und dann nach der nächsten Reflexion von dem anderen Spiegel, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird. Eine zweimalige Verwendung jeder Linse kann daher unter Verwendung identischer Spiegel erreicht werden, indem der Ort der bogenförmigen Fokussierlinsen gegenüber der z=0-Ebene zur z-Koordinate versetzt wird, wo die Hauptflugbahn sich während einer Oszillation kreuzt. Die Linsen sind demgemäß vorzugsweise in Bogenrichtung in dem Abstand angeordnet, um den sich der Strahl nach jeder Oszillation entlang z an der z-Koordinate, an der die Linsen angeordnet sind, in Bogenrichtung vorbewegt.
Anders als bei anderen Mehrfachreflexions- oder Mehrfachablenkungs-TOF gibt es im Wesentlichen keinen feldfreien Driftraum (am bevorzugtesten gar keinen feldfreien Driftraum), weil die bogenförmigen Linsen in das von den entgegengesetzten Spiegeln erzeugte Analysatorfeld integriert sind und sich das elektrische Feld des Analysators an keinem Punkt null nähert. Selbst dort, wo es kein axiales Feld gibt, ist ein Feld in radialer Richtung vorhanden. Zusätzlich drehen sich die geladenen Teilchen an oder um eines oder mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme bei jeder Reflexion um einen Winkel um die Analysatorachse der typischerweise viel höher (bis zu einige zehn Mal höher) ist als die Periodizität der bogenförmigen Linsen. Beim Analysator gemäß der Erfindung ist über den größten Teil der axialen Länge (vorzugsweise zwei Drittel oder mehr) des Analysators ein im Wesentlichen axiales Feld (d. h. das Feld in z-Richtung) vorhanden. Bevorzugter ist ein im Wesentlichen axiales Feld über 80% oder mehr, noch bevorzugter über 90% oder mehr der axialen Länge des Analysators vorhanden. Der Begriff im Wesentlichen axiales Feld bedeutet hier mehr als 1%, vorzugsweise mehr als 5% und bevorzugter mehr als 10% der Stärke des axialen Felds am maximalen Wendepunkt im Analysator.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann durch die Verwendung des durch Gleichung (1) beschriebenen quadro-logarithmischen Potentials an der z=0-Ebene das Potential in radialer Richtung (r) durch das Potential zwischen einem Paar konzentrischer Zylinder angenähert werden. Aus diesem Grund werden gemäß einem Typ einer bevorzugten Ausführungsform eine oder mehrere Gürtelelektrodenanordnungen verwendet, beispielsweise um die eine oder die mehreren bogenförmigen Fokussierlinsen zu halten oder dabei zu helfen, die Hauptflugbahn von an andere elektronische Komponenten (beispielsweise bogenförmige Linsenelektroden, Beschleuniger, Ablenker, Detektoren usw.), die sich innerhalb des Analysatorvolumens zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen befinden können, angelegten Spannungen abzuschirmen, oder für andere Zwecke. Eine Gürtelelektrodenanordnung ist hier vorzugsweise eine gürtelförmige Elektrodenanordnung oder eine scheibenförmige Elektrodenanordnung mit einer sich im Analysatorvolumen befindenden axialen Öffnung, wenngleich sie sich nicht ganz um die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme des einen oder der mehreren Spiegel zu erstrecken braucht, d. h. sie braucht sich nicht ganz um die z-Achse zu erstrecken. Demgemäß erstreckt sich eine Gürtelelektrodenanordnung zumindest teilweise um die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme des einen oder der mehreren Spiegel, d. h. zumindest teilweise um die z-Achse, bevorzugter im Wesentlichen um die z-Achse. Die Gürtelelektrodenanordnung erstreckt sich vorzugsweise in Bogenrichtung um die z-Achse. Die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen können mit der Analysatorachse konzentrisch sein. Die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen können mit den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen eines oder beider Spiegel konzentrisch sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen sowohl mit der z-Achse des Analysators als auch mit den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen beider Spiegel konzentrisch. Gemäß einigen Ausführungsformen weisen die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen ringförmige Gürtel auf, die sich zwischen den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen von einem oder beiden Spiegeln an oder in der Nähe der z=0-Ebene befinden. Gemäß anderen bevorzugteren Ausführungsformen kann eine Gürtelelektrodenanordnung die Form eines Rings annehmen, der sich in der Nähe des maximalen Wendepunkts des geladenen Teilchenstrahls innerhalb eines der Spiegel befindet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann es nicht notwendig sein, dass sich die Gürtelelektrodenanordnungen vollständig um die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme des einen oder der beiden Spiegel erstrecken, beispielsweise wenn es eine kleine Anzahl bogenförmiger Fokussierlinsen, beispielsweise eine oder zwei bogenförmige Fokussierlinsen, gibt. Bei der Verwendung funktionieren die Gürtelelektrodenanordnungen als Elektroden zum Annähern des Analysatorfelds (beispielsweise eines quadro-logarithmischen Felds), vorzugsweise in der Nähe der z=0-Ebene, und es ist ein geeignetes Potential an sie angelegt. Das Vorhandensein von Gürtelelektrodenanordnungen kann das elektrische Feld in der Nähe der z=0-Ebene verzerren. Die Verwendung von Gürtelelektrodenanordnungen mit Profilen, welche den Äquipotentialfeldlinien innerhalb des Analysators folgen (beispielsweise quadro-logarithmische Formen in Analysatoren mit quadro-logarithmischen Potentialverteilungen), würde diese Feldverzerrung in der Nähe der z=0-Ebene beseitigen. Das Vorhandensein irgendwelcher angeregter Linsen oder Ablenkelektroden, die sich an den Gürtelelektrodenanordnungen befinden, würde jedoch auch das elektrische Feld entlang z im Bereich der Gürtelelektrodenanordnungen bis zu einem gewissen Grad verzerren.
Die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen können von den inneren und/oder äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen gehalten und davon beabstandet sein, beispielsweise durch elektrisch isolierende Halter (d. h. so dass die Gürtelelektrodenanordnungen von den inneren und/oder äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen elektrisch isoliert sind). Die elektrisch isolierenden Halter können zusätzliche leitende Elemente aufweisen, die geeignet elektrisch vorgespannt sind, um das Potential im Bereich um sie anzunähern. Das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines oder beider Spiegel kann an und/oder in der Nähe der z=0-Ebene tailliert sein, um die äußere Gürtelelektrodenanordnung zu halten.
Die Gürtelelektrodenanordnungen sind von den bogenförmigen Fokussierlinsen, die sie halten können, elektrisch isoliert. Vorzugsweise erstrecken sich die Gürtelelektrodenanordnungen über die Ränder der bogenförmigen Fokussierlinsen in z-Richtung hinaus, um den Rest des Analysators von den an die Linsen angelegten Potentialen abzuschirmen.
