DE112013004733B4

DE112013004733B4 - Verbesserter Ionenleiter

Info

Publication number: DE112013004733B4
Application number: DE112013004733.0T
Authority: DE
Inventors: c/o Thermo Fisher Scientific Grinfeld Dmitry; c/o Thermo Fisher Scientific Hauschild Jan-Peter; c/o Thermo Fisher Scientific Balschun Wilko; c/o Thermo Fisher Scientific Denisov Eduard; c/o Thermo Fisher Scientific Makarov Alexander
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: GB2506362B; US9536722B2; CN104641451B; WO2014048837A2; GB2506362A; US20150228467A1; DE112013004733T5; WO2014048837A3; GB201217182D0; CN104641451A

Abstract

lonenleiter zur Massenspektrometrie, umfassend eine Elektrodenanordnung von mindestens zwei Elektroden, von welchen mindestens eine eine HF-Elektrode ist und welche benachbart zueinander, aber beabstandet voneinander auf einer planaren Oberfläche eines dielektrischen Materials angeordnet sind und in einem Abstand vom lonenflusspfad angeordnet sind, wobei ein Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen einem benachbarten Paar der beabstandeten Elektroden exponiert ist, und wobei mindestens eine Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden so angeordnet ist, dass sie den exponierten Abschnitt der Oberfläche zwischen ihnen derart überragt, dass es keine direkte Sichtlinie vom lonenflusspfad zum exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche gibt,wobei die den Ionen zugewandten Oberflächen des benachbarten Paares von Elektroden in verschiedenen Abständen von der Oberfläche des dielektrischen Materials sind, und die Elektrode des Paares mit der Oberfläche in einem größeren Abstand von der dielektrischen Oberfläche den exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche überragt, undwobei die Elektrode des Paares mit der den Ionen zugewandten Oberfläche in einem größeren Abstand von der dielektrischen Oberfläche wenigstens einen Teil der anderen Elektrode des Paares überragt.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen lonenleiter zur Verwendung in der Massenspektrometrie.
Hintergrund der Erfindung
HF-Ionenleiter, wie beispielsweise HF-Multipole, werden häufig in optischen lonenvorrichtungen in der Massenspektrometrie verwendet. Beispiele für Vorrichtungen, die HF-Ionenleiter aufweisen, umfassen Massenfilter, Kollisionszellen, lonenfallen und Transportmultipole. Die Konstruktion solcher Vorrichtungen wirft jedoch zahlreiche Probleme auf.
In den letzten Jahren wurden HF-Ionenleiter mit zusätzlichen axialen Feldern zur besseren Steuerung der lonenbewegung entwickelt, wie zum Beispiel in US 5,847,386 A , US 6,111,250 A , EP1271611A2 , US 6,674,071 B2 , US 6,107,628 A , US 7,164,125 B2 , US7,064,322 B2 und US 7,564,025 B2 offenbart. Diese lonenleiter bestehen typischerweise aus massiven Metall- oder HF-Widerstandsstäben, üblicherweise mit Kreisquerschnitt, und verschiedenen Mitteln zum Bereitstellen einer zusätzlichen GS-Verteilung (engl. DC distribution) entlang der Achse des Leiters. Solche Bauformen werden typischerweise unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren zur maschinellen Bearbeitung gebildet und erfordern ausnahmslos eine mühsame Montage und zahlreiche Teile.
Die Druckschrift US 7,928,375 B1 offenbart eine mikrogefertigte lineare Paul-Straubel-lonenfalle, umfassend ein Substrat mit einer, eine dielektrische Schicht auf dem Substrat und zwei parallele innere HF-Elektroden, die sich auf der dielektrischen Schicht in einer Ebene mit einem Spalt zwischen den HF-Elektroden befinden und über der Öffnung in dem Substrat angebracht sind. Eine elektrische HF-Quadrupol-Feldpotentialsenke wird auf einer Fallenachse in dem Spalt zwischen den HF-Elektroden eingerichtet, wenn ein Hochfrequenzpotential an die HF-Elektroden angelegt wird.
Die Druckschrift US 2006/0169882 A1 offenbart eine Vorrichtung für eine lonenfalle, welche ein elektrisch leitendes Substrat mit einer Ober- und einer Unterseite und mit Durchgangslöchern umfasst, die sich von der Oberseite zur Unterseite kreuzen. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Paar planarer erster Elektroden, die über der oberen Oberfläche getragen werden, und zweite Elektroden mit planaren Oberflächen. Die ebenen Flächen befinden sich über der oberen Fläche und sind seitlich neben den ebenen ersten Elektroden angeordnet. Jede zweite Elektrode umfasst einen Abschnitt, der sich in einem der Durchgangslöcher befindet und das Substrat durchquert.
Zur Vereinfachung der Herstellung von HF-Ionenleitern wurden planare Konstruktionen wie jene entwickelt, die in US5,572,035 A , US 6,040,575 A , US 7,365,317 B2 , US7,786,435 B2 , WO2010/014077A1 , US 6,872,941 B1 , US 2011/240850 A1 , WO2006/059123A2 und WO2004/021385A2 beschrieben werden. Die letztere Konstruktion des Standes der Technik ist zur Herstellung durch standardmäßige Massenproduktionstechniken von Elektronik z. B. in der Form von gedruckten Leiterplatten (PCBs - printed circuit boards) oder durch Lithografie für miniaturisierte Konstruktionen geeignet. Solche Konzepte wurden für die Produktion von Miniatur-Ionenfallen zur elektronischen Datenverarbeitung mit Quantencomputer übernommen (siehe z. B. Chiaverini et al. Quantum Inform. And Computation, v.5, Nr. 6(2005) 419-439, sowie Kielpinski et al, Nature Bd. 417, 2002, S. 709). Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass er keine wirksame Möglichkeit bereitstellt, einen lonenleiter mit einer Potenzialmulde zu bauen, die zur Verwendung in der Massenspektrometrie tief genug ist. Andere Nachteile der vorstehenden Konstruktionen umfassen ein Nichtbereitstellen eines robusten Aufbaus, der zum Beispiel auch zum Einschließen von Gas zur Kollisionskühlung von Ionen und Aufladen von dielektrischen Spalten zwischen Elektroden, was die lonenbewegung beeinflussen kann, verwendet werden könnte. Obwohl es Konstruktionen ohne Dielektrikum gibt (die z. B. Widerstandsstäbe verwenden, um ein Gradientenfeld zu erzeugen), sind solche Konstruktionen schwer herzustellen. Für herkömmliche Multipole, die in der Nähe der lonenquelle positioniert sind, kollidiert typischerweise eine große Menge von neutralen Spezies auch mit den Multipolstäben, was im Laufe der Zeit wiederum die Leistung beeinträchtigen kann.
