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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der
UK-Patentanmeldung Nr. 1406575.9 , die am 11. April 2014 eingereicht wurde, sowie der
europäischen Patentanmeldung Nr. 14164500.2 , die am 11. April 2014 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt dieser Anmeldungen ist hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen.
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Hintergrund der vorliegenden Erfindung
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Bestehende Ionenmobilitätsseparatoren arbeiten in der Regel in einer Reihe mit dem Ionenstrahlengang eines Massenspektrometers und haben somit einen direkten Einfluss auf die Gesamtlänge des Instruments und müssen auch dann durchquert werden, wenn eine Ionenmobilitätstrennung nicht erforderlich ist, was möglicherweise eine Zeitabstimmung zwischen sich schnell ändernden Ionensignalen und nachfolgenden Analysatoren problematischer macht. Dies wird noch problematischer, wenn die Länge des Ionenmobilitätsseparators erhöht wird, um die Auflösung der Vorrichtung zu erhöhen.
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Es ist bekannt, Ionen in Separatoren mit geschlossener Schleife zu trennen, um das Problem, eine relativ lange Vorrichtung bereitstellen zu müssen, um die erforderliche Auflösung zu erhalten, zu überwinden. Jedoch ist es erwünscht, eine verbesserte Technik zum Einführen und Auswerfen von Ionen in/aus eine(r) solche(n) Vorrichtung und auch zum Veranlassen, dass Ionen beginnen, sich durch eine solche Vorrichtung zu bewegen, bereitzustellen.
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Es ist erwünscht, ein verbessertes Verfahren zum Einführen und Auswerfen von Ionen in/aus eine(r) Ionenmobilitätstrennungsvorrichtung, eine verbesserte Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und ein verbessertes Massenspektrometer oder Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen.
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Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
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In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einführen und Auswerfen von Ionen in/aus eine(r) Ionenmobilitätstrennvorrichtung bereit, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung mit mindestens zwei Anordnungen von Elektroden;
Betreiben der Vorrichtung in einer ersten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt; und
Betreiben der Vorrichtung in einer zweiten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der zweiten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine einzelne, relativ einfache Vorrichtung zum Manipulieren von Ionen in mehreren Richtungen bereit. Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um Ionen in einer ersten Richtung in einen Ionenmobilitätsseparator zu laden oder Ionen aus diesem auszuwerfen, und kann dann verwendet werden, Ionen zu veranlassen, sich in der zweiten Richtung durch den Ionenmobilitätsseparator zu bewegen, um zu bewirken, dass sich die Ionen trennen. Die Vorrichtung kann auch verwendet werden. um den Separator in der ersten Richtung zu umgehen. Dies beseitigt die Notwendigkeit für mehrere Regionen zum Manipulieren von Ionen.
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Die mindestens zwei Anordnungen von Elektroden können parallel zueinander angeordnet sein.
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Beide Anordnungen können gleichzeitig betrieben werden, in entweder der ersten oder der zweiten Betriebsart. Alternativ kann nur eine der Anordnungen können in der ersten Betriebsart und nur eine andere Anordnung in der zweiten Betriebsart betrieben werden.
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Jede Anordnung von Elektroden mehrere Elektroden, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, umfassen. Jede Zeile kann x Elektroden umfassen, wobei x aus der folgenden Gruppe gewählt ist: > 3; > 4; > 5; > 6; > 7; > 8; > 9; > 10; > 15; > 20; > 25; > 30; > 35; > 40; > 45; und > 50. Zusätzlich oder alternativ kann jede Spalte y Elektroden umfassen, wobei y aus der folgenden Gruppe gewählt ist: > 3; > 4; > 5; > 6; > 7; > 8; > 9; > 10; > 15; > 20; > 25; > 30; > 35; > 40; > 45; und > 50. Jede Kombination von Elektrodenanzahl pro Zeile und Elektrodenanzahl pro Spalte kann aus den obigen Auflistungen ausgewählt werden.
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Jede Anordnung von Elektroden kann mehrere Elektroden, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, umfassen. In der ersten Betriebsart können die Gleichspannungspotentiale an die Elektroden in einer ersten Zeile angelegt werden und können dann nacheinander an verschiedene Zeilen von Elektroden angelegt werden, so dass sich die Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der Anordnung bewegt. Alternativ oder zusätzlich können in der zweiten Betriebsart die Gleichspannungspotentiale an die Elektroden in einer ersten Spalte angelegt werden und können dann nacheinander an die verschiedenen Spalten von Elektroden angelegt werden so dass sich die Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der Anordnung bewegt.
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Wie oben beschrieben kann jede Anordnung mehrere Elektroden aufweisen, die in jeder Zeile und in jeder Spalte angeordnet sind. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, bei der jede Anordnung in sowohl der ersten als auch der zweiten Betriebsart arbeitet. Weniger bevorzugt arbeitet eine Anordnung in der ersten Betriebsart und eine andere Anordnung in der zweiten Betriebsart. In einer solchen Konfiguration kann eine Anordnung nur eine Spalte von Elektroden umfassen, die in der ersten Richtung angeordnet, um Ionen in der ersten Betriebsart in der ersten Richtung anzutreiben. D. h., in jeder Zeile gibt es nur eine Elektrode. Eine weitere Anordnung kann nur eine Zeile von Elektroden, die in der zweiten Richtung angeordnet sind, umfassen, um Ionen in der zweiten Betriebsart in der zweiten Richtung anzutreiben. D. h., in jeder Spalte gibt es nur eine Elektrode.
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Das Verfahren kann ferner ein Liefern von HF-Spannungen an die Anordnungen von Elektroden umfassen, um Ionen in der Richtung zwischen den Anordnungen zu beschränken.
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Das HF-Potential mit der gleichen Phase kann an alle Elektroden in derselben Spalte von Elektroden angelegt werden und benachbarte Spalten von Elektroden können in unterschiedlichen HF-Phasen wie etwa entgegengesetzten HF-Phasen gehalten werden. Alternativ dazu kann das HF-Potential mit der gleichen Phase an alle Elektroden in derselben Zeile angelegt werden und benachbarte Zeilen von Elektroden können in unterschiedlichen HF-Phasen wie etwa entgegengesetzten HF-Phasen gehalten werden.
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Die erste Richtung und die zweite Richtung können orthogonal zueinander sein. Beispielsweise können die erste und die zweite Richtung jeweils auf die Richtungen der Spalten und der Zeilen ausgerichtet sein.
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Das Verfahren kann in der ersten Betriebsart betrieben werden, um Ionen in der ersten Richtung in die Vorrichtung zu laden, und das Verfahren kann dann in der zweiten Betriebsart betrieben werden, um diese Ionen in der zweiten Richtung aus der Vorrichtung auszuwerfen.
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Das Verfahren kann umfassen: zeitliches Trennen von Ionen gemäß einer physikalisch-chemischen Eigenschaft vor ihrem Eintritt in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung; dann Empfangen der Ionen in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung; Betreiben der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der ersten Betriebsart, so dass die zeitlich getrennten Ionen aus der Vorrichtung in der ersten Richtung ausgeworfen werden; und vorübergehendes Betreiben der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der zweiten Betriebsart, um selektiv Ionen mit einem ausgewählten Wert oder Wertebereich der physikalisch-chemischen Eigenschaft aus der Vorrichtung in der zweiten Richtung auszuwerfen. Die physikalisch-chemische Eigenschaft kann das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis oder die Ionenmobilität sein.
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Das Verfahren kann ferner Folgendes umfassen: Auswerfen der Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in eine erste Ionenführung, Ionenfalle oder Ionenverarbeitungsvorrichtung in der ersten Betriebsart und in eine zweite Ionenführung in der zweiten Betriebsart.
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Die zweite Ionenführung kann Elektroden umfassen und das Verfahren kann ein Anlegen von Gleichspannungen an die Elektroden der zweiten Ionenführung umfassen, um Ionen entlang der Längsachse der zweiten Ionenführung anzutreiben; und wobei entweder ein statischer Gleichspannungs-Potentialgradient entlang der axialen Länge der zweiten Ionenführung angelegt wird, um Ionen entlang der Längsachse anzutreiben; oder wobei ein oder mehrere Gleichspannungspotentiale an aufeinanderfolgende Elektroden entlang der axialen Länge der zweiten Ionenführung angelegt werden, so dass sich eine Gleichspannungspotentialbarriere entlang der Länge der zweiten Ionenführung bewegt und Ionen entlang der zweiten Ionenführung antreibt.