Die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen können eine beliebige geeignete Form haben, wobei die Gürtel beispielsweise in Form von Zylindern, vorzugsweise konzentrischen Zylindern, vorliegen können. Vorzugsweise liegen die Gürtelelektrodenanordnungen in Form konzentrischer Zylinderelektroden vor. Bevorzugter können die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen in Form von Abschnitten mit einer Form vorliegen, die im Wesentlichen den Äquipotentialen des Analysatorfelds an der Stelle, wo sich die Gürtelelektrodenanordnungen befinden, folgt oder sich diesen annähert. Bei einem bevorzugteren Beispiel können die Gürtelelektrodenanordnungen in Form quadro-logarithmischer Abschnitte vorliegen, d. h. ihre Form kann den Äquipotentialen des quadro-logarithmischen Felds (d. h. des unverzerrten quadro-logarithmischen Felds) an dem Ort, an dem sich die Gürtelelektrodenanordnungen befinden, folgen oder sich diesen annähern. Die Gürtelelektrodenanordnungen können in Längsrichtung (z-Richtung) eine beliebige Länge aufweisen, sie weisen jedoch vorzugsweise, wenn sich die Gürtelelektrodenanordnungen dem quadro-logarithmischen Potential in dem Bereich, in dem sie angeordnet sind, nur nähern, beispielsweise wenn sie eine zylindrische Form aufweisen, weniger als 1/3 der Länge des Abstands zwischen den Wendepunkten der Hauptflugbahn an den zwei entgegengesetzten Spiegeln auf. Wenn die Gürtelelektrodenanordnungen zylinderförmig sind, weisen sie bevorzugter weniger als 1/6 der Länge des Abstands zwischen den Wendepunkten der Hauptflugbahn an den beiden entgegengesetzten Spiegeln in Längsrichtung (z-Richtung) auf.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann nur eine Gürtelelektrodenanordnung verwendet werden, beispielsweise wenn eine Untermenge (d. h. auf einer Seite der Hauptflugbahn) bogenförmiger Linsen von einer Gürtelelektrodenanordnung gehalten werden kann und die andere Untermenge der Linsen auch von dem inneren oder äußeren felddefinierenden Elektrodensystem gehalten wird. Gemäß anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Gürtelelektrodenanordnungen verwendet werden, beispielsweise wenn die bogenförmigen Linsen durch zwei Gürtelelektrodenanordnungen gehalten werden müssen. Im Fall der Verwendung von zwei oder mehr Gürtelelektrodenanordnungen können die Gürtelelektrodenanordnungen mindestens eine innere Gürtelelektrodenanordnung und eine äußere Gürtelelektrodenanordnung aufweisen, wobei die innere Gürtelelektrodenanordnung am nächsten zum inneren felddefinierenden Elektrodensystem liegt und die äußere Gürtelelektrodenanordnung einen größeren Durchmesser als die innere Gürtelelektrodenanordnung aufweist und außerhalb der inneren Gürtelelektrodenanordnung liegt. Mindestens eine Gürtelelektrodenanordnung (die äußere Gürtelelektrodenanordnung) kann sich außerhalb (d. h. in einem größeren Abstand von der Analysatorachse) der Flugbahn des Strahls befinden, und/oder mindestens eine Gürtelelektrodenanordnung (die innere Gürtelelektrodenanordnung) kann sich innerhalb (d. h. in einem kleineren Abstand von der Analysatorachse) der Flugbahn des Strahls befinden. Vorzugsweise gibt es mindestens zwei Gürtelelektrodenanordnungen, die vorzugsweise innerhalb des Analysators zwischen den äußeren und inneren felddefinierenden Elektrodensystemen angeordnet sind, wobei sich eine Gürtelelektrodenanordnung auf beiden Seiten der Flugbahn befindet (d. h. bei verschiedenen Radien). Gemäß einigen Ausführungsformen haben die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme in der Ebene z = konstant keinen kreisförmigen Querschnitt. In diesen Fällen haben die eine oder die mehreren Gürtelelektrodenanordnungen vorzugsweise auch keinen kreisförmigen Querschnitt in der Ebene z = konstant, sondern sie haben eine Querschnittsform, die jenen der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme entspricht.
Die Gürtelelektrodenanordnungen können beispielsweise aus einem leitenden Material bestehen oder eine gedruckte Leiterplatte mit sich darauf befindenden Leiterbahnen aufweisen. Es können auch andere Entwürfe vorgesehen sein. Beliebige isolierende Materialien, wie Materialien für gedruckte Leiterplatten, die beim Aufbau des Analysators verwendet werden, können mit einer antistatischen Beschichtung überzogen werden, um einem Ladungsaufbau entgegenzuwirken.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen können die eine oder die mehreren bogenförmigen Fokussierlinsen durch die Oberfläche einer oder vorzugsweise beider von den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen gehalten werden, d. h. ohne dass Gürtelelektrodenanordnungen erforderlich wären. In diesen Fällen sind die bogenförmigen Fokussierlinsen natürlich von den felddefinierenden Elektrodensystemen isoliert. In diesen Fällen können die Flächen der bogenförmigen Fokussierlinsen, die dem Strahl gegenüberstehen, mit der Fläche des felddefinierenden Elektrodensystems, wodurch sie gehalten werden, abschließen.
Es ist bevorzugt, dass jedes Mal dann, wenn der Strahl die z=0-Ebene kreuzt, er durch eine bogenförmige Fokussierlinse läuft, um eine optimale Verringerung der Strahlverbreiterung in Bogenrichtung zu erreichen, wobei sich die bogenförmige Fokussierlinse vorzugsweise entweder an oder in der Nähe der Stelle befindet, wo der Strahl z = 0 kreuzt (d. h. die bogenförmige Fokussierlinse kann wie gemäß einigen bevorzugten hier beschriebenen Ausführungsformen etwas gegenüber der z=0-Ebene versetzt sein). Dies bedeutet daher nicht, dass der Strahl tatsächlich jedes Mal dann notwendigerweise durch eine bogenförmige Linse in der z=0-Ebene läuft, wenn der Strahl durch die z=0-Ebene läuft, sondern die Linse kann stattdessen gegenüber z = 0 versetzt sein, sie wird jedoch bei jedem Durchgang durch z = 0 durchlaufen. In diesem Zusammenhang kann jedes Mal dann, wenn der Strahl die z=0-Ebene kreuzt, das erste Mal ausschließen, bei dem er die z=0-Ebene kreuzt (d. h. in der Nähe eines Injektionspunkts), und das letzte Mal ausschließen, wenn er die z=0-Ebene kreuzt (d. h. in der Nähe eines Ausstoßungspunkts oder Detektionspunkts). Es ist jedoch möglich, dass der Strahl nicht jedes Mal dann, wenn er die z=0-Ebene kreuzt, durch eine bogenförmige Fokussierlinse hindurchläuft und stattdessen weniger häufig durch eine bogenförmige Fokussierlinse hindurchläuft, wenn er die z=0-Ebene kreuzt (beispielsweise jedes zweite Mal, wenn er die z=0-Ebene kreuzt). Dementsprechend ist eine beliebige Anzahl bogenförmiger Fokussierlinsen vorgesehen.
Ein geeigneter Linsentyp, der für das Fokussieren in Bogenrichtung geeignet ist, kann für die bogenförmige Fokussierlinse bzw. die bogenförmigen Fokussierlinsen verwendet werden. Nachstehend werden verschiedene Typen bogenförmiger Fokussierlinsen beschrieben.