Die Erfindung wurde vor diesem Hintergrund gemacht, um eines oder mehrere der zuvor erwähnten Probleme zu vermindern.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein lonenleiter zur Massenspektrometrie bereitgestellt. Der lonenleiter ist vorzugsweise ein HF-Ionenleiter. Der lonenleiter ist vorzugsweise ein Multipol. Der lonenleiter umfasst vorzugsweise eine Elektrodenanordnung von mindestens zwei Elektroden, von welchen mindestens eine eine HF-Elektrode ist. Die mindestens zwei Elektroden sind vorzugsweise benachbart zueinander, aber beabstandet voneinander auf einer planaren Oberfläche eines dielektrischen Materials angeordnet. Die mindestens zwei Elektroden sind in einem Abstand von einem lonenflusspfad angeordnet. Ein Abschnitt der dielektrischen Oberfläche ist zwischen einem benachbarten Paar der beabstandeten Elektroden auf der planaren Oberfläche exponiert, und vorzugsweise ist mindestens eine Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden so angeordnet, dass sie den exponierten Oberflächenabschnitt zwischen ihnen derart überragt, dass es keine direkte Sichtlinie vom lonenflusspfad zum exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche gibt. Der lonenflusspfad ist ein Pfad, entlang dessen sich Ionen bewegen, wenn die Elektroden mit einer Spannung vorgespannt werden. Der lonenflusspfad liegt vorzugsweise parallel zur planaren Oberfläche. Gemäß der Erfindung weist vorzugsweise mindestens etwas exponierte Oberfläche des Dielektrikums zwischen den Elektroden eine oder mehrere Elektroden auf, die sie überragen und nicht in elektrischem Kontakt mit ihr sind.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von benachbarten Paaren von beabstandeten Elektroden vorhanden, und es gibt eine Mehrzahl von exponierten Abschnitten der dielektrischen Oberfläche, jeder Abschnitt zwischen einem jeweiligen benachbarten Paar von beabstandeten Elektroden. Vorzugsweise ist mindestens eine Elektrode jedes der Mehrzahl von benachbarten Paaren von Elektroden so angeordnet, dass sie den exponierten Oberflächenabschnitt zwischen ihnen derart überragt, dass es keine direkte Sichtlinie vom lonenflusspfad zum exponierten Abschnitt gibt. Insbesondere weist jeder exponierte Abschnitt der Oberfläche des Dielektrikums zwischen jedem benachbarten Paar von Elektroden mindestens eine Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden so angeordnet auf, dass sie den exponierten Abschnitt überragt.
Demgemäß wird in einem Aspekt der Erfindung ein lonenleiter zur Massenspektrometrie bereitgestellt, der eine Elektrodenanordnung von mindestens zwei Elektroden umfasst, von welchen mindestens eine eine HF-Elektrode ist und welche benachbart zueinander, aber beabstandet voneinander auf einer planaren Oberfläche eines dielektrischen Materials angeordnet sind und in einem Abstand vom lonenflusspfad angeordnet sind, wobei ein Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen einem benachbarten Paar der beabstandeten Elektroden exponiert ist, und wobei mindestens eine Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden so angeordnet ist, dass sie den exponierten Oberflächenabschnitt zwischen ihnen derart überragt, dass es keine direkte Sichtlinie vom lonenflusspfad zum exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche gibt.
Es können zwei parallele, planare Oberflächen von dielektrischem Material vorgesehen sein, die voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede gegenüberliegende planare dielektrische Oberfläche eine jeweilige Elektrodenanordnung darauf angeordnet aufweist. Die Elektrodenanordnung auf einer Oberfläche liegt demnach der Elektrodenanordnung auf der anderen Oberfläche gegenüber. Jede Elektrodenanordnung kann mindestens eine planare HF-Elektrode umfassen, die parallel zur planaren dielektrischen Oberfläche liegt. Es versteht sich von selbst, dass sich eine oder mehrere HF-Elektroden, die auf einer planaren dielektrischen Oberfläche angeordnet sind, dadurch beabstandet von und parallel zu der einen oder den mehreren HF-Elektroden befinden, die auf der anderen planaren dielektrischen Oberfläche angeordnet sind. Ein lonenflusspfad befindet sich im Raum zwischen den gegenüberliegenden planaren Oberflächen. Der lonenflusspfad ist parallel zu den planaren Oberflächen vorgesehen.
Demgemäß wird in einem anderen Aspekt der Erfindung ein lonenleiter bereitgestellt, der umfasst: zwei parallele planare Oberflächen aus dielektrischem Material, die mit ihren planaren Oberflächen einander gegenüberliegend beabstandet voneinander angeordnet sind und einen Raum dazwischen aufweisen, wobei jede gegenüberliegende planare dielektrische Oberfläche eine jeweilige Elektrodenanordnung darauf angeordnet aufweist, die mindestens eine planare HF-Elektrode umfasst, deren Ebene parallel zur planaren dielektrischen Oberfläche liegt, wobei ein lonenflusspfad im Raum zwischen den parallelen planaren dielektrischen Oberflächen (und demnach im Raum zwischen den jeweiligen Elektrodenanordnungen), vorzugsweise äquidistant dazwischen, vorgesehen ist.
Die Erfindung stellt einen lonenleiter bereit, welcher HF-Leitung von Ionen bei wesentlich reduziertem Aufladen von dielektrischen Oberflächen ermöglicht. De Metallelektroden sind in Bezug auf die dielektrischen Oberflächen derart angeordnet, dass Ionen und/oder Tröpfchen dazu neigen, nur auf die Metallflächen, welche in Verwendung vorgespannt sind, und nicht auf dielektrische Oberflächen zu fallen. Die planare Konstruktion ermöglicht Ausführungsformen, die eine reduzierte Menge von Kollisionen von neutralen Spezies mit den Elektroden aufweisen. Die Konstruktion ermöglicht außerdem Ausführungsformen, die eine wirksame Trennung von neutralen Spezies von Ionen ermöglichen. Der lonenleiter kann infolge der planaren Bauform der Elektroden und der Fähigkeit zur Verwendung von planaren dielektrischen Materialien, wie beispielsweise gedruckter Leiterplatte, auf eine einfache Art und Weise hergestellt werden. Die Konstruktion kann in Ausführungsformen realisiert werden, die ein Füllen des lonenleiters mit Gas zur Kollisionskühlung oder lonenfragmentierung erlauben. Diese und andere Vorteile werden im Folgenden genauer beschrieben. Es werden nun verschiedene Ausführungsformen zusammengefasst.
Das dielektrische Material kann jedes geeignete isolierende Substrat, zum Beispiel Glas oder Keramik, sein. Vorzugsweise ist das dielektrische Material ein Material für gedruckte Leiterplatten. In solchen Ausführungsformen kann die Erfindung unter Verwendung von Massenproduktionstechniken der Elektronikherstellung hergestellt werden.
Die Elektroden sind am besten planar, wobei ihre Ebene parallel zur planaren dielektrischen Oberfläche ist, auf der sie angeordnet sind. Die Elektroden sind planar, was bedeutet, dass ihre Dicke (d. h. ihre Abmessung senkrecht zur planaren dielektrischen Oberfläche) kleiner als und typischerweise wesentlich kleiner als ihre Breite oder Länge (d. h. ihre Abmessungen parallel zur planaren dielektrischen Oberfläche) ist. Die Elektroden sind außerdem vorzugsweise länglich, d. h. in einer axialen Richtung. Dadurch können die länglichen Elektroden einen linearen lonenleiter bereitstellen. Die länglichen Elektroden können gerade oder gekrümmt, d. h. gebogen, sein. Dies bedeutet, gebogen in der Ebene der planaren dielektrischen Oberfläche. Die Elektroden können als Beispiele in einer einfachen Krümmung oder in einer S-Form oder einer anderen Form gebogen sein. Diese längliche Form gilt für HF-Elektroden und GS-Elektroden (engl. DC electrodes). In dieser Spezifikation bezieht sich der Begriff „HF-Elektrode“ auf eine Elektrode, an welche eine HF-Spannungsversorgung angeschlossen ist, einerlei ob optional auch eine zusätzliche GS-Spannungsversorgung daran angelegt wird oder nicht. Der Begriff „GS-Elektrode“ hierin bezieht sich auf eine Elektrode, an welche eine GS-Spannungsversorgung, aber keine HF-Versorgung angeschlossen ist.