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Die zweite Ionenführung kann eine Ionenführung mit geschlossener Schleife sein, die mit der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung beginnt und endet, so dass in der zweiten Betriebsart Ionen durch eine Austrittsöffnung aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung getrieben werden, um die Ionenführung mit geschlossener Schleife geleitet werden und dann durch eine Eintrittsöffnung wieder zurück in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung eingebracht werden.
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Die zweite Betriebsart kann weiterhin so arbeiten, dass sich die Potentialbarriere in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der zweiten Richtung bewegt und die wiedereingebrachten Ionen wieder in der zweiten Richtung aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung drängt, so dass die Ionen erneut um den Ionenführungsbereich geleitet werden.
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Es kann veranlasst werden, dass die Ionen um die Ionenführung und durch den Ionen Eintritts-/Austrittsbereich mehrere Male und so oft wie gewünscht geleitet werden. Zum Beispiel können die Ionen um die zweite Ionenführung und durch den Ionen Eintritts-/Austrittsbereich ≥ x-mal geleitet werden, wobei x 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 oder 20 beträgt.
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Ein Gleichspannungspotential kann um die zweite Ionenführung verschoben werden, um Ionen aus der Austrittsöffnung der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung zu der Eintrittsöffnung der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung anzutreiben, und dieses wandernde Gleichspannungspotential kann mit dem wandernden Gleichspannungspotential synchronisiert werden, das in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der zweiten Betriebsart vorhanden ist, so dass sich ein wanderndes Gleichspannungspotential im Wesentlichen kontinuierlich um die zweite Ionenführung und durch die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung bewegt.
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Das wandernde Gleichspannungspotential kann im Wesentlichen kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit um die zweite Ionenführung und durch die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung wandern.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und/oder die zweite Ionenführung können einen Ionenmobilitätsseparator bilden, in dem sich die Ionen entlang der Längsachse entsprechend ihren Ionenmobilitäten trennen.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung kann in einer Betriebsart betrieben werden, dass zumindest einige der getrennten Ionen in der ersten Richtung aus der Vorrichtung und in die erste Ionenführung, Ionenfalle oder Ionenverarbeitungsvorrichtung ausgeworfen werden. Alternativ können eine oder mehrere zusätzliche Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtungen mit der hierin beschriebenen Konstruktion zum Auswerfen von mindestens einigen der getrennten Ionen aus der zweiten Ionenführung und in eine erste Ionenführung, Ionenfalle oder Ionenverarbeitungsvorrichtung vorgesehen sein. Jede dieser Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtungen kann die folgenden Merkmale aufweisen.
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Die Ionen können sich gemäß ihren Ionenmobilitäten trennen, während sie entlang der zweiten Ionenführung geleitet werden, und die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung kann dann in die erste Betriebsart umgeschaltet werden, um mindestens einige der getrennten Ionen in der ersten Richtung aus der Vorrichtung und in die erste Ionenführung, Ionenfalle oder Ionenverarbeitungsvorrichtung auszuwerfen.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung kann vorübergehend von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart umgeschaltet werden, so dass nur Ionen einer ersten Ionenmobilität oder eines ersten Ionenmobilitätsbereiches, die entlang der zweiten Ionenführung geleitet worden sind, aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der ersten Richtung ausgeworfen werden, während andere Ionen einer zweiten Ionenmobilität oder eines zweiten Ionenmobilitätsbereichs die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der zweiten Richtung so durchlaufen, dass sie damit fortfahren, wieder die zweite Ionenführung zu durchlaufen.
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Die selektiv ausgeworfenen Ionen können gespeichert werden, nach Masse analysiert werden, zum Bilden von Fragmentionen fragmentiert werden, oder mit Ionen oder Molekülen umgesetzt werden, um Produktionen innerhalb der ersten Ionenführung, Ionenfalle oder Ionenverarbeitungsvorrichtung zu bilden.
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Das Verfahren kann Folgendes umfassen: Wiedereinbringen der selektiv ausgeworfenen Ionen, Fragmentionen oder Produktionen in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung, während die Vorrichtung in der zweiten Betriebsart betrieben wird, so dass die wiedereingebrachten Ionen wieder in die zweite Ionenführung gelangen.
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Das Verfahren kann Folgendes umfassen: Betreiben der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in der ersten Betriebsart so, dass Ionen in der ersten Richtung in die, durch die und aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und in die erste Ionenführung oder Ionenfalle durchgelassen werden, ohne in die zweite Ionenführung geleitet zu werden.
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Während der ersten Betriebsart kann das Verfahren umfassen: Halten des Potentials mindestens einiger der Elektroden in mindestens einer der Elektrodenanordnungen auf einem Gleichspannungspotential, das niedriger als das Gleichspannungspotential der Elektroden in dem einen oder den mehreren benachbarten Abschnitten der zweiten Ionenführung ist, so dass eine Gleichspannungspotentialbarriere zwischen der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und der zweiten Ionenführung bereitgestellt ist, die verhindert, dass Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung austreten und in die zweite Ionenführung eintreten. Alternativ oder zusätzlich das Verfahren während der zweiten Betriebsart umfassen: Halten des Potentials mindestens einiger der Elektroden in mindestens einer der Elektrodenanordnungen auf einem Gleichspannungspotential, das im Wesentlichen gleich dem Gleichspannungspotential der Elektroden in dem einen oder den mehreren benachbarten Abschnitten der zweiten Ionenführung ist, so dass im Wesentlichen keine Gleichspannungspotentialbarriere zwischen der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und der zweiten Ionenführung bereitgestellt ist, so dass die Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung austreten und in die zweite Ionenführung eintreten können.
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Es wird erwogen, dass die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung der vorliegenden Erfindung nur eine Anordnung von Elektroden umfassen kann.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Einführen und Auswerfen von Ionen in/aus eine(r) Ionenmobilitätstrennvorrichtung bereit, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung mit mindestens einer Anordnung von Elektroden;
Betreiben der Vorrichtung in einer ersten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden der Elektrodenanordnung angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt; und
Betreiben der Vorrichtung in einer zweiten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden der Elektrodenanordnung angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der Anordnung bewegt und Ionen in der zweiten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt.
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Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann in jeder Art und Weise betrieben werden, die hier in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, mit Ausnahme davon, dass nur eine einzelne Anordnung von Elektroden verwendet werden kann.
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Ionen können durch Aufbringen einer Kraft auf die Ionen in einer Richtung auf die Anordnung zu gegen die einzelne Anordnung gehalten werden. Dies hält die Ionen derart in der Nähe der Anordnung, dass die Potentiale, die an die Anordnung angelegt sind, die Ionen bewegen können. Die Kraft kann beispielsweise durch ein Gleichspannungspotential, ein HF-Pseudopotential oder einen Gasstrom ausgeübt werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Massenspektrometrie und/oder Ionenmobilitätsspektrometrie bereit, das ein Verfahren, wie es hierin beschrieben ist, umfasst. Das Verfahren kann ferner ein Detektieren der Ionen und ein Analysieren der Ionen nach Masse oder Ionenmobilität umfassen.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Massenspektrometrie oder Ionenmobilitätsspektrometrie bereit, das umfasst:
Bereitstellen einer Ionenführung mit geschlossener Schleife mit einem darin angeordneten Ionen-Einlass-/Auslassbereich, wobei der Ionen-Einlass-/Auslassbereich mindestens zwei Anordnungen von Elektroden umfasst;
Betreiben des Ionen-Einlass-/Auslassbereichs in einer ersten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Ionenführung mit geschlossener Schleife antreibt; und
Betreiben des Ionen-Einlass-/Auslassbereichs in einer zweiten Betriebsart, wobei Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen angelegt werden, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen um die Längsachse der Ionenführung mit geschlossener Schleife antreibt und wobei die Ionen nach ihren Ionenmobilitäten getrennt werden, während sie um die Ionenführung mit geschlossener Schleife geleitet werden.
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Dieses Verfahren kann jedes beliebige Merkmal oder eine Kombination der optionalen oder bevorzugten Merkmale, die hierin in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, aufweisen.
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Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt zudem eine Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung für ein Massenspektrometer und/oder Ionenmobilitätsspektrometer bereit, wobei die Vorrichtung umfasst:
mindestens zwei Anordnungen von Elektroden;
mindestens eine Gleichspannungsversorgung; und
Steuermittel zum Variieren der elektrischen Potentiale, die an den Elektroden der mindestens zwei Anordnungen angelegt sind, mit der Zeit;
wobei die Steuermittel in einer ersten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt; und
wobei die Steuermittel in einer zweiten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der zweiten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt.
