DE112013001062T5

DE112013001062T5 - Vorrichtung und Verfahren für die lonenmobilitätsspektrometrie

Info

Publication number: DE112013001062T5
Application number: DE112013001062.3T
Authority: DE
Inventors: Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-10-30
Also published as: CA2864761C; JP6190393B2; US20160084799A1; JP2015509588A; GB2509412B; CA2864761A1; GB201202895D0; WO2013124207A1; GB2499587B; CN104126116A; CN104126116B; GB2499587A; US20150008318A1; US9207206B2; GB201402868D0; GB2509412A; US9753011B2

Abstract

Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie, umfassend: (i) Einbringen eines Ionenpakets in einen Triftraum; (ii) Führen der Ionen durch den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität trennen; und (iii) Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität weiter trennen können, wobei das Reflektieren oder Ablenken in einem Bereich bei niedrigeren Druck als der Triftraum stattfindet. Der Triftraum kann mehrfache Male wiederverwendet werden, um die Trennweglänge zu erweitern. Eine hohe Auflösung der Ionentrennung kann erzielt werden. Das Verfahren kann ein Umschalten zwischen Modi unterschiedlicher Auflösung und Trenngeschwindigkeit ermöglichen. Die Bereiche bei niedrigem Druck gestatten vorzugsweise eine Inertionenbewegung, bei welcher der mittlere freie Weg zwischen Ionenkollisionen mit Gas signifikant länger ist als in den Stufen der Ionenmobilitätstrennung. Der reflektierende oder ablenkende Bereich bei niedrigem Druck ermöglicht, dass eine Flugzeitfokussierung von Ionen vorgesehen wird, ohne dass eine Ionenmobilitätstrennung darin auftritt.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren für die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Die Vorrichtung und Verfahren sind zur Verwendung in Kombination mit einer Massenspektrometrie (MS), z. B. bei hybriden IMS/MS-Instrumenten, geeignet.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Ionenmobilitätsspektrometer umfassen typischerweise eine Triftröhre, in der Ionen veranlasst werden, durch einen Raum unter dem Einfluss eines konstanten angelegten elektrischen Felds zu triften. Verschiedene Konstruktionen einer Triftröhre wurden vorgeschlagen. Die Triftröhre kann beispielsweise eine Serie von Ringelektroden umfassen, die entlang der Länge des Spektrometers axial mit Abstand voneinander vorgesehen sind, wobei eine konstante Potenzialdifferenz zwischen benachbarten Ringelektroden aufrechterhalten wird, so dass ein konstantes elektrisches Feld in der axialen Richtung erzeugt wird. Ein Ionenpuls wird in die Triftröhre eingebracht, die ein Puffergas enthält, und während die Ionen unter dem Einfluss des konstanten elektrischen Felds durch die Röhre wandern, erreichen sie eine konstante Triftgeschwindigkeit und trennen sich in der axialen Richtung nach ihrer Ionenmobilität. Das Puffergas ist oft eingerichtet, in die Richtung zu strömen, die zur Richtung der Ionenwanderung entgegengesetzt ist.
Ein Ionenmobilitätsspektrometer kann alleine als Mittel zur Ionentrennung betrieben werden oder es kann in Kombination mit anderen Ionentrennvorrichtungen in sogenannten hybriden IMS-Instrumenten verwendet werden. Beispiele von hybriden IMS-Instrumenten umfassen jene auf der Basis von Flüssigchromatographie-IMS (LC-IMS), Gaschromatographie-IMS (GC-IMS) und IMS-Massenspektrometrie (IMS-MS). Der letztere Instrumententyp ist ein wirkungsvolles Analysewerkzeug, das die Massenspektrometrie zur weiteren Trennung und/oder Identifikation von Peaks in einem Ionenmobilitätsspektrum einsetzt. Mehr als zwei Trenntechniken können kombiniert werden, z. B. LC-IMS-MS.
Ionenmobilitätsspektrometer können bei Atmosphärendruck betreibbar sein (siehe z. B. US5162649 ) und können eine Auflösung von bis zu 150 aufweisen (siehe z. B. Wu et al., Anal. Chem. 1998, 70, 4929–4938). Der Betrieb bei niedrigerem Druck ist jedoch für hybride IMS-MS-Instrumente besser geeignet (siehe z. B. US5905258 und WO01/64320 ), um die Geschwindigkeit der Trennung zu erhöhen und Ionenverluste zu reduzieren. Der Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers bei niedrigerem Druck führt häufig zu größeren Diffusionsverlusten und niedrigerer Auflösung. Um dem Problem von Diffusionsverlusten entgegenzuwirken, kann eine HF-Pseudopotenzialsenke in der Triftröhre eingerichtet werden, um Ionen radial zu begrenzen, so dass sie als Ionenführung wirkt und verwendet werden kann, um Ionen effizient zu transportieren (siehe z. B. US6630662 ).
In einer Modifikation eines Ionenmobilitätsspektrometers beschreibt das US6914241 , wie Ionen nach ihrer Ionenmobilität getrennt werden können, indem progressiv Übergangs-GS-Spannungen entlang der Länge eines Ionenmobilitätsspektrometers oder einer HF-Ionenführung mit einer Vielzahl axial mit Abstand voneinander vorgesehener Elektroden angelegt werden. Das Ionenmobilitätsspektrometer kann eine HF-Ionenführung umfassen, wie einen Multipolstabsatz oder einen gestapelten Ringsatz. Die Ionenführung ist in der axialen Richtung segmentiert, so dass unabhängige Übergangs-GS-Potenziale an jedes Segment angelegt werden können. Die Übergangs-GS-Potenziale werden oben auf einer HF-Spannung übereinandergelegt, was bewirkt, dass die Ionen radial und/oder eine beliebige konstante GS-Versetzung begrenzt werden. Die Übergangs-GS-Potenziale generieren dadurch eine sogenannte Wanderwelle, die sich entlang der Länge der Ionenführung in der axialen Richtung bewegt, und die bewirkt, dass Ionen entlang der Länge des Ionenmobilitätsspektrometers bewegt werden.
In den obigen Typen von Ionenmobilitätsspektrometern werden Ionen die Ionenführung entlang getrieben, und Ionen können nach ihrer Ionenmobilität getrennt werden. Um eine hohe Auflösung oder ein hohes Auflösungsvermögen einer Ionenmobilitätstrennung bei relativ niedrigem Druck zu erzielen, muss jedoch eine relativ lange Triftröhre eingesetzt werden, um innerhalb der sogenannten unteren Feldgrenze zu bleiben, wie nachstehend detaillierter erläutert.
Um Ionen entlang der axialen Richtung nach ihrer Ionenmobilität in einer HF-Ionenführung zu trennen, kann ein axiales elektrisches GS-Feld, das orthogonal zum radialen HF-Feld ist, zur radialen Begrenzung generiert werden. Wenn ein konstantes axiales elektrisches Feld E angelegt wird, um Ionen entlang einer und durch eine Ionenführung, die Gas enthält, zu bewegen, wird das Ion dann eine charakteristische Geschwindigkeit v erhalten gemäß: v = E·K (Gl. 1), wobei K die Mobilität ist.
Um eine Ionenmobilitätstrennung in einem sogenannten unteren Feldregime aufrechtzuerhalten, wo Ionen keine signifikante kinetische Energie vom Treibfeld erhalten, sollte das Verhältnis von E (in V/m) zum Druck des Hintergrundgases P (in mbar) auf einem Wert unter etwa 200 V/(m·mbar) gehalten werden. Gleichzeitig wird das Auflösungsvermögen R der Trennung nach der Ionenmobilität (FWHH) durch die Diffusion begrenzt und kann ungefähr geschätzt werden als:
wobei z der Ladungszustand der Ionen ist, L die Trennlänge ist (m), T die Temperatur (Grad Kelvin) des Hintergrundgases ist, e die elementare Ladung ist (1,602·10^–19 Coulomb), und k die Boltzmann-Konstante ist 1,38·10^–23 J/K). Genauere Berechnungen sind z. B. in G. E. Spangler, ”Expanded Theory for the resolving power of a linear ion mobility spectrometer”, Int. J. Mass Spectrom. 220 (2002) 399–418, zu finden. Da eine Erhöhung von E durch untere Feldbedingungen begrenzt wird, und eine Abnahme von T mit mühevollen kryogenen Techniken assoziiert ist, ist es klar, dass der einzige Weg, ein höheres R zu erzielen, eine Erhöhung der Trennlänge L ist. Die Erhöhung der Trennlänge kann jedoch problematisch sein, da der Raum typischerweise begrenzt ist.
Eine Lösung des Problems der Erhöhung der Trennlänge, die im Stand der Technik des WO2008/104771 , GB2447330 und GB2457556 vorgeschlagen wird, ist, die Ionenmobilitäts-Triftröhre zu winden. Die Konstruktion der Triftröhre wird jedoch in diesem Fall komplex und schließt einen raschen Transfer von Ionen durch das Spektrometer in dem Fall aus, wenn keine Mobilitätstrennung erforderlich ist.
Ein kompaktes Ionenmobilitätsspektrometer ist im WO2008/028159 und US2011/121171 geoffenbart, das eine Mehrfachdurchlauf- oder Rennbahnauslegung aufweist, bei der die Ionen einem geschlossenen kreisförmigen Weg folgen. Nur ein schmaler Bereich von Ionenmobilitäten wird auf einer kreisförmigen Bahn zurückgehalten, aber das Auflösungsvermögen könnte viele Hundert betragen. Wiederum wird die Konstruktion der Triftröhre komplex.
Vor dem obigen Hintergrund wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie vorgesehen, umfassend: (i) Einbringen eines Ionenpakets in einen Triftraum; (ii) Führen der Ionen durch den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität trennen; und (iii) Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität weiter trennen können. Das Reflektieren oder Ablenken findet in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum statt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer vorgesehen, umfassend: einen Triftraum zum Trennen von Ionen von einer Ionenquelle nach ihrer Ionenmobilität; und einen Ionenspiegel oder -ablenker zum Aufnehmen von Ionen, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, und Reflektieren oder Ablenken der Ionen zurück in den Triftraum, um erneut durch den Triftraum hindurchzugehen. Der Ionenspiegel oder Ionenablenker ist in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum angeordnet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer vorgesehen, umfassend: einen Triftraum zum Trennen von Ionen nach ihrer Ionenmobilität und wenigstens einen Ionenspiegel oder wenigstens einen Ionenablenker, die angrenzend an eines der oder beide Enden des Triftraums zum Aufnehmen von Ionen aus dem Triftraum und Rückführen der Ionen in den Triftraum angeordnet sind, wobei der Druck in dem Bereich des (der) Ionenspiegel(s) oder Ionenablenker(s) so ist, dass die Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität nicht in diesem Bereich auftritt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie vorgesehen, bei welchem Ionen mehrfache Stufen einer Ionenmobilitätstrennung und mehrfache Stufen einer Inertionenbewegung eingehen, bei welcher der mittlere freie Weg zwischen Ionenkollisionen mit Gas in den Stufen der Inertionenbewegung signifikant länger ist als in den Stufen der Ionenmobilitätstrennung, wobei jede Stufe der Inertionenbewegung zwischen aufeinanderfolgenden Stufen der Ionenmobilitätstrennung liegt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer vorgesehen, umfassend: einen oder mehrere Trifträume zum Trennen von Ionen nach ihrer Ionenmobilität; und einen oder mehrere Bereiche, um es den Ionen zu gestatten, eine Inertionenbewegung einzugehen, bei der ihr mittlerer freier Weg zwischen Kollisionen mit Gas signifikant länger ist als in dem einen oder mehreren Trifträumen, wobei jeder von dem einen oder mehreren Bereichen ausgelegt ist, die Ionen aus einem von dem einen oder mehreren Trifträumen aufzunehmen, und Ionenoptik umfasst, um die Ionen in denselben oder einen anderen von dem einen oder mehreren Trifträumen zu lenken, wodurch jeder von dem einen oder mehreren Trifträumen eingerichtet ist, mehrfache Male von den Ionen durchquert zu werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Triftraum (was hier jeden Triftraum bedeutet, wenn es zwei oder mehrere Trifträume gibt) wenigstens zweimal für die Ionenmobilitätstrennung der Ionen genutzt werden, z. B. wenigstens einmal in einer ersten Richtung und wenigstens einmal in einer zweiten Richtung (die vorzugsweise zur ersten Richtung entgegengesetzt ist), oder jedesmal in derselben Richtung. Derselbe Triftraum wird so wiederverwendet, um eine hohe Auflösung der Trennung gemäß Ionenmobilität zu ermöglichen. Die erste und zweite Richtung der Ionenwanderung, die in einander entgegengesetzte Richtungen verlaufen, können als Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung angesehen werden. In einem Typ einer Ausführungsform umfasst die Erfindung daher das Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die in einer ersten Richtung durch den Triftraum hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist, wodurch sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität weiter trennen können.
