DE112022001146T5

DE112022001146T5 - Ionenoptische Hochdruckvorrichtungen

Info

Publication number: DE112022001146T5
Application number: DE112022001146.7T
Authority: DE
Inventors: Philip Marriott; Alexander Makarov; Eric Wapelhorst
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH; Thermo Electron Manufacturing Ltd
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH; Thermo Electron Manufacturing Ltd
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2024-01-11
Also published as: GB202313727D0; GB202102365D0; WO2022175462A1; GB2618960A; CN116829935A

Abstract

Eine ionenabstoßende Oberfläche umfasst: eine erste Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang einer Achse verteilt sind, die dazu konfiguriert sind, eine erste HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen; und eine zweite Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang der Achse verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von Elektroden mit der ersten Vielzahl von Elektroden verschachtelt ist und dazu konfiguriert ist, eine zweite HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung aufweist. Die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden und die erste und zweite HF-Spannung sind so konfiguriert, dass eine Stärke eines elektrischen Feldes angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche ausreichend ist, damit Ionen Mobilitätsvariation erfahren. Eine ionenoptische Vorrichtung kann von einer derartigen ionenabstoßenden Oberfläche bereitgestellt werden, von der aus ein ionenoptisches System, eine ionenoptische Schnittstelle, ein Massenspektrometer und/oder ein lonenmobilitätsspektrometer in Erwägung gezogen werden kann.

Description

Technisches Gebiet der Offenbarung
Die Offenbarung betrifft ionenoptische Vorrichtungen, ionenabstoßende Oberflächen, ionenoptische Systeme, ionenoptische Multipol-Vorrichtungen und Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer.
Hintergrund der Offenbarung
Diese Offenbarung betrifft die Manipulation und den Einschluss von Ionen bei Atmosphärendruck. Viele technische Offenbarungen, einschließlich Patentdokumente, behaupten, Ionen bei Drücken einzuschließen, die sich dem Atmosphärendruck (der hierin als „Hochdruck“ bezeichnet wird) annähern, ihn einschließen oder sogar überschreiten, unter Verwendung von Pseudopotenzialeffekten aufgrund von Hochfrequenzfeldern (HF).
Insbesondere gehen viele bekannte Ansätze davon aus, dass der Pseudopotenzialeffekt ausreicht, um Ionen bei Drücken nahe Atmosphärendruck einzuschließen, zum Beispiel US-8,362,421 , US-8,835,839 (die auf inhomogenen elektrischen Feldern beruhen, wie in US-5,572,035 beschrieben), Tolmachev et al. Anal. Chem. 86 18 9162-9168 (2014)), WO-2017062102 A1 , US-9,984,861 B2 , US-8,975,578 B2 , US-8,841,611 B2 , US-8,067,747 B2 und US-9,620,346 B 2. Vorrichtungen, wie in diesen Dokumenten beschrieben, schließen Arrays von Elektroden ein, an die gegenüberliegende Phasen von HF angelegt werden (Phasen, die sich um 180 Grad unterscheiden), um lokal an dem Elektrodenarray Feldgradienten zu erstellen, wobei die lonenoszillationen in diesen Regionen des Feldgradienten das Auftreten des Pseudopotenzialeffekts bewirken, der aus einem Nettofeld über jedem Oszillationszyklus (ein Pseudofeld) resultiert, das eine Kraft in Richtung des niedrigeren Feldgradienten ausübt. Vorteilhafterweise wirkt das Pseudofeld auf diese Weise auf Ionen jeder der beiden Ladungspolaritäten. US-8,299,443 B1 und US-9,053,915 B2 führen diesen Ansatz weiter, indem sie versuchen, das Pseudopotenzial durch den Betrieb bei sehr hohen elektrischen Feldstärken zu erhöhen.
Vor dem Hintergrund derartiger Ansätze wird auf Tolmachev et al. (Nucl. Intr. und Meth. in Phys. Res. B 124 (1997) 112-119) verwiesen, worin erläutert wird, dass das Pseudopotenzial bei Atmosphärendruck durch lonengaskollisionen, die die Schwingungsamplitude unterdrücken und die Phasenverschiebung zwischen der lonengeschwindigkeit und Feldschwingungen verändern, stark gedämpft wird. Signifikanterweise wird in US-9,991,108 (Spalte 2, Zeilen 4 bis 9) festgestellt: „Ein effizientes Einfangen von Ionen mit HF-Einschlussfeldern ist jedoch schwierig bei Drücken, die sich Atmosphärendruck annähern, und auch bei sehr niedrigen Drücken, wobei Ionen aufgrund von Kollisionen mit Hintergrundgasmolekülen nicht schnell kinetische Energie verlieren. Im Handel erhältliche Atmosphärendruck-IMS Vorrichtungen verwenden weder HF-Ionenfallen noch HF-Ionenführungen.“
Dies kann darauf hindeuten, dass vorhandene Ansätze zur Nutzung des Pseudopotenzialeffekts, um Ionen bei Atmosphärendruck mit HF-Feldern einzuschließen, in der Praxis nicht so gut funktionieren, wie von ihren Entwicklern vorhergesagt wurde. Der effektive und nützliche Einschluss von Ionen unter Verwendung von HF-Feldern bei hohem Druck stellt eine Herausforderung dar.
Kurzdarstellung der Offenbarung
Vor diesem Hintergrund gibt es eine Anzahl von Ansätzen für den Einschluss von Ionen unter Verwendung von HF-Feldern bei hohem Druck. Diese Ansätze können kombiniert werden und Merkmale und/oder Optionen eines beliebigen Ansatzes können in einem anderen Ansatz problemlos verwendet werden.
In einem Aspekt wird eine Anordnung basierend auf zwei (oder mehr) räumlich getrennten Elektroden zum Empfangen von Ionen in einer Hochdruckumgebung betrachtet. Diese Umgebung kann eine Kammer, ein Gehäuse einschließen oder optional offen sein ohne Gehäuse. HF-Ansteuerspannungen mit einer asymmetrischen Wellenform werden an die Elektroden angelegt. Die an die zwei Elektroden angelegten HF-Ansteuerspannungen weisen die gleichen Ansteuerfrequenzen (zum Beispiel gleiche Grundfrequenz und vorzugsweise gleiche Sekundärfrequenzkomponenten, und weisen unter Umständen die gleiche Amplitude und/oder andere Wellenformeigenschaften auf), aber unterschiedliche Phasen auf. Eine hohe elektrische Feldstärke wird durch die empfangenen Ionen erfahren, die insbesondere ausreichend ist, damit die Ionen eine Mobilitätsvariation erfahren (z. B. mindestens 1 MV/m). Eine Phasendifferenz wird bei mindestens π/2 und in einigen Implementierungen bei mindestens π angenommen. Vorteilhafterweise weist eine Amplitude der asymmetrischen Wellenform ein Integral im Zeitverlauf von im Wesentlichen Null auf. Die asymmetrische Wellenform weist vorzugsweise eine Form auf, die durch eine Summe von zwei oder mehr Cosinusfunktionen definiert ist, obwohl die Form alternativ durch eine Rechteckfunktion oder eine Summe von Rechteckfunktionen definiert sein kann.
Ein hoher Gasdruck kann ausreichend hoch sein, sodass in Kombination mit der einen oder den mehreren HF-Ansteuerfrequenzen die Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Feld und einer Geschwindigkeit der empfangenen Ionen, die das elektrische Feld erfahren, im Wesentlichen Null ist. In Ausführungsformen beträgt der Gasdruck mindestens 10 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 75 kPa, 100 kPa oder Atmosphärendruck (1 atm). Das Gas kann Luft sein.
Die Elektroden können als zwei Sätze von verschachtelten Elektroden ausgebildet sein, wobei eine Phase von HF an alternierende Elektroden und die andere Phase von HF an die Verschachtelungselektroden angelegt wird. Die Elektroden können in der gleichen Ebene sein oder in gegenüberliegenden (parallelen) Ebenen bereitgestellt sein.
Es kann mehr als zwei Sätze von Elektroden geben, die das elektrische Feld generieren. Jeder Satz von Elektroden kann eine asymmetrische HF-Spannung mit der einen oder den mehreren Ansteuerfrequenzen, aber einer anderen Phase als die anderen Sätze von Elektroden, empfangen. In einigen Ausführungsformen können zwei Sätze von Elektroden in einer Ebene bereitgestellt werden und ein anderer Satz (oder Sätze) kann in einer anderen Ebene, zum Beispiel einer parallelen, getrennten Ebene, bereitgestellt werden.
Obwohl den Sätzen von Elektroden HF-Spannungen zugeführt werden und im Allgemeinen nur HF (d. h. keine DC) an die Sätze von Elektroden angelegt wird, können eine oder mehrere weitere Elektroden bereitgestellt werden, an die (nur) eine oder mehrere Gleichspannungen angelegt werden können. Dies kann zum Beispiel den Einschluss von Ionen in anderen Dimensionen unterstützen. Die Elektrode oder Elektroden, an die DC angelegt wird, kann/können sich insbesondere in derartigen Fällen außerhalb der räumlichen Ausdehnung der Sätze von Elektroden befinden.
Ein weiterer Aspekt kann eine ionenabstoßende Oberfläche betrachten, die durch zwei Sätze von Elektroden gebildet wird, vorzugsweise auf einem Substrat, das typischerweise planar ist und im Wesentlichen elektrisch isolierend sein kann. Alternativ können die zwei Sätze von Elektroden durch einen oder mehrere Träger gehalten werden, die in der Nähe der Enden der Elektroden positioniert sind. Jede der Elektroden ist länglich und entlang einer Achse verteilt (zum Beispiel linear oder gekrümmt, wobei die Elektroden im Wesentlichen parallel zu einer linearen Achse sind), alternierend zwischen einer Elektrode von dem ersten Satz und einer Elektrode von dem zweiten Satz. HF-Spannungen mit einer asymmetrischen Wellenform werden an beide Sätze von Elektroden angelegt, wobei sich die Phase zwischen der an den ersten Satz angelegten HF-Spannung und der an den zweiten Satz angelegten HF-Spannung (normalerweise um mindestens π/2) unterscheidet. Die elektrische Feldstärke ist angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche hoch, insbesondere ausreichend, damit die Ionen eine Mobilitätsvariation erfahren (z. B. mindestens 1 MV/m). Die ionenabstoßende Oberfläche kann in einer Umgebung angeordnet sein (die eine Kammer, ein Gehäuse oder einfach offen sein kann), die für den Betrieb bei einem hohen Gasdruck (zum Beispiel mindestens 10 kPa und sogar annähernd an oder bei Atmosphärendruck) und/oder in Luft konfiguriert ist.
Jede der Elektroden (von einem oder mehr als einem Satz) weist typischerweise die gleiche Form, die gleichen Abmessungen und den gleichen Abstand auf. Zusätzlich oder alternativ können eines, einige oder jede der Elektroden (von einem oder mehr als einem Satz) eine oder mehrere einer Reihe von Eigenschaften aufweisen, einschließlich: einer Höhe, die mindestens so groß ist wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden; einer Höhe, die kleiner als eine Dicke des Substrats ist; einer Breite, die mindestens so groß wie oder größer als ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist; einer Breite, die kleiner als 100 µm (oder in einigen Fällen 50 µm) ist; einer Länge in der Verlängerungsrichtung, die mindestens 2, 3, 5, 10, 20, 25 oder 50 Mal so lang ist wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden; und eines Querschnitts (senkrecht zur Verlängerungsrichtung), der eines der Folgenden ist: rechteckig mit abgerundeten Ecken, hemisphärisch; und halbeiförmig. Die Längen in der Verlängerungsrichtung einiger oder jeder der Elektroden (von einem oder mehr als einen Satz) können im Wesentlichen gleich sein.
Jede Elektrode eines Satzes kann an einem Ende mit einem jeweiligen gemeinsamen Leiter (der die geeignete HF-Spannung empfängt) verbunden sein. Der gemeinsame Leiter für einen ersten Satz von Elektroden kann an einem Ende dieses Satzes von Elektroden verbunden sein und der gemeinsame Leiter für einen zweiten Satz von Elektroden kann an dem Ende dieses Satzes von Elektroden, das dem ersten Satz von Elektroden gegenüberliegt, verbunden sein.
Wie vorstehend aufgeführt, wird im Allgemeinen nur HF (d. h. keine DC) an die Sätze von Elektroden angelegt. Es können andere Elektroden bereitgestellt werden, an die (nur) eine DC Spannung angelegt wird. Diese Elektroden können im Wesentlichen planar sein und im Wesentlichen in der gleichen Elektrodenebene liege, an die HF angelegt wird. Zum Beispiel kann eine DC-Elektrode angrenzend an ein erstes Ende der HF-Elektroden (senkrecht zu einer Richtung ihrer Verlängerung) bereitgestellt sein und eine andere DC-Elektrode kann sich angrenzend an das gegenüberliegende Ende der HF-Elektroden befinden. Auf einer Seite des Substrats gegenüber dem, auf dem sich die Sätze von Elektroden befinden, kann eine leitfähige Rückwandplatine bereitgestellt sein. Eine Gleichspannung kann an die leitfähige Rückwandplatine angelegt werden.
Es kann mehr als zwei Sätze von Elektroden geben, die das elektrische Feld generieren (z. B. wie vorstehend unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt erörtert). Zum Beispiel können zwei andere Sätze von Elektroden (dritter und vierter Satz von Elektroden), ähnlich dem ersten und dem zweiten Satz von Elektroden, wie vorstehend erörtert, entlang einer zweiten Achse verteilt sein (zum Beispiel einer Verlängerung der ersten Achse oder parallel dazu), alternierend zwischen einer Elektrode von dem dritten Satz und einer Elektrode von dem vierten Satz. HF-Spannungen mit einer asymmetrischen Wellenform werden an den dritten und den vierten Satz von Elektroden angelegt, wobei sich die Phase zwischen den HF-Spannungen unterscheidet, die an jeden des ersten, zweiten, dritten und vierten Satzes angelegt werden.
In einem anderen Aspekt kann eine ionenoptische Vorrichtung (wie eine lonenführung, lonenspeichervorrichtung, lonenfalle, Kollisionszelle oder dergleichen) betrachtet werden, die eine ionenabstoßende Oberfläche, wie hierin beschrieben, umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst die ionenoptische Vorrichtung ferner eine Plattenelektrode, die räumlich getrennt von (und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu) der ionenabstoßenden Oberfläche ist, um einen lonenkanal zwischen der ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode zu definieren. An die Plattenelektrode kann eine Gleichspannung oder eine HF-Spannung mit einem zeitinvarianten Potenzialoffset angelegt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann die ionenabstoßende Oberfläche eine erste ionenabstoßende Oberfläche sein und die ionenoptische Vorrichtung kann ferner eine zweite ionenabstoßende Oberfläche umfassen, wie hierin beschrieben, die von der ersten ionenabstoßenden Oberfläche räumlich getrennt ist, um einen oder mehrere lonenkanäle zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche zu definieren. Die Elektroden der zwei ionenabstoßenden Oberflächen können einander gegenüberliegen und aneinander ausgerichtet sein. Die an Elektroden der ionenabstoßenden Oberflächen angelegten HF-Spannungen können gleich sein (mindestens in der Größenordnung). Diese Merkmale können auch dort gelten, wo jede ionenabstoßende Oberfläche mehr als zwei Sätze von Elektroden aufweist.
In einigen Ausführungsformen sind die Achsen der ionenabstoßenden Oberfläche (oder Oberflächen) linear. Alternativ können die Achsen der ionenabstoßenden Oberfläche (oder Oberflächen) gekrümmt sein, beispielsweise kreisförmig. In diesem Fall definiert der lonenkanal einen kreisförmigen Flugweg, damit Ionen durch ihn hindurchwandern (oder lonenkanäle können mehrere kreisförmige Flugwege definieren, damit Ionen durch sie hindurchwandern).
Für die ionenoptische Vorrichtung gemäß einer beliebigen Ausführungsform kann die Frequenz der HF-Spannungen so gewählt werden, dass lonenschwingungsamplituden kleiner als ein erheblicher Bruchteil einer Breite des lonenkanals sind.
Die ionenoptische Vorrichtung kann mehr als einen lonenkanal aufweisen. Zum Beispiel kann eine Plattenelektrode verwendet werden, um zwischen zwei ionenabstoßenden Oberflächen zu trennen, wodurch ein jeweiliger lonenkanal zwischen jeder ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode definiert wird. In diesem Fall kann die Polarität der asymmetrischen Wellenform der HF-Spannungen, die an die zwei abstoßenden Oberflächen angelegt werden, entgegengesetzt sein. In einem anderen Beispiel kann jede ionenabstoßende Oberfläche vier Sätze von Elektroden aufweisen, wobei zwei Sätze von Elektroden entlang einer Länge der jeweiligen Achse und zwei Sätze von Elektroden entlang einer anderen Länge der jeweiligen Achse angeordnet sind. Die an die ersten zwei Sätze von Elektroden angelegte HF-Spannung kann eine entgegengesetzte Polarität zu derjenigen aufweisen, die an die anderen zwei Sätze von Elektroden angelegt wird. Jede Ausführungsform mit zwei lonenkanälen, an die HF-Spannungen von entgegengesetzter Polarität angelegt werden, kann somit in der Lage sein, Ionen mit unterschiedlichen lonenmobilitätstypen zu handhaben. Ein vorgelagerter FAIMS-Separator kann verwendet werden, um Ionen unterschiedlicher lonenmobilitätstypen zu trennen, bevor die Ionen zu dem geeigneten lonenkanal der ionenoptischen Vorrichtung überführt werden.
Eine Transportsteuerung kann eine Bewegung von Ionen innerhalb des oder jedes lonenkanals induzieren, indem sie eines oder mehrere der Folgenden steuert: (i) Anlegen von zeitinvarianten Potenzialen, um ein stationäres elektrisches Feld entlang einer Länge des oder jedes lonenkanals zu erstellen; (ii) Gasstrom entlang der Länge des oder jedes lonenkanals; und (iii) Anlegen von Wanderwellenpotenzialen, um ein sich bewegendes elektrisches Feld entlang der Länge des oder jedes lonenkanals zu erstellen. Die Transportsteuerung kann das Anlegen von Potenzialen an eine der Elektroden steuern, an die HF-Spannungen angelegt werden, und/oder Zusatzelektroden, die jeweils zwischen den Elektroden positioniert sind, an die HF-Spannungen angelegt werden.
In einem weiteren Aspekt kann ein ionenoptisches System betrachtet werden, das Folgendes umfasst: eine ionenoptische Vorrichtung, wie sie hierin offenbart und dazu konfiguriert ist, Ionen zu empfangen. Das ionenoptische System kann ferner mindestens eine Gating-Elektrode einschließen. Eine Gleichstromversorgung kann selektiv dazu konfiguriert sein, der Gating-Elektrode (oder den -Elektroden) ein Gleichspannungspotenzial bereitzustellen, um den Transfer von Ionen aus der HFlonenführung zu einer Ausgabevorrichtung (zum Beispiel einer anderen ionenoptischen Vorrichtung) zu bewirken. Eine Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche oder einer Plattenelektrode kann es ermöglichen, dass Ionen durch sie hindurchwandern, wobei die Ausgabevorrichtung Ionen über die Öffnung empfängt. Zum Beispiel kann die Gating-Elektrode in der Nähe der Öffnung auf einer oder angrenzend an eine ionenabstoßende(n) Oberfläche (zum Beispiel auf dem Substrat) positioniert sein. Es können mehrere Gating-Elektroden verwendet werden, wobei beispielsweise eine auf der oder angrenzend an die ionenoptische(n) Vorrichtung positioniert ist und die andere auf der oder angrenzend an die Ausgabevorrichtung positioniert ist. Es können zwei unterschiedliche DC-Gating-Potenziale an die Gating-Elektroden angelegt werden, um beispielsweise zu bewirken, dass Ionen von der ersten ionenoptischen Vorrichtung durch die Öffnung und zu einer anderen ionenoptischen Vorrichtung wandern. Die zweite ionenoptische Vorrichtung kann parallel zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert sein, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine erste Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung eine zweite Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche aufweist, um Ionen zu empfangen. Alternativ kann die zweite ionenoptische Vorrichtung senkrecht zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert sein, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung so positioniert ist, dass Ionen durch die Öffnung wandern und an einem Ende eines lonenkanals der zweiten ionenoptischen Vorrichtung empfangen werden können.
Ein weiterer Aspekt kann in einem ionenoptischen System festgestellt werden, das eine Vielzahl von HF-Ionenführungen umfasst, wobei jede der Vielzahl von HFlonenführungen durch eine ionenoptische Vorrichtung gebildet ist, wie hierin offenbart.
In einem Beispiel eines ionenoptischen Systems kann jede von mehreren ionenoptischen Vorrichtungen eine oder mehrere ionenabstoßende Oberflächen umfassen, die jeweils eine jeweilige Kreisachse für die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden aufweisen. Mit anderen Worten kann der lonenkanal für jede ionenoptische Vorrichtung einen jeweiligen kreisförmigen Flugweg definieren, damit Ionen durch ihn hindurchwandern.
Zum Beispiel kann die Vielzahl von HF-Ionenführungen zwei ionenoptische Vorrichtungen aufweisen, die jeweils Kreisachsen in jeweiligen Ebenen aufweisen, jedoch mit unterschiedlichen (d. h. versetzten) Zentren, sodass sich die Achsen überlappen. Insbesondere können sich die Achsen in parallelen Ebenen befinden. Die lonentransferoptik kann Ionen zwischen den ionenoptischen Vorrichtungen in die Region überführen, in der sich die Achsen überlappen. In einem anderen Beispiel können vier ionenoptische Vorrichtungen jeweils Kreisachsen aufweisen. Die Achsen eines ersten Vorrichtungspaares (d. h. zwei Vorrichtungen) können konzentrisch, aber mit unterschiedlichem Radius sein (und vorteilhafterweise in derselben Ebene liegen). In ähnlicher Weise können die Achsen eines zweiten Vorrichtungspaares konzentrisch sein, aber von der axialen Mitte des ersten Paares versetzt sein (und vorteilhafterweise in einer Ebene parallel zur axialen Ebene des ersten Paares). Die axialen Radien des zweiten Paares entsprechen denen des ersten Paares, sodass die Achse mit dem kleineren Radius des einen Paares mit der Achse mit dem größeren Radius des anderen Paares überlappt. Die lonentransferoptik kann Ionen zwischen den HF-Ionenführungen in Regionen überführen, in denen sich ihre Achsen überlappen.
Ein noch weiterer Aspekt kann in einem Massenspektrometer betrachtet werden, das ein ionenoptisches System, wie hierin offenbart, umfasst. Das Massenspektrometer kann ferner mindestens eine ionenoptische Verarbeitungsvorrichtung umfassen, die dazu konfiguriert ist, Ionen von dem ionenoptischen System zu empfangen.
Ein weiterer Aspekt kann in einer ionenoptischen Schnittstelle zwischen zwei Teilen eines Massenspektrometriesystems festgestellt werden, in dem eine HF-Ionenführung aus einer ionenoptischen Vorrichtung oder einem ionenoptischen System, wie hierin offenbart, gebildet ist. Ionen werden an einem Ende der HF-Ionenführung empfangen und am gegenüberliegenden Ende der HF-Ionenführung ausgegeben. Zum Beispiel können Ionen von einer lonenquelle oder einem anderen Teil bei Atmosphärendruck empfangen werden.
Die Schnittstelle kann an einen unterhalb von Atmosphärendruck arbeitenden Teil ausgeben. Dieser Aspekt kann ferner in einem Massenspektrometer oder lonenmobilitätsspektrometer festgestellt werden, das eine lonenquelle (vom APCI-, APPI-, ESI-, EI-, Cl-, ICP- oder MALDI-Typ, beispielsweise optional mit einem lonenstrom von mindestens 5 nA), eine ionenoptische Schnittstelle wie hierin beschrieben und ein lonenverarbeitungssystem (zum Beispiel einen lonenmobilitätsanalysator) umfasst. Zwischen der lonenquelle und der ionenoptischen Schnittstelle kann ein Beschleunigungspotenzial angelegt werden. Die Temperatur der HF-Ionenführung in der Schnittstelle kann höher sein als die der lonenquelle. Es kann ein lonenmobilitätsspektrometer betrachtet werden, das einen lonenmobilitätsanalysator umfasst, der aus einer ionenoptischen Vorrichtung, wie hierin beschrieben, gebildet ist.
Es kann eine ionenoptische Multipol-Vorrichtung bereitgestellt werden. Zwei einander gegenüberliegende Vielzahlen von Elektroden (von denen beispielsweise jede entlang einer jeweiligen Achse bereitgestellt ist, wobei die beiden Achsen parallel sind) können einen lonenkanal zwischen sich definieren, der typischerweise entlang der jeweiligen Achsen gleichmäßig beabstandet ist. Wie vorstehend erörtert, können den Elektroden asymmetrische HF-Spannungen bereitgestellt werden, wobei aneinander angrenzende Elektroden HF-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen empfangen. Im Allgemeinen wird nur HF (d. h. keine DC) an die einander gegenüberliegenden Elektroden angelegt. Es kann ein elektrisches Feld mit hoher Stärke (ausreichend, damit die Ionen eine Mobilitätsvariation, z. B. mindestens 1 MV/m, erfahren) im lonenkanal gebildet werden. Dadurch können Ionen eingefangen werden. Vorzugsweise wird ein hoher Gasdruck verwendet (zum Beispiel mindestens 10 kPa), sodass zwischen dem elektrischen Feld und der lonengeschwindigkeit im Wesentlichen eine Nullphasenverschiebung vorliegt. Ein Verhältnis einer positiven zu negativen Spitzenspannungen der HF-Spannungen (oder ein Verhältnis von negativen zu positiven Spitzenspannungen der HF-Spannungen, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Polarität der Wellenform) weist vorzugsweise eine Größenordnung von mindestens 2 auf.
Eine einfache Falle kann eine Phasendifferenz zwischen aneinander angrenzenden Elektroden von etwa π (180 Grad) aufweisen. Mit anderen Worten, diese Phasendifferenz zwischen aneinander angrenzenden Elektroden auf derselben Achse und aneinander angrenzenden Elektroden zwischen den beiden Achsen.
Eine komplexere, mehrpolige Konfiguration kann beinhalten, dass die Elektroden gruppiert sind, sodass aneinander angrenzende Elektroden innerhalb der Gruppe (und zwischen Gruppen) HF-Spannungen derselben Wellenform (Frequenz oder Frequenzen) und mit einer Phase empfangen, die sich um 2π dividiert durch die Anzahl der Elektroden in der Gruppe unterscheidet. Zum Beispiel kann eine Gruppe von vier Elektroden, wobei sich die Phase um ungefähr π/2 (90 Grad) zwischen aneinander angrenzenden Elektroden unterscheidet, eine ionenoptische Quadrupol-Vorrichtung bereitstellen. In ähnlicher Weise kann eine Gruppe von drei Elektroden, wobei die Phase sich um etwa 2π/3 (120 Grad) zwischen aneinander angrenzenden Elektroden unterscheidet, eine ionenoptische Tripol-Vorrichtung bereitstellen. Es sollte beachtet werden, dass, wenn mehrere Gruppen von Elektroden bereitgestellt werden, zwischen aneinander angrenzenden Elektroden von zwei unterschiedlichen Gruppen die gleiche Phasendifferenz ebenso gelten sollte wie zwischen aneinander angrenzenden Elektroden innerhalb der Gruppe. Somit kann eine Wiederholungseinheit von sechs Elektroden ebenfalls ein Array von Tripol-Fallen definieren.
Zwei aneinander angrenzende Multipol-Fallen in derselben ionenoptischen Vorrichtung können mit HF-Spannungen mit entgegengesetzter Polarität (wobei sich Polarität auf die Polarität der Durchschnittsspannung und/oder höheren Spitzenspannung über einen Zyklus der asymmetrischen Wellenform bezieht) bereitgestellt werden. Auf diese Weise können Ionen unterschiedlicher Mobilitätstypen in derselben ionenoptischen Vorrichtung eingefangen werden. Ein vorgelagerter lonenmobilitäts-Separator kann verwendet werden, um den beiden Fallen Ionen bereitzustellen.
Ionen können innerhalb und/oder Fallen durch unterschiedliche Ansätze transportiert werden, die (zum Beispiel durch eine Steuerung) gesteuert werden können. In einem Ansatz kann ein stationäres elektrisches Feld an die Elektroden angelegt werden, beispielsweise durch Vorspannen der Elektroden (und/oder Zusatzelektroden) mit zeitinvarianten Spannungen einer monoton variierenden Größenordnung (um einen Spannungsgradienten zu generieren). Das Ändern der Vorspannung kann eine Trennung von Ionen nach ihrer Masse und/oder Mobilität ermöglichen. In einem anderen Ansatz kann ein Gas durch das Array strömen (wobei die Durchflussrate so eingestellt ist, dass der Transport von Ionen einer minimalen Masse und/oder einer maximalen Mobilität bewirkt wird, wodurch ein lonenmassen- oder Mobilitätsfilter ermöglicht wird). Der Gasstrom kann auch den Transport von Ionen in einer Richtung senkrecht zu derjenigen, entlang der die Elektroden angeordnet sind, ermöglichen. Ein weiterer Ansatz kann im Anlegen eines zeitlich variierenden Satzes von Spannungen an die Elektroden bestehen, um eine Wanderwelle zu erzeugen. Dann kann ein elektrisches Feld, das sich über das Array bewegt, hervorgerufen werden.
Unter Verwendung dieser Ansätze kann die ionenoptische Vorrichtung als eines oder mehrere fungieren von: einem Massenfilter; einem Massenanalysator; einem lonenmobilitätsfilter; einem lonenmobilitätsanalysator; und einer Driftröhre. Es kann auch ein Massenspektrometer oder ein lonenmobilitätsspektrometer realisiert werden.
Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer Einrichtung, einer Vorrichtung, eines Systems oder eines Instruments (zum Beispiel Spektrometer) werden ebenfalls bereitgestellt. Dieses kann Schritte aufweisen, die denen eines der jeweiligen hierin offenbarten Produkte entsprechen (zum Beispiel Bereitstellen und/oder Konfigurieren der Merkmale des Produkts).