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Die Vorrichtung kann dazu ausgelegt und angepasst sein, jedes der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt zudem eine Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung für ein Massenspektrometer und/oder Ionenmobilitätsspektrometer bereit, wobei die Vorrichtung umfasst:
mindestens eine Anordnung von Elektroden;
mindestens eine Gleichspannungsversorgung; und
Steuermittel zum Variieren der elektrischen Potentiale, die an den Elektroden der mindestens einen Anordnung angelegt sind, mit der Zeit;
wobei die Steuermittel in einer ersten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden der mindestens einen Anordnung anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt; und
wobei die Steuermittel in einer zweiten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden der mindestens einen Anordnung anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der zweiten Richtung in die und/oder aus der Vorrichtung antreibt.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Ionenführung mit geschlossener Schleife bereit, die eine Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung umfasst, wobei die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung umfasst:
mindestens zwei Anordnungen von Elektroden;
mindestens eine Gleichspannungsversorgung; und
Steuermittel zum Variieren der elektrischen Potentiale, die an den Elektroden der mindestens zwei Anordnungen angelegt sind, mit der Zeit;
wobei die Steuermittel in einer ersten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer ersten Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der ersten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt und Ionen in der ersten Richtung in die und/oder aus der Ionenführung mit geschlossener Schleife antreibt; und
wobei die Steuermittel in einer zweiten Betriebsart Gleichspannungspotentiale in einer zweiten, anderen Richtung nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden mindestens einer der Elektrodenanordnungen anlegen, so dass sich eine Potentialbarriere in der zweiten Richtung entlang der mindestens einen Anordnung bewegt, um Ionen derart um die Längsachse der Ionenführung mit geschlossener Schleife anzutreiben, dass sich die Ionen nach ihren Ionenmobilitäten trennen, wenn sie um die Ionenführung mit geschlossener Schleife geleitet werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Massenspektrometer und/oder Ionenmobilitätsspektrometer bereit, das eine Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung oder Ionenführung mit geschlossener Schleife umfasst, wie sie hierin beschrieben sind.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung und/oder die Ionenführung mit geschlossener Schleife und/oder das Spektrometer kann dazu ausgelegt sein, ein beliebiges der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Das Spektrometer kann Folgendes umfassen:
- (a) eine Ionenquelle, die aus der folgenden Gruppe gewählt ist: (i) eine Elektrospray-Ionenquelle ("ESI"-Ionenquelle); (ii) eine Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle ("APPI-Ionenquelle"), (iii) eine chemische Atmosphärendruckionisations-Ionenquelle ("APCI-Ionenquelle"), (iv) eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("MALDI-Ionenquelle"), (v) eine Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("LDI-Ionenquelle"), (vi) eine Atmosphärendruckionisations-Ionenquelle ("API-Ionenquelle"), (vii) eine Desorption/Ionisation-auf-Silicium-Ionenquelle ("DIOS-Ionenquelle"), (viii) eine Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle"), (ix) eine Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("CI-Ionenquelle"), (x) eine Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"), (xi) eine Felddesorptions-Ionenquelle ("FD-Ionenquelle"), (xii) eine Induktivgekoppeltes-Plasma-Ionenquelle ("ICP-Ionenquelle"), (xiii) eine Schneller-Atombeschuss-Ionenquelle ("FAB-Ionenquelle"), (xiv) eine Flüssigkeits-Sekundärionenmassenspektrometrie-Ionenquelle ("LSIMS-Ionenquelle"), (xv) eine Desorptionselektrosprayionisations-Ionenquelle ("DESI-Ionenquelle"), (xvi) eine Radioaktives-Nickel-63-Ionenquelle, (xvii) eine matrixunterstützte Atmosphärendruck-Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle, (xviii) eine Thermospray-Ionenquelle, (xix) eine Atmosphärenprobenbildungs-Glimmentladungsionisations-Ionenquelle ("Atmospheric Sampling Glow Discharge Ionisation", "ASGDI-Ionenquelle"), (xx) eine Glimmentladungs-Ionenquelle ("GD-Ionenquelle"), (xxi) eine Impaktorionenquelle, (xxii) eine Direkte-Analyse-in-Echtzeit-Ionenquelle ("DART-Ionenquelle"), (xxii) eine Lasersprayionisations-Ionenquelle ("LSI-Ionenquelle"), (xxiv) eine Sonicsprayionisations-Ionenquelle ("SSI-Ionenquelle"), (xxv) eine matrixunterstützte Einlassionisations-Ionenquelle ("MAII-Ionenquelle"), (xxvi) eine lösungsmittelunterstützte Einlassionisations-Ionenquelle ("SAII-Ionenquelle"), (xxvii) eine Desorptionselektrosprayionisations-Ionenquelle ("DESI-Ionenquelle") und (xxviii) eine Laserablations-Elektrosprayionisations-Ionenquelle ("LAESI-Ionenquelle"); und/oder
- (b) eine oder mehrere kontinuierliche oder gepulste Ionenquellen und/oder
- (c) eine oder mehrere Ionenführungen und/oder
- (d) eine oder mehrere Ionenmobilitätstrennvorrichtungen und/oder eine oder mehrere feldasymmetrische Ionenmobilitätsspektrometervorrichtungen und/oder
- (e) eine oder mehrere Ionenfallen oder ein oder mehrere Ioneneinsperrgebiete und/oder
- (f) eine oder mehrere Stoß-, Fragmentations- oder Reaktionszellen, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: (i) eine Stoßinduzierte-Dissoziation-Fragmentationsvorrichtung ("CID-Fragmentationsvorrichtung"), (ii) eine Oberflächeninduzierte-Dissoziation-Fragmentationsvorrichtung ("SID-Fragmentationsvorrichtung"), (iii) eine Elektronenübertragungsdissoziations-Fragmentationsvorrichtung ("ETD-Fragmentationsvorrichtung"), (iv) eine Elektroneneinfangdissoziations-Fragmentationsvorrichtung ("ECD-Fragmentationsvorrichtung"), (v) eine Elektronenstoß-oder-Aufprall-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (vi) eine Photoinduzierte-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung ("PID-Fragmentationsvorrichtung"), (vii) eine Laserinduzierte-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (viii) eine Infrarotstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (ix) eine Ultraviolettstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (x) eine Düse-Skimmer-Schnittstelle-Fragmentationsvorrichtung, (xi) eine In-der-Quelle-Fragmentationsvorrichtung, (xii) eine In-der-Quellestoßinduzierte-Dissoziation-Fragmentationsvorrichtung, (xiii) eine Thermische oder Temperaturquellen-Fragmentationsvorrichtung, (xiv) eine Vorrichtung für durch ein elektrisches Feld induzierte Fragmentation, (xv) eine Vorrichtung für magnetfeldinduzierte Fragmentation, (xvi) eine Enzymverdauungs- oder Enzymabbau-Fragmentationsvorrichtung, (xvii) eine Ion-Ion-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xviii) eine Ion-Molekül-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xix) eine Ion-Atom-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xx) eine Ionmetastabiles-Ion-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxi) eine Ion-metastabiles-Molekül-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxii) eine Ion-metastabiles-Atom-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxiii) eine Ion-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxiv) eine Ion-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxv) eine Ion-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvi) eine Ionmetastabiles-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvii) eine Ion-metastabiles-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxviii) eine Ion-metastabiles-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen und (xxix) eine Elektronenionisationsdissoziations-Fragmentationsvorrichtung ("EID-Fragmentationsvorrichtung") und/oder
- (g) einen Massenanalysator, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) ein Quadrupol-Massenanalysator, (ii) ein 2D- oder linearer Quadrupol-Massenanalysator, (iii) ein Paul- oder 3D-Quadrupol-Massenanalysator, (iv) ein Penning-Fallen-Massenanalysator, (v) ein Ionenfallen-Massenanalysator, (vi) ein Magnetsektor-Massenanalysator, (vii) ein Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator ("ICR-Massenanalysator"), (viii) ein Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysator ("FTICR-Massenanalysator"), (ix) ein elektrostatischer Massenanalysator, der dazu ausgelegt ist, ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung zu erzeugen, (x) ein elektrostatischer Fouriertransformations-Massenanalysator, (xi) ein Fouriertransformations-Massenanalysator, (xii) ein Flugzeit-Massenanalysator, (xiii) ein Orthogonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und (xiv) ein Linearbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und/oder
- (h) einen oder mehrere Energieanalysatoren oder elektrostatische Energieanalysatoren und/oder
- (i) einen oder mehrere Ionendetektoren und/oder
- (j) einen oder mehrere Massenfilter, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: (i) ein Quadrupol-Massenfilter, (ii) eine 2D- oder lineare Quadrupol-Ionenfalle, (iii) eine Paul- oder 3D-Quadrupol-Ionenfalle, (iv) eine Penning-Ionenfalle, (v) eine Ionenfalle, (vi) ein Magnetsektor-Massenfilter, (vii) ein Flugzeit-Massenfilter und (viii) ein Wien-Filter und/oder
- (k) eine Vorrichtung oder ein Ionengatter zum Pulsieren von Ionen und/oder
- (l) eine Vorrichtung zum Umwandeln eines im Wesentlichen kontinuierlichen Ionenstrahls in einen gepulsten Ionenstrahl.