Eine bevorzugte Ausführungsform bogenförmiger Fokussierlinsen umfasst ein Paar entgegengesetzter Linsenelektroden (vorzugsweise kreisförmige oder glatt bogenförmige Linsenelektroden, d. h. solche, die glatte bogenförmige Ränder aufweisen). Die entgegengesetzten Linsenelektroden können im Wesentlichen die gleiche Größe oder unterschiedliche Größen aufweisen, wobei die Größen beispielsweise entsprechend dem Abstand von der Analysatorachse, an dem sich jede Linsenelektrode befindet, skaliert sind. An die entgegengesetzten Linsenelektroden sind Potentiale angelegt, die sich von den Potentialen unterscheiden, die sich andernfalls in der Nähe der Linsenelektroden befinden würden (d. h. falls sich die Linsenelektroden nicht dort befinden würden). Gemäß bevorzugten Ausführungsformen sind an die entgegengesetzten Linsenelektroden unterschiedliche Potentiale angelegt, und der Strahl geladener Teilchen läuft zwischen dem Paar entgegengesetzter Linsenelektroden durch, die, wenn sie vorgespannt sind, den Strahl in Bogenrichtung quer zum Strahl fokussieren, wobei die Linsenelektroden einander in radialer Richtung zum Strahl entgegengesetzt sind. Wenn die Linsen in Gürtelelektrodenanordnungen gehalten werden, wie vorstehend beschrieben wurde, folgen die entgegengesetzten Linsenelektroden vorzugsweise der Kontur der Gürtelelektrodenanordnung, in der sie gehalten sind.
Die bogenförmige Fokussierung kann auf verschiedene Typen von Analysatoren mit entgegengesetzten Spiegeln angewendet werden, wobei eine orbitale Teilchenbewegung um eine Analysatorachse verwendet wird, wobei dies nicht auf entgegengesetzte lineare elektrische Felder beschränkt ist, die in Richtung der Analysatorachse orientiert sind. Vorzugsweise erfolgt die bogenförmige Fokussierung in einem Analysator, der entgegengesetzte lineare elektrische Felder aufweist, die in Richtung der Analysatorachse orientiert sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die bogenförmige Fokussierung in einem Analysator verwendet, bei dem ein quadro-logarithmisches Potential verwendet wird.
Die beiden entgegengesetzten Spiegel definieren bei der Verwendung eine Hauptflugbahn, welche die geladenen Teilchen nehmen sollen. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen ist eine bevorzugte Bewegung des Strahls entlang seiner Flugbahn innerhalb des Analysators eine exzentrische helikale Bewegung um das innere felddefinierende Elektrodensystem. In diesen Fällen fliegt der Strahl entlang der Hauptflugbahn in Richtung der Längsachse in einem exzentrischen helikalen Weg, der sich um die Längsachse (d. h. in Bogenrichtung) in der z=0-Ebene bewegt, durch den Analysator hin und her. In allen Fällen ist die Hauptflugbahn eine stabile Bahnkurve, welcher die geladenen Teilchen folgen, wenn sie vorherrschend unter dem Einfluss des Hauptanalysatorfelds stehen. In diesem Zusammenhang bezeichnet eine stabile Bahnkurve eine Bahnkurve, der die Teilchen zwischen einem Eintrittsport und einem Austrittsport folgen, wenn sie nicht unterbrochen werden (beispielsweise durch Ablenkung), wobei angenommen wird, dass kein Strahlverlust durch Energiedissipation infolge von Kollisionen oder Defokussierung auftritt. Vorzugsweise ist eine stabile Bahnkurve eine Bahnkurve, der der Ionenstrahl derart folgt, dass kleine Abweichungen anfänglicher Parameter von Ionen zu einer Strahlverbreiterung führen, welche in Bezug auf die Analysatorgröße über die gesamte Länge der Bahnkurve klein bleibt. Dagegen bezeichnet eine instabile Bahnkurve eine Bahnkurve, der die Teilchen zwischen dem Eintrittsport und dem Austrittsport nicht folgen, wenn sie nicht unterbrochen werden, wobei angenommen wird, dass kein Verlust des Strahls durch Energiedissipation infolge von Kollisionen oder Defokussierung auftritt. Die Hauptflugbahn umfasst dementsprechend keine Flugbahn mit einem schnell abnehmenden oder zunehmenden Radius. Die Hauptflugbahn umfasst allerdings eine Bahn, deren Radius oszilliert, beispielsweise, wenn entlang der Analysatorachse betrachtet wird, eine elliptische Bahnkurve, nachdem mehrere Oszillationen ausgeführt wurden. Das Hauptanalysatorfeld wird erzeugt, wenn die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme jedes Spiegels mit einem ersten Satz von einer oder mehreren Analysatorspannungen versehen werden. Der Begriff erster Satz von einer oder mehreren Analysatorspannungen bedeutet hier nicht, dass der Spannungssatz zeitlich der erste ist, der anzulegen ist (er kann der erste sein, oder dies kann nicht der Fall sein), sondern er bezeichnet vielmehr jenen Spannungssatz, der an die inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme angelegt wird, um zu bewirken, dass die geladenen Teilchen der Hauptflugbahn folgen. Die Hauptflugbahn ist die Bahn, auf der die Teilchen die meiste Zeit Während ihres Flugs durch den Analysator verbringen. Die Hauptflugbahn hat einen durchschnittlichen radialen Abstand von der Analysatorachse, d. h. einen durchschnittlichen Radius.
Der Ionenstrahl kann sich zu einem Zeitraum auf der Hauptflugbahn bewegen und dazu veranlasst werden, sich während eines anderen Zeitraums auf einer zweiten Hauptflugbahn zu bewegen, wobei die zweite Hauptflugbahn einen anderen durchschnittlichen Radius aufweist als die Hauptflugbahn. Der Ionenstrahl kann später dazu veranlasst werden, sich zur Hauptflugbahn zurück zu bewegen, oder dazu veranlasst werden, sich auf eine dritte Hauptflugbahn oder eine Anzahl weiterer Hauptflugbahnen zu bewegen, die voneinander verschiedene Radien aufweisen, oder er kann den Analysator durch den Austrittsport verlassen. Um den Ionenstrahl dazu zu veranlassen, sich von einer Hauptflugbahn zu einer anderen zu bewegen, können an einer Hauptflugbahn angrenzende Elektroden verwendet werden, die, wenn sie angeregt sind, den Ionenstrahl von einer Hauptflugbahn zu einer anderen ablenken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Analysator mehrere Elektrodensätze auf, die, wenn sie angeregt sind, dreidimensionale Störungen an dem elektrischen Feld innerhalb eines oder beider Ionenspiegel erzeugen, so dass eine bogenförmige Fokussierung von Ionen herbeigeführt wird, wenn sie sich durch das gestörte elektrische Feld bewegen, und es werden an einige der Elektrodensätze elektrische Potentiale angelegt, so dass Ionen, die sich in der Nähe der einigen der Elektrodensätze bewegen, zu einer zweiten Hauptflugbahn gelenkt werden, die einen anderen durchschnittlichen Radius als die Hauptflugbahn hat. Auf diese Weise können ein oder mehrere der Elektrodensätze als eine bogenförmige Linse dienen, wenn sie geeignet angeregt werden, oder als ein Strahlablenker, wenn sie auf andere Weise angeregt werden.
Alle Hauptflugbahnen sind vorzugsweise auch innerhalb des Analysators stabile Bahnen.