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann vielerlei Art und Weise praktisch umgesetzt werden, und bevorzugte Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft anhand der dazugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein erstes Beispiel einer asymmetrischen Wellenform zeigt;
2 ein zweites Beispiel einer asymmetrischen Wellenform zeigt;
3 Diagramme darstellt, die ein Verhältnis von hoher Feldmobilität zu niedriger Feldmobilität gegen die elektrische Feldstärke für drei verschiedene Typen von Ionen zeigen;
4A schematisch einen Abschnitt eines Arrays von Streifenelektroden darstellt;
4B Spannungswellenformen zeigt, die an entsprechende Elektroden in 4A angelegt werden;
5A einen Konturverlauf des Pseudopotenzials im Vakuum innerhalb der Struktur von 4A für ein Ion von 100 Da zeigt;
5B einen Konturverlauf des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur innerhalb der Struktur von 4A für ein Ion von 100 Da zeigt;
5C einen Konturverlauf des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur innerhalb der Struktur von 4A für ein Ion von 1000 Da zeigt;
6 Diagramme der lonenmobilität gegen die elektrische Feldstärke für Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ A und C darstellt;
die 7A und 7B Konturverläufe des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für ein Ion der gleichen Masse und Ladung, jedoch mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C (7A) und der Mobilitätsvarianz vom Typ A (7B) zeigen;
7C einen Konturverlauf des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für ein Ion der gleichen Masse, Ladung und Mobilitätsvarianz wie in 7B zeigt, das aber unter Verwendung einer ,durchschnittlichen' lonenflugbahn berechnet wird;
8A schematisch eine Elektrodenstruktur mit Testlinien zeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird;
die 8B und 8C Pseudopotenzial gegen Position x bei y=0 und gegen Position y bei x=0 entlang der Testlinien von 8A für einfach geladene Ionen von 100 Da (8B) und 1000 Da (8C) zeigen;
die 8D und 8E das Pseudopotenzial gegen die Positionen x und y entlang der zwei Testlinien von 8A für Ionen der Masse 100 Da (8D) und Ionen der Masse 1000 Da (8E) mit einer Spannung einer höheren Größenordnung auftragen;
8F ein Substrat mit zwei verschachtelten Gruppen von darauf ausgebildeten Elektroden veranschaulicht;
9A ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Elektrodenarrays und einer parallelen flachen Plattenelektrode im Raum x-y zeigt;
9B Spannungswellenformen, die an die Elektroden von 9A angelegt werden, aufträgt;
10A eine durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform von 9B berechnet wird, die auf das Elektrodenarray von 9A angelegt wird;
10B einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 9A im Raum x-y mit Testlinien zeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird;
10C Diagramme eines effektiven Potenzials gegen den Abstand entlang der Testlinien von 10B für einfach geladene Ionen von 100 Da zeigt;
10D Diagramme eines effektiven Potenzials gegen den Abstand entlang der Testlinien von 10B für einfach geladene Ionen von 1000 Da zeigt;
11A einen Konturverlauf des effektiven Potenzials im Raum x-y für Ionen vom Typ C von 10C zeigt;
11B einen Konturverlauf des effektiven Potenzials im Raum x-y für Ionen vom Typ C von 10D zeigt;
11C ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Spektrometriesystems gemäß der Offenbarung zeigt;
11D ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Spektrometriesystems gemäß der Offenbarung zeigt;
11 E ein schematisches Blockdiagramm eines dritten Spektrometriesystems gemäß der Offenbarung zeigt;
12A eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von zwei parallelen Arrays von Streifenelektroden auf einem Substrat und mit einer flachen Plattenelektrode, die zwischen den Arrays positioniert ist, veranschaulicht;
12B einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 12A mit Testlinien veranschaulicht;
die 12C und 12D Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position y entlang der Testlinien von 12B für einfach geladene Ionen zeigen;
13A eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Arrays von Streifenelektroden zeigt, die Multipole auf einem Substrat und mit einer flachen Plattenelektrode bilden;
13B die Spannungswellenformen, die auf die Streifenelektroden von 13A angelegt werden, aufträgt;
14A einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 13A im Raum x-y mit Testlinien zeigt;
die 14B und 14C Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position y entlang der Testlinien von 14A für einfach geladene Ionen zeigen;
15A einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 13A mit Testlinien zeigt;
15B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position x entlang der Testlinien von 15A zeigt,
16A eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von ersten und zweiten Arrays von Streifenelektroden zeigt, die Multipole auf jeweiligen einander gegenüberliegenden Substraten bilden;
16B Spannungswellenformen aufträgt, die an die Streifenelektroden von 16A angelegt werden;
16C einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 16A mit Testlinien zeigt;
16D einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 16A mit einer weiteren Testlinie zeigt;
die 16E und 16F Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position y entlang der Testlinien von 16C für einfach geladene Ionen zeigen;
16G Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position x entlang der Testlinie von 16D für einfach geladene Ionen zeigt;
17 ein schematisches Diagramm eines ersten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen darstellt;
18 ein schematisches Diagramm eines zweiten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen zeigt;
19 effektive Potenzialverteilungen für den Energieschub veranschaulicht, um den Transfer zwischen zwei lonenführungen bei demselben Spannungsoffset zu ermöglichen;
20 ein schematisches Diagramm eines dritten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen zeigt;
21 ein schematisches Diagramm eines vierten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen zeigt;
die 22A und 22B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position zeigen, die durch die Ionen entlang der beiden Testlinien A und B für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (22A) und 1000 Da (22B) erfahren wird;
22C eine durchschnittliche lonenflugbahn veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform von 2 berechnet wird, die mit 2-facher Phasenaufteilung an das Elektrodenarray von 8 angelegt wird;
23A schematisch eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Elektrodenstruktur im Raum x-y zeigt;
23B die Spannungswellenformen über einen Zyklus einer Grundfrequenz und Phasen zeigt, die an entsprechende Elektroden in 23A angelegt werden;
23C eine durchschnittliche lonenflugbahn veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform mit negativer Polarität von 23B berechnet wird, die mit vierfacher Phasenaufteilung an das Elektrodenarray von 23A angelegt wird;
24 ein Vektorfeld-Diagramm des Netto- oder des effektiven elektrischen Feldes veranschaulicht, das in jedem Zyklus durch Ionen vom Typ C der Masse 100 Da in der Elektrodenstruktur von 23A erfahren wurde, wenn die Spannungswellenformen von 23B angelegt werden;
die 25A und 25B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position zeigen, die durch Ionen entlang der zwei Testlinien von 8A in der Elektrodenstruktur von 23A erfahren wird, wenn Spannungswellenformen mit negativer Polarität von 23B für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (25A) und 1000 Da (25B) angelegt werden;
26 eine durchschnittliche lonenflugbahn veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform mit positiver Polarität von 23B berechnet wird, die auf das Elektrodenarray von 23A angelegt wird;
die 27A und 27B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position zeigen, das durch Ionen entlang der zwei Testlinien von 8A erfahren wird, wenn Spannungswellenformen mit positiver Polarität von 23B für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (27A) und 1000 Da (27B) angelegt werden;
28A die Spannungswellenformen über einen Zyklus einer Grundfrequenz darstellt, aufgeteilt in vier Phasen, die an entsprechende Elektroden in 23A angelegt werden;
28B schematisch eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Elektrodenstruktur von 23A mit einer Testlinie zeigt, um anzugeben, wo ein effektives Potenzial berechnet wird;
die 29A und 29B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position x zeigen, die durch Ionen entlang der Testlinie von 28B erfahren wird, wenn die in 28A gezeigten Potenziale angelegt werden;
die 30A und 30B Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position zeigen, die durch Ionen entlang der Testlinien von 8A erfahren wird, wenn Cosinus-HF-Spannungswellenformen mit drei Termen, mit negativer Polarität, an die Elektroden von 23A angelegt werden;
30C Diagramme eines effektiven Potenzials gegen die Position x zeigt, die durch Ionen entlang der Testlinie von 28B erfahren wird, wenn Cosinus-HF-Spannungswellenformen mit drei Termen, mit negativer Polarität, an die Elektroden von 23A angelegt werden;
31A ein Diagramm einer zeitinvarianten axialen elektrischen Feldstärke gegen die Position x in dem Elektrodenarray von 23A darstellt, wenn an die Elektroden entlang des Arrays eine zeitinvariante Spannung angelegt wird;
31B ein Diagramm eines axialen zurückgelegten Abstands gegen die Zeit für durchschnittliche Ionen vom Typ C mit unterschiedlicher Masse zeigt, wenn beide HF-Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung und ein zeitinvariantes Potenzial mit niedrigerer Spannung an das Elektrodenarray von 23A angelegt werden;
31C ein Diagramm eines axialen zurückgelegten Abstands gegen die Zeit für durchschnittliche Ionen vom Typ C mit unterschiedlicher Masse zeigt, wenn beide HF-Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung und ein zeitinvariantes Potenzial mit höherer Spannung an das Elektrodenarray von 23A angelegt werden;
31D Diagramme der axialen lonengeschwindigkeit gegen Masse, Mobilität und Kollisionsquerschnitt in der Elektrodenstruktur von 23A zeigt;
32A ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Elektrodenanordnung von 23A mit einem angelegten Gasstrom zeigt;
32B Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit gegen Masse, Mobilität und Kollisionsquerschnitt in der Elektrodenstruktur von 23A mit einem Gasstrom zeigt, der mit einer Geschwindigkeit von 22 m/s in der positiven x-Richtung angelegt ist;
33A eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Arrays von Tripolen darstellt, die aus Streifenelektroden auf ausgerichteten einander gegenüberliegenden Substraten gebildet sind;
33B die Spannungswellenformen über einen Zyklus der Grundfrequenz und Phasen zeigt, die an entsprechende Elektroden in 33A angelegt werden;
33C eine durchschnittliche lonenflugbahn für ein einzelnes Ion aufträgt, das über einen Zyklus der Spannungswellenform mit negativer Polarität von 33B berechnet wird;
33D durchschnittliche lonenflugbahnen für Ionen unterschiedlicher Massen aufträgt, die über einen Zyklus der Spannungswellenform mit negativer Polarität von 33B berechnet wird;
34 ein Vektorfeld eines effektiven elektrischen Feldes aufträgt, das in jedem Zyklus durch Ionen vom Typ C der Masse 100 Da erfahren wird, wenn Wellenformen gemäß 33B an die in 33A gezeigte Elektrodenanordnung angelegt werden;
35 ein effektives Potenzial gegen die Position y entlang einer Testlinie für Ionen unterschiedlicher Mobilitätstypen aufträgt, wenn Wellenformen gemäß 33B an die in 33A gezeigte Elektrodenanordnung angelegt werden;
36A ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Tripol-Elektrodenanordnung von 33A mit einem angelegten Gasstrom zeigt, der eine Geschwindigkeit von 20 m/s in der positiven x-Richtung aufweist;
36B Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit gegen Masse, Mobilität und Kollisionsquerschnitt in der Elektrodenstruktur von 33A unter den Bedingungen von 36A zeigt;
37A ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Tripol-Elektrodenanordnung von 33A mit einem angelegten Gasstrom zeigt, der eine Geschwindigkeit von 25 m/s in der positiven x-Richtung aufweist; und
37B Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit gegen Masse, Mobilität und Kollisionsquerschnitt in der Elektrodenstruktur von 33A unter den Bedingungen von 37A zeigt.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ansätze gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessern die lonenabstoßung und den loneneinschluss bei hohem Druck unter Verwendung eines differenziellen Mobilitätseffekts. Vorhandene Ansätze legen nahe, dass lonenabstoßung und loneneinschluss aufgrund eines Pseudopotenzialeffekts bei hohem Druck erreicht werden können. Es wurde jedoch erkannt, dass die Größenordnung dieses Effekts viel kleiner ist als zuvor erwartet.
Dies kann deshalb der Fall sein, weil lonenbewegung in Gas bei Drücken, die sich Atmosphärendruck (der hierin als „hoher Druck“ bezeichnet wird) annähern, ihn einschließen und überschreiten, aufgrund von lonen-Gasmolekülkollisionen stark gedämpft wird. Die Dämpfung schränkt die Amplitude von Schwingungen ein, der Ionen in HF-Feldern, die an mehrpolige Strukturen angelegt werden, ausgesetzt sind. Pseudopotenzialeffekte beruhen darauf, dass die lonenschwingungen die Ionen aufgrund des Feldgradienten in höhere Feldregionen hinein- und aus ihnen herausnehmen, und die Unterdrückung der lonenschwingungsamplituden durch lonen-Gasmolekülkollisionen den Pseudopotenzialeffekt bei hohen Drücken erheblich verringert. Ein zweiter Effekt der lonen-Gasmolekülkollisionen bei hohem Druck besteht darin, dass die Phasenverschiebung zwischen der lonengeschwindigkeitsschwingung und der Schwingung des elektrischen Feldes von einer Verschiebung von annähernd -π/2 im Vakuum zu einer Verschiebung, die in Hochdruckgas gegen Null tendiert, verändert wird. Diese Phasenverschiebung unterdrückt auch den Pseudopotenzialeffekt, wobei das Nettofeld, das ein Ion über den Oszillationszyklus erfährt, gegen Null tendiert, wenn die Phasenverschiebung gegen Null tendiert.
Diese Probleme mit dem Pseudopotenzialeffekt werden zunächst erörtert, bevor die größere Größenordnung eines differenziellen Mobilitätseffekts und die Kombination dieser beiden Effekte festgestellt werden, um die lonenabstoßung und den loneneinschluss bei hohem Druck zu verbessern.
Pseudopotenzialeffekte in Gas
Vorhandene Vorrichtungen, einschließlich Multipolen und planarer Multielektrodenstrukturen, werden mit angelegten Spannungen einer sinusförmigen Wellenform angesteuert. Sie nutzen Pseudopotenzialgradienten, um Ionen einzuschließen. Solche Gradienten werden manchmal auch als quasi-Potenziale oder effektive Potenziale bezeichnet. Hierin werden sie als Pseudopotenziale bezeichnet.
Pseudopotenzial im Vakuum wird durch die nachstehende Gleichung (1) beschrieben, wobei E₀ das elektrische Spitzenfeld des Oszillationszyklus ist, ω = 2πf und f die Ansteuerfrequenz ist, q die Ladung auf dem Ion ist und m die Ionenmasse ist. Eine Pseudopotenzialbarriere erfordert einen Feldgradienten und nutzt keine Varianz in der lonenmobilität, die ein Ion besitzen könnte. Zur Vereinfachung und gemäß der Verwendung des Begriffs in vielen vorhandenen Veröffentlichungen wird der Begriff „Pseudopotenzialeffekt“ hierin als Effekt eines symmetrisch oszillierenden elektrischen Feldes auf ein Ion verwendet, das einen Feldgradienten aufweist, was jedoch nicht das Vorhandensein einer geschwindigkeitsabhängigen Mobilitätsvarianz erfordert und keinen Vorteil daraus zieht. Der Feldgradient ist erforderlich, sodass die Differenz im Feld, die das Ion beim Schwingen erfährt, ein elektrisches Nettofeld über jeden Oszillationszyklus bereitstellt, von dem der Pseudopotenzialgradient abgeleitet wird. $V = \frac{q}{m} \cdot \frac{| E_{0}^{2} |}{4 \cdot ω^{2}}$
Der Pseudopotenzialeffekt wird in Gegenwart eines dichten Gases gedämpft. Die Dämpfung hängt von der Kollisionsrate und dem Energieverlust des Ions aufgrund der Kollisionen mit Gasmolekülen ab. Tolmachev et al. (Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 124 (1997) 112-119) leiteten einen Faktor γ ab, der auf das Pseudopotenzial im Vakuum anzuwenden ist, um das Pseudopotenzial im Gas zu erhalten (nachstehende Gleichung (2)), unter der Annahme, dass die lonengeschwindigkeit niedrig war, sodass τ nicht von der lonengeschwindigkeit abhängig ist: $γ = \frac{ω^{2} \cdot τ^{2}}{1 + ω^{2} \cdot τ^{2}}$
wobei τ die Relaxationszeit des jeweiligen Ions im Gas ist. Die Relaxationszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um das Ion von einer Anfangsgeschwindigkeit im Gas um einen Faktor 1/e zu verlangsamen. (Dies ist nicht die mittlere Zeit zwischen Kollisionen, wie in einigen Veröffentlichungen manchmal falsch angegeben ist.) In einem Gas wird das Pseudopotenzial dann durch die Gleichung (3) gegeben: $V = \frac{ω^{2} \cdot τ^{2}}{1 + ω^{2} \cdot τ^{2}} \cdot \frac{q}{m} \cdot \frac{| E_{0}^{2} |}{4 \cdot ω^{2}}$
Die Relaxationszeit wird mit der Mobilität des Ions, µ, durch die Gleichung (4) in Beziehung gesetzt: $τ = \frac{m}{q} \cdot μ$
Die vorstehende Gleichung (4) gilt insbesondere als gültig unter Bedingungen, bei denen die lonengeschwindigkeit kleiner bleibt als die Maxwellsche durchschnittliche thermische Geschwindigkeit der Gasmoleküle, die etwa das 1,35-fache der Schallgeschwindigkeit im Gas beträgt. Solche Bedingungen herrschen in praktischen Ausführungsformen und den hierin dargestellten Simulationsergebnissen (vorbehaltlich der Mobilitätsvarianz, was eine Variation in der Relaxationszeit bewirkt, wie nachstehend erörtert).
Die Mobilität ist druckabhängig. Die Dämpfung des Pseudopotenzials ist daher auch druckabhängig.
Bei hohen lonengeschwindigkeiten ist die Relaxationszeit nicht konstant, sondern abhängig von der Geschwindigkeit des Ions, da die Mobilität variiert, wenn sich diese Geschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit im Gas annähert. Der Dämpfungsfaktor γ variiert daher auch unter diesen Bedingungen.
Die Dämpfung ist teilweise auf die kleinere lonenschwingungsamplitude aufgrund des Dämpfungseffekts des Gases zurückzuführen, die das Ion über einen kleineren Feldgradienten führt, und teilweise auch darauf, dass die Phasendifferenz zwischen der lonengeschwindigkeit und dem elektrischen Feld wegen häufiger Kollisionen abnimmt. Bei niedrigen Drücken nähert sich die Phasendifferenz -π/2 an; in einem dichten Gas tendiert die Phasendifferenz bei niedrigen Ansteuerfrequenzen gegen Null. Wenn die Phasendifferenz -π/2 ist, liegt der Pseudopotenzialeffekt auf seinem Maximum; wenn die Phasenverschiebung gleich Null ist, liegt kein Pseudopotenzialeffekt vor. Die Phasendifferenz hängt unter anderem von der Dichte des Gases und auch von der Ansteuerfrequenz ab.
Pseudopotenzialplateau in Abhängigkeit von der Frequenz
In einem dichten Gas bei ausreichend niedrigen Ansteuerfrequenzen, wobei ω²τ² << 1, γ ∼ ω²τ². Mit dieser vorstehenden Näherung und Gleichung (4) wird die vorstehende Gleichung (3) dann durch die Gleichung (5) beschrieben, und das Pseudopotenzial wird als unabhängig von der Ansteuerfrequenz betrachtet. Dies ist das maximale Pseudopotenzial, das für jede Frequenz für das betreffende Ion in Hochdruck-Gas abgeleitet werden kann. Bei höheren Ansteuerfrequenzen fällt das Pseudopotenzial infolge des Terms 1/ω² ab. Nachdem das in Gleichung (5) beschriebene Regime vorliegt, führt das Absenken der Ansteuerfrequenz nicht zu einem größeren Pseudopotenzial, sondern erzeugt größere lonenschwingungsamplituden. $V = \frac{m}{q} \cdot μ^{2} \cdot \frac{| E_{0}^{2} |}{4}$
Es ist zu beachten, dass in Gleichung (5) q/m im Vergleich zu dem Vakuumregime der vorstehenden Gleichung (1) invertiert ist. Die Gleichung (5) zeigt, dass das Pseudopotenzial dem Produkt des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses und der Mobilität im Quadrat folgt und nicht q/m folgt, wie im Vakuum (Gleichung (1)). Das Produkt aus Masse-zu-Ladung-Verhältnis und Mobilität variiert über den Massenbereich und mit lonenspezies. Typischerweise weisen einfach geladene Ionen unter -250 Da ein niedriges Produkt aus Masse und Mobilität auf und sind unter Verwendung von Pseudopotenzial schwieriger einzuschließen, wenn der Gasdruck hoch ist (sich Atmosphärendruck annähert).
Die Dämpfung ist erheblich und das Pseudopotenzial bei Atmosphärendruck ist niedrig, was sehr hohe elektrische Felder erfordert, die ausreichen, um Ionen einzuschließen. In hohen Feldern ist die lonengeschwindigkeit ein wesentlicher Bruchteil der Schallgeschwindigkeit im Gas und die Mobilität variiert mit der lonengeschwindigkeit. Dieses Verständnis wird in der vorliegenden Offenbarung verwendet und weiter entwickelt.
Wie vorstehend angemerkt, haben in US-8,299,443 B1 und US-9,053,915 vorgeschlagene Versuche, das Pseudopotenzial bei hohen Drücken zu erhöhen, indem sie bei sehr hohen Stromstärken betrieben werden, Auswirkungen, die von diesen Veröffentlichungen nicht erkannt werden. Bei den hohen elektrischen Feldern und den in diesen Dokumenten vorgeschlagenen Betriebsdrücken ist die lonengeschwindigkeit für einen Teil des elektrischen Feldzyklus ausreichend hoch, dass die lonenmobilität nicht mehr invariant ist. Diese Veränderungen der lonenmobilität beeinflussen das Pseudopotenzial (vorstehende Gleichung (5)), wie nachstehend beschrieben wird.
Differenzieller Mobilitätseffekt
Bei einem zeitlich variierenden elektrischen Feld kann die Varianz der Mobilität, wenn sich die lonengeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit im Gas annähert, verwendet werden, um den Ionen über jeden Zyklus eine Nettogeschwindigkeit zu verleihen, wenn das durch das Ion erfahrene elektrische Feld asymmetrisch ist.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein erstes Beispiel einer asymmetrischen Wellenform gezeigt. Eine Wellenform des elektrischen Feldes, wie sie in 1 gezeigt ist, ist asymmetrisch, aber diese Wellenform ist aus einer symmetrischen Wellenform (Cosinus) mit zusätzlichem Offset gebildet. Dies bewirkt, dass alle Ionen einer gegebenen Ladungspolarität eine Nettogeschwindigkeit über den Zyklus in derselben Richtung erhalten, mit einer Größenordnung, die mit ihrer lonenmobilität und der Größenordnung des Offsets des elektrischen Felds in Zusammenhang steht. Wenn das elektrische Spitzenfeld und der vorherrschende Druck ausreichen, um zu bewirken, dass sich die lonengeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit in dem Gas annähert, wandern Ionen mit Mobilität von der gleichen niedrigen Geschwindigkeit, aber unterschiedlicher Mobilitätsvarianz, bei unterschiedlichen durchschnittlichen Geschwindigkeiten im Feld, aber sie wandern alle in die gleiche Richtung. Die Gesamtfläche unter der Wellenform über jeden Zyklus ist ungleich Null.
Somit kann die Form der Asymmetrie relevant sein. Unter Bezugnahme als Nächstes auf 2 ist ein zweites Beispiel einer asymmetrischen Wellenform gezeigt. Eine Wellenform des elektrischen Feldes, wie sie in dieser Zeichnung gezeigt ist, ist asymmetrisch, aber die Gesamtfläche unter dieser Wellenform in jedem Zyklus ist Null. Die Wellenform wird durch den Cosinus mit zwei Termen in Gleichung (6) beschrieben: $w ν 1 (t, ϕ) = \frac{2}{3} \cdot (cos (2 \cdot π \cdot ƒ \cdot t + ϕ) + \frac{1}{2} \cdot cos (2 \cdot (2 \cdot π \cdot ƒ \cdot t + ϕ)))$
Diese Wellenform weist eine Asymmetrie auf, bei der die zwei entgegengesetzten Polaritäten unterschiedliche Anteile des Zyklus aufweisen. Diese asymmetrische Wellenform legt ein großes Feld in einer Richtung (erste Polarität) für einen kleinen Anteil des Zyklus und ein kleineres Feld in der entgegengesetzten Richtung (zweite Polarität) für einen größeren Anteil des Zyklus an. Die kleineren und größeren Anteile der Zeit und der Größenordnungen des elektrischen Feldes werden so gewählt, dass die Fläche unter der Wellenform (elektrische Feldstärke multipliziert mit der Zeit) über einen Zyklus Null ist. Dies wird beispielsweise mit der in 2 gezeigten Wellenform und Gleichung (6) erreicht. Diese Wellenform des elektrischen Feldes bewirkt, dass Ionen derselben Ladungspolarität eine Netto-Geschwindigkeit über den Zyklus erhalten, aber jetzt liegt die Nettogeschwindigkeit für einige dieser Ionen in der Richtung entgegengesetzt zu der Nettogeschwindigkeit anderer mit der gleichen Ladungspolarität, da die Größenordnung und Polarität der Nettogeschwindigkeit nicht von der lonenmobilität, sondern von der Varianz der Mobilität mit der Geschwindigkeit abhängt.
Die Wellenform der Gleichung (6) und 2 ist aus zwei Cosinus-Termen gebildet und weist ein Verhältnis von Spitzenhöhen der entgegengesetzten Polarität von 2:1 auf. Andere Formen asymmetrischer Wellenformen können unter Verwendung mehrerer Cosinus-Terme erzeugt werden. Die nachstehende Gleichung (7a) beschreibt eine Cosinus-Wellenform mit drei Termen, mit einem Verhältnis von Spitzenhöhen entgegengesetzter Polarität von 3:1, und die nachstehende Gleichung (7b) beschreibt den allgemeinen Fall für ein Verhältnis von Spitzenhöhen entgegengesetzter Polarität von N_ratio. $w ν 2 (t, ϕ) = \frac{1}{2} \cdot (cos (2 \cdot π \cdot ƒ \cdot t + ϕ) + \frac{2}{3} \cdot cos (2 \cdot (2 \cdot π \cdot ƒ \cdot t + ϕ)) + \frac{1}{3} \cdot cos (3 \cdot (2 \cdot π \cdot ƒ \cdot t + ϕ)))$
$w ν (t, ϕ) = \frac{N_{r a t i o}}{\sum_{n = 1}^{N_{r a t i o}} n} \cdot \sum_{n = 1}^{N_{r a t i o}} (\frac{n}{N_{r a t i o}} \cdot cos 〈 〈 N_{r a t i o} - n + 1) \cdot ((2 \cdot π \cdot ƒ) \cdot t + ϕ)))$
Nun wird auf 3 Bezug genommen, in der Diagramme, die ein Verhältnis von hoher Feldmobilität zu niedriger Feldmobilität gegen die elektrische Feldstärke für drei unterschiedliche lonentypen zeigen, dargestellt sind. Dies basiert auf einer Zeichnung, die in Guevremont et al. Int. J. Mass Spectrom., 193 (1999) S. 45-56, erschien. Die Mobilitätsvarianz bei hoher Geschwindigkeit wurde als eine von drei Typen klassifiziert, die von einigen als die Typen A, B und C bezeichnet wurden. Die Nettogeschwindigkeit, die einem Ion mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C entspricht, weist die entgegengesetzte Richtung und möglicherweise eine andere Größenordnung auf als die Nettogeschwindigkeit, die der Mobilitätsvarianz eines Ions vom Typ A entspricht, obwohl die Ionen die gleiche Ladungspolarität aufweisen. Die Nettogeschwindigkeit wird durch eine asymmetrische Wellenform des elektrischen Feldes erzeugt, da zwar die Ionen durch das elektrische Feld beschleunigt werden, sie aber je nach ihrer Mobilität eine unterschiedliche Geschwindigkeit erreichen. Somit wandert ein Ion über einen ersten Abstand in einer ersten Richtung, wenn für einen kleinen Anteil des Zyklus ein großes Feld in einer Richtung vorliegt. Das Ion wandert jedoch über einen zweiten Abstand, der sich von dem ersten Abstand unterscheidet, in der zweiten entgegengesetzten Richtung, wenn für einen größeren Anteil des Zyklus ein kleineres Feld in der entgegengesetzten Richtung vorhanden ist. Dies liegt daran, dass sich die lonenmobilität mit der elektrischen Feldstärke ändert, wenn das Feld ausreicht, um den Ionen eine Geschwindigkeit zu verleihen, die einen wesentlichen Bruchteil der Schallgeschwindigkeit im Gas darstellt. Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ C wandern in der ersten Richtung über einen kleineren Abstand als in der zweiten, entgegengesetzten Richtung. Umgekehrt wandern Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ A in der ersten Richtung weiter als in der zweiten Richtung.
Ionen vom Typ B mit Eigenschaften, wie in 3 gezeigt, scheinen sich zu Beginn der variierenden lonenmobilität gleich wie Ionen vom Typ A zu verhalten, indem sie eine Zunahme der lonenmobilität mit zunehmender elektrischer Feldstärke zeigen. Nur bei noch höheren elektrischen Feldstärken erreicht die Mobilität eine Spitze und nimmt dann ab. Es ist möglich, dass viele und möglicherweise alle Ionen vom Typ A eine Spitze bei der lonenmobilität erreichen und dann abnehmen, wenn sie ausreichend hohe elektrische Feldstärken erfahren. Eine Abnahme der lonenmobilität ist ein natürliches Ergebnis der erhöhten Häufigkeit von Kollisionen bei zunehmender lonengeschwindigkeit.
Diese Differenz, die auf der lonenmobilitätsvarianz bei hoher Geschwindigkeit (der differenziellen lonenmobilität) beruht, wird in der feldasymmetrischen lonenmobilitätsspektrometrie (Field Asymmetry Ion Mobility Spectrometry, FAIMS) verwendet, um Ionen zu trennen. Die Nettogeschwindigkeit, die ein Ion aufgrund dieses Effekts über jeden Zyklus erreicht, wird hierin als „differenzieller Mobilitätseffekt“ bezeichnet. Dieser Effekt setzt Folgendes voraus: (1) die Ionen weisen eine Mobilität auf, die mit der lonengeschwindigkeit variiert (wahrscheinlich besitzen alle Ionen diese Eigenschaft bis zu einem gewissen Grad); (2) die Ionen erfahren über jeden Zyklus eine Art von asymmetrischem elektrischem Feld, wobei die Asymmetrie darin besteht, dass das Spitzenfeld bei einer Polarität höher als der Durchschnitt ist, und bei der entgegengesetzten Polarität niedriger als der Durchschnitt ist; und (3) das elektrische Spitzenfeld bei dem betreffenden Druck hoch genug ist, um zu bewirken, dass die lonengeschwindigkeit einen wesentlichen Bruchteil der Schallgeschwindigkeit im Gas überschreitet, sodass für einen Teil des Zyklus die lonenmobilität nicht konstant ist.
Allgemeiner wird auf dem Gebiet der lonenmobilitätsspektrometrie eine Feldstärke, die ausreicht, um zu bewirken, dass der differenzielle Mobilitätseffekt auftritt, als „hohes Feld“ bezeichnet. Umgekehrt kann das hohe Feld als eine Feldstärke verstanden werden, die ausreichend hoch ist, um eine nichtlineare Abhängigkeit von der lonenmobilität zu bewirken; und/oder derart, dass die Mobilität von Ionen von der Feldstärke abhängig ist. Dieser Wert beträgt üblicherweise mindestens 10⁶ V/m, obwohl die Mobilitätsvarianz mit dem elektrischem Feld für einige lonenspezies in Feldern einsetzen kann, die nur etwa 2,5 × 10⁵V/m erreichen (Viehland, Guevremont, Purves & Barnet, Int. J. Mass Spectrom. 197 123-130 2000). Dies wird zum Beispiel erörtert in „Ion Mobility Spectrometry“, G.A. Eiceman, Z. Karpas, zweite Ausgabe, CRC Press, 23. Juni 2005, Abschnitt 2.5 („Dependence of Mobility on Electric Field“).