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Das Spektrometer kann auch Folgendes umfassen:
- (i) eine C-Falle und einen Massenanalysator mit einer äußeren rohrförmigen Elektrode und einer koaxialen inneren spindelartigen Elektrode, die ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung bilden, wobei in einer ersten Betriebsart Ionen zu der C-Falle durchgelassen werden und dann in den Massenanalysator injiziert werden und wobei in einer zweiten Betriebsart Ionen zu der C-Falle durchgelassen werden und dann zu einer Stoßzelle oder Elektronenübertragungsdissoziationsvorrichtung durchgelassen werden, wobei zumindest einige Ionen in Fragmentionen fragmentiert werden, und wobei die Fragmentionen dann zu der C-Falle durchgelassen werden, bevor sie in den Massenanalysator injiziert werden, und/oder
- (ii) eine Ringstapel-Ionenführung, die mehrere Elektroden umfasst, die jeweils eine Öffnung aufweisen, von der Ionen bei der Verwendung durchgelassen werden, und wobei der Abstand zwischen den Elektroden entlang der Länge des Ionenwegs zunimmt und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem vorgeschalteten Abschnitt der Ionenführung einen ersten Durchmesser aufweisen und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem nachgeschalteten Abschnitt der Ionenführung einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der erste Durchmesser ist, und wobei entgegengesetzte Phasen einer Wechsel- oder HF-Spannung bei der Verwendung an aufeinanderfolgende Elektroden angelegt werden.
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Das Spektrometer kann eine Vorrichtung, die dazu ausgelegt und angepasst ist, den Elektroden eine Wechsel- oder HF-Spannung zuzuführen. Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Amplitude, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) < 50 V Peak-zu-Peak, (ii) 50–100 V Peak-zu-Peak, (iii) 100–150 V Peak-zu-Peak, (iv) 150–200 V Peak-zu-Peak, (v) 200–250 V Peak-zu-Peak, (vi) 250–300 V Peak-zu-Peak, (vii) 300–350 V Peak-zu-Peak, (viii) 350–400 V Peak-zu-Peak, (ix) 400–450 V Peak-zu-Peak, (x) 450–500 V Peak-zu-Peak und (xi) > 500 V Peak-zu-Peak.
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Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Frequenz, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) < 100 kHz, (ii) 100–200 kHz, (iii) 200–300 kHz, (iv) 300–400 kHz, (v) 400–500 kHz, (vi) 0,5–1,0 MHz, (vii) 1,0–1,5 MHz, (viii) 1,5–2,0 MHz, (ix) 2,0–2,5 MHz, (x) 2,5–3,0 MHz, (xi) 3,0–3,5 MHz, (xii) 3,5–4,0 MHz, (xiii) 4,0–4,5 MHz, (xiv) 4,5–5,0 MHz, (xv) 5,0–5,5 MHz, (xvi) 5,5–6,0 MHz, (xvii) 6,0–6,5 MHz, (xviii) 6,5–7,0 MHz, (xix) 7,0–7,5 MHz, (xx) 7,5–8,0 MHz, (xxi) 8,0–8,5 MHz, (xxii) 8,5–9,0 MHz, (xxiii) 9,0–9,5 MHz, (xxiv) 9,5–10,0 MHz und (xxv) > 10,0 MHz.
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Das Massenspektrometer kann zudem eine Chromatographie- oder andere Trennvorrichtung, die einer Ionenquelle vorgeschaltet ist, aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Chromatographietrennvorrichtung eine Flüssigchromatographie- oder Gaschromatographievorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Trennvorrichtung Folgendes umfassen: (i) eine Kapillarelektrophorese-Trennvorrichtung ("CE-Trennvorrichtung"), (ii) eine Kapillarelektrochromatographie-Trennvorrichtung ("CEC-Trennvorrichtung"), (iii) eine Trennvorrichtung mit einem im Wesentlichen starren keramikbasierten mehrschichtigen Mikrofluidsubstrat ("Keramikkachel") oder (iv) eine Überkritisches-Fluid-Chromatographie-Trennvorrichtung.
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Die Ionenführung wird vorzugsweise bei einem Druck gehalten, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) < 0,0001 mbar, (ii) 0,0001–0,001 mbar, (iii) 0,001–0,01 mbar, (iv) 0,01–0,1 mbar, (v) 0,1–1 mbar, (vi) 1–10 mbar, (vii) 10–100 mbar, (viii) 100–1000 mbar und (ix) > 1000 mbar. Gemäß einer Ausführungsform können Analytionen einer Elektronenübertragungsdissoziations-Fragmentation ("ETD-Fragmentation) in einer Elektronenübertragungsdissoziations-Fragmentationsvorrichtung unterzogen werden. Analytionen werden vorzugsweise veranlasst, mit ETD-Reagensionen innerhalb einer Ionenführung oder Fragmentationsvorrichtung zu interagieren.
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Gemäß einer Ausführungsform werden zum Bewirken einer Elektronenübertragungsdissoziation entweder: (a) Analytionen fragmentiert oder zum Dissoziieren und zum Bilden von Produkt- oder Fragmentionen gebracht, nachdem sie mit Reagensionen interagiert haben und/oder (b) Elektronen von einem oder mehreren Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (c) Analytionen fragmentiert oder dazu gebracht, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, nachdem sie mit neutralen Reagensgasmolekülen oder Atomen oder einem nicht ionischen Reagensgas interagiert haben, und/oder (d) Elektronen von einem oder mehreren neutralen nichtionischen oder ungeladenen Ausgangsgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (e) Elektronen von einem oder mehreren neutralen nichtionischen oder ungeladenen Superbasis-Reagensgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (f) Elektronen von einem oder mehreren neutralen, nicht ionischen oder ungeladenen Alkalimetallgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (g) Elektronen von einem oder mehreren neutralen, nichtionischen oder ungeladenen Gasen, Dämpfen oder Atomen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, wobei das eine oder die mehreren neutralen, nichtionischen oder ungeladenen Gase, Dämpfe oder Atome aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: (i) Natriumdampf oder -atome, (ii) Lithiumdampf oder -atome, (iii) Kaliumdampf oder -atome, (iv) Rubidiumdampf oder -atome, (v) Cäsiumdampf oder -atome, (vi) Franciumdampf oder -atome, (vii) C60-Dampf oder -Atome und (viii) Magnesiumdampf oder -atome.
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Die mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen umfassen vorzugsweise Peptide, Polypeptide, Proteine oder Biomoleküle.