Vorzugsweise wird der Triftraum mehrfache Male wiederverwendet. Bevorzugter umfasst das Verfahren nach Schritt (iii) das Wiederholen von Schritt (ii) und dann (iii) abwechselnd so viele Male wie notwendig, um eine erforderliche Ionentrennlänge oder ein erforderliches Auflösungsvermögen zu erzielen.
Vorzugsweise gibt es mehrfache Bereiche einer Inertionenbewegung, d. h. mehrfache Bereiche, die Ionenoptik umfassen, um die Ionen von einem Triftraum in denselben oder einen weiteren Triftraum zu lenken. Vorzugsweise befindet sich ein derartiger Bereich an beiden Enden des Triftraums in der axialen Richtung.
Der Triftraum ist vorzugsweise innerhalb einer Triftröhre angeordnet. Der Triftraum, und daher die Triftröhre, sind typischerweise länglich entlang einer Längsachse, die hier als axiale Richtung bezeichnet wird. Die Ionen treten typischerweise in den Triftraum durch einen Eingang an einem Ende des Triftraums ein und verlassen den Triftraum durch einen Ausgang am anderen Ende des Triftraums. Der Triftraum ist vorzugsweise innerhalb einer länglichen Ionenführung angeordnet. Der Triftraum ist am meisten bevorzugt im Wesentlichen linear (d. h. gerade) länglich in der Längsrichtung, obwohl er in einigen Ausführungsformen gekrümmt sein kann. Der Triftraum ist vorzugsweise ein mit Gas gefüllter Triftraum, d. h. mit einem Puffergas gefüllt. Der Triftraum kann bei Atmosphärendruck, um eine Atmosphärendruck-Ionenmobilitätstrennung zu bewirken, oder bei erhöhtem Druck gefüllt sein. In anderen Anwendungen kann ein reduzierter Gasdruck im mit Gas gefüllten Triftraum verwendet werden, z. B. von 0,01 bis 1000 mbar, oder 0,01 bis 100 mbar, oder 0,01 bis 10 mbar, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 3 mbar. Der Gasdruck im mit Gas gefüllten Triftraum ist vorzugsweise 0,01 mbar oder höher. Ein reduzierter Gasdruck wird bei hybriden IMS-MS-Instrumenten bevorzugt. Typischerweise bei der IMS verwendete Puffergase können eingesetzt werden, wie beispielsweise Luft oder Helium.
Um Diffusionsverluste im Betrieb bei reduziertem Druck zu verringern, ist vorzugsweise eine HF-Pseudopotenzialsenke im Triftraum eingerichtet, die Ionen radial darin zu begrenzen. Der Weg der Ionen durch den Triftraum kann innerhalb einer HF-Ionenführung angeordnet sein, vorzugsweise einer HF-Multipol-Ionenführung, d. h. einer Ionenführung mit einer Vielzahl von Multipolstäben, um beispielsweise ein Quadrupol-, Hexapol- oder Oktapolfeld zu erzeugen. Als Alternativen für einen Multipol können Ionentunnel, Ionentrichter oder andere Vorrichtungen verwendet werden, um den Ionenweg durch den Triftraum zu definieren, die beispielsweise eine Serie axial mit Abstand voneinander vorgesehener Ringelektroden (gestapelte Ringe) umfassen, wobei eine konstante Potenzialdifferenz zwischen benachbarten Ringelektroden aufrechterhalten wird, so dass ein lineares elektrisches Feld in der axialen Richtung erzeugt wird. Alternativ dazu kann die Verwendung axial mit Abstand voneinander vorgesehener Elektroden für den Triftraum (beispielsweise Ringelektroden oder ein segmentierter Multipol) das Anlegen eines sogenannten ,Wanderwellen'-GS-Felds gestatten, um die Ionen nach der Ionenmobilität zu trennen, d. h. wobei Übergangs-GS-Spannungen progressiv entlang der Länge der Ionenführung mit der Vielzahl axial mit Abstand voneinander vorgesehener Elektroden angelegt werden.
Eine Einrichtung zum Generieren eines axialen elektrischen Felds ist vorzugsweise vorgesehen, um ein axiales elektrisches Feld entlang des Triftraums zu generieren, um die Ionen durch diesen zu treiben. Eine Einrichtung zum Generieren eines schaltbaren axialen elektrischen Felds ist vorzugsweise vorgesehen, um ein axiales elektrisches Feld entlang des Triftraums zu generieren, um die Ionen in die erste oder zweite Richtung, wie gewünscht, zu treiben, d. h. um die Ionen in die erste Richtung in einem Durchlauf und in die zweite Richtung im nächsten Durchlauf zu treiben, usw. In Ausführungsformen, welche die Ionen nicht alternierend in entgegengesetzten Richtungen durch den Triftraum, sondern in derselben Richtung bei jedem Durchgang durch den Triftraum treiben, wird typischerweise kein schaltbares axiales elektrisches Feld erforderlich sein, da ein statisches axiales elektrisches Feld verwendet werden könnte. In diesem Fall muss die Ionenenergie geändert werden, während die Ionen durch eines der Ionenoptikelemente im Niederdruckbereich fliegen, z. B. einen Spiegel oder Ablenker, indem die Spannungsversetzung des letzteren erhöht wird (d. h. indem den Ionen ein Energieschub verliehen wird), so dass die Ionen in den Triftraum mit der korrekten Energie erneut eintreten, um den Triftraum erneut zu durchqueren.
Für das schaltbare axiale elektrische Feld tritt das Schalten vorzugsweise auf, während Ionen von Interesse im Spiegel außerhalb des Triftraums reflektiert werden, so dass keine oder eine minimale Perturbation dieser Ionen stattfinden kann. Die Spannungsversetzung des gesamten Spiegels kann auch gleichzeitig geändert werden, wobei die Ionen ungestört innerhalb eines solchen „Spannungsschubs” fliegen. Die Richtung des axialen Felds im Triftraum ist so vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Richtung umschaltbar, um so die Ionen entweder in die erste Richtung oder zweite Richtung zu treiben, wie erforderlich. Die Einrichtung zum Generieren eines axialen elektrischen Felds kann beispielsweise durch eine Vielzahl oder Sequenz von Hilfselektroden vorgesehen werden, die entlang der Triftraumlänge in der axialen Richtung mit Abstand voneinander vorgesehen sind. Für solche Hilfselektroden können andere, vorzugsweise gestufte, Spannungen vorgesehen werden (wobei vorzugsweise die Hilfselektroden über einen Widerstandsteiler verbunden sind). Solche Hilfselektroden sind vorzugsweise radial auswärts von den Multipolstäben in dem Fall angeordnet, wo der Ionenweg durch den Triftraum innerhalb eines Multipols vorgesehen ist. Alternativ dazu kann ein axial segmentierter Multipol verwendet werden, d. h. wo die Segmente der Multipolstäbe die angegebenen axial mit Abstand voneinander vorliegenden Elektroden vorsehen, wie beispielsweise im US 6,111,250 gezeigt. Auch andere Einrichtungen zum Generieren axialer elektrischer Felder in einer Multipol-Ionenführung sind Fachleuten bekannt, wie die Folgenden: axial mit Abstand voneinander vorgesehene Ringelektroden, wie vorstehend beschrieben, geschichtete HF-Stäbe der Stäbe mit Widerstandsbeschichtungen, wie beispielsweise im US 7,064,322 , US 7,164,125 oder US 7,564,025 gezeigt, geformte Flächen, wie beispielsweise im US 6,674,071 gezeigt, und verschiedene andere Mittel, wie im US 6,111,250 geoffenbart, wie verjüngte Stäbe, unter Winkeln in Bezug aufeinander eingerichtete Stäbe, segmentierte Gehäuse rund um die Multipolstäbe, widerstandsbeschichtete Hilfsstäbe oder ein Satz leitfähiger Metallbänder, die entlang jedes Stabs mit Abstand voneinander vorliegen, mit einer Widerstandsbeschichtung zwischen den Bändern, oder Stäbe als Röhren mit einer äußeren Widerstandsbeschichtung und einer inneren leitfähigen Beschichtung. Das axiale elektrische Feld ist ausgelegt, die gewünschte axiale Ionengeschwindigkeit zu erzielen. Das axiale elektrische Feld wird vorzugsweise so eingestellt, dass die axiale Ionengeschwindigkeit im Bereich von 50 bis 200 m/s liegt. Bei einem Druck im Bereich von 0,01 bis 3 mbar liegt ein geeignetes axiales Feld im Triftraum vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 10 V/cm, um die angegebene Ionengeschwindigkeit zu erzielen.
Die Ionen werden vorzugsweise in dem Verfahren unter Verwendung eines Ionenspiegels reflektiert. Der Ionenspiegel ist vorzugsweise angrenzend an den Triftraum angeordnet, bevorzugter in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum und am meisten bevorzugt in einem gasfreien Bereich unter hohem Vakuum, d. h. wo der mittlere freie Weg der Ionen im Gas signifikant länger ist als die charakteristische Länge des Spiegels oder Ablenkers, d. h. die Weglänge im Spiegel oder Ablenker wird gemessen als Distanz vom Austritt aus dem Triftraum zum Wiedereintritt in den Triftraum. Diese mittlere freie Weglänge zwischen Kollisionen mit Gas ist länger, vorzugsweise signifikant länger, als die mittlere freie Weglänge im Triftraum oder in den Trifträumen. Unter solchen Bedingungen hören die Ionen auf, im Gas mitgeführt zu werden, ihre Bewegung wird inert, und sie gehorchen den Gesetzen der kollisionsfreien Ionenoptik. Diese Bereiche werden somit hier auch als Inertionen-Bewegungsbereiche bezeichnet. Der Ionenspiegel, der die Ionen reflektiert, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, z. B. in der ersten Richtung, ist vorzugsweise angrenzend an ein erstes Ende des Triftraums angeordnet und kann hier als erster Ionenspiegel bezeichnet werden (wenn es zwei Ionenspiegel gibt, wie hier im Nachstehenden beschrieben).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt (iv) des Reflektierens oder Ablenkens der Ionen, die durch den Triftraum in der zweiten Richtung hindurchgegangen sind, gefolgt vom Führen der reflektierten Ionen zurück durch den Triftraum erneut in der ersten Richtung. Auf diese Weise kann der Triftraum wenigstens dreimal für eine Ionenmobilitätstrennung der Ionen genutzt werden. Der Ionenspiegel, der die Ionen reflektiert, die durch den Triftraum in der zweiten Richtung hindurchgegangen sind, ist auch vorzugsweise angrenzend an den Triftraum angeordnet, bevorzugter angrenzend an ein zweites Ende des Triftraums, das zum ersten Ende entgegengesetzt ist. Dieser Ionenspiegel kann hier als zweiter Ionenspiegel bezeichnet werden.
Der zweite Ionenspiegel ist typischerweise in einem Bereich angrenzend an den Triftraum mit einem Druckregime ähnlich dem Bereich angeordnet, der den ersten Ionenspiegel enthält, wie oben beschrieben, d. h. bei einem niedrigeren Druck und am meisten bevorzugt unter hohem Vakuum. Die Bereiche, die den ersten und gegebenenfalls zweiten Spiegel enthalten, können ein gemeinsames Gaspumpsystem nutzen oder weisen getrennte Pumpsysteme auf. Die Bereiche, die den ersten und gegebenenfalls zweiten Spiegel enthalten, haben vorzugsweise ein anderes Pumpsystem oder andere Pumpsysteme als das Pumpsystem, das den Triftraum bepumpt, da sie unter einem niedrigeren Druck stehen.