Wie vorstehend angemerkt, wird der differenzielle Mobilitätseffekt in einem Flachplatten-FAIMS-Analysator verwendet. Dieser Analysator umfasst zwei parallele flache Plattenelektroden (wie in einem Kondensator). Wenn der Analysator Platten mit Abmessungen aufweist, die erheblich größer sind als der Spalt zwischen den Platten (zum Beispiel mindestens 10 %, 20 %, 25 %, 50 % oder 100 % größer), ist die Feldstärke weg von den Plattenkanten im Wesentlichen positionsinvariant und es gibt keinen Feldgradienten. Eine Platte des Analysators ist mit einer asymmetrischen Spannungswellenform versehen, die eine Rechteckwellenform sein kann, oder, wie hierin beschrieben, eine Wellenform ähnlicher Form wie der in 2, und wie durch die vorstehende Gleichung (6) beschrieben. Die andere Platte wird auf einem konstanten Potenzial gehalten, das Masse sein kann. Die Wellenform des elektrischen Feldes wird aus der Differenz der Spannungen über die Platten abgeleitet und ist somit ebenfalls asymmetrisch und weist die Form auf, wie in 2 gezeigt. Wenn die elektrische Feldstärke ausreichend hoch ist, erfahren Ionen mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C eine Nettodriftgeschwindigkeit in Richtung einer der Platten und Ionen mit einer Mobilitätsvarianz der vom Typ A erfahren eine Nettodriftgeschwindigkeit in Richtung der gegenüberliegenden Platte. Die Ladungspolarität der beiden lonentypen ist dieselbe, aber die Nettodriftgeschwindigkeit geht in entgegengesetzte Richtungen. Das Anlegen einer konstanten Vorspannung an eine der Platten kann verwendet werden, um allen Ionen eine Offset-Driftgeschwindigkeit zu verleihen (wie vorstehend in Verbindung mit dem Offset in 1 beschrieben). Diese kann dazu verwendet werden, die Nettogeschwindigkeit aufgrund des differenziellen Mobilitätseffekts von nur einigen der Ionen auszugleichen, wodurch sie im Spalt zwischen den Platten verbleiben können und nicht auf die Elektroden auftreffen. Dadurch kann ein Bandpassfilter gebildet werden, wobei der Bandpass unter Verwendung des DC-Offsets ausgewählt wird.
Der Pseudopotenzialeffekt und der differenzielle Mobilitätseffekt wurden bisher separat beschrieben, es ist jedoch sofort erkennbar, dass die beiden Effekte interagieren. Folglich kann die Bewegung von Ionen durch die beiden Effekte miteinander gesteuert werden. Umgekehrt ist es möglich, die beiden Effekte zu verwechseln.
Die differenzielle Mobilität beeinflusst den Pseudopotenzialeffekt.
Der differenzielle Mobilitätseffekt erfordert eine Mobilitätsvarianz mit der lonengeschwindigkeit und erfordert keinen Feldgradienten. Dennoch kann das Vorhandensein eines Feldgradienten bewirken, dass ein Ion über einen Zyklus einem asymmetrischen elektrischen Feld ausgesetzt ist. Das Pseudopotenzial ändert sich aufgrund der sich ändernden lonenmobilität in Abhängigkeit von der lonengeschwindigkeit, wie bereits in Bezug auf die vorstehende Gleichung (5) angemerkt wurde. Nun ist ersichtlich, dass eine Nettodriftgeschwindigkeit bei Ionen durch ein asymmetrisches elektrisches Feld induziert wird, das auf die Ionen wirkt, die von einer symmetrischen Wellenform des elektrischen Feldes plus einem Feldgradienten abgeleitet sind - solange das Feld ausreicht, um lonengeschwindigkeiten zu induzieren, die sich für einen Anteil des Zyklus an die Schallgeschwindigkeit des Gases annähern.
Dies beeinflusst den Pseudopotenzialeffekt. Der Pseudopotenzialeffekt erfordert keine Mobilitätsvarianz, aber das Vorhandensein der lonenmobilitätsvarianz, wenn die angelegten Feldstärken bei dem vorherrschenden Druck ausreichend hoch sind, verursacht Änderungen der Nettodriftgeschwindigkeit und somit des Pseudopotenzials, da die Änderungen von dem differenziellen Mobilitätseffekt kommen.
Die beiden Effekte können daher durch Modellieren von ansonsten identischen Ionen in demselben Feld, die keine Mobilitätsvarianz aufweisen, unterschieden werden. Jede Nettobewegung pro Zyklus dieser Ionen kann nur auf den Pseudopotenzialeffekt zurückzuführen sein. Durch Subtrahieren der Nettobewegung dieser Ionen von der Bewegung von Ionen, die eine Mobilitätsvarianz aufweisen, ergibt die Nettodriftgeschwindigkeit allein aufgrund dieses differenziellen Mobilitätseffekts. Diese Simulationstechnik zum Abtrennen der unterschiedlichen Effekte des Pseudopotenzials und der differenziellen lonenmobilität ist nur zweckmäßig, wenn es einen Feldgradienten gibt. Bei dem vorstehend beschriebenen Flachplattenanalysator tritt der Pseudopotenzialeffekt nicht auf und das Pseudopotenzial ist Null, da kein Feldgradient vorliegt.
Begrenzter bei Atmosphärendruck geformter Pseudopotenzialtopf
Bekannte Vorrichtungen, die Pseudopotenzial zum Einschließen von Ionen bei hohen Drücken nutzen, schließen Multipole (zum Beispiel US-8,362,421 B2) und einander gegenüberliegende Substrate mit einer Vielzahl von Streifenelektroden, die auf jedem Substrat ausgebildet sind (zum Beispiel US-10,014,167 B2 , US-8,835,839 B1, WO-2017/062102 A1 , US-8,841,611 B2 , US-9,245,725 B2 , US-8,299,443 B1 , US-8,067,747 B2 , US-9,053,915 B2) ein. Die Streifenelektroden sind oft auf den einander gegenüberliegenden Substraten ausgerichtet und können somit ein Array von Multipol-Vorrichtungen bilden und sind daher den Multipolen, die von US-8,362,421 B2 in Betracht gezogen werden, nicht unähnlich. Der Betrieb derartiger Vorrichtungen wird nun basierend auf Modellierung und Simulation erörtert.
Bezug nehmend nun auf 4A ist schematisch ein Abschnitt eines Arrays von Streifenelektroden dargestellt. Die Elektroden sind in zwei einander gegenüberliegenden Reihen gezeigt, wobei in jeder Reihe vier Elektroden entlang der x-Richtung gleichmäßig verteilt sind; und die zwei Reihen in der y-Richtung getrennt sind, derart, dass Elektrodenpaare in der x-Richtung ausgerichtet sind. Die Einheiten in dieser Zeichnung verstehen sich in µm. Die zwei Reihen von Elektroden werden als auf jeweiligen parallelen Substraten (nicht gezeigt) montiert betrachtet. Die Elektroden sind im Querschnitt gezeigt, wobei Streifen in der hierin als z-Richtung bezeichneten Richtung in das Papier hinein und aus diesem heraus verlaufen.
Die an die Elektroden angelegten sinusförmigen HF-Spannungen sind in Phasen aufgeteilt, wobei aneinander angrenzende Elektroden eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweisen. Die Streifenelektroden sind 50 µm breit (in x-Richtung) mit abgerundeten Ecken mit einem Radius von 3,5 µm, der Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden auf demselben Substrat beträgt 50 µm und die Elektrodenhöhe (in y-Richtung) beträgt 30 µm. Der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden Streifenelektrodenoberflächen auf einander gegenüberliegenden Substraten beträgt 50 µm. Sofern nicht anders angegeben, gelten die lonenbewegungssimulationen hierin für positiv geladene Ionen in Luft bei Atmosphärendruck (101325 Pa) und Raumtemperatur (293 K).
Zum Beispiel wird eine sinusförmige Spannungswellenform von 100 V Null-zu-Spitze-Spannung bei 60 MHz an die Elektroden von 4A angelegt, die in zwei Phasen 180 Grad voneinander aufgeteilt sind, und wobei unterschiedliche Phasen (d. h. von derselben Wellenform mit einer gewissen Phasenverschiebung, nicht aber unterschiedlichen Polaritäten) an alternierende Elektroden auf beiden Substraten angelegt werden. Die mit 1, 4, 5 und 8 bezeichneten Elektroden befinden sich auf dem oberen Substrat und die mit 2, 3, 6 und 7 bezeichneten Elektroden befinden sich auf dem unteren Substrat. Die an die Elektroden auf dem unteren Substrat angelegte Wellenform ist um 180 Grad phasenverschoben, wobei die Wellenform an die entsprechenden Elektroden (d. h. die einander direkt gegenüberliegenden) auf dem oberen Substrat angelegt wird.
Bezug nehmend auf 4B sind Spannungswellenformen gezeigt, die an entsprechende Elektroden in 4A angelegt werden. An alle der in 4A mit 1, 3, 5, 7 bezeichneten Elektroden ist eine Phase angelegt und an die mit 2, 4, 6, 8 bezeichneten Elektroden ist die andere Phase angelegt. Durch Modellieren dieser Anordnung ist ersichtlich, dass das elektrische Spitzenfeld in einer Region zwischen den Elektroden 4 × 10⁶ V/m beträgt, was bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur ausreicht, um einfach geladene Ionen mit einer Masse von weniger als einigen Hundert Da oberhalb der Schallgeschwindigkeit im Gas anzusteuern.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 5A ist ein Konturverlauf von Pseudopotenzial (in Volt) in einem Vakuum innerhalb der Struktur von 4A gezeigt. Die Elektroden sind im Raum x-y (µm) gezeigt. Die Pseudopotenziale werden unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (1) für ein einfach geladenes positives Ion der Masse 100 Da berechnet, wenn die sinusförmige Spannungswellenform von 4B angelegt wird. Die Potenzialtöpfe, die erstellt werden, sind einige 30 V tief. Die lonenmobilität und deren eventuelle Invarianz sind für die Berechnung des Pseudopotenzials im Vakuum nicht relevant.
Bezug nehmend nun auf 5B wird ein Konturverlauf des Pseudopotenzials (in Volt) in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für ein Ion mit dem gleichen Masse-zu-Ladungsverhältnis gezeigt wie in 5A gezeigt, wenn die sinusförmige Spannungswellenform von 4B angelegt wird. Dieses Ion weist eine geschwindigkeitsinvariante Mobilität auf. Das Pseudopotenzial wird unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (3) berechnet, wobei der Dämpfungsfaktor γ (vorstehende Gleichung (2)) daher als konstant genommen wird. Die Dämpfung ist ein Faktor von etwa 1/150.
Als Nächstes ist unter Bezugnahme auf 5C ein Konturverlauf des Pseudopotenzials (in Volt) in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für ein Ion von 1000 Da gezeigt, wenn die sinusförmige Spannungswellenform von 4B angelegt wird. Somit ist dies ein äquivalentes Diagramm zu dem in 5B, aber für ein einfach geladenes Ion der Masse 1000 Da. Das Ion weist eine ionengeschwindigkeitsinvariante Mobilität auf. Der Pseudopotenzialtopf ist für dieses Ion mit höherer Masse deutlich tiefer, wie es aus der Erörterung in Bezug auf die vorstehende Gleichung (5) zu erwarten ist.
Ionen mit niedrigerer Masse werden unter Verwendung des Pseudopotenzialeffekts in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur nicht im Topf eingeschlossen. Dies schränkt den übertragenen Strom erheblich ein, da Raumladungseffekte oder sogar Diffusion die Ionen über die Barriere auf die Elektroden zwingen.
Bezug nehmend auf 6 sind Diagramme von lonenmobilität (m²/V.s) gegen elektrische Feldstärke (V/m) für ein Ion mit Mobilitätsvarianz von Typ A und C dargestellt. Diese Diagramme nehmen einfach geladene Ionen mit einer Masse von 100 Da und einem Durchmesser von 9,08 × 10^-10 m in Luft bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck an. Wie vorstehend beschrieben, werden bei den Feldstärken, die bei dem vorherrschenden Druck und der vorherrschenden Temperatur verwendet werden, die lonengeschwindigkeiten derart sein, dass sie über Teile der angelegten Wellenform zu Mobilitätsvarianz führen, insbesondere für die mobileren lonenspezies mit niedriger Masse. Wie in 6 gezeigt, ist die lonenmobilität eines Ions mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C eine Folge einer erhöhten lonen-Gasmolekül-Kollisionsrate (reduzierte mittlere Zeit zwischen Kollisionen), wenn sich bei elastischen Kollisionen die lonengeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit im Gas annähert und sie überschreitet. Es ist auch eine simulierte Mobilitätsvarianz vom Typ A gezeigt, die von der Inversen der Varianz vom Typ C abgeleitet ist, und ist das Ergebnis einer mit zunehmender Ionengeschwindigkeit verringerten lonen-Gasmolekül-Kollisionsrate.
Es wird nun auf die 7A, 7B und 7C Bezug genommen, die Konturverläufe des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für Ionen der gleichen Masse und Ladung zeigen, aber eine Mobilitätsvarianz vom Typ C (7A) und eine Mobilitätsvarianz vom Typ A (7B) aufweisen. In beiden Fällen gilt das Diagramm für ein einfach geladenes Ion der Masse 100 Da, wenn die sinusförmige Spannungswellenform von 4B angelegt wird. Elektroden sind im Raum x-y (µm) dargestellt.
Bei der Feldstärke in diesem Beispiel erfahren Ionen mit Mobilitätsvarianz vom Typ A ein Pseudopotenzial, das ungefähr um den Faktor zwei größer ist als mobilitätsinvariante Ionen und um den Faktor vier größer ist als Ionen vom Typ C. Der maximale Pseudopotenzialtopf beträgt nur einige 0,4 V für Ionen vom Typ A, obwohl die Feldstärke innerhalb der Einfangregion über 4 Millionen V/m liegt. Der Effekt von Pseudopotenzial kann als von niedriger Größenordnung und hochgradig variabel in Abhängigkeit von lonentyp gesehen werden. Bestehende Elektrodenanordnungs-Designs haben dies nicht berücksichtigt und dies kann erklären, warum mit den Worten von US-9,991,108 (Spalte 2 Zeilen 4-9): „Im Handel erhältliche Atmosphärendruck-IMS Vorrichtungen weder HFlonenfallen noch HF-Ionenführungen einsetzen.“
Der Pseudopotenzialeffekt beschreibt eine Netto-Ionengeschwindigkeit von jedem Oszillationszyklus. Das Pseudopotenzial kann durch Berücksichtigung der lonenbewegung unter der Wirkung des elektrischen Feldes in Gegenwart des Gases berechnet werden, was durch nummerische Verfahren, unter Lösung der nachstehenden Gleichung (8), berechnet werden kann. Die Lösung der Gleichung (8) wird hierin als eine „durchschnittliche“ lonenflugbahn bezeichnet, da die Gleichung (8) die Auswirkungen von Diffusion nicht berücksichtigt. Diffusion bewirkt, dass sich Ionen in allen drei Freiheitsgraden ausbreiten, aber die durchschnittliche lonenflugbahn wird dennoch durch die Lösung der Gleichung (8) beschrieben. $\frac{d}{d t} ν (t) + \frac{ν (t)}{τ (t)} = \frac{q}{m} \cdot E (t)$
Die Relaxationszeit in Gleichung (8), τ(t), wird unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (4) festgestellt, und die ionengeschwindigkeitsabhängige Mobilitätsvarianz entspricht für Ionen vom Typ C und vom Typ A der Darstellung in 6. Die durchschnittliche Nettoverschiebung über einen Zyklus der lonenbewegung wird für viele unterschiedliche Anfangsphasen bestimmt und daraus kann die Nettodriftgeschwindigkeit festgestellt werden. Ein effektives Feld kann unter Verwendung von dieser bestimmt werden, und dieses effektive Feld kann integriert werden, um das effektive Potenzial zu berechnen. Dieses Verfahren folgt dem Ion unter dem Einfluss des Feldes. 7C ist ein Diagramm des auf diese Weise berechneten effektiven Potenzials für Ionen vom Typ A unter genau den gleichen Bedingungen, wie sie für das Diagramm von 7B verwendet wurden.
Es wird nun Bezug genommen auf 7C, die einen Konturverlauf des Pseudopotenzials in Luft bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur für ein Ion der gleichen Masse, Ladung und Mobilitätsvarianz wie in 7B zeigt, der aber unter Verwendung einer „durchschnittlichen‟ lonenflugbahn berechnet wurde (d. h. effektive Felder und effektives Potenzial wurden unter Verwendung einer nummerischen Lösung für die vorstehende Gleichung (8) berechnet). Das unter Verwendung der Gleichung (3) berechnete Spitzenpseudopotenzial beträgt 0,446 V und das in der eben beschriebenen Weise berechnete Maximum beträgt 0,442 V. Die Pseudopotenzialbarriere erreicht ihre Spitze nahe den Elektroden. Eine repräsentative Maßnahme besteht darin, die potenzielle Barriere beim Bewegen zwischen aneinander angrenzenden Quadrupol-Strukturen entlang zweier Linienscans bei x=0 und y=0 zu berücksichtigen.
Es wird nun auf 8A Bezug genommen, die schematisch eine Elektrodenstruktur im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit Testlinien A (gestrichelte Linie) und B (gepunktete Linie) zeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Ferner wird auf die 8B und 8C Bezug genommen, die Pseudopotenzial (V) gegen die Position x (µm) bei y=0 entlang der Testlinie A von 8A (linkes Diagramm) und Pseudopotenzial (V) gegen die Position y (µm) bei x=0 entlang der Testlinie B von 8A (rechtes Diagramm) zeigen. Beide Diagramme gelten für einfach geladene Ionen von 100 Da (8B) und 1000 Da (8C) mit (a) mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie), (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie), (c) invariante Mobilität (gepunktete Linie). An die Elektroden wird eine sinusförmige HF-Spannung von 100 V Null bis Spitze bei 60 MHz angelegt, wie in 4B.
Der Vergleich von 8C mit 8B zeigt, wie Ionen mit niedriger Masse vom Typ C eine viel niedrigere Pseudopotenzialbarriere in der Struktur erfahren. Wie vorstehend erwähnt, ist die Unterdrückung des Pseudopotenzials bei Atmosphärendruck erheblich und es wurden erhöhte angelegte Spannungen vorgeschlagen, um dies zumindest teilweise zu kompensieren. Die Auswirkungen der Verdoppelung der angelegten Spannung werden nun in Bezug auf die 8D und 8E betrachtet, wobei das Pseudopotenzial gegen die Positionen x und y entlang der zwei Testlinien von 8A für Ionen der Masse 100 Da (8D) und Ionen der Masse 1000 Da (8E) mit einer höheren Größenordnung der Spannung aufgetragen wird. Wiederum ist Pseudopotenzial (V) gegen die Position x (µm) bei y=0 entlang der Testlinie A von 8A (linkes Diagramm) und Pseudopotenzial (V) gegen die Position y (µm) bei x=0 entlang der Testlinie B von 8A (rechtes Diagramm) gezeigt. Beide Diagramme gelten für einfach geladene Ionen von 100 Da (8B) und 1000 Da (8C) mit (a) mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie), (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie), (c) invariante Mobilität (gepunktete Linie). An die Elektroden wird eine sinusförmige HF-Spannung von 200 V Null bis Spitze bei 60 MHz angelegt, wie in 4B.
Das Erhöhen der Spannung, um ein höheres Pseudopotenzial zu erhalten, ist für Ionen vom Typ A effektiv, aber für Ionen vom Typ C, insbesondere solche mit niedriger Masse, von begrenztem Nutzen. Die höheren Feldstärken steuern lonenspezies mit höherer Mobilität bei Geschwindigkeiten an, die die Schallgeschwindigkeit im Gas erreichen, und überschreiten können. Die sich daraus ergebende verminderte lonenmobilität verringert das Pseudopotenzial, das von Ionen vom Typ C erfahren wird.
Die höheren Feldstärken, um Ionen von hoher Mobilität einzufangen, können auch zu größeren Schwingungsamplituden führen, die das Raumvolumen innerhalb der Elektrodenstruktur begrenzen, in der Ionen verbleiben können und nicht auf Elektroden treffen und verloren gehen. Größere Schwingungsamplituden werden durch Ionen von hoher Mobilität erfahren, die tendenziell Ionen mit niedriger Masse sind. Ein praktisches Problem besteht darin, dass, um die höheren elektrischen Felder zu generieren und dabei Durchschlag innerhalb der Luft bei Atmosphärendruck zu vermeiden, kleinere Spalte zwischen Elektroden erforderlich sein können, wie die Untersuchung der Paschen-Kurve zeigt. Dies ist einer der Gründe dafür, dass die beschriebenen Elektroden wenige zehn Mikrometer groß sind. Da jedoch derart hohe Felder größere Schwingungsamplituden generieren, kann dies das Raumvolumen reduzieren, in dem derartige Ionen zwischen den Elektroden für Ionen von hoher Mobilität stabil bleiben können. Versuche, die Feldstärke zu erhöhen, um Ionen von hoher Mobilität einzufangen, können zu immer kleineren Raumvolumina führen, in denen diese Ionen stabil sind.
Das Verfahren zum Ableiten des von den Ionen erfahrenen effektiven Potenzials, das durch nummerische Verfahren durch Lösung der vorstehenden Gleichung (8) berechnet wird, erfordert das Anlegen einer asymmetrischen Spannungswellenform an die Elektroden. Beim Bewerten des effektiven Potenzials gelten die vorstehenden Gleichungen (1), (3) und (5) nicht mehr, da sie für den Pseudopotenzialeffekt, der einen Feldgradienten erfordert, und für ein sinusförmiges Feld in der Näherung niedriger Geschwindigkeit abgeleitet wurden. Stattdessen wird die lonenbewegung unter Wirkung des elektrischen Feldes in Gegenwart des Gases durch nummerische Verfahren, Lösen der Gleichung (8), berechnet, die alle bisher erörterten Effekte berücksichtigt, unabhängig davon, ob aufgrund von Bewegung in einem asymmetrischen elektrischen Feld, welche Spannungswellenform angelegt wird und wie sich die Mobilitätsvariation mit der lonengeschwindigkeit darstellt.
Effekt der Phasendifferenz zwischen elektrischem Feld und lonengeschwindigkeit
Der differenzielle Mobilitätseffekt wird durch die Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Feld und der lonengeschwindigkeit beeinflusst. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Effekt die Inverse von dem für das Pseudopotenzial ist. Der differenzielle Mobilitätseffekt ist Null im Vakuum, wenn die Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Feld und der lonengeschwindigkeit -π/2 beträgt. Bei Ionen, die sich durch ein Gas bewegen, tendiert, wenn die HF-Ansteuerfrequenz erhöht wird, die Phasenverschiebung zu der im Vakuum und der differenzielle Mobilitätseffekt nimmt ab. Man betrachte eine Wellenform des elektrischen Feldes, die aus einem Cosinus mit zwei Termen besteht, wie der durch die vorstehende Gleichung (6) angegebenen, die in dem vorstehend erörterten FAIMS-Flachplattenanalysator erstellt wurde. Dann ist die lonengeschwindigkeit auch ein Cosinus mit zwei Termen, aber jeder Term wird mit dem Cosinus einer Phasenverschiebung multipliziert, was der Arcustangens von -ωτ ist (wobei ω die Winkelfrequenz des relevanten Cosinus-Terms ist). Die Phasenverschiebung ist daher für jeden Cosinus-Term unterschiedlich. Wiederum ist τ abhängig von der elektrischen Feldstärke und variiert so über den Oszillationszyklus.
Da der differenzielle Mobilitätseffekt abnimmt, wenn die Phasendifferenz gegen - π/2 tendiert, wird die Frequenz so niedrig gewählt, dass ω²τ² << 1 und γ ~ ω²τ² für alle Cosinus-Terme in der angelegten Spannungswellenform für das interessierende Ion, das die niedrigste lonenmobilität aufweist. Dies soll alle Phasenverschiebungsterme nahe Null halten, was einen maximalen differenziellen Mobilitätseffekt bereitstellt. Es hat auch den Effekt, sich auf dem Plateau des maximalen Pseudopotenzials zu befinden, sodass unabhängig davon, wie gering das im Hochdruckgas noch verfügbare Rest-Pseudopotenzial ist, es sich auf seinem Maximum befindet. Zusammenfassend kann ein wichtiger Aspekt der Offenbarung im Anlegen einer asymmetrischen Spannungswellenform an Elektroden mit einer HF-Frequenz festgestellt werden, sodass die Kombination aus HF-Frequenz und dem Gasdruck eine Phasenverschiebung erzeugt, die nahe Null ist. Eine Größenordnung der Phasenverschiebung beträgt vorzugsweise nicht mehr als (oder weniger als) 0,1 π, mehr bevorzugt nicht mehr als (oder weniger als) 0,05 π, noch mehr bevorzugt nicht mehr als (oder weniger als) 0,02 π und möglicherweise nicht mehr als (oder weniger als) 0,01 π. Es kann sogar eine Phasenverschiebung von nicht mehr als (oder weniger als) 0,005 π oder 0,001 π möglich sein.
Grundlegende Elektrodenkonfiguration für die lonenmanipulation bei hohen Drücken
Ausgehend von der vorstehenden Erörterung versteht sich, dass zwei Elektroden ausreichen können, um Ionen bei hohen Drücken (zum Beispiel annähernd atmosphärischem Druck, insbesondere mehrere zehn kPa) zu steuern. HF-Potenziale mit einer asymmetrischen Wellenform unterschiedlicher Phase werden an die zwei Elektroden angelegt, sodass die Stärke des elektrischen Feldes, das durch Ionen erfahren wird, die den Elektroden nahe kommen, eine Mobilitätsvariation verursacht. Dieses Anlegen von HF-Spannungen, die eine Mobilitätsvariation verursachen, reicht bei hohen Drücken aus, um die Ionen zu steuern und sogar einzuschließen. Das Zwei-Elektroden-Muster kann wiederholt werden, um eine größere Steuerung und/oder einen größeren Einschluss zu erstellen.
Die einfachste Anordnung umfasst daher nur zwei Elektroden oder mehr bevorzugt zwei Gruppen von Elektroden, an die geeignete HF-Potenziale angelegt werden. Gleichspannungen können an diese Elektroden angelegt werden, aber in der Regel wird nur HF (d. h. keine DC, wie eine FAIMS-Kompensationsspannung) an die Sätze von Elektroden angelegt. Stattdessen wird eine dritte Elektrode (oder dritte Gruppe von Elektroden) mit angelegten Gleichspannungen bereitgestellt. Es wird nun eine mögliche Elektrodenanordnung erörtert, um eine Steuerung entlang dieser Linien zu erreichen, oder zumindest als ionenabstoßende Oberfläche zu fungieren.
Es wird nun auf 8F Bezug genommen, die ein Substrat mit zwei verschachtelten Gruppen von Elektroden veranschaulicht, die darauf gebildet sind. Dieses schematische Diagramm zeigt ein verschachteltes Array von Streifenelektroden 10 auf einem halbleitfähigen oder isolierenden Substrat 20 (der Dicke t). Die Streifenelektroden sind in Gruppen, HF 1 und HF 2, getrennt, wobei die beiden Gruppen für unterschiedliche Phasen der anzulegenden HF-Ansteuerspannung geeignet sind. Es gibt zwei Endelektroden S1 und S2, die verwendet werden können, um die Bewegung von Ionen in ihrer Nähe zu steuern. Ionen können parallel zu den Streifenelektroden geleitet werden, wobei in diesem Fall die Elektroden S1 und S2 dazu verwendet werden können, zu verhindern, dass sich Ionen durch Anlegen eines kleinen positiven Gleichspannungspotenzials (für positiv geladene Ionen) über die Breiten der Streifenelektrodenarrays hinaus verteilen. Bevorzugter können Ionen über die Streifenelektroden von S1 nach S2 geleitet werden (wobei in diesem Fall zusätzliche DC-Elektroden entlang der anderen Kanten, senkrecht zur Verlängerungsrichtung der HF-Elektroden, angeordnet werden können, um die seitliche Ausbreitung von Ionen zu begrenzen). Die linke Seite (mit dargestellter x-Achse und z-Achse) zeigt eine Draufsicht, und die rechte Seite zeigt einen Teilabschnitt einer Seitenansicht A mit einer Auswahl von Streifenelektroden, wobei ein Streifenelektrodenteilabschnitt vergrößert ist (wobei die x-Achse und die y-Achse gezeigt sind). Die Streifen weisen eine Breite w und eine Höhe h auf und aneinander angrenzende Streifen sind durch den Spalt g getrennt. Optional weist jede Streifenelektrode abgerundete freiliegende Ecken mit Radius r auf, was dazu beitragen kann, die Generierung übermäßig hoher elektrischer Felder zu vermeiden. Es versteht sich, dass durch geeignete Dimensionierung und Formgebung der Elektroden die Größenordnung des elektrischen Feldes dazu konfiguriert werden kann, eine Mobilitätsvariation zu ermöglichen.
In einer Implementierung beträgt die Breite jeder Streifenelektrode (in x) 25 µm, und die Höhe (in y) 15 µm, die Spalte zwischen aneinander angrenzenden Streifenelektroden betragen 15 µm und der Abstand von den Außenflächen der Streifenelektroden zu der flachen Plattenelektrode beträgt 100 µm. Die äußeren Ecken der Streifenelektroden sind mit einem Radius von 2,5 µm abgerundet, um scharfe Ecken zu vermeiden, die lokal sehr hohe elektrische Felder generieren können. Die Streifenelektroden sind um ein Vielfaches länger (in z) als der Spalt zwischen dem Substrat und der flachen Plattenelektrode. Das Array erstreckt sich (in x) um +/-6 Vielfache des Spalts zwischen dem Substrat und der flachen Plattenelektrode und wir erhalten Ergebnisse im mittleren Abschnitt.
Nun wird eine allgemeine Bedeutung der Offenbarung erörtert, bevor anspruchsvollere Implementierungen unter Verwendung der vorstehend betrachteten spezifischen Ausführungsformen erörtert werden. Im Allgemeinen und gemäß diesem Aspekt kann eine ionenoptische Vorrichtung betrachtet werden, die Folgendes umfasst: erste und zweite Elektrodenanordnungen, die räumlich voneinander getrennt sind, die dazu angeordnet sind, Ionen und ein Gas zu empfangen, und ferner dazu angeordnet sind, in einer Umgebung mit hohem Gasdruck zu arbeiten; und eine HF-Spannungsversorgung, die dazu konfiguriert ist, Folgendes anzulegen: eine erste HF-Spannung einer oder mehrerer HF-Ansteuerfrequenzen an die erste Elektrodenanordnung; und eine zweite HF-Spannung der einen oder der mehreren HF-Ansteuerfrequenzen, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung aufweist, an die zweite Elektrodenanordnung (zum Beispiel eine Phasendifferenz von mindestens π/2), wobei die erste und die zweite HF-Spannung eine asymmetrische Wellenform aufweisen (vorzugsweise mit einem Integral im Zeitverlauf von im Wesentlichen Null), wobei das Anlegen der ersten und der zweiten HF-Spannung an die ersten und zweiten Elektrodenanordnungen jeweils bewirkt, dass die empfangenen Ionen ein elektrisches Feld erfahren. Die asymmetrische Wellenform kann eine Form aufweisen, die durch eine Summe von zwei oder mehr Cosinusfunktionen oder durch eine Rechteckfunktion oder Summe von Rechteckfunktionen definiert ist. In diesem Fall weist die asymmetrische Wellenform eine Grundfrequenz (Hauptfrequenzkomponente) auf und kann eine oder mehrere Sekundärfrequenzkomponenten aufweisen. Die Umgebung (und/oder die ionenoptische Vorrichtung) kann ein Gehäuse oder eine Kammer einschließen. Im Allgemeinen wird nur HF (d. h. keine DC, wie eine FAIMS-Kompensationsspannung) an die erste und die zweite Elektrodenanordnung angelegt.