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Gemäß einer Ausführungsform werden zum Bewirken einer Elektronenübertragungsdissoziation: (a) die Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen von einem polyaromatischen Kohlenwasserstoff oder einem substituierten polyaromatischen Kohlenwasserstoff abgeleitet und/oder (b) die Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen von der folgenden Gruppe abgeleitet: (i) Anthracen, (ii) 9,10-Diphenyl-anthracen, (iii) Naphthalen, (iv) Fluor, (v) Phenanthren, (vi) Pyren, (vii) Fluoranthen, (viii) Chrysen, (ix) Triphenylen, (x) Perylen, (xi) Acridin, (xii) 2,2'-Dipyridyl, (xiii) 2,2'-Biquinolin, (xiv) 9-Anthracencarbonitril, (xv) Dibenzothiophen, (xvi) 1,10'-Phenanthrolin, (xvii) 9'-Anthracencarbonitril und (xviii) Anthraquinon und/oder (c) weisen die Reagensionen oder negativ geladenen Ionen Azobenzenanionen oder Azobenzen-Radikalanionen auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Prozess der Elektronenübertragungsdissoziationsfragmentation die Wechselwirkung von Analytionen mit Reagensionen, wobei die Reagensionen Dicyanobenzen, 4-Nitrotoluol oder Azulen umfassen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Verschiedene Ausführungsformen werden nun zusammen mit anderen Ausführungen nur beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1A eine Vorderansicht einer schematischen Darstellung eines Ionenmobilitätsseparators (IMS) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 1B eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts der Driftzelle der IMS-Vorrichtung von 1A zeigt und 1C und 1D verschiedene Ansichten der Ausführungsform von 1A zeigen;
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung der Driftzelle;
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3 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Potentiale, die an die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung während einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen von außerhalb der Driftzelle in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung injiziert/geladen werden;
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4 zeigt die elektrischen Potentiale, die an die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung während einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen aus dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich und in den benachbarten Teil der Driftzelle getrieben werden;
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5A zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Spektrometers, das die IMS-Vorrichtung umfasst, und 5B zeigt ein Potentialenergiediagramm der Gleichspannungspotentiale, die an die Komponenten des Spektrometers in einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung der Driftzelle angesammelt werden;
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6A und 6B zeigen, wie die Potentiale, die an das Spektrometer angelegt sind, bei der Vorbereitung darauf, Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in den axial benachbarten Teil der IMS-Driftzelle zu bewegen, geändert werden;
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7A und 7B zeigen die Gleichspannungspotentiale, die an das Spektrometer in einem Stadium angelegt werden, in dem die Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in den benachbarten Teil der IMS-Driftzelle angetrieben werden; und
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8A und 8B zeigen die Gleichspannungspotentiale, die an das Spektrometer in einem Stadium angelegt werden, in dem die Ionen an der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung aus der Driftzelle ausgeworfen werden.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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1A zeigt eine Vorderansicht einer schematischen Darstellung eines Ionenmobilitätsseparators (IMS) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die IMS-Vorrichtung 1 umfasst eine Driftzelle mit geschlossener Schleife 2, um die die Ionen im Einsatz geführt werden. Die Driftzelle 2 umfasst mehrere Elektroden, die dazu dienen, die Ionen auf einen axialen Weg zu begrenzen, der sich um die Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 erstreckt. Die Driftzelle 2 umfasst auch Elektroden, die die Ionen entlang der axialen Länge der Driftzelle drängen. Die Ionenführung ist mit einem Hintergrundgas gefüllt, so dass die Ionen, während sie um die Driftzelle 2 getrieben werden, mit den Gasmolekülen zusammenstoßen und sich nach ihren Ionenmobilitäten durch das Gas trennen. Die Ionen können einmal oder mehrere Male um die Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 getrieben werden, bevor sie durch einen Austrittsbereich 4 extrahiert werden. Die Ionen können durch Anlegen eines oder mehrerer elektrischen Potentiale, die axial entlang der Driftzelle 2 wandern, oder weniger bevorzugt durch einen statischen Gleichspannungspotentialgradienten bewegt, der axial entlang der Driftzelle 2 angeordnet ist, einmal oder mehrere Male um die Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 gedrängt werden.
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1B zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts der Driftzelle 2 der IMS-Vorrichtung von 1A. 1B zeigt eine Ausführungsform einer Elektrodeneinheitenanordnung 5, die verwendet werden kann, um Ionen auf die Achse des Ionenführungswegs in der Driftzelle 2 zu beschränken. An einem gegebenen Punkt entlang der axialen Länge des Ionenführungswegs, ist der Weg vorzugsweise zwischen zwei HF-Elektroden 6, die voneinander in einer ersten Richtung beabstandet sind, und zwei Gleichstromelektroden 8, die voneinander in einer zweiten, vorzugsweise orthogonalen Richtung beabstandet sind, definiert. HF-Spannungen werden an die HF-Elektroden 6 angelegt, um die Ionen zwischen den HF-Elektroden 6 in der ersten Richtung zu beschränken. Gleichspannungen werden an die Gleichspannungselektroden 8 angelegt, um die Ionen zwischen den Gleichspannungselektroden 8 in der zweiten Richtung zu begrenzen. Die Elektrodeneinheit 5 wiederholt sich entlang der axialen Länge der Driftzelle 2, so dass Ionen an allen Punkten um die Ionenführung herum in der Driftzelle 2 eingeschlossen sind, außer dann, wenn Ionen aus dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 ausgeworfen werden, wie es weiter unten beschrieben ist. Die Elektrodeneinheiten 5 sind axial entlang des Ionenführungswegs beabstandet und ein oder mehrere Gleichstrompotentiale können nacheinander an aufeinanderfolgende Elektrodeneinheiten 5 angelegt werden, so dass ein wanderndes Gleichspannungspotential um die Driftzelle 2 wandert und damit die Ionen um die Driftzelle drängt. Alternativ können verschiedene Gleichspannungspotentiale an aufeinanderfolgende Elektrodeneinheiten 5 um die Ionenführung angelegt werden, so dass ein statischer Gleichspannungsgradient entlang der Achse angelegt wird, der die Ionen um die Driftzelle 2 herum drängt.
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Die obere und die untere Seite der Driftzelle 2 können von Leiterplatten ausgebildet sein, auf denen die Gleichspannungs- oder HF-Elektroden 6, 8 angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können die radial innere und äußere Seite der Driftzelle 2 von Leiterplatten ausgebildet sein, auf denen die Gleichspannungs- oder HF-Elektroden 6, 8 angeordnet sind.
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1C und 1D zeigen eine orthogonale Ansicht bzw. eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 1A. Die Driftzelle 2 ist in einer Kammer 10 angeordnet, die mit Driftgas gefüllt ist. Ionen werden unter Verwendung von HF-Ionenführungen 12, 14 in die und aus der Kammer 10 geführt. Die HF-Ionenführungen 12, 14 sind auch mit dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 der Driftzelle 2 derart gekoppelt, dass Ionen in die Driftzelle 2 und aus der Driftzelle 2 heraus geführt werden können. In dieser Ausführungsform werden Ionen durch Eingangsionenführungen 12 in die Kammer 10 und in den Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 der Driftzelle 2 geführt. Wenn erwünscht ist, dass die Ionen nach ihrer Ionenmobilität getrennt werden, dann werden die Ionen in einer orthogonalen Richtung zu der Ioneneintrittsrichtung gedrängt und werden rund um den ovalen Ionenweg oder Laufspurionenweg der Driftzelle 2 getrieben. Während die Ionen entlang des Ionenwegs geführt werden, trennen sie sich durch das Driftgas, das in der Kammer 10 und damit der Driftzelle 2 vorhanden ist, nach ihrer Ionenmobilität. Wenn erwünscht ist, dass Ionen aus der Driftzelle 2 extrahiert werden, werden sie in einer Richtung auf die Ausgangs-HF-Ionenführungen 14 zu ausgeworfen. Die Ionen werden dann durch die Ausgangsionenführungen 14 aus der Kammer 10 geführt.
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Auf der anderen Seite kann dann, wenn eine Ionenmobilitätstrennung der Ionen nicht erforderlich ist, veranlasst werden, dass Ionenspezies aus der Eingangsionenführung 12 direkt durch den Einlass-/Auslassbereich 4 der Driftzelle 2 und ohne Leiten um die Driftzelle 2 zu der Ausgangsionenführung 14 gelangen. Mit anderen Worten kann die Driftzelle 2 in einer Umgehungsbetriebsart betrieben werden.
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In einer bevorzugten Betriebsart ist es möglich, Ionen in einem gewünschten Ionenmobilitätsbereich aus der Driftzelle 2 zu extrahieren. Dies wird erreicht, indem Ionen veranlasst werden, so um die Driftzelle 2 zu wandern, dass sie sich trennen, und indem dann die Aktivierung einer oder mehrerer Auswurfspannungen an dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 mit dem Zeitpunkt, an dem die Ionen von Interesse an dem Einlass-/Auslassbereich 4 sind, synchronisiert wird. Die gewünschten Ionen werden daher aus der Driftzelle 2 ausgeworfen und die anderen Ionenspezies, die in der Driftzelle 2 verbleiben, können weiterhin die Driftzelle 2 durchlaufen und sich nach Ionenmobilität trennen. Alternativ können die verbleibenden Ionen aus der Driftzelle 2 beispielsweise durch Entfernen der HF-Spannungen von den Elektroden 6, so dass die Ionen nicht mehr in der Driftzelle 2 eingedämmt sind, verworfen werden.
