DE112011103930B4

DE112011103930B4 - Verfahren zum Massenselektieren von Ionen und Massenselektor

Info

Publication number: DE112011103930B4
Application number: DE112011103930.1T
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: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: DE112011103930T5; GB2485825A; US20160148796A1; US20130240725A1; GB2496991A; GB201221235D0; GB2496991B; US9196469B2; GB201020038D0; US9564307B2; GB2485825B; WO2012069596A1

Abstract

Verfahren zum Auswählen interessierender Ionen aus einem Ionenstrahl (410, 580) unter Verwendung eines Analysators (10), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (i) Bereitstellen eines Analysators (10) mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln (40, 50), wobei jeder Spiegel (40, 50) ein inneres (20) und ein äußeres (30) felddefinierendes Elektrodensystem (20, 30) aufweist, die jeweils entlang einer Längsachse (z) des Analysators (10) lang gestreckt sind, wobei das äußere System (30) das innere System (20) jeweils umgibt, und wobei jedes System (20, 30) eine oder mehrere Elektroden aufweist, wobei das äußere und/oder das innere felddefinierende Elektrodensystem (20) der zwei Ionenspiegel (40, 50) jeweils als getrennte Elektroden oder als einteilige Elektroden ausgebildet sein können, (ii) Veranlassen des Ionenstrahls, bei Vorhandensein eines Analysatorfelds entlang einer Hauptflugbahn durch den Analysator (10) zu fliegen, so dass er innerhalb des Analysators (10) mindestens eine vollständige Oszillation in Richtung der Längsachse (z) durchmacht, während er eine oder mehrere Elektroden des inneren felddefinierenden Elektrodensystems (20) umläuft, (iii) Bereitstellen eines oder mehrerer Elektrodensätze (430, 432, 434) angrenzend an die Hauptflugbahn, (iv) Beschränken der Bogendivergenz der Hauptflugbahn interessierender Ionen in einer Bogenrichtung (φ) durch Anlegen eines ersten Spannungssatzes an einen oder mehrere der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434), wenn sich die interessierenden Ionen in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn ...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet des Massenselektierens von Ionen und insbesondere Verfahren und eine Vorrichtung für das Auswählen von Ionen in Flugzeit-Mehrfachreflexions-Massenspektrometern.
Hintergrund
Flugzeit-(TOF)-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 B2 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.
Massenselektoren sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt und werden gewöhnlich für das Auswählen von Ionen eines kleinen Bereichs von Masse-Ladung-Verhältnissen (m/z), häufig eines einzigen m/z-Werts, für die Weiterverarbeitung verwendet. Quadrupol-, Magnetsektor- und Ionenfallen-Massenanalysatoren sind die am häufigsten verwendeten Massenselektoren. Ionen mit einem breiten m/z-Bereich werden typischerweise von einer Ionenquelle emittiert, und die Massenspektren sind komplex. Ferner kann es mehrere mögliche molekulare Kandidaten für ein gegebenes Ion geben. Wie wohlbekannt ist, wird für das Aufklären der molekularen Struktur einer Ionenspezies die fragliche Spezies (das Ausgangsion) häufig einer Fragmentation unterzogen, und die Fragmentionen werden in einem als MS-MS bezeichneten Prozess massenanalysiert. Die Masse-Ladung-Verhältnisse der Ionen von dem Fragmentationsprozess sind für das Ausgangsion charakteristisch. Es hilft dem Identifikationsprozess sehr, wenn das Ausgangsion allein dem Fragmentationsprozess unterzogen wird, und hierbei ist häufig ein hohes Massenauflösungsvermögen (RP) erforderlich, um die Ausgangsionen auszuwählen, bevor sie zum Fragmentator weitergeleitet werden.
TOF-Massenanalysatoren sind ideal geeignet, um Ionen hoher Masse-Ladung-Verhältnisse zu trennen und ein getrenntes Ionenbündel zu einem Detektionssystem oder zu zusätzlichen ionenoptischen Vorrichtungen zur Weiterverarbeitung zu übertragen. Herkömmliche TOF-Analysatoren leiden jedoch an hohen Energieverlusten und einer schlechten Fokussierung von Ionen. Ein kleiner TOF-Analysator hat nur ein moderates Massen-RP, kann jedoch eine sehr schnelle Schalthardware benötigen, um es zu ermöglichen, dass Ionen eines verhältnismäßig großen Bereichs von Masse-Ladung-Verhältnissen (m/z) durch Flugzeit-Gatterstrukturen ausgewählt werden. Solche kleinen TOF-Analysatoren können ungeeignet sein, um Ionen eines einzigen m/z-Verhältnisses auszuwählen. Ein Beispiel eines solchen Massenselektors ist in WO97048120 dargestellt. Wo eine hohe RP-Auswahl erforderlich ist, wäre typischerweise ein kostspieliger und voluminöser TOF erforderlich. Andere Massenselektortypen, wie lineare Quadrupolmassenfilter, werden typischerweise stattdessen verwendet, sie haben jedoch ein begrenztes Massen-RP und, wenn relativ hohe Massen-RP-Filter verwendet werden, eine verhältnismäßig niedrige Transmission (typischerweise liegen Massenfenster, wenn erforderlich, unterhalb von 0,1–0,2 a. m. u.). Magnetsektor-Massenselektoren erweitern das verfügbare Massen-RP über dasjenige, das von Quadrupolmassenfiltern möglich ist, Magnetsektoren sind jedoch sehr voluminös, massiv und kostspielig. Sowohl Quadrupolmassenfilter als auch Magnetsektor-Massenanalysatoren haben einen begrenzten oberen Massenbereich. TOF-Massenanalysatoren haben das Potential, als Massenselektoren mit einem weitgehend unbegrenzten oberen Massenbereich und einem hohen Massen-RP verwendet zu werden, bisher war die Transmission jedoch verhältnismäßig niedrig, und die Analysatoren sind, wie bereits erwähnt wurde, voluminös und kostspielig.
Es bleibt ein Bedarf an einem Massenselektor mit einem hohen Massen-RP, einer hohen Transmission, einem breiten Massenbereich, kompakten Maßen und reduzierten Kosten bestehen. Vor diesem Hintergrund wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 19 definiert. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Auswählen interessierender Ionen aus einem Ionenstrahl unter Verwendung eines Analysators vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(i) Bereitstellen eines Analysators 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, wobei jedes System eine oder mehrere Elektroden aufweist, wobei das äußere System das innere System umgibt,
(ii) Veranlassen des Ionenstrahls, bei Vorhandensein eines Analysatorfelds entlang einer Hauptflugbahn durch den Analysator zu fliegen, so dass er innerhalb des Analysators mindestens eine vollständige Oszillation in Richtung der Analysatorachse durchmacht, während er um eine oder mehrere Elektroden des inneren felddefinierenden Elektrodensystems umläuft oder zwischen diesen oszilliert,
(iii) Bereitstellen eines oder mehrerer Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn,
(iv) Beschränken der Bogendivergenz der Hauptflugbahn interessierender Ionen durch Anlegen eines Spannungssatzes an einen oder mehrere der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze, wenn sich die interessierenden Ionen in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen befinden, und Anlegen von einem oder mehreren verschiedenen Spannungssätzen an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze, wenn sich die interessierenden Ionen nicht in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen befinden, und
(v) Ausstoßen der interessierenden Ionen aus dem Analysator.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein Analysator für geladene Teilchen vorgesehen, welcher aufweist: zwei entgegengesetzte Ionenspiegel, wobei jeder Spiegel ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem aufweist, die entlang einer z-Achse lang gestreckt sind, wobei das äußere System das innere umgibt, wobei, wenn die Elektrodensysteme elektrisch vorgespannt werden, die Spiegel ein elektrisches Feld erzeugen, das entgegengesetzte elektrische Felder entlang z aufweist, und mindestens eine bogenförmige Fokussierlinse zum Beschränken der Bogendivergenz eines Strahls geladener Teilchen innerhalb des Analysators, während der Strahl um die z-Achse umläuft, wobei der Analysator ferner eine Scheibe aufweist, welche den Raum zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem zumindest teilweise umspannt und in einer Ebene senkrecht zur z-Achse liegt, wobei die Scheibe zwei Stirnflächen und eine resistive Beschichtung auf beiden Stirnflächen aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung ein Verfahren zum Trennen interessierender Ionen von unerwünschten Ionen innerhalb eines Ionenpakets, welches folgende Schritte aufweist: Injizieren eines Ionenpakets in einen Analysator, Bewirken, dass die Ionen in dem Paket entsprechend ihrer Flugzeit getrennt werden, während sie parallel zu einer z-Achse zwischen zwei entgegengesetzten Spiegeln innerhalb des Analysators entlang einer Hauptflugbahn oszillieren, während sie gleichzeitig in einer Richtung senkrecht zu z umlaufen oder oszillieren, periodisches Anwenden einer Bogenfokussierung zum Begrenzen der Bogendivergenz der interessierenden Ionen, wobei die Bogenrichtung senkrecht zur z-Achse ist, periodisches Anwenden einer Strahlablenkung zum Ablenken unerwünschter Ionen von der Hauptflugbahn und Ausstoßen der interessierenden Ionen aus dem Analysator.
Das Verfahren ermöglicht es, dass interessierende Ionen aus einem Ionenstrahl unter Verwendung eines Analysators ausgewählt werden, wobei der Ionenstrahl in den Analysator injiziert wird und Ionen mit mehreren Masse-Ladung-Verhältnissen aufweist, wobei einige von diesen interessierende Ionen sind und einige von diesen unerwünschte Ionen sind. Das Verfahren ermöglicht es, dass Ionen mit einem oder mehreren Bereichen von Masse-Ladung-Verhältnissen selektiv aus dem Analysator ausgestoßen werden, während andere unerwünschte Ionen von dem Strahl nicht ausgestoßen werden oder nicht in der gleichen Weise ausgestoßen werden.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise das mehrmalige periodische Beschränken der Bogendivergenz der interessierenden Ionen, während sie durch den Analysator fliegen, und das periodische Ablenken unerwünschter Ionen von der Hauptflugbahn, während sie durch den Analysator fliegen. Der eine oder die mehreren verschiedenen Spannungssätze soll hier einen von dem Spannungssatz für das Beschränken der Bogendivergenz von der Hauptflugbahn der interessierenden Ionen verschiedenen Spannungssatz bedeuten. Der eine oder die mehreren verschiedenen Spannungssätze, die an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt werden, wenn sich interessierende Ionen nicht in der Nähe des einen oder der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze befinden, dienen vorzugsweise dem Ablenken unerwünschter Ionen von der Hauptflugbahn.
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 ø, 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 ( WO 2010/136533 A1 ) und PCT/EP2010/057342 ( WO 2010/136534 A1 ) des Anmelders beschrieben, wobei ihr gesamter Inhalt hier durch Verweis aufgenommen sei.
Der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze können alle den gleichen Aufbau aufweisen, oder sie können voneinander verschieden sein. Vorzugsweise sind alle von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen einander ähnlich. Jeder an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensatz kann eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Vorzugsweise weist jeder an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensatz ein Paar entgegengesetzter Elektroden auf, wobei sich eine Elektrode auf jeder Seite der Hauptflugbahn befindet.
Hier bedeutet ein Spannungssatz eine oder mehrere Spannungen. Die Spannungssätze für das Beschränken der Bogendivergenz von der Hauptflugbahn der interessierenden Ionen kann ein erster Spannungssatz sein. Ein zweiter Spannungssatz kann einen von dem einen oder den mehreren verschiedenen Spannungssätzen aufweisen. Der erste Spannungssatz, der an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt wird, wird vorzugsweise an einen ersten Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen angelegt, und der zweite Spannungssatz, der an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt wird, wird vorzugsweise an einen zweiten Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen angelegt. Der erste Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen kann gleich dem zweiten Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen sein oder diesen enthalten, oder sie können verschieden sein. Vorzugsweise ist der erste Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen gleich dem zweiten Satz von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen, so dass der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze vorzugsweise sowohl zum Beschränken der Bogendivergenz der interessierenden Ionen als auch zum Ablenken unerwünschter Ionen von der Hauptflugbahn verwendet werden.
Wo die an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze die Funktion des Beschränkens der Bogendivergenz der interessierenden Ionen ausführen, während sich die interessierenden Ionen in der Nähe der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze befinden und während an die Elektrodensätze, die an die Hauptflugbahn angrenzen, der erste Spannungssatz angelegt ist, weisen die an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze eine oder mehrere bogenförmige Fokussierlinsen auf. Vorzugsweise weisen alle von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen bogenförmige Fokussierlinsen auf, wenngleich die bogenförmigen Fokussierlinsen sowohl zum Beschränken der Bogendivergenz interessierender Ionen zu gewissen Zeiten als auch zum Ablenken unerwünschter Ionen von der Hauptflugbahn zu anderen Zeiten verwendet werden können. Gemäß anderen Ausführungsformen weisen einige von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen bogenförmige Fokussierlinsen auf, während andere von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen Strahlablenker aufweisen.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise das mehrmalige Führen der interessierenden Ionen durch die mindestens eine bogenförmige Fokussierlinse oder das mehrmalige Führen der interessierenden Ionen in der Nähe der mindestens einen bogenförmigen Fokussierlinse (beispielsweise mehrere Male durch die bogenförmige Fokussierlinse, wenn es nur eine bogenförmige Fokussierlinse gibt, oder ein oder mehrere Male durch jede Linse, wenn es mehr als eine bogenförmige Fokussierlinse gibt). Vorzugsweise weist die Vorrichtung zwei bogenförmige Fokussierlinsen auf. Bevorzugter weist die Vorrichtung eine einzige bogenförmige Fokussierlinse auf. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das mindestens einmalige Beschränken der Bogendivergenz der interessierenden Ionen, während sie durch den Analysator hindurchlaufen. Vorzugsweise werden das Beschränken der Bogendivergenz der interessierenden Ionen und/oder das Führen der interessierenden Ionen durch die mindestens eine bogenförmige Fokussierlinse oder in der Nähe von dieser ausgeführt, bevor die Größe des interessierende Ionen enthaltenden Pakets die Abmessung der Fokussierlinse in Bogenrichtung überschreitet.