Die erste und die zweite Elektrodenanordnung und die HF-Spannungsversorgung sind so konfiguriert, dass eine Stärke des elektrischen Feldes, das durch die empfangenen Ionen erfahren wird, hoch und vorteilhafterweise ausreichend hoch ist, damit Ionen Mobilitätsvariation erfahren (in einigen Ausführungsformen, mindestens 1 MV/m). Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Elektrodenanordnung dazu angeordnet (oder das Gehäuse ist dazu konfiguriert), in einer Umgebung mit einem Gasdruck zu arbeiten, der ausreichend hoch ist, sodass in Kombination mit der einen oder den mehreren HF-Ansteuerfrequenzen die Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Feld und eine Geschwindigkeit der empfangenen Ionen, die das elektrische Feld erfahren, im Wesentlichen Null ist. Beispielsweise kann ein Gasdruck von mindestens 10 kPa berücksichtigt werden. Das Gas kann Luft sein.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Elektrodenanordnung eine Vielzahl von ersten (länglichen) Elektroden und die zweite Elektrodenanordnung umfasst eine Vielzahl von zweiten (länglichen) Elektroden, die mit den ersten Elektroden verschachtelt sind. Zusätzlich oder alternativ können die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung in einer gleichen Ebene positioniert sein. Zum Beispiel können die erste und die zweite Elektrodenanordnung auf einem im Wesentlichen isolierenden Substrat angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind mehrere längliche Elektroden in einem Array auf einem im Wesentlichen isolierenden Substrat angeordnet, wobei die Verlängerungsrichtung für jede Elektrode ähnlich ist, wodurch ein Satz von im Wesentlichen parallelen Elektroden gebildet wird. Dies kann als ein Array von Streifenelektroden bezeichnet werden. Das Substrat ist im Wesentlichen planar. Ein einzelnes Substrat dieses Typs in einem Hochdruckgas kann verwendet werden, um Ionen von der Außenoberfläche der Streifenelektroden abzustoßen. Das Array von Elektroden kann unter Verwendung herkömmlicher MEMS-Techniken hergestellt werden.
In Ausführungsformen kann eine dritte Elektrodenanordnung von der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung räumlich getrennt sein. Die dritte Elektrodenanordnung kann so angeordnet sein, dass sie in der Umgebung mit einem hohen Gasdruck arbeitet. Dann kann die HF-Spannungsversorgung ferner dazu konfiguriert sein, eine dritte HF-Spannung der einen oder mehreren HF-Ansteuerfrequenzen mit einer anderen Phase als die erste HF-Spannung und als die zweite HF-Spannung an die dritte Elektrodenanordnung anzulegen. Vorteilhafterweise weist die dritte HF-Spannung eine asymmetrische Wellenform auf. Infolgedessen bewirkt das Anlegen der ersten, zweiten und dritten HF-Spannung an die erste, zweite und dritte Elektrodenanordnung jeweils, dass die empfangenen Ionen das elektrische Feld erfahren. Optional sind die erste und die zweite Elektrodenanordnung in einer ersten Ebene positioniert und die dritte Elektrodenanordnung ist in einer zweiten Ebene positioniert, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Ebene und räumlich von ihr getrennt ist.
Die ionenoptische Vorrichtung kann ferner umfassen: eine DC-Elektrodenanordnung; und eine Gleichspannungsversorgung, die dazu konfiguriert ist, eine Gleichspannung an die DC-Elektrodenanordnung anzulegen. Zum Beispiel kann die DC-Elektrodenanordnung außerhalb einer räumlichen Ausdehnung der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung positioniert sein. Die DC-Elektrodenanordnung kann parallel oder senkrecht zu einer Verlängerungsrichtung der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung angeordnet sein. Die DC-Elektrodenanordnung und die Gleichspannungsversorgung können dazu konfiguriert sein, Ionen über die Ausdehnung der HF-Elektrodenanordnungen hinaus einzuschließen.
Einfache ionenoptische Vorrichtungen für einen lonentyp
Es wird erneut Bezug genommen auf 8F, die ein Array von Streifenelektroden zeigt. Eine einfache ionenoptische Vorrichtung kann unter Verwendung eines einzelnen Substrats gebildet werden, das ein derartiges Array von Streifenelektroden aufweist und im Wesentlichen parallel zu einer flachen Plattenelektrode angeordnet ist. Dadurch wird ein lonenkanal im Raum zwischen der Außenfläche der Streifenelektroden und der flachen Plattenelektrode erstellt.
Unter Bezugnahme auf 9A wird ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Elektrodenarrays 110 und einer parallelen flachen Plattenelektrode 120 im Raum x-y (µm) gezeigt. Es ist zu beachten, dass es nicht wesentlich ist, dass die den Streifenelektroden gegenüberliegende Elektrode parallel zum Substrat der Streifenelektroden ist. Der Spalt zwischen der Plattenelektrode und dem Substrat kann variieren (oder es kann eine Elektrode unterschiedlicher Form verwendet werden), um die elektrische Feldstärke über den lonenkanal an unterschiedlichen Stellen zu ändern und dadurch eventuell den Ionen über den Kanal eine Antriebskraft bereitzustellen.
An das Substrat kann auch eine leitfähige Rückwandplatine angelegt werden. Eine derartige Elektrode kann dann vorteilhafterweise vorgespannt werden, um ein elektrisches Feld in der y-Richtung in den Vertiefungen zwischen den Streifenelektroden zu erstellen. Dieses elektrische Feld kann dazu dienen, Ionen von den Vertiefungen abzustoßen.
In einem ersten Beispiel wird eine Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, wie durch die vorstehende Gleichung (6) beschrieben und in 2 gezeigt, an die Streifenelektroden angelegt. 2 stellt eine höhere Spitzenspannung (die die positive Spannung ist) dar, und diese ist hierin als positive Polarität definiert. In diesem Beispiel wird eine Spannungswellenwellenform mit negativer Polarität (d. h. die Inverse der in 2 gezeigten Wellenform) und einer niedrigeren Spitzenspannung angelegt. Die Spitzenspannung (Null bis Spitze) beträgt 150 V, und die Grundfrequenz beträgt 20 MHz. Der zweite Term der Cosinus-Wellenform schwingt daher bei 40 MHz. Die flache Plattenelektrode weist zwischen sich und den Streifenelektroden eine Potenzialdifferenz von +1 V auf. Diese Potenzialdifferenz kann durch Anlegen einer Spannungsversorgung an die flache Plattenelektrode oder durch Vorspannen der an die Streifenelektroden angelegten HF-Spannung mit einem zeitinvarianten Potenzialoffset, oder beiden, erstellt werden.
Das in dem Raum zwischen der flachen Platte und den Streifenelektroden erstellte elektrische Feld ist dazu angeordnet, eine Kraft auf eine ausgewählte Ladungspolarität von interessierenden Ionen auszuüben, wobei die Kraft zum Streifenelektrodenarray gerichtet ist. In dem betrachteten Beispiel weisen die interessierenden Ionen eine positive Ladungspolarität auf. In diesem Beispiel gibt es keine Rückwandplatine für das Substrat.
Die HF-Spannungen werden in zwei Phasen aufgeteilt, wobei eine erste Phase an die Elektroden 1, 3, 5, 7 angelegt wird, und eine zweite Phase mit 180 Grad Differenz an die Elektroden 2, 4, 6, 8 angelegt wird, wobei diese Wellenform die Summe von zwei Cosinus-Termen wie in der vorstehenden Gleichung (6) ist. Somit wird die Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden unterschiedlicher Phase durch die Gleichung (9) angegeben. $w ν (t,0) - w ν (t, π) = \frac{4}{3} \cdot c o s (ω \cdot t)$
Bezug nehmend auf 9B sind in dieser Ausführungsform auf die Streifenelektroden angelegte Spannungswellenformen aufgetragen. Obwohl die angelegte Spannungswellenform asymmetrisch ist, ist die Spannungsdifferenz eine symmetrische Wellenform und das elektrische Feld entlang einer Ebene in der Mitte zwischen den beiden Elektroden mit unterschiedlicher Phasenspannungsansteuerung ist daher ebenfalls symmetrisch. Die an der flachen Plattenelektrode angelegte zeitinvariante Spannung generiert ein elektrisches Feld in y-Richtung. Die Streifenelektroden stoßen Ionen ab und die Kombination der beiden Effekte erzeugt einen effektiven Potenzialtopf für Ionen einer gegebenen Ladungspolarität.
Es wird nun auf 10A Bezug genommen, in der eine durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y (µm) veranschaulicht ist, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform von 9B, die auf das Elektrodenarray von 9A angelegt wird, durch Lösen der Gleichung (8) berechnet wird. Eine durchschnittliche lonenflugbahn ist für ein einfach geladenes Ion vom Typ C der Masse 100 Da ausgehend von (15, 37) (µm), wie durch das Kreissymbol angegeben, unter der Wirkung der in 9B dargestellten HF-Spannungswellenform, plus einer zeitinvarianten Spannung von +1 V, die an die flache Plattenelektrode angelegt wird, aufgetragen. Das Ion vom Typ C folgt der gepunkteten Flugbahn, die das Sternsymbol nach einem Zyklus erreicht.
Es wird nun auf 10B Bezug genommen, die einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 9A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit Testlinien K (gestrichelte Linie) und L (gepunktete Linie) zeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Die Testlinie L erstreckt sich auf 10 µm von der Stirnseite der Streifenelektroden für Ionen der Masse 100 Da, während sie sich für Ionen der Masse 1000 Da auf 4 µm von der Stirnseite der Streifenelektroden erstreckt.
Nun werden unter Bezugnahme auf 10C Diagramme eines effektiven Potenzials gegen den Abstand entlang der Testlinien von 10B für einfach geladene Ionen von 100 Da gezeigt. Der Begriff „effektives Potenzial“ wird zur Unterscheidung von dem häufig verwendeten Begriff „Pseudopotenzial“ verwendet, wie er auf bekannte Verfahren angewendet wird, bei denen sinusförmige Spannungswellenformen angelegt sind, die auf dem Vorhandensein eines Feldgradienten beruhen, wie vorstehend erörtert. Das linke Diagramm dieser Zeichnung zeigt ein effektives Potenzial (V) gegen die Position x (µm) bei y=+22 µm entlang der Testlinie K von 10B. Das rechte Diagramm zeigt ein effektives Potenzial (V) gegen die Position y (µm) bei x=0 entlang der Testlinie L von 10B. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Der Nullbezugspunkt für Potenzial wurde auf (0, 0) eingestellt. Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt.
Als Nächstes sind unter Bezugnahme auf 10D Diagramme eines effektiven Potenzials gegen den Abstand entlang der Testlinien von 10B für einfach geladene Ionen von 1000 Da gezeigt. Das linke Diagramm dieser Zeichnung zeigt ein effektives Potenzial (V) gegen die Position x (µm) bei y=+22 µm entlang der Testlinie K von 10B. Das rechte Diagramm zeigt ein effektives Potenzial (V) gegen die Position y (µm) bei x=0 entlang der Testlinie L von 10B. Die Diagramme gelten erneut für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die Streifenelektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An die flache Plattenelektrode wird eine Gleichspannung von +1 V angelegt.
Es ist daher ersichtlich, dass Ionen mit höherer Masse eine kleinere Schwingungsamplitude aufweisen und daher in der Lage sind, näher an Elektroden zu gelangen, bevor ihre Schwingungen sie mit der Elektrode in Kontakt bringen. Das effektive Potenzial kann daher für Ionen mit höherer Masse näher bei Elektroden bestimmt werden. Das Volumen des Raums zwischen der flachen Plattenelektrode und den Streifenelektroden kann für derartige Ionen größer sein, und derartige Ionen sind in Abständen, die näher an den Streifenelektroden liegen, stabil.
Es wird nun auf 11A Bezug genommen, die einen Konturverlauf des effektiven Potenzials im Raum x-y (µm) für Ionen vom Typ C von 10C (d. h. einfach geladen und mit einer Masse von 100 Da) zeigt, und auf 11B, die einen Konturverlauf des effektiven Potenzials für Ionen von 10D (d. h. einfach geladen und mit einer Masse von 1000 Da) zeigt. In beiden Fällen wird dies unter der Wirkung einer Zwei-Cosinus-Spannungswellenform mit negativer Polarität von 150 V Null bis Spitze bei einer Grundfrequenz von 20 MHz betrachtet, wobei +1 V zeitinvariante Spannung an die flache Plattenelektrode angelegt wird.
Ionen bewegen sich einige wenige Mikrometer von der Oberfläche der Streifenelektroden entfernt in den Boden des effektiven Potenzialtopfs. Sobald sie sich dort befinden, ist die Barriere für eine Bewegung entlang des Arrays (in x) (siehe 10D, linkes Diagramm) in dieser Struktur niedrig, wodurch Ionen leicht entlang des Arrays und über das Array transportiert werden können. In einer Fallenkonfiguration gemäß diesem Design ist die effektive Potenzialbarriere in x weitgehend dieselbe wie in y und beide sind hoch genug, um Ionen einzuschließen.
In anderen Ausführungsformen kann die flache Plattenelektrode durch ein zweites Substrat ersetzt werden, das ein zweites Array von Streifenelektroden aufweist, das dasselbe wie das erste Array von Streifenelektroden 110 ist und im Wesentlichen dem ersten Array zugewandt und parallel dazu angeordnet ist, sodass dadurch ein lonenkanal in dem Raum zwischen den zwei Arrays von Streifenelektroden erstellt wird. Die Streifenelektroden des ersten und des zweiten Arrays sind ausgerichtet und an sie ist dieselbe Spannungswellenform angelegt.
Vorrichtungen dieses Typs (sowie andere hierin offenbarte Vorrichtungen) können als Teil einer Schnittstelle zwischen einer Atmosphärendruck-Ionenquelle und einer nachgelagerten lonenoptik verwendet werden, die insbesondere bei niedrigeren Drücken betriebsfähig ist. Zwischen der lonenquelle und der Schnittstelle kann ein Beschleunigungspotenzial angelegt werden. Dies kann für die Massenspektrometrie und/oder die lonenmobilitätsanalyse verwendet werden. Zum Beispiel wird auf 11C Bezug genommen, in der ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Spektrometriesystems für die Massenspektrometrie dargestellt ist. Das Spektrometriesystem umfasst: eine Atmosphärendruck-Ionenquelle 130; eine Schnittstelle 140 gemäß der Offenbarung, die bei Atmosphärendruck betriebsfähig ist; eine lonenoptik 150, die in einem Vakuum (zum Beispiel einer oder mehreren lonenführungen, einem Massenfilter, einer Kollisionszelle oder Kombinationen davon) betriebsfähig ist; und einen Massenanalysator 160, der auch in einem Vakuum betriebsfähig ist. Die lonenoptik 150 kann in bestimmten Ausführungsformen optional sein.
Unter Bezugnahme auf 11 D ist ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Spektrometriesystems für die lonenmobilitätsspektrometrie dargestellt. Das Spektrometriesystem umfasst: eine Atmosphärendruck-Ionenquelle 130; eine Schnittstelle 140 gemäß der Offenbarung, die bei Atmosphärendruck betriebsfähig ist; einen lonenmobilitätsanalysator, der bei Atmosphärendruck oder im Vakuum betriebsfähig ist.
Unter Bezugnahme auf 11E wird ein schematisches Blockdiagramm eines dritten Spektrometriesystems für entweder Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie dargestellt. Das Spektrometriesystem umfasst: eine Atmosphärendruck-Ionenquelle 130; und ein lonenoptisches System 180 gemäß der Offenbarung, das bei Atmosphärendruck betriebsfähig ist; und eine optionale Analysatorvorrichtung 190 (die ein Massenanalysator oder lonenmobilitätsanalysator sein kann), die bei Atmosphärendruck oder im Vakuum betriebsfähig ist. Das ionenoptische System 180 umfasst eine oder mehrere HF-Ionenführungen, wie hierin beschrieben. Optional kann das ionenoptische System 180 einen lonenmobilitätsanalysator bilden (und in diesem Fall kann die Analysatorvorrichtung 190 nicht verwendet werden).
In einem Aspekt der Offenbarung (der mit anderen hierin beschriebenen Aspekten kombiniert werden kann) kann eine ionenabstoßende Oberfläche bereitgestellt werden, die Folgendes umfasst: eine erste Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang einer Achse verteilt sind (die linear und/oder gekrümmt sein kann), dazu konfiguriert ist, eine erste HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen; und eine zweite Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang der Achse verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von Elektroden mit der ersten Vielzahl von Elektroden verschachtelt ist und dazu konfiguriert ist, eine zweite HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung aufweist. Wenn die Achse linear ist, sind die erste und die zweite Vielzahl von länglichen Elektroden vorteilhafterweise im Wesentlichen parallel. Alternativ (und wie nachstehend weiter erörtert wird), kann die Achse der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden jeder ionenabstoßenden Oberfläche kreisförmig sein, sodass der lonenkanal einen kreisförmigen Flugweg definiert, damit Ionen durch ihn hindurchwandern. Die erste Vielzahl von länglichen Elektroden und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden befinden sich vorzugsweise auf einem Substrat. Alternativ können eine oder beide Vielzahlen von Elektroden an ihren Enden gehalten werden (beispielsweise ähnlich den Stäben in einer herkömmlichen ionenoptischen Quadrupol-Vorrichtung).
Es kann auch ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer ionenabstoßenden Oberfläche, einer ionenoptischen Vorrichtung, eines ionenoptischen Systems oder eines Spektrometers (die mit anderen hierin beschriebenen Aspekten kombiniert werden können) betrachtet werden. Dies kann Schritte aufweisen, die denen einer der hierin offenbarten Einrichtungen, Vorrichtungen oder Systeme entsprechen. Zum Beispiel können diese einschließen: Bereitstellen einer ersten Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang einer Achse verteilt sind (die linear und/oder gekrümmt sein kann); Empfangen einer ersten HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform an der ersten Vielzahl von Elektroden; Bereitstellen einer zweiten Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang der Achse verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von Elektroden mit der ersten Vielzahl von Elektroden verschachtelt ist; Empfangen einer zweiten HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung an der zweiten Vielzahl von Elektroden aufweist.
Die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden und die erste und die zweite HF-Spannung sind vorteilhafterweise so konfiguriert, dass eine Stärke eines elektrischen Feldes angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche hoch ist, insbesondere ausreichend ist, damit Ionen Mobilitätsvariation erfahren. Zum Beispiel können die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden und die erste und die zweite HF-Spannung so konfiguriert sein, dass eine Stärke eines elektrischen Feldes angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche mindestens 1 MV/m beträgt und/oder eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der zweiten HF-Spannung mindestens π/2 beträgt. Die ionenabstoßende Oberfläche kann in einer Umgebung (wie einem Gehäuse, einer Kammer oder einer offenen Umgebung) bereitgestellt werden, die dazu konfiguriert ist, bei einem hohen Gasdruck (mindestens 10 kPa, 25 kPa, 50 kPa oder 75 kPa) zu arbeiten. Das Gas kann Luft sein. Im Allgemeinen wird nur HF (d. h. keine DC, wie eine FAIMS-Kompensationsspannung) an die erste und die zweite Vielzahl von länglichen Elektroden angelegt.
In Ausführungsformen ist das Substrat im Wesentlichen elektrisch isolierend, zum Beispiel aus einem oder mehreren der Folgenden gebildet oder diese umfassend: ein Keramikmaterial; ein Polymer; oder ein Leiterplattenmaterial. Die verwendeten Substrate sind jedoch vorzugsweise geringfügig leitfähig, ausreichend, um Laden zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat planar sein.
Optional weist jede der ersten Vielzahl von Elektroden und/oder jede der zweiten Vielzahl von Elektroden eines oder mehrere der Folgenden auf: die gleiche Form, die gleichen Abmessungen und den gleichen Abstand; eine Höhe, die mindestens so groß ist wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden; einer Höhe, die kleiner als eine Dicke des Substrats ist; einer Breite, die mindestens so groß wie oder größer als ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist; eine Breite, die kleiner als 100 µm (vorzugsweise 50 µm) ist; einer Länge in der Verlängerungsrichtung, die mindestens 2, 3, 5, 10, 20, 25 oder 50 Mal so lang ist wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden; und einen Querschnitt (insbesondere senkrecht zur Verlängerungsrichtung), der eines der Folgenden ist: rechteckig, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken; hemisphärisch; und halbeiförmig. Die Längen in der Verlängerungsrichtung einiger oder jeder der Elektroden (von einem oder mehr als einen Satz) können im Wesentlichen gleich sein.
Die länglichen Streifenelektroden weisen vorzugsweise eine Höhe (in y) auf, die ähnlich, gleich groß oder größer als der Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist, sodass sich das freiliegende Substrat am Boden der Vertiefung befindet, die zwischen aneinander angrenzenden Streifenelektroden ausgebildet ist, und die Vertiefung ähnlich tief wie breit ist. Das im lonenkanal durch das Laden des freiliegenden Substrats im Boden der Vertiefungen erzeugte elektrische Feld wird dann stark reduziert. Simulationen geben an, dass unter diesen Bedingungen das Laden auf mehrere zehn Volt des Substrats im Boden einer solchen Vertiefung die Ionen im lonenkanal nicht in signifikantem Ausmaß stören muss. Es hat sich auch herausgestellt, dass, wenn Ionen durch den lonenkanal unter Verwendung eines Gasstroms oder beispielsweise eines zusätzlichen elektrischen Feldes transportiert werden, die Bewegung in x-Richtung stabiler ist als wenn Ionen in z-Richtung bewegt werden, wenn das Laden des freiliegenden Substrats im Boden der Vertiefungen erfolgt. Ionen, die sich in der x-Richtung bewegen, kreuzen nacheinander Streifenelektroden und Vertiefungen, und der durchschnittliche Effekt einer geladenen Vertiefung wird reduziert. Durch Bewegen in der z-Richtung werden Ionen für längere Zeit über Vertiefungen platziert, und ihre Flugbahnen werden durch das Laden des freiliegenden Substrats stärker beeinflusst.
In einer Implementierung ist jede der ersten Vielzahl von Elektroden mit einem ersten gemeinsamen Leiter (der zum Beispiel dazu konfiguriert ist, die erste HF-Spannung zu empfangen) an einem ersten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden verbunden. Dann kann jede der zweiten Vielzahl von Elektroden mit einem zweiten gemeinsamen Leiter (der insbesondere zum Empfangen der zweiten HF-Spannung konfiguriert ist) an einem ersten Ende der zweiten Vielzahl von Elektroden verbunden sein. Hier ist das erste Ende der zweiten Vielzahl von Elektroden distal zum ersten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden.
In einigen Ausführungsformen sind Ionen frei, sich in der Richtung parallel zu der Verlängerung der Elektroden (hierin als z-Richtung bezeichnet) zu bewegen. Ionen können beispielsweise in der z-Richtung durch Platzierung zusätzlicher (länglicher) Elektroden auf dem Substrat („Blockierelektroden“) zurückgehalten werden, zum Beispiel unmittelbar über die Enden der Vielzahl von (Streifen-) Elektroden hinaus, und in x-Richtung verlaufen. Zum Beispiel wird vorzugsweise eine DC-Elektrodenanordnung bereitgestellt, die eine oder mehrere Elektroden umfasst, die dazu konfiguriert sind, (nur) eine DC-Spannung zu empfangen. Jede der einen oder der mehreren Elektroden kann eine planare Form aufweisen und im Wesentlichen in derselben Ebene wie die erste Vielzahl von Elektroden und die zweite Vielzahl von Elektroden positioniert sein. Optional umfasst die DC-Elektrodenanordnung Folgendes: eine erste DC-Elektrode, die angrenzend an ein erstes Ende der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden senkrecht zu einer Verlängerungsrichtung angeordnet ist; und eine zweite DC-Elektrode, die angrenzend an ein zweites Ende der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden senkrecht zu einer Verlängerungsrichtung distal zum ersten Ende angeordnet ist. Somit können sich die Blockierelektroden an beiden Enden des Arrays von länglichen Elektroden befinden, um die Ionen einzuschließen, indem sie mit einem zeitinvarianten Potenzial vorgespannt werden. Die Ionen können dann frei sein, um sich entlang des Arrays von Streifenelektroden in +/- z-Richtungen unter dem Einfluss von Raumladung zu dehnen, bis sie die Nähe der Blockierelektroden erreichen. Eine große Länge der länglichen Array-Elektroden kann es ermöglichen, viel größere lonenströme zu verwenden, da die Raumladungskapazität der Struktur verbessert wird. Ionen können in der x-Richtung durch das Array bewegt werden (wie nachstehend weiter beschrieben wird) oder Ionen können unter Verwendung eines Gasstroms oder eines zusätzlichen elektrischen Feldes in z-Richtung bewegt werden.
In Ausführungsformen ist auf einer Seite des Substrats gegenüber der, auf der sich die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden befinden, eine leitfähige Rückwandplatine bereitgestellt. Die leitfähige Rückwandplatine kann dazu konfiguriert sein, eine Gleichspannung zu empfangen. Die Gleichspannung kann ein elektrisches Feld in der y-Richtung in den Vertiefungen zwischen den Streifenelektroden erstellen, was dazu dienen kann, Ionen von den Vertiefungen abzustoßen.
Mehr als zwei Gruppen von Elektroden können auf dem Substrat bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann die ionenabstoßende Oberfläche (oder eine ionenoptische Vorrichtung, die die ionenabstoßende Oberfläche umfasst) ferner umfassen: eine dritte Vielzahl von länglichen Elektroden auf dem Substrat, die entlang einer zweiten Achse verteilt und von der ersten und zweiten Vielzahl von Elektroden verschieden und dazu konfiguriert ist, eine dritte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase aufweist als die erste und die zweite HF-Spannung. Zusätzlich kann eine vierte Vielzahl von länglichen Elektroden auf dem Substrat bereitgestellt werden, wobei die vierte Vielzahl von Elektroden mit der dritten Vielzahl von Elektroden entlang der zweiten Achse verschachtelt und dazu konfiguriert ist, eine vierte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase aufweist als die erste, zweite und dritte HF-Spannung. Vorteilhafterweise ist die zweite Achse eine Verlängerung der ersten Achse, sodass die dritte und/oder die vierte Vielzahl von Elektroden auf demselben Substrat ausgebildet sind wie die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden. Alternativ (wie nachstehend weiter erörtert wird) kann die zweite Achse parallel zu der ersten Achse sein, wobei die dritte und/oder die vierte Vielzahl von Elektroden auf einem anderen Substrat ausgebildet sind als die erste und zweite Vielzahl von Elektroden.
In vielen Ausführungsformen ist eine zweite im Wesentlichen planare Oberfläche (vorzugsweise) parallel zu dem ersten Substrat (und/oder der ionenabstoßenden Oberfläche) platziert. Zum Beispiel kann eine ionenoptische Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen bereitgestellt werden, die Folgendes umfasst: eine ionenabstoßende Oberfläche wie hierin offenbart; und eine Plattenelektrode, die von der ionenabstoßenden Oberfläche räumlich getrennt ist, um einen lonenkanal zwischen der ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode zu definieren. Zum Beispiel kann die Plattenelektrode dazu konfiguriert sein, eine Gleichspannung oder eine HF-Spannung mit einem zeitinvarianten Potenzialoffset zu empfangen. Die Plattenelektrode kann mit einem Potenzial vorgespannt sein, das sich von dem Durchschnittspotenzial unterscheidet, das auf die Vielzahlen von Elektroden der ionenabstoßenden Oberfläche angelegt wird und eine Polarität aufweist, um Ionen in Richtung der ionenabstoßenden Oberfläche abzustoßen. In dieser Ausführungsform erstellt die Plattenelektrodenvorspannung ein elektrisches Feld im lonenkanal (in y-Richtung), sodass der Spalt zwischen dem ersten Substrat und der Plattenelektrode innerhalb eines Größenbereichs liegen kann. Ein größerer Spalt kann eine größere Potenzialdifferenz erfordern, um die gleiche Stärke des elektrischen Feldes zu erstellen. Das elektrische Feld erstellt eine Kraft auf die Ionen und die Elektroden der ionenabstoßenden Oberfläche erstellen eine entgegengesetzte Kraft, wodurch die Ionen innerhalb einer Region des lonenkanals gehalten werden. Vorteilhafterweise ist die Plattenelektrode im Wesentlichen parallel zu der ionenabstoßenden Oberfläche. In anderen Ausführungsformen kann der Spalt zwischen der Plattenelektrode und dem Substrat variieren (oder es kann eine Elektrode unterschiedlicher Form verwendet werden), zum Beispiel um den Spalt über den lonenkanal zu vergrößern oder zu verringern, um die elektrische Feldstärke über den lonenkanal an unterschiedlichen Stellen zu ändern. Auf diese Weise kann ein axialer Gleichstromgradient bereitgestellt werden. Die Frequenz (insbesondere die Grundfrequenz) der ersten und der zweiten HF-Spannung kann so gewählt werden, dass lonenschwingungsamplituden kleiner als ein wesentlicher Bruchteil einer Breite des lonenkanals sind. Andere zweite Oberflächen werden nachstehend erörtert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann in einem ionenoptischen System festgestellt werden, das eine Vielzahl von HF-Ionenführungen umfasst, wobei jede der Vielzahl von HF-Ionenführungen durch eine ionenoptische Vorrichtung gebildet wird, wie hierin offenbart.
Ein weiterer Aspekt ist in einem Massenspektrometer ersichtlich, umfassend: ein ionenoptisches System wie hierin offenbart; und mindestens eine ionenoptische Verarbeitungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Ionen von dem ionenoptischen System zu empfangen. Alternativ kann ein lonenmobilitätsspektrometer betrachtet werden, umfassend einen lonenmobilitätsanalysator, der aus einer ionenoptischen Vorrichtung oder einem ionenoptischen System, wie hierin beschrieben, gebildet ist.
In einem zusätzlichen Aspekt kann eine ionenoptische Schnittstelle zwischen einem ersten Teil eines Massenspektrometriesystems und einem zweiten Teil eines Massenspektrometriesystems betrachtet werden, umfassend eine HF-Ionenführung, die aus einer ionenoptischen Vorrichtung oder einem ionenoptischen System, wie hierin offenbart, gebildet ist. In diesem Fall kann die HF-Ionenführung dazu konfiguriert sein, Ionen von dem ersten Teil des Massenspektrometriesystems an einem ersten Ende der HF-Ionenführung zu empfangen und Ionen an einem zweiten gegenüberliegenden Ende der HF-Ionenführung an den zweiten Teil des Massenspektrometriesystems auszugeben. Zum Beispiel kann der erste Teil des Massenspektrometriesystems eine lonenquelle umfassen. In einer vorteilhaften Implementierung ist das erste Ende der HF-Ionenführung so angeordnet, dass es bei Atmosphärendruck arbeitet und das zweite Ende der HF-Ionenführung ist so angeordnet, dass es bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck arbeitet.