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Die ausgeworfenen Ionen mit den gewünschten Ionenmobilitäten können sofort von der Driftzelle 2 zu einem Massenanalysator oder Detektor transportiert werden. Alternativ können solche Ionen in einem Speicherbereich eingefangen werden, während der nächste Mobilitätszyklus in der Driftzelle 2 stattfindet und bis mehr Ionen des gleichen Ionenmobilitätsbereichs aus der Driftzelle 2 in den Speicherbereich ausgeworfen worden sind. Nachdem ausreichend Mobilitätszyklen durchgeführt worden sind, um die gewünschte Anzahl von Ionen in dem Speicherbereich anzusammeln, können diese Ionen dann für die weitere Analyse zu einem Analysator oder zu einem Detektor transportiert werden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um das Ionensignal der gewünschten Ionen zu erhöhen. Zusätzlich oder alternativ können die gewünschten Ionen, die aus der Driftzelle 2 ausgeworfen worden sind, fragmentiert, aktiviert oder dissoziiert werden und dann wieder zurück in die Driftzelle eingebracht werden, so dass die Ionenmobilitäten der Fragmentionen, aktivierten Ionen oder Produktionen durch die Drift-Zelle 2 analysiert werden kann.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Ionen Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 der Driftzelle 2. Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 umfasst zwei parallele, rechteckige Anordnungen von Elektroden 20, 22, die voneinander beabstandet sind. Jede Anordnung von Elektroden 20, 22 umfasst mehrere Elektroden, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Verschiedene elektrische Potentiale werden an diese Elektroden angelegt, um die Ionen zu manipulieren, wie es nachstehend genauer beschrieben ist. Die Vorrichtung verfügt über vier Seiten, die sich zwischen den vier Rändern der Anordnung 20, 22 erstrecken. Zwei der gegenüberliegenden Seiten sind durch Endplatten 24, 26 ausgebildet, wobei jede Endplatte darin eine Öffnung 28, 30 aufweist. Eine der Endplatten 26 weist eine Ioneninjektionsöffnung 30 auf, um Ionen von außerhalb der Driftzelle 2 in die Vorrichtung 4 zu injizieren. Die gegenüberliegende Endplatte 24 weist eine Ionenauswurföffnung 28 zum Auswerfen von Ionen aus der Vorrichtung 4 und der Driftzelle 2 auf. Die anderen beiden gegenüberliegenden Seiten sind Anschlüsse mit den Driftelektroden 32 der Hauptdriftzelle 2. Einer der Anschlüsse, der Eingangsanschluss, ermöglicht, dass Ionen aus einem weiteren Teil der Driftzelle 2 in die Vorrichtung 4 gelangen. Der andere Anschluss, der Ausgangsanschluss, ermöglicht, dass Ionen aus der Vorrichtung 4 und in einen weiteren Teil der Driftzelle gelangen.
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Elektrische HF-Potentiale werden an die Elektroden in den Anordnungen von Elektroden 20, 22 angelegt, um Ionen in der Richtung zwischen den Anordnungen 20, 22 einzudämmen. Das HF-Potential mit der gleichen Phase wird vorzugsweise an alle Elektroden in der gleichen Spalte von Elektroden angelegt (eine Spalte erstreckt sich in der Richtung zwischen den Endplatten 24, 26 mit Öffnungen 28, 30). Benachbarte Spalten von Elektroden werden vorzugsweise auf unterschiedlichen HF-Phasen, vorzugsweise entgegengesetzten HF-Phasen, gehalten. Es wird jedoch alternativ in Betracht gezogen, dass das HF-Potential mit der gleichen Phase an alle Elektroden in der gleichen Zeile angelegt werden kann (eine Zeile erstreckt sich in der Richtung parallel zu den Lochplatten 24, 26). Benachbarte Zeilen von Elektroden werden vorzugsweise auf unterschiedlichen HF-Phasen, vorzugsweise entgegengesetzten HF-Phasen, gehalten.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 hat mehrere Betriebsarten. Gemäß einer ersten Betriebsart 4 wird die Vorrichtung in einer Weise betrieben, bei der Ionen von außerhalb der Driftzelle 2 in die Vorrichtung 4 injiziert oder geladen werden. Die Vorrichtung 4 kann auch in einer anderen Betriebsart betrieben werden, bei der Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 in einen benachbarten Teil der Driftzelle 2 getrieben werden. Die Vorrichtung 4 auch in einer anderen Betriebsart betrieben werden, bei der Ionen aus der Vorrichtung 4 in einen Bereich außerhalb der Driftzelle 2 ausgeworfen werden. Diese Betriebsarten werden nun unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Potentiale, die an die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und die benachbarten Teile der Driftzelle 2 auf beiden Seiten der Vorrichtung 4 in einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen von außerhalb der Driftzelle 2 in die Einlass-/Auslassvorrichtung injiziert/geladen werden. Die Anordnung von dunklen und hellen vertikalen Balken 30 stellt die Potentiale dar, die an eine oder beide der Elektrodenanordnungen 20, 22 in der Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 angelegt werden. Die Farben der vertikalen Balken 30 stellen die HF-Phasen dar, die an die Elektroden in den Anordnungen 20, 22 angelegt sind. Z. B. stellen helle vertikale Balken eine HF-Phase dar und dunkle HF-Balken die entgegengesetzte HF-Phase dar. Die vertikalen Höhen der vertikalen Balken 30 stellen die Beträge der Gleichspannungen dar, die an die Elektroden in der einen oder den mehreren Anordnungen 20, 22 angelegt sind. Es ist ersichtlich, dass Gleichspannungspotentiale mit relativ hohen Amplituden an alle Elektroden in einigen der Zeilen von Elektroden angelegt sind, und dass Gleichspannungspotentiale mit relativ niedrigen Amplituden an alle Elektroden in den benachbarten Zeilen von Elektroden angelegt sind. In der Betriebsart, in der Ionen in die Vorrichtung 4 injiziert/geladen werden, werden die Gleichspannungspotentiale, die an die Elektroden in den Anordnungen 20, 22 angelegt sind, mit der Zeit variiert, so dass die hohen Gleichspannungen nacheinander an aufeinanderfolgende Zeilen von Elektroden in einer Richtung von der Ioneninjektionsöffnung 30 zu der Ionenauswurföffnung 28 angelegt werden, und zwar so, dass Gleichspannungspotentialbarrieren in der Richtung von der Ioneninjektionsöffnung 30 zu der Ionenauswurföffnung 28 wandern. Gleichzeitig werden die niedrigen Gleichspannungen nacheinander an aufeinanderfolgende Zeilen von Elektroden in eine Richtung von der Ioneninjektionsöffnung 30 zu der Ionenauswurföffnung 28 angelegt. Dies verursacht, dass Ionen durch die Gleichspannungspotentiale mit hohen Amplituden in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 gedrängt werden, wobei die Ionen in den Bereichen niedriger Gleichspannungen wandern. Die Endplatte mit der Austrittsöffnung 28 kann derart auf einem Gleichspannungs- oder HF-Potential gehalten werden, dass Ionen während des Ladens/Injizierens von Ionen an dem Verlassen der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 gehindert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Amplitude der hohen Gleichspannungspotentiale sinken, während sie in Richtung der Austrittsöffnung 28 wandern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Zeile von Elektroden in der Nähe der Austrittsöffnung auf hohen Gleichspannungspotentialen gehalten werden, so dass die Ionen während des Ladens nicht über diese Zeile hinaus und aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 gedrängt werden können.