Vorzugsweise ist der zweite Ionenspiegel ein Spiegel, der im Wesentlichen mit dem ersten Spiegel identisch ist, jedoch in gegenüberliegender Richtung ausgerichtet ist. Es ist klar, dass die Erfindung in solchen Ausführungsformen daher zwei gegenüberliegende Ionenspiegel umfassen kann, die angrenzend an die entgegengesetzten Enden des Triftraums angeordnet sind. Die Ionen werden vorzugsweise in dem oder jedem Ionenspiegel um 180 Grad reflektiert, so dass sie nach ihrer Reflexion denselben Weg entlang, d. h. dieselbe Achse entlang, jedoch in der entgegengesetzten Richtung wandern. Die Anordnung des Triftraums und des oder der Ionenspiegel(s) sieht dadurch einen Ionenmobilitätsseparator (IMS) mit erweiterter Weglänge vor, in dem der einfache lineare Triftraum mehr als einmal genutzt wird.
Es ist klar, dass nach dem Schritt des Führens der Ionen durch den Triftraum erneut in der ersten Richtung die Ionen gewünschtenfalls noch einmal reflektiert und durch den Triftraum in der zweiten Richtung zurückgeführt werden können, usw., bis ein erforderlicher Grad der Ionentrennung nach der Ionenmobilität stattgefunden hat. Mit anderen Worten kann das Verfahren nach Schritt (iv) das Wiederholen der Schritte (iii) und (iv) abwechselnd so viele Male wie erforderlich, z. B. eine Vielzahl von Malen, umfassen. Es ist klar, dass die Erfindung in solchen Ausführungsformen daher zwei gegenüberliegende Ionenspiegel umfassen kann, die angrenzend an die entgegengesetzten Enden des Triftraums angeordnet sind, wodurch die Ionen wiederholt zwischen den Ionenspiegeln reflektiert werden können, wobei sie zwischen jeder Reflexion durch den Triftraum hindurchgehen, d. h. in alternierenden Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen.
Jeder Durchgang durch den Triftraum erweitert die Ionenmobilitäts-Trennlänge um L, wobei L die Länge des Triftraums ist. Der gesamte Ionenmobilitäts-Trennweg ist daher durch M·L gegeben, wobei M die Anzahl von Durchgängen durch den Triftraum ist. Dies gestattet eine praktisch unbegrenzte Erhöhung der Auflösung der Ionen gemäß ihrer Ionenmobilität.
Die Erfindung kann auch unter Verwendung eines Ionenablenkers anstelle des oder jedes Ionenspiegels implementiert werden. Mit anderen Worten kann die Erfindung unter Verwendung von Spiegeln und/oder Ablenkern als Ionenoptik implementiert werden, die Ionen aus einem Triftraum nach einer Stufe der Ionenmobilitätstrennung aufnimmt und die Ionen in denselben oder einen weiteren Triftraum für eine weitere Stufe der Ionenmobilitätstrennung lenkt. Der Genauigkeit halber werden hier bestimmte Merkmale der Erfindung mit Bezugnahme auf die Verwendung von Ionenspiegeln beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die mit Bezugnahme auf Ionenspiegel beschriebenen Merkmale mutatis mutandis für Ausführungsformen unter Verwendung von Ionenablenkern gelten, wo beispielsweise das Reflektieren von Ionen zum Ablenken von Ionen wechselt, usw.

1. Innerhalb des Ionenspiegels oder jedes Ionenspiegels tritt vorzugsweise keine Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität auf. Der Bereich, in dem der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel enthalten ist, steht vorzugsweise unter einem niedrigeren Gasdruck, bevorzugt wesentlich niedrigerem Gasdruck, als der Triftraum. Der Druck in den Bereichen der Ionenspiegel ist vorzugsweise unter hohem Vakuum und ist vorzugsweise nicht größer als 10^–3 mbar und bevorzugter nicht größer als 10^–4 mbar. So ist der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel vorzugsweise in gasfreien Bereichen, z. B. im Hochvakuum, angeordnet, so dass die Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität in solchen Bereichen nicht auftritt. Die Spiegel sehen so vorzugsweise eine im Wesentlichen kollisionsfreie Ionenoptik vor. Somit tritt innerhalb der Ionenspiegel vorzugsweise eine Ionentrennung auf, die vom Ionenquerschnitt unabhängig, jedoch vom Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) abhängig ist.

Der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel sieht ein elektrisches Feld vor, um die Ionen zu retardieren und zu reflektieren. Der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel sieht vorzugsweise ein nicht-lineares elektrisches Feld vor, um die Ionen zu reflektieren, d. h. worin das elektrische Potenzial nicht-linear mit der Distanz innerhalb des Spiegels variiert, d. h. in der axialen Richtung. Der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel ist typischerweise länglich in der axialen Richtung, d. h. gleich wie die Richtung der Längung des Triftraums. Das von dem Ionenspiegel oder jedem Ionenspiegel vorgesehene elektrische Feld sieht vorzugsweise eine Flugzeitfokussierung der Ionen in der axialen Richtung vor, über den Bereich oder die Bereiche angrenzend an den Triftraum, in dem oder in denen der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel angeordnet ist. Da das Objekt der Ionenoptikanordnung die gepulste Ionenquelle ist, die sich am Ende des Triftraums befindet, fokussiert der Spiegel die Ionen zurück zu diesem Bild, und so können die Ionen zeitlich auf den Eingang des Triftraums fokussiert werden. Die Verwendung eines nicht-linearen elektrischen Felds kann eine Flugzeitfokussierung der Ionen über diesen gesamten Bereich vorsehen. Auf diese Weise ist die Raumausbreitung der Ionen außerhalb des Triftraums in den Bereichen, die den Spiegel oder die Spiegel enthalten, kleiner, typischerweise signifikant kleiner, als die Ausbreitung aufgrund der Diffusion im Triftraum, wo die Ionenmobilitätstrennung stattfindet. Diese axiale Energieverteilung der Ionen ist wahrscheinlich so hoch, dass die Flugzeitfokussierung in der axialen Richtung durch die Spiegel vorteilhaft ist.
Die Qualität der Fokussierungszeit muss nicht hoch sein, so dass geeignete reflektierende elektrische Felder ideale Parabolfelder (wie im US 4,625,112 und US 5,077,472 beschrieben), Polynomfelder (wie im US 5,464,985 und US 5,814,813 beschrieben) und nicht-lineare Felder mit zusätzlicher Beschleunigung (wie im US 6,365,892 ) umfassen. Vorzugsweise werden die Ionen durch einen Beschleuniger beschleunigt, beispielsweise um Fleckpotenziale zu vermeiden, wo der Druck vom Triftraum zum hohen Vakuum scharf abfällt, gefolgt vom Reflektieren der Ionen im nicht-linearen elektrischen Feld. Eine derartige Beschleunigung wird vorzugsweise mittels eines kurzen Bereichs mit einem kleinen Beschleunigungsfeld (z. B. 1 bis 10 V) vorgesehen. So wird die vorliegende Erfindung vorzugsweise unter Verwendung von einem linearen axialen Feld oder einer Wanderwelle innerhalb des Triftraums und einem nicht-linearen axialen Feld oder Feldern außerhalb des Triftraums (d. h. in dem oder den Ionenspiegel(n)) implementiert.
Das retardierende und reflektierende elektrische Feld des oder der Ionenspiegel(s) wird vorzugsweise durch axial mit Abstand voneinander vorliegende Hilfselektroden vorgesehen, z. B. Ringelektroden, an die geeignete Spannungen angelegt werden. An wenigstens eine oder mehrere Endhilfselektroden am distalen Ende des Ionenspiegels wird typischerweise eine retardierende Spannung angelegt. Die Endhilfselektrode oder Elektroden am distalen Ende des Ionenspiegels bilden vorzugsweise eine Endapertur. Durch das Modulieren der Spannung an der Endapertur des Ionenspiegels kann es ermöglicht werden, dass Ionen durch die Apertur und so durch den Ionenspiegel extrahiert werden. Andere Einrichtungen zum Generieren retardierender elektrischer Felder in Ionenspiegeln sind Fachleuten bekannt. Der Ionenspiegel oder jeder Ionenspiegel umfasst vorzugsweise eine Multipol-Ionenführung.
Es wird bevorzugt, dass die Versetzungsspannung wenigstens eines der Spiegel, vorzugsweise wenigstens des ersten Spiegels, schaltbar ist, so dass sie ermöglicht, dass die Ionen in die Triftröhre in der Richtung entgegengesetzt zu jener, aus der sie in den Spiegel eingetreten sind, zurückgeführt werden, z. B. durch das stufenweise Erhöhen der Versetzungsspannung, während die Ionen reflektiert werden.
Die Ionen können in den Triftraum durch den oder einen der Ionenspiegel eingebracht werden, d. h. die Ionen erreichen den Eingang in den Triftraum durch den oder einen der Ionenspiegel. Wenn es zwei Ionenspiegel gibt, können die Ionen beispielsweise durch den zweiten Ionenspiegel (d. h. den Speigel, an dem die zweite Reflexion stattfindet) eingebracht werden. Ähnlich der Ionenextraktion durch einen Ionenspiegel kann das Einbringen der Ionen durch das Modulieren der Spannung an einer Endapertur des Ionenspiegels bewirkt werden.
Die Erfindung umfasst vorzugsweise, nach dem Trennen der Ionen nach ihrer Ionenmobilität, das Extrahieren der Ionen, beispielsweise mit selektierter Ionenmobilität, aus dem Triftraum, vorzugsweise durch einen der Ionenspiegel. Nach dem Extrahieren der Ionen umfasst die Erfindung vorzugsweise das Detektieren der extrahierten Ionen unter Verwendung eines Detektors und/oder das Unterwerfen der Ionen einer weiteren Verarbeitung. Die extrahierten Ionen können unter Verwendung eines Massenanalysators als Detektor, d. h. in einer hybriden Ionenmobilitätsspektrometer-Massenspektrometer-(IMS-MS-)Anordnung, detektiert werden oder können einfach unter Verwendung eines Ionendetektors, wie eines SEM, detektiert werden, um ein einfaches Ionenmobilitätsspektrum vorzusehen. Vorzugsweise werden die extrahierten Ionen einer Massenanalyse unter Verwendung eines Massenanalysators unterzogen, z. B. stromabwärts vom Ionenmobilitätsseparator, gegebenenfalls nach einer Ionenfragmentierung. Die weitere Verarbeitung extrahierter Ionen kann eine weitere Trennung gemäß der Ionenmobilität, Trennung durch Masse-zu-Ladung und/oder Fragmentierung umfassen.
Die extrahierten Ionen mit selektierter Ionenmobilität können einer weiteren Verarbeitung unterworfen werden, beispielsweise einer oder mehreren Stufen einer Massentrennung oder -analyse (MS/MS oder MSⁿ), gegebenenfalls mit einer oder mehreren Stufen einer Ionenfragmentierung. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in verschieden hybriden Instrumentenauslegungen genutzt werden, wie IMS/MS oder IMS/MS/MS oder IMS/(MS)ⁿ. In einigen Ausführungsformen kann ein Massenanalysator eines Massenfilters stromaufwärts vom IMS verwendet werden, um beispielsweise Instrumentenauslegungen wie MS/IMS/MS, MS/IMS/MS/MS oder MS/IMS/(MS)ⁿ vorzusehen.
Das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Instrumentenauslegungen und mit verschiedenen anderen Komponenten verwendet werden, von denen einige im Nachstehenden beschrieben werden.
Vorzugsweise ist eine Ionenquelle vorhanden, um die Ionen für die Trennung im Triftraum vorzusehen. Die Ionenquelle kann eine beliebige geeignete Ionenquelle zum Genereiren von Ionen sein, beispielsweise einschließlich einer Elektrospray-Ionen-(ESI-)Quelle oder einer MALDI-Ionenquelle, insbesondere für biologische Proben, die Mischungen von Proteinen umfassen. Die Ionen werden vorzugsweise dem Triftraum als Ionenpuls oder -paket zur Trennung nach ihrer Ionenmobilität präsentiert.