Die ionenoptische Schnittstelle kann Teil eines Massen- oder lonenmobilitätsspektrometers sein, das vorzugsweise ferner eine lonenquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, Ionen zu generieren, die an der ionenoptischen Schnittstelle empfangen werden sollen. Zum Beispiel umfasst die lonenquelle eines von: einer lonenquelle für Chemikalienionisation bei Atmosphärendruck (APCI); einer lonenquelle für Atmosphärendruckfotoionisation (APPI); einer lonenquelle für Elektrosprayionisation (ESI); einer lonenquelle für Elektronenionisation (EI); einer lonenquelle für Chemikalienionisation (CI); einer lonenquelle mit induktiv gekoppeltem Plasm (ICP); und einer lonenquelle für matrixunterstützte Laserdesorption/ionisation (MALDI). Eine Potenzialdifferenz zwischen der lonenquelle und der ionenoptischen Schnittstelle im Betrieb kann dazu führen, dass Ionen, die durch die lonenquelle generiert werden, zur HF-Ionenführung wandern und in das erste Ende der HF-Ionenführung eintreten. Zusätzlich oder alternativ kann eine Temperatur der HF-Ionenführung im Betrieb höher sein als die der lonenquelle. Die lonenquelle kann dazu konfiguriert sein, einen lonenstrom von mindestens 5 nA zu generieren.
Ein lonenverarbeitungssystem kann dann dazu konfiguriert sein, Ionen von der ionenoptischen Schnittstelle zu empfangen. Zum Beispiel kann das lonenverarbeitungssystem einen lonenmobilitätsanalysator umfassen, der dazu angeordnet ist, Ionen von der HF-Ionenführung zu empfangen und die empfangenen Ionen nach ihren jeweiligen lonenmobilitäten zu trennen.
Nachstehend wird auf dieser allgemeine Bedeutung weiter Bezug genommen. Nun werden andere spezifische Ausführungsformen erörtert.
Einfache ionenoptische Vorrichtungen für mehr als einen Ionentyp
Es wird nun auf 12A Bezug genommen, die eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von zwei parallelen Arrays von Streifenelektroden auf einem Substrat und mit einer flachen Plattenelektrode, y (µm) gegen x (µm), zeigt. Die Arrays von Streifenelektroden bilden Multipole. Diese Vorrichtung soll eine Probe einer gegebenen Ladungspolarität von Ionen entlang eines Elektrodenarrays übertragen, wobei die Probe Ionen mit Mobilitätsvarianz sowohl vom Typ C als auch vom Typ A mit einer gegebenen Ladungspolarität aufweist.
Es wird eine Doppelstruktur verwendet. Ein erstes Substrat (nicht gezeigt), auf dem ein Streifenelektrodenarray 210 bereitgestellt ist, das eine asymmetrische HF-Spannungswellenform mit einer ersten Polarität aufweist, die an die Elektroden angelegt wird, ist durch eine flache Plattenelektrode 220 von einem im Wesentlichen parallelen zweiten Substrat (nicht gezeigt) getrennt, auf dem ein Streifenelektrodenarray 230 gebildet ist, das eine zweite Spannungswellenform mit entgegengesetzter Polarität aufweist, die an die Elektroden angelegt wird. Dadurch werden zwei lonenkanäle gebildet, ein erster lonenkanal 215 zwischen dem ersten Substrat und der flachen Plattenelektrode 220, und ein zweiter lonenkanal 225 zwischen dem zweiten Substrat und der flachen Plattenelektrode.
Der erste lonenkanal 215 ist dazu angeordnet, Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ C durch die Wahl der Polarität der Spannungswellenform, die an die Streifenelektroden 210 auf dem ersten Substrat angelegt wird, zu übertragen, und der zweite lonenkanal 225 ist dazu angeordnet, Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ A durch die Wahl der Polarität der Spannungswellenform, die an die Streifenelektroden 230 des zweiten Substrats angelegt wird, zu übertragen. Die flache Plattenelektrode 220 dient dazu, ein elektrisches Feld zu generieren, das eine Kraft auf Ionen mit den beiden Mobilitätsvarianzen vom Typ C und A ausübt, zum Beispiel durch Anlegen einer Gleichspannung an die Plattenelektrode, wobei die Kraft in Richtung des jeweiligen Streifenelektrodenarrays geht. Auf diese Weise wird eine gegebene Ladungspolarität von Ionen sowohl mit der Mobilitätsvarianz vom Typ A als auch mit der vom Typ C übertragen.
Vorteilhafterweise kann die Trennung vom Ionen vom Typ C und Ionen vom Typ A der Vorrichtung in 12A vorgelagert, durch Verwendung eines einfachen niedrig auflösenden FAIMS-Separators erreicht werden, der eine mit der flachen Plattenelektrode ausgerichtete Achse aufweist, und eine FAIMS-Trennung in y-Richtung aufweist. Die FAIMS-Elektroden in dieser vorgelagerten Vorrichtung sind parallel zu den beiden Substraten und befinden sich auf beiden Seiten der Achse des FAIMS-Separators. Es ist nur eine geringfügige FAIMS-Trennung erforderlich, um Ionen vom Typ C zu einer Seite der Achse und Ionen vom Typ A zu der anderen Seite der Achse (in y) zu führen. Die FAIMS-Elektroden sind so positioniert, dass diese geringfügige Trennung nicht dazu führt, dass interessierende Ionen auf die FAIMS-Elektroden auftreffen. Stattdessen werden sie an die Vorrichtung von 12A auf beiden Seiten der flachen Plattenelektrode abgegeben.
Es wird nun auf 12B Bezug genommen, die einen Abschnitt der Elektrodenstruktur von 12A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit der Testlinie G (gestrichelte Linie) innerhalb des ersten lonenkanals 215 für Ionen vom Typ C und der Testlinie H (gepunktete Linie) innerhalb des ersten lonenkanals 225 für Ionen vom Typ A zeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 12C und 12D Diagramme von effektivem Potenzial (V) gegen die Position y (µm) entlang der Testlinien von 12B für einfach geladene Ionen gezeigt. Die Masse der Ionen in 12C beträgt 100 Da und die Masse der Ionen in 12D beträgt 1000 Da. Das linke Diagramm jeder Zeichnung befindet sich entlang der Testlinie G von 12B und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie H von 12B. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die oberen Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An die flache Plattenelektrode wird eine Gleichspannung von +1 V angelegt.
Es ist anzumerken, wie ein erheblicher Rest-Pseudopotenzialeffekt für Ionen der Masse 1000 Da (12D), aber ein sehr geringer Rest-Pseudopotenzialeffekt für Ionen der Masse 100 Da (12C) vorliegt. Die vorliegende Offenbarung nutzt jeglichen Rest-Pseudopotenzialeffekt, der unter der Wirkung der asymmetrischen Spannungswellenform vorhanden ist.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 13A wird eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Arrays von Streifenelektroden 310 gezeigt, die Multipole auf einem Substrat und mit einer flachen Plattenelektrode 320, y (µm) gegen x (µm), bilden. Dies stellt einen zweiten Ansatz für die Übertragung (und/oder Einschluss) einer Probe einer gegebenen Ladungspolarität von Ionen entlang eines Elektrodenarrays bereit, wobei die Probe Ionen mit Mobilitätsvarianz sowohl vom Typ C als auch vom Typ A einer gegebenen Ladungspolarität aufweist.
Die Arrays von Elektroden bilden Fallen für Ionen einer gegebenen Mobilitätsvarianz. Die Gruppen von Elektroden werden mit einer Spannungswellenform einer Polarität bereitgestellt und andere Gruppen von Elektroden werden mit einer Spannungswellenform der entgegengesetzten Polarität bereitgestellt, wobei alle Gruppen von Elektroden sich auf einem einzigen Substrat befinden.
Bezug nehmend auf 13B sind in dieser Ausführungsform auf die Streifenelektroden angelegte Spannungswellenformen aufgetragen. In diesem Beispiel liegt eine erste Gruppe von Streifenelektroden (1, 2) auf negativem x und weist eine negative Polarität auf und eine zweite Gruppe von Elektroden (3, 4) liegt auf positivem x und weist eine positive Polarität auf. Die erste Gruppe weist eine angelegte Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen mit negativer Polarität auf und die zweite Gruppe weist eine angelegte Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen mit negativer Polarität auf. Sowohl die Spannungswellenform mit negativer Polarität als auch die Spannungswellenform mit positiver Polarität werden in zwei Phasen mit 180 Grad Phasenverschiebung dazwischen aufgeteilt, die auf alternierende Elektroden angelegt wird.
Unter Bezugnahme auf 14A wird ein Abschnitt der Elektrodenstruktur von 13A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit Testlinien R (gestrichelte Linie) und S (gepunktete Linie) gezeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Die Testlinien R und S erstrecken sich in einer Entfernung von 10 µm von der flachen Plattenelektrode bis in einer Entfernung von 10 µm von der Oberfläche der Streifenelektroden. Die Testlinien befinden sich bei x = -80 µm bzw. +80 µm.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 14B und 14C Diagramme von effektivem Potenzial (V) gegen die Position y (µm) entlang der Testlinien von 12B für einfach geladene Ionen gezeigt. Die Masse der Ionen in 14B beträgt 100 Da und die Masse der Ionen in 14C beträgt 1000 Da. Das linke Diagramm jeder Zeichnung befindet sich entlang der Testlinie R von 14A und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie S von 14B. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die oberen Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An unterschiedliche Elektrodenpaare werden Wellenformen mit alternativer Polarität angelegt, wie vorstehend erörtert und in 13B gezeigt. Wie aus dem Vergleich der 14B und 14C ersichtlich, ist die Position des effektiven Potenzialtopfs für Ionen mit unterschiedlicher Masse unterschiedlich.
Unter Bezugnahme auf 15A wird ein Abschnitt der Elektrodenstruktur von 13A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit Testlinien T1 (gestrichelte Linie) und T2 (gepunktete Linie) gezeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Die Testlinien T1 und T2 erstrecken sich von -100 µm bis +100 µm in x und bei y = 23 µm (T1) und y = 30 µm (T2). In Anbetracht der unterschiedlichen Positionen des effektiven Potenzialtopfs für Ionen unterschiedlicher Masse werden zwei verschiedene y-Stellen von Testlinien T1 und T2 betrachtet.
Nun werden unter Bezugnahme auf 15B Diagramme von effektivem Potenzial (V) gegen die Position x (µm) entlang der Testlinien von 15A für einfach geladene Ionen gezeigt. Das obere Diagramm befindet sich entlang der Testlinie T1 von 15A und berücksichtigt Ionen der Masse 100 Da. Das untere Diagramm befindet sich entlang der Testlinie T2 von 15A und berücksichtigt Ionen der Masse 1000 Da. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die oberen Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An unterschiedliche Elektrodenpaare werden Wellenformen mit alternativer Polarität angelegt, wie vorstehend erörtert und in 13B gezeigt.
Es ist daher zu erkennen, dass für die unterschiedlichen Ionen eine Reihe von Potenzialtopf-Stellen erstellt werden, wodurch die Ionen räumlich getrennt werden. Die Verwendung von Spannungswellenformen mit alternierender Polarität an verschiedenen Elektrodenpaaren ermöglicht, dass Ionen vom Typ C und vom Typ A von dem einzelnen Substrat abgestoßen werden. Die Wellenformen mit alternierender Polarität können an aneinander angrenzende Paare von Elektroden angelegt werden, aber mehr bevorzugt werden sie an Gruppen von Elektroden angelegt, wobei jede Gruppe in sich mindestens drei Elektroden aufweist. Ionen vom Typ C werden von den Bereichen des Substrats abgestoßen, in denen die Polarität der Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen eine negative Polarität ist, und Ionen vom Typ A werden von den Bereichen des Substrats abgestoßen, in denen die Polarität der Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen eine positive Polarität ist.
Die effektive Potenzialbarriere, die durch die Ionen in der x-Richtung (über das Array) erfahren wird, sobald sie sich in oder nahe dem Potenzialtopf in der y-Richtung befinden, ist in 15B gezeigt. Dies zeigt auch der Fall einer bevorzugten Ausführungsform, bei der Spannungswellenformen mit alternierender Polarität an angrenzende Gruppen von Streifenelektroden angelegt werden. Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, dass alle Elektroden einer Gruppe aneinander angrenzen. Durch Anlegen der Spannungswellenform mit der geeigneten Polarität an die Elektroden in den verschiedenen Abschnitten können ein Abschnitt oder Abschnitte des Substrats verwendet werden, um Ionen mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C abzustoßen und ein weiterer Abschnitt oder weitere Abschnitte können verwendet werden, um Ionen mit einer Mobilitätsvarianz vom Typ A abzustoßen.
Verfügbare Anhaltspunkte lassen darauf schließen, dass, wenn die Gruppen von Elektroden, die eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, nur geringe Anzahlen von Streifenelektroden aufweisen, wie beispielsweise nur zwei, und die zwei Gruppen aneinander angrenzen, Ionen, die nahe an der Grenze zwischen aneinander angrenzenden Gruppen zu liegen kommen, instabil werden können und sich in die Region bewegen, in der die Polarität der Spannungswellenform einen effektiven Potenzialberg erzeugt, der die Ionen auf die Streifenelektroden treibt. Es ist daher vorteilhaft, mehr als zwei Elektroden in jeder Gruppe zu haben. Dieser Effekt kann beim Vergleich von 15B mit den 14B und 14C erkannt werden. Wenn das effektive Potenzial ein Topf für Ionen vom Typ C in y (14B, linkes Diagramm und 14C, linkes Diagramm) ist, entsteht ein Sattel beim Scannen entlang x (15B).
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 16A ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des ersten 410 und des zweiten 420 Arrays von Streifenelektroden gezeigt, die Multipole auf jeweiligen gegenüberliegenden Substraten, y (µm) gegen x (µm), bilden. Dies stellt einen dritten Ansatz für die Übertragung (und/oder Einschluss) einer Probe einer gegebenen Ladungspolarität von Ionen entlang eines Elektrodenarrays bereit, wobei die Probe Ionen mit Mobilitätsvarianz sowohl vom Typ C als auch vom Typ A einer gegebenen Ladungspolarität aufweist. Bezug nehmend auf 16B sind in dieser Ausführungsform auf die Streifenelektroden angelegte Spannungswellenformen aufgetragen.
Elektrodenpaare 410 sind mit einer Spannungswellenform einer Polarität versehen und andere Elektrodenpaare 410 sind mit einer Spannungswellenform mit der entgegengesetzten Polarität versehen, wobei sich alle diese Elektroden 410 auf einem ersten Substrat befinden. Vorzugsweise wird der folgende Ansatz getroffen. Eine erste Gruppe von Streifenelektroden umfasst zwei oder mehr Paare von zusammenhängenden Elektroden (mit 1 und 2 bezeichnet) mit angelegten asymmetrischen Spannungswellenformen mit negativer Polarität, wobei alternierende Elektroden innerhalb der Gruppe eine Phasenverschiebung in den zwischen ihnen angelegten Spannungen aufweisen. Eine zweite Gruppe von Streifenelektroden, die zwei oder mehr Paare zusammenhängender Elektroden (mit 3 und 4 bezeichnet) umfasst, weist eine asymmetrische Spannungswellenform mit positiver Polarität auf. Alternierende Elektroden innerhalb der Gruppe weisen eine Phasenverschiebung in den zwischen ihnen angelegten Spannungen auf. Die Phasenverschiebung beträgt vorzugsweise 180 Grad.
Ein zweites Substrat mit dem gleichen Muster von Streifenelektroden 420 ist bereitgestellt und ist so angeordnet, dass es dem ersten Substrat zugewandt ist und mit diesem ausgerichtet ist. Die Streifenelektroden der beiden Substrate sind ausgerichtet und weisen dieselbe angelegte Spannungswellenform auf.
Unter Bezugnahme auf 16C wird ein Abschnitt der Elektrodenstruktur von 16A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit Testlinien U (gepunktete Linie) bei x=-70 µm und V (gestrichelte Linie) bei x=+70 µm gezeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Unter Bezugnahme auf 16D wird ein Abschnitt der Elektrodenstruktur von 16A im Raum x-y (µm) (durchgezogene Linien) mit einer Testlinie W gezeigt, um anzugeben, wo ein Pseudopotenzial berechnet wird. Die Testlinie W liegt in der Mitte zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Substraten bei y = 0.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 16E und 16F Diagramme von effektivem Potenzial (V) gegen die Position y (µm) entlang der Testlinien von 16C für einfach geladene Ionen gezeigt. Die Masse der Ionen in 16E beträgt 100 Da und die Masse der Ionen in 16F beträgt 1000 Da. Das linke Diagramm jeder Zeichnung befindet sich entlang der Testlinie U von 16C und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie V von 16C. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die oberen Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An aneinander angrenzende Elektrodenpaare werden Wellenformen mit alternativer Polarität angelegt, wie vorstehend erörtert und in 16B gezeigt.
Nun werden unter Bezugnahme auf 16G Diagramme von effektivem Potenzial (V) gegen die Position x (µm) entlang der Testlinien von 16D für einfach geladene Ionen gezeigt. Das obere Diagramm gilt für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da und das untere Diagramm für einfach geladene Ionen der Masse 1000 Da. Die Diagramme gelten für Ionen mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 150 V Null bis Spitze wird mit negativer Polarität an die oberen Elektroden bei einer Grundfrequenz von 20 MHz mit 2-facher Phasenaufteilung angelegt. An aneinander angrenzende Elektrodenpaare werden Wellenformen mit alternativer Polarität angelegt, wie vorstehend erörtert und in 16B gezeigt. In diesem Ansatz liegt der effektive Potenzialtopf aller lonenspezies entlang der Achse (y = 0), wie in den 16E, 16F und 16G gezeigt.
Es wurde entdeckt, dass, wenn die Gruppen von Elektroden mit entgegengesetzter Polarität nur geringe Anzahlen von Streifenelektroden aufweisen (zum Beispiel nur zwei) und die zwei Gruppen aneinander angrenzen, Ionen, die nahe an der Grenze zwischen aneinander angrenzenden Gruppen liegen, instabil werden und sich in die Region bewegen können, in der die Polarität der Spannungswellenform einen effektiven Potenzialberg erzeugt, der die Ionen auf die Streifenelektroden treibt. Es ist daher vorteilhaft, mehr als zwei Elektroden in jeder Gruppe zu haben. Dieser Effekt kann erkannt werden, wenn 16G mit den 16E und 16F verglichen wird. Wenn das effektive Potenzial ein Topf für Ionen vom Typ C ist, entsteht ein Sattel beim Scannen entlang x.
Unter Bezugnahme auf eine allgemeine Bedeutung der vorstehend erörterten Offenbarung kann ein weiterer Aspekt der Offenbarung in einer ionenoptischen Vorrichtung festgestellt werden, die eine zweite im Wesentlichen planare Oberfläche umfasst, die der ionenabstoßenden Oberfläche zugewandt ist. Zum Beispiel kann die ionenoptische Vorrichtung umfassen: eine erste ionenabstoßende Oberfläche, wie hierin offenbart; und eine zweite ionenabstoßende Oberfläche, wie hierin offenbart, räumlich getrennt von der ersten ionenabstoßenden Oberfläche, um einen lonenkanal zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche zu definieren. Mit anderen Worten kann die zweite im Wesentlichen planare Oberfläche ein zweites Substrat von Streifenelektroden sein, wobei die Außenoberflächen der Elektroden der Außenoberfläche der Elektroden des ersten Substrats zugewandt sind. Der zwischen den Außenoberflächen der zwei Arrays von Streifenelektroden erstellte Raum bildet einen Kanal, und typischerweise hat der Kanal eine Größe ähnlich dem oder von einigen Vielfachen des Abstand(s) zwischen Streifenelektroden (zum Beispiel zwischen dem 1- und 4-fachen oder zwischen dem 1- und 3-fachen oder zwischen dem 1- und 2-fachen des Abstands zwischen Streifenelektroden), sodass Ionen in diesen Kanal injiziert werden können. Die Arrays von Streifenelektroden der beiden Substrate können alle in der gleichen (z) Richtung verlängert sein und sie können miteinander ausgerichtet sein. Alternativ können die Streifenelektroden auf einem Substrat in einem Winkel zu denen des zweiten Substrats angeordnet sein. Der Winkel kann 90 Grad betragen. Wie bei anderen hierin betrachteten ionenoptischen Vorrichtungen kann die Frequenz der ersten und der zweiten HF-Spannung (insbesondere der Grundfrequenz) so gewählt werden, dass lonenschwingungsamplituden kleiner als ein wesentlicher Anteil einer Breite des lonenkanals sind. Wie vorstehend beschrieben, kann auch ein ionenoptisches System, das eine Vielzahl von HF-Ionenführungen umfasst, betrachtet werden, wobei jede der Vielzahl von HF-Ionenführungen durch eine ionenoptische Vorrichtung gebildet wird, wie hierin offenbart.
Optional kann eine Plattenelektrode zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche positioniert und räumlich davon getrennt sein, um einen ersten lonenkanal zwischen der ersten ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode und einen zweiten lonenkanal zwischen der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode zu definieren. Dann können die erste und die zweite HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche eine entgegengesetzte Polarität zu der ersten und der zweiten HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche aufweisen. Dies kann es ermöglichen, dass der erste und der zweite lonenkanal Ionen unterschiedlicher Mobilitätstypen transportieren. Ein FAIMS-Separator kann der ionenoptischen Vorrichtung vorgelagert bereitgestellt werden, der dazu konfiguriert ist, Ionen nach ihrem lonenmobilitätstyp zu trennen und einen ersten lonentyp zu dem ersten lonenkanal und einen zweiten lonentyp zu dem zweiten lonenkanal zu leiten.
In der ionenoptischen Vorrichtung ist die erste Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie mit der ersten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und sich ihr gegenüber befindet und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche ist so angeordnet, dass sie mit der zweiten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und sich ihr gegenüber befindet. Dann ist die erste HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche typischerweise die gleiche wie die erste HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche und/oder die zweite HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche ist typischerweise die gleiche wie die zweite HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche.
In einigen Ausführungsformen weist jede der ersten und/oder zweiten ionenabstoßenden Oberfläche mehr als zwei jeweilige Vielzahlen von Elektroden auf, beispielsweise mit vier Vielzahlen von Elektroden (von denen jede eine HF-Spannung mit unterschiedlicher Phase empfängt), wie vorstehend erörtert. Dann kann die dritte Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche mit der dritten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet sein und sich ihr gegenüber befinden, und/oder die vierte Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche kann mit der vierten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet sein und sich ihr gegenüber befinden. Dann ist die dritte HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche typischerweise die gleiche wie die dritte HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche und/oder die vierte HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche ist typischerweise die gleiche wie die vierte HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche. In solchen Konfigurationen können die erste HF-Spannung und die dritte HF-Spannung entgegengesetzte Polarität aufweisen und/oder die zweite HF-Spannung und die vierte HF-Spannung können entgegengesetzte Polarität aufweisen (wobei die Polarität in diesem Zusammenhang durch eine durchschnittliche (mittlere) Spannung oder die Polarität der höheren Spitzenspannung über einen Zyklus einer Wellenform der jeweiligen HF-Spannung definiert ist).
Transfer von einem Paar einander gegenüberliegender Streifenelektrodenarrays zu einem anderen
Nun Bezug nehmend auf 17 ist ein schematisches Diagramm eines ersten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen gezeigt, die Folgendes umfassen: eine erste lonenführung 510; eine zweite lonenführung 520; eine erste Transferelektrode 530; und eine zweite Transferelektrode 540. Die erste Transferelektrode 530 befindet sich angrenzend an eine Öffnung 518 in der ersten lonenführung 510. Die zweite Transferelektrode 540 befindet sich angrenzend an eine Öffnung 528 in der zweiten lonenführung 520. Jede der ersten lonenführung 510 und der zweiten lonenführung 520 ist geeignet, Ionen mit einer Mobilitätsvarianz eines Typs bei einer gegebenen lonenladungspolarität zu übertragen, wie vorstehend erörtert. Diese Anordnung ermöglicht einen parallelen Transfer von Ionen von einer gepaarten Führung zu einer anderen. Äquipotenziale des effektiven Potenzials (effektives Potenzial plus DC-Potenzial) sind durch dünne Linien dargestellt. Die Phasenverschiebung von 180 Grad der Cosinus-Wellenform mit zwei Termen zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist durch die Begriffe „HF-“ und „HF+“ angegeben.
Die zweite lonenführung 520 weist einen niedrigeren Spannungsoffset (für positive Ionen) auf als die erste lonenführung 510. Zur Übertragung von Ionen durch die erste lonenführung 510 entlang einer Geraden wird eine abstoßende Spannung an die erste Transferelektrode 530 angelegt. Zum Transfer in die zweite lonenführung 520 entlang des Pfades 515 wird diese Spannung auf anziehend geschaltet (negativ bei positiven Ionen). Das resultierende Feld extrahiert Ionen aus der Öffnung in der ersten lonenführung 510 entlang des Gleichspannungsgradienten in die zweite lonenführung 520, wo sie an der effektiven Potenzialbarriere der zweiten lonenführung 520 erfasst und dann durch den DC-Gradienten auf die gleiche Weise geleitet werden, wie in den vorstehenden Abschnitten beschrieben. Dieser Prozess könnte auch im Gating-Modus ausgeführt werden, d. h. ein Transfer erfolgt nur für eine kurze Zeit, beispielsweise für ausgewählte Spezies. In diesem Fall kann ein schnelles Schalten (oder Pulsieren) der Spannung an der Transferelektrode 530 von abstoßend zu anziehend und zurück zu einer abstoßenden Spannung verwendet werden. Die Transferelektroden können hierin in derartigen Ausführungsformen als Gating-Elektroden bezeichnet werden.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 18 wird ein schematisches Diagramm eines zweiten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen gezeigt. Diese Ausführungsform ermöglicht den Transfer von einer ersten gepaarten lonenführung 610 zu einer zweiten, senkrechten lonenführung 620 unter Verwendung der ersten Transferelektrode 630 und der zweiten Transferelektrode 640. Jede der ersten lonenführung 610 und der zweiten lonenführung 620 ist geeignet, Ionen mit einer Mobilitätsvarianz eines Typs bei einer gegebenen lonenladungspolarität zu übertragen.
Ebenfalls in dieser Zeichnung gezeigt (aber auf andere Ausführungsformen oder Implementierungen anwendbar, wie hierin offenbart) ist ein Gehäuse 645. Das Gehäuse 645 schließt auch eine Vielzahl von Öffnungen zum loneneintritt und/oder lonenaustritt ein. In dieser Ausführungsform schließen diese ein: eine erste Öffnung 650 (mit ihr können Ionen zu oder von einem Ende der ersten lonenführung 610 geleitet werden); eine zweite Öffnung 655 (mit ihr können Ionen zu oder von dem anderen Ende der ersten lonenführung 610 geleitet werden); und eine dritte Öffnung 660 (mit ihr können Ionen zu oder von einem Ende der zweiten lonenführung 620 distal zur ersten lonenführung 610 geleitet werden können). Wie vorstehend beschrieben, sind Äquipotenziale des effektiven Potenzials (effektives Potenzial plus DC-Potenzial) durch dünne Linien dargestellt. Die Phasenverschiebung von 180 Grad der Cosinus-Wellenform mit zwei Termen zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist durch die Begriffe „HF-“ und „HF+“ angegeben.
Die zweite lonenführung 620 weist ebenfalls einen niedrigeren Spannungsoffset (für positive Ionen) auf als die erste lonenführung 610. Zur Übertragung von Ionen durch die erste lonenführung 610 auf einem geradlinigen Weg wird eine abstoßende Spannung an die erste Transferelektrode 630 angelegt. Zum Transfer durch eine Öffnung 618 in der ersten lonenführung 610 in die zweite lonenführung 620 wird diese Spannung auf eine anziehende geschaltet (negativ für positive Ionen). Das resultierende Feld extrahiert Ionen entlang des ansteigenden Gleichspannungsgradienten, der durch die zweite Transferelektrode 640 erstellt wird. Wie im Stand der Technik bekannt, werden mobilitätsgetriebene Ionen durch elektrische Felder in einem Verhältnis konzentriert, das dem Verhältnis von elektrischen Feldern entspricht. Dies ermöglicht eine Konzentration von Ionen an dem schmalen Eingang der orthogonalen Führung und ihre effiziente Erfassung. Dies könnte mit Gating einhergehen.
Wenn eine Differenz der Spannungsversätze zwischen den Führungen unerwünscht ist und gleichzeitig Gating erforderlich ist, könnte eine „Energieschub“-Anordnung verwendet werden, wie nun erörtert wird.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 19 sind effektive Potenzialverteilungen für einen Energieschub veranschaulicht, um den Transfer zwischen zwei lonenführungen A1 und A2 mit demselben Spannungsoffset zu ermöglichen. Diese gelten entweder für die in 17 gezeigte oder die in 18 gezeigte Anordnung.
Die Stelle des überführten lonenpakets ist durch einen Kreis und seine Bewegungsrichtung durch einen Pfeil dargestellt. Es werden drei effektive Potenzialverteilungen gezeigt: (a) eine anfängliche Verteilung mit Ionen in der ersten lonenführung A1 vor dem Transfer; (b) Ionen werden zum Spalt zwischen der ersten und der zweiten Transferelektrode (mit E1 und E2 bezeichnet, entsprechend der ersten Transferelektrode 530, 630 bzw. der zweiten Transferelektrode 540, 640 der 17 und 18) überführt und bewegen sich weiterhin dort; und (c) es wird ein Spannungsimpuls an beide Transferelektroden angelegt, während sich das lonenpaket zwischen den zwei Transferelektroden bewegt, sodass die Gleichspannung weiterhin Ionen in Richtung der zweiten (nachgelagerten) lonenführung A2 treibt.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 20 wird ein schematisches Diagramm eines dritten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen gezeigt. Dies ermöglicht einen senkrechten Transfer von Ionen von einer ersten gepaarten lonenführung 710 zu einer zweiten lonenführung 720 unter Verwendung einer einzigen Transferelektrode 730. Äquipotenziale des effektiven Potenzials (Pseudo- plus DC-Potenzial) sind durch dünne Linien dargestellt. Die Phasenverschiebung von 180 Grad der Cosinus-Wellenform mit zwei Termen zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist durch die Begriffe „HF-“ und „HF+“ angegeben.
Diese Zeichnung zeigt eine alternative Möglichkeit, einen orthogonalen Transfer in eine asymmetrische gepaarte Führung zu ermöglichen. Jede der ersten lonenführung 710 und der zweiten lonenführung 720 ist geeignet, Ionen mit einer Mobilitätsvarianz eines Typs bei einer gegebenen lonenladungspolarität zu übertragen. In diesem Fall ist keine räumliche Fokussierung erforderlich: sobald Ionen den erweiterten offenen Raum der zweiten lonenführung 720 rechts erreichen, werden sie von DC und HF-Feldern erfasst und in den engen Spalt der gepaarten zweiten lonenführung 720 transportiert.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass jede der hierin erörterten Anordnungen auch verwendet werden könnte, um unerwünschte Ionen in einen Auslagerungshohlraum auszulagern, wo sie entsorgt werden könnten, ohne die lonenführungen zu kontaminieren. In diesem Fall kann ein Auslagerungshohlraum (zum Beispiel ein Faradayscher Käfig) die zweite lonenführung ersetzen.