Vorzugsweise wird nach im Wesentlichen jeder Oszillation zwischen den Spiegeln und bevorzugter nach im Wesentlichen jeder Reflexion (Halboszillation) von den Spiegeln die Bogendivergenz der interessierenden Ionen beschränkt und/oder sie laufen durch eine bogenförmige Fokussierlinse.
Wenn es mehrere an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze gibt, bilden die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze vorzugsweise ein Array von an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen, die sich im Wesentlichen an der gleichen z-Koordinate befinden. Hier bedeutet ein Array zwei oder mehr. Bevorzugter befindet sich das Array von an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen im Wesentlichen an der gleichen z-Koordinate, was vorzugsweise an oder in der Nähe von z = 0 ist, am bevorzugtesten jedoch in der Nähe von z = 0 ist, jedoch von z = 0 versetzt. Das Array der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze erstreckt sich vorzugsweise zumindest teilweise in Bogenrichtung um die z-Achse und bevorzugter im Wesentlichen um die z-Achse in Bogenrichtung. Die an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze sind in Bogenrichtung beabstandet. Der Abstand der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze in Bogenrichtung kann entweder regelmäßig oder unregelmäßig sein, er ist jedoch vorzugsweise regelmäßig, d. h. periodisch.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der es zwei an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze gibt, liegen die zwei an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten der z-Achse und sind um die z-Achse in Bogenrichtung beabstandet, wobei sich jede bogenförmige Fokussierlinse am bevorzugtesten auf einer Linie befindet, die durch die z-Achse läuft, so dass die zwei an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze in Bogenrichtung um 180 Grad um die z-Achse beabstandet sind.
Vorzugsweise besteht jede der mindestens einen bogenförmigen Fokussierlinsen aus einer oder mehreren auf einem Potential gehaltenen Elektroden (durch die daran angelegten Spannungen), um beispielsweise eine elektrische Feldstörung in mindestens einer Bogenrichtung bereitzustellen, beispielsweise eine elektrische Feldstörung in drei Dimensionen (3D). Die elektrische Feldstörung wird dabei durch Anlegen eines Spannungssatzes an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze erzeugt.
Das Verfahren umfasst das Beschränken der Bogendivergenz der interessierenden Ionen durch Anlegen eines Spannungssatzes an einen oder mehrere der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze, wenn sich interessierende Ionen in der Nähe des einen oder der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze befinden, und durch Anlegen eines oder mehrerer verschiedener Spannungssätze, wenn sich keine interessierenden Ionen in der Nähe des einen oder der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze befinden. Hierdurch werden die interessierenden Ionen vorzugsweise einem ersten Betrag einer bogenförmigen Fokussierung unterzogen, während sie sich innerhalb des Analysators befinden, während andere Ionen in dem Strahl (d. h. unerwünschte Ionen) einem zweiten Betrag einer bogenförmigen Fokussierung unterzogen werden, während sie sich innerhalb des Analysators befinden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist der zweite Betrag der bogenförmigen Fokussierung kleiner als der erste Betrag der bogenförmigen Fokussierung. Der zweite Betrag der bogenförmigen Fokussierung kann im Wesentlichen keine Fokussierung oder im Wesentlichen eine Defokussierung sein. Vorzugsweise ist der zweite Betrag der bogenförmigen Fokussierung für den größten Teil der unerwünschten Ionen innerhalb des Analysators im Wesentlichen null.
Wenn ein Ionenpaket in den Analysator injiziert wird und sich entlang einer Hauptflugbahn bewegt (wie weiter beschrieben wird), beginnen sich die Ionen entlang der Flugbahn entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis zu trennen. Die Ionen in dem Paket können sogar vor ihrem Eintritt in den Analysator begonnen haben, sich entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis zu trennen. Vorzugsweise haben die Ionen in dem Paket sogar vor dem Eintritt in den Analysator begonnen, sich entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis zu trennen. Innerhalb des Analysators haben sich die Ionen um einen begrenzten Betrag getrennt, bevor die interessierenden Ionen die erste oder einzige bogenförmige Fokussierlinse erreichen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist, wenn die interessierenden Ionen die Nähe der ersten oder einzigen bogenförmigen Fokussierlinse erreichen, ein erster Spannungssatz an die Linse angelegt, wodurch in der Nähe der Linse eine elektrische Feldstörung hervorgerufen wird. Demgemäß machen die interessierenden Ionen ein gewisses Maß einer bogenförmigen Fokussierung durch, wenn sie durch das gestörte elektrische Feld hindurchlaufen. Wenn die interessierenden Ionen die Nähe der ersten oder einzigen bogenförmigen Fokussierlinse verlassen haben, wird ein zweiter Spannungssatz (vom ersten Spannungssatz verschieden) an die erste oder einzige bogenförmige Fokussierlinse angelegt. Vorzugsweise bewirkt der zweite Spannungssatz, dass die erste oder einzige bogenförmige Fokussierlinse eine kleinere bogenförmige Fokussierwirkung hat und bevorzugter keine Fokussierwirkung hat, wobei sie noch bevorzugter noch eine defokussierende oder unterbrechende Wirkung auf Ionen in ihrer Nähe hat.
Abhängig vom Trennungsgrad zwischen den interessierenden Ionen und den anderen unerwünschten Ionen innerhalb des Strahls können einige oder alle der anderen unerwünschten Ionen innerhalb des Strahls auch ein gewisses Maß einer bogenförmigen Fokussierung empfangen, weil einige oder alle der anderen unerwünschten Ionen auch in der Nähe der ersten oder einzigen bogenförmigen Fokussierlinse sein können, während der erste Spannungssatz daran angelegt ist. Weil die Ionen in dem Strahl jedoch weiter der Hauptflugbahn innerhalb des Analysators folgen, erreichen sie eine andere bogenförmige Fokussierlinse oder dieselbe bogenförmige Fokussierlinse ein zweites Mal. Dieses Mal haben sich die Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis weiter entlang der Flugbahn getrennt, und die Fokussierwirkung der Linse, während sie durch den ersten Spannungssatz angeregt ist, wirkt auf die interessierenden Ionen und auf weniger von den anderen unerwünschten Ionen in dem Strahl. Die Wirkung der Linse, während sie durch den zweiten Spannungssatz angeregt ist, wirkt auf einen größeren Anteil der anderen unerwünschten Ionen in dem Strahl. Dieser Prozess setzt sich fort, während der Strahl weiter durch den Analysator fliegt und während die interessierenden Ionen fortschreitend eine bogenförmige Fokussierung empfangen, was sich zu einem ersten Betrag der bogenförmigen Fokussierung summiert, empfangen die anderen unerwünschten Ionen innerhalb des Strahls eine bogenförmige Fokussierung, die sich zu einem zweiten Betrag der bogenförmigen Fokussierung summiert, wobei der zweite Betrag der bogenförmigen Fokussierung kleiner als der erste Betrag der bogenförmigen Fokussierung ist.
Alternativ kann der Strahl innerhalb des Analysators keine bogenförmige Fokussierung erfahren, bis die Ionen ausreichend entsprechend ihrem Masse-Ladung-Verhältnis entlang der Flugbahn getrennt wurden, so dass die Wirkung des einen oder der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze, während der erste Spannungssatz an sie angelegt ist, derart ist, dass im Wesentlichen nur die interessierenden Ionen eine erhebliche bogenförmige Fokussierung erfahren. Demgemäß können der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze nicht mit dem ersten Spannungssatz angeregt werden, bevor der Ionenstrahl einige Male in der Nähe des einen oder der mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze vorbeigelaufen ist.
Der eine Spannungssatz kann an einige von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen angelegt werden, während sich die interessierenden Ionen in der Nähe irgendeines von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen befinden, und der eine oder die mehreren verschiedenen Spannungssätze können an verschiedene von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen angelegt werden, wenn sich keine interessierenden Ionen in der Nähe irgendwelcher der verschiedenen von den an die Hauptflugbahn angrenzenden einen oder mehreren Elektrodensätzen befinden.
Alternativ kann der eine Spannungssatz (Spannungssatz A) an einige der an die Hauptflugbahn angrenzenden einen oder mehreren Elektrodensätze angelegt werden (Elektrodensatz A), während sich die interessierenden Ionen in der Nähe einer beliebigen Elektrode des Elektrodensätzes A befinden, und der eine oder die mehreren verschiedenen Spannungssätze können an den gleichen von den an die Hauptflugbahn angrenzenden einen oder mehreren Elektrodensätzen angelegt werden (Elektrodensatz A) und auch an weitere von den an die Hauptflugbahn angrenzenden einen oder mehreren Elektrodensätzen angelegt werden (Elektrodensatz B), wenn sich keine interessierenden Ionen in der Nähe einer Elektrode des Elektrodensatzes B befinden. Beispielsweise können der eine oder die mehreren verschiedenen Spannungssätze den Spannungssatz A umfassen, wenn er an den Elektrodensatz A angelegt ist, und sie können ferner zusätzliche an den Elektrodensatz B angelegte Spannungen umfassen. Dies führt dazu, dass stets die gleichen Spannungen an den Elektrodensatz A angelegt sind, um stets eine bogenförmige Fokussierung auf alle Ionen in der Nähe beliebiger von dem Elektrodensatz A auszuüben, während an den Elektrodensatz B verschiedene ein oder mehrere Spannungssätze angelegt sind, um eine Strahlablenkung bereitzustellen, wenn sich die interessierenden Ionen nicht in der Nähe einer von dem Elektrodensatz B befinden.
Ein erster an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegter Spannungssatz bewirkt, dass der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze aktiviert werden, so dass eine Fokussierwirkung auf Ionen ausgeübt wird, die ausreichend dicht an dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze vorbeifliegen. Die an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (wie weiter beschrieben wird) wirken demgemäß durch das Anlegen elektrischer Potentiale durch Erzeugen elektrischer Felder, welche die Bahnkurven geladener Teilchen beeinflussen, die durch diese elektrischen Felder hindurchtreten. Daher bewirkt der erste Spannungssatz, der an die eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt ist, dass der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze aktiviert werden, um eine Fokussierwirkung auf Ionen auszuüben, die durch die elektrischen Felder hindurchtreten, die durch den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze erzeugt werden. Der zweite Spannungssatz bewirkt, dass der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze zumindest teilweise deaktiviert werden, so dass sie nicht den gleichen Grad an Fokussierwirkung auf Ionen ausüben, die durch die elektrischen Felder hindurchtreten, die durch den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze erzeugt werden, wie eine Fokussierwirkung, die erzeugt wurde, wenn an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze der erste Spannungssatz angelegt war. Vorzugsweise erzeugt der zweite Spannungssatz eine defokussierende oder unterbrechende Wirkung auf Ionen, die durch die elektrischen Felder hindurchtreten, die durch den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze erzeugt werden, so dass diese Ionen von der Hauptflugbahn abgelenkt und ausgestoßen werden. Auf diese Weise erzeugt der erste Spannungssatz eine Fokussierwirkung auf die interessierenden Ionen, und die Divergenzen der interessierenden Ionen werden beschränkt, und die interessierenden Ionen werden auf der Hauptflugbahn gehalten, und der zweite Spannungssatz erzeugt eine geringe oder keine Fokussierwirkung und eine unterbrechende oder ablenkende Wirkung auf die unerwünschten Ionen, so dass bewirkt wird, dass sie die Hauptflugbahn verlassen. Auf diese Weise wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, um interessierende Ionen unter Verwendung eines Analysators aus einem Ionenstrahl auszuwählen.
Vorzugsweise wird der zweite Spannungssatz an die eine oder die mehreren bogenförmigen Linsen angelegt, während die interessierenden Ionen fern von der einen oder den mehreren bogenförmigen Linsen sind, so dass die Änderung des elektrischen Felds die interessierenden Ionen nicht beeinflusst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der zweite Spannungssatz, wenn es eine einzige bogenförmige Fokussierlinse gibt, zweckmäßigerweise eingeschaltet werden, wenn die interessierenden Ionen durch eine oder mehrere innere felddefinierende Elektrodenstrukturen oder durch andere Strukturen innerhalb des Analysators von der bogenförmigen Fokussierlinse abgeschirmt werden.
Der erste und der zweite Spannungssatz können der einzige Spannungssatz sein, die an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt sind, oder dies kann nicht der Fall sein.
Optional kann ein dritter Spannungssatz zu verschiedenen Zeiten an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt werden, wobei der dritte Spannungssatz derart ist, dass weder eine bogenförmige Fokussierung induziert wird noch eine Strahlablenkung induziert wird. Weiter kann optional ein vierter und höherer Spannungssatz angelegt werden.
Ionen aus einem oder mehreren m/z-Bereichen können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus demselben Ionenstrahl ausgewählt werden, so dass die interessierenden Ionen mehrere m/z-Bereiche aufweisen können.