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Die horizontal langestreckten Balken 32 in 3 stellen die Potentiale von Elektroden in Bereichen der Driftzelle 2 dar, die zu der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 benachbart sind. Die Farben dieser horizontalen Balken stellen die HF-Phasen dar, die an die Elektroden angelegt sind. Z. B. stellen helle Balken eine HF-Phase und dunkle Balken die entgegengesetzte HF-Phase dar. Die vertikalen Höhen, bei denen die horizontal langestreckten Balken 32 angeordnet sind, stellen die Beträge der Gleichspannungen dar, die an die Elektroden angelegt sind. Wie zu sehen ist, sind die meisten der horizontal langestreckten Balken 32 auf einem relativ niedrigen Gleichspannungspotential, aber einige dieser Balken sind auf einem höheren Gleichspannungspotential. Diese höheren Gleichspannungspotentiale werden nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden entlang der axialen Länge der Driftzelle 2 angelegt, so dass sich eine Gleichspannungspotentialbarriere entlang der axialen Länge der Driftzelle 2 bewegt und Ionen um die Driftzelle 2 antreibt, was genauer unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 stellen die vertikalen Höhen, auf denen die oberen Oberflächen der horizontal langestreckten Balken 32 angeordnet sind, die Beträge der Gleichspannungen dar, die an die Elektroden angelegt sind. Es ist ersichtlich, dass der Betrag der niedrigen Gleichspannungspotentiale, die während des Ladens/Injizierens von Ionen an die Elektrodenanordnungen 20, 22 angelegt werden, geringer ist als die Gleichspannungspotentiale, auf denen die axial benachbarten Bereiche der Driftzelle 2 gehalten werden. Daher wird verhindert, dass die Ionen während des Ionen-Lade-/Injektionsbetriebsart aus dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 in die benachbarten Bereiche der Driftzelle 2 gelangen.
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Sobald die Ionen in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 geladen/injiziert worden sind, können alle Elektroden in der Anordnung 20, 22 auf dem relativ niedrigen Gleichstrompotential gehalten werden, d. h. es besteht keine Notwendigkeit mehr, Ionen in der Richtung zwischen den Endplatten 24, 26 mit den Öffnungen 28, 30 anzutreiben und somit können die hohen Gleichspannungen durch niedrige Gleichspannungen ersetzt werden. Die beiden Endplatten 24, 26 können auf Gleichspannungs- oder HF-Potentialen gehalten werden, die verhindern, dass Ionen durch die Endplatten 24, 26 austreten. Die Gleichspannungspotentiale, die an die Elektroden in den Anordnungen 20, 22 angelegt sind, können dann auf den gleichen Wert wie die niedrigen Gleichspannungspotentiale der axial benachbarten Bereiche der Driftzelle 2 erhöht werden. Es gibt dann keine Gleichspannungsbarriere zwischen dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 und den axial benachbarten Abschnitten der Driftzelle 2. Daher können Ionen dann leicht aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 in den benachbarten Abschnitt der Driftzelle 2 gelangen, um nach ihren Ionenmobilitäten getrennt zu werden, wie es unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist.
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4 zeigt die elektrischen Potentiale, die an die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und die axial benachbarten Teilen der Driftzelle 2 während einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen aus dem Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 und in den benachbarten Teil der Driftzelle 2 getrieben werden. Wie oben beschrieben werden, nachdem Ionen in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 geladen/injiziert worden sind, die Gleichspannungspotentiale, die an den Anordnungen von Elektroden 20, 22 angelegt sind, angehoben, um den Gleichspannungspotentialen der benachbarten Teile der Driftzelle 2 zu entsprechen. Daher gibt es keine Gleichspannungsbarriere zwischen der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und den benachbarten Teilen der Driftzelle mehr. Wie in 4 gezeigt werden dann die Gleichspannungspotentiale, die an zwei Spalten von Elektroden in den Elektrodenanordnungen 20, 22 angelegt sind, auf hohe Gleichspannungen relativ zu den anderen Elektroden in den Anordnungen 20, 22 angehoben. Diese hohen Gleichspannungen werden nacheinander an aufeinanderfolgende Spalten in den Anordnungen 20, 22 angelegt, so dass sich die hohen Gleichspannungen entlang den Anordnungen in der axialen Richtung der Driftzelle 2 bewegen, wie es durch den Pfeil in 4 angegeben ist. Dies bewirkt, dass die Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und durch den Ausgangsanschluss angetrieben werden. Die Ionen gelangen dann in den axial benachbarten Abschnitt der Driftzone 2. Die hohen Gleichspannungen, die die Ionen aus der Ionen Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 getrieben haben, können dann nacheinander an aufeinanderfolgende Elektroden entlang der axialen Länge des Rests des Driftbereichs 2 angelegt werden, um kontinuierlich die Ionen um die gesamte Driftzone 2 anzutreiben. Beispiele für solche Spannungen sind durch die relativ hohen horizontal langestreckten Balken in 4 gezeigt.
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Die Ionen werden durch die wandernden Gleichspannungen um die Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 und durch den Eingangsanschluss zurück in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 getrieben. Die Ionen können von der Driftzelle 2 an dieser Stelle ausgeworfen werden, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist.
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Alternativ können die Ionen durch Anlegen der wandernden Gleichspannungspotentiale an die Spalten von Elektroden in den Elektrodenanordnungen 20, 22 erneut durch die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 angetrieben werden und dann durch die wandernden Gleichspannungspotentiale, die an den Rest der Driftzellenelektroden angelegt werden, um die Driftzelle 2 angetrieben werden. Die Ionen können durch diesen Prozess so oft wie gewünscht um die Driftzelle 4 angetrieben werden, bis sich die Ionen wie gewünscht nach ihrer Ionenmobilität getrennt haben. In dieser Betriebsart ist die Verschiebung der hohen Gleichspannungspotentiale, die Ionen durch die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und in den axial benachbarten Teil der Driftzone 2 treiben, vorzugsweise mit der Verschiebung der hohen Gleichspannungspotentiale um den Rest des Driftbereichs synchronisiert. Daher ist der Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 während der Betriebsart, in der die Ionen mehrere Male um die Driftzelle mit geschlossener Schleife bewegt werden, im Wesentlichen ionenoptisch identisch mit dem Rest des Driftbereichs 2.
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Wenn es gewünscht ist, Ionen aus der Driftzelle auszuwerfen, können die Gleichspannungspotentiale, die an den Anordnungen von Elektroden 20, 22 in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 angelegt sind, wie in 3 gezeigt relativ zu den benachbarten Teilen der Driftzelle 2 wieder abgesenkt werden. Gleichspannungspotentiale können dann an die Anordnungen von Elektroden 20, 22 angelegt werden, um Ionen in der Richtung von der Injektionsöffnung 30 der Injektionsendplatte 26 zu der Auswurföffnung 28 der Auswurfendplatte 24 anzutreiben. Dies wird in der gleichen Weise wie die Ionen-Lade-/Auswurfbetriebsart aus 3 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass es in der Auswurfbetriebsart keine Potentialbarriere gibt, die verhindert, dass Ionen aus der Ionen Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung durch die Auswurföffnung 30 der Auswurfendplatte 26 austreten. Es versteht sich, dass alternativ die Ionen durch Verschiebung der hohen Gleichspannungspotentiale in der entgegengesetzten Richtung zu der Lade-/Injektionsrichtung aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 durch die gleiche Öffnung 30 ausgeworfen werden könnten, durch die sie injiziert/geladen worden sind.
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Der Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 kann in einer Umgehungsbetriebsart arbeiten, in der nicht erwünscht ist, dass Ionen um die Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 angetrieben werden, und nicht bewirkt wird, dass sich die Ionen trennen. Diese Betriebsart ist die gleiche wie die in Bezug auf 3 beschriebene, mit der Ausnahme, dass die Ionen einfach direkt aus der Eingangsöffnung 30 und aus der Ausgangsöffnung 28 gelangen, ohne orthogonal in den axial benachbarten Abschnitt der Driftzelle 2 durchgelassen zu werden. Es kann verhindert werden, dass die Ionen in den axial benachbarten Abschnitt der Driftzelle mit geschlossener Schleife 2 gelangen, indem die Gleichspannungspotentiale an den Elektrodenanordnungen 20, 22 niedriger als diejenigen der benachbarten Teile der Driftzelle 2 sind. Die Ionen können durch die hohen Gleichspannungspotentiale, die in Bezug auf 3 beschrieben sind, durch den Ionen-Einlass-/Auslassbereich 4 getrieben werden oder nicht.
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5A zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Spektrometers, das die IMS-Vorrichtung umfasst. Das Spektrometer umfasst eine Driftgaskammer 10, eine Ionenfalle 40, eine Heliumzelle 42, eine Ionensammelzelle 44, die IMS-Vorrichtung 2, eine Ausgangszelle 46 und eine Ionenübertragungszelle 48. Elektrodengatter 50–58 sind zwischen den oben beschriebenen aufeinanderfolgenden Komponenten angeordnet. Insbesondere ist ein Eingangsgatter 54 der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 vorgeschaltet und ein Ausgangsgatter 56 der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 nachgeschaltet angeordnet. Die IMS-Vorrichtung 2 entspricht derjenigen, die in 1C gezeigt ist.