Es ist auch eine andere Geometrie als eine gerade planare Geometrie möglich. Es wird nun auf 21 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm eines vierten Systems mit mehreren ionenoptischen Vorrichtungen zeigt, insbesondere eine Ausführungsform, die auf einer kreisförmigen Geometrie jedes Arrays basiert. Die Ionen werden über die Transferoptik 830 zwischen einer ersten kreisförmigen lonenführung 810 und einer zweiten kreisförmigen lonenführung 820 überführt. Die Phasenverschiebung von 180 Grad der Cosinus-Wellenform mit zwei Termen zwischen aneinander angrenzenden Elektroden wird durch den Term „HF-“ und „HF+“ angegeben. DC-Einschlusselektroden 840 gewährleisten eine enge Ausbreitung von Ionen in radialer Richtung. Die DC-Einschlusselektroden 840 unterteilen in diesem Fall den lonenkanal, in diesem Fall in drei Kanäle (den inneren, mittleren und äußeren). Der innere Kanal oder der mittlere Kanal kann als erste ionenoptische Vorrichtung mit einer ersten Kreisachse mit einem ersten Radius betrachtet werden, und der äußere Kanal kann als eine zweite ionenoptische Vorrichtung mit einer zweiten Kreisachse betrachtet werden, die mit der ersten Kreisachse konzentrisch ist und einen zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist.
Nach dem Durchlaufen der ersten lonenführung 810 werden Ionen wie zuvor beschrieben in die zweite lonenführung 820 überführt. Um die gleiche Driftlänge (zum Beispiel für die lonenmobilitätstrennung innerhalb eines Satzes von Arrays) sicherzustellen, könnten die erste lonenführung 810 und die zweite lonenführung 820 so angeordnet sein, dass auf einen kleineren Kreis in der ersten lonenführung 810 ein größerer Kreis in der zweiten lonenführung 820 folgt und auf einen größeren Kreis in der ersten lonenführung 810 ein kleinerer Kreis in der zweiten lonenführung 820 folgt, die sich für alle Ionen auf die gleiche Länge summieren. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass Ionen von dem inneren Kanal der ersten lonenführung 810 zu dem äußeren Kanal der zweiten lonenführung 820 überführt werden, Ionen von dem äußeren Kanal der ersten lonenführung 810 zu dem inneren Kanal der zweiten lonenführung 820 überführt werden, Ionen von dem inneren Kanal der zweiten lonenführung 820 zu dem äußeren Kanal der ersten lonenführung 810 überführt werden und Ionen von dem äußeren Kanal der zweiten lonenführung 820 zu dem inneren Kanal der ersten lonenführung 810 überführt werden.
Beliebige Kombinationen dieser Elemente könnten verwendet werden, um Analyseinstrumente mit einer beliebigen Anzahl und/oder Anordnung von Stufen zu erstellen. Die in Bezug auf die 17 bis 21 beschriebenen Ausführungsformen könnten nur anstelle der beschriebenen asymmetrischen Wellenformen unter Verwendung von symmetrischen Sinusspannungen implementiert werden, um den Pseudopotenzialeffekt allein zum Einschließen von Ionen zu verwenden. Wie zuvor gezeigt, wird jedoch ein verbessertes Potenzial bevorzugt, wenn es unter Verwendung des differenziellen Mobilitätseffekts gebildet wird.
Ähnliche Transferprinzipien könnten auch in gepulster Weise eingesetzt werden, insbesondere zur Injektion in andere Vorrichtungen wie lonenmobilitätsspektrometer, zwischen Regionen unterschiedlicher Drücke oder unterschiedlicher Gase usw.
Unter Berücksichtigung einer Implementierung unter Verwendung von asymmetrischen oder symmetrischen Sinusspannungen kann eine weitere generalisierte Bedeutung der Offenbarung als eine ionenoptische Vorrichtung betrachtet werden, die Folgendes umfasst: eine erste ionenabstoßende Oberfläche; und eine zweite ionenabstoßende Oberfläche, die von der ersten ionenabstoßenden Oberfläche räumlich getrennt ist, um einen lonenkanal zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche zu definieren. Jede der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberflächen umfasst: eine erste Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang einer Achse verteilt sind, die dazu konfiguriert sind, eine erste HF-Spannung zu empfangen; und eine zweite Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang der Achse verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von Elektroden mit der ersten Vielzahl von Elektroden verschachtelt und dazu konfiguriert sind, eine zweite HF-Spannung zu empfangen, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung aufweist, In einem derartigen Aspekt weisen die erste und die zweite HF-Spannung üblicherweise symmetrische Wellenformen auf. Alle anderen hierin beschriebenen Merkmale unter Bezugnahme auf die ionenabstoßenden Oberflächen und/oder ionenoptischen Vorrichtungen können auf diese Konfiguration angewandt werden, zum Beispiel einschließlich der in einer generalisierten oder spezifischen Bedeutung vorstehend erörterten. Außerdem können ionenoptische Systeme unter Verwendung einer oder mehrerer ionenoptischer Vorrichtungen betrachtet werden, wie weiter unten beschrieben.
Gemäß einer der allgemeinen Bedeutungen der vorstehend betrachteten Offenbarung kann die ionenoptische Vorrichtung ferner eine Transportsteuerung umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine Bewegung von Ionen innerhalb des oder jedes lonenkanals zu induzieren, beispielsweise durch Steuern eines oder mehrerer der Folgenden: Anlegen von zeitinvarianten Potenzialen, um ein stationäres elektrisches Feld entlang einer Länge des oder jedes lonenkanals (zum Beispiel senkrecht zur Längsrichtung der länglichen Elektroden, d. h. über die Elektrode) zu erstellen; einen Gasstrom entlang der Länge des oder jedes lonenkanals; und Anlegen von Wanderwellenpotenzialen, um ein sich bewegendes elektrisches Feld entlang der Länge des oder jedes lonenkanals zu erstellen. Optional kann die Transportsteuerung dazu konfiguriert sein, das Anlegen von Potenzialen an eines oder mehrere der Folgenden zu steuern: die erste Vielzahl von Elektroden; die zweite Vielzahl von Elektroden; und Zusatzelektroden, die jeweils zwischen einer der ersten Vielzahl von Elektroden und einer der zweiten Vielzahl von Elektroden positioniert sind. Die Transportsteuerung kann ein Computersystem umfassen, das eine von mehreren Spannungsversorgungen zum Anlegen der zeitinvarianten Potenziale oder Wanderwellenpotenziale steuert und/oder eine oder mehrere Gasversorgungen zum Zuführen des Gasstroms steuert.
Ein Aspekt der Offenbarung kann in einem ionenoptischen System festgestellt werden, das eine ionenoptische Vorrichtung umfasst, die dazu konfiguriert ist, Ionen zu empfangen, und wie hierin beschrieben. Das ionenoptische System kann ferner umfassen: mindestens eine Gating-Elektrode; und eine Gleichstromversorgung, die dazu konfiguriert ist, selektiv der mindestens einen Gating-Elektrode ein Gleichspannungspotenzial bereitzustellen, um den Transfer von Ionen von der ionenoptischen Vorrichtung zu einer Ausgabevorrichtung zu bewirken. Die Ausgabevorrichtung kann eine weitere (d. h. eine zweite) ionenoptische Vorrichtung sein, die optional den hierin beschriebenen entsprechen kann.
In einigen Ausführungsformen (von denen Beispiele in den 17 bis 20 gezeigt sind) kann die ionenoptische Vorrichtung unter Verwendung von zwei ionenabstoßenden Oberflächen gebildet werden, die einander gegenüberliegend positioniert sind. Dann kann eine Öffnung in einer der ionenabstoßenden Oberflächen (zum Beispiel der ersten oder der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche) oder einer Plattenelektrode bereitgestellt (oder gebildet) werden, damit Ionen durch sie hindurchwandern. Die Ausgabevorrichtung kann dazu konfiguriert sein, Ionen von der ionenoptischen Vorrichtung über die Öffnung zu empfangen.
Vorteilhafterweise kann eine Gating-Elektrode auf dem Substrat einer ionenabstoßenden Oberfläche der ionenoptischen Vorrichtung in der Nähe der Öffnung positioniert sein. In einigen Ausführungsformen kann eine einzelne Gating-Elektrode verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann es mehrere Gating-Elektroden geben, zum Beispiel: eine erste Gating-Elektrode, die auf der oder angrenzend an die ionenoptische Vorrichtung positioniert ist; und eine zweite Gating-Elektrode, die auf der oder angrenzend an die Ausgabevorrichtung positioniert ist.
In diesem Fall kann der ersten Gating-Elektrode ein erstes DC-Gating-Potenzial und der zweiten Gating-Elektrode ein zweites DC-Gating-Potenzial bereitgestellt werden. Das erste und das zweite DC-Gating-Potenzial können dann dazu konfiguriert sein, zu bewirken, dass Ionen von der ersten ionenoptischen Vorrichtung durch die Öffnung und zur zweiten ionenoptischen Vorrichtung wandern.
Wenn die Ausgabevorrichtung eine zweite ionenoptische Vorrichtung ist, die dazu konfiguriert ist, Ionen von der ersten ionenoptischen Vorrichtung zu empfangen, kann eine Reihe von Optionen zutreffen. In einer ersten Option ist die zweite ionenoptische Vorrichtung parallel zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert. Dann kann die erste ionenoptische Vorrichtung eine erste Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der ersten ionenoptischen Vorrichtung aufweisen, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung kann eine zweite Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der zweiten ionenoptischen Vorrichtung aufweisen, um Ionen von der ersten ionenoptischen Vorrichtung zu empfangen. Alternativ kann die zweite ionenoptische Vorrichtung senkrecht zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert sein. Dann kann die erste ionenoptische Vorrichtung eine Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der ersten ionenoptischen Vorrichtung aufweisen, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung kann so positioniert werden, dass Ionen durch die Öffnung hindurchwandern und in einem Ende eines lonenkanals der zweiten ionenoptischen Vorrichtung empfangen werden können (d. h. zwischen den ionenabstoßenden Oberflächen der ionenoptischen Vorrichtung oder zwischen einer ionenabstoßenden Oberfläche und einer Plattenelektrode der ionenoptischen Vorrichtung).
Betrachtet man ein ionenoptisches System mit einer Vielzahl von HFlonenführungen, kann die Vielzahl von HF-Ionenführungen umfassen: eine erste ionenoptische Vorrichtung mit einer ersten Kreisachse in einer ersten Ebene; und eine zweite ionenoptische Vorrichtung mit einer zweiten Kreisachse, deren Mitte von der Mitte der ersten Kreisachse versetzt ist, sodass sich die erste und die zweite Kreisachse überlappen. Die zweite Kreisachse ist vorteilhafterweise in einer zweiten Ebene definiert, die parallel zu der ersten Ebene ist. Dann umfasst das ionenoptische System vorteilhafterweise ferner eine lonentransferoptik, die dazu konfiguriert ist, Ionen zwischen der ersten und der zweiten ionenoptischen Vorrichtung in der Region zu überführen, in der sich die erste und die zweite Kreisachse überlappen.
In einer anderen Konfiguration (von der ein Beispiel in 21 gezeigt ist) kann die Vielzahl von HF-Ionenführungen umfassen: eine erste ionenoptische Vorrichtung mit einer ersten Kreisachse mit einem ersten Radius; eine zweite ionenoptische Vorrichtung mit einer zweiten Kreisachse, die konzentrisch mit der ersten Kreisachse ist und einen zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist; eine dritte ionenoptische Vorrichtung mit einer dritten Kreisachse mit dem zweiten Radius, wobei die Mitte der dritten Kreisachse von der Mitte der ersten und der zweiten Kreisachse versetzt ist, sodass sich die erste und die dritte Kreisachse überlappen; und eine vierte ionenoptische Vorrichtung mit einer vierten Kreisachse mit dem ersten Radius, wobei die vierte Kreisachse konzentrisch mit der dritten Kreisachse ist, sodass sich die zweite und die vierte Kreisachse überlappen. Dann kann das ionenoptisches System ferner eine lonentransferoptik umfassen, die konfiguriert ist zum: Überführen von Ionen zwischen der ersten und der dritten HFlonenführung in der Region, in der sich die erste und die dritte Kreisachse überlappen; und Überführen von Ionen zwischen der zweiten und der vierten HF-Ionenführung in der Region, in der sich die zweite und die vierte Kreisachse überlappen. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Kreisachse in einer ersten Ebene definiert und die dritte und die vierte Kreisachse sind in einer zweiten Ebene definiert, die parallel zu der ersten Ebene ist.
Zum Beispiel ist in dem in 21 gezeigten Beispiel ebenfalls bereitgestellt: eine fünfte ionenoptische Vorrichtung mit einer fünften Kreisachse, die konzentrisch mit der ersten Kreisachse ist und einen dritten Radius aufweist, der größer als der erste Radius und kleiner als der zweite Radius ist; und eine sechste ionenoptische Vorrichtung mit einer sechsten Kreisachse, die konzentrisch mit der zweiten Kreisachse ist und den dritten Radius aufweist, sodass sich die fünfte und die sechste Kreisachse überlappen. Die lonentransferoptik kann ferner dazu konfiguriert sein, Ionen zwischen der fünften und der sechsten HF-Ionenführung in der Region zu überführen, in der sich die fünfte und die sechste Kreisachse überlappen. Die fünfte und die sechste Kreisachse können in einer dritten Ebene definiert sein, die parallel zu der ersten und der zweiten Ebene ist.
Streifenelektrode und mehrpoliges Einfangen
Komplexere ionenoptische Vorrichtungen können aus zwei parallelen Substraten gebildet werden, die jeweils ein Array von Streifenelektroden aufweisen, die auf den einander gegenüberliegenden Substraten ausgerichtet sind und als solche ein Array von Multipol-Vorrichtungen bilden. 4A zeigt einen Abschnitt eines solchen Arrays.
Dadurch wird ein lonenkanal im Raum zwischen der Außenfläche der Streifenelektroden der beiden Arrays erstellt.
In einem ersten Beispiel wird eine Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen verwendet, wie durch die vorstehende Gleichung (6) beschrieben und in 2 gezeigt. In 2 ist eine höhere Spitzenspannung dargestellt, und dies ist eine positive Spannung, die wie vorstehend erwähnt als positive Polarität definiert ist. In diesem Beispiel (ähnlich den vorstehend beschriebenen grundlegenden Beispielen) wird eine Spitzenspannung (Null bis Spitze) von 200 V verwendet und eine Grundfrequenz beträgt 60 MHz. Der zweite Term der Cosinus-Wellenform schwingt daher bei 120 MHz.
Die an die Elektroden angelegte HF wird in zwei Phasen aufgeteilt, wobei eine erste Phase an die Elektroden 1, 3, 5, 7 angelegt wird und eine zweite Phase mit 180 Grad Differenz an die Elektroden 2, 4, 6, 8 angelegt wird. Die verwendete Wellenform ist die Summe von zwei Cosinus-Termen wie in der vorstehenden Gleichung (6), wobei die Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden unterschiedlicher Phase durch die vorstehende Gleichung (9) gegeben ist. Obwohl die angelegte Spannungswellenform asymmetrisch ist, ist die Spannungsdifferenz eine symmetrische Wellenform.
Unter Bezugnahme auf 22A und 22B sind Diagramme eines effektiven Potenzials (V) gegen die Position (µm) gezeigt, das durch Ionen entlang der zwei Testlinien A und B erfahren wird (wie in 8A definiert), wenn die zweifach phasengeteilten Multipol-Potenziale angelegt werden. Wie vorstehend verwendet, wird der Begriff „effektives Potenzial“ hierin zur Unterscheidung von dem häufig verwendeten Begriff Pseudopotenzial verwendet, der in Bezug auf bekannte Verfahren verwendet wird, die sinusförmige Spannungswellenformen anwenden, die auf dem Vorhandensein eines Feldgradienten beruhen, wie vorstehend erörtert. Das linke Diagramm befindet sich entlang der Testlinie A (wobei die Position in dem Diagramm die Position x ist) und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie B (wobei die Position in dem Diagramm die Position y ist). Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (22A) und 1000 Da (22B) mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 200 V Null bis Spitze wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit zweifacher Phasenaufteilung angelegt.
Die symmetrische Wellenform der zwischen den Elektroden erstellten Spannungsdifferenz stellt eine noch geringere Potenzialbarriere bereit als es bei der sinusförmigen Wellenform der Fall ist (vergleiche 22A mit 8D und 22B mit 8E).
Unter Bezugnahme nun auf 22C ist eine durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y (µm) veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform von 2, die mit 2-facher Phasenaufteilung auf das Elektrodenarray von 8 angelegt wird, durch Lösen der Gleichung (8) berechnet wird. Die Polarität der angelegten Spannungswellenform ist negativ. Ein Ion vom Typ C der Masse 100 Da beginnt von der Stelle (15, 7) in Mikrometer, die durch das Kreissymbol angegeben ist, und folgt der gepunkteten Flugbahn, die nach einem Zyklus das Sternsymbol erreicht.
Wenn Cosinus-Wellenformen mit mehreren Termen in nur zwei verschiedene Phasen aufgeteilt werden, wie in vielen veröffentlichten Dokumenten vorgeschlagen wird, wird das elektrische Feld innerhalb der Struktur für einen erheblichen Bruchteil des Zyklus stark reduziert. Dies ist leicht zu erkennen, wenn Rechteckwellenformen betrachtet werden. Wenn anstelle der Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen eine Rechteckspannungswellenform mit dem Verhältnis 2:1 verwendet wird, wird für ein Drittel des Zyklus kein elektrisches Feld innerhalb der Struktur erstellt, da alle Pole auf derselben Spannung liegen. Ähnliche Probleme treten bei Verwendung einer 3:1-Cosinus-Wellenform mit drei Termen auf: Wenn anstelle der Cosinus-Wellenform mit drei Termen eine Rechteckspannungswellenform verwendet wird, wird für den halben Zyklus kein elektrisches Feld erstellt, da alle Pole auf derselben Spannung liegen.
In einer allgemeinen Bedeutung der Offenbarung kann eine ionenoptische Multipol-Vorrichtung betrachtet werden, die Folgendes umfasst: eine erste Vielzahl von Elektroden, die entlang einer ersten Achse verteilt sind (zum Beispiel durch ein erstes Substrat definiert); und eine zweite Vielzahl von Elektroden, die entlang einer zweiten Achse, im Allgemeinen parallel zu der ersten Achse, verteilt sind (zum Beispiel durch ein zweites Substrat definiert), um einen lonenkanal zwischen der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden zu definieren. Zum Beispiel können die erste und die zweite Achse durch jeweilige Substrate definiert sein, auf denen die jeweiligen Vielzahl von Elektroden bereitgestellt (oder montiert) wird. Jede der ersten Vielzahl von Elektroden und der zweiten Vielzahl von Elektroden ist dazu konfiguriert, eine jeweilige HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, und derart, dass aneinander angrenzende Elektroden der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden HF-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen empfangen („aneinander angrenzend“ bedeutet in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise: beide nebeneinander innerhalb derselben Vielzahl von Elektroden oder nebeneinander, aber auf unterschiedlichen Achsen). Die HF-Spannungen sind vorteilhafterweise Multipol-Potenziale. Auf diese Weise können Ionen im lonenkanal eingefangen werden, insbesondere durch effektive Potenzialtöpfe, die durch die Multipol-Potenziale gebildet werden. Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden und die Vielzahl von HF-Spannungen so konfiguriert, dass sie eine hohe elektrische Feldstärke im lonenkanal aufweisen, insbesondere ausreichend hoch, damit Ionen eine Mobilitätsvariation erfahren. Wie vorstehend erörtert, kann die minimale Feldstärke für Ionen, die eine Mobilitätsvariation erfahren, von der spezifischen Konfiguration abhängig sein, aber in einigen Ausführungsformen kann dies durch eine Feldstärke von mindestens 10⁴ V/cm oder 1 MV/m erreicht werden.
Optional umschließt ein Gehäuse die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden. Die Umgebung, in der sich die Elektroden befinden, zum Beispiel das Gehäuse, ist vorteilhafterweise so konfiguriert, dass sie bei einem Gasdruck arbeitet, der ausreichend hoch ist, sodass in Kombination mit einer Frequenz der HF-Spannungen eine Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Feld und einer Geschwindigkeit von Ionen in dem lonenkanal, der das elektrische Feld erfährt, im Wesentlichen Null ist. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen ein Gasdruck von mindestens 10 kPa berücksichtigt werden. Auch der funktionale Betrieb bei Atmosphärendruck (oder nahe dem Atmosphärendruck) sollte möglich sein. Die Umgebung kann Luft sein und/oder die Elektroden oder das Gehäuse können dazu konfiguriert sein, in Luft zu arbeiten. Im Allgemeinen werden nur HF-Spannungen (d. h. keine DC, wie eine FAIMS-Kompensationsspannung) an die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden angelegt.
Die HF-Spannungen mit asymmetrischen Wellenformen (üblicherweise dieselbe Wellenform mit unterschiedlichen Phasen) können ein Verhältnis einer positiven Spitzenspannung zu einer negativen Spitzenspannung (oder ein Verhältnis einer negativen Spitzenspannung zu einer positiven Spitze) in einer Größenordnung von mindestens 2 aufweisen. Typischerweise ist dieses Verhältnis eine ganze Zahl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist jede der ersten Vielzahl von Elektroden gleichmäßig entlang der ersten Achse beabstandet und jede der zweiten Vielzahl von Elektroden ist gleichmäßig entlang der zweiten Achse beabstandet. Der gleiche Abstand zwischen Elektroden kann die Qualität des effektiven Potenzialtopfs verbessern.
In einem Beispiel umfasst die erste Vielzahl von Elektroden: eine erste Elektrode; und eine vierte Elektrode, angrenzend an die erste Elektrode, und die zweite Vielzahl von Elektroden umfasst: eine zweite Elektrode, die im Allgemeinen der ersten Elektrode gegenüberliegt (und mit ihr ausgerichtet ist); und eine dritte Elektrode, angrenzend an die zweite Elektrode, die im Allgemeinen der vierten Elektrode gegenüberliegt (und mit ihr ausgerichtet ist). Eine erste HF-Spannung, die eine asymmetrische Wellenform und eine HF-Frequenz aufweist, kann an die erste Elektrode und die dritte Elektrode angelegt werden. Eine zweite HF-Spannung, die eine asymmetrische Wellenform und eine HF-Frequenz aufweist, kann an die zweite Elektrode und die vierte Elektrode angelegt werden. Eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der zweiten HF-Spannung beträgt ungefähr π (180 Grad).
Die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden sind vorteilhafterweise in Gruppen einer festen Anzahl von aneinander angrenzenden Elektroden konfiguriert (wobei „aneinander angrenzend“ in diesem Zusammenhang erneut bedeutet: sowohl nebeneinander innerhalb derselben Vielzahl von Elektroden oder nebeneinander, aber auf unterschiedlichen Achsen). Die feste Anzahl von Elektroden in jeder Gruppe ist vorteilhafterweise dazu konfiguriert, Multipol-HF Spannungen zu empfangen, sodass aneinander angrenzende Elektroden innerhalb der Gruppe (und mehr bevorzugt zwischen Gruppen) HF-Spannungen derselben Frequenz empfangen und eine Phasendifferenz von 2π dividiert durch die feste Anzahl aufweisen. Somit sollte sich bei der Funktion im Uhrzeigersinn um eine Gruppe der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden innerhalb der ionenoptischen Vorrichtung herum die Phase der angelegten HF-Spannung um den gleichen Betrag zwischen jeder Elektrode unterscheiden, wobei die Phasendifferenz zwischen der letzten Elektrode und der ersten Elektrode ebenfalls betragsgleich ist. Beispiele mit Quadrupolen und Tripolen dieser Konfiguration werden nun spezifisch erörtert, wobei danach eine allgemeinere Zusammenfassung bereitgestellt wird.
Zunächst wird ein Beispiel mit einem Quadrupol erörtert. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die an die Elektroden angelegte asymmetrische Cosinus-Spannungswellenform mit mehreren Termen in vier Phasen aufgeteilt, die jeweils 90 Grad (π/2 rad) voneinander entfernt sind. Die Wellenform wird in vier verschiedene Phasen aufgeteilt, und eine Phase an jede der ersten vier Elektroden und an jede der zweiten Gruppe von vier Elektroden angelegt. Unter Bezugnahme auf 23A wird schematisch eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Elektrodenstruktur im Raum x-y (µm) gezeigt. Es wird auch auf 23B Bezug genommen, die Spannungswellenformen über einen Zyklus einer Grundfrequenz und Phasen zeigt, die an entsprechende Elektroden in 23A angelegt werden. In diesem Beispiel wird eine 2:1-Cosinus-Wellenform mit zwei Termen, die durch die vorstehende Gleichung (6) beschrieben wird, verwendet. Das linke Diagramm zeigt Wellenformen mit positiver Polarität und das rechte Diagramm zeigt Wellenformen mit negativer Polarität. Die Wellenform dreht somit gegen den Uhrzeigersinn um die ersten vier Elektroden (mit 1, 2, 3, 4 bezeichnet), im Uhrzeigersinn um die mit 3, 4, 5, 6 bezeichneten Elektroden und gegen den Uhrzeigersinn um die mit 5, 6, 7, 8 bezeichneten Elektroden.
Bezug nehmend nun auf 23C ist eine durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y (µm) veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform mit negativer Polarität von 23B, die mit vierfacher Phasenaufteilung auf das Elektrodenarray von 23A angelegt wird, durch Lösen der Gleichung (8) berechnet wird. Ein Ion vom Typ C der Masse 100 Da beginnt von der Stelle (15, 7), die durch das Kreissymbol angegeben ist, und folgt der gepunkteten Flugbahn, die nach einem Zyklus das Sternsymbol erreicht.
Dies zeigt, dass die lonenbewegung rotierend ist. Der Vergleich mit 22C zeigt die viel größere Nettobewegung des Ions. Die Spitzenfeldstärke innerhalb des lonenvolumens ist niedriger als bei der sinusförmigen Wellenform, da die Spannungsdifferenz über die Elektroden gegenüber der phasengeteilten Wellenform niedriger ist. Für einige Ionen ist jedoch das effektive Potenzial erheblich höher, da die Spannungsdifferenz nun nicht symmetrisch ist.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 24 ein Vektorfeld-Diagramm im Raum x-y (µm) des Netto- oder effektiven elektrischen Feldes gezeigt, das in jedem Zyklus durch Ionen vom Typ C der Masse 100 Da erfahren wird, unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen mit negativer Polarität, die in vier Phasen aufgeteilt ist, die 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenzspannungswellenform aufweisen, wie im unteren Diagramm von 23B (negative Polarität) gezeigt. Dies wird aus der durchschnittlichen Nettoionenverschiebung über einen Zyklus abgeleitet, wie vorstehend beschrieben. Die Länge der Pfeile ist proportional zum effektiven Nettofeld in der Mitte des Pfeilschafts, und die Pfeilrichtung zeigt die Richtung des effektiven Feldes.
Jede Gruppe von vier Elektroden hat einen Potenzialtopf und es besteht eine Barriere für Ionen vom Typ C, die erheblich größer gemacht werden kann, als dass sie durch eine signifikante Anzahl von Ionen einfach durch Diffusion bei Raumtemperatur überwunden werden könnte. Der Anteil an Ionen, die die Barriere aufgrund von Diffusion bei einer gegebenen effektiven Temperatur überschreiten könnten, kann unter Verwendung der Maxwell-Boltzmann-Wahrscheinlichkeitsdichte-Funktion abgeschätzt werden. Angesichts des Modells der Streifenelektrodenstruktur kann weit genug innerhalb der Struktur, von den Kanten entfernt, wo keine elektrischen Felder in z-Richtung vorhanden sind, die effektive Temperatur von Ionen, die innerhalb der effektiven Potenzialtöpfe gehalten werden, aus der Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung abgeleitet werden, wenn die Simulation das Berechnen einzelner zufälliger elastischer Kollisionen einschließt. Ionen erhalten kinetische Energie in der z-Richtung aufgrund des Zufalls-Aufprallparameters und weisen eine Gaußsche Geschwindigkeitsverteilung auf, von der die effektive Temperatur abgeleitet werden kann.
Die Untersuchung von 24 zeigt, dass sich die Vektoren des Netto- oder effektiven elektrischen Feldes über einen Zyklus drehen, was darauf hindeutet, dass das Vektorpotenzial nicht konservativ ist. Ein zwischen zwei Punkten berechnetes Skalarpotenzial kann von dem eingeschlagenen Weg abhängig sein. Dennoch wird zur Veranschaulichung nur ein Skalarpotenzial von einem Bezugspunkt (0, 0) berechnet.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 25A und 25B sind Diagramme eines effektiven Potenzials (V) gegen die Position (µm) gezeigt, das durch Ionen entlang der zwei Testlinien A und B erfahren wird (wie in 8A definiert), wenn die Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung und negativer Polarität angelegt werden. Das linke Diagramm befindet sich entlang der Testlinie A (y=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position x ist) und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie B (x=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position y ist). Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (25A) und 1000 Da (25B) mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit negativer Polarität, wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt.
Die Verwendung der vierfachen Phasenaufteilung ändert das effektive Potenzial innerhalb der Struktur. Nun erfahren Ionen vom Typ A und Ionen vom Typ C entgegengesetzte Nettoverschiebungen über jeden Zyklus hinweg, und wo für das Ion vom Typ C ein effektiver Potenzialtopf in der Mitte jeder Gruppe von vier Elektroden vorhanden ist, gibt es für Ionen vom Typ A einen Potenzialberg. Die Größenordnung des Topfes für Ionen vom Typ C mit niedriger Masse (100 Da) ist um etwa eine Größenordnung größer als die, die mit der zweifachen Phasenaufteilung erhalten wurde (vergleiche 22A mit 25A). Die Ionen mit höherer Masse (1000 Da) erfahren auch ein größeres effektives Potenzial innerhalb der Struktur, in diesem Fall einen eher geringfügigen Faktor von ungefähr zwei. Ionen mit niedrigerer Masse werden wesentlich stärker eingeschlossen als es bei ähnlichen Feldstärken unter Verwendung des Pseudopotenzialeffekts möglich ist. Es ist zu beachten, dass die gepunkteten Linien (c) in 25A und 25B die Ergebnisse für mobilitätsinvariante Ionen der Masse 100 Da bzw. 1000 Da zeigen. Jeder Potenzialtopf für diese Ionen muss ausschließlich vom Pseudopotenzialeffekt stammen.
Während die Elektrodenstruktur nicht vollständig symmetrisch ist, da sie aus Elektroden auf zwei Substraten gebildet ist, die in der x-z-Ebene liegen, gibt jedoch das effektive Potenzial entlang der beiden orthogonalen Testlinien an, dass das effektive Potenzial für die hier betrachtete Geometrie sehr ähnlich ist.
Wenn die Spannungswellenform mit positiver Polarität verwendet wird (23B, oberes Diagramm), erfahren Ionen vom Typ A einen effektiven Potenzialtopf. Bezug nehmend nun auf 26 wird eine durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y (µm) veranschaulicht, die über einen Zyklus einer Spannungswellenform mit positiver Polarität von 23B, die mit vierfacher Phasenaufteilung an das Elektrodenarray von 23A angelegt wird, durch Lösen der Gleichung (8) berechnet wird. Ein Ion vom Typ A der Masse 100 Da beginnt von der Stelle (15, 7), die durch das Kreissymbol angegeben ist, und folgt der gepunkteten Flugbahn, die nach einem Zyklus das Sternsymbol erreicht. Somit wandert das Ion vom Typ A wie zuvor (siehe 23C) gegen den Uhrzeigersinn, wenn diese Bewegung durch die Verteilung der geteilten Phasen bestimmt wird, aber das Ion von seinem Startpunkt aus in die negative y-Richtung läuft, anstatt in die positive y-Richtung, wie in 23C für ein Ion vom Typ C mit einer Spannungswellenform mit negativer Polarität zu sehen ist.