Der Ionenstrahl kann in der Nähe einer bogenförmigen Fokussierlinse in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen vorbeilaufen. Vorzugsweise läuft der Ionenstrahl in regelmäßigen Intervallen in der Nähe einer bogenförmigen Fokussierlinse vorbei. Vorzugsweise beschränkt der eine Spannungssatz, der an die eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze angelegt ist, die Bogendivergenz der interessierenden Ionen und wird nach jeder i-ten Reflexion an einem oder mehreren der Spiegel angelegt, wobei i eine ganze Zahl ist. Bevorzugter läuft der Ionenstrahl einmal pro Reflexion in der Nähe einer bogenförmigen Fokussierlinse durch.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen, bei denen es auf entgegengesetzten Seiten des Analysators (entgegengesetzten Seiten der z-Achse) zwei an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze gibt (d. h. zwei Linsen), die sich auf einer Linie befinden, welche durch die z-Achse verläuft (senkrecht zur z-Achse), machen die Ionen vorzugsweise pro Reflexion n·π Winkeldrehungen des Analysators durch, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen, bei denen es eine einzige bogenförmige Fokussierlinse gibt, machen die Ionen vorzugsweise pro Reflexion N·π Winkeldrehungen des Analysators durch, wobei N eine gerade ganze Zahl ist.
Vorzugsweise werden der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze verwendet, um die bogenförmige Strahldivergenz der interessierenden Ionen zu beschränken und eine Strahlablenkung unerwünschter Ionen bereitzustellen, um die unerwünschten Ionen von der Hauptflugbahn abzulenken. Bei einigen Ausführungsformen können jedoch verschiedene Elektroden für diese beiden Operationen verwendet werden. Dies kann erreicht werden, indem der erste Spannungssatz an irgendwelche an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze (einen ersten Elektrodensatz) angelegt wird und der zweite Spannungssatz an andere an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze angelegt wird (ein zweiter Elektrodensatz). Der erste und der zweite Elektrodensatz können eine ähnliche Struktur aufweisen, oder sie können unterschiedliche Strukturen aufweisen. Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Elektrodensatz für eine einfache Herstellung ähnliche Strukturen auf.
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 die jeweilige Spiegelachse innerhalb jedes jeweiligen Spiegels um, oder sie oszillieren zwischen einer oder mehreren Elektroden des inneren felddefinierenden Elektrodensystems, während sie sich innerhalb jedes jeweiligen Spiegels bewegen, wobei sie sich dabei innerhalb des Analysatorvolumens zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem bewegen. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Umlaufbewegung des Strahls eine helikale Bewegung, die während einer Bewegung von einem Spiegel zum anderen in einer zur z-Achse parallelen Richtung um die Analysatorachse z umläuft. Die Umlaufbewegung um die z-Achse des Analysators ist gemäß einigen Ausführungsformen im Wesentlichen kreisförmig, während sie gemäß anderen Ausführungsformen elliptisch oder von einer anderen Form ist. Die Umlaufbewegung um die Analysatorachse z 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 voneinander verschiedene entgegengesetzte elektrische Felder erzeugen. 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 unterschiedliche 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 A beschrieben ist, oder aus mehreren Elektroden (beispielsweise wenigen oder vielen Elektroden) bestehen, wie beispielsweise in WO 2007/000587 A2 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. Die Oberflächen der einzelnen Elektroden 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 elektrostatische Falle Orbitrap^TM ist beispielsweise im US-Patent 5 886 346 A 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 und/oder die Hauptflugbahn innerhalb 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. Überdies könnten durch Wählen einer geeigneten Geometrie (wie beispielsweise in A. Makarov, E. Denisov, O. Lange, ”Performance evaluation of a high-field Orbitrap mass analyzer”. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2009, 20, 1391–1396 beschrieben ist) durch Ionen auf den inneren Elektroden induzierte Bildladungen auf den äußeren Elektroden induzierte Bildladungen sowie eine Raumladungsabstoßung innerhalb des Strahls kompensieren, so dass Nettoänderungen der Oszillationsfrequenz vernachlässigbar 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 WO 06/129109 A2 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 Winkel-Oszillation 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 ω_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 Gleichungen (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_z·T = 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.
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 zur z-Richtung orthogonale Ionenbewegung kann eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich: um eine oder mehrere der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen umlaufend und zwischen einem oder mehreren Paaren der inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen oszillierend. 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. Der Begriff ”oszillierend ... zwischen” umfasst (während einer Ausführung einer im Wesentlichen harmonischen Bewegung in einer im Wesentlichen zur z-Achse parallelen Richtung) eine im Wesentlichen lineare Bewegung in einer zur z-Achse senkrechten Ebene, und er umfasst auch eine Bewegung, bei der sich eine solche im Wesentlichen lineare Bewegung um die z-Achse dreht, wodurch eine sternförmige Strahleinhüllende erzeugt wird, die weiter beschrieben wird. Der Begriff ”oszillierend ... zwischen” umfasst auch eine Bewegung, bei der die Ionen in etwa im gleichen Abstand von jeder der beiden inneren felddefinierenden Elektrodenspindelstrukturen bleiben.
Die vorstehenden Ausführungsformen sind spezielle Lösungen der allgemeinen Gleichung U(x, v, z) = k / 2·z² + V(x, v) (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
E·exp(F·x)·cos(F·y + β) + G·exp(H·y)·cos(H·x + γ) + C (6b) 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.
Wenn es angrenzend an die Hauptflugbahn mehrere Elektrodensätze gibt (wobei die Elektrodensätze bogenförmige Fokussierlinsen bilden) und wenn sich diese Linsen an oder in der Nähe der z = 0-Ebene befinden, schreitet die Strahlposition am Linsenort vorzugsweise nach einer gegebenen Anzahl von Reflexionen (beispielsweise einer oder zwei Reflexionen) von den Spiegeln 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 Elektrodensätze geschnitten werden. Die Umlaufbewegung kann eine kreisförmige, elliptische oder 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. Die stabilsten Bahnkurven (mit einem minimalen Einfluss anfänglicher Parameter) entsprechen den beiden ersten dieser Bereiche.
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 können ein oder mehrere m/z-Bereiche (beispielsweise die interessierenden Ionen) zur Erfassung oder zur Ausstoßung aus dem Analysator ausgewählt werden, optional zu einem Detektor oder einer anderen Vorrichtung zur Weiterverarbeitung der Teilchen. 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 in der Nähe einer kreisförmigen Helix bewegen, 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 beim Orbitrap^TM-Analysator, 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. Beim Orbitrap^TM-Analysator 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 adressiert dieses Problem durch Einführen einer bogenförmigen Fokussierung, d. h. einer Fokussierung der geladenen Teilchenpakete gewünschter Ionen in Bogenrichtung, so dass ihre Divergenz in dieser Richtung beschränkt wird. 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 ø, die demgemäß als zylindrische Koordinaten angesehen werden können. 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), die ein oder mehrere an die Hauptflugbahn angrenzende Elektrodensätze bilden, 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. 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 einer bevorzugten Ausführungsform weist die Linse ein Paar entgegengesetzter Elektroden auf beiden Seiten der Hauptflugbahn in unterschiedlichen radialen 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 oder 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 anderen 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 bevorzugteren 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, die an oder in der Nähe der z = 0-Ebene zentriert sind. 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. Bevorzugter sind die eine oder die mehreren Linsen jeweils an oder in der Nähe der z = 0-Ebene zentriert. 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 anderen 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.
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. 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. Ferner sind die bogenförmigen Fokussierlinsen vorzugsweise an oder in der Nähe der Positionen, an denen der Strahl den Äquator kreuzt, während er durch den Analysator fliegt, periodisch um die Achse des Analysators angeordnet. Gemäß einigen bevorzugten Typen der Ausführungsform bilden die mehreren bogenförmigen Fokussierlinsen ein Array bogenförmiger Fokussierlinsen, die sich im Wesentlichen an der gleichen z-Koordinate befinden, die am bevorzugtesten an oder in der Nähe von z = 0 ist, jedoch am bevorzugtesten 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, die sich im Analysatorvolumen befindet, 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 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 bogenförmiger 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 helikale Bewegung um das innere felddefinierende Elektrodensystem. In diesen Fällen fliegt der Strahl entlang der Hauptflugbahn in Richtung der Längsachse in einem 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 bedeutet eine stabile Bahnkurve eine Bahnkurve, welcher die Teilchen unbegrenzt folgen, falls sie nicht unterbrochen werden (beispielsweise durch eine Ablenkung), wobei angenommen wird, dass kein Verlust des Strahls durch Energiedissipation durch Kollisionen oder durch eine 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 bedeutet eine instabile Bahnkurve eine Bahnkurve, welcher die Teilchen unbegrenzt folgen würden, falls sie nicht unterbrochen werden, wobei angenommen wird, dass kein Verlust des Strahls durch Energiedissipation durch Kollisionen oder durch eine Defokussierung auftritt. Die Hauptflugbahn weist dementsprechend keine Flugbahn mit einem zunehmend abnehmenden oder zunehmenden Radius auf. Die Hauptflugbahn kann allerdings eine Bahn einschließen, deren Radius oszilliert, beispielsweise eine elliptische Bahnkurve, wenn sie entlang der Analysatorachse betrachtet wird. 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.
Der geladene Teilchenstrahl kann in das Analysatorvolumen durch eine Eintrittsöffnung in einem oder beiden der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel oder durch eine Öffnung in einem oder beiden der inneren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel 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. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform treten Ionen durch eine Eintrittsöffnung in einer Richtung senkrecht zur z-Achse des Analysators an einem Wendepunkt innerhalb eines der entgegengesetzten Ionenspiegel in den Analysator ein. Die bevorzugte Richtung ist senkrecht zur z-Achse des Analysators, schneidet die z-Achse des Analysators jedoch nicht notwendigerweise, sondern sie ist vielmehr vorzugsweise um einen radialen Abstand, der gleich jenem der Hauptflugbahn ist, von der z-Achse des Analysators versetzt. Die Eintrittsöffnung kann sich in dem inneren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel befinden, oder sie kann sich in dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel befinden. Vorzugsweise befindet sich die Eintrittsöffnung in dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel in der Nähe und bevorzugter am Wendepunkt der Ionen in diesem Spiegel.
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 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 A2 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.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird der Injektor vorzugsweise so angeordnet, dass es vor dem Eintritt der Ionen in den Analysator ein gewisses Maß an Flugzeittrennung der Ionen gibt, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass der Injektor in einem Abstand vom Analysator angeordnet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ionenstrahl vom Injektor durch eine Eintrittsöffnung in der äußeren felddefinierenden Elektrode von einem der Spiegel in das Analysatorvolumen gerichtet, während das Analysatorfeld ausgeschaltet ist oder auf einen niedrigeren Betrag als das Hauptanalysatorfeld geschaltet ist, und das Analysatorfeld wird dann auf den Betrag des Hauptanalysatorfelds eingeschaltet, wenn die interessierenden Ionen einen geeigneten Punkt erreichen, so dass die interessierenden Ionen bei Vorhandensein des Hauptanalysatorfelds ohne weiteren Eingriff beginnen, sich auf der Hauptflugbahn zu bewegen. Hier ist das Analysatorfeld 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. Hier ist das Hauptanalysatorfeld das Analysatorfeld, in dem sich die geladenen Teilchen auf der Hauptflugbahn weiter entlang der Hauptflugbahn bewegen.
Wenn es vor dem Eintritt in den Analysator ein gewisses Maß einer Flugzeittrennung von Ionen gibt, ermöglicht das vorstehende Injektionsverfahren, dass Ionen mit einem beschränkten m/z-Bereich vorselektiert werden, weil nur Ionen innerhalb des beschränkten Bereichs, der die interessierenden Ionen einschließt, sich an dem geeigneten Punkt befinden, wenn das Hauptanalysatorfeld eingeschaltet wird, und daher nur Ionen innerhalb des beschränkten Bereichs beginnen, sich auf der Hauptflugbahn zu bewegen. Ionen, die sich nicht innerhalb des beschränkten Bereichs befinden, können verloren gehen, instabilen Umlaufbahnen folgen oder stabilen Umlaufbahnen folgen, die nicht die Hauptflugbahn sind. Dementsprechend können Ionen, die sich nicht innerhalb des beschränkten Bereichs befinden, nicht zusammen mit den interessierenden Ionen ausgestoßen werden und werden vorzugsweise nicht zusammen mit den interessierenden Ionen ausgestoßen.
Wenn alternativ Ionen mehrerer m/z-Bereiche aus einem Ionenstrahl auszuwählen sind und die Bereiche erheblich verschiedene durchschnittliche m/z-Werte aufweisen, hat der Injektor vorzugsweise einen Flugzeitfokus innerhalb des Analysators, bevorzugter auf der Hauptflugbahn des Analysators, so dass alle interessierenden Ionen gezwungen werden, der Hauptflugbahn zu folgen, wenn das Analysatorfeld eingeschaltet wird.
Wie bereits beschrieben, bewirkt das Anlegen des ersten und des zweiten Spannungssatzes an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze, dass interessierende Ionen von unerwünschten Ionen innerhalb des Ionenstrahls getrennt werden, die in den Analysator eingetreten sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die interessierenden Ionen, wenn ein gewünschtes Maß an Trennung erreicht wurde, analog dem Injektionsverfahren aus dem Analysator ausgestoßen, so dass, wenn die interessierenden Ionen einen geeigneten Punkt auf der Hauptflugbahn erreichen, das Analysatorfeld ausgeschaltet oder auf einen niedrigeren Betrag als das Hauptanalysatorfeld geschaltet wird, so dass die interessierenden Ionen die Hauptflugbahn verlassen und durch eine Öffnung in einer der äußeren felddefinierenden Elektrodenstrukturen aus dem Analysator austreten. Nur Ionen, die sich an dem geeigneten Punkt befanden und sich in einer gewünschten Richtung bewegen, verlassen den Analysator zu dieser Zeit durch die Öffnung und bewegen sich in eine Richtung, die geeignet ist, um sie zu empfangen. Dadurch wird ein weiterer Grad der m/z-Auswahl erreicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Ionen in einer zur z-Achse des Analysators senkrechten Richtung an einem Wendepunkt innerhalb eines der entgegengesetzten Ionenspiegel aus dem Analysator ausgestoßen. (Die bevorzugte Richtung ist senkrecht zur z-Achse des Analysators, schneidet diese jedoch nicht.)