Ein benachbartes Paar von Elektroden auf einer planaren dielektrischen Oberfläche ist derart angeordnet, dass seine den Ionen zugewandten Oberflächen in verschiedenen Abständen, d. h. in verschiedenen Höhen, von der Oberfläche des dielektrischen Materials sind. Demnach ist die Elektrode des Paares, deren den Ionen zugewandte Oberfläche im größeren Abstand von der Oberfläche als die andere ist, die Elektrode, die den exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche überragt. Dies kann außerdem das wenigstens teilweise Überragen einer Elektrode einer benachbarten Elektrode und dadurch eine noch größere Abschattung des exponierten Abschnitts der dielektrischen Oberfläche dazwischen ermöglichen. Demnach überragt die überragende Elektrode vorzugsweise mindestens einen Teil der anderen Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden. Vorzugsweise ist die überragende Elektrode eine HF-Elektrode. Demnach kann die HF-Elektrode in solchen Ausführungsformen die Elektrode sein, die eine den Ionen zugewandte Oberfläche in einem größeren Abstand oder in einer größeren Höhe von der dielektrischen Oberfläche aufweist, um ihr das Überragen zu ermöglichen.
Die mindestens zwei Elektroden der Elektrodenanordnung auf einer planaren dielektrischen Oberfläche können mindestens eine GS-Elektrode umfassen. Die mindestens eine GS-Elektrode ist vorzugsweise ebenfalls planar, wobei ihre Ebene parallel zur planaren dielektrischen Oberfläche ist. Demgemäß kann das benachbarte Paar von Elektroden mindestens eine HF-Elektrode und eine GS-Elektrode, insbesondere eine planare HF- und eine planare GS-Elektrode, umfassen. Die HF-Elektrode(n) kann/können in einem Abstand von der dielektrischen Oberfläche angeordnet sein. Die GS-Elektrode kann auf die dielektrische Oberfläche geätzt sein. Die HF-Elektrode ist vorzugsweise in einem größeren Abstand oder in einer größeren Höhe über der dielektrischen Oberfläche als eine benachbarte GS-Elektrode positioniert und überragt insbesondere mindestens einen Teil der GS-Elektrode.
Der lonenleiter ist vorzugsweise ein lonenleiter mit einem axialen Feld.
Mindestens eine GS-Elektrode kann einen axialen elektrischen Feldgradienten bereitstellen, um Ionen entlang einer optischen lonenachse zu bewegen.
Mindestens eine GS-Elektrode kann ein axiales Feld in der Form einer axialen Potenzialmulde bereitstellen, um Ionen in der optischen lonenvorrichtung axial einzufangen.
Die mindestens eine GS-Elektrode ist in der Axialrichtung vorzugsweise segmentiert, um die Erzeugung eines axialen Feldes durch die Elektrode zu ermöglichen. Wenigstens einige der Segmente werden in Verwendung vorzugsweise mit verschiedenen Spannungen vorgespannt, um das axiale Feld bereitzustellen.
Zusätzlich oder alternativ zur GS-Elektrode kann die mindestens eine HF-Elektrode segmentiert sein, um einen axialen Feldgradienten oder eine axiale Potenzialmulde bereitzustellen.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von HF-Elektroden (insbesondere planaren HF-Elektroden) in jeder Elektrodenanordnung auf einer planaren dielektrischen Oberfläche vorgesehen. Insbesondere umfasst jede Elektrodenanordnung zwei HF-Elektroden, was insgesamt vier HF-Elektroden (d. h. einen Quadrupol) ergibt. Als Beispiele kann der lonenleiter insgesamt zwei, vier, sechs oder acht HF-Elektroden aufweisen. Der lonenleiter kann zum Beispiel ein Quadrupol, ein Hexapol oder ein Oktupol sein.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von GS-Elektroden in jeder Elektrodenanordnung auf einer planaren Oberfläche vorgesehen.
Vorzugsweise weist jede HF-Elektrode mindestens eine GS-Elektrode benachbart zu, aber beabstandet von ihr auf.
Vorzugsweise sind mindestens zwei HF-Elektroden und mindestens eine GS-Elektrode in der Elektrodenanordnung oder in jeder Elektrodenanordnung vorgesehen. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens zwei HF-Elektroden und mindestens zwei GS-Elektroden in der Elektrodenanordnung oder in jeder Elektrodenanordnung vorgesehen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens zwei HF-Elektroden und mindestens drei GS-Elektroden in der Elektrodenanordnung oder in jeder Elektrodenanordnung vorgesehen. Zum Beispiel können zwei HF-Elektroden und drei GS-Elektroden in der Elektrodenanordnung oder in jeder Elektrodenanordnung vorgesehen sein, die optional derart angeordnet sind, dass die beiden HF-Elektroden eine GS-Elektrode zwischen ihnen angeordnet aufweisen und jede HF-Elektrode eine GS-Elektrode außerhalb von ihr (in Bezug auf die optische lonenachse) angeordnet aufweist.
Es versteht sich von selbst, dass die Elektroden in einer jeweiligen Elektrodenanordnung auf einer Oberfläche nicht in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Stattdessen ist ein Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen benachbarten Elektroden in einer Elektrodenanordnung exponiert gelassen, so dass sie nicht in elektrischem Kontakt stehen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist eine erste solche Elektrodenanordnung, d. h. wie hierin beschrieben, vorgesehen, und es ist eine zweite solche Elektrodenanordnung beabstandet von der ersten solchen Elektrodenanordnung vorzugsweise parallel dazu vorhanden. Vorzugsweise liegen die Elektroden der ersten solchen Elektrodenanordnung den Elektroden der zweiten solchen Elektrodenanordnung gegenüber, und der lonenflusspfad ist zwischen den ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen, vorzugsweise äquidistant dazwischen, angeordnet. Die ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen können im Allgemeinen jeweils N HF-Elektroden mit abwechselnden HF-Phasen (N = 2, 3, 4 oder höher) umfassen, um dadurch ein 2-N-polares Multipolfeld (N = 2 Quadrupol, N = 3 Hexapol, N = 4 Oktupol usw.) zu bilden. Vorzugsweise bilden die erste solche Elektrodenanordnung und die zweite solche Elektrodenanordnung zusammen eine Multipol-Elektrodenanordnung. Demnach ist jede Elektrodenanordnung vorzugsweise auf einem separaten Stück von dielektrischem Material vorgesehen, wie beispielsweise einem separaten Stück von Leiterplattenmaterial, wodurch jedes Stück von dielektrischem Material eine Hälfte der Elektroden der gesamten Multipol-Elektrodenanordnung trägt. In einem anderen Typ von Ausführungsform ist der Spalt zwischen den ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen vorzugsweise mindestens 1 mm oder mindestens 3 mm oder mindestens 5 mm. Insbesondere ist der Spalt 2 bis 10 mm. Die Größe des lonenleiters könnte jedoch um mindestens eine Größenordnung vergrößert oder verkleinert werden, um der erforderlichen Anwendung zu entsprechen. Zum Beispiel könnte Miniaturisierung es ermöglichen, den lonenleiter als eine Mikrosystemvorrichtung herzustellen. Im Allgemeinen ist der Spalt zwischen den ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen etwa 2- bis 3-mal größer als die Höhe des lonenstrahls, der sich bei Verwendung entlang des lonenpfads bewegt. Der exponierte Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen den Elektroden kann in der Form von einer oder mehreren Rillen sein, d. h. wobei die Rille im Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen den benachbarten Elektroden ausgebildet ist. Es können eine oder mehrere Rillen zwischen jeder HF-Elektrode und einer dazu benachbarten Elektrode (z. B. einer GS-Elektrode) vorgesehen sein. Dies vergrößert den Tracking-Abstand zwischen benachbarten Elektroden und erweitert die Abschattung der offenen dielektrischen Oberfläche.