In dem Fall, in dem die zweite Hauptflugbahn stabil ist, kann der Strahl den Analysator noch einmal auf der zweiten Hauptflugbahn durchqueren, wodurch die Gesamtflugbahn erheblich vergrößert wird und gemäß einigen Ausführungsformen zumindest eine Verdopplung der Flugbahnlänge durch den Analysator ermöglicht wird, wodurch die Auflösung der TOF-Trennung erhöht wird. Eine oder mehrere Elektrodensätze werden vorzugsweise auch angrenzend an die zweite Hauptflugbahn bereitgestellt, um die Bogendivergenz der interessierenden Ionen auf der zweiten Hauptflugbahn zu beschränken. Eine oder mehrere zusätzliche Gürtelelektrodenanordnungen oder andere Mittel können bereitgestellt werden, beispielsweise um zusätzliche bogenförmige Linsen für das Fokussieren des Strahls auf der zweiten Hauptflugbahn zu halten. Die zusätzlichen Gürtelelektrodenanordnungen können Gürtelelektrodenanordnungen halten oder durch Gürtelelektrodenanordnungen gehalten werden, die für die erste Hauptflugbahn vorhanden sind, beispielsweise durch eine mechanische Struktur. Optional können diese zusätzlichen Gürtelelektrodenanordnungen mit felddefinierenden Elementen versehen sein, welche sie vor einer Verzerrung des Felds an anderen Punkten im Analysator schützen. Diese Elemente könnten sein: resistive Beschichtungen, gedruckte Leiterplatten mit Widerstandsteilern und andere auf dem Fachgebiet bekannte Mittel. Optional kann das gleiche Prinzip, zusätzlich zur zweiten Hauptflugbahn, angewendet werden, um dritte oder höhere Hauptflugbahnen bereitzustellen, falls dies erwünscht ist, beispielsweise durch Ausstoßen zur dritten Hauptflugbahn von der zweiten Hauptflugbahn usw. Jede solche Hauptflugbahn weist vorzugsweise einen oder mehrere Elektrodensätze angrenzend an jede solche Hauptflugbahn auf, um die Bogendivergenz der interessierenden Ionen zu beschränken. Optional kann der Strahl nach dem Durchlaufen der zweiten (oder höheren) Hauptflugbahn auf die erste (oder eine andere) Hauptflugbahn zurück ausgestoßen werden, um beispielsweise eine TOF mit einer geschlossenen Bahn zu beginnen.
Der geladene Teilchenstrahl kann durch eine Öffnung in einem oder beiden der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel oder durch eine Öffnung in einem oder beiden der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel in das Analysatorvolumen eintreten. Der Injektor befindet sich vorzugsweise im Wesentlichen außerhalb des Analysatorvolumens. Der Injektor kann sich dementsprechend außerhalb der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel oder innerhalb der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel befinden.
Zusammen mit der vorliegenden Erfindung können verschiedene Typen von Injektoren verwendet werden, einschließlich solcher mit einer gepulsten Laserdesorption, mit gepulsten Multipol-HF-Fallen unter Verwendung entweder einer axialen oder einer orthogonalen Ausstoßung, gepulster Paul-Fallen, elektrostatischer Fallen und einer orthogonalen Beschleunigung, jedoch ohne Einschränkung auf diese. Vorzugsweise weist der Injektor eine gepulste Quelle geladener Teilchen, typischerweise eine gepulste Ionenquelle, beispielsweise eine gepulste Ionenquelle in der Art der vorstehend erwähnten, auf. Vorzugsweise ist die gepulste Quelle geladener Teilchen eine externe Speichervorrichtung, die sich stromaufwärts des Eintrittsports des Analysators befindet, und sie weist eine HF- oder elektrostatische Falle auf, wobei die Falle entweder mit Gas gefüllt oder nicht mit Gas gefüllt ist, wobei die externe Speichervorrichtung verwendet wird, um Ionen durch den Eintrittsport in den Analysator zu injizieren. Vorzugsweise stellt der Injektor ein Ionenpaket mit einer Breite von weniger als 5 bis 20 ns bereit. Bevorzugter ist der Injektor eine gekrümmte Falle in der Art einer C-Falle, wie beispielsweise in WO 2008/081334 beschrieben ist. Es befindet sich vorzugsweise ein Flugzeitfokus an der Detektoroberfläche oder einer anderen gewünschten Oberfläche. Um zu unterstützen, dass dies erreicht wird, hat der Injektor vorzugsweise einen zeitlichen Fokus am Austritt des Injektors. Bevorzugter hat der Injektor einen zeitlichen Fokus am Anfang der Hauptflugbahn des Analysators. Dies könnte beispielsweise durch die Verwendung zusätzlicher Zeitfokussieroptiken in der Art von Spiegeln oder elektrischen Sektoren erreicht werden. Vorzugsweise wird die Spannung einer oder mehrerer Gürtelelektrodenanordnungen verwendet, um die Position des zeitlichen Fokus fein einzustellen. Vorzugsweise wird eine Spannung an Gürteln verwendet, um die Position des zeitlichen Fokus fein einzustellen.
Die durch den Austrittsport hindurchtretenden geladenen Teilchen können in einen Empfänger eintreten. Hier ist ein Empfänger eine beliebige Vorrichtung für geladene Teilchen, welche einen gesamten Detektor oder eine gesamte Vorrichtung oder einen Teil davon zur Weiterverarbeitung der geladenen Teilchen bildet. Dementsprechend kann der Empfänger beispielsweise einen Nachbeschleuniger, eine Umwandlungsdynode, einen Detektor in der Art eines Elektronenvervielfachers, eine Kollisionszelle, eine Ionenfalle, ein Massenfilter, einen Massenanalysator eines beliebigen bekannten Typs, einschließlich eines TOF- oder EST-Massenanalysators, einen Ionenleiter, eine Multipolvorrichtung oder einen Speicher für geladene Teilchen umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Analysator einen Austrittsport auf und befindet sich ein Detektor stromabwärts des Austrittsports. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist der Analysator einen Austrittsport auf, und es befindet sich stromabwärts des Austrittsports ein Ionengatter zum Auswählen von Ionen eines oder mehrerer schmaler m/z-Bereiche aus der getrennten Folge von Ionen. Ionengatter sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt und umfassen einfache Ablenker und Bradbury-Nielsen-Gatter. Vorzugsweise befinden sich stromabwärts des Ionengatters ein Fragmentator zum Fragmentieren der vom Ionengatter ausgewählten Ionen und vorzugsweise weiter ein Massenanalysator stromabwärts des Fragmentators zum Massenanalysieren der fragmentierten Ionen. Der Fragmentator kann zum Implementieren von CID, HCD, ETD, ECD oder SID verwendet werden. Der Massenanalysator kann einen beliebigen Typ eines Massenanalysators einschließen, der für das Empfangen von Ionen von einem Fragmentator geeignet ist.