Bei einer weiteren Ausstoßungsanordnung werden die geladenen Teilchen anfänglich aus der Hauptflugbahn ausgestoßen (beispielsweise abgelenkt) (beispielsweise durch einen Ablenker oder durch Beschleunigungselektroden), wobei die Hauptflugbahn in diesem Zusammenhang als die erste Hauptflugbahn bezeichnet wird, so dass sich der Strahl zu einer zweiten Hauptflugbahn in einem größeren oder kleineren radialen Abstand von der z-Achse des Analysators bewegt. Diese zweite Hauptflugbahn wird vorzugsweise auch als stabile Bahn innerhalb des Analysators bezeichnet. 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 zurück zur ersten (oder einer anderen) Hauptflugbahn ausgestoßen werden, beispielsweise um eine geschlossene TOF-Bahn zu beginnen.
Die geladenen Teilchen, welche der Ausstoßungsbahnkurve folgen, 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.
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, Cl, 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.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen erzeugen die Spiegel, wenn die Elektrodensysteme elektrisch vorgespannt sind, ein elektrisches Feld, das entgegengesetzte elektrische Felder entlang z aufweist, wobei die entgegengesetzten elektrischen Felder voneinander verschieden sind.
Die entgegengesetzten elektrischen Felder sind jedoch vorzugsweise gleich. Vorzugsweise sind das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem beider entgegengesetzter Spiegel gleich. Demgemäß ist das Hauptanalysatorfeld in dem Analysatorvolumen vorzugsweise um z = 0 symmetrisch. Vorzugsweise werden das innere und das äußere felddefinierende Elektrodensystem von einem der Spiegel auf dem gleichen Satz von einem oder mehreren elektrischen Potentialen gehalten wie die entsprechenden von dem einen oder den beiden inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen des anderen Spiegels.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einigen Ausführungsformen ein Verfahren zum Trennen geladener Teilchen vor, wodurch ein kompakter TOF-Massentrenner mit einer hohen Auflösung und einem unbegrenzten Massenbereich ermöglicht wird, der nahezu vollkommene Winkel- und Zeitfokussierungseigenschaften bei einem Minimum an Komponenten hoher Toleranz verwirklicht. Gemäß einigen anderen Ausführungsformen kann der Massenbereich begrenzt werden, um die Massenauflösung weiter zu erhöhen. Der Analysator kann mit einer geringen Anzahl von Komponenten hoher Toleranz gebildet werden. Insbesondere benötigt der Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung nur zwei entgegengesetzte Spiegel, die jeweils zwei Elektrodensysteme aufweisen. Überdies kann gemäß einigen Ausführungsformen eine einfache Konstruktion mit nur zwei felddefinierenden Elektrodensystemen verwendet werden, um beide Spiegel bereitzustellen, wie hier beschrieben wurde. Dementsprechend hat der Analysator vorzugsweise nur zwei entgegengesetzte Spiegel.
Weitere Vorteile können durch Anordnen mehrerer Analysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung in einem parallelen Array erhalten werden, wie weiter beschrieben wird.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt das für, das Beschreiben von Merkmalen der vorliegenden Erfindung verwendete Koordinatensystem.
2 zeigt eine schematische Ansicht der inneren und äußeren felddefinierenden Elektrodenstrukturen der beiden entgegengesetzten Spiegel für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch Beispiele von Hauptflugbahnen des Strahls und von Strahleinhüllenden gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
4 zeigt schematische Darstellungen eines Strahls von Ionen, die Oszillationen in einem erfindungsgemäßen Analysator mit (4b) und ohne (4a) bogenförmige Fokussierlinsen durchmachen, und eines Beispiels einer bogenförmigen Fokussierlinse (4c).
5 zeigt schematische Ansichten der Elektrodenstrukturen für verschiedene weitere Ausführungsformen der Erfindung.
6 zeigt schematische Ansichten der Elektrodenstrukturen für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt schematische Ansichten der Elektrodenstrukturen für eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt schematisch eine bevorzugte Instrumentenanordnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
9 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Instrumentenanordnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
10 zeigt schematisch einen Querschnitt eines weiteren Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Analysators 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 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 150,0 mm. Der maximale Radius der Außenfläche der inneren Elektrode 20 liegt auch bei z = 0 und beträgt 95,0 mm. Die äußere Elektrode 30 hat ein Potential von 0 V, und die innere Elektrode 20 hat ein Potential von –2587 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 = 1,42·10⁵ V/m², R_m = 307,4 mm, C = 0,0.
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.
Die Hauptflugbahn innerhalb des in 2 dargestellten Analysators liegt innerhalb einer zylindrischen Einhüllenden 110 mit einem Radius von etwa 100 mm und einem maximalen Abstand von der z = 0-Ebene von 138 mm. Die Hauptflugbahn weist eine reflektierte helikale Bahnkurve 120 zwischen den beiden Spiegeln auf (d. h. um die innere Elektrode 20 zwischen der inneren Elektrode 20 und der äußeren Elektrode 30), wie in dem schematischen Diagramm aus 3a dargestellt ist, worin gleiche Komponenten mit den gleichen Bezeichnungen versehen sind wie in 2. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Art der in den 2 und 3 schematisch dargestellten Ausführungsform ändert sich der radiale Abstand der Hauptflugbahn des Strahls von der z-Achse nicht von einer axialen Oszillation zu einer anderen axialen Oszillation. Gemäß der in 3a dargestellten Ausführungsform durchläuft die Hauptflugbahn entlang der z-Achse 36 vollständige Oszillationen, bevor sie ihren Anfangspunkt wieder erreicht. Jede Oszillation entlang der z-Achse ist eine einfache harmonische Bewegung. Die helikale Bahnkurve 120 aus 3a zeigt die Hauptflugbahn als ob die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme der Spiegel nicht vorhanden wären, d. h. die Hauptflugbahn ist als durch die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme nicht verdeckt dargestellt, und es sind 36 getrennte Punkte sichtbar, an denen die Hauptflugbahn die z = 0-Ebene kreuzt (wenngleich jene an den äußersten Werten von r in der Figur schwierig aufzulösen sind). Weitere 36 Punkte sind vorhanden, jedoch verdeckt, was insgesamt 72 ergibt, weil die Bahnkurve hinter den inneren felddefinierenden Elektrodensystemen genau hinter der Bahnkurve liegt, die vor dem inneren felddefinierenden Elektrodensystem verläuft, wobei die letztgenannte Bahnkurve die vorgenannte verdeckt. Die Hauptparameter des Felds wurden so gewählt, dass die Umlauffrequenz (d. h. die Bogenfrequenz) und die axiale Oszillationsfrequenz (in z-Richtung) derart sind, dass der Ionenstrahl veranlasst wird, an vorgegebenen Positionen in der Art der mit 22 markierten durch die z = 0-Ebene hindurchzutreten. Die Hauptflugbahn ist an der z = 0-Ebene um 55,96 Grad gegen die z-Achse geneigt und schreitet um die z-Achse auf der Ebene z = 0 (d. h. jedes Mal dann, wenn sie durch die z = 0-Ebene hindurchtritt) in 5-Grad-Intervallen fort, wodurch sie ihren Anfangspunkt nach 72 Halboszillationen oder Reflexionen erreicht. Bei der Verwendung hat ein Ionenstrahl, welcher der Hauptflugbahn folgt, eine Bogengeschwindigkeit, die einer kinetischen Energie von 3000 eV entspricht, und eine axiale Geschwindigkeit, die einer kinetischen Energie von 1217,5 eV entspricht, wenn er sich in der Ebene z = 0 befindet. Die Gesamtstrahlenergie beträgt 4217,5 eV. Gemäß dieser bestimmten Ausführungsform bewegt sich der Strahl nach 36 vollständigen Oszillationen entlang z (gleich 72 Durchgängen durch die z = 0-Ebene) in Achsenrichtung des Analysators, welche die Richtung der Flugzeittrennung der Ionen ist, um etwa 9,94 m, bevor er wieder seinen Anfangspunkt erreicht. 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 138 mm × 2 = 276 mm, jedoch über eine effektive Strecke von 138 mm × 2π = 867 mm). Bei 36 vollständigen Oszillationen beträgt die effektive durchlaufene Gesamtlänge daher 867 mm × 36 = 31,2 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 die Hauptflugbahn aus 3a eine helikale Bahn mit konstantem Radius ist, sind auch andere die vorliegende Erfindung verwendende Analysatoren möglich, die andere Formen von Einhüllenden von Flugbahnen erzeugen. Einige nicht einschränkende Beispiele von Formen der Einhüllenden der Hauptflugbahn sind in 3b schematisch bei 110, 111, 112, 113, 114 dargestellt. Jede dieser Einhüllendenformen kann beispielsweise auch beliebige der bei 110a, 110b, 110c und 110d dargestellten Querschnittsformen aufweisen.
Die in 3a dargestellte Bahnkurve 120 ist ein Beispiel der innerhalb des Analysators ausgeführten Hauptflugbahn, wenn mehrere bogenförmige Fokussierlinsen verwendet werden, um die Bogendivergenz des Ionenstrahls zu beschränken, wobei sich die Linsen in diesem Fall vorzugsweise an oder in der Nähe der z = 0-Ebene 90 befinden und radial so um den Analysator beabstandet sind, dass sie die Hauptflugbahn, während sie um die Analysatorachse inkrementell zunimmt, in Bogenrichtung schneiden. In diesem Fall gibt es 36 bogenförmige Fokussierlinsen, ihre Zahl wäre jedoch geringer, wenn der Strahl nach zwei oder mehr Oszillationen auf eine Linse treffen würde. Gemäß bevorzugteren Ausführungsformen, welche nur eine oder zwei bogenförmige Fokussierlinsen verwenden, nimmt die Hauptflugbahn jedoch nicht in dieser Weise inkrementell um die Analysatorachse zu, sondern sie folgt einer helikalen Bahn, die sich um n·π Winkeldrehungen des Analysators pro Reflexion um die Analysatorachse dreht, wobei n eine ungerade Zahl ist, wenn es zwei bogenfφrmige Fokussierlinsen gibt, oder sich um N·π Winkeldrehungen des Analysators pro Reflexion um die Analysatorachse dreht, wobei N eine gerade Zahl ist, wenn es eine bogenfφrmige Fokussierlinse gibt. In dem Fall, in dem zwei bogenfφrmige Fokussierlinsen vorhanden sind, liegen sie auf radial entgegengesetzten Seiten des Analysators auf einer Linie, die durch die z-Achse verläuft.
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. 4a zeigt eine schematische Darstellung eines Ionenstrahls 410, der weniger als zwei axiale Oszillationen in einem quadro-logarithmischen Potentialanalysator ähnlich dem in den 2 und 3 durchmacht, worin die Strahlverbreiterung 420 in Bogenrichtung nach etwas weniger als einer axialen Oszillation dargestellt ist. 4b zeigt einen ähnlichen Strahl 460 in einem ähnlichen Analysator, in den jedoch mehrere bogenförmige Fokussierlinsenanordnungen aufgenommen wurden. Diese bogenförmigen Fokussierlinsenanordnungen oder Linsen weisen zumindest einige der Sätze von Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Die bogenförmigen Linsenanordnungen weisen zwei entgegengesetzte Kreislinsenelektroden in Form in 4c dargestellter Platten 432, 434 auf. 4b zeigt aus Gründen der Klarheit nur die inneren Platten 434. 4b zeigt auch die sich ergebende verringerte bogenförmige Strahlverbreiterung 440, die für viele Oszillationen des Strahls aufrechterhalten werden kann. Der Strahl beginnt in beiden Fällen an einer Position 450 mit der gleichen Strahldivergenz. Es wird aus 4a verständlich sein, dass ohne eine bogenförmige Fokussierung nur eine sehr begrenzte Bahnlänge innerhalb des Analysators ohne eine erhebliche Strahlverbreiterung mit den damit einhergehenden Problemen der Ausstoßung und Detektion, die bereits beschrieben wurden, möglich ist. 4b zeigt, dass die Strahldivergenz in Bogenrichtung gesteuert werden kann, wodurch eine viel größere Anzahl von Reflexionen möglich ist. Falls es eine ausreichende bogenförmige Fokussierung gibt, weist die Strahlbahn ohne eine Überlappung im Prinzip eine unbegrenzte Länge auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Anlegen des ersten Spannungssatzes an den einen oder die mehreren Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn die erforderliche bogenförmige Fokussierung der interessierenden Ionen innerhalb des Ionenstrahls, um den Strahl in Bogenrichtung zu beschränken, wodurch eine Massenselektion eines beschränkten Strahls ermöglicht wird. Das Anlegen des zweiten Spannungssatzes an den einen oder die mehreren Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn führt zu einer geringeren bogenförmigen Fokussierung unerwünschter Ionen innerhalb des Strahls und vorzugsweise zu einer unterbrechenden Wirkung auf die unerwünschten Ionen innerhalb des Strahls.