Unter Bezugnahme auf 27A und 27B sind Diagramme eines effektiven Potenzials (V) gegen die Position (µm) gezeigt, das durch Ionen entlang der zwei Testlinien A und B erfahren wird (wie in 8A definiert), wenn die Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung und negativer Polarität angelegt werden. Das linke Diagramm befindet sich entlang der Testlinie A (y=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position x ist) und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie B (x=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position y ist). Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (27A) und 1000 Da (27B) mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit positiver Polarität, wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt.
Es ist anzumerken, dass das mobilitätsinvariante Ion (c) nur den Pseudopotenzialeffekt zeigt, der unabhängig von der Polarität der Wellenform gleich ist (vergleiche positive und negative Wellenformen in 25A und 26B mit 27A und 27B). Der Pseudopotenzialeffekt ist im Vergleich zu dem durch den differenziellen Mobilitätseffekt erzeugten effektiven Potenzial sehr klein, um mindestens eine Größenordnung kleiner. Die Verwendung des differenziellen Mobilitätseffekts hat den Einschluss von Ionen mit niedrigerer Masse wesentlich verbessert.
Fallen, die mit dem vorstehend beschriebenen differenziellen Mobilitätseffekt arbeiten, können nur entweder Ionen vom Typ A (positive Polarität) oder Ionen vom Typ C (negative Polarität) einfangen. Durch Betreiben der Elektroden 1, 2, 3, 4 in einer Polarität und 5, 6, 7, 8 in der entgegengesetzten Polarität werden aneinander angrenzende Fallen jedoch die Ionen der verschiedenen Mobilitätsvarianten einschließen.
Vor diesem Hintergrund wird nun auf 28A Bezug genommen, die Spannungswellenformen über einen Zyklus einer Grundfrequenz zeigt, die in vier Phasen aufgeteilt sind, die an entsprechende Elektroden in 23A angelegt werden. Wellenformen mit negativer Polarität werden an die Elektroden 1-4 angelegt und Wellenformen mit positiver Polarität werden an die Elektroden 5-8 angelegt. Unter Bezugnahme auf 28B wird schematisch eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Elektrodenstruktur von 23A im Raum x-y (µm) gezeigt, wobei eine Testlinie C (gestrichelte Linie) angeben soll, wo ein effektives Potenzial berechnet wird. Die Testlinie C erstreckt sich entlang der y=0-Linie zwischen den Elektroden.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 29A und 29B sind Diagramme des effektiven Potenzials (V) gegen die Position x (µm) gezeigt, das von Ionen entlang der Testlinie C (wie in 28B definiert) erfahren wird, wenn die in 28A gezeigten Potenziale angelegt werden. Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (29A) und 1000 Da (29B) mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit positiver Polarität, wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt.
Es ist zu sehen, dass die Elektroden 1-4 Ionen mit der Mobilitätsvarianz vom Typ C und die Elektroden 5-8 Ionen mit Mobilitätsvarianz vom Typ A einfangen. Leiten einer lonenquelle in die Streifenelektrodenstruktur in z-Richtung - entlang der Streifen - führt dazu, dass Ionen mit einer differenziellen Mobilität vom Typ A und Typ C in diesen Fallen eingeschlossen werden, die einen effektiven Potenzialtopf für diesen Typ von lonenmobilität aufweisen. Das Einfangpotenzial (effektives Potenzial) ist erheblich größer als das von bestehenden Verfahren erzeugte, die nur den Pseudopotenzialeffekt nutzen. Für alle Ionen zwischen den Elektroden 3, 4, 5 und 6 (in der Region von x=0) ist ein geringfügiger Topf vorhanden. Bei Raumtemperatur kann Diffusion jedoch bewirken, dass Ionen die Barriere überschreiten und Ionen sich zu der Stelle zwischen den Elektroden 1-4 bewegen können, wenn die Ionen die Mobilitätsvarianz vom Typ C aufweisen, und zwischen den Elektroden 5-8, wenn die Ionen die Mobilitätsvarianz vom Typ A aufweisen.
Obwohl Cosinus-Spannungswellenformen mit zwei Termen vorstehend erörtert wurden, werden Spannungswellenformen basierend auf mehr als zwei Cosinus-Termen erörtert. Zum Beispiel kann eine durch die vorstehende Gleichung (7a) beschriebene 3:1-Cosinus-Spannungswellenform mit drei Termen auch an Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung angelegt werden.
Unter Bezugnahme auf 30A und 30B sind Diagramme eines effektiven Potenzials (V) gegen die Position (µm) gezeigt, das durch Ionen entlang der Testlinien A und B erfahren wird (wie in 8A definiert), wenn eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit drei Termen, mit negativer Polarität, an die 8 Elektroden von 23A angelegt wird. Das linke Diagramm befindet sich entlang der Testlinie A (y=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position x ist) und das rechte Diagramm befindet sich entlang der Testlinie B (x=0, wobei die Position in dem Diagramm die Position y ist). Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da (30A) und 1000 Da (30B) mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit drei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit negativer Polarität, wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt. Ein effektiver Potenzialtopf von ungefähr 3,3 V wird für Ionen der Masse 100 Da gebildet, und ein Topf von etwa 1,2 V wird für Ionen der Masse 1000 Da gebildet. Diese sollten mit den 25A und 25B zur Verwendung von 2:1-Cosinus-Spannungswellenformen mit zwei Termen verglichen werden.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 30C sind Diagramme des effektiven Potenzials (V) gegen die Position x (µm) gezeigt, die von Ionen entlang der Testlinie C erfahren werden (y=0, wie in 28B definiert), wenn Cosinus-HF-Spannungswellenformen mit drei Termen, mit negativer Polarität, an die 8 Elektroden von 23A angelegt werden. Die Diagramme gelten für einfach geladene Ionen der Masse 1000 Da mit: (a) Mobilitätsvarianz vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Mobilitätsvarianz vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) invarianter Mobilität (gepunktete Linie). Eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit zwei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit positiver Polarität, wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt. Entlang dieser Testlinien erscheint das Skalarpotenzial ähnlich und dies impliziert eine Symmetrie des Potenzialtopfs entlang der beiden Richtungen.
30C zeigt die mehreren effektiven Potenzialtöpfe, die entlang des Arrays erstellt werden. Der effektive Nullbezugspunkt für Potenzial liegt wieder bei (0, 0). Dies stellt einen starken Einfangeffekt in der x-y-Ebene dar, die die Bewegung von Ionen über das Array verhindert. Die Ionen sind jedoch frei, sich in der z-Richtung zu bewegen (die wir hierin als „entlang“ des Arrays bezeichnen) und die Ionen können in dieser Richtung einfach unter Verwendung beispielsweise eines Gasstroms transportiert werden. Alternativ könnten die Ionen in der z-Richtung durch Bereitstellen von DC-Einschlusselektroden an den Enden des lonenkanals (in z-Richtung) eingeschlossen sein.
Das Array von Streifenelektroden mit 4-facher Phasenverschiebung der angelegten Spannungswellenform bildet einen Satz von Fallen. Fallen werden mit asymmetrischen Spannungswellenformen mit einem Verhältnis von Spitzenspannungen bei einander entgegengesetzten Polaritäten gebildet, das nicht gleich eins ist. Die Verhältnisse von 2:1 und 3:1 wurden hier veranschaulicht, jedoch können bei solchen Ausführungsformen andere Verhältnisse verwendet werden.
Zurückkehrend zu den vorstehend betrachteten allgemeinen Begriffen, umfasst in einem Beispiel (der ionenoptischen Quadrupol-Vorrichtung), die erste Vielzahl von Elektroden: eine erste Elektrode; und eine vierte Elektrode, angrenzend an die erste Elektrode, und die zweite Vielzahl von Elektroden umfasst: eine zweite Elektrode, die im Allgemeinen der ersten Elektrode gegenüberliegt (und mit ihr ausgerichtet ist); und eine dritte Elektrode, angrenzend an die zweite Elektrode, die im Allgemeinen der vierten Elektrode gegenüberliegt (und mit ihr ausgerichtet ist). Eine erste HF-Spannung, die eine asymmetrische Wellenform und eine HF-Frequenz aufweist, wird an die erste Elektrode angelegt. Eine zweite HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform und der HF-Frequenz wird an die zweite Elektrode angelegt, wobei eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der zweiten HF-Spannung ungefähr π/2 (90 Grad) beträgt. Eine dritte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform und der HF-Frequenz wird an die dritte Elektrode angelegt, wobei eine Phasendifferenz zwischen der zweiten HF-Spannung und der dritten HF-Spannung ungefähr π/2 beträgt. Eine vierte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform und der HF-Frequenz wird an die vierte Elektrode angelegt, wobei eine Phasendifferenz zwischen der dritten HF-Spannung und der vierten HF-Spannung ungefähr π/2 beträgt. Somit beträgt auch eine Phasendifferenz zwischen der vierten HF-Spannung und der ersten HF-Spannung ungefähr π/2.
Optional umfasst die erste Vielzahl von Elektroden ferner eine fünfte Elektrode, die an die vierte Elektrode angrenzt, wobei die erste HF-Spannung an die fünfte Elektrode angelegt wird, und die zweite Vielzahl von Elektroden umfasst ferner eine sechste Elektrode, angrenzend an die dritte Elektrode und im Allgemeinen der fünften Elektrode gegenüberliegend, wobei die zweite HF-Spannung an die sechste Elektrode angelegt wird.
Allgemeiner können die erste, zweite, dritte und vierte Elektrode eine Elektrodeneinheit definieren. Dann kann die Elektrodeneinheit entlang der ersten und der zweiten Achse wiederholt werden. Dadurch können Arrays von Quadrupol-Fallen gebildet werden.
In einer Ausführungsform definieren die erste, zweite, dritte und vierte Elektrode eine erste Elektrodeneinheit und die an die erste Elektrodeneinheit angelegten HF-Spannungen weisen eine erste Polarität (im Sinne der Polarität der Durchschnittsspannung über einen Zyklus der Wellenform) auf. Dann kann eine zweite Elektrodeneinheit angrenzend an die erste Elektrodeneinheit entlang der ersten und der zweiten Achse bereitgestellt werden. Die zweite Elektrodeneinheit ist vorteilhafterweise im Wesentlichen identisch mit der ersten Elektrodeneinheit, außer dass die an die zweite Elektrodeneinheit angelegten HF-Spannungen eine zweite Polarität aufweisen, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Dies kann das Einfangen von Ionen unterschiedlicher Typen von Mobilitätsvariation ermöglichen.
Dies kann allgemeiner angewandt werden, wenn man bedenkt, dass die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden in Gruppen einer festen Anzahl aneinander angrenzender Elektroden konfiguriert sind, wobei diese feste Anzahl aneinander angrenzender Elektroden eine Elektrodeneinheit definiert, die wiederholt werden kann. Optional kann sich eine Polarität der HF-Spannungen, die an eine Elektrodeneinheit angelegt werden, von einer Polarität der HF-Spannungen unterscheiden, die an eine andere Elektrodeneinheit angelegt werden, um zum Beispiel ein Einfangen von Ionen unterschiedlicher Typen von Mobilitätsvariation zu ermöglichen.
Es kann ein weiteres Beispiel für eine ionenoptische Tripol-Vorrichtung betrachtet werden. Zum Beispiel kann die erste Vielzahl von Elektroden umfassen: eine erste Elektrode; und eine dritte Elektrode, die an die erste Elektrode angrenzt. Die zweite Vielzahl von Elektroden kann eine zweite Elektrode umfassen, die der ersten und der dritten Elektrode gegenüber und axial dazwischen liegt. Dann kann eine erste HF-Spannung, die eine asymmetrische Wellenform und eine HF-Frequenz aufweist, an die erste Elektrode angelegt werden, eine zweite HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform und die HF-Frequenz kann an die zweite Elektrode angelegt werden und eine dritte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform und die HF-Frequenz kann an die dritte Elektrode angelegt werden. Vorteilhafterweise beträgt eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der zweiten HF-Spannung ungefähr 2π/3 (120 Grad) und eine Phasendifferenz zwischen der zweiten HF-Spannung und der dritten HF-Spannung beträgt ungefähr 2π/3. Dadurch beträgt eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der dritten HF-Spannung vorteilhafterweise auch ungefähr 2π/3.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Tripol-Elektrodeneinheit wiederholt werden. Die zwischen Gruppen von drei Elektroden angelegten HF-Spannungen müssen jedoch unter Umständen für eine angrenzende Gruppe von drei Elektroden umgekehrt werden. Zum Beispiel kann die erste Vielzahl von Elektroden ferner umfassen: eine fünfte Elektrode, die an die dritte Elektrode angrenzt und an die die zweite HF-Spannung angelegt ist, die zweite Vielzahl von Elektroden kann umfassen: eine vierte Elektrode, die an die zweite Elektrode angrenzt, der dritten und fünften Elektrode gegenüber und axial dazwischen liegt und die erste HF-Spannung aufweist; und eine sechste Elektrode, die an die vierte Elektrode angrenzt, axial von der fünften Elektrode weg von der vierten Elektrode verschoben und an die die dritte HF-Spannung angelegt ist. Alternativ kann in Betracht gezogen werden, dass die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Elektrode eine Elektrodeneinheit definieren. Dann kann die Elektrodeneinheit entlang der ersten und der zweiten Achse wiederholt werden, insbesondere mit einem annähernd gleichen axialen Abstand zwischen allen Elektroden.
Diese allgemeine Bedeutung wird nachstehend erneut erörtert. Zunächst wird eine Erörterung spezifischer praktischer Ausführungsformen bereitgestellt.
Treiben von Ionen über das Array
Ionen können induziert werden, sich über ein Array von Fallen zu bewegen, indem ein stationäres elektrisches Feld angelegt wird, das durch Vorspannen von Elektroden mit zeitinvarianten Spannungen zunehmender Größenordnung entlang des Arrays erstellt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Gasstrom durch das Array verwendet werden. In einem anderen Ansatz (kombinierbar mit den zuvor beschriebenen) kann ein zeitlich variierender Satz von Spannungen an die Fallenelektroden und/oder eine oder mehrere Zusatzelektroden angelegt werden, um eine Wanderwelle zu erzeugen, die ein elektrisches Feld erstellt, das sich über das Array bewegt, wie bekannt ist und zum Beispiel im US-Patent US-9,978,572 B2 beschrieben ist. Wie vorstehend angemerkt, können Ionen bei Verwendung eines Gasstroms innerhalb derselben Falle zurückgehalten werden, wobei der Gasstrom in z-Richtung parallel zu der Verlängerung der Fallenelektroden geleitet wird. Alternativ kann der Gasstrom in einem anderen Winkel zur z-Achse liegen, einschließlich senkrecht zu dieser (d. h. in x-Richtung). Eine Steuerung kann verwendet werden, um den Transport von Ionen unter Verwendung einer oder einer Kombination dieser Techniken zu bewirken.
In einem ersten Beispiel können Ionen induziert werden, sich durch das Fallen-Array zu bewegen, indem ein stationäres elektrisches Feld angelegt wird, das durch Vorspannen von Elektroden (vorzugsweise der gleichen Elektroden, an die HF angelegt wird, aber stattdessen oder zusätzlich können eine oder mehrere Zusatzelektroden verwendet werden) mit zeitinvarianten Spannungen zunehmender oder abnehmender Größenordnung über das Array erstellt wird. Es wird nun auf 31A Bezug genommen, in der ein Diagramm einer zeitinvarianten axialen elektrischen Feldstärke (V/m, in x, bei y = 0) gegen die Position x (µm) im Elektrodenarray von 23A gezeigt wird, wenn die zeitlich variierende Spannungswellenform (von 23B) ausgeschaltet wird und eine zeitinvariante Spannung an die Elektroden entlang des Arrays angelegt wird: an die Elektroden 1 und 2 wird 0 V angelegt; an die Elektroden 3 und 4 werden -10 V angelegt, an die Elektroden 5 und 6 werden -20 V angelegt; an die Elektroden 7 und 8 werden -30 V angelegt.
Die zeitinvarianten Spannungen erstellen ein Nettofeld entlang des Kanals, das hierin als axiales Feld bezeichnet wird. Wenn kein zeitlich variierendes Feld angelegt wird, selbst wenn der Spannungsoffset zwischen aneinander angrenzenden Elektroden auf beiden Substraten konstant ist, ist das axiale Feld entlang des Arrays nicht konstant, da die Breite (in x) der Elektroden gleich oder ähnlich dem Spalt zwischen den Elektroden (in x) ist. Die Feldstärke ist angrenzend an einen Spalt größer und angrenzend an eine Elektrode kleiner.
Die Feldstärke in x auf der Achse (y = 0) folgt einem oszillierenden Profil, das eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Sinuskurve aufweist. Die Feldstärke parallel zur Achse, aber um 10 µm (y = 10 µm) verschoben, weist ein leicht verzerrtes Profil auf. Natürlich ist es nicht wesentlich, dass die Elektrodenbreite gleich der Spaltbreite ist, und das Profil des oszillierenden axialen Feldes muss nicht sinusförmig sein. Ein axiales elektrisches Feld ungleich Null entlang des Kanals zwischen den Substraten ist jedoch sehr wünschenswert.
Wenn die zeitlich variierenden (HF) Spannungen sowie die zeitinvarianten Spannungen angelegt werden, werden die Fallen gebildet und das axiale Feld ändert sich mit der Zeit. Ionen können unter einigen Bedingungen eine Netto-Axialbewegung aufnehmen. Ionen werden über das Array getrieben, wenn das durch die zeitinvarianten Spannungen erstellte zeitinvariante axiale Feld ausreicht, um die Ionen über die effektiven Potenzialbarrieren zwischen den Fallen zu treiben. Das Einfangen in der senkrechten Richtung (y) verhindert, dass die Ionen auf die Elektroden treffen.
Aufgrund der Differenz hinsichtlich der Tiefe der effektiven Potenzialtöpfe (wie in den 30A und 30B gezeigt) bei schwachen axialen Feldern sind die Ionen mit höherer Masse oder geringerer Mobilität in der Lage, den Fallen bei schwächeren zeitinvarianten Feldern zu entkommen als Ionen mit niedrigerer Masse oder höherer Mobilität. Es wird nun auf 31 B Bezug genommen, in der ein Diagramm eines gegen die Zeit (µs) zurückgelegten axialen Abstands (µm) für durchschnittliche Ionen vom Typ C mit unterschiedlicher Masse gezeigt wird, wenn sowohl HF-Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung als auch ein zeitinvariantes Potenzial mit niedrigerer Spannung (-10 V) angelegt werden. Es werden Diagramme mit Ionen gezeigt, die Massen in Intervallen von 100 Da zwischen 100 und 1000 Da inklusive (wie bezeichnet) in der Elektrodenstruktur von 23A aufweisen, unter der Wirkung einer Cosinus-HF-Spannungswellenform mit drei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit negativer Polarität, die an die Elektroden bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung angelegt werden, plus einem zeitinvarianten Feld, wie in 31A dargestellt, aufgrund von -10 V, die zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren entlang der Achse angelegt sind. Die Massen 100 und 200 Da werden nicht durch die Struktur übertragen.
Unter Bezugnahme auf 31C wird ein Diagramm eines axialen Abstands (µm) gegen die Zeit (µs) für durchschnittliche Ionen vom Typ C mit unterschiedlicher Masse gezeigt, wenn beide HF-Potenziale mit vierfacher Phasenaufteilung und ein zeitinvariantes Potenzial mit höherer Spannung (-20 V) angelegt werden. Wie zuvor wird bei einer Grundfrequenz von 60 MHz mit vierfacher Phasenaufteilung eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit drei Termen von 200 V Null bis Spitze, mit negativer Polarität, an die Elektroden angelegt. In diesem Fall wird das Potenzial von -20 V zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren entlang der Achse angelegt. Alle getesteten Massen werden übertragen, wobei Ionen mit höherer Masse oder geringerer Mobilität länger brauchen, um einen festgelegten axialen Abstand zurückzulegen.
Bezug nehmend nun auf 31 D sind Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit (in Dimension x, m.s^-1) gegen Masse (Da, linkes Diagramm), Mobilität (m².V^-1.ms^-1, mittleres Diagramm) und Kollisionsquerschnitt (Å², rechtes Diagramm) gezeigt. Die Daten wurden durchschnittlichen lonenflugbahnen für Ionen vom Typ C, die Massen in Intervallen von 100 Da zwischen 100 und 1000 Da inklusive aufweisen, in der Elektrodenstruktur von 23A entnommen. Das Feld ist auf eine Cosinus-HF-Spannungswellenform mit drei Termen von 200 V Null bis Spitze mit negativer Polarität zurückzuführen, die an die Elektroden bei einer Grundfrequenz von 60 MHz angelegt wird, mit 4-facher Phasenaufteilung, plus ein zeitinvariantes Feld, das auf das Anlegen von -20 V zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren entlang der Achse zurückzuführen ist. Die lonendurchmesser in den für Ionen hierin verwendeten Kollisionsquerschnitten basieren auf der Arbeit von Tao et al. (J Am. Soc. Mass Spectrom. 2007, 18, 1232-1238), in der eine Beziehung zwischen Kollisionsquerschnitten in He für ionenneutrale Kollisionsdaten von einfach geladenen Peptidionen angegeben ist.
Bei schwachen Feldern können Ionen mit niedriger Masse oder hoher Mobilität den axialen Fallen nicht entkommen und werden entlang der Achse nicht über das Array getrieben, während Ionen mit hoher Masse oder geringer Mobilität den Fallen entkommen und im lonenkanal zwischen den Substraten eine axiale Nettogeschwindigkeit erhalten (siehe 31B, wie vorstehend erörtert). Das Array von Fallen fungiert dann als Hochpass-Massen- oder Tiefpass-Mobilitätsfilter. Die effektiven Potenzialfallen, die durch die zeitvarianten Spannungen gebildet werden, sind bei Ionen mit niedriger Masse oder hoher Mobilität tiefer, was diese verlangsamt oder deren Entkommen aus den Fallen verhindert. Ein solcher Filter könnte in Verbindung mit einer nachgelagerten Vorrichtung verwendet werden, um beispielsweise den Bereich von Mobilitäten, die der Vorrichtung zugeführt werden, zu begrenzen. Er könnte auch dazu verwendet werden, Ionen mit niedriger Masse oder hoher Mobilität für die nachfolgende Verwendung einzufangen, wobei Ionen mit höherer Masse oder geringerer Mobilität verworfen werden.
Bei höheren axialen Feldern können alle Ionen den Fallen entkommen und Ionen mit geringer Masse oder hoher Mobilität werden über das Array mit einer höheren axialen Nettogeschwindigkeit getrieben als die Ionen mit hoher Masse oder niedriger Mobilität, und das Array von Fallen bildet eine lonenmobilitätsdriftröhre (siehe 31C, wie vorstehend erörtert).
Als zweites Beispiel können Ionen über das Array von Fallen unter Verwendung eines axialen Gasstroms getrieben werden. In einem ersten Fall wird eine Gasgeschwindigkeit von 25 m/s in der positiven x-Richtung betrachtet, die dazu führt, dass sich Ionen von links nach rechts durch das Array bewegen, wobei sie sich von Falle zu Falle bewegen. Unter Bezugnahme auf 32A wird ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn, y (µm) gegen x (µm), von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Quadrupol-Elektrodenanordnung von 23A mit einem angelegten Gasstrom gezeigt. Ionen mit Massen in Intervallen von 100 Da zwischen 100 und 1000 Da inklusive werden unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit drei Termen, mit negativer Polarität, die in vier Phasen aufgeteilt ist, die 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz und eine gleichmäßige Gasströmungsgeschwindigkeit von 25 m/s in der positiven x-Richtung aufweisen, betrachtet. Alle Ionen beginnen am Punkt (-100, 0) (µm). lonenflugbahnen enden in der Ebene x = 100 µm.
Eine Gasströmungsrate von weniger als ungefähr 22 m/s scheint nicht ausreichend zu sein, um Ionen der Masse von 100 Da über die Barriere der ersten Einfangregion zu tragen, aber Ionen mit höherer Masse können entkommen. Bei niedrigeren Gasströmen ist die minimale übertragene Masse höher. Bei 10 m/s Strömungsgeschwindigkeit entkommen Ionen von 330 Da der Falle und bewegen sich über das Array fort; niedrigere Massen bleiben eingefangen. Wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit auf 22 m/s erhöht wird, weisen Ionen der Masse 100 Da und darüber ausreichend große Kollisionsquerschnitte auf, sodass sie dem effektiven Potenzialtopf entkommen können. Die Ionen bewegen sich entlang des Rohrs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fort.
Bezug nehmend nun auf 32B sind Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit (in x-Dimension, m.s^-1) gegen Masse (Da, linkes Diagramm), Mobilität (m².V^-1.ms^-1, mittleres Diagramm) und Kollisionsquerschnitt (Å², rechtes Diagramm) für eine Gasgeschwindigkeit von 22 m/s in der positiven x-Richtung gezeigt. Die Daten sind von durchschnittlichen lonenflugbahnen von einfach geladenen Ionen vom Typ C unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit drei Termen, mit negativer Polarität, aufgeteilt in vier Phasen, mit 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz genommen. Ionen bewegen sich über das Array von Fallen mit einer Geschwindigkeit, die wenig niedriger als die Gasströmungsrate ist, und Ionen höherer Masse, die eine niedrigere Mobilität und einen größeren Querschnitt aufweisen, bewegen sich schneller als die Ionen mit niedrigerer Masse und höherer Mobilität mit kleineren Querschnitten. Das Array von Fallen kann daher als Spektrometer fungieren, das Ionen entsprechend ihrer Mobilität auf inverse Weise im Vergleich zu einer linearen Mobilitätsdriftröhre trennt.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung funktionieren wie vorstehend beschrieben, um Fallen für Ionen innerhalb von Zellen zu bilden, die Sätze von vier Streifenelektroden umfassen. Durch Verschieben eines Substrats in Bezug auf das andere um die halbe Länge einer Zelle in der x-Richtung können Sätze von Tripol-Fallen konstruiert werden. Es können ähnliche Elektrodenstrukturen wie vorstehend beschrieben, die unter Verwendung der MEMS-Technologie hergestellt werden, verwendet werden. Eine einfache Verschiebung eines Substrats in Bezug auf das andere ist erforderlich, und eine andere Zuweisung von Spannungen. Die Spannungswellenform wird vorzugsweise in drei Phasen aufgeteilt, wobei eine Phase an jede Elektrode jeder Zelle angelegt wird. Unter Bezugnahme auf 33A wird eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Arrays von Tripolen gezeigt, die aus Streifenelektroden auf ausgerichteten gegenüberliegenden Substraten, y (µm) gegen x (µm), gebildet wird. Das Substratmaterial ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Elektroden sind mit 1 bis 9 nummeriert. Die Elektroden auf einem Substrat liegen axial zwischen den Elektroden auf dem anderen Substrat.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 33B sind Spannungswellenformen über einen Zyklus der Grundfrequenz und Phasen, die in 33A an entsprechende Elektroden angelegt werden, gezeigt. Das linke Diagramm zeigt Wellenformen mit positiver Polarität und das rechte Diagramm zeigt Wellenformen mit negativer Polarität. Wie durch diese Zeichnungen zu sehen ist, dreht sich die Wellenformphase somit gegen den Uhrzeigersinn um die Elektroden, die mit 1-3, Elektroden 3-5, Elektroden 5-7 und Elektroden 7-9 bezeichnet sind. Die Wellenformphase dreht im Uhrzeigersinn um Elektroden, die mit 2-4, Elektroden 4-6 und Elektroden 6-8 bezeichnet sind.
Es wird nun auf 33C Bezug genommen, wobei die durchschnittliche lonenflugbahn im Raum x-y (µm) für ein einzelnes Ion aufgetragen wird, das über einen Zyklus der Spannungswellenform mit negativer Polarität von 33B durch Lösen der vorstehenden Gleichung (8) berechnet wird. Es wird ein Ion vom Typ C der Masse 100 Da angenommen, und es wird seine durchschnittliche gedämpfte Flugbahn innerhalb der drei mit 4, 5 und 6 bezeichneten Elektroden dargestellt. Das Ion beginnt von der Stelle (0, -15), die durch das Kreissymbol angegeben ist, und folgt der gepunkteten Flugbahn, die das Sternsymbol nach einem Zyklus erreicht.
Unter Bezugnahme auf 33D sind durchschnittliche lonenflugbahnen im Raum x-y (µm) für Ionen unterschiedlicher Massen aufgetragen, die über einen Zyklus der Spannungswellenform mit negativer Polarität von 33B durch Lösen der vorstehenden Gleichung (8) berechnet werden. Ionen vom Typ C der Massen 100-1000 Da (bezeichnet) beginnen an der Stelle (0, -15) und folgen den gepunkteten Flugbahnen für einen Zyklus. Es ist daher zu erkennen, dass die Ionen eine Drehbewegung ausführen, und wenn Ionen innerhalb einer der Einfangregionen liegen, sie einer ungefähr dreieckigen Flugbahn folgen. Ionen mit höherer Mobilität und niedrigerer Masse weisen die größten Schwingungsamplituden auf.
Nun wird unter Bezugnahme auf 34 ein Vektorfeld im Raum x-y (µm) des effektiven elektrischen Feldes aufgetragen, das in jedem Zyklus durch Ionen vom Typ C der Masse 100 Da erfahren wird, wenn Wellenformen gemäß 33B auf die in 33A gezeigte Elektrodenanordnung angelegt werden. Somit werden die Ionen unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, die in drei Phasen aufgeteilt ist, die 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenzspannungswellenform aufweisen, betrachtet, wie in der rechten Darstellung von 33B gezeigt. Dies zeigt daher Fallen, die innerhalb jeder Gruppe von drei Elektroden - zwei Elektroden eines Substrats und einer Elektrode des anderen Substrats - gebildet sind. Die Fallen sind in Richtung des Spalts zwischen den beiden Elektroden auf demselben Substrat versetzt.
Die Untersuchung von 34 zeigt, dass sich die Vektoren des elektrischen Nettofeldes über einen Zyklus drehen, was darauf hindeutet, dass das Vektorpotenzial nicht konservativ ist. Ein zwischen zwei Punkten berechnetes Skalarpotenzial kann von dem eingeschlagenen Weg abhängig sein. Dennoch wird nur zur Veranschaulichung ein Skalarpotenzial berechnet. Bezug nehmend auf 35 wird ein effektives Potenzial (V) gegen die Position y (µm) entlang einer Testlinie für Ionen unterschiedlicher Mobilitätstypen aufgetragen, wenn Wellenformen gemäß 33B auf die in 33A gezeigte Elektrodenanordnung angelegt werden. Die Testlinie verläuft von y = -50 µm bis +20 µm bei x = 0 und Ionen werden von einem Bezugspunkt (0, 0) aus betrachtet. Das effektive Potenzial wird aus dem elektrischen Nettofeld in y über einen Zyklus für einfach geladene Ionen der Masse 100 Da unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, berechnet, die in drei Phasen mit 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz aufgeteilt ist. Das elektrische Feld zwischen dem Bezugspunkt und jedem anderen Punkt auf dem Diagramm wurde integriert, um eine Abschätzung des effektiven Potenzials zu erhalten.