Das Ionenmobilitätsspektrometer umfasst vorzugsweise eine Ionenspeichervorrichtung, wie eine Ionenfalle, stromaufwärts vom Triftraum, so dass Ionen von der Ionenspeichervorrichtung in den Triftraum eingebracht werden können, z. B. als Ionenpuls oder -paket, damit anschließend eine Ionenmobilitätstrennung im Triftraum stattfindet. Die Ionenspeichervorrichtung speichert Ionen von der Ionenquelle vor dem Einbringen in den Triftraum. Die Ionenspeichervorrichtung kann einen Multipol zum Injizieren von Ionen in den Triftraum umfassen. Die Ionen können von der Ionenspeichervorrichtung in den Triftraum durch einen Ionenspiegel eingebracht werden. Wenn es zwei Ionenspiegel gibt, können die Ionen beispielsweise durch. den zweiten Ionenspiegel eingebracht werden (d. h. den Spiegel, an dem die zweite Reflexion stattfindet).
Vorzugsweise kann entweder die stromaufwärtige Ionenspeichervorrichtung oder eine weitere Ionenspeichervorrichtung, wie eine Ionenfalle, stromabwärts vom Triftraum verwendet werden, so dass gemäß Ionenmobilität getrennte Ionen aus dem Triftraum extrahiert und innerhalb der Ionenspeichervorrichtung gespeichert werden können. Aus der Ionenspeichervorrichtung können die extrahierten Ionen mit selektierter Ionenmobilität einer weiteren Ionenmobilitätstrennung im Triftraum unterworfen werden oder können massenanalysiert werden, z. B. in einem Massenanalysator stromabwärts von der Ionenspeichervorrichtung. Alternativ dazu kann die Ionenspeichervorrichtung, wenn sie beispielsweise eine Ionenfalle ist, als Massenanalysator verwendet werden. Wenn eine stromabwärtige Ionenspeichervorrichtung verwendet wird, können die Ionen von der stromabwärtigen Ionenspeichervorrichtung erneut in die stromaufwärtige Ionenspeichervorrichtung zurück eingebracht werden, beispielsweise für eine weitere Ionenmobilitätstrennung.
Die Ionenspeichervorrichtung kann eine lineare Ionenfalle sein, insbesondere eine gekrümmte lineare Ionenfalle (auch als C-Falle bekannt), wie beispielsweise im WO 2008/081334 beschrieben. Die Ionenspeichervorrichtung, die Ionen in einen Massenanalysator ausstößt, wie eine Orbitalionenfalle, ist vorzugsweise eine C-Falle.
Eine Fragmentierungszelle kann vorgesehen werden, zu der die Ionen gegebenenfalls vor der Massenanalyse gesendet werden können. Beispielsweise kann die Ionenspeichervorrichtung, die Ionen von der Ionenmobilitätstrennung enthält, gegebenenfalls vor der Massenanalyse die Ionen zur Fragmentierungszelle senden. Auf diese Weise können die Massenspektren der Ionen erforderlichenfalls entweder ohne eine Fragmentierung oder mit einer Fragmentierung erhalten werden.
Der Massenanalysator kann ein beliebiger geeigneter Typ eines bekannten Massenanalysators sein, wie eine Ionenfalle, beispielsweise eine lineare Ionenfalle, eine 3D-Ionenfalle, eine elektrostatische Ionenfalle oder eine Orbitalionenfalle (beispielsweise ein Orbitrap^TM-Massenanalysator), ein TOF-Massenanalysator, beispielsweise ein linearer TOF, Einfachreflexions-TOF oder Mehrfachreflexions-TOF, ein Magnetsektor-Massenanalysator oder ein Fourier-Transformations-Massenanalysator, beispielsweise ein FT-ICR-Massenanalysator.
Ein Massenfilter, beispielsweise ein Transmissions-Quadrupol-Massenfilter oder Ionenfallen-Massenfilter, kann stromaufwärts vom Triftraum für ein Massenvorfiltern der Ionen von der Ionenquelle vor dem Einbringen in den Triftraum vorgesehen sein. Das Massenfilter ist vorzugsweise stromaufwärts von der Ionenspeichervorrichtung vorgesehen, die ihrerseits stromaufwärts vom Triftraum liegt, so dass die massengefilterten Ionen in der Ionenspeichervorrichtung gesammelt werden, bevor die Ionen von der Ionenspeichervorrichtung in den Triftraum eingebracht werden. Beispiele bevorzugter Auslegungen der vorliegenden Erfindung umfassen einen Q-IMS-TOF und eine Q-IMS-Orbitalfalle, wobei Q ein Quadrupol-Massenfilter repräsentiert.
In einem Typ eines Betriebsmodus kann ein Massenanalysator eingerichtet sein, aus dem Ionenmobilitätsseparator extrahierte Ionen mit selektierter Ionenmobilität mit einem oder einer begrenzten Anzahl von m/z-Werten (d. h. einem schmalen m/z-Band) zu detektieren, so dass das Instrument dadurch einen ionenspezifischen Detektor vorsieht. In einem typischeren Betriebsmodus, der als Mobilitätsfiltermodus bezeichnet wird, wird wenig oder kein Massefiltern angewendet oder es wird wenigstens ein breiter Bereich von m/z-Werten durch den Ionenmobilitätsseparator gesendet, und ein Massenspektrum wird durch einen Massenanalysator für jeden einer Vielzahl schmaler Bereiche von Ionenmobilitäten erhalten, die vom Ionenmobilitätsseparator ausgesendet wurden (d. h. ein Massenspektrum wird für jeden Ionenmobilitätspeak oder Mobilitätsbereich erhalten, wodurch jeder einzelne Ionenmobilitätspeak oder -bereich in seine m/z-Komponenten aufgelöst wird). Auf diese Weise kann ein zweidimensionales (2D) Mobilität/Masse-Diagramm erhalten werden.
Ein weiterer Typ eines Betriebsmodus ist ein sogenannter verknüpfter Scanmodus, der eine Selektion von Ionen nur (eines) bestimmter(n) Typen(s) gestattet, z. B. nur Peptide, was den dynamischen Bereich der Analyse komplexer Mischungen stark verbessern und das Analysieren analytisch nutzloser Ionen (z. B. einfach geladener und Polymerionen im Fall von Peptid-Mischungen) vermeiden kann. Im verknüpften Scanverfahren wird ein Massenfilter, z. B. Quadrupol-Massenfilter, gleichzeitig mit dem Mobilitätsscannen durch den Ionenmobilitätsseparator gescannt, so dass nur Ionen mit einem vorherbestimmten Mobilität/Masse-Verhältnis, oder die auf einer vorherbestimmten Kurve auf einem Mobilität/Massen-Diagramm liegen, für eine anschließende Verarbeitung oder Detektion, z. B. Massenanalyse, mit oder ohne dazwischenliegende Fragmentierung der selektierten Ionen selektiert werden. Die selektierten Ionen mit einem vorherbestimmten Mobilität/Masse-Verhältnis, oder die auf einer vorherbestimmten Kurve auf einem Mobilität/Massen-Diagramm liegen, werden auf diese Weise vorzugsweise vor einer anschließenden Massenanalyse in einer Ionenfalle akkumuliert (z. B. unter Verwendung eines Orbitrap-Massenanalysators oder eines TOF-Massenanalysators). Die Raumladungskapazität der Ionenfalle kann voll ausgenützt werden, da nur Ionen von Interesse selektiert und in der Falle akkumuliert werden.
Das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung kann mit anderen Trenntechniken verwendet werden, die vorzugsweise vor der Ionenmobilitätstrennung stattfinden, wie Flüssigchromatographie-IMS (LC-IMS) und Gaschromatographie-IMS (GC-IMS), mit oder ohne MS-Analyse.
Das Spektrometer und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung könnten für eine feldasymmetrische Ionenmobilitätsspektrometrie (FAIMS) verwendet werden. Das FAIMS-Feld in diesem Fall würde in der radialen Richtung quer über den Triftraum angelegt werden und ein periodisches asymmetrisches elektrisches Feld umfassen, so dass axial den Triftraum entlang strömende Ionen veranlasst würden, sich nach differenzieller Ionenmobilität zu trennen, wie bekannt ist. Dafür ist es typisch, E/P im Triftraum signifikant über 200 V/(m·mbar) zu erhöhen.
Aus der vorstehenden Beschreibung und der nachstehenden detaillierteren Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein verbessertes Ionenmobilitätsspektrometer und Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie vorsieht. Insbesondere können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eines oder mehreres des Folgenden vorsehen: eine lange Ionentrennlänge innerhalb eines begrenzten Raums; eine Ionentrennlänge, die in Abhängigkeit von der Anzahl eingesetzter Ionenreflexionen variiert werden kann; ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer langen Ionentrennlänge, die durch eine einfache Ausbildung vorgesehen wird; ein Ionenmobilitätsspektrometer, das leicht zwischen Modi mit unterschiedlicher Ionentrennauflösung und Geschwindigkeit umschaltbar ist; und ein Verfahren zum Filtern von Ionen auf der Basis ihrer Ionenmobilität, gekoppelt mit einer Analyse unter Verwendung eines Massenspektrometers, insbesondere eines Ionenfallen-Massenspektrometers.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung wird diese nun anhand nicht-einschränkender Beispiele mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch eine Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 schematisch eine Ausführungsform einer HF-Apertur zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A schematisch eine weitere Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B schematisch eine weitere Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3C schematisch noch eine weitere Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4A und 4B schematisch zwei jeweilige Ausführungsformen von hybriden IMS-MS-Systemen unter Verwendung eines IMS gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
5 ein zweidimensionales (2D) Mobilität/Masse-Diagramm zeigt, das unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann; und
6 ein Mobilität/Masse-Diagramm mit einem angezeigten eingestellten Mobilität/Masse-Verhältnis zeigt, welches in einem verknüpften Scanverfahren gescannt werden kann, das unter Verwendung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden kann.
Mit Bezugnahme auf 1 ist schematisch in einer Seitenansicht eine Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ionen von einer Ionenquelle (nicht gezeigt), oder gegebenenfalls von einer vorhergehenden Stufe einer Massenanalyse oder anderen Ionenverarbeitung (nicht gezeigt), werden anfänglich in einer Ionenspeicher- oder -fallenvorrichtung 10 gespeichert. Diese Fallenvorrichtung kann beispielsweise eine Multipol-Ionenfalle sein, die ihrerseits eine C-Falle sein kann. Im Gebrauch werden die gefangenen Ionen als kurzes Paket oder Puls aus der Fallenvorrichtung 10 in einer ersten oder Vorwärtsrichtung zu einem Triftraum ausgestoßen, welcher in diesem Beispiel innerhalb eines gasgefüllten HF-Multipols 20 angeordnet ist, der stromabwärts von der Fallenvorrichtung 10 angeordnet ist. Die Ionen wandern durch eine Eintrittsapertur 22 am stromaufwärtigen Ende des Multipols 20, um in den Multipol 20 einzutreten. In der gezeigten Ausführungsform gehen die Ionen auch zuerst durch eine erste Apertur 11 und einen in einem gasfreien Bereich 46 enthaltenen Ionenspiegel 48 hindurch, die jeweils stromaufwärts von der Eintrittsapertur 22 angeordnet sind, und die nachstehend detaillierter beschrieben werden. In anderen Ausführungsformen kann der Ionenspiegel 48 nicht vorliegen (beispielsweise wenn nur eine einzige Reflexion der Ionen verwendet wird). Wenn er verwendet wird, kann die Apertur 11 eine Spannung aufweisen, die moduliert an sie angelegt wird, um zu gestatten, dass Ionen von der Ionenfallenvorrichtung 10 durch den Ionenspiegel 48 und in den gasgefüllten Multipol 20 geführt werden.