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5B zeigt ein Potentialenergiediagramm der Gleichspannungspotentiale, die an die Komponenten des Spektrometers in einer Betriebsart angelegt werden, in der Ionen in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 der Driftzelle 2 gesammelt werden. Die Ionen werden aus der Ionenfalle 40 freigegeben und dann durch ein axiales elektrisches Feld durch die Heliumzelle 42 angetrieben. Die Ionen laufen dann durch die Ionensammelzelle 44 und durch die Ioneneintrittsöffnung 30 in der Eingangsendplatte 26, die oben in Bezug auf 2 beschrieben ist, in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4. Die Gleichspannungspotentiale der Elektroden in den Elektrodenanordnungen 20, 22 der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 werden niedriger gehalten als die Gleichspannungspotentiale, die an den Sammelzelle 44, dem Eingangsgatter 54 und dem Ausgangsgatter 56 angelegt sind. Daher sind Ionen axial gefangen und sammeln sich in der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 an. Die Ionen gelangen durch die Eintrittsöffnung 30 der Eingangsendplatte 26, die oben in Bezug auf 2 beschrieben ist, in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4. Eine wandernde Gleichspannungswelle kann an die Zeilen von Elektroden in den Elektrodenanordnungen 20, 22 angelegt werden, um Ionen in die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 zu drängen, wie es unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist. Das Gleichspannungspotential der IMS-Driftzelle 2 (mit Ausnahme der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4) ist durch die horizontale Linie dargestellt, die parallel und vertikal oberhalb der Linie ist, die die Gleichspannung darstellt, die an den Anordnungen 20, 22 der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 angelegt ist. Die Potentialdifferenz, die durch die Lücke zwischen diesen beiden Linien dargestellt ist, verhindert, dass Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und in die axial benachbarten Teile der IMS-Driftzelle 2 gelangen.
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6A und 6B entsprechen 5A und 5B, mit der Ausnahme, dass sie zeigen, wie die Potentiale, die an das Spektrometer angelegt sind, bei der Vorbereitung darauf, Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 in den axial benachbarten Teil der IMS-Driftzelle 2 zu bewegen, geändert werden. Wie durch die Pfeile in 6B gezeigt werden die Gleichspannungspotentiale des Eingangsgatters 54, der Anordnungselektroden 20, 22 und des Ausgangsgatters 56 auf die Gleichspannungspotentiale angehoben, die durch die horizontalen gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Gleichspannungspotentiale, die an den Anordnungen von Elektroden 20, 22 angelegt sind, sind dann äquivalent zu den Gleichspannungspotentiale, die an die benachbarten Teile der IMS-Driftzelle 2 angelegt sind,, und daher gibt es keine Gleichspannungsbarriere, um zu verhindern, dass Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 in den benachbarten Teil der IMS-Driftzelle 2 gelangen.
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7A und 7B entsprechen 6A und 6B, mit der Ausnahme, dass sie die Potentiale in einem Stadium zeigen, in dem die Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung in den benachbarten Teil der IMS-Driftzelle getrieben werden. Wie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden die Ionen aus der Austrittsöffnung 28 in der mit Öffnungen versehenen Austrittsplatte 24 durch Anlegen von wandernden Gleichspannungspotentialen an die Spalten von Elektroden in den Anordnungen von Elektroden 20, 22 angetrieben. Diese wandernden Potentiale sind durch die Reihen von parallelen horizontalen Linien 60 in 7B dargestellt. Die Ionen werden dann von wandernden Gleichspannungspotentialen um die Driftzelle 2 angetrieben, so dass sich die Ionen entsprechend ihren Ionenmobilitäten trennen, wie es oben beschrieben worden ist. Wenn die Ionen die gewünschte Anzahl von Malen um die Driftzelle 2 geleitet worden sind, können die Ionen an der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 ausgeworfen werden. Die Länge der Zeit, über die die Potentiale der Elektrodenanordnungen 20, 22 in der Betriebsart sind, die in 7B gezeigt ist, bestimmt, wie viele die Ionen gegebener Ionenmobilität es um die Driftzelle 2 schaffen.
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8A und 8B entsprechen 7A und 7B, mit der Ausnahme, dass sie die Gleichspannungspotentiale, die an dem Spektrometer angelegt sind, in einem Stadium zeigen, in dem die Ionen an der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 aus der Driftzelle 2 ausgeworfen werden. Wie durch die Pfeile in 8B gezeigt werden die Gleichspannungspotentiale des Eingangsgatters 54, der Anordnungselektroden 20, 22 und des Ausgangsgatters 56 auf die Gleichspannungspotentiale, die durch die horizontalen gestrichelten Linien dargestellt sind, abgesenkt. Die Gleichspannungspotentiale des Eingangsgatters 54, der Anordnungselektroden 20, 22, des Ausgangsgatters 56, der Ausgangszelle 45 und der Ionenübertragungszelle 48 sinken fortschreitend, so dass die Ionen aus der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und entlang des Spektrometers in Richtung der Ionenübertragungszelle 48 gedrängt werden. Die Ionen verlassen die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 durch die Austrittsöffnung 28 der Austrittsendplatte 24, die oben in Bezug auf 2 beschrieben ist. Eine wandernde Gleichspannungswelle wird an die Zeilen von Elektroden in den Elektrodenanordnungen 20, 22 angelegt, um Ionen 28 aus der Austrittsöffnung 28 zu drängen. Diese ist durch die Reihe von vertikalen Linien 62 in dem Elektrodenanordnungsbereich in 8B dargestellt.
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Das Variieren der Potentiale, die an der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 angelegt sind, relativ zu dem Rest der Driftzelle 2 beim Laden oder Auswerfen von Ionen an der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 erleichtert Ioneneintritt und -austritt aus der Driftzelle 2, ohne die Potentiale der anderen Komponenten des Spektrometers, die vorgeschaltet oder nachgeschaltet sind, mit zu verändern. Dies ermöglicht auch eine Umgehungsbetriebsart, in der Ionen in der Driftzelle 2 nicht getrennt werden. Beispielsweise können die Gleichstrompotentiale des Eingangsgatters 54, der Elektrodenanordnungen 20, 22 und des Ausgangsgatters 56 äquivalent zu den Gleichspannungspotentialen der Sammelzelle 44 und der Ausgangszelle 46 gemacht werden, so dass Ionen kontinuierlich von der Sammelzelle 44 durch die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 und in die Ausgangszelle 46 gelangen, ohne in der Driftzelle 2 getrennt zu werden.
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Die wandernden Gleichspannungswellen, die an die Driftzelle 2 außerhalb der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 angelegt werden, können während der oben genannten Betriebsarten kontinuierlich betrieben werden.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Zum Beispiel können, obwohl beschrieben worden ist, dass wandernde Gleichspannungspotentiale verwendet werden, um Ionen um den Bereich der Driftzelle 2 außerhalb der Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 anzutreiben, statische Gleichspannungsgradienten stattdessen für diesen Zweck verwendet werden.
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Es ist offensichtlich, dass Driftzellen 2 mit kontinuierlichen Ionenführungswegen mit anderen Formen als denen kreisförmiger oder ovaler Wege auch als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden.
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Die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 kann zum Manipulieren von Ionen in anderen Systemen als Ionenmobilitäts-Driftzellen 2 verwendet werden. Zum Beispiel kann die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 verwendet werden, um Ionen in oder aus einer anderen Art von Vorrichtung zu injizieren oder auszuwerfen.
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Die Driftzelle 2 (oder eine andere Art von Vorrichtung) muss keine Vorrichtung mit geschlossener Schleife sein, um die Ionen geführt werden. Beispielsweise könnte die Ionen-Einlass-/Auslassvorrichtung 4 in einer linearen Vorrichtung verwendet werden. Die Ionen können einmal entlang einer solchen Vorrichtung ohne geschlossene Schleife geführt werden oder mehrfach entlang der Vorrichtung reflektiert werden.
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Die Geometrie der Elektrodenanordnungen 20, 22 kann variiert werden und Anordnungen müssen keine Spalten und Zeilen von Elektroden aufweisen.
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Die Richtung der wandernden Gleichspannungspotentiale in den Elektrodenanordnungen kann geändert werden oder kann mehrere Bewegungsrichtungsoptionen bereitstellen.