Der Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einer Ionenerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Ionen, optional über eine oder mehrere ionenoptische Komponenten zum Übertragen der Ionen von der Ionenerzeugungseinrichtung zum Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung gekoppelt sein. Typische ionenoptische Komponenten zum Übertragen der Ionen umfassen eine Linse, einen Ionenleiter, ein Massenfilter, eine Ionenfalle, einen Massenanalysator eines beliebigen bekannten Typs und andere ähnliche Komponenten. Die Ionenerzeugungseinrichtung kann eine bekannte Einrichtung, wie EI, CI, ESI, MALDI usw., einschließen. Die ionenoptischen Komponenten können Ionenleiter usw. einschließen. Der Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Massenspektrometer, das ihn aufweist, kann als ein alleinstehendes Instrument zum Massenanalysieren geladener Teilchen oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Massenanalysatoren, beispielsweise in einem Tandem-MS- oder MSⁿ-Spektrometer verwendet werden. Der Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit anderen Komponenten von Massenspektrometern, wie Kollisionszellen, Massenfiltern, Ionenbeweglichkeits- oder differenziellen Ionenbeweglichkeitsspektrometern, Massenanalysatoren einer beliebigen Art usw. gekoppelt werden. Beispielsweise können Ionen von einer Ionenerzeugungseinrichtung massengefiltert werden (beispielsweise durch ein Quadrupolmassenfilter), durch einen Ionenleiter (beispielsweise einen Multipolleiter in der Art eines Flatapols) geleitet werden, in einer Ionenfalle gespeichert werden (beispielsweise einer gekrümmten linearen Falle oder C-Falle), wobei diese Speicherung optional nach einer Verarbeitung in einer Kollisions- oder Reaktionszelle stattfinden kann, und schließlich aus der Ionenfalle in den Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung injiziert werden. Es sei bemerkt, dass viele verschiedene Konfigurationen von Komponenten mit dem erfindungsgemäßen Analysator kombiniert werden können. Die vorliegende Erfindung kann für sich oder mit anderen Massenanalysatoren mit einem oder mehreren anderen analytischen oder trennenden Instrumenten, beispielsweise einem Flüssig- oder Gaschromatographen (LC oder GC) oder einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer, gekoppelt werden.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Koordinatensystem, das zum Beschreiben von Merkmalen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodenstrukturen der beiden entgegengesetzten Spiegel für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematische Ansichten eines bogenförmigen Linsensystems innerhalb eines Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Instrumentenanordnung mit dem Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Um die Erfindung vollständiger verstehen zu können, werden nun verschiedene Ausführungsformen der Erfindung nur als Beispiel und mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet die durch Gleichung (1) beschriebene quadro-logarithmische Potentialverteilung als das Hauptanalysatorfeld. 2 ist eine schematische seitliche Schnittansicht der Elektrodenstrukturen für eine solche bevorzugte Ausführungsform. Der Analysator 10 weist ein inneres bzw. ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem 20, 30 aus zwei entgegengesetzten Spiegeln 40, 50 auf. Das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem gemäß dieser Ausführungsform sind aus goldbeschichtetem Glas aufgebaut. Allerdings können verschiedene Materialien zur Bildung dieser Elektrodensysteme verwendet werden, wie beispielsweise Invar, mit Metall beschichtetes Glas (Zerodur, Borosilikat usw.), Molybdän, Edelstahl und dergleichen. Das innere felddefinierende Elektrodensystem 20 weist eine spindelartige Form auf, und das äußere felddefinierende Elektrodensystem 30 weist eine tonnenartige Form auf und umgibt das innere felddefinierende Elektrodensystem 20 ringförmig. Das innere felddefinierende Elektrodensystem 20 und das äußere felddefinierende Elektrodensystem 30 beider Spiegel sind in diesem Beispiel einteilige Elektroden, wobei das Paar innerer Elektroden 20 für die beiden Spiegel aneinander angrenzen und elektrisch mit der z=0-Ebene verbunden sind und das Paar äußerer Elektroden 30 für die beiden Spiegel auch aneinander angrenzen und elektrisch mit der z=0-Ebene 90 verbunden sind. In diesem Beispiel sind die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme 20 beider Spiegel aus einer einzigen Elektrode gebildet, die hier auch mit der Bezugszahl 20 bezeichnet wird, und die äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme 30 beider Spiegel aus einer einzigen Elektrode gebildet, die hier auch mit der Bezugszahl 30 bezeichnet wird. Das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem 20, 30 beider Spiegel sind so geformt, dass, wenn ein Satz von Potentialen an die Elektrodensysteme angelegt wird, innerhalb des Analysatorvolumens, das sich zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem befindet, d. h. innerhalb des Bereichs 60, eine quadro-logarithmische Potentialverteilung gebildet wird. Die gebildete quadro-logarithmische Potentialverteilung führt dazu, dass jeder der Spiegel 40, 50 entlang z ein im Wesentlichen lineares elektrisches Feld aufweist, wobei die Felder der Spiegel einander entlang z gegenüberstehen. Die Formen der Elektrodensysteme 20 und 30 werden unter Verwendung von Gleichung (1) mit dem Wissen berechnet, dass die Elektrodenoberflächen selbst Äquipotentiale der quadro-logarithmischen Form bilden. Es werden Werte für die Konstanten k, C und R_m gewählt, und die Gleichung wird für eine der Variablen r oder z als Funktion der anderen Variable z oder r gelöst. Ein Wert für eine der Variablen r oder z wird an einem gegebenen Wert der anderen Variable z oder r für jede der inneren und äußeren Elektroden gewählt, und die gelöste Gleichung wird verwendet, um die Abmessungen der inneren und äußeren Elektroden 20 und 30 bei anderen Werten von r und z zu erzeugen, wodurch die Formen des inneren und des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems definiert werden.
Zur Veranschaulichung hat der Analysator bei einem in 2 schematisch dargestellten Beispiel eines Analysators die folgenden Parameter: Die z-Länge (d. h. die Länge in z-Richtung) der Elektroden 20, 30 beträgt 380 mm, d. h. +/–190 mm um die z=0-Ebene. Der maximale Radius der Innenfläche der äußeren Elektrode 30 liegt bei z = 0 und beträgt 140,0 mm. Der maximale Radius der Außenfläche der inneren Elektrode 20 liegt auch bei z = 0 und beträgt 97,0 mm. Die äußere Elektrode 30 hat ein Potential von 0 V, und die innere Elektrode 20 hat ein Potential von –2060,7 V, um das elektrische Feld des Hauptanalysators im Analysatorvolumen zu erzeugen, unter dessen Einfluss die geladenen Teilchen durch das Analysatorvolumen fliegen, wie hier beschrieben wird. Die hier angegebenen Spannungen sind für den Fall der Analyse positiver Ionen vorgesehen. Es sei bemerkt, dass die entgegengesetzten Spannungen im Fall der Analyse negativer Ionen erforderlich sind. Die Werte der Konstanten von Gleichung (1) sind k = 1,54·10⁵ V/m², R_m = 296,3 mm, C = 0,0. Ionen treten in den Analysator ein und beginnen bei der Hauptflugbahn bei einem Radius von 100 mm und z = –157,3 mm.
Das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem 20, 30 beider Spiegel sind in dem in 2 dargestellten Beispiel konzentrisch und auch mit der Analysatorachse z 100 konzentrisch. Die beiden Spiegel 40, 50 bilden zwei Hälften des Analysators 10. Eine radiale Achse ist an der z=0-Ebene 90 dargestellt. Der Analysator ist um die z=0-Ebene symmetrisch. Damit ein TOF-Analysator dieser Größe ein hohes Massenauflösungsvermögen wie 50000 erreichen kann, sollte die Ausrichtung der Spiegelachsen zueinander innerhalb eines Versatzes von wenigen hundert Mikrometern und innerhalb eines Winkels zwischen 0,1–0,2 Grad liegen. Bei diesem Beispiel liegt die Formgenauigkeit der Elektroden innerhalb von 10 Mikrometern. Ionen würden sich selbst bei einer viel höheren Fehlausrichtung auf einer stabilen Flugbahn durch den Analysator bewegen, das Massenauflösungsvermögen würde jedoch abnehmen.