Bei dem in 4b schematisch dargestellten Beispiel weisen die bogenförmigen Linsen 430, die zumindest einige der Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn aufweisen, jeweils ein Paar entgegengesetzter Kreislinsenelektroden auf, die in einem Abstand von 10 Grad im Bogenwinkel um die z = 0-Ebene angeordnet sind, um den Strahl zu unterbrechen, wenn er die z = 0-Ebene kreuzt. Eine Elektrode 434 jeder Linse 430 befindet sich in einem kleineren Radius von der z-Achse als der Strahl, und die entgegengesetzte Elektrode 432 derselben Linse 430 befindet sich in einem größeren Radius von der z-Achse als der Strahl, wobei der Strahl zwischen den beiden entgegengesetzten Elektroden 432, 434 durchläuft, wie in 4c dargestellt ist. In 4b sind aus Gründen der Klarheit nur die Kreiselektroden 434 jedes Paars in einem kleineren Radius dargestellt. Die entgegengesetzten Linsenelektroden 434 und 432 befinden sich in zylindrischen ringförmigen Gürtelelektrodenanordnungen (nicht dargestellt) bei r = 97 mm bzw. 103 mm und sind elektrisch davon isoliert (wobei r der Radius von der z-Achse ist). Die Gürtelelektrodenanordnung beim kleineren Radius wird hier als die innere Gürtelelektrodenanordnung bezeichnet, und die Gürtelelektrodenanordnung beim großen Radius wird hier als die äußere Gürtelelektrodenanordnung bezeichnet. Die Gürtelelektrodenanordnungen liegen daher auf beiden Seiten der Hauptflugbahn, die sich bei r = 100 mm befindet, radial dicht beieinander. Weitere Einzelheiten verschiedener Ausführungsformen von Gürtelelektrodenanordnungen werden nachstehend beschrieben. Die Gürtelelektrodenanordnungen sind auf der z = 0-Ebene zentriert und weisen eine z-Länge von 44 mm auf. Die innere Gürtelelektrodenanordnung ist mit einem Potential U₁ = –2426,0 V elektrisch vorgespannt, und die äußere Gürtelelektrodenanordnung ist mit einem Potential U₂ = –2065,8 V vorgespannt, wobei diese Potentiale dicht bei den Potentialen des quadro-logarithmischen Potentials im Analysator an den jeweiligen Gürtelradien sind. Idealerweise wären die Gürtelelektrodenanordnungen nicht genau Zylinder, sondern sie würden den Konturen (Äquipotentiallinien) des quadro-logarithmischen Potentials in dem Bereich, in dem sie angeordnet sind, folgen, in diesem Beispiel werden jedoch zylindrische Elektroden verwendet, die eine vernünftige Näherung der quadro-logarithmischen Potentiale in diesem Bereich sind. Um eine Stufe des Felds an dem Punkt zu vermeiden, an dem sich der innere Gürtel mit der inneren Elektrode verbindet, ist der innere Gürtel etwas kleiner gemacht als der Nenndurchmesser der inneren Elektrode bei z = 0. Die innere Gürtelelektrodenanordnung hat 36 gleich beabstandete Öffnungen, die jeweils einen Durchmesser von 14,9 mm aufweisen und in denen die inneren bogenförmigen Linsenelektroden 434 angebracht sind, und die äußere Gürtelelektrodenanordnung hat 36 gleich beabstandete Öffnungen, die jeweils einen Durchmesser von 16,0 mm aufweisen, in denen die äußeren bogenförmigen Linsenelektroden 432 angebracht sind. Gemäß alternativen Ausführungsformen können bogenförmige Linsenelektroden an den Orten um die z-Achse des Analysators nicht vorhanden sein, an denen Ablenker angeordnet sind, um die Injektion und die Ausstoßung zu bewirken. Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen können die bogenförmigen Linsen selbst als Ablenker wirken, wenn sie mit Ablenkpotentialen angeregt werden. Bei diesem Beispiel weisen die inneren Linsenelektroden 434 einen Durchmesser von 13,0 mm und die äußeren Linsenelektroden 432 einen Durchmesser von 13,8 mm auf. 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 oder den Linsenelektroden geändert werden, so dass der Strahl gemäß einigen Ausführungsformen beispielsweise die folgenden Bedingungen erfüllt: (i) Der radiale Abstand des Strahls von der z-Achse ändert sich nicht von einer axialen Oszillation zu einer anderen axialen Oszillation, (ii) die Halbperiode axialer Oszillationen entspricht dem 10-Grad-Bogenwinkel der Drehung an der z = 0-Ebene pro vollständiger Oszillation, so dass der Strahl bei jeder bogenförmigen Fokussierlinse 430 zentriert wird, wenn er nach jeder vollständigen Oszillation durch die z = 0-Ebene hindurchtritt.
Die räumliche Verbreiterung der interessierenden Ionen in Bogenrichtung φ sollte den Durchmesser der Linsenelektroden 434, 432 der bogenförmigen Linsen 430 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. Bei diesem Beispiel ist der Ionenstrahl bei einer Strahlverbreiterung in Bogenrichtung von bis zu +/–5 mm stabil. Bei einer größeren Verbreiterung werden die Aberrationen zweiter Ordnung der bogenförmigen Linsen erheblich, und nach mehreren Reflexionen in den Spiegeln können sich einige Ionen aus den Kreislinsenelektroden 432, 434 heraus erstrecken. Die bogenförmigen Linsen 430 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. Beispielsweise werden Ionen, die ihre Bahnkurven bei r = 100,5 mm beginnen, radial innerhalb von etwa +/–1 mm gehalten, Teilchen, die ihre Bahnkurven bei r = 101,0 mm beginnen, werden jedoch radial innerhalb von etwa +/–3,5 mm gehalten. Eine radiale Verbreiterung des interessierenden Ionenstrahls kann zum Verlust von Ionen nach mehreren Reflexionen an den Analysatorspiegeln führen, und die bogenförmigen Linsenentwürfe müssen dies berücksichtigen, falls die anfängliche räumliche Ausdehnung des Ionenstrahls in radialer Richtung groß genug ist. Die anfängliche Ionenenergieverbreiterung beeinflusst auch die Fokussierung der bogenförmigen Linsen. In diesem Beispiel können relativen radialen Energieverbreiterungen ΔE/E von bis zu +/–1%, radialen Verbreiterungen von bis zu +/–0,3 mm und bogenfφrmigen Verbreiterungen von bis zu +/–5 mm mit einem Transmissionsverlust von nur –20% nach 27 vollstδndigen Oszillationen in z-Richtung und mit einem Auflösungsvermögen von über 80000 (für ein anfängliches Ionenpaket mit einer vernachlässigbaren zeitlichen Verbreiterung) Rechnung getragen werden. Ein wichtiger Vorteil dieses Entwurfs ist die Fähigkeit, einen breiten Massenbereich von Ionen zu übertragen und sie zeitlich weit genug zu dispergieren, um selbst bei Verwendung verhältnismäßig einfacher Ablenker oder Bradbury-Nielsen-Gatter eine hohe Auflösung der Massenselektion bereitzustellen. Eine große Anzahl von m/z-Fenstern könnte, falls erwünscht, aus einer einzigen Injektion ausgewählt werden.
Zwei weitere Beispiele (Beispiele B und C) der Erfindung verwenden einen dem vorstehend beschriebenen ähnlichen Analysator (Beispiel A), jedoch alternative Werte für die verwendeten Konstanten, Abmessungen und Potentiale, wie in Tabelle 1 angeführt ist. Beispiel B umfasst einen Analysator, der zwei Elektrodensätze angrenzend an die Hauptflugbahn aufweist, die für eine bogenförmige Fokussierung geeignet sind, welche auf der z = 0-Ebene um 180 Grad in Bogenrichtung getrennt sind. Ionen orbitieren um π/2 von einer Eingangsφffnung zum ersten Satz von Elektroden. Der Analysator weist eine Scheibe auf, welche die beiden entgegengesetzten Spiegel trennt, wie weiter beschrieben wird. Beispiel C umfasst einen Analysator mit einem einzigen Satz von Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn, die für eine bogenförmige Fokussierung geeignet sind, bestehend aus einem einzigen Elektrodensatz in die äußere felddefinierende Elektrode beider Spiegel auf der z = 0-Ebene. Bei beiden Beispielen besteht jeder Satz von Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn aus einer einzigen Elektrode, die sich in einem größeren radialen Abstand von der Analysatorachse als die Hauptflugbahn befindet, und sie sind daher in Tabelle 1 mit nur zwei alternativen Potentialen versehen. Diese Potentiale sind das Potential, das anzulegen ist, wenn sich die interessierenden Ionen in der Nähe der Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn befinden (um eine bogenförmige Fokussierung zu induzieren), bzw. das Potential, das anzulegen ist, wenn sich die interessierenden Ionen nicht in der Nähe der Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn befinden (um eine Strahlablenkung unerwünschter Ionen zu induzieren).

Beide Beispiele B und C sind Varianten, die für die Auswahl eines oder einiger m/z-Fenster aus einem verhältnismäßig schmalen Massenbereich, was bei der heutigen Massenspektrometrie ein typischer Fall ist, optimierte Varianten sind.

Parameter	Beispiel B	Beispiel C
z-Länge des Analysators	+/–35 mm	+/–20 mm
Maximaler äußerer Radius der inneren Elektrode	48 mm	9 mm
Maximaler innerer Radius der äußeren Elektrode	55 mm	12 mm
Injektionsradius	50 mm	10 mm
Hauptflugbahnradius	50 mm	10 mm
Maximaler Abstand der Hauptflugbahn von der z = 0-Ebene	18 mm	10 mm
Axiale Injektionskoordinate	18 mm	10 mm
Injektionsenergie	1000 V	4000 V
Äußeres Elektrodenpotential	0 V	0 V
Inneres Elektrodenpotential	–264,2 V	–2275
k	8·105	2·107
R_m	86,6 mm	30 mm
C	0	0
Drehung pro einzelner axialer Reflexion	π	2·π
Neigung der Hauptflugbahn zur z-Achse bei z = 0	19,8 Grad	26,56
Effektive Bahnlänge in axialer Richtung (z-Richtung) pro vollständiger Reflexion	113 mm	62,8
Effektive Gesamtlänge der Flugbahn pro vollständiger Reflexion	334 mm	140,5
Innerer Radius der äußeren Gürtelelektrodenanordnung	52 mm	N/A
Potential der Elektrode angrenzend an die Hauptfugbahn	20 V/–200 V	80 V/–1000 V
z-Länge der bogenförmigen Fokussierelektrodenanordnung	3 mm	3 mm
Axiale Dicke des Gürtels	2 mm	N/A

Tabelle 1.

Massenselektoren unterschiedlicher Größen können aus skalierten Versionen der hier angegebenen Beispiele hergestellt werden. Insbesondere könnten miniaturisierte Massenselektoren durch Herunterskalieren der Beispiele B und C um einen Faktor 10 hergestellt werden.
Das vorstehend angegebene Beispiel A für bogenförmige Fokussierlinsen verwendet Gürtelelektrodenanordnungen zu Unterstützen der Linsenelektroden, wie bereits beschrieben wurde. Die innere Gürtelelektrodenanordnung wird von dem einzelnen inneren felddefinierenden Elektrodensystem 20 beider Spiegel gehalten.
Die äußere Gürtelelektrodenanordnung wird von dem einzelnen äußeren felddefinierenden Elektrodensystem 30 beider Spiegel gehalten. Die innere Gürtelelektrodenanordnung hat einen Radius, der nur etwas größer ist als jener des inneren felddefinierenden Elektrodensystems an der z = 0-Ebene, und kann zweckmäßigerweise beispielsweise durch kurze Isolatoren oder eine Isolierschicht an dem inneren felddefinierenden Elektrodensystem angebracht sein. Die äußere Gürtelelektrodenanordnung 20 hat jedoch einen erheblich kleineren Radius als das äußere felddefinierende Elektrodensystem an der z = 0-Ebene. Zum Erleichtern des Anbringens der Gürtelelektrode wird der Aufbau des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems 20 vorzugsweise geändert. Eine schematische Darstellung einer bevorzugten äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur für das Anbringen von Gürtelelektrodenanordnungen ist in 5 angegeben. Die 5a und 5b zeigen eine seitliche Schnittansicht bzw. eine abgeschnittene perspektivische Ansicht des inneren bzw. des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems 600, 610 aus zwei Spiegeln. Das äußere felddefinierende Elektrodensystem 610 hat einen taillierten Abschnitt 620 mit einem geringeren Durchmesser in einem Bereich in der Nähe der z = 0-Ebene. 5c zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht des Analysators, worin ersichtlich ist, dass dort, wo das äußere felddefinierende Elektrodensystem 610 bei 620 eine Taille bildet, ein Array von Elektrodenbahnen 630 an verschiedenen radialen Positionen in den Analysator weisend angeordnet ist. Diese Elektrodenbahnen sind geeignet elektrisch vorgespannt, so dass sie unterbinden, dass der taillierte Abschnitt des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems die quadro-logarithmische Potentialverteilung anderswo innerhalb des Analysators verzerrt. Das Array von Elektrodenbahnen kann alternativ beispielsweise durch eine geeignete resistive Beschichtung ausgetauscht werden, oder es können andere Elektrodenmittel vorgesehen werden. Wie hier erwähnt, sind infolge ihrer Funktion das Array von Elektrodenbahnen, die resistive Beschichtung oder andere Elektrodenmittel zum Unterbinden der Verzerrung des Hauptfelds Teil des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems des Spiegels, worauf sie sich beziehen. Die Innenfläche 640 des taillierten Abschnitts 620 des äußeren felddefinierenden Elektrodensystems wird verwendet, um die äußere Gürtelelektrode 660 zu halten, welche wiederum bogenförmige Linsenelektroden hält, wie zuvor beschrieben wurde. Die innere und die äußere Gürtelelektrodenanordnung 650 bzw. 660 können dann zweckmäßig innerhalb des Analysators vom inneren bzw. vom äußeren felddefinierenden Elektrodensystem 600, 610 angebracht werden. Die Gürtelelektrodenanordnungen 650 und 660 können über kurze Isolatoren oder eine Isolierschicht vom inneren und vom äußeren felddefinierenden Elektrodensystem 600, 610 angebracht werden. Bei dem Beispiel aus 6c sind sowohl die innere als auch die äußere Gürtelelektrodenanordnung 650, 660 gekrümmt, um den Konturen der quadro-logarithmischen Potential-Äquipotentiale zu folgen, wo sie positioniert sind, wenngleich auch einfachere zylindrische Querschnitte verwendet werden könnten.