Mindestens eine, vorzugsweise jede GS-Elektrode kann in der Richtung der optischen lonenachse (Axialrichtung) segmentiert (d. h. in Segmenten vorgesehen) sein, wobei die Größe von Spalten zwischen Segmenten der GS-Elektrode möglichst minimiert ist (vorzugsweise < 0,15 mm oder < 0,10 mm oder < 0,05 mm), und solche Spalte sind als Rillen in der dielektrischen Oberfläche ausgebildet. Solch kleine Spalte sind möglich, da die Spannungen zwischen benachbarten GS-Elektrodensegmenten ziemlich klein sind, typischerweise < 1 - 2 V.
Der lonenleiter kann eine oder mehrere der folgenden optischen lonenvorrichtungen bilden: eine lonenfalle, einen Massenanalysator (d. h. ein Massenfilter), eine Kollisionszelle, eine Fragmentierungszelle, ein lonenmobilitätsspektrometer, einen lonentransportmultipol und einen lonentrichter. Demgemäß stellt die Erfindung außerdem eine optische lonenvorrichtung bereit, die den lonenleiter umfasst, wobei die optische lonenvorrichtung aus einer lonenfalle, einem Massenanalysator, einer Kollisionszelle, einer Fragmentierungszelle, einem lonenmobilitätsspektrometer, einem lonentransportmultipol und einem lonentrichter ausgewählt ist.
Der lonenleiter kann ein geradliniger oder krummliniger (d. h. bogenlinienförmiger) lonenleiter sein. Er kann ein S-förmiger lonenleiter sein. In diesem Fall kann der lonenleiter mindestens eine geradlinige oder krummlinige HF-Elektrode umfassen. Der krummlinige lonenleiter kann z. B. eine bogenlinienförmige lonenfalle oder ein gebogener Transportmultipol sein.
Der lonenleiter kann Seitenwände aufweisen, die den Raum zwischen den planaren dielektrischen Oberflächen umschließen. Dies ermöglicht Gasfüllung des Raums zwischen den planaren dielektrischen Oberflächen zum Beispiel für Kollisionskühlung von Ionen oder zur Verwendung als Kollisionszelle und lonenfragmentierung. Die Seitenwände können gebogen sein, wobei optional mindestens eine der Seitenwände eine Öffnung darin aufweist, um neutrale Spezies oder Tröpfchen dadurch durchzulassen.
Die vorstehenden Merkmale werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren genauer beschrieben.
Figurenliste

1 stellt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung in Form eines quadrupolaren HF-Ionenleiters dar.
2 stellt eine schematische Schnittansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung dar.
3 stellt die Bewegung von instabilen Ionen in einer Ausführungsform eines lonenleiters gemäß der Erfindung dar.
4 stellt eine weggeschnittene Ansicht noch einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung in Form eines gebogenen HFlonenleiters dar, wobei die obere PCB und die oberen Elektroden der Klarheit halber entfernt dargestellt sind.
5 stellt eine andere weggeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung in Form eines gebogenen HFlonenleiters dar, wobei die obere PCB und die oberen Elektroden der Klarheit halber entfernt dargestellt sind.

Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln, ohne aber den Schutzbereich davon zu beschränken, werden im Folgenden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines HF-Ionenleiters gemäß der Erfindung dargestellt, wobei Beispiele von Abmessungen in Millimetern (mm) angegeben sind. Der lonenleiter umfasst eine erste planare gedruckte Leiterplatte (PCB) (2) und beabstandet davon eine zweite planare PCB (4). Es besteht daher ein Raum (3) zwischen den PCBs. Die PCBs (2) und (4) sind mit den Ebenen der PCBs parallel zueinander und einander gegenüberliegend angeordnet. In der Figur erstrecken sich die Ebenen der PCBs senkrecht auf die Ebene der Zeichnung, d. h. in der X-Z-Ebene (die Z-Achse verläuft aus der Ebene der Zeichnung parallel zur Ebene der PCBs heraus). Die X-Achse ist in der Ebene der Zeichnung parallel zur Ebene der PCBs dargestellt, und die Y-Achse ist in der Ebene der Zeichnung senkrecht zur Ebene der PCBs dargestellt. Der Abstand zwischen den PCBs ist in diesem Beispiel 6,6 mm.
Die erste PCB (2) weist zwei HF-Elektroden (6a) und (6b) an ihrer Oberfläche angebracht auf, die der zweiten PCB (4) gegenüberliegt. Die HF-Elektroden (6a) und (6b) sind planare Metallelektroden, die parallel zur Oberfläche der PCB (2) angeordnet sind. Als das Metall wird typischerweise ein rostfreier Stahl verwendet, wie beispielsweise ein Typ, der zum Bilden von Federn verwendet wird. Es kann Löten oder Widerstandskleben zum Befestigen der Elektroden an der PCB verwendet werden. Zum Löten kann es möglich sein, dass das Metall durch eine Zwischenschicht (z. B. Gold) beschichtet wird. Sie sind dadurch auch parallel zur Oberfläche der PCB (4). Die HF-Elektroden (6a) und (6b) sind außerdem länglich und erstrecken sich in der Z-Richtung senkrecht auf die Ebene der Zeichnung. Der lonenleiter ist demnach länglich in der Richtung der Länge der HF-Elektroden (der Z-Richtung, auch als Axialrichtung bezeichnet). Die Dicke der HF-Elektroden (d. h. ihre Abmessung senkrecht auf die Oberfläche, d. h. in der Y-Richtung) ist in diesem Beispiel 0,3 mm. Die HF-Elektroden (6a) und (6b) sind in einem Abstand von der Oberfläche der PCB (2) angebracht, in diesem Fall durch eine jeweilige Abstandsschicht (8), die 1,0 mm dick ist. Die Abstandsschicht kann zum Beispiel aus dem PCB-Material hergestellt sein. Das Material kann vor seinem Laminieren auf den Rest der PCB in der Form zugeschnitten werden. Durch Ausbilden der HF-Metallelektroden zu einer passenden Form (siehe zum Beispiel 2) kann jedoch dieser Schritt des Verwendens einer Abstandsschicht weggelassen werden. Jede Elektrode (6a) und (6b) ist 4,0 mm breit, und der Abstand S zwischen den nächstgelegenen Kanten der Elektroden (6a) und (6b) ist in diesem Beispiel 1,0 mm. Demnach ist der Abstand L von der Außenkante der Elektrode (6a) zur Außenkante der Elektrode (6b) 9,0 mm.