Der Analysator 10 aus 2 weist in dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem des Spiegels 50 einen Eintrittsport 70 und in dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem des Spiegels 50 einen Austrittsport 80 auf. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform weisen der Austrittsport 80 und der Eintrittsport 70 im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem des Spiegels 50 die gleiche Öffnung auf. Ionen treten entlang der Bahnkurve 112 durch den Eintrittsport 70 in das Analysatorvolumen 60 ein. Die Hauptflugbahn innerhalb des Analysators 10 ist eine exzentrische helixförmige Einhüllende 110 mit einem minimalen Radius r1 und einem maximalen Radius r2 von der Analysatorachse 100. Der maximale Radius r2 der Einhüllenden 110 der Hauptflugbahn liegt in der Schnittansicht der Figur an vier Punkten nahe an der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode 30. Einer dieser Punkte liegt am Eintrittsport 70 und am Austrittsport 80. Die exzentrische helixförmige Einhüllende 110 würde, falls der Ionenstrahl während einer ausreichenden Zeit der Bahn folgen würde, auf die Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode von einem der Spiegel 40, 50 treffen. Die Bahnkurvenparameter des Ionenstrahls beim Eintritt werden jedoch so gewählt, dass sich der Ionenstrahl zu allen Zeiten entlang der Flugbahn an Orten, die der z=0-Ebene näher liegen, bis zu seinem maximalen Radius r2 erstreckt, bis der Ionenstrahl den Austrittsport 80 erreicht, und Ionen, die der Hauptflugbahn folgen, kollidieren nicht mit der Innenfläche der äußeren felddefinierenden Elektrode. Wenn die Ionen den Austrittsport 80 erreichen, treten sie durch den Austrittsport 80 hindurch und verlassen das Analysatorvolumen 60 entlang der Bahnkurve 114. In diesem Beispiel betragen r1 etwa 100 mm, r2 140 mm, und der Strahl erstreckt sich bis zu einer maximalen z-Abmessung von 157 mm. Der Ionenstrahl macht wiederholte Oszillationen in Richtung der z-Achse durch, während er vom Spiegel 40 zum Spiegel 50 und wieder zurück reflektiert wird. Jede Oszillation in Richtung der z-Achse ist eine einfache harmonische Bewegung.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform dieses Beispiels hat ein der Hauptflugbahn folgender Ionenstrahl eine einer kinetischen Energie von 3000 eV entsprechende Bogengeschwindigkeit und beim Eintreten in den Analysator durch den Eintrittsport 70 keine axiale Geschwindigkeit. Die maximale Gesamtenergie des Strahls erreicht 4908,1 eV. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform läuft der Strahl nach 36 vollständigen Oszillationen entlang z (gleich 72 Durchgängen durch die z=0-Ebene) in axialer Richtung des Analysators, welche die Richtung der Flugzeittrennung der Ionen ist, über eine effektive Bahnlänge von etwa 35,6 m, bevor die Ionen wieder ihren Ausgangspunkt erreichen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Teilchen sich bei jeder vollständigen Oszillation entlang z zweimal über die z-Länge der zylindrischen Einhüllenden 110 bewegen (d. h. hin und her) (d. h. über eine Strecke pro Oszillation von 157 mm × 2 = 314 mm, jedoch über eine effektive Strecke von 157 mm × 2π = 988 mm). Bei 36 vollständigen Oszillationen beträgt die effektive durchlaufene Gesamtlänge daher 988 mm × 36 = 35,6 m. Der Strahl läuft pro Reflexion von einem der Spiegel nur einmal um die z-Achse um (d. h. um 5 Grad), d. h. pro vollständiger Oszillation entlang der z-Achse nur zweimal (d. h. um 10 Grad). Während dieser Bewegung nähert sich der Ionenstrahl der äußeren Elektrode so dicht an, dass ein erheblicher Teil des Strahls gemäß dieser speziellen Ausführungsform des Beispiels verloren gehen oder gestreut werden könnte. Um dies zu verhindern, weist der Analysator ferner bogenförmige Linsen auf, wie weiter beschrieben wird. Die bogenförmigen Linsen bestehen aus Elektrodensätzen, wobei ein Satz aus einer einzigen Elektrode bestehen kann. Um zu verhindern, dass sich der Ionenstrahl den äußeren Elektroden der Spiegel 30 zu sehr nähert, erden wenn sich der Ionenstrahl einer ersten bogenförmigen Linse nähert, die Elektrode bzw. die Elektroden der ersten Linse angeregt, um den Ionenstrahl auf eine zweite Hauptflugbahn abzulenken, wobei die zweite Hauptflugbahn einen kleineren durchschnittlichen Radius hat als die Hauptflugbahn, so dass r1 beispielsweise von 100 mm auf 99 mm verringert wird. Die Ionen oszillieren dann weiter von einem Spiegel zum anderen, ohne sich der äußeren Elektrode 30 der Spiegel zu sehr zu nähern, während die Ionentrennung geschieht. Während dieser Zeit sind alle bogenförmigen Fokussierlinsen angeregt, um lokalisierte, gestörte elektrische Felder zu erzeugen, die eine bogenförmige Fokussierung bereitstellen. Schließlich wird die Elektrode oder werden die Elektroden der letzten bogenförmigen Linse nach dem Erreichen von dieser erregt, um den Ionenstrahl wieder auf die Hauptflugbahn zurück abzulenken.

Ein weiteres Beispiel (Beispiel B) der Erfindung verwendet einen ähnlichen Analysator wie den vorstehend beschriebenen (Beispiel A), es werden jedoch alternative Werte für einige Konstanten, Abmessungen und Potentiale verwendet. Tabelle 1 zeigt die Konstanten, Abmessungen und Potentiale, die sich zwischen den beiden Beispielen unterscheiden, wobei alle anderen Werte bei beiden Beispielen gleich sind und so sind, wie vorstehend detailliert angegeben wurde.

Parameter	Beispiel A	Beispiel B
Maximaler Radius der Außenfläche der inneren Elektrode	97,0 mm	94,5 mm
Äußeres Elektrodenpotential	0 V	0 V
Inneres Elektrodenpotential	–2060,74 V	–1976 V
k	1,54·10⁵ V/m²	5,4·10⁵ V/m²
R_m	296,3 mm	179,0 mm
Maximaler Abstand der Hauptflugbahn von der z=0-Ebene	157 mm	77,3 mm
Effektive Gesamtlänge der Flugbahn	35,6 m	17,5 m
Potential der inneren Gürtelelektrodenanordnung	–2050 V	–1966 V
Potential der äußeren Gürtelelektrodenanordnung	–1683 V	–1288 V
Innerer Radius des äußeren Gürtels	103 mm	106 mm
z-Länge der Gürtelelektrodenanordnung	44 mm	50 mm
Versatz der bogenförmigen Linsen gegenüber der z=0-Ebene	3,05 mm	3,2 mm

Tabelle 1.