Elektrodenanordnungen zum Halten bogenförmiger Fokussierlinsen können irgendwo in der Nähe der Hauptflugbahn innerhalb des Analysators positioniert werden. Eine alternative Ausführungsform zu der in 5c dargestellten ist in 5d schematisch dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich eine einzelne Gürtelelektrodenanordnung 670, welche bogenförmige Linsen hält, angrenzend an die Hauptflugbahn an einem der Wendepunkte. 5d 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 ist gemäß dieser Ausführungsform ein Zylinder 680. 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.
Im Interesse der Einfachheit und kostengünstigen Herstellung verwenden, wie bereits beschrieben wurde, bevorzugtere Ausführungsformen zwei Sätze oder nur einen Satz von Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn innerhalb des Analysators. Zusätzliche Vorteile können durch die Verwendung von weniger Elektrodensätzen angrenzend an die Hauptflugbahn erhalten werden, wie beschrieben wird. Eine bevorzugte Ausführungsform, welche eine einzige bogenförmige Fokussierlinse verwendet, ist in 6 schematisch dargestellt. Innere felddefinierende Elektrodensysteme 500 weisen eine einzige Elektrode für beide entgegengesetzten Spiegel auf. Äußere felddefinierende Elektrodensysteme 510 weisen eine einzige Elektrode für beide entgegengesetzten Spiegel auf. Es sind die z-Achse und die z = 0-Ebene dargestellt. 6a ist eine schematische Seitenansicht des Analysators, und 6b ist eine schematische Schnittansicht an der z = 0-Ebene. Eine Eintrittsöffnung 570 im äußeren felddefinierenden Elektrodensystem von einem der Spiegel ermöglicht den Eintritt des Ionenstrahls 580 in den Analysator (beispielsweise von einer gepulsten Ionenquelle in der Art einer gekrümmten linearen Ionenfalle oder C-Falle). Beim Eintritt in den Analysator wird das Analysatorfeld ausgeschaltet, so dass das Analysatorvolumen feldfrei ist und der Strahl einer geraden Bahnkurve folgt, bis er einen Punkt P auf der Hauptflugbahn erreicht, woraufhin das Analysatorfeld eingeschaltet wird und auf die Hauptanalysatorfeldstärke gesetzt wird, so dass der Ionenstrahl 580 der Hauptflugbahn folgt. Das Analysatorfeld wird für Analysatoren mit ähnlichen Eigenschaften wie jene in den Beispielen A, B und C eingeschaltet, so dass es eine Anstiegszeit von 10% bis 90% des Analysatorfelds in einer Zeit zwischen 10 und 100 ns hat. Falls längere Zeitskalen als diese verwendet werden (wobei Zeitkonstanten von 5 bis 50 Mikrosekunden ein bevorzugter Bereich sind), wird der Ionenstrahl 580 stattdessen auf einen etwas anderen Punkt als den Punkt P gerichtet, um der Strahlbewegung durch das sich ändernde Analysatorfeld Rechnung zu tragen. Für Fälle, in denen ein einziger Bereich von m/z-Ionen die innerhalb des Strahls interessierenden Ionen bildet, profitiert diese Ausführungsform von der Verwendung einer gepulsten Ionenquelle, die so positioniert ist, dass es zumindest eine gewisse Flugzeittrennung gibt, bevor Ionen in den Analysator eintreten. In diesen Fällen befinden sich nur einige der Ionen innerhalb des Strahls unter Einschluss der interessierenden Ionen an oder in der Nähe des Punkts P, wenn das Analysatorfeld eingeschaltet wird, und alle anderen Ionen werden nicht dazu gebracht, der Hauptflugbahn zu folgen, wodurch während des Eintritts in den Analysator ein Grad einer m/z-Trennung erreicht wird.
Die Hauptflugbahn weist eine helikal geformte Bahnkurve auf, die sich bei jeder Reflexion an einem der entgegengesetzten Spiegel um 2π um die z-Achse dreht. Dementsprechend kehrt die Hauptflugbahn nach jeder Reflexion in die Nähe des Punkts Q zurück. Dies ermöglicht es, dass der Analysator etwas anders aufgebaut ist als die zuvor beschriebenen Analysatoren. Der Analysator gemäß dieser Ausführungsform weist eine Scheibe 520 auf, welche den Raum zwischen dem inneren und dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem 500, 510 umspannt. Diese Scheibe ist auf beiden Seiten mit einer resistiven Beschichtung 530 beschichtet und elektrisch mit dem inneren felddefinierenden Elektrodensystem verbunden, wo es an das innere felddefinierende Elektrodensystem angrenzt, und die Beschichtung 530 ist elektrisch mit dem äußeren felddefinierenden Elektrodensystem verbunden, wo es an das äußere felddefinierende Elektrodensystem angrenzt. Die Beschichtung nimmt dadurch ein elektrisches Potential an, das mit dem Potential übereinstimmt, das vorhanden wäre, wenn keine Scheibe 520 vorhanden wäre. Das Vorhandensein der Scheibe 520 stört daher nicht das Feld innerhalb des Analysators. Die Scheibe 520 ist vorzugsweise 1 bis 5 mm dick. Die Scheibe 520 weist einen Schlitz 590 auf, durch den die Hauptflugbahn hindurchtritt. An einer Seite des Schlitzes 590 ist eine bogenförmige Linsenelektrode 560 angebracht (nur in 6a dargestellt), die sich in der Nähe des Punkts Q befindet, so dass die Hauptflugbahn nach jeder Reflexion in der Nähe der bogenförmigen Linsenelektrode 560 vorbeiläuft. Die bogenförmige Linsenelektrode 560 ist in diesem Beispiel eine einzelne Elektrode, die an die Hauptflugbahn angrenzt. Gemäß anderen Ausführungsformen kann ein entgegengesetztes Paar von Elektroden verwendet werden, wobei die Elektrode 560 eine entgegengesetzte Elektrode ähnlicher Größe und Form aufweist, die über einen Isolator an der Oberfläche der inneren Elektrode auf der anderen Seite der Hauptflugbahn in der Nähe des Punkts Q angebracht ist. Die bogenförmige Linsenelektrode 560 kann ein erstes Mal und während eines ersten Zeitraums angeregt werden, indem ein erster Satz einer oder mehrerer Spannungen angelegt wird, um eine bogenförmige Fokussierungswirkung auf die interessierenden Ionen auszuüben, die in der Nähe des Punkts Q vorbeilaufen. Die bogenförmige Linsenelektrode 560 kann ein zweites Mal und während eines zweiten Zeitraums angeregt werden, indem ein zweiter Satz einer oder mehrerer Spannungen angelegt wird, um eine unterbrechende (d. h. defokussierende oder vorzugsweise ablenkende) Wirkung auf unerwünschte Ionen auszuüben, die in der Nähe des Punkts Q vorbeilaufen. Vorteilhafterweise wirkt die Scheibe 520 als eine elektrische Abschirmung, so dass Ionen, die weiter vom Punkt Q entfernt sind, nicht erheblich durch die an die bogenförmige Linsenelektrode 560 angelegten Spannungen beeinflusst werden, wodurch ermöglicht wird, dass der zweite Zeitraum eingeleitet wird kurz nachdem die interessierenden Ionen den Punkt Q passiert haben. Der zweite Zeitraum kann fortdauern, bis die interessierenden Ionen eine Reflexion abgeschlossen haben und sich wieder dem Punkt Q nähern, woraufhin der zweite Spannungssatz ausgeschaltet werden kann und der erste Spannungssatz wieder eingeschaltet werden kann usw. Das Vorhandensein der Scheibe 520 mit ihrer elektrischen Abschirmungswirkung ermöglicht dadurch das Schalten von Spannungssätzen an der bogenförmigen Linsenelektrode in einer solchen Weise, dass interessierende Ionen schneller von unerwünschten Ionen getrennt werden. Die Scheibe 520 macht es auch unnötig, den Analysator mit einem taillierten Abschnitt herzustellen, wie bei 620 in Bezug auf 5 beschrieben wurde. Die Wirkung des zweiten Satzes an die bogenförmige Fokussierlinse 560 angelegter Spannungen führt dazu, dass unerwünschte Ionen die Hauptflugbahn verlassen und entweder auf die Scheibe 520 oder das innere oder das äußere felddefinierende Elektrodensystem treffen und dadurch von den interessierenden Ionen getrennt werden. Der erste und der zweite Spannungssatz können der einzige Satz an die bogenförmige Fokussierlinse 560 angelegter Spannungen sein, oder dies kann nicht der Fall sein. Optional kann zu verschiedenen Zeiten ein dritter Spannungssatz an die bogenförmige Fokussierlinse 560 angelegt werden, wobei der dritte Spannungssatz derart ist, dass weder eine bogenförmige Fokussierung herbeigeführt wird noch eine Strahlablenkung herbeigeführt wird. Der dritte Spannungssatz gemäß dieser Ausführungsform bewirkt keine erhebliche Änderung an den in der Nähe der bogenförmigen Linse vorbeilaufenden Ionenpaketen. Optional wird der dritte Spannungssatz an Stelle des zweiten Spannungssatzes, beispielsweise bei 9 von 10 Reflexionen oder gemäß einer anderen Ausführungsform bei 49 von 50 Reflexionen an die bogenförmige Fokussierlinse angelegt, so dass die durch das Anlegen des zweiten Spannungssatzes bewirkte Strahlablenkung nur unerwünschte Ionen beeinflusst und nie interessierende Ionen beeinflusst, weil sich überlappende Pakete mit unterschiedlichen m/z-Werten in der Nähe der bogenförmigen Fokussierlinse befinden, wenn der zweite Spannungssatz angelegt wird. Die Wahl des Zeitraums für das Schalten zwischen dem zweiten Spannungssatz und dem dritten Spannungssatz kann durch ein Grundwissen des Spektrums der in den Analysator zu injizierenden Ionen zusammen mit der Auswahl der zu selektierenden interessierenden Ionen bestimmt werden.
Eine Öffnung 575 (nur in 6b dargestellt) bildet ein Mittel für den Austritt eines Ionenstrahls 585 aus dem Analysator. Der Ionenstrahl 585 ist ein massenselektierter Ionenstrahl mit interessierenden Ionen, der sich entlang einer geraden Linie von der Hauptflugbahn durch die Austrittsöffnung 575 bewegt, wenn das Analysatorfeld ausgeschaltet wird. Das Analysatorfeld wird ausgeschaltet, wenn die interessierenden Ionen ausreichend von unerwünschten Ionen abgetrennt worden sind und wenn die interessierenden Ionen einen geeigneten Punkt auf der Hauptflugbahn erreicht haben, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Analysatorfeld wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch einfaches Verringern des an die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme beider Spiegel angelegten Potentials auf 0 V ausgeschaltet, wobei das äußere felddefinierende Elektrodensystem beider Spiegel stets auf 0 V liegt. Das Analysatorfeld wird ausgeschaltet und fällt bei Analysatoren mit ähnlichen Eigenschaften wie jene in den Beispielen A, B und C innerhalb eines Zeitbereichs von 10 bis 100 ns von 90% auf 10% Feldstärke ab. Falls längere Zeitbereiche als dieser verwendet werden (wobei Zeitkonstanten von 5 bis 50 Mikrosekunden ein bevorzugter Bereich sind), wird der Ort der Öffnung 575 eingestellt, um der Ionenbewegung durch das sich ändernde Analysatorfeld Rechnung zu tragen.
Alternativ kann die Öffnung 575 verwendet werden, um einen Ionenstrahl ohne Massenselektion gerade durch den Analysator hindurchlaufen zu lassen, wobei Ionen in die Öffnung 570 eintreten und bei ausgeschaltetem Analysatorfeld gerade durch die Öffnung 575 hindurchtreten.
Die Ausführungsform aus 6 ist eine Ausführungsform, welche einen bevorzugten Aufbau hat, der eine Scheibe 520 mit einem Schlitz 590, um eine Abschirmung bereitzustellen, eine einzige bogenförmige Fokussierlinse, die zweckmäßigerweise an der Scheibe 520 angebracht ist, und Öffnungen 570 und 575, um einfache Mittel zum Injizieren von Ionen in den Analysator und zum Ausstoßen massenselektierter Ionen aus dem Analysator bereitzustellen, aufweist. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Scheibe 520 senkrecht zur Analysatorachse angeordnet, jedoch gegenüber der z = 0-Ebene versetzt. Andere Ausführungsformen verwenden verschiedene Konstruktionen der Gürtelelektroden 650, 660 in der Art der in 5 dargestellten.
Das vorstehend beschriebene Beispiel B weist einen Analysator auf, der eine Scheibe ähnlich der Scheibe 520 aus 6 enthält, die Scheibe im Fall des Analysators aus Beispiel B hat jedoch zwei Schlitze, wobei einer dem Ort jedes Elektrodensatzes angrenzend an die Hauptflugbahn entspricht.
Eine alternative Ausführungsform ist in 7 schematisch dargestellt. Innere felddefinierende Elektrodensysteme 700 weisen eine einzige Elektrode für beide gegenüberstehenden Spiegel auf. Äußere felddefinierende Elektrodensysteme 710 weisen eine einzige Elektrode für beide entgegengesetzten Spiegel auf. Die z-Achse und die z = 0-Ebene sind dargestellt. 7 ist eine schematische Seitenansicht des Analysators. Gemäß dieser Ausführungsform wird wiederum eine einzige bogenförmige Fokussierlinse verwendet, gemäß dieser Ausführungsform befindet sich die bogenförmige Fokussierlinse 760 jedoch innerhalb der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur beider Spiegel auf der z = 0-Ebene, ist jedoch elektrisch von der äußeren felddefinierenden Elektrodenstruktur beider Spiegel isoliert. Es wird keine in 6 dargestellte Scheibe 520 verwendet. Gemäß dieser Ausführungsform wird der zweite Spannungssatz an die bogenförmige Fokussierlinse 760 angelegt, wenn sich die interessierenden Ionen um die andere Seite der inneren felddefinierenden Elektrodenstrukturen der Spiegel von der bogenförmigen Linse befinden, so dass die inneren felddefinierenden Elektrodenstrukturen der Spiegel die interessierenden Ionen von der sich ändernden Spannung an der bogenförmigen Linse abschirmen. Es werden ähnliche Öffnungen wie in 6 für den Strahleintritt und -austritt verwendet, sie sind jedoch in der Figur nicht dargestellt, und es werden ähnliche Verfahren für den Strahleintritt und -austritt verwendet. Diese Ausführungsform ist etwas einfacher aufgebaut als die in 6 dargestellte Ausführungsform, sie weist jedoch nicht den Vorteil der durch die Scheibe 520 gebotenen Abschirmung auf und ist daher nicht in der Lage, so schnell interessierende Ionen von unerwünschten Ionen zu trennen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die bogenförmige Fokussierlinse angrenzend an die äußere oder die innere felddefinierende Elektrodenstruktur der Spiegel angeordnet werden.