Die zweite PCB (4) weist ebenfalls zwei HF-Elektroden (6c) und (6d) an ihrer Oberfläche angebracht auf, die der ersten PCB (2) gegenüberliegt. Die HF-Elektroden (6c) und (6d) sind wiederum planare Metallelektroden, die parallel zur Oberfläche der PCB (4) angeordnet sind. Außerdem sind sie dadurch parallel zur Oberfläche der PCB (2) und parallel zu den HF-Elektroden (6a) und (6b) auf der PCB (2). Die HF-Elektroden (6c) und (6d) sind ebenfalls länglich und erstrecken sich in der Z-Richtung senkrecht auf die Ebene der Zeichnung. Die Abmessungen in Bezug auf die HF-Elektroden (6c) und (6d) auf der zweiten PCB sind gleich wie jene, die für die entsprechenden Elektroden (6a) und (6b) auf der ersten PCB angegeben wurden, und die Elektroden (6c) und (6d) sind wiederum durch eine jeweilige Abstandsschicht (8) in einem Abstand von der PCB-Oberfläche angebracht.
Der senkrechte Spalt H zwischen den Elektroden (6a), (6b) der ersten PCB und den Elektroden (6c), (6d) der zweiten PCB ist im dargestellten Beispiel 4 mm. In anderen Ausführungsformen könnte der Spalt H durch Ändern des Abstands zwischen den PCBs und/oder durch Ändern der Dicke der Abstandsschicht (8) zum Beispiel von 3 bis 5 mm variieren. Der Spalt H zwischen den Elektrodenanordnungen auf jeder PCB ist vorzugsweise mindestens 3 mm. Der Spalt könnte jedoch in Abhängigkeit von der Anwendung um eine andere Größenordnung geändert werden, wie beispielsweise eine Größenordnung kleiner in Mikrosystemen sein. Der Spalt ist breit genug, damit es weniger Kollisionen von neutralen Spezies mit den Elektroden als in herkömmlichen Konstruktionen gibt, insbesondere im Falle eines gebogenen Multipols, wie im Folgenden beschrieben.
Die HF-Elektroden (6a), (6b), (6c) und (6d) bilden einen Multipol (in diesem Fall einen Quadrupol). Es versteht sich von selbst, dass nur zwei planare Flächen die Multipolkonstruktion mit vier HF-Elektroden ermöglichen. In Verwendung wird eine HF-Spannung an die Elektroden angelegt. Die benachbarten HF-Elektroden des Multipols müssen eine entgegengesetzte Phase aufweisen, so dass die Spannungsanschlüsse an die HF-Elektroden in zwei Sätzen ausgeführt sind (dargestellt durch die unterschiedliche Schattierung). Die Elektroden (6a) und (6d) sind als ein Satz verbunden (und weisen daher die gleiche Phase miteinander auf), während die Elektroden (6b) und (6c) als ein anderer Satz verbunden sind (und daher die gleiche Phase miteinander, aber entgegengesetzt zu der Phase der Elektroden (6a) und (6d) aufweisen).
Die vorgespannten HF-Elektroden (6a), (6b), (6c) und (6d) des Multipols erzeugen eine Pseudo-Potenzialmulde, die im Mittelpunkt zwischen den vier HF-Elektroden zentriert ist und einen lonenflusspfad in der Form einer optischen lonenachse (10) definiert, so dass Ionen, die typischerweise als ein lonenstrahl entlang der Z-Richtung in den lonenleiter eintreten, innerhalb des lonenleiters eingeschlossen werden, um sich die Achse (10) entlang zu bewegen. Es versteht sich von selbst, dass die optische lonenachse (10) daher parallel zu den HF-Elektroden in der Axialrichtung verläuft.
Der lonenleiter umfasst außerdem eine Anzahl von planaren GS-Elektroden. Die GS-Elektroden decken Abschnitte der dielektrischen Oberfläche benachbart zu den HF-Elektroden ab, in diesem Beispiel zwischen HF-Elektroden und außerhalb der HF-Elektroden. Dies kann helfen, ein Aufladen der dielektrischen Oberfläche zu verhindern. Die GS-Elektroden können in bestimmten Ausführungsformen außerdem ein axiales Feld für schnelleren lonentransport bereitstellen. Die erste PCB (2) weist drei solche GS-Elektroden (12a), (12b) und (12c) darauf angeordnet auf, wie dargestellt. Die äußeren GS-Elektroden (12a) und (12c) sind auf der PCB zur Außenseite der HF-Elektroden (6a) bzw. (6b) angeordnet. Die mittlere GS-Elektrode (12b) ist auf der PCB zwischen den HF-Elektroden (6a) und (6b) angeordnet. Die GS-Elektroden sind länglich und erstrecken sich parallel zu den länglichen HF-Elektroden in der Z-Richtung (Axialrichtung). Ähnlich weist die zweite PCB (4) drei GS-Elektroden (12d, (12e) und (12f) in einer analogen Art und Weise darauf angeordnet auf, wie dargestellt. Die GS-Elektroden sind auf die PCB geätzt, können aber durch andere Verfahren, z. B. als gestanzte Teile, gebildet werden. Die GS-Elektroden sind demnach direkt auf der PCB-Oberfläche angeordnet, und daher sind die HF-Elektroden (6a), (6b), (6c) und (6d) zu Zwecken, die im Folgenden erläutert werden, in einem größeren Abstand von der PCB-Oberfläche als die GS-Elektroden angeordnet.
Die HF-Elektroden sind von den benachbarten GS-Elektroden durch einen Abschnitt der dielektrischen PCB-Oberfläche getrennt, der exponiert, d. h. nicht durch die GS-Elektroden abgedeckt, ist. Vier solche Abschnitte (14) von exponierter dielektrischer Oberfläche sind zwischen den mittleren GS-Elektroden (12b, 12e) und den HF-Elektroden angezeigt. Um ein Aufladen dieser exponierten Abschnitte zu minimieren, sind die HF-Elektroden derart konfiguriert, dass sie diese Abschnitte (14) von exponierter dielektrischer Oberfläche überragen, wenn von der optischen lonenachse (10) aus betrachtet. Mit anderen Worten liegt die exponierte PCB-Oberfläche (14) im Schatten der überragenden HF-Elektroden. Folglich haben Ionen keine Sichtlinie zur exponierten PCB. Die HF-Elektroden sind breiter als die Abstandsschicht (8), durch welche sie an der PCB angebracht sind, weshalb sie die benachbarte exponierte PCB-Oberfläche überragen können. Für eine wirksamere Abschattung der PCB überragen außerdem die Kanten der HF-Elektroden den Kantenteil ihrer benachbarten GS-Elektroden, wenn in einer Richtung senkrecht zur Ebene der PCB betrachtet. Im Beispiel von 1 ist die Länge b dort dargestellt, wo die HF-Elektrode die benachbarte GS-Elektrode überragt. Weitere Abschnitte (14') von exponierter dielektrischer Oberfläche sind zwischen den äußerem GS-Elektroden (12a, 12c, 12d, 12f) und den HF-Elektroden angezeigt. Auch diese Abschnitte weisen überragende Elektroden auf, die sie abschatten.