Der gasgefüllte HF-Multipol 20 umfasst längliche Multipolstäbe 24, beispielsweise vier solche Stäbe im Fall eines Quadrupols, und ist in einer axialen Richtung länglich, wobei eine zentrale Längsachse 60 in der axialen Richtung durch ihn hindurch verläuft. In einigen Ausführungsformen kann, wie nachstehend beschrieben, an den Multipol eine massenauflösende GS-Spannung angelegt werden, um beispielsweise zu ermöglichen, dass er irgendwelche unerwünschten Ionen von Anfang an ausfiltert. Typischerweise beträgt der Innenradius der Stäbe 2 bis 4 mm, und die Stablänge beträgt 100 bis 500 mm. Der Triftraum ist innerhalb der Multipolstäbe 24 angeordnet. Die Stäbe werden mit einer HF-Spannung versehen (typischerweise 500 bis 3000 V Peak-zu-Peak bei 1 bis 5 MHz), um die Ionen radial zu begrenzen und die Ionen zu führen, während sie sich axial durch den Triftraum innerhalb des Multipols bewegen. Der Multipol 20 ist im Gebrauch mit einem schaltbaren axialen elektrischen Feld versehen, um die Ionen in die axiale Richtung zu treiben, was in dem in der Zeichnung gezeigten Beispiel mittels axial getrennter Hilfselektroden 21 vorgesehen wird, die angrenzend an die und radial auswärts von den Multipolstäben 24 angeordnet sind. Die Elektroden 21 sind vorzugsweise über einen Widerstandsteiler (nicht gezeigt) verbunden, um den gewünschten Potenzialgradienten vorzusehen. In anderen Ausführungsformen kann das axiale elektrische Feld durch andere Mittel vorgesehen werden. In 1 sind die GS-Potenziale, die innerhalb der verschiedenen Bereiche des Ionenmobilitätsspektrometers angelegt werden, schematisch unter der Zeichnung des Spektrometers gezeigt. Die durchgehende Linie repräsentiert die GS-Potenzialkurve für einen Durchgang in der ersten/Vorwärtsrichtung durch das Spektrometer für den Fall positiv geladener Ionen. Die gestrichelte Linie repräsentiert die GS-Potenzialkurve für einen Durchgang in der zweiten/Rückwärtsrichtung durch das Spektrometer, wie nachstehend detaillierter beschrieben. Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung auf die Trennung entweder positiv oder negativ geladener Ionen angewendet werden kann, indem die Potenziale umgekehrt werden.
Der Multipol 20 ist in einem gasgefüllten Bereich enthalten, der in der Zeichnung durch den schraffierten Bereich 62 angezeigt ist. Der Druck im Bereich 62 des Multipols 20 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 3 mbar, und das axiale Feld ist vorzugsweise etwa 0,2 bis 10 V/cm, so dass die axiale Ionengeschwindigkeit im gasgefüllten Triftraum vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 m/s liegt. Im Gebrauch trennen sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität, während sie sich axial durch den Triftraum innerhalb des gasgefüllten Multipols bewegen. Jeder Durchgang durch den Triftraum trennt die Ionen mit einem Auflösungsvermögen R1 von etwa 5 bis 20.
Nachdem die Ionen im Gebrauch ihren ersten Durchgang axial durch den Triftraum innerhalb des Multipols 20 in der ersten oder Vorwärtsrichtung vorgenommen und dadurch einen ersten Trenngrad gemäß Ionenmobilität eingegangen sind, treten sie aus dem gasgefüllten Bereich 62, in dieser Ausführungsform durch die Austrittsapertur 23, aus und treten in den gasgefülllten Bereich 36 ein, der einen ersten Ionenspiegel 38 zum Reflektieren der Ionen enthält. Der gasgefüllte Bereich bedeutet in der Praxis einen Bereich unter einem Vakuum, das wenigstens ein Hochvakuum ist (vorzugsweise weniger als 10^–3 mbar, bevorzugter weniger als 10^–4 mbar). Der Ionenspiegel 38 umfasst einen HF-Multipol 30, der in einer axialen Richtung länglich ist und längliche Multipolstäbe 34 umfasst, beispielsweise vier solche Stäbe im Fall eines Quadrupols. Die Ionen treten in den ersten Ionenspiegel 38 ein und wandern innerhalb des Multipols 30, wo sie eine Reflexion durch ein retardierendes axiales elektrisches Feld erfahren, das von geeigneten Spannungen vorgesehen wird, welche an axial mit Abstand voneinander vorgesehenen Hilfselektroden 31 angelegt werden, die radial auswärts von den Multipolstäben 34 sowie der Endapertur 32 angeordnet sind. Das GS-Potenzial des retardierenden Felds des Spiegels ist durch die untere durchgehende Linie in 1 gezeigt. Die Gesamtlänge des Spiegels beträgt typischerweise 50 bis 200 mm.
Vorzugsweise sieht das retardierende elektrische Feld des Ionenspiegels eine Fokussierung der Ionen in der Flugzeit über den gesamten gasfreien Bereich 36 vor, in dem die Ionen wandern, so dass, wenn sie zum Triftraum innerhalb des gasgefüllten Multipols 20 zurückkehren, die Raumausbreitung des Ionenpakets Δ_TOF aufgrund der Flugzeit signifikant kleiner ist als die Ausbreitung des Paketes Δ_IM aufgrund der Diffusion im Ionenmobilitätsbereich, d. h. dem Triftraum. Dies kann wie folgt repräsentiert werden:
worin L die Länge (m) des Ionenmobilitäts-Trennwegs im gasgefüllten Bereich (Triftraum) ist; U der Potenzialabfall (V) entlang des Triftraums ist, d. h. entlang der Achse des Multipols 20; z der Ladungszustand der Ionen ist; T die Temperatur (K) des Gases im gasgefüllten Bereich ist; e die Elementarladung ist (1,602·10^–19 Coulomb); und k die Boltzmann-Konstante ist (1,38·10^–23 J/K). Da Ionen am Austritt aus dem Multipol 20 thermalisiert werden, liegen ihre Energien im Bereich von einigen mV bis zu 50 bis 100 meV, und daher ist ihre relative axiale Energieverteilung hoch. Es ist möglich, eine Flugzeitfokussierung trotz solcher Energieverteilungen vorzusehen, wenn nicht-lineare Felder für die Reflexion von Ionen verwendet werden, so dass die Flugzeitfokussierung beim Wiedereintritt in den Multipol 20 stattfindet. Die erforderliche Qualität einer derartigen Fokussierung ist nicht sehr hoch, so liegen akzeptable Felder für diesen Zweck im Bereich von idealen Parabolfeldern (siehe beispielsweise jene, die im US 4,625,112 und US 5,077,472 beschrieben sind) bis Polynomfeldern (siehe beispielsweise jene, die im US 5,464,985 und US 5,814,813 beschrieben sind) sowie nicht-linearen Feldern mit zusätzlicher Beschleunigung (siehe beispielsweise jene, die im US 6,365,892 beschrieben sind). Ein besonders bevorzugtes Feld für den Ionenspiegel würde durch einen kurzen Bereich mit einem sehr kleinen axialen Beschleunigungsfeld vorgesehen werden, um Fleckpotenziale zu überwinden, wo sich der Druck stark auf ein Hochvakuum reduziert, wobei dieser Bereich von einer Reflexion in einem Parabolfeld gefolgt wird, beispielsweise gemäß dem US 4,625,112 .
Angesichts der niedrigen axialen Energien wird es bevorzugt, dass die Fleckpotenziale an den Elektroden des Multipols 30 minimiert werden, wie beispielsweise in unserer gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. GB 1116837.4 , eingereicht am 30. September 2010, beschrieben. In dieser Ausführungsform könnte ein Erhitzen und/oder die Verwendung gleichmäßiger Beschichtungen zur Reduktion von Fleckpotenzialen für die gesamte Anordnung implementiert werden.
Um eine zusätzliche Streuung des Ionenstrahls am Ausgang aus dem gasgefüllten Multipol 20 zu reduzieren, könnten eine oder beide seiner Endaperturen 22 und 23 ausgelegt werden, eine Barriere für Gas vorzusehen, aber die Kontinuität des HF-Felds nicht zu unterbrechen. Vorzugsweise wird an die Endaperturen des gasgefüllten Multipols eine HF angelegt. Ein Beispiel solcher Aperturen ist schematisch in 2 für einen bestimmten Fall eines quadrupolaren Felds gezeigt. Die Apertur ist von einem Ende aus gezeigt und umfasst vier leitfähige Segmente oder Finger 28, die durch kleine Spalte x getrennt sind, in denen entgegengesetzte Paare mit derselben HF-Phase elektrisch verbunden sind (d. h. ein erstes Paar entgegengesetzter Segmente hat eine HF-Phase 1 und ein zweites Paar entgegengesetzter Segmente hat eine HF-Phase 2, wobei 1 und 2 entgegengesetzte HF-Phasen sind), um das quadrupolare Feld vorzusehen. Die Ionen gehen durch die radial zentrale Apertur 27 in den Segmenten hindurch, durch welche die zentrale Achse 60 des Systems verläuft. Im Allgemeinen könnten für ein 2N-polares Feld (N = 2 für Quadrupol, N = 3 für Hexapol, N = 4 für Oktapol, etc.) die Aperturen 22 und/oder 23 mit 2N Segmenten konstruiert werden, die durch kleine Spalte getrennt sind. Für ein 2N-polares Feld könnten die Aperturen 22 und/oder 23 als metallbeschichte PCBs mit 2N Segmenten oder Fingern konstruiert werden, die durch kleine Spalte getrennt sind (z. B. Spaltdistanzen von etwa 0,5 mm). Vorzugsweise ist die Amplitude der HF an der Apertur 22, 23 kleiner als die HF am 2N-Pol (in diesem Fall der Quadrupol 20), und bevorzugter ist sie kleiner um einen Faktor gleich der N-Potenz der Verhältnisse der effektiven Radien. Dies könnte durch das Vorsehen von kapazitiv übereingestimmten Teilern erzielt werden. Mit „effektiver Radius” ist der Innenradius eines idealen Multipols gemeint, der dieselbe Feldstruktur auf der zentralen Achse erzeugen würde wie die tatsächliche Konstruktion. Beispielsweise ist der effektive Radius für einen Flatapol kleiner als die Hälfte des Spalts zwischen den Elektroden. Für eine Apertur des in 2 gezeigten Typs ist der effektive Radius sogar noch weiter reduziert relativ zu ihrem tatsächlichen Radius, da die Ränder jedes Quadranten der Achse näher kommen, anstatt sich wegzubiegen wie in einem idealen Quadrupol.
Das retardierende Feld, das vom ersten Ionenspiegel 38 vorgesehen wird, reflektiert die Ionen wie oben beschrieben, so dass sie rückwärts zum gasgefüllten Multipol 20 für einen zweiten Durchgang durch den darin enthaltenen Triftraum zurückkehren. Während die Ionen zum Multipol 20 zurückkehren, wird die GS-Versetzungsspannung des ersten Ionenspiegels, d. h. Multipols 30, sowie des Endes der Kette von Hilfselektroden 21 entlang des Triftraums, der dem ersten Spiegel am Nächsten liegt, stufenweise erhöht, wie durch die gestrichelte Linie in der grafischen Potenzialdarstellung in 1 gezeigt. Diese stufenweise Erhöhung sollte streng synchronisiert werden, so dass die Ionenbewegung nicht gestört wird. Auf diese Weise befinden sich die Ionen beim Wiedereintritt in den Triftraum in einer fortgesetzten Ionenmobilitätstrennung, wobei sie in der umgekehrten oder zweiten Richtung durch den Triftraum wandern. So wird das axiale Feld entlang des Triftraums innerhalb des gasgefüllten Multipols 20 umgekehrt. Wen die Ionen das andere Ende des gasgefüllten Multipols 20 erreichen, treten sie aus dem gasgefüllten Triftraum aus und treten in den gasfreien Bereich 46 ein, der einen zweiten Ionenspiegel 48 zum Reflektieren der Ionen enthält. Dieser gasfreie Bereich bedeutet in der Praxis wiederum einen Bereich unter einem Vakuum, das wenigstens ein Hochvakuum ist (vorzugsweise weniger als 10^–3 mbar, bevorzugter weniger als 10^–4 mbar). Die Ionen werden auf die gleiche Weise im zweiten Ionenspiegel 48 reflektiert, der mit dem ersten Ionenspiegel 38 im Wesentlichen identisch ist, jedoch in der dem ersten Ionenspiegel gegenüberliegenden Richtung ausgerichtet ist, und einen gasfreien Multipol 40 mit länglichen Multipolstäben 44 aufweist. Dem zweiten Ionenspiegel 48 wird ein ähnliches, jedoch entgegengesetzt zum ersten Spiegel ausgerichtetes retardierendes axiales Feld zugeführt. Das retardierende Feld des zweiten Spiegels wird über axial mit Abstand voneinander vorgesehene Hilfselektroden 41 vorgesehen, die radial auswärts von den Multipolstäben 44 sowie der Endapertur 11 angeordnet sind. Der Hauptunterschied ist, dass dieses Mal keine Notwendigkeit besteht, die GS-Versetzung des Multipols 40 zu ändern, während die Ionen reflektiert werden, sondern nur des Endes der Kette von Hilfselektroden 21 entlang des Triftraums, die wieder stufenweise verringert werden muss (siehe die durchgehende Linie in der grafischen Potenzialdarstellung) auf den Zustand, der anfänglich beim ersten Durchgang durch den Triftraum in der Vorwärtsrichtung verwendet wurde. Die Ionen treten dann erneut in den Triftraum innerhalb des gasgefüllten Multipols 20 ein, um erneut in der ersten oder Vorwärtsrichtung durch diesen zu wandern. Auf diese Weise kann der gesamte Ionenmobilitäts-Trennprozess wieder begonnen werden.