Mit Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Analysatoren können bei hohen Auslösungsvermögen von beispielsweise 20000 bis 100000 RP arbeiten. In den Beispielen A und B beschriebene Analysatoren dieser Größen sind in der Lage, Ionen nach mehreren tausend Reflexionen mit diesen Auflösungsvermögen zu separieren.
Analysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können in Instrumenten verwendet werden, die mehrere zusätzliche Komponenten aufweisen. 8a zeigt schematisch eine bevorzugte Instrumentenanordnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Ionisator 810 führt einer gepulsten Ionenquelle 815 (in diesem Fall einer gekrümmten linearen Ionenfalle oder C-Falle, wie beispielsweise in WO2008/081334 A2 beschrieben ist) Ionen zu. Die C-Falle 815 sammelt Ionen und stößt sie in einem Paket zu dem Analysator 820 gemäß der vorliegenden Erfindung aus. Der Analysator 820 weist einen einzigen Elektrodensatz 825 angrenzend an die Hauptflugbahn 822 innerhalb des Analysators auf. Randfeld-Korrekturoptiken 840, 845 befinden sich außerhalb des Analysators 820 angrenzend an die Eintritts- und Austrittsöffnungen 830, 835 des Analysators 820. Die Eintritts- und Austrittsöffnungen 830, 835 liegen auf der gleichen Geraden. Die Randfeld-Korrekturoptiken 840, 845 sind elektrisch vorgespannt und so geformt, dass während des m/z-Trennprozesses derartige elektrische Felder erzeugt werden, dass das Vorhandensein der Öffnungen 830, 835 das Analysatorfeld nicht in erheblichem Maße verzerrt. Ionen treten durch die Randfeld-Korrekturoptik 840 hindurch und treten durch die Eintrittsöffnung 830 in den Analysator 820 ein, wobei während dieser Zeit die Korrekturoptiken mit Energie versorgt werden, um Felder zu erzeugen, die für das Übertragen des Ionenstrahls zu seinem Ziel optimal sind. Der Analysator 820 wird entsprechend dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben, Ionen folgen einer Hauptflugbahn 822, und ein Paket von Ionen mit einem oder mehreren schmalen Massenbereichen tritt durch die Austrittsöffnung 835 aus dem Analysator aus und in einen Verzögerer 850 ein und wird dann zu einer Kollisionszelle 855 übertragen. Das Ionenpaket wird innerhalb der Kollisionszelle 855 fragmentiert, und die fragmentierten Ionen werden zu einem Massenanalysator 860 weitergeleitet. Die Kollisionszelle 855 kann verwendet werden, um eine beliebige von CID, HCD, ETD, ECD oder SID zu implementieren. Der Massenanalysator 860 kann einen beliebigen Typ eines Massenanalysators umfassen, der kein hochenergetisches Ionenpaket kurzer Dauer benötigt, wie ein FT-ICR, eine HF-Ionenfalle, ein Quadrupolmassenfilter oder ein magnetischer Sektor. Bei dieser Instrumentenkonfiguration kann der Analysator 820, weil die Eintrittsöffnung 830 und die Austrittsöffnung 835 auf derselben Geraden liegen, bei manchen Experimenten nicht mit Energie versorgt sein, während Ionen von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung laufen, und die Ionen werden dann nicht massenselektiert, sondern folgen einem nicht abgelenkten Weg durch den Analysator und bis zum Verzögerer 850.
Der Analysator aus Beispiel C kann als Analysator 820 verwendet werden. Die Frequenz der Ionenoszillationen in diesem Analysator liegt für Ionen mit m/z-Werten von 400 im Bereich von 350 kHz. Falls die gepulste C-Fallen-Ionenquelle 815 verwendet wird, um Ionen auf einen Fleck mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm an der Eintrittsöffnung 830 zu fokussieren, sind nur etwa 5 ms ausreichend, um 10 mDa getrennt liegende Isobaren zu trennen. Diese Zeitdauer von 5 ms passt gut zum Kühlzyklus in der gepulsten C-Fallen-Ionenquelle 815 und ermöglicht, dass sie mit einer Wiederholungsrate von 200 Hz arbeitet. Eine gepulste C-Fallen-Ionenquelle 815 ist in der Lage, pro Injektionsschuss bis zu 10⁶ Ionen zu injizieren, was bedeutet, dass sie bis zu 2·10⁸ Ionen/s verarbeiten könnte. Dies ist nur einige Male kleiner als der von den hellsten modernen Ionenquellen bereitgestellte Gesamtionenstrom (bis zu 10⁹, höchstens 10¹⁰ Ionen/s). Dies bedeutet, dass nicht mehr als eine grobe Vorselektion vor der Speicherung in der gepulsten C-Fallen-Ionenquelle erforderlich ist, um der Geschwindigkeit dieses Analysators mit den höchsten Anforderungen an die Massenselektion zu entsprechen. Diese grobe Vorselektion könnte als ein Quadrupolfilter niedriger Auflösung vor der gepulsten C-Fallen-Ionenquelle oder durch DC-Vorspannung der gepulsten C-Fallen-Ionenquelle selbst implementiert werden (wodurch sie zu einem auflösenden Quadrupol gemacht wird).
8b zeigt schematisch ein Beispiel des Analysators 820. Der einzelne Elektrodensatz 825 umfasst einen einzelnen Elektrodensatz, der in das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines der entgegengesetzten Spiegel reicht, jedoch elektrisch davon isoliert ist. Eintritts-Randfeldkompensatoren weisen eine Scheibenelektrode 840 mit einer Öffnung von 1 mm Durchmesser auf. Austritts-Randfeldkompensatoren weisen eine Scheibenelektrode 845 mit einer Öffnung von 2 mm Durchmesser auf. Ein Teil sowohl des Eintritts- als auch der Austritts-Randfeldkompensators ist in das äußere felddefinierende Elektrodensystem eines der entgegengesetzten Spiegel eingesetzt, jedoch elektrisch davon isoliert.
9 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Instrumentenanordnung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei die gleichen Komponenten wie die in 8a beschriebenen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Ionisator 810 führt einer gepulsten C-Fallen-Ionenquelle 815 Ionen zu. Alternativ zur C-Falle könnte auch eine beliebige andere externe Speichervorrichtung als gepulste Ionenquelle 815 verwendet werden, wie ein RF-Speicher oder ein elektrostatischer Speicher, ob gasgefüllt oder im Vakuum, einschließlich der folgenden, jedoch ohne Einschränkung auf diese: eine Paul-Falle, eine lineare HF-Falle, ein Orthogonalbeschleuniger, ein Speicherring oder eine Inline-Falle usw. Die C-Falle 815 sammelt Ionen und stößt sie in einem Paket zum Analysator 821 gemäß der vorliegenden Erfindung aus. Die von der C-Falle 815 ausgestoßenen Ionen durchlaufen den Ablenker 870. Der Ablenker 870 wird nicht mit Energie versorgt, wenn Ionen in den Analysator 821 einzuführen sind. Der Analysator 821 weist einen einzigen Elektrodensatz 826 angrenzend an die Hauptflugbahn 823 auf. Randfeld-Korrekturoptiken 840, 845 befinden sich außerhalb des Analysators 821 angrenzend an die Eintritts- und Austrittsöffnungen 830, 835 des Analysators 821. Die Eintritts- und Austrittsöffnungen 830, 835 liegen nicht auf derselben Geraden. Randfeld-Korrekturoptiken 840, 845 werden elektrisch vorgespannt und sind so geformt, dass sie derartige elektrische Felder erzeugen, dass das Vorhandensein der Öffnungen 830, 835 das Analysatorfeld nicht in erheblichem Maße verzerrt. Die Ionen treten durch die Randfeld-Korrekturoptik 840 hindurch und treten durch die Eintrittsöffnung 830 in den Analysator 821 ein. Der Analysator 821 wird gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung betrieben, Ionen folgen einer Hauptflugbahn 823, und ein Ionenpaket eines oder mehrerer schmaler Massenbereiche tritt durch die Austrittsöffnung 835 aus dem Analysator aus und in einen Verzögerer 850 ein und wird dann zu einer Kollisionszelle 855 übertragen. Das Ionenpaket wird innerhalb der Kollisionszelle 855 fragmentiert, und die fragmentierten Ionen werden zur gepulsten C-Fallen-Ionenquelle 815 zurückgeführt. Die Fähigkeit, Ionen zur C-Falle 815 zurückzuführen, wird dadurch erleichtert, dass der Analysator 821 Eintritts- und Austrittsöffnungen aufweist, die nicht auf einer Geraden liegen. Die fragmentierten Ionen werden dann in einem Paket aus der C-Falle 815 ausgestoßen und durchlaufen den Ablenker 870, der mit Energie versorgt ist und das Ionenpaket zu einem zweiten Analysator 875 ablenkt. Alternativ können die fragmentierten Ionen zum Analysator 821 gesendet werden und dort weiter massenselektiert werden, bevor eine weitere Fragmentation in der Kollisionszelle 855 in MSⁿ-Experimenten stattfindet. Die Kollisionszelle 855 kann verwendet werden, um beliebige von CID, HCD, ETD, ECD oder SID zu implementieren. Der Analysator 875 kann einen beliebigen Typ eines Massenanalysators umfassen, der ein hochenergetisches Ionenpaket kurzer Dauer benötigt, wie eine elektrostatische Orbitalfalle (beispielsweise eine Orbitrap^TM), einen Einzel- oder Mehrfachreflexions-TOF oder eine elektrostatische Falle.
10 zeigt schematisch einen Querschnitt eines weiteren Analysators 900 gemäß der vorliegenden Erfindung, der zwei entgegengesetzte Spiegel 910, 920 aufweist. Jeder Spiegel weist ein inneres und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem auf, wobei diese jeweils mehrere Elektroden aufweisen. Der Spiegel 910 weist ein inneres felddefinierendes Elektrodensystem, das Elektroden 930 aufweist, und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem, das Elektroden 935 aufweist, auf. Der Spiegel 920 weist ein inneres felddefinierendes Elektrodensystem, das Elektroden 940 aufweist, und ein äußeres felddefinierendes Elektrodensystem, das Elektroden 945 aufweist, auf. Der Analysator 900 weist auch eine innere Elektrode 936 und eine äußere Elektrode 946 auf, die zwischen den beiden entgegengesetzten Spiegeln angeordnet sind. Die inneren felddefinierenden Elektrodensysteme 930, 940 und die innere Elektrode 936 sind hohl. Jeder Spiegel 910, 920 weist ferner Feldabschlusselektroden 950, 952 auf. Ein Eingangsschlitz 960 ist in der Elektrode 946 bereitgestellt, und wenngleich er nicht in der Querschnittsebene der Zeichnung liegt, ist er zu veranschaulichenden Zwecken dargestellt. Ionen 970 treten in den Eingangsschlitz 960 ein. Elektroden angrenzend an die Hauptflugbahn 980 sind in die innere Elektrode 936 und die äußere Elektrode 946 eingesetzt, jedoch von diesen isoliert.