In der Praxis können die HF-Elektroden unter Verwendung von elektrochemischem Ätzen (Elektroätzen) oder Laserschneiden oder Extrusion oder Stanzen oder andere geeignete Fertigungsverfahren hergestellt werden. Elektrogeätzte oder gestanzte Teile als HF-Elektroden werden bevorzugt.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine schematische Seitenansicht einer PCB-Oberfläche (30) eines lonenleiters gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die mit HF-Metallelektroden (32a, 32b) versehen ist, die durch eines der zuvor erwähnten Verfahren auf dem PCB-Substrat hergestellt sind. Rillen (34a, 34b, 34c, 34d) um die HF-Elektroden sind vorgesehen, um den Tracking-Abstand zu benachbarten GS-Elektroden (36a, 36b, 36c) zu vergrößern. Diesmal sind die HF-Metallelektroden so ausgebildet, dass die Abstandsschicht nicht erforderlich ist, damit die HF-Elektroden überragen. Eine ähnliche zweite PCB (nicht dargestellt), die ebenfalls eine ähnliche Elektrodenanordnung trägt, kann beabstandet und parallel zu der in 2 dargestellten PCB vorgesehen sein, um einen Quadrupol-Ionenleiter bereitzustellen.
Wie bereits erwähnt, können die GS-Elektroden in bestimmten Ausführungsformen eine axiales elektrisches Feld (d. h. in der Z-Richtung) für schnelleren lonentransport bereitstellen. Für diesen Zweck können die GS-Elektroden als eine Kette von Elektrodensegmenten vorgesehen sein, die in der Axialrichtung angeordnet sind und an die durch eine axiale Spannungsverteilung ein axiales Feld angelegt werden könnte. Die axiale Feldverteilung könnte zwischen der mittleren Kette von Elektroden und den äußeren Ketten verschieden sein, zum Beispiel wenn eine Kontrolle von Feldharmonischen erforderlich ist. In bestimmten Ausführungsformen können die GS-Elektroden resistiv sein, um ein axiales Feld bereitzustellen. Die HF-Elektroden können in einigen Ausführungsformen ein axiales Feld bereitstellen, wobei z. B. die HF-Elektroden segmentiert sind und eine axiale GS-Spannungsverteilung auf die HF-Segmente angewendet wird.
In lonenleitern, welche Massenfilter bilden, kann an die HF-Elektroden auch eine GS-Spannungskomponente angelegt werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung und den vorstehenden Zeichnungen ist zu erkennen, dass in einem Typ von bevorzugter Ausführungsform der lonenleiter ein Multipol ist und zwei parallele und beabstandete planare PCB-Oberflächen umfasst, die einander gegenüberliegen. Vorzugsweise weist jede PCB-Oberfläche zwei planare HF-Metallelektroden an ihr angebracht auf. Insbesondere weist jede PCB-Oberfläche eine mittlere planare GS-Elektrode, die zwischen den beiden planaren HF-Metallelektroden angeordnet ist, und zwei äußere planare GS-Elektroden an ihr angebracht auf, wobei jede äußere GS-Elektrode außerhalb einer jeweiligen der HF-Elektroden angeordnet ist. Die GS-Elektroden umfassen vorzugsweise eine Kette von Elektrodensegmenten zum Bereitstellen eines axialen Feldes.
In anderen Ausführungsformen kann ein lonenleiter mit nur einer planaren PCB mit einer Elektrodenanordnung darauf vorgesehen sein. Die Elektrodenanordnung kann eine oder mehrere HF-Elektroden umfassen.
Vorzugsweise sind in diesen Ausführungsformen auch eine oder mehrere GS-Elektroden auf der PCB vorgesehen.
In 3 ist die Bewegung von instabilen Ionen in einer Ausführungsform eines Multipol-lonenleiters, wie in 1 dargestellt, veranschaulicht. Die X- und Y-Achsen sind mit Abmessungen in mm dargestellt. Es ist zu sehen, dass instabile Ionen nur auf die HF-Metallelektroden (6a bis 6d) fliegen, aber nicht dazwischen oder darunter, wodurch jegliches Aufladen von dielektrischen Spalten zwischen Elektroden vermieden wird. Einige Ionen können auf dielektrischen Oberflächen landen wie jene, die zur unteren linken Seite auf der Figur austreten. In diesem Fall ist der Abstand der Dielektrika jedoch weiter weg von den HF-Metallstäben, so dass sich jegliches mögliche Aufladen nur geringfügig auf die kritische Region in der Mitte der Vorrichtung auswirkt. Die überragende Struktur näher zur Mitte schirmt die Ladungsbildung ab. Das Aufladen von dielektrischen Spalten in der Z-Richtung (senkrecht auf die Ebene der Zeichnung), wie beispielsweise der Spalte zwischen Segmenten der GS-Elektroden, kann geringfügig gemacht werden, indem solche dielektrischen Spalte < 0,05 mm gemacht werden, so dass selbst eine vollständig aufgeladene Oberfläche keine merkliche Spannungsstörung an der Achse des lonenleiters erzeugt. Spalte solch einer Größe können zum Beispiel zwischen Elektrodensegmenten eingesetzt werden, die > 3 mm lang sind.
Die zuvor beschriebenen Bauformen können verwendet werden, um sowohl gerade als auch nicht gerade lonenleiter zu erzeugen. Ein Beispiel eines gebogenen lonenleiters ist in 4 dargestellt, wobei es sich um eine perspektivische Ansicht von oben handelt und wobei die obere PCB und die oberen Elektroden entfernt sind, um eine bessere Ansicht der Elektrodenanordnungen auf der unteren PCB zu ermöglichen. Es versteht sich daher von selbst, dass der lonenleiter in Verwendung eine obere PCB und eine obere Elektrodenanordnung von im Wesentlichen dem gleichen Aufbau wie die untere PCB, die nun beschrieben wird, parallel zu und beabstandet von der unteren PCB aufweist.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform umfasst gebogene Seitenwände (62, 64), um Gas innerhalb des lonenleiters zur wirksamen Kühlung von Ionen einzuschließen. Er kann auch mit Gas zum Betrieb als eine Kollisionszelle zur lonenfragmentierung gefüllt sein. Eine Stirnwand (65) umschließt das Eingangsende des lonenleiters teilweise, lässt aber eine mittige Öffnung zum Eintritt von Ionen in den lonenleiter. Die Seiten- und Stirnwände sind aus Metall hergestellt, können aber auch aus einem anderen Material hergestellt sein. Es versteht sich von selbst, dass der lonenleiter in anderen Ausführungsformen möglicherweise nicht mit Gas gefüllt ist und die Seitenwände weggelassen sein könnten. Die Ionen und Tröpfchen von einer lonenquelle (nicht dargestellt), wie beispielsweise einer Elektrospray-Quelle, treten in der Axialrichtung, die durch Pfeil (68) dargestellt ist, in den lonenleiter ein, während eine Öffnung oder ein Loch (66) in der äußeren gebogenen Seitenwand (64) (mit dem größeren Radius) einen Ausgang für jegliche Tröpfchen bereitstellt, die von der lonenquelle kommen.