Wie zuvor beschrieben, ist der Strahl bei Nichtvorhandensein der Wirkung der bogenförmigen Linsen, während er sich auf der Hauptflugbahn bewegt, radial beschränkt, jedoch in seiner Bogendivergenz innerhalb des Analysators unbeschränkt. Ohne eine bogenförmige Fokussierung ist bei Ionenstrahlen, die eine erhebliche bogenförmige Strahldivergenz haben, nur eine sehr begrenzte Bahnlänge innerhalb des Analysators ohne eine erhebliche Strahlverbreiterung möglich, was zu den damit einhergehenden Problemen der Ausstoßung und Detektion führt, wie bereits beschrieben wurde. Die Linsenelektroden sind innerhalb der Gürtelelektrodenanordnungen auf Isolatoren angebracht, welche die Linsenelektroden dadurch von den Gürtelelektrodenanordnungen isolieren. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Linsenelektroden Teil der Gürtelelektrodenanordnungen sein.
Die an die Gürtelelektrodenanordnungen angelegten elektrischen Potentiale können unabhängig von den Potentialen an den inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen der Linsenelektroden geändert werden.
Die räumliche Verbreiterung der interessierenden Ionen in Bogenrichtung φ sollte den Durchmesser der Linsenelektroden der bogenförmigen Linsen nicht überschreiten, so dass keine Aberrationen hoher Ordnung induziert werden. Dies legt dem an die Linsenelektroden angelegten Potential eine untere Grenze auf. Große an die Linsenelektroden angelegte Potentiale sollten auch vermieden werden, damit keine Verzerrungen des Hauptanalysatorfelds erzeugt werden. Die bogenförmigen Linsen beeinflussen auch bis zu einem gewissen Grad die Bahnkurve des Ionenstrahls in radialer Richtung, wodurch in radialer Richtung eine gewisse Strahlverbreiterung herbeigeführt wird, wobei eine größere Strahlverbreiterung für jene Ionen auftritt, die ihre Bahnkurven radial mit größeren anfänglichen Versätzen beginnen.
Elektrodenanordnungen zum Halten bogenförmiger Fokussierlinsen können irgendwo in der Nähe der Hauptflugbahn innerhalb des Analysators positioniert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 3 schematisch dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich eine einzelne Gürtelelektrodenanordnung 670, welche bogenförmige Linsen 675 hält, angrenzend an die Hauptflugbahn an einem der Wendepunkte. 3 zeigt sowohl eine seitliche Schnittansicht des Analysators als auch eine Ansicht entlang der z-Achse der Gürtelelektrodenanordnung 670, wobei bogenförmige Linsenelektroden 675 in gleichem Abstand um die Analysatorachse z angeordnet sind. In diesem Beispiel sind nur acht bogenförmige Linsenelektroden 675 dargestellt. Gemäß anderen Ausführungsformen kann es mehr oder weniger geben. Vorzugsweise gibt es zwischen benachbarten bogenförmigen Linsenelektroden für jede vollständige Oszillation der Hauptflugbahn entlang der Analysatorachse z einen Zwischenraum, so dass eine bogenförmige Fokussierung des Strahls jedes Mal dann auftritt, wenn der Strahl den Wendepunkt angrenzend an die Gürtelelektrodenanordnung erreicht. Die Strahleinhüllende gemäß dieser Ausführungsform ist eine Ellipse 680 mit einem minimalen Radius r1 und einem maximalen Radius r2. Eintritts- und Austrittsports sind in der Figur nicht dargestellt, sie können jedoch in dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem eines oder beider Spiegel eine einzige Öffnung oder ein Paar von Öffnungen aufweisen. Die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel 600 sind von äußeren felddefinierenden Elektrodenstrukturen beider Spiegel 610 umgeben. Die Gürtelelektrodenanordnung 670, welche die bogenförmigen Linsen 675 hält, weist eine scheibenförmige Platte mit einer zentralen Öffnung auf, durch die das Ende des inneren felddefinierenden Elektrodensystems 600 hindurchtritt. Elektrodenbahnen 671 sind an der Gürtelelektrodenanordnung 670 isoliert angebracht. Diese Elektrodenbahnen 671 sind jeweils mit einer geeigneten elektrischen Vorspannung versehen, um die Verzerrung des Hauptanalysatorfelds in der Nähe der Gürtelelektrodenanordnung 670 zu verringern.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Querschnitts. Der Analysator 400 weist zwei entgegengesetzte Spiegel 410 und 420 auf, die an einer ersten Ebene p1 aneinander angrenzen, wobei jeder Spiegel innere felddefinierende Elektrodensysteme 430, 440 und äußere felddefinierende Elektrodensysteme 450, 460, die entlang einer z-Achse des Analysators lang gestreckt sind, aufweist. Das äußere felddefinierende Elektrodensystem 450 des Spiegels 410 weist zwei Abschnitte auf, welche an eine zweite Ebene p2 angrenzen. Die beiden Abschnitte weisen einen ersten Abschnitt 452 zwischen der Ebene p1 und der Ebene p2 und einen zweiten an den ersten Abschnitt angrenzenden Abschnitt 454 auf. Der erste Abschnitt 452 weist einen Teil 453 auf, der sich radial weiter weg von der z-Achse des Analysators erstreckt als ein benachbarter Teil 455 des zweiten Abschnitts an der zweiten Ebene p2. Ein radialer Zwischenraum 456 ist dadurch bereitgestellt, durch den Ionen ein- und austreten können. Der radiale Zwischenraum 456 stellt einen Austrittsport bereit. Wenn es gewünscht ist, Ionen von einer gepulsten Ionenquelle in den Analysator einzubringen, stellt der radiale Zwischenraum 456 auch einen Eintrittsport bereit. Gemäß dieser Ausführungsform erstreckt sich der radiale Zwischenraum 456 um die gesamte Analysatorachse, so dass der erste Abschnitt des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems einen größeren Durchmesser hat als der zweite Abschnitt des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems an der zweiten Ebene p2.
Analysatoren, die mit Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind in der Lage, mit hohen Auflösungsvermögen, wie 20000 RP bis 100000 RP, zu arbeiten. Analysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können in verschiedenen Instrumentenkonfigurationen verwendet werden. Eine bevorzugte Instrumentenanordnung 700 ist in 5 schematisch dargestellt. Ein Analysator 720 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Eintrittsport und einen Austrittsport (nicht dargestellt) auf. Stromaufwärts des Analysators 720 befindet sich ein Injektor, der eine externe Speichervorrichtung 710 aufweist. Die externe Speichervorrichtung 710 injiziert Ionen 715 durch den Eintrittsport in den Analysator 720. Der Analysator 720 trennt zumindest einige der injizierten Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis, und die getrennte Folge von Ionen 725 verlässt den Analysator 720 durch den Austrittsport. Die getrennten Ionen 725 werden zu einem Ionengatter 730 gelenkt, das geschaltet wird, um Ionen aus einem oder mehreren m/z-Bereichen 735 auszuwählen, um sie zu einem Fragmentator 740 weiterzuleiten. Der Fragmentator 740 wird betrieben, um Ionen 735 zu fragmentieren, um einen fragmentierten Ionenstrahl 745 zu bilden, der zu einem Massenanalysator 750 weitergeleitet wird, wo die fragmentierten Ionen 745 massenanalysiert werden.
Hier sowie in den Ansprüchen sollten die Singularformen der hier verwendeten Begriffe als die Pluralform einschließend und umgekehrt verstanden werden, soweit der Zusammenhang nichts anderes angibt. Beispielsweise bedeutet hier sowie in den Ansprüchen, soweit der Zusammenhang nichts anderes angibt, ein Bezug auf einen Singular, wie ”ein”, ”ein oder mehrere”.