Während in der in 1 gezeigten Ausführungsform die Multipole 20, 30 und 40 ihren eigenen Satz von Stäben 24, 34 bzw. 44 umfassen, könnten in einigen Ausführungsformen die Stäbe 24, 34 und 44 physisch derselbe Satz von Stäben sein, so dass die Multipole 20, 30 und 40 unterschiedliche Sektionen desselben Satzes von Stäben sind. In solchen Ausführungsformen können die Aperturen 22 und 23 verschachtelt zwischen den die Multipole 20, 30 und 40 bildenden Sektionen installiert sein. Einige Stäbe könnten zu diesem Zweck geteilt sein. Einige Stäbe könnten physisch dieselben für alle Multipole sein und einige könnten geteilt sein. Einer der Multipole könnte seinen eigenen Satz von Stäben umfassen, und zwei der anderen Multipole können physisch derselbe Satz von Stäben sein.
Der Prozess des Reflektierens der Ionen und ihres Führens durch den Triftraum wird mehrfache Male wiederholt, bis die Trennung der Ionen von Interesse nach ihrer Ionenmobilität gewünschte Niveaus erreicht (ungefähr proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Durchgängen M). Jeder Durchgang durch den Triftraum trennt typischerweise die Ionen mit einer Auflösung R1 von etwa 5 bis 20. An den Enden können Ionen mit einer selektierten einzelnen Ionenmobilität oder einem Bereich von Ionenmobilitäten durch das Modulieren von Spannungen an den Endaperturen 11 oder 32 herausgefiltert werden, so dass die selektierten Ionen durch diese austreten, d. h. durch einen der beiden Ionenspiegel durch das Modulieren des retardierenden Felds des Spiegels in einen nicht-retardierenden Zustand austreten. Selektierte Ionen, die durch die stromaufwärtige Endapertur 11 austreten, können in der stromaufwärtigen Ionenspeicher- oder -fallenvorrichtung 10 aufgefangen werden. Selektierte Ionen, die durch die stromabwärtige Endapertur 32 austreten, können in der stromabwärtigen Ionenspeicher- oder -fallenvorrichtung 50 aufgefangen werden.
Gemäß der Ionenmobilität getrennte und anschließend in einer der beiden Fallenvorrichtungen 10 oder 50 gespeicherte Ionen können zu einem Massenanalysator für eine Massenanalyse oder für eine andere Ionenverarbeitung in Abhängigkeit von der Instrumentenauslegung ausgestoßen werden. Die Fallenvorrichtungen 10 oder 50 können eine lineare Ionenfalle, insbesondere eine gekrümmte lineare Ionenfalle (C-Falle) für diesen Zweck sein.
Um Ionen mit höherer Mobilität zu entfernen, könnte die Spannung an der Apertur 32 moduliert werden (falls positiv geladene Ionen berücksichtigt werden, gesenkt werden), während Ionen von Interesse weiterhin innerhalb des Multipols 20 sind. Ionen mit geringerer Mobilität bleiben innerhalb des Multipols 20 während der gesamten Trennung, und sie könnten Raumladungseffekte erzeugen, welche die Qualität der Mobilitätstrennung der Ionen von Interesse negativ beeinflussen. Um Ionen mit geringerer Mobilität zu entfernen, könnte die HF am Multipol 20 gelegentlich abgeschaltet oder ein auflösender GS an die Stäbe des Multipols 20 im Fall einer Quadrupol-Auslegung angelegt werden. Gegebenenfalls könnte auch ein auflösender GS während der gesamten Mobilitätstrennung verwendet werden, um eine rasche Entfernung unerwünschter Arten oder beliebiger Produkte von Ionen-Molekül-Reaktionen vorzusehen.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte ein Ablenker, wie ein 180 Grad toroidaler elektrischer Sektor, anstelle eines reflektierenden Ionenspiegels verwendet werden, um die Ionen in die entgegengesetzte Richtung mit einer TOF-Fokussierung zurückzuführen, wobei sich der Ablenker vorzugsweise in einem gasfreien Bereich wie für den Fall des oben beschriebenen Ionenspiegels befindet. Ein Beispiel dieser Auslegung ist schematisch in 3A gezeigt. Ionen von der Speichervorrichtung 10 werden entlang einer ersten Achse 70 durch einen gasfreien Bereich, der einen toroidalen elektrischen Sektorabenker 90 enthält, in einen gasgefüllten Triftraum 72 eingebracht, in dem die Ionenmobilitätstrennung auftritt. Der Ablenker 90 hat eine Apertur (nicht gezeigt), um es den Ionen zu gestatten, durch diese von der Speichervorrichtung 10 in den Triftraum 72 hindurchzugehen. Die Ionen gehen auch durch eine erste von vier kurzen Ionenführungen 71, die zwischen dem Triftraum 72 und dem Ablenker 90 positioniert ist. Die Ionen werden entlang einer ersten Achse 70 in den Triftraum durch den ersten HF-Multipol 74 geführt, worin ein axiales GS-Feld die Ionen die Achse 70 entlang treibt. Der schraffierte Bereich 82 repräsentiert den gesamten gasgefüllten Triftraumbereich. Solche Ausführungsformen können die Ionen entlang einer Achse in die umgekehrte Richtung führen, die zu der in der Vorwärtsrichtung verfolgten Achse parallel, jedoch von dieser versetzt ist. Ein ähnlicher Ablenker in einem ähnlichen gasfreien Bereich am anderen Ende des Triftraums würde Ionen um 180 Grad ablenken, um die Ionen entlang einer Achse in der entgegengesetzten Richtung zurückzuführen. Im gezeigten Fall nimmt ein toroidaler elektrischer Sektorablenker 100 ähnlich dem Ablenker 90, auch im gasfreien Bereich, Ionen auf, welche die erste Achse 70 entlang gewandet sind, und führt sie mit einer Flugzeitfokussierung zurück, damit sie in der entgegengesetzten Richtung eine zweite Achse 80 entlang wandern, die parallel zur ersten Achse 70, jedoch von dieser versetzt ist. Jede Achse wäre ausgebildet, ihre eigene Ionenführung aufzuweisen, z. B. gäbe es zwei parallele Ionenführungen. So werden die Ionen entlang einer zweiten Achse 80 im Triftraum durch einen zweiten HF-Multipol 84 geführt, worin ein axiales GS-Feld die Ionen die Achse entlang treibt. Danach treten die Ionen in den ersten Ablenker 90 ein und werden um 180 Grad und durch die Flugzeitfokussierung auf die erste Achse 70 zurück und wieder in den Triftraum abgelenkt, usw. Dies würde bedeuten, dass das GS-Feld in einer Richtung entlang der ersten (Vorwärts-)Achse 70 gehalten werden und in der entgegengesetzten Richtung auf der zweiten (Rückwärts-)Achse 80 gehalten werden könnte. Die Übereinstimmung der Potenziale könnte durch einen Spannungshub der Ionen innerhalb eines oder beider Ablenker erzielt werden, oder durch das Verschieben der Spannungsverteilungen innerhalb der Ionenführungen, wie in der obigen Ausführungsform beschrieben. In dieser Ausführungsform ist es ersichtlich, dass zwei getrennte Ionenwege entlang jeweiliger Achsen 70 und 80 definiert werden, wobei jeder Weg innerhalb seines eigenen jeweiligen Multipols 74 und 84 liegt, und beide mit einem einzelnen gasgefüllten Triftraum 82 versehen sind, um zwei Wege der Ionenmobilitätstrennung vorzusehen. In dieser Ausführungsform, wie bei den obigen Ausführungsformen unter Verwendung von Ionenspiegeln, tritt innerhalb des Ionenablenkers keine Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität auf. Der Ionenspiegel oder Ionenablenker sind vorzugsweise in gasfreien Bereichen, z. B. Hochvakuum, angeordnet, so dass keine Ionenmobilitätstrennung der Ionen in solchen Bereichen auftritt. Derartige Ionenspiegel oder Ablenker sehen vorzugsweise eine Flugzeitfokussierung der Ionen quer über ihre Bereiche vor. Andere Merkmale, die hier in Bezug auf die Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung von Ionenspiegeln beschrieben werden, sind mutatis mutandis auf die weiteren Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung von Ionenablenkern anwendbar. Beispielsweise könnten Ionen durch einen der Ablenker 90 oder 100, z. B. durch eine Apertur darin, extrahiert werden, sobald die Ionen von Interesse gemäß Ionenmobilität ausreichend getrennt sind.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 3B gezeigt, die größtenteils der in 3A gezeigten Ausführungsform ähnlich ist, so dass ähnliche Bezugszeichen ähnliche Komponenten bezeichnen. In der in 3B gezeigten Ausführungsform ist nur ein Ionenmobilitäts-Trennweg entlang der Achse 70 in einem kleineren gasgefüllten Triftraum 82 vorgesehen. Die Ionen gehen ein erstes Mal durch den Triftraum 82 von seinem Eingang zu seinem Ausgang und werden dann über Ionenoptik, die den Ablenker 100, geraden Multipol 84 und Ablenker 90 umfasst, zum Eingang zurückgeführt, wo sie erneut durch den gasgefüllten Triftraum 82 hindurchgehen können, usw. Die rückführende Ionenoptik ist in einem Hochvakuumbereich enthalten wie zuvor.
3C zeigt schematisch noch eine weitere Ausführungsform eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem zwei gegenüberliegende 180 Grad toroidale elektrische Sektoren verwendet werden, um einen gekrümmten, allgemein kreisförmigen Ionenweg vorzusehen. In dieser Ausführungsform umfasst ein Triftraum einen gasgefüllten 180 Grad toroidalen Sektor 92 mit einem Eingang 91 und einem Ausgang 93. Die Richtung der Ionenbewegung ist durch die Pfeile angezeigt. Die Ionen werden vom Ausgang 93 des Triftraums in einen gasfreien 180 Grad toroidalen Sektor 94 aufgenommen, worin die Ionen eine inerte Bewegung eingehen. Dann werden die Ionen noch einmal mit einer Flugzeitfokussierung zum Eingang 91 des Triftraums zurückgeführt. Es werden so viele Durchgänge durch den gasgefüllten Sektor vorgenommen wie es erforderlich ist, bis das gewünschte Auflösungsvermögen erreicht wurde. Beispielsweise können die Ionen in den Triftraum oder gasfreien Bereich durch eine Apertur (nicht gezeigt) in einem der beiden Sektoren 92, 94 eintreten, um eine Bewegung entlang des gezeigten Ionenwegs zu beginnen. Ähnlich können die Ionen von Interesse durch einen der Sektoren extrahiert werden, nachdem eine Trennung gemäß Ionenmobilität bis zum erforderlichen Grad stattgefunden hat. In anderen Ausführungsformen können andere gekrümmte Wege vorgesehen werden, z. B. innerhalb eines gekrümmten HF-Multipols.
Verschiedene Betriebsmodi des Ionenmobilitätsspektrometers sind möglich, wie beispielsweise die Folgenden:

1.) Ein Hochauflösungsmodus, wie oben beschrieben, bei dem ein schmaler Bereich von Ionenmobilitäten eingezoomt wird und eine gesamte Ionenfluglänge L·M ist, während der Ionenmobilitätsbereich um den Faktor M reduziert wird.