Im lonenleiter von 4 weist eine untere planare PCB (70) planare HF-Metallelektroden (72a, 72b) daran angebracht auf, die in einem kurzen Abstand über der Oberfläche der PCB (70) auf einer Abstandsschicht positioniert sind. Die PCB (70) ist als eine gebogene Form ausgebildet. Die HF-Elektroden (72a, 72b) sind planar in der gleichen Ebene wie die PCB-Oberfläche und erstrecken sich axial entlang der Länge des lonenleiters von seinem Eingangsende (dargestellt durch Pfeil 68) bis zu seinem Ausgangsende (dargestellt durch Pfeil 76). Die HF-Elektroden (72a, 72b) sind in der Ebene der PCB-Oberfläche so gebogen, dass sie den Pfad von Ionen um 90 Grad biegen. Dadurch wird ein lonenpfad oder eine optische lonenachse definiert, der/die parallel zu den HF-Elektroden (72a, 72b) verläuft und zwischen ihnen und über der Ebene der HF-Elektroden (72a, 72b) liegt. Wenn die obere PCB und die oberen Elektroden (nicht dargestellt) in Stellung sind, liegt die optische lonenachse in der Mitte zwischen den beiden PCBs. Die HF-Elektroden (72a, 72b) weisen HF-Spannungen mit entgegengesetzten Phasen auf, die in Verwendung an sie angelegt werden, und sie bilden eine Hälfte eines Quadrupol-Ionenleiters, wobei die andere Hälfte durch die obere PCB und die obere Elektrodenanordnung (nicht dargestellt) von im Wesentlichen dem gleichen Aufbau bereitgestellt wird, die analog zu der in 1 dargestellten Ausführungsform parallel zu und beabstandet von der unteren PCB (70) angeordnet sind.
Die PCB (70) weist außerdem planare GS-Metallelektroden (80, 82a, 82b) auf, die sich axial entlang der Länge des lonenleiters erstrecken und auf die Oberfläche der PCB geätzt sind (daher sind die GS-Elektroden näher zur PCB-Oberfläche als die HF-Elektroden). Die GS-Elektroden (80, 82a, 82b) sind in der Ebene der PCB-Oberfläche ebenfalls so gebogen, dass sie sich benachbart zu den gebogenen HF-Elektroden (72a, 72b) erstrecken. Die mittlere GS-Elektrode (80) liegt zwischen den HF-Elektroden (72a, 72b) mit einem kleinen Spalt von dielektrischer PCB-Oberfläche zwischen benachbarten Elektroden, um elektrischen Kontakt zwischen den HF-Elektroden und der GS-Elektrode zu verhindern. Die äußeren GS-Elektroden (82a, 82b) liegen jeweils außerhalb der HF-Elektroden (72a, 72b), wobei wieder ein kleiner Spalt von dielektrischer PCB-Oberfläche zwischen benachbarten Elektroden offen gelassen ist. Die HF-Elektroden (72a, 72b), die in einer Höhe über der PCB-Oberfläche sind, sind so angeordnet, dass sie den kleinen Spalt von dielektrischer PCB-Oberfläche benachbart zu ihnen überragen und in dieser Ausführungsform auch die Kanten der benachbarten GS-Elektroden überragen. Auf diese Weise können sich Ionen, die sich die optische lonenachse entlang bewegen, nicht absetzen und die dielektrischen Spalte aufladen.
Die GS-Elektroden (82a, 82b) sind ebenso wie die HF-Elektroden planar und erstrecken sich axial entlang der Länge des lonenleiters von seinem Eingangsende (68) zu seinem Ausgangsende (76). Die GS-Elektroden sind jedoch jeweils als eine axiale Reihe von Elektrodensegmenten (83) mit minimierten dielektrischen Spalten (84) zwischen benachbarten Segmenten vorgesehen. Eine axiale Spannungsverteilung kann an die Elektrodensegmente jeder GS-Elektrode angelegt werden, um ein axiales Antriebsfeld für die Ionen bereitzustellen, um sie vom Eingang zum Ausgang oder mit umgekehrtem axialem Feld vom Ausgang zum Eingang zu bewegen. Das axiale Feld kann ein statisches axiales Feld oder ein sich bewegendes axiales Feld sein. Die dielektrischen Spalte (84) zwischen benachbarten Segmenten sind < 0,05 mm gemacht, so dass, selbst wenn die Spalte vollständig aufgeladen werden, keine merkliche Spannungsstörung an der Achse des lonenleiters erzeugt wird.
Die planare Konstruktion der Erfindung ermöglicht eine wirksame Trennung von neutralen Spezies von Ionen, ohne die meisten neutralen Spezies auf kritische Oberflächen innerhalb des lonenleiters auftreffend aufzuweisen, da die meisten neutralen Spezies nur gerade durchfliegen. Für herkömmliche gebogene Multipole würde eine große Menge neutraler Spezies auf die gebogenen Multipolstäbe auftreffen, was die Leistung mit der Zeit beeinträchtigt. Die planare Struktur der Erfindung behindert den Pfad neutraler Spezies nicht in dem Ausmaß, in dem ein herkömmlicher Multipollonenleiter dies tut. Die Erfindung stellt daher außerdem ein Verfahren zum Trennen von neutralen Spezies von Ionen durch Bereitstellen des lonenleiters bereit, wobei der lonenleiter eine gebogene Achse aufweist, d. h. wobei die planaren Elektroden in der Ebene gebogen sind.
Ionenleiterbauformen gemäß der Erfindung können für verschiedene Zwecke in der Massenspektrometrie verwendet werden. Der lonenleiter kann als eine Kollisionszelle für lonenfragmentierung, lonen-Molekül-Reaktionen, lonen-Photonen-Reaktionen und/oder lonen-lonen-Reaktionen verwendet werden (vorzugsweise mit einem Druck im lonenleiter im Bereich von 1 - 20 x 10^-3 mbar). Der lonenleiter kann unsegmentiert (z. B. einstückige Elektroden umfassend), segmentiert (z. B. segmentierte Elektroden umfassend) oder als eine Mehrkammerzelle vorgesehen sein.
Der lonenleiter kann als eine geradlinige oder bogenlinienförmige lonenfalle verwendet werden (vorzugsweise mit Drücken darin von 0,1 - 2 x 10^-3 mbar). Entsprechend könnte er als ein Gehäuse für lonen-Molekül- oder lonen-lonen-Reaktionen verwendet werden, wie in US 7 145 139 B2 , US 7 759 637 B2 beschrieben. Dies umfasst die Möglichkeit, dass HF-Elektroden segmentiert sind und eine ähnliche HF, aber einen anderen GS-Offset an sie angelegt aufweisen. Es könnte auch eine Hilfs-HF an Endöffnungen des Gehäuses angelegt werden. Außerdem könnte dieser Leiter verwendet werden, um mehrere benachbarte oder integrierte Fallen mit verschiedenen Drücken anzuordnen, wie in US 8 198 580 B2 beschrieben.
Der lonenleiter kann als ein Transportmultipol verwendet werden, der gerade oder gebogen sein kann.