Über die gesamte Beschreibung und die Ansprüche dieser Anmeldung bedeuten die Wörter ”aufweisen”, ”enthaltend”, ”einschließend” und ”umfassen” und Variationen der Wörter, wie ”aufweisend” und ”weist auf” usw., ”enthaltend aber nicht darauf beschränkt”, und sie sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und tun dies nicht).
Es sei bemerkt, dass Variationen der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können, welche noch in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Jedes in dieser Beschreibung offenbarte Merkmal, sofern nichts anderes ausgesagt wird, kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem entsprechenden oder einem ähnlichen Zweck dienen. Demgemäß ist, sofern nichts anderes erwähnt wird, jedes offenbarte Merkmal ein Beispiel nur einer allgemeinen Reihe gleichwertiger oder ähnlicher Merkmale.
Die Verwendung beliebiger und aller Beispiele oder des als Beispiel dienenden Sprachgebrauchs (”beispielsweise”, ”wie”, ”zum Beispiel” und dergleichen), wie hier bereitgestellt, soll die Erfindung lediglich besser erläutern und gibt keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung an, sofern nichts anderes beansprucht ist. Kein Sprachgebrauch in der Beschreibung sollte als ein nicht beanspruchtes Element als für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich angebend ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6828553 [0003]
US 5886346 [0005, 0061, 0062]
SU 1716922 [0008]
WO 2007/000587 [0061]
WO 06129109 [0069, 0075]
EP 2010/057340 [0088]
EP 2010/057342 [0088]
WO 2008/081334 [0119]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Wollnik und M. Przewloka in Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 96 (1990) 267–274 [0003]
K. H. Kingdon (Phys. Rev. 21 (1923) 408) [0004]
Anal. Chem. 72 (2000) 1156 [0005]
C. Köster (Int. J. Mass Spectrom. Band 287, Ausgaben 1 bis 3, Seiten 114–118 (2009)) [0006]
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C. Köster, Int. J. Mass Spectrom. Band 287, Ausgaben 1–3, Seiten 114–118 (2009) [0080]

Claims

Verfahren zum Trennen von Ionen entsprechend ihrer Flugzeit, welches folgende Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Analysators mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt und dazwischen ein Analysatorvolumen erzeugt, b. Injizieren von Ionen in das Analysatorvolumen oder Erzeugen von Ionen innerhalb des Analysatorvolumens, so dass sie entsprechend ihrer Flugzeit getrennt werden, wenn sie sich entlang einer Hauptflugbahn bewegen, während sie mehrere axiale Oszillationen in Richtung der Analysatorachse und mehrere radiale Oszillationen, während sie eine oder mehrere innere felddefinierende Elektroden umlaufen, durchmachen, c. Bewirken, durch die mehreren axialen Oszillationen und die mehreren radialen Oszillationen, dass die getrennten Ionen einen Austrittsport nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen schneiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Analysator zwei entgegengesetzte elektrostatische Ionenspiegel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Austrittsport eine Öffnung in der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur eines der Spiegel aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator ferner einen Austrittsport aufweist, der eine Öffnung in der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur eines der Spiegel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Eintrittsport auch den Austrittsport aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Austrittsport innerhalb des Analysatorvolumens liegt und mit einer ionenoptischen Übertragungsvorrichtung verbunden ist, die sich zumindest teilweise innerhalb des Analysatorvolumens befindet, um den Ionenstrahl aus dem Analysatorvolumen heraus zu transportieren.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6, welches ferner einen Eintrittsport aufweist, wobei der Eintrittsport innerhalb des Analysatorvolumens liegt und mit einer ionenoptischen Übertragungsvorrichtung verbunden ist, die sich zumindest teilweise innerhalb des Analysatorvolumens befindet, um den Ionenstrahl in das Analysatorvolumen zu transportieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionen einen Wendepunkt innerhalb der Ionenspiegel erreichen, wobei der Wendepunkt auf einer Wendeebene liegt und wobei der Austrittsport näher zu der Wendeebene liegt als zu der Ebene, an die die Spiegel angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Austrittsport im Wesentlichen auf der Wendeebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Austrittsport im Wesentlichen auf der Wendeebene liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die axiale Oszillationsfrequenz ω ist und die radiale Oszillationsfrequenz ω_r ist und das Verhältnis ω_r/ω zwischen 0,5 und 3 oder zwischen 0,85 und 1,2 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Winkeloszillationsfrequenz ω_φ ist und die axiale Oszillationsfrequenz ω ist und ω_φ > ω/2^1/2 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator einen oder mehrere Elektrodensätze aufweist, die, wenn sie angeregt werden, dreidimensionale Störungen des elektrischen Felds innerhalb eines oder beider Ionenspiegel erzeugen, um eine bogenförmige Fokussierung von Ionen herbeizuführen, wenn sie durch das gestörte elektrische Feld hindurchtreten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Analysator mehrere der Elektrodensätze aufweist und wobei an einige der Elektrodensätze elektrische Potentiale angelegt sind, so dass Ionen, die in der Nähe der einigen der Elektrodensätze vorbeilaufen, auf eine zweite Hauptflugbahn gelenkt werden, die einen anderen durchschnittlichen Radius als die Hauptflugbahn hat.
Analysator zum Trennen von Ionen entsprechend ihrer Flugzeit, welcher Folgendes aufweist: a. zwei entgegengesetzte Ionenspiegel, die an eine erste Ebene angrenzen, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer Analysatorachse lang gestreckt sind, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem das innere felddefinierende Elektrodensystem umgibt, wobei: b. das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines Spiegels zwei Abschnitte aufweist, wobei die Abschnitte an eine zweite Ebene angrenzen, mit einem ersten Abschnitt zwischen der ersten und der zweiten Ebene und einem an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt, c. wobei der erste Abschnitt mindestens einen Teil hat, der sich radial weiter weg von der Analysatorachse erstreckt als ein benachbarter Teil des zweiten Abschnitts an der zweiten Ebene.
Analysator nach Anspruch 15, wobei die zweite Ebene näher an einer Wendeebene der Ionen innerhalb des die zwei Abschnitte aufweisenden Spiegels liegt als die erste Ebene.
Analysator nach Anspruch 16, wobei die zweite Ebene im Wesentlichen auf der Wendeebene von Ionen innerhalb des die zwei Abschnitte aufweisenden Spiegels liegt.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die entgegengesetzten Ionenspiegel im Wesentlichen lineare entgegengesetzte elektrostatische Felder erzeugen.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator einen Austrittsport aufweist und sich stromabwärts des Austrittsports ein Ionengatter zum Auswählen von Ionen eines oder mehrerer schmaler m/z-Bereiche befindet.
Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei sich stromabwärts des Ionengatters ein Fragmentator zum Fragmentieren der von dem Ionengatter ausgewählten Ionen befindet und sich stromabwärts des Fragmentators ein Massenanalysator zum Massenanalysieren der fragmentierten Ionen befindet.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator einen Austrittsport aufweist und sich ein Detektor stromabwärts des Austrittsports befindet.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator einen Eintrittsport aufweist und sich eine externe Speichervorrichtung stromaufwärts des Eintrittsports befindet, wobei die externe Speichervorrichtung eine HF- oder elektrostatische Falle aufweist, wobei die Falle mit Gas gefüllt ist oder nicht mit Gas gefüllt ist, wobei die externe Speichervorrichtung verwendet wird, um Ionen durch den Eintrittsport in den Analysator zu injizieren.