Beim Betrieb Werden Ionen 970 durch den Eingangsschlitz 960 in den Analysator 900 injiziert, während die innere Elektrode 936 auf das gleiche Potential gelegt ist wie die äußere Elektrode 946 (in diesem Fall das Massepotential). Dies erzeugt einen Bereich verringerten Felds im Volumen 975. Beide Spiegel 910, 920 werden mit zu dieser Zeit mit Energie versorgten Elektrodensystemen 930, 935, 940, 945 gehalten. Die Feldabschlusselektroden 950, 952 werden auch mit Energie versorgt. Weil der Eingangsschlitz 960 gegenüber der z = 0-Ebene versetzt ist, erfahren die Ionen 970 beim Eintritt in den Analysator 900 eine Kraft in positiver z-Richtung vom elektrischen Feld innerhalb des Spiegels 920, das in das Volumen 975 eindringt. Sobald die Ionen 970 einen gewählten Punkt innerhalb des Analysators erreichen, wird an die innere Elektrode 936 schnell ein Potential angelegt, um ein elektrisches Feld zum Herbeiführen einer Drehung der Umlaufbahn der Ionen 970 zu erzeugen, und die Ionen 970 gelangen dann auf die Hauptflugbahn. Die Elektroden 935, 936, 930, 945, 946, 950, 952 werden zu dieser Zeit auf solchen Potentialen gehalten, dass ein lineares Feld innerhalb jedes entgegengesetzten Spiegels erzeugt wird. Sobald das Ionenpaket ausreichend separiert wurde, werden an die Hauptflugbahn 980 angrenzende Elektroden periodisch mit Energie versorgt, um die Bogendivergenz von der Hauptflugbahn interessierender Ionen durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 980 zu beschränken, wenn sich die interessierenden Ionen in der Nähe der Elektroden 980 befinden. Unerwünschte Ionen werden durch Anlegen einer anderen Spannung an die Elektroden 980 abgelenkt, wenn sich die interessierenden Ionen nicht in der Nähe der Elektroden 980 befinden. Wenn die andere Spannung an die Elektroden 980 angelegt ist, absorbieren die Elektroden 980 auch gestreute Ionen. Sobald ein gewünschter Massentrennungsgrad erreicht wurde, wird die innere Elektrode 936 wieder auf das gleiche Potential gelegt wie die äußere Elektrode 946 (in diesem Fall das Massepotential), und die interessierenden Ionen werden durch eine weitere Öffnung, die in der Figur nicht dargestellt ist, aus dem Analysator ausgestoßen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 11 schematisch dargestellt. Dieser Analysator ähnelt dem in 6 dargestellten Analysator, und gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Analysator unterscheidet sich von dem Beispiel aus 6 in der Hinsicht, dass, während die innere Elektrode 500 aus 6 die innere Elektrode beider entgegengesetzter Spiegel bildete, im vorliegenden Beispiel jeder Spiegel 512, 514 eine getrennte innere Elektrode 502, 504 aufweist. Getrennte Elektroden 502, 504 ermöglichen es, dass die Spiegel 512, 514 unabhängig arbeiten. Dies ermöglicht es, interessierende Ionen mit mehreren m/z-Bereichen auszuwählen. Interessierende Ionen aus einem m/z-Bereich können aus der sich im Spiegel 512 befindenden Austrittsöffnung 570 ausgestoßen werden, während sich interessierende Ionen eines oder mehrerer anderer m/z-Bereiche innerhalb des Spiegels 514 bewegen und während des Ausstoßungsprozesses von dem sich ändernden elektrischen Feld innerhalb des Spiegels 512 abgeschirmt werden. Der Ausstoßungsprozess innerhalb des Spiegels 512 wird durch Ändern des an die innere Elektrode 502 angelegten elektrischen Potentials erreicht. Unter Verwendung dieses Verfahrens können interessierende Ionen mit mehreren m/z-Bereichen innerhalb des Analysators ausgewählt werden, und es kann ein Bereich zur Zeit ausgestoßen werden. Dieses Verfahren der selektiven Ausstoßung, während andere Ionen abgeschirmt werden, und des Haltens von ihnen innerhalb des Analysators erfordert eine sorgfältige Abstimmung der axialen und radialen Oszillationsfrequenzen, und die m/z-Bereiche der interessierenden Ionen weichen vorzugsweise um 5 bis 10% ab, und es gibt vorzugsweise 3 bis 10 verschiedene m/z-Bereiche.
Eine andere Ausführungsform weist ein Array von Analysatoren gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen auf. Ein solches Array könnte in ein Instrument integriert werden, wie es in WO2008/080604 A2 beschrieben ist. Bei einem Aufbau als ein paralleles Array könnte die sich ergebende Erhöhung der Analysekanäle eine parallele Massenselektion verschiedener Ionensätze aus derselben Injektion aus einer externen Speichervorrichtung ermöglichen.
Überdies ist ein solches Array für eine Miniaturisierung beispielsweise unter Verwendung einer mikro-elektromechanischen Systemtechnologie oder einer anderen modernen Mikrochiptechnologie geeignet, wobei die charakteristische Größe des Analysators (beispielsweise die z-Länge) bis hinunter zu weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, verringert wird. Zumindest ein Analysator des Arrays weist diese verringerten Abmessungen auf. Vorzugsweise weisen alle Analysatoren des Arrays diese verringerten Abmessungen auf. Während die Raumladungsgrenze jedes Analysators proportional zur Spannung über ihn sowie zu seiner Größe verringert wird, ermöglicht die weitere Erhöhung der Analysekanäle eine Nettoerhöhung der Gesamtraumladungskapazität des Systems insgesamt.
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.

Claims

Verfahren zum Auswählen interessierender Ionen aus einem Ionenstrahl (410, 580) unter Verwendung eines Analysators (10), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (i) Bereitstellen eines Analysators (10) mit zwei entgegengesetzten Ionenspiegeln (40, 50), wobei jeder Spiegel (40, 50) ein inneres (20) und ein äußeres (30) felddefinierendes Elektrodensystem (20, 30) aufweist, die jeweils entlang einer Längsachse (z) des Analysators (10) lang gestreckt sind, wobei das äußere System (30) das innere System (20) jeweils umgibt, und wobei jedes System (20, 30) eine oder mehrere Elektroden aufweist, wobei das äußere und/oder das innere felddefinierende Elektrodensystem (20) der zwei Ionenspiegel (40, 50) jeweils als getrennte Elektroden oder als einteilige Elektroden ausgebildet sein können, (ii) Veranlassen des Ionenstrahls, bei Vorhandensein eines Analysatorfelds entlang einer Hauptflugbahn durch den Analysator (10) zu fliegen, so dass er innerhalb des Analysators (10) mindestens eine vollständige Oszillation in Richtung der Längsachse (z) durchmacht, während er eine oder mehrere Elektroden des inneren felddefinierenden Elektrodensystems (20) umläuft, (iii) Bereitstellen eines oder mehrerer Elektrodensätze (430, 432, 434) angrenzend an die Hauptflugbahn, (iv) Beschränken der Bogendivergenz der Hauptflugbahn interessierender Ionen in einer Bogenrichtung (φ) durch Anlegen eines ersten Spannungssatzes an einen oder mehrere der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434), wenn sich die interessierenden Ionen in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen (430, 432, 434) befinden, und Anlegen von einem oder mehreren zweiten Spannungssätzen an den einen oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434), wenn sich die interessierenden Ionen nicht in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen befinden, wobei die einen oder mehreren zweiten Spannungssätze von dem ersten Spannungssatz verschieden sind, und (v) Ausstoßen der interessierenden Ionen aus dem Analysator (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Spannungssatz die Bogendivergenz der interessierenden Ionen beschränkt und nach jeder i-ten Reflexion an einem oder beiden der Spiegel (40, 50) angelegt wird, wobei i eine ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zweite Spannungssätze eine Ablenkwirkung bereitstellen, welche bewirkt, dass Ionen in der Nähe von mindestens einem von dem einen oder den mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen (430, 432, 434) von der Hauptflugbahn abgelenkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434) aus einem einzigen Elektrodensatz bestehen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der einzige Elektrodensatz aus einer einzigen Elektrode besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator (10) ferner eine Scheibe (520) mit zwei Stirnflächen aufweist, die den Raum zwischen den inneren und den äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen zumindest teilweise umspannt und in einer Ebene, an der sich die entgegengesetzten Ionenspiegel (40, 50) treffen, senkrecht zur Längsachse (z) liegt, wobei die Scheibe (520) einen Schlitz (590) zum Durchlassen von Ionen aufweist und auf beiden Stirnflächen eine resistive Beschichtung (530) aufweist, wobei die resistive Beschichtung (530) so vorgespannt wird, dass das Vorhandensein der Scheibe (520) das Feld innerhalb des Analysators (10) nicht erheblich gegenüber der Form des Analysatorfelds bei Nichtvorhandensein der Scheibe (520) verzerrt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens einer von den an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätzen (430, 432, 434) auf der Scheibe (520) angebracht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434) angrenzend an eines oder mehrere der inneren (20) oder äußeren (30) felddefinierenden Elektrodensysteme (20, 30) eines oder beider Spiegel (40, 50) angeordnet oder darin eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Spannungssatz an einen oder mehrere der an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434) angelegt wird, so dass weder eine bogenförmige Fokussierung noch eine Strahlablenkung induziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Ionen durch eine Eintrittsöffnung in einem oder beiden von den äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen zu einer Zeit in den Analysator (10) eintreten, zu der das Analysatorfeld zu einer ersten Intensität geschaltet wird, und das Analysatorfeld zu einer zweiten Intensität geschaltet wird, wenn interessierende Ionen die Hauptflugbahn erreichen, wobei die zweite Intensität derart ist, dass die interessierenden Ionen beginnen, sich auf der Hauptflugbahn zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Ionen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (z) des Analysators (10) an einem Wendepunkt innerhalb eines der entgegengesetzten Ionenspiegel (40, 50) in den Analysator (10) eintreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn interessierende Ionen einen geeigneten Punkt auf der Hauptflugbahn erreichen, das Analysatorfeld von einer Intensität zu einer anderen Intensität umgeschaltet wird, wobei die andere Intensität derart ist, dass die interessierenden Ionen die Hauptflugbahn verlassen und sich durch eine Austrittsöffnung in einem oder beiden der äußeren felddefinierenden Elektrodensysteme bewegen, um den Analysator (10) zu verlassen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ionen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (z) des Analysators (10) an einem Wendepunkt innerhalb eines der entgegengesetzten Ionenspiegel (40, 50) aus dem Analysator (10) ausgestoßen werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, sofern abhängig von Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Eintritts- und die Austrittsöffnung auf einer Geraden liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei sich Randfeld-Korrekturoptiken angrenzend an eine oder beide von der Eintritts- und der Austrittsöffnung befinden und die Randfeld-Korrekturoptiken Elektroden aufweisen, die in einem von zwei Zuständen mit Energie versorgt werden, nämlich in einem Zustand während einer Zeit, wenn Ionen durch die Eintritts- und/oder Austrittsöffnung laufen, und in einem zweiten Zustand während der Zeit, wenn Ionen bei Vorhandensein des Analysatorfelds entlang der Hauptflugbahn durch den Analysator (10) fliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei sich eine gepulste Ionenquelle stromaufwärts des Analysators (10) befindet, um den Ionenstrahl dem Analysator (10) so zuzuführen, dass eine Flugzeittrennung der Ionen geschieht, bevor der Ionenstrahl in den Analysator (10) eintritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der eine oder die mehreren an die Hauptflugbahn angrenzenden Elektrodensätze (430, 432, 434) an oder in der Nähe der z = 0-Ebene befinden, wobei es sich bei der z = 0-Ebene um die Ebene handelt, an der sich die entgegengesetzten Spiegel (40, 50) treffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere der Analysatoren als ein paralleles Array angeordnet werden.
Analysator für geladene Teilchen, welcher (i) zwei entgegengesetzte Ionenspiegel (40, 50) aufweist, wobei jeder Spiegel ein inneres (20) und ein äußeres (30) felddefinierendes Elektrodensystem (20, 30) aufweist, die jeweils entlang einer Längsachse (z) lang gestreckt sind, wobei das äußere System (30) das innere System (20) jeweils umgibt, und wobei jedes System (20, 30) eine oder mehrere Elektroden aufweist, wobei das äußere und/oder das innere felddefinierende Elektrodensystem (20) der zwei Ionenspiegel (40, 50) jeweils als getrennte Elektroden oder als einteilige Elektroden ausgebildet sein können, (ii) wobei, wenn die Elektrodensysteme (20, 30) elektrisch vorgespannt werden, die Ionenspiegel (40, 50) ein elektrisches Feld erzeugen, das entgegengesetzte elektrische Felder entlang der Längsachse (z) aufweist, und mindestens eine bogenförmige Fokussierlinse (430, 432, 434) zum Beschränken der Bogenivergenz eines Strahls geladener Teilchen innerhalb des Analysators in eine Bogenrichtung (φ), während der Strahl die Längsachse (z) umläuft und mindestens eine volle Oszillation in Richtung der Längsachse (z) durchmacht, (iii) wobei der Analysator (10) ferner eine Scheibe (520) mit zwei Stirnflächen aufweist, die den Raum zwischen den inneren und den äußeren felddefinierenden Elektrodensystemen zumindest teilweise umspannt und in einer Ebene, an der sich die entgegengesetzten Ionenspiegel (40, 50) treffen, senkrecht zur Längsachse (z) liegt, wobei die Scheibe (520) mindestens einen Schlitz (590) zum Durchlassen von Ionen in Richtung der Längsachse (z) aufweist, wobei die Scheibe (520) auf beiden Stirnflächen eine resistive Beschichtung (530) aufweist.
Analysator nach Anspruch 19, wobei die Scheibe (520) die mindestens eine bogenförmige Fokussierlinse zum Beschränken der Bogendivergenz des Strahls, wenn er durch den Schlitz (590) hindurchtritt, hält.
Verfahren zur Massenspektrometrie, wobei der Analysator für geladene Teilchen nach Anspruch 19 und/oder das Verfahren nach Anspruch 1 verwendet werden, um Ionen aus einem oder mehreren schmalen m/z-Bereichen zur Fragmentation in einer Fragmentationseinrichtung und zur anschließenden Massenanalyse auszuwählen, wobei die Fragmentationseinrichtung verwendet wird, um eines von CID, HCD, ETD, ECD, SID zu implementieren, und die anschließende Massenanalyse unter Verwendung beliebiger der folgenden Analysatoren ausgeführt wird: einer elektrostatischen Orbitalfalle, einem FT-ICR, einer Einzel- oder Mehrfachreflexions-TOF, elektrostatischer Fallen, HF-Ionenfallen, Quadrupol, Magnetsektor.
Verfahren zur Massenspektrometrie, wobei der Analysator für geladene Teilchen nach Anspruch 19 verwendet wird, der ferner Eintritts- und Austrittsöffnungen aufweist, die auf einer Geraden liegen, und der in einem ersten Modus, in dem Ionen aus einem oder mehreren m/z-Bereichen ausgewählt und aus dem Analysator ausgestoßen werden und unerwünschte Ionen nicht aus dem Analysator ausgestoßen werden, und in einem zweiten Modus, in dem Ionen entlang der Geraden, auf der die Eintritts- und Austrittsöffnungen liegen, durch den Analysator fliegen, arbeitet.
Massenspektrometersystem mit mehreren der Analysatoren für geladene Teilchen nach Anspruch 19, welche als ein paralleles Array angeordnet sind.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 23, wobei die z-Länge mindestens eines der Analysatoren kleiner als 5 mm ist.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 23, wobei die z-Länge mindestens eines der Analysatoren kleiner als 2 mm ist.