2.) Ein Niederauflösungsmodus, bei dem es Ionen gestattet wird, durch das System ohne Reflexion zu fliegen (M = 1), und Ionen von Interesse in die Speichervorrichtung 50 durch das Modulieren der Spannung an der Endapertur 32 ausgegeben und dort aufgefangen werden könnten. Von dort könnten die Ionen (erforderlichenfalls) zur stromaufwärtigen Ionenspeichervorrichtung 10 zur weiteren Ionenmobilitätstrennung zurücktransferiert werden, oder sie können in einem Massenanalysator massenanalysiert werden.
3.) Ein sogenannter augmentierter Modus, bei dem ein Bereich von Ionenmobilitäten durch ein Hoch- oder Niederauflösungsverfahren analysiert wird, und Ionen mit gewünschter Ionenmobilität in die Ionenspeichervorrichtung 50 gefiltert werden. Dann werden weitere Bereiche der Ionenmobilität analysiert, wobei jedesmal gestattet wird, dass gewünschte Ionen in den Ionenspeicher 50 eintreten. Danach könnten die Ionen stromabwärts (z. B. zur Massenanalyse oder weiteren Verarbeitung) oder stromaufwärts in die Ionenspeichervorrichtung 10 (zur weiteren Ionenmobilitätstrennung) transferiert werden. Als Alternative zum Lenken, in den Ionenspeicher 50 einzutreten, könnten die selektierten Ionen in den Ionenspeicher 10 gelenkt werden, und von dort könnten die Ionen zur Massenanalyse oder weiteren Verarbeitung oder weiteren Ionenmobilitätstrennung transferiert werden.
4.) Ein Fragmentierungsmodus, bei dem die Versetzung eines der Multipole so hoch angehoben werden könnte, dass die Ionen eine Fragmentierung im Triftraum des gasgefüllten Multipols 20 eingehen. Dies könnte von einer weiteren Ionenmobilitätstrennung oder anderen Weiterverarbeitung oder Massenanalyse gefolgt werden.
5.) Ein Transmissionsmodus, bei dem gestattet wird, dass Ionen entlang der Vorrichtung in einer quasikontinuierlichen Weise triften, wobei sie vom axialen Feld zwischen den Vorrichtungen 10 bis 50 gezogen werden.
6.) Ein Multiplexmodus, bei dem ein oder mehrere zusätzliche Ionenpulse vom Ionenspeicher 10 in den Triftraum injiziert werden, um so synchron mit Ionenen von Interesse zu sein (beispielsweise Injizieren des oder jedes zusätzlichen Pulses, jedesmal unmittelbar nachdem die Ionen von Interesse eine Reflexion im Spiegel 48 erfahren). Dies ist besonders effektiv, wenn Ionen von Interesse eine niedrige Intensität aufweisen, jedoch ein hoher ankommender Ionenstrom Raumladungseffekte bemerkbar macht. Dieser Modus ermöglicht eine starke Erhöhung des Arbeitszyklus für lange Trennungen von bis zu >50%.

Es ist klar, dass auch andere Betriebsmodi möglich sind.
Es ist ferner klar, dass die Erfindung unter Verwendung verschiedener Mittel alternativ zu jenen implementiert werden kann, die in 1 und 2 gezeigt sind. Beispielsweise könnten anstelle der Multipole 20, 30 und 40 Ionentunnel, Ionentrichter und/oder andere Vorrichtungen anstatt eines beliebigen oder jedes von diesen verwendet werden, mit oder ohne angelegter HF. Ferner könnte anstelle der Verwendung eines axialen GS-Gradientenfelds für die Ionenmobilitätstrennung eine Wanderwelle verwendet werden, wie bekannt ist und wie oben ausgeführt wird.
4A und 4B zeigen Ausführungsformen bevorzugter hybrider MS/IMS/MS-Instrumente, die eine Q/IMS/Trap- oder Q/IMS/Orbitrap-Auslegung sein können. In den in 4A und 4B gezeigten Auslegungen haben die Bezugszeichen die folgenden Bedeutungen: IS bezeichnet eine Ionenquelle; Q bezeichnet ein Quadrupol-Massenfilter; CT bezeichnet eine C-Falle; Orbitrap bezeichnet einen Orbitrap^TM-Massenanalysator; IMS bezeichnet einen Ionenmobilitätsseparator gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Triftraum und gegenüberliegende Ionenspiegel umfasst (z. B. wie in 1 gezeigt); IT bezeichnet einen Ionenspeicher oder eine Falle. Andere MS/IMS/MS-Hybride können einen TOF-Massenanalysator anstelle des Orbitrap-Massenanalysators verwenden.
Das Layout von MS/IMS/MS in 4A weist den IMS in einer Position eines toten Endes auf, wobei gemäß Ionenmobilität getrennte Ionen stromaufwärts zurückgeführt werden, bevor sie im Orbitrap-Massenanalysator massenanalysiert werden. Das Layout von MS/IMS/MS in 4B weist den IMS in einer ,Inline'-Auslegung auf, wobei gemäß Ionenmobilität getrennte Ionen im Orbitrap-Massenanalysator stromabwärts vom IMS massenanalysiert werden.
Eine C-Falle kann die Funktion einer der beiden Fallenvorrichtungen 10 oder 50 in der Ausführungsform von 1 vornehmen, insbesondere mit einem zusätzlichen axialen Feld darin. Die C-Falle kann dann Ionen zu einem Massenanalysator ausstoßen, wie bekannt ist. Anstelle des Orbitrap-Massenanalysators könnten eine beliebige andere massenanalysierende Ionenfalle, eine elektrostatische Ionenfalle, ein FT-ICR-Massenanalysator oder ein TOF-Massenanalysator verwendet werden.
Es ist klar, dass andere Auslegungen möglich sind, wie das Koppeln von zwei oder mehreren der Ionenmobilitätsseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander in Serie. Beispielsweise könnten selektierte Ionen, die aus einer Ionenmobilitäts-Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung extrahiert werden, in einen zweiten Ionenmobilitätsseparator gesendet oder eingebracht werden, der mit der ersten Vorrichtung in Serie verbunden ist, usw., um höhere Trenngrade nach Ionenmobilität zu erzielen.
In einem Typ eines Betriebsmodus kann ein Massenspektrometer eingerichtet sein, aus dem IMS extrahierte Ionen mit selektierter Mobilität zu detektieren, die einen oder eine begrenzte Anzahl von m/z-Werten aufweisen, so dass das Instrument dadurch einen ionenspezifischen Detektor vorsieht. In einem typischeren Betriebsmodus wird ein Massenspektrum durch ein Massenspektrometer für jeden schmalen Bereich von Ionenmobilitäten erhalten, die vom IMS ausgesendet werden (d. h. für jeden Ionenmobilitätspeak), wodurch potenziell ein einzelner Ionenmobilitätspeak in seine m/z-Komponenten aufgelöst wird. In. einem bevorzugten Betriebsmodus gibt es kein Massenvorfiltern, und das Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) wird in einem oben beschriebenen Filtermodus betrieben, so dass es Ionen mit nur einem schmalen Bereich von Ionenmobilitäten, K, wenn auch mit einem hohen Arbeitszyklus aussendet. Mit Bezugnahme auf 5 ist dieser schmale Bereich von Ionenmobilitäten K (d. h. zwischen den gepunkteten Linien in der Figur) auf einer grafischen Mobilität/Masse-Darstellung von K gegenüber m/z gezeigt. Der anschließende Massenanalysator, wie ein Orbitrap-Massenanalysator, nimmt die Ionen im schmalen Bereich von Ionenmobilitäten auf und nimmt eine Massenanalyse vor, d. h. einen m/z-Scan. Beispielsweise kann unter Verwendung des in 4A oder 4B gezeigten hybriden Instruments das Quadrupol-Massenfilter (Q) im Nur-HF-Modus betrieben werden, um kein Massenvorfiltern vorzusehen, und die Ionen im schmalen Mobilitätsbereich werden in der C-Falle extrahiert und gespeichert, und dann in den Orbitrap-Massenanalysator ausgestoßen, damit die Massenanalyse vorgenommen wird. Anschließende Scans durch das Ionenmobilitätsspektrometer, um weitere Bereiche von Ionenmobilitäten, K, auszusenden, werden dann vorgenommen, und eine Massenanalyse wird für jeden Mobilitätsscan vorgenommen, so dass ein zweidimensionales (2D) Mobilität/Masse-Diagramm erhalten werden kann, wie in 5 gezeigt. Bereiche der grafischen Mobilität/Masse-Darstellung, wo Ionenarten detektiert werden, sind in 5 durch die schraffierten Streifen gezeigt. Unter Verwendung der bekannten Korrelation zwischen K und m/z, wie in 5 gezeigt, könnte die Analysegeschwindigkeit erhöht werden, indem einige Werte von K in ein Massenspektrum kombiniert werden, z. B. durch das Akkumulieren von Ionen mit einigen Werten von K in der C-Falle, bevor sie gemeinsam im Orbitrap-Massenanalysator analysiert werden. Zusätzlich könnte, wie oben beschrieben, eine Fragmentierung in einer Fragmentierungszelle verwendet werden, um Fragmente selektierter Ionen zu erzeugen.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren wird mit Bezugnahme auf 6 veranschaulicht. In diesem sogenannten verknüpften Scanverfahren wird die Selektion nur von Ionen von einem bestimmten Typ(en), z. B. mit selektierten Ladungszuständen, ermöglicht, was den dynamischen Bereich zur Analyse komplexer Mischungen stark verbessern und das Analysieren analytisch nutzloser Ionen (z. B. einfach geladener und Polymerionen im Fall von Peptid-Mischungen) vermeiden kann. In diesem verknüpften Scan-Verfahren wird ein Massenfilter, wie beispielsweise das Quadrupol-Massenfilter in 4A oder 4B, gleichzeitig mit dem Mobilitätsscannen durch das IMS gescannt, so dass nur Ionen mit einem vorherbestimmten Mobilität/Masse-Verhältnis, oder die auf einer vorherbestimmten Kurve auf einem Mobilität/Massen-Diagramm liegen, in einen anschließenden Massenanalysator, wie beispielsweise den Orbitrap-Massenanalysator, geführt werden. Vor der letzteren Massenanalysestufe werden die durch das definierte Mobilität/Masse-Verhältnis selektierten Ionen vorzugsweise akkumuliert, am meisten bevorzugt in einer Ionenfalle, z. B. wie der C-Falle in 4A oder 4B. Die akkumulierten Ionen können dann aus der Falle in den Massenanalysator freigesetzt werden. In 6 ist ein repräsentatives Mobilität/Masse-Verhältnis, das in der C-Falle in einem Scan akkumuliert wird, zwischen gepunkteten Linien gezeigt. Wie angegeben, können am Ende des Scans alle der akkumulierten Ionen massenanalysiert werden, z. B. in den Orbitrap-Analysator injiziert werden, und das Massenspektrum kann erfasst werden. In einem derartigen Betrieb kann ein Hochauflösungs-Massenspektrum erhalten werden, wie es unter Verwendung eines Orbitrap-Analysators oder eines anderen Analysators vom Hochauflösungstyp, wie eines TOF, erhalten werden kann, das nur Ionen von Interesse (z. B. 2- oder 3-fach geladene Ionen, oder nur Glykopetide, etc.) enthalten wird, und daher wird die Raumladungskapazität der Falle voll ausgenützt. Auf ähnliche Weise können ein oder mehrere anschließende Scans bei unterschiedlichen Mobilität/Masse-Verhältnissen durchgeführt werden. Die Massenauflösung des Massenfilters könnte gewählt werden, ähnlich jener des IMS zu sein, so dass der Arbeitszyklus insgesamt respektabel bleibt (z. B. 1 bis 2%). Gegebenenfalls könnte ein Massenfiltern mit einer IMS-Trennung kombiniert werden, indem ein auflösender GS an die Quadrupolstäbe 24 des Multipols 20 angelegt wird.