Der lonenleiter kann als ein Multipol-Massenanalysator, insbesondere ein Quadrupol-Massenanalysator, vorzugsweise mit Drücken von < 10^-3 mbar, verwendet werden.
Der lonenleiter kann als ein lonenmobilitätsspektrometer verwendet werden (vorzugweise mit Drücken von 1 bis 5 mbar)
Der lonenleiter kann als ein lonentrichter verwendet werden, wobei z. B. HF-Elektroden zusammenlaufen und das Feld sich zusammenzieht (vorzugsweise mit Drücken von 1 bis 5 mbar).
Die vorstehende Liste von Verwendungsmöglichkeiten ist nicht erschöpfend, und für Fachleute sind andere Verwendungsmöglichkeiten des lonenleiters zu erkennen.
Die Vorrichtungen, welche den lonenleiter einsetzen, könnten auch als massiv-parallele Anordnungen implementiert werden.
Obwohl die Erfindung für Quadrupol-Potenzial veranschaulicht wurde, könnten auch Multipole höherer Ordnung (z. B. Hexapole und Oktupole) unter Verwendung des gleichen Ansatzes implementiert werden.
Die Metallelektroden können unter Verwendung von robotergesteuerter Montage angebracht oder als PCBs selbst hergestellt und an die untere PCB gebondet werden, wie in der PCB-Fertigung bekannt. Die Metallelektroden können auch an die PCB gelötet oder unter Verwendung von Widerstandskleber daran befestigt werden. Es kann möglich sein, das Lötmaterial in einer kontrollierten Weise zu verteilen, und die HF-Metallstäbe richten sich infolge der Oberflächenspannung selbst aus.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine weitere Ausführungsform eines gebogenen lonenleiters dargestellt, welche der Ausführungsform von 4 ähnelt, weshalb gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Wie bei 4 sind auch in 5 nur die untere PCB und die untere Elektrodenanordnung dargestellt, wobei die obere PCB und die obere Elektrodenanordnung entfernt dargestellt sind, um eine vollständige Ansicht der unteren Anordnung zu ermöglichen. Im lonenleiter von 5 ist der Hauptunterschied zu dem von 4, dass die untere planare PCB (70) planare HF-Metallelektroden (72a', 72b') an ihr angebracht aufweist, die derart ausgebildet sind, dass keine Abstandsschicht erforderlich ist, damit die HF-Elektroden benachbarte dielektrische Oberflächen überragen. Insbesondere läuft die Breite der HF-Elektroden (72a', 72b') in Richtung der PCB-Oberfläche konisch zu, während die den Ionen zugewandte Oberfläche der Elektroden in einem kurzen Abstand über der Oberfläche der PCB (70) ist, die Elektroden können auch die benachbarte exponierte dielektrische Oberfläche überragen, die in der Form von Rillen (74) in der PCB ist, welche die HF-Elektroden von den benachbarten GS-Elektroden (80, 82a, 82b) trennen.
Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung eine kostengünstige und dennoch robuste Konstruktion für HF-Ionenleiter von beträchtlicher Komplexität bereitstellt.
Sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt, sind die Einzahlformen der Begriffe, wie hierin und in den Ansprüchen verwendet, hierin so auszulegen, dass sie auch die Mehrzahlform umfassen und umgekehrt.
Die Ausdrücke „umfassen“, „aufweisen“ und „enthalten“ sowie Varianten dieser Ausdrücke, zum Beispiel „umfassend“ und „umfasst“ usw., bedeuten in der gesamten Beschreibung sowie in den Ansprüchen dieser Spezifikation „einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein“, und sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und schließen diese auch nicht aus).
Es versteht sich von selbst, dass Änderungen an den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können, die trotzdem in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Jedes Merkmal, das in dieser Spezifikation offenbart wird, kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Sofern nicht anders angegeben, ist daher jedes Merkmal lediglich ein Beispiel einer generischen Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen.

Claims

lonenleiter zur Massenspektrometrie, umfassend eine Elektrodenanordnung von mindestens zwei Elektroden, von welchen mindestens eine eine HF-Elektrode ist und welche benachbart zueinander, aber beabstandet voneinander auf einer planaren Oberfläche eines dielektrischen Materials angeordnet sind und in einem Abstand vom lonenflusspfad angeordnet sind, wobei ein Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen einem benachbarten Paar der beabstandeten Elektroden exponiert ist, und wobei mindestens eine Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden so angeordnet ist, dass sie den exponierten Abschnitt der Oberfläche zwischen ihnen derart überragt, dass es keine direkte Sichtlinie vom lonenflusspfad zum exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche gibt, wobei die den Ionen zugewandten Oberflächen des benachbarten Paares von Elektroden in verschiedenen Abständen von der Oberfläche des dielektrischen Materials sind, und die Elektrode des Paares mit der Oberfläche in einem größeren Abstand von der dielektrischen Oberfläche den exponierten Abschnitt der dielektrischen Oberfläche überragt, und wobei die Elektrode des Paares mit der den Ionen zugewandten Oberfläche in einem größeren Abstand von der dielektrischen Oberfläche wenigstens einen Teil der anderen Elektrode des Paares überragt.
lonenleiter nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material gedruckte Leiterplatte ist.
lonenleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der lonenleiter ein Multipol ist.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es eine Mehrzahl der Paare von benachbarten Elektroden gibt, die einen Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen ihnen exponiert aufweisen.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode des benachbarten Paares von Elektroden, die den exponierten Abschnitt überragt, eine HF-Elektrode ist.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der exponierte Abschnitt der dielektrischen Oberfläche zwischen Elektroden in der Form einer oder mehrerer Rillen ist.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden der Elektrodenanordnung mindestens eine DC-Elektrode umfassen.
lonenleiter nach Anspruch 7, wobei die Elektroden mindestens eine DC-Elektrode umfassen, die ein axiales Feld bereitstellt.
lonenleiter nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine DC-Elektrode, die ein axiales Feld bereitstellt, segmentiert ist, wobei die Größe von Spalten zwischen Segmenten der DC-Elektrode < 0,15 mm ist, und/oder solche Spalte als Rillen in der dielektrischen Oberfläche ausgebildet sind.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden planar sind.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung eine erste solche Elektrodenanordnung ist, und es eine zweite solche Elektrodenanordnung gibt, die von der ersten solchen Elektrodenanordnung beabstandet und parallel dazu ist, und die ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen einen Multipol bilden, wobei die optische lonenachse zwischen den ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen definiert ist.
lonenleiter nach Anspruch 11, wobei der Spalt zwischen den ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 3 mm, weiter bevorzugt mindestens 5 mm ist.
lonenleiter nach Anspruch 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten solchen Elektrodenanordnungen jeweils N HF-Elektroden mit abwechselnden HF-Phasen (N = 2, 3, 4 ...) umfassen, um dadurch einen 2-N-polaren Multipol zu bilden.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lonenleiter eines oder mehrere von Folgenden bildet: eine lonenfalle, einen Massenanalysator, eine Kollisionszelle, eine Fragmentierungszelle, einen lonenmobilitätsspektrometer, einen lonentransportmultipol und einen lonentrichter.
lonenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lonenleiter ein gerader oder gebogener lonenleiter ist.