Zusätzlich könnte ein bestimmtes selektiertes m/z in einer optionalen Fragmentierungszelle fragmentiert werden, um Fragmente zur Bestätigung eines entsprechenden Vorläuferions vorzusehen. Gegebenenfalls könnte der Multipol 20 als derartige Zelle verwendet werden, wobei die Energie von Kollisionen durch eine geeignete Amplitude eines „Spannungshubs” vorgesehen wird, der an den Multipol angelegt wird.
Obwohl die Erfindung zur Verwendung mit Ionenfallen-Massenanalysatoren besonders gut optimiert ist, könnte sie mit anderen Typen von Massenanalysatoren, wie TOF-Analysatoren, verwendet werden.
Wie hier verwendet, einschließlich in den Ansprüchen, wenn der Kontext nichts anderes anzeigt, sind Singularformen hier verwendeter Ausdrücke so auszulegen, dass sie die Pluralformen umfassen, und umgekehrt. Wenn der Kontext nichts anderes anzeigt, bedeutet hier, einschließlich in den Ansprüchen, beispielsweise eine Singular-Bezugnahme, wie „ein/e/r” „ein/e/r oder mehrere”.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation bedeuten die Worte „umfassen”, „aufweisen”, „haben” und „enthalten” sowie Variationen dieser Worte, beispielsweise „umfassend” und „umfasst”, etc., „umfassen, jedoch nicht beschränkt auf” und sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und schließen sie nicht aus).
Es ist klar, dass Variationen der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können, während sie weiterhin in den Umfang der Erfindung fallen. Jedes in dieser Spezifikation geoffenbarte Merkmal kann, wenn nichts anderes angegeben ist, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. So ist, wenn nichts anderes angegeben ist, jedes geoffenbarte Merkmal nur ein Beispiel einer generischen Serie äquivalenter oder ähnlicher Merkmale.
Die Verwendung beliebiger und aller Beispiele, oder beispielhafter Sprache („beispielsweise”, „wie”, „zum Beispiel” und ähnliche Sprache), die hier vorgesehen werden, soll die Erfindung nur besser veranschaulichen und zeigt keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung an, wenn nichts anderes beansprucht wird. Keine Sprache in dieser Spezifikation ist so auszulegen, dass sie irgendein nicht beanspruchtes Element als für die Praxis der Erfindung wesentlich anzeigt.
Beliebige in dieser Spezifikation beschriebene Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig vorgenommen werden, wenn nichts anderes angegeben ist oder der Kontext etwas anderes erfordert.
Alle in dieser Spezifikation geoffenbarten Merkmale können in beliebiger Kombination kombiniert werden, ausgenommen Kombinationen, wo sich wenigstens einige solcher Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale der Erfindung auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in einer beliebigen Kombination verwendet werden. Ähnlich können in nicht-wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale getrennt (nicht in Kombination) verwendet werden.

Claims

Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie, umfassend: (i) Einbringen eines Ionenpakets in einen Triftraum; (ii) Führen der Ionen durch den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität trennen; und (iii) Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum, in dem sich die Ionen nach ihrer Ionenmobilität weiter trennen können, wobei das Reflektieren oder Ablenken in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach Schritt (iii) das Verfahren das Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) abwechselnd so viele Male umfasst wie notwendig, um eine erforderliche Ionentrennlänge oder ein erforderliches Auflösungsvermögen zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Schritt (iii) das Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die durch den Triftraum in einer ersten Richtung hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend (iv) das Reflektieren oder Ablenken der Ionen, die durch den Triftraum in der zweiten Richtung hindurchgegangen sind, zurück in den Triftraum erneut in der ersten Richtung, wobei das Reflektieren oder Ablenken in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend nach Schritt (iv) das Wiederholen der Schritte (iii) und (iv) abwechselnd so viele Male wie erforderlich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner umfassend das Vorsehen eines schaltbaren axialen elektrischen Felds entlang des Triftraums, um die Ionen abwechselnd in die erste und zweite Richtung zu treiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Reflektieren der Ionen die Verwendung eines Ionenspiegels umfasst oder das Ablenken der Ionen die Verwendung eines Ionenablenkers umfasst, welcher Ionenspiegel oder -ablenker in dem Bereich bei niedrigerem Druck angrenzend an den Triftraum enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem zwei Ionenspiegel oder zwei Ionenablenker in Bereichen bei niedrigerem Druck als der Triftraum enthalten sind, wobei die Bereiche an entgegengesetzte Enden des Triftraums zum Reflektieren oder Ablenken der Ionen an jedem Ende des Triftraums angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem der Triftraum mit einem Puffergas gefüllt ist, und der Bereich oder die Bereiche, in dem oder in denen der oder die Ionenspiegel oder der oder die Ionenablenker enthalten ist oder sind, unter hohem Vakuum steht oder stehen.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei welchem die Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität nicht innerhalb des Bereichs oder der Bereiche auftritt, in dem oder in denen der oder die Ionenspiegel oder der oder die Ionenablenker enthalten ist oder sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ionen durch ein nicht-lineares elektrisches Feld reflektiert oder abgelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das nicht-lineare elektrische Feld eine Flugzeitfokussierung der Ionen vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das nicht-lineare elektrische Feld ein Parabolfeld oder Polynomfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, ferner umfassend das Beschleunigen der Ionen unmittelbar vor ihrem Reflektieren oder Ablenken im nichtlinearen elektrischen Feld.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Extrahieren der Ionen aus dem Triftraum nach ihrer Trennung gemäß ihrer Ionenmobilität.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Ionen aus dem Triftraum durch einen Ionenspiegel oder Ionenablenker extrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend das Speichern der extrahierten Ionen in einer Ionenspeichervorrichtung vor einer weiteren Verarbeitung, die eine oder mehrere von einer Ionenmobilitätstrennung, Ionenfragmentierung und Massenanalyse umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ionen in den Triftraum durch einen Ionenspiegel oder einen Ionenablenker eingebracht werden.
Ionenmobilitätsspektrometer, umfassend: einen Triftraum zum Trennen von Ionen nach ihrer Ionenmobilität; und einen Ionenspiegel oder Ionenablenker zum Aufnehmen von Ionen, die durch den Triftraum hindurchgegangen sind, und Reflektieren oder Ablenken der Ionen zurück in den Triftraum, wobei der Ionenspiegel oder Ionenablenker in einem Bereich bei niedrigerem Druck als der Triftraum angeordnet ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 19, bei welchem der Ionenspiegel oder Ionenablenker zum Aufnehmen von Ionen, die durch den Triftraum in einer ersten Richtung hindurchgegangen sind, und Reflektieren oder Ablenken der Ionen zurück in den Triftraum dient, um durch den Triftraum in einer zweiten Richtung hindurchzugehen, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 20, wobei der Ionenspiegel oder -ablenker ein erster Ionenspiegel oder -ablenker ist, und das Spektrometer ferner einen zweiten Ionenspiegel oder -ablenker zum Aufnehmen von Ionen, die durch den Triftraum in der zweiten Richtung hindurchgegangen sind, und Reflektieren oder Ablenken der Ionen zurück in den Triftraum erneut in der ersten Richtung umfasst.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 21, bei welchem die beiden Spiegel oder Ablenker zwei gegenüberliegende Ionenspiegel oder -ablenker darstellen, die angrenzend an die entgegengesetzten Enden des Triftraums angeordnet sind, wodurch die Ionen, die durch den Triftraum zwischen jeder Reflexion oder Ablenkung hindurchgehen, zwischen den Ionenspiegeln oder -ablenkern wiederholt reflektiert oder abgelenkt werden können.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei welchem jeder Spiegel oder Ablenker ein nicht-lineares elektrisches Feld erzeugt, um die Ionen zu reflektieren oder abzulenken.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 23, bei welchem das Reflektieren oder Ablenken der Ionen in dem oder jedem Spiegel eine Flugzeitfokussierung der Ionen vorsieht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 20 bis 24, ferner umfassend einen kurzen Bereich vor dem oder jedem Spiegel oder Ablenker, in dem ein Beschleuniger die Ionen mit einem kleinen axialen elektrischen Feld vor der Reflexion oder Ablenkung beschleunigt.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 20 bis 25, ferner umfassend eine Einrichtung zum Generieren eines schaltbaren axialen elektrischen Felds, um ein axiales elektrisches Feld entlang des Triftraums zu generieren, um die Ionen abwechselnd in die erste oder zweite Richtung zu treiben.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei welchem der Triftraum innerhalb eines Multipols enthalten ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei welchem im Gebrauch der Triftraum mit einem Puffergas gefüllt ist, und der Ionenspiegel oder -ablenker in einem unter hohem Vakuum gehaltenen Bereich enthalten ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 28, ferner umfassend eine Ionenspeichervorrichtung stromaufwärts vom Triftraum zum Speichern von Ionen aus der Ionenquelle, bevor sie als Ionenpuls in den Triftraum eingebracht werden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 29, bei welchem die stromaufwärtige Ionenspeichervorrichtung auch zum Speichern von Ionen dient, die aus dem Triftraum extrahiert werden, nachdem eine Ionenmobilitätstrennung stattgefunden hat.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 30, ferner umfassend eine Ionenspeichervorrichtung stromabwärts vom Triftraum zum Speichern von Ionen, die aus dem Triftraum extrahiert werden, nachdem eine Ionenmobilitätstrennung stattgefunden hat.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 31, ferner umfassend einen Massenanalysator zum Massenanalysieren von Ionen, die aus dem Triftraum extrahiert werden, nachdem eine Ionenmobilitätstrennung stattgefunden hat.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 32, bei welchem der Massenanalysator mit wenigstens einer von der stromaufwärtigen Ionenspeichervorrichtung oder stromabwärtigen Ionenspeichervorrichtung kommuniziert.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 33, bei welchem der Druck in dem (den) Bereich(en) des (der) Ionenspiegel(s) oder Ionenablenker(s) so ist, dass die Trennung der Ionen nach ihrer Ionenmobilität in (einem) derartigen Bereich(en) nicht auftritt, jedoch eine Trennung auftritt, die vom Innenquerschnitt unabhängig, aber vom Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) abhängig ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 34, bei welchem der oder jeder Innenspiegel oder Ionenablenker eine Flugzeitfokussierung der Ionen vorsieht.
Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie, bei welchem Ionen mehrfache Stufen einer Ionenmobilitätstrennung und mehrfache Stufen einer Inertionenbewegung eingehen, bei welcher der mittlere freie Weg zwischen Ionenkollisionen mit Gas signifikant länger ist als in den Stufen der Ionenmobilitätstrennung, wobei jede Stufe der Inertionenbewegung zwischen aufeinanderfolgenden Stufen der Ionenmobilitätstrennung liegt.
Verfahren nach Anspruch 36, bei welchem die Ionen in den Bereichen der Inertionenbewegung durch einen Ionenspiegel reflektiert oder durch einen Ablenker abgelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 37, bei welchem die Ionen durch ein nichtlineares elektrisches Feld reflektiert oder abgelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 38, bei welchem das nicht-lineare elektrische Feld eine Flugzeitfokussierung der Ionen vorsieht.
Ionenmobilitätsspektrometer, umfassend: einen oder mehrere Trifträume zum Trennen von Ionen nach ihrer Ionenmobilität; und einen oder mehrere Bereiche, um es den Ionen zu gestatten, eine Inertionenbewegung einzugehen, bei der ihr mittlerer freier Weg zwischen Kollisionen mit Gas signifikant länger ist als in dem einen oder mehreren Trifträumen, wobei jeder von dem einen oder mehreren Bereichen ausgelegt ist, die Ionen aus einem von dem einen oder mehreren Trifträumen aufzunehmen, und Ionenoptik umfasst, um die Ionen in denselben oder einen anderen von dem einen oder mehreren Trifträumen zu lenken, wodurch jeder von dem einen oder mehreren Trifträumen eingerichtet ist, mehrere Male von den Ionen durchquert zu werden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 40, bei welchem jeder von dem einen oder mehreren Inertionen-Bewegungsbereichen einen Ionenspiegel oder -ablenker enthält.
Verfahren nach Anspruch 41, bei welchem der Ionenspiegel oder -ablenker ein nicht-lineares elektrisches Feld vorsieht, um Ionen zu reflektieren oder abzulenken.
Verfahren nach Anspruch 42, bei welchem das nicht-lineare elektrische Feld eine Flugzeitfokussierung von Ionen vorsieht.