Es werden drei Mobilitätstypen betrachtet: (a) Ionen vom Typ C (durchgezogene Linie); (b) Ionen vom Typ A (gestrichelte Linie); und (c) mobilitätsinvariante Ionen (gepunktete Linie). Unter Verwendung dieses Näherungsverfahrens erscheint der Boden des Topfes um ca. 14 µm in y versetzt. Für diese Ionen wird ein Topf von ungefähr 2,5 V gebildet.
Wie vorstehend angemerkt, können Ionen induziert werden, sich auf eine Reihe von unterschiedlichen Weisen über das Array von Fallen zu bewegen. Erstens durch die Anwendung eines elektrischen Feldes im stationären Zustand, das durch Vorspannen von Elektroden mit zeitinvarianten Spannungen von zunehmender oder abnehmender Größenordnung entlang des Arrays erstellt wird. Alternativ kann ein Gasstrom durch das Array dazu verwendet werden, Ionen entweder entlang des Arrays oder über das Array, oder eine Kombination der beiden, zu treiben. In einer dritten Option kann ein zeitlich variierender Satz von Spannungen an die Fallenelektroden und/oder eine oder mehrere Zusatzelektroden angelegt werden, um eine Wanderwelle zu erzeugen, um ein elektrisches Feld zu erstellen, das sich über das Array bewegt. Diese können auch auf Tripol-basierte Fallen angelegt werden.
Unter Bezugnahme auf 36A wird ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn, y (µm) gegen x (µm), von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Tripol-Elektrodenanordnung von 33A mit einem niedrigeren angelegten Gasstrom gezeigt. Ionen mit Massen in Intervallen von 100 Da zwischen 100 und 1000 Da inklusive werden unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, die in drei Phasen aufgeteilt ist, die 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz und eine gleichmäßige Gasströmungsgeschwindigkeit von 20 m/s in der positiven x-Richtung aufweisen, betrachtet. Alle Ionen beginnen am Punkt (-150, 14) (µm). Ionenflugbahnen enden in der Ebene x = 150 µm und die endgültigen lonenpositionen sind mit schwarzen Kreissymbolen gezeigt.
In diesem Beispiel bewegen sich Ionen unter der Wirkung einer Gasströmungsgeschwindigkeit von 20 m/s in der positiven x-Richtung von links nach rechts über das Array, wobei sie anscheinend den Weg des geringsten Widerstands finden, indem sie sich von Falle zu Falle bewegen. Eine Gasströmungsrate von weniger als ungefähr 19 m/s erscheint nicht ausreichend, um Ionen der Masse von 100 Da über die Barriere der ersten Einfangregion zu tragen, aber Ionen mit höherer Masse können entkommen. Bei niedrigeren Gasströmen scheint die minimal übertragene Masse höher zu sein. Bei 10 m/s Gasströmungsgeschwindigkeit können Ionen mit Massen, die gleich und größer eine als Masse von etwa 250 Da sind, der Falle entkommen und sich über das Array fortbewegen. Wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit auf 19 m/s erhöht wird, können Ionen der Masse 100 Da dem effektiven Potenzialtopf entkommen. Die Ionen bewegen sich über das Array mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fort.
Bezug nehmend nun auf 36B sind Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit (in x-Dimension, m.s^-1) gegen Masse (Da, linkes Diagramm), Mobilität (m².V^-1.ms^-1, mittleres Diagramm) und Kollisionsquerschnitt (Å², rechtes Diagramm) für eine Gasgeschwindigkeit von 20 m/s in der positiven x-Richtung gezeigt. Die Daten sind von durchschnittlichen lonenflugbahnen von einfach geladenen Ionen vom Typ C unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, aufgeteilt in drei Phasen, mit 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz genommen. Ionen bewegen sich über das Array mit einer Geschwindigkeit, die etwas kleiner als die Gasströmungsrate ist, und Ionen mit höherer Masse, die eine geringere Mobilität aufweisen, bewegen sich schneller als Ionen mit niedrigerer Masse und höherer Mobilität. Das Array von Fallen kann daher als Spektrometer fungieren, das Ionen entsprechend ihrer Mobilität auf inverse Weise im Vergleich zu einer linearen Mobilitätsdriftröhre trennt.
Bei einem erhöhten Gasstrom von 25 m/s reduziert sich die Differenz der axialen Geschwindigkeiten für unterschiedliche Massenionen bis zu einem gewissen Grad. Unter Bezugnahme auf 37A wird ein Diagramm der durchschnittlichen Flugbahn, y (µm) gegen x (µm), von einfach geladenen Ionen vom Typ C in der Tripol-Elektrodenanordnung von 33A mit einem höheren angelegten Gasstrom gezeigt. Ionen mit Massen in Intervallen von 100 Da zwischen 100 und 1000 Da inklusive werden unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, die in drei Phasen aufgeteilt ist, die 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz und eine gleichmäßige Gasströmungsgeschwindigkeit von 25 m/s in der positiven x-Richtung aufweisen, betrachtet. Alle Ionen beginnen am Punkt (-150, 14) (µm). Ionenflugbahnen enden in der Ebene x = 150 µm und die endgültigen lonenpositionen sind mit schwarzen Kreissymbolen gezeigt.
Bezug nehmend als Nächstes auf 37B sind Diagramme von axialer lonengeschwindigkeit (in x-Dimension, m.s^-1) gegen Masse (Da, linkes Diagramm), Mobilität (m².V^-1.ms^-1, mittleres Diagramm) und Kollisionsquerschnitt (Å², rechtes Diagramm) für eine Gasgeschwindigkeit von 25 m/s in der positiven x-Richtung gezeigt. Die Daten sind von durchschnittlichen lonenflugbahnen von einfach geladenen Ionen vom Typ C unter der Wirkung einer Cosinus-Spannungswellenform mit zwei Termen, mit negativer Polarität, aufgeteilt in drei Phasen, mit 200 V (Null bis Spitze) bei 60 MHz Grundfrequenz genommen.
Andere Multipole können für die vorliegende Offenbarung verwendet werden, und während Quadrupol und Tripol-Fallenstrukturen in einigen Details beschrieben wurden, kann der Fachmann die Behandlung leicht auf andere Multipol-Anordnungen ausweiten.
Zurückkehrend auf allgemeine Bedeutungen der Offenbarung, wie vorstehend betrachtet, versteht sich, dass die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden mindestens eine lonenfalle definieren. Dann kann die ionenoptische Multipol-Vorrichtung ferner eine lonentransportsteuerung umfassen, die dazu konfiguriert ist, die Bewegung von Ionen, die in der mindestens einen lonenfalle eingefangen sind, zu induzieren. Zum Beispiel kann die lonentransportsteuerung dazu konfiguriert sein, die Bewegung von Ionen, die in der mindestens einen lonenfalle eingefangen sind, durch eines oder mehrere der Folgenden zu induzieren: a) Anlegen eines stationären elektrischen Feldes an die erste und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden der mindestens einen lonenfalle, indem die erste und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden und/oder eine oder mehrere Zusatzelektroden mit zeitinvarianten Spannungen vorgespannt werden, um einen Spannungsgradienten (zum Beispiel Spannungen mit zunehmender oder abnehmender Größenordnung) entlang der ersten und/oder zweiten Achse zu generieren; b) Bewirken, dass ein Gas durch das Array (den lonenkanal) strömt, und c) Anlegen eines zeitlich variierenden Satzes von Spannungen an die erste und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden und/oder eine oder mehrere Zusatzelektroden, um eine Wanderwelle zu erzeugen, derart, dass ein elektrisches Feld bewirkt wird, das sich über die erste und/oder die zweite Achse bewegt. Unter Verwendung einer dieser Techniken (allein oder in Kombination) kann die lonentransportsteuerung dazu konfiguriert sein, die Bewegung von Ionen zu induzieren, die in der mindestens einen lonenfalle in einer Richtung parallel zu der ersten Achse und/oder der zweiten Achse eingefangen sind. Dies kann auch eine Trennung von Ionen nach ihrer Masse und/oder Mobilität (oder ihrem Mobilitätstyp) ermöglichen. Das Anlegen einer zeitinvarianten Vorspannung an die erste und/oder die zweite Vielzahl von Elektroden mit einer vorgegebenen Spannung kann es der lonentransportsteuerung ermöglichen, Ionen nach ihrer Masse und/oder Mobilität zu trennen.
Die Verwendung des Gasstroms kann auf andere Weise vorteilhaft sein. Zum Beispiel kann die lonentransportsteuerung dazu konfiguriert sein, die Bewegung von Ionen zu induzieren, die in der mindestens einen lonenfalle in einer Richtung senkrecht zu der ersten Achse und der zweiten Achse eingefangen sind, indem bewirkt wird, dass ein Gas durch das Array strömt. In Ausführungsformen ist die lonentransportsteuerung dazu konfiguriert, Ionen nach ihrer Masse und/oder Mobilität zu trennen, indem bewirkt wird, dass ein Gas mit einer vorgegebenen Durchflussrate durch das Array strömt.
Durch die Verwendung einer oder mehrerer ionenoptischer Multipol-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, anspruchsvolle Instrumente, zum Beispiel ein Massenspektrometer oder ein lonenmobilitätsspektrometer, mit einer derartigen ionenoptischen Multipol-Vorrichtung zu verwenden. In Ausführungsformen ist die ionenoptische Multipol-Vorrichtung dazu konfiguriert, als eines oder mehrere der Folgenden zu wirken: ein Massenfilter; ein Massenanalysator; ein lonenmobilitätsfilter; ein lonenmobilitätsanalysator; und eine Driftröhre.
Verschiedene Strukturen
Obwohl Ausführungsformen gemäß der Offenbarung unter Bezugnahme auf bestimmte Typen von Vorrichtungen und Anwendungen (insbesondere Massenspektrometer) beschrieben wurden und die Ausführungsformen in einem derartigen Fall besondere Vorteile aufweisen, wie hierin erörtert, können Ansätze gemäß der Offenbarung auf andere Typen von Vorrichtung und/oder Anwendung angewendet werden. Die konkreten Herstellungsdetails der ionenabstoßenden Oberfläche, der ionenoptischen Vorrichtung (wie lonenführung), des ionenoptischen Systems und die damit verbundenen Verwendungsmöglichkeiten sind zwar potenziell vorteilhaft (insbesondere im Hinblick auf bekannte Herstellungsbeschränkungen und -fähigkeiten), können aber beträchtlich variiert werden, um Vorrichtungen mit einem ähnlichen oder identischen Betrieb zu erhalten. Jedes in dieser Patentschrift offenbarte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel für eine generische Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Die Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung können mit einer Vielzahl von Elektrodenstrukturen verwendet werden. In den vorstehenden Beispielen wurden Streifen-Elektroden verwendet, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Verwendung derartiger länglicher linearer Elektroden beschränkt. Elektroden mit geeigneten Abmessungen können in symmetrischen oder asymmetrischen Mustern auf Substraten angeordnet sein und wenn die Verlängerung der Elektroden für eine bestimmte Anwendung vorteilhaft ist, können die Elektroden linear oder gekrümmt sein. Einzelne Elektroden können halbkugelförmig, rechteckig sein oder andere Formen aufweisen. Das Vorhandensein eines Substrats ist für das Funktionieren der Erfindung unerheblich. Die Streifenelektroden können auf andere Weise getragen werden, beispielsweise an ihren Enden durch elektrisch isolierende Träger gehalten werden. Das Substrat kann, soweit vorhanden, planar sein oder eine nicht planare Oberfläche aufweisen, auf der Elektroden angeordnet sind. Die Substrate könnten zwei konzentrische Zylinder umfassen, wobei eine oder beide der gekrümmten einander zugewandten Oberflächen ein Array von länglichen Elektroden aufweisen, das sich auf ihnen befindet. Die Zylinder können als äquivalent zu den vorstehend beschriebenen, planaren Substraten, jedoch aufgerollt, betrachtet werden. Die länglichen Elektroden können in derartigen Ausführungsformen unter Verwendung von Zylindern ringförmig sein. Einer der Zylinder könnte eine reine DC-Elektrode sein, deren Funktion der flachen Plattenelektrode in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist. In einigen Ausführungsformen unter Verwendung von zwei konzentrischen Zylindern als Substrate kann sich zwischen ihnen ein dritter Zylinder befinden, an den analog zu der in 12A gezeigten planaren Struktur nur eine Gleichspannung angelegt sein könnte. Die Größe der Elektroden kann von dem Druck des Gases abhängig sein, in dem die Elektrodenstrukturen verwendet werden sollen. Die Feldstärken sollten vorzugsweise derart sein, dass sich die interessierenden Ionen für die bestimmte Anwendung der Schallgeschwindigkeit im Gas bei dem gewählten Druck über einen Bruchteil der Spannungswellenform annähern und sie vorzugsweise überschreiten, sodass der differenzielle Mobilitätseffekt effektive Potenzialbarrieren für die interessierenden Ionen erstellt.
Bei Atmosphärendruck in Luft ist es vorteilhaft, Elektroden mit charakteristischen Abmessungen (Breite und/oder Höhe) von zehn oder einigen zehn Mikrometern zu verwenden und ähnlich bemessene oder vorzugsweise etwas kleinere Spalte zwischen aneinander angrenzenden Elektroden zu haben, an die eine Spannung mit unterschiedlicher Phase und/oder Polarität angelegt sein soll. Die Feldstärke, die vor dem Durchschlag erhalten werden kann, steigt schnell an, wenn der Abstand zwischen den Elektroden reduziert wird. Eine höhere Feldstärke bewirkt, dass Ionen die höheren Geschwindigkeiten über Teile des Oszillationszyklus erreichen, was die Nutzung des differenziellen Mobilitätseffekts ermöglicht. Vorzugsweise sind die Streifenelektroden in x etwas breiter als die Spalte zwischen aneinander angrenzenden Elektroden in x, und bei Atmosphärendruck in Luft ist eine günstige x-Breite von 30 µm mit Spalten von 15 µm eine bevorzugte Kombination. Allgemeiner ausgedrückt, kann eine Breite der Elektrode (in der Dimension x) von 10 µm bis 50 µm und mehr bevorzugt von 20 µm bis 40 µm betragen und/oder das Verhältnis von Elektrodenbreite zu Spalt beträgt vorzugsweise 1 bis 3, stärker bevorzugt 1,5 bis 2,5 und vorteilhaft etwa 2. Derartige Konfigurationen können in Verbindung mit einer flachen Plattenelektrode bereitgestellt werden, die sich vorzugsweise in einem Abstand von Streifenelektroden befindet, die das 2-5-fache (oder 3-4-fache) der Breite der Streifenelektroden, zum Beispiel etwa 100 µm von der Außenfläche der Streifenelektroden, aufweist. Die Grundfrequenz der Spannungsansteuerung (die Frequenz der größten Cosinus-Komponente) beträgt vorzugsweise 20-80 MHz und die Spannung 150-200 V (Null bis Spitze). Reduzieren der Breite des lonenkanals kann eine höhere Spannungsansteuerungsfrequenz erfordern, sodass lonenschwingungsamplituden nicht zu einem wesentlichen Bruchteil der Breite des lonenkanals werden.
Vorzugsweise sind die Streifenelektroden, wo es ein Substrat gibt, breiter (in x) als jeder darunter liegende erhöhte Abschnitt des Substrats, sodass die leitfähigen Streifen über das Substrat hinausragen. Beispiele für solche hinausragenden Elektroden auf einem Substrat sind in WO2014/048837 A2 beschrieben. In einer anderen Ausführungsform werden die Streifenelektroden so hergestellt, dass sie die volle Höhe von einer planaren Substratoberfläche erreichen, wie es in den vorstehend beschriebenen Simulationen der Fall war.
Ionen können induziert werden, sich innerhalb des lonenkanals zu bewegen durch Anlegen eines stationären elektrischen Feldes, das durch Vorspannen von Elektroden mit zeitinvarianten Spannungen von zunehmender oder abnehmender Größenordnung entlang des Arrays erstellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Gasstrom durch das Array (den lonenkanal) verwendet werden oder ein zeitlich variierender Satz von Spannungen kann an die Array-Elektroden angelegt werden, um eine Wanderwelle zu erzeugen, die ein elektrisches Feld erstellt, das sich entlang des Arrays bewegt, wie bekannt ist und zum Beispiel im US-Patent US-9,978,572 B2 beschrieben ist. Wenn ein Gasstrom verwendet wird, können Ionen zwischen denselben länglichen Elektroden zurückgehalten werden, wobei der Gasstrom in z-Richtung parallel zu der Verlängerung der Array-Elektroden geleitet wird. Alternativ kann der Gasstrom in einem anderen Winkel zur z-Achse liegen, einschließlich senkrecht zu dieser (d. h. in x-Richtung). Wird eine statische Verteilung von zeitinvarianten Spannungen verwendet, um ein elektrisches Feld über den lonenkanal in x-Richtung zu erstellen, können die zeitinvarianten Spannungen als Versätze an die den Streifenelektroden bereitgestellten HF-Potenziale angelegt werden. Dies ist ein relativ einfacher Ansatz, aber über größere Längen kann er zu einem unakzeptabel großen Spannungsabfall über das Array führen. Der Wanderwellenansatz erfordert eine anspruchsvollere Steuerung, vermeidet aber das Problem des Spannungsaufbaus. Eine alternative Implementierung besteht darin, zusätzliche im Boden der Vertiefungen befindliche Elektroden bereitzustellen, die so ausgerichtet sind, dass sie Ionen entlang der x- oder z-Richtung treiben. Wenn entweder ein stationäres elektrisches Feld oder ein elektrisches Wanderwellenfeld verwendet wird, um Ionen innerhalb des lonenkanals zu treiben, kann ein Gasstrom bereitgestellt werden, der in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung strömt, in der die Ionen durch das elektrische Feld getrieben werden. Solche Konfigurationen mit gegenläufigem Gasstrom können zur lonenmobilitätstrennung von Ionen innerhalb des lonenkanals verwendet werden.
Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind Singularformen der Begriffe in diesem Schriftstück derart auszulegen, dass sie auch die Pluralform einschließen und umgekehrt, sofern der Kontext nicht etwas anderes vorgibt. Beispielsweise bedeutet in dieser Schrift, einschließlich in den Ansprüchen, eine Bezugnahme im Singular, beispielsweise „ein“ oder „eine“ (wie beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler), „ein/e(n) oder mehrere“ (beispielsweise einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler), es sei denn, der Kontext legt etwas anderes nahe. In der gesamten Beschreibung und den gesamten Ansprüchen der vorliegenden Offenbarung bedeuten die Wörter „umfassen“, „einschließen“, „aufweisen“ und „enthalten“ und Varianten dieser Wörter, beispielsweise „umfassend“ und „umfasst“ oder ähnliches, „einschließlich ohne Beschränkung darauf“ und sind nicht dazu gedacht, weitere Komponenten auszuschließen (und schließen sie auch nicht aus).
Die Nutzung sämtlicher hier bereitgestellter Beispiele oder von auf Beispiele verweisenden Formulierungen („zum Beispiel“, „wie beispielsweise“, „beispielsweise“ und derartige Formulierungen) soll lediglich die Erfindung besser veranschaulichen und weist nicht auf eine Beschränkung des Geltungsumfangs der Erfindung hin, sofern nichts anderes beansprucht wird. Formulierungen in der Patentschrift sind keinesfalls dahingehend auszulegen, dass sie auf ein nicht beanspruchtes Element als maßgeblich für die praktische Umsetzung der Erfindung hinweisen.
Alle in dieser Patentschrift beschriebenen Schritte können in jeder beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, sofern nicht anders angegeben oder sofern der Kontext nicht etwas anderes erfordert.
Alle der in dieser Spezifikation offengelegten Aspekte und/oder Merkmale können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen mindestens einige dieser Merkmale und/oder Schritte sich gegenseitig ausschließen. Wie in dieser Patentschrift beschrieben, kann es bestimmte Kombinationen von Aspekten geben, die von weiterem Nutzen sind, wie beispielsweise die Aspekte bezüglich lonenführungen zur Verwendung in Massenspektrometern und/oder lonenmobilitätsspektrometern. Insbesondere gelten die bevorzugten Merkmale der Erfindung für alle Aspekte der Erfindung und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können in nicht Wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale getrennt (nicht miteinander kombiniert) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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WO 2017062102 A1 [0003, 0068]
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WO 2014048837 A2 [0264]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tolmachev et al. Anal. Chem. 86 18 9162-9168 [0003]
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Tao et al. (J Am. Soc. Mass Spectrom. 2007, 18, 1232-1238 [0238]

Claims

lonenabstoßende Oberfläche, umfassend: eine erste Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang einer Achse verteilt sind, die dazu konfiguriert sind, eine erste HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen; und eine zweite Vielzahl von länglichen Elektroden, die entlang der Achse verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von Elektroden mit der ersten Vielzahl von Elektroden verschachtelt ist und dazu konfiguriert ist, eine zweite HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase als die erste HF-Spannung aufweist; und wobei die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden und die erste und die zweite HF-Spannung derart konfiguriert sind, dass eine Stärke eines elektrischen Feldes angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche ausreichend ist, damit Ionen Mobilitätsvariation erfahren.
lonenabstoßende Oberfläche nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Vielzahl von länglichen Elektroden auf einem Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat im Wesentlichen elektrisch isolierend und/oder planar ist.
lonenabstoßende Oberfläche nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Achse linear ist und die erste und die zweite Vielzahl von länglichen Elektroden im Wesentlichen parallel sind oder wobei die Achse gekrümmt ist.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der ersten Vielzahl von Elektroden und/oder jede der zweiten Vielzahl von Elektroden eines oder mehrere der Folgenden aufweist: die gleiche Form, die gleichen Abmessungen und den gleichen Abstand; eine Höhe, die mindestens so groß wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist; einer Höhe, die kleiner als eine Dicke des Substrats ist; eine Breite, die mindestens so groß wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist; eine Breite, die kleiner als 100 µm ist; einer Länge in der Verlängerungsrichtung, die mindestens 2, 3, 5, 10, 20, 25 oder 50 Mal so lang wie ein Spalt zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist; und einen Querschnitt, der eines der Folgenden ist: rechteckig mit abgerundeten Ecken, hemisphärisch; und halbeiförmig.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der ersten Vielzahl von Elektroden mit einem ersten gemeinsamen Leiter an einem ersten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden verbunden ist und jede der zweiten Vielzahl von Elektroden mit einem zweiten gemeinsamen Leiter an einem ersten Ende der zweiten Vielzahl von Elektroden verbunden ist, wobei das erste Ende der zweiten Vielzahl von Elektroden distal zum ersten Ende der ersten Vielzahl von Elektroden ist.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere: der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden und der ersten und der zweiten HF-Spannung so konfiguriert sind, dass eine Stärke eines elektrischen Feldes angrenzend an die ionenabstoßende Oberfläche mindestens 1 MV/m beträgt; die ionenabstoßende Oberfläche so angeordnet ist, dass sie in einer Umgebung mit einem Gasdruck von mindestens 10 kPa arbeitet; die ionenabstoßende Oberfläche so angeordnet ist, dass sie in Luft arbeitet.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Phasendifferenz zwischen der ersten HF-Spannung und der zweiten HF-Spannung mindestens π/2 beträgt.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine DC-Elektrodenanordnung, umfassend eine oder mehrere Elektroden, die dazu konfiguriert sind, eine Gleichspannung zu empfangen, wobei jede der einen oder der mehreren Elektroden eine planare Form aufweist und im Wesentlichen in derselben Ebene positioniert ist wie die erste Vielzahl von Elektroden und die zweite Vielzahl von Elektroden.
lonenabstoßende Oberfläche nach Anspruch 8, wobei die DC-Elektrodenanordnung Folgendes umfasst: eine erste DC-Elektrode, die angrenzend an ein erstes Ende der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden senkrecht zu einer Verlängerungsrichtung angeordnet ist; und eine zweite DC-Elektrode, die angrenzend an ein zweites Ende der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden senkrecht zu einer Verlängerungsrichtung distal zum ersten Ende angeordnet ist.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine leitfähige Rückwandplatine auf einer Seite des Substrats gegenüber einer Seite, auf der sich die erste und die zweite Vielzahl von Elektroden befinden.
lonenabstoßende Oberfläche nach Anspruch 10, wobei die leitfähige Rückwandplatine dazu konfiguriert ist, eine Gleichspannung zu empfangen.
lonenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine dritte Vielzahl von länglichen Elektroden auf dem Substrat, die entlang einer zweiten Achse verteilt und von der ersten und zweiten Vielzahl von Elektroden verschieden und dazu konfiguriert sind, eine dritte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase als die erste und die zweite HF-Spannung aufweist; und eine vierte Vielzahl von länglichen Elektroden auf dem Substrat, wobei die vierte Vielzahl von Elektroden mit der dritten Vielzahl von Elektroden entlang der zweiten Achse verschachtelt und dazu konfiguriert ist, eine vierte HF-Spannung mit einer asymmetrischen Wellenform zu empfangen, die eine andere Phase als die erste, zweite und dritte HF-Spannung aufweist.
lonenoptische Vorrichtung, umfassend: eine ionenabstoßende Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und eine Plattenelektrode, die von der ionenabstoßenden Oberfläche räumlich getrennt ist, um einen lonenkanal zwischen der ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode zu definieren.
lonenoptische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Plattenelektrode dazu konfiguriert ist, eine Gleichspannung oder eine HF-Spannung mit einem zeitinvarianten Potenzialoffset zu empfangen.
lonenoptische Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Plattenelektrode im Wesentlichen parallel zu der ionenabstoßenden Oberfläche ist.
lonenoptische Vorrichtung, umfassend: eine erste ionenabstoßende Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 15; und eine zweite ionenabstoßende Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die von der ersten ionenabstoßenden Oberfläche räumlich getrennt ist, um einen lonenkanal zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche zu definieren.
ionenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Frequenz der ersten und der zweiten HF-Spannung so gewählt wird, dass lonenschwingungsamplituden kleiner als ein wesentlicher Bruchteil einer Breite des lonenkanals sind.
ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 16, ferner umfassend: eine Plattenelektrode, die zwischen der ersten und der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche positioniert und räumlich davon getrennt ist, um einen ersten lonenkanal zwischen der ersten ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode und einen zweiten lonenkanal zwischen der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche und der Plattenelektrode zu definieren; und wobei die erste und die zweite HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche eine entgegengesetzte Polarität zu der ersten und der zweiten HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche aufweist.
ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 16, die derart angeordnet ist, dass die erste Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche so angeordnet ist, dass sie mit der ersten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und dieser gegenüberliegt, und derart, dass die zweite Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche so angeordnet ist, dass sie mit der zweiten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und ihr gegenüberliegt, wobei die erste HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche die gleiche wie die erste HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ist und wobei die zweite HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche die gleiche wie die zweite HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ist.
ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die erste und die zweite ionenabstoßende Oberfläche jeweils Anspruch 12 entsprechen, wobei die ionenoptische Vorrichtung so angeordnet ist, dass die dritte Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche so angeordnet ist, dass sie mit der dritten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und ihr gegenüberliegt, und derart, dass die vierte Vielzahl von Elektroden der ersten ionenabstoßenden Oberfläche so angeordnet ist, dass sie mit der vierten Vielzahl von Elektroden der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ausgerichtet ist und ihr gegenüberliegt, wobei die dritte HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche die gleiche wie die dritte HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ist und wobei die vierte HF-Spannung der ersten ionenabstoßenden Oberfläche die gleiche wie die vierte HF-Spannung der zweiten ionenabstoßenden Oberfläche ist.
lonenoptische Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die erste HF-Spannung und die dritte HF-Spannung eine entgegengesetzte Polarität aufweisen und wobei die zweite HF-Spannung und die vierte HF-Spannung eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Ionenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, ferner umfassend eine Transportsteuerung, die dazu konfiguriert ist, eine Bewegung von Ionen innerhalb des oder jedes lonenkanals durch Steuern eines oder mehrerer der Folgenden zu induzieren: Anlegen von zeitinvarianten Potenzialen, um ein stationäres elektrisches Feld entlang einer Länge des oder jedes lonenkanals zu erstellen; einen Gasstrom entlang der Länge des oder jedes lonenkanals; und Anlegen von Wanderwellenpotenzialen, um ein sich bewegendes elektrisches Feld entlang der Länge des oder jedes lonenkanals zu erstellen.
Ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Transportsteuerung dazu konfiguriert ist, die Anwendung von Potenzialen an eines oder mehrere der Folgenden zu steuern: die erste Vielzahl von Elektroden; die zweite Vielzahl von Elektroden; und Zusatzelektroden, die jeweils zwischen einer der ersten Vielzahl von Elektroden und einer der zweiten Vielzahl von Elektroden positioniert sind.
lonenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die Achse der ersten und der zweiten Vielzahl von Elektroden jeder ionenabstoßenden Oberfläche kreisförmig ist, derart, dass der lonenkanal einen kreisförmigen Flugweg definiert, damit Ionen durch ihn hindurchwandern.
lonenoptisches System, umfassend: eine ionenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, die dazu konfiguriert ist, Ionen zu empfangen; mindestens eine Gating-Elektrode; und eine Gleichstromversorgung, die dazu konfiguriert ist, selektiv der mindestens einen Gating-Elektrode ein Gleichspannungspotenzial bereitzustellen, um den Transfer von Ionen von der ionenoptischen Vorrichtung zu einer Ausgabevorrichtung zu bewirken.
lonenoptisches System nach Anspruch 25, wobei die ionenoptische Vorrichtung einem der Ansprüche 13 bis 15 entspricht und eine Öffnung in der ionenabstoßenden Oberfläche oder Plattenelektrode aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern, oder wobei die ionenoptische Vorrichtung einem der Ansprüche 16 bis 23 entspricht und eine Öffnung in der ersten ionenabstoßenden Oberfläche oder zweiten ionenabstoßenden Oberfläche aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern; und wobei die Ausgabevorrichtung dazu konfiguriert ist, Ionen von der ionenoptischen Vorrichtung über die Öffnung zu empfangen.
lonenoptisches System nach Anspruch 25 oder 26, wobei die mindestens eine Gating-Elektrode eine Gating-Elektrode umfasst, die auf dem Substrat einer ionenabstoßenden Oberfläche der ionenoptischen Vorrichtung in der Nähe der Öffnung positioniert ist.
lonenoptisches System nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die mindestens eine Gating-Elektrode umfasst: eine erste Gating-Elektrode, die auf der oder angrenzend an eine ionenoptische Vorrichtung positioniert ist; und eine zweite Gating-Elektrode, die auf der oder angrenzend an die Ausgabevorrichtung positioniert ist.
Ionenoptisches System nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die ionenoptische Vorrichtung eine erste ionenoptische Vorrichtung und die Ausgabevorrichtung eine zweite ionenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24 ist.
Ionenoptisches System nach Anspruch 28, wobei: die zweite ionenoptische Vorrichtung parallel zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert ist, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine erste Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der ersten ionenoptischen Vorrichtung aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung eine zweite Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der zweiten ionenoptischen Vorrichtung aufweist, damit Ionen von der ersten ionenoptische Vorrichtung empfangen werden; oder die zweite ionenoptische Vorrichtung senkrecht zu der ersten ionenoptischen Vorrichtung orientiert ist, wobei die erste ionenoptische Vorrichtung eine Öffnung in einer ionenabstoßenden Oberfläche der ersten ionenoptischen Vorrichtung aufweist, damit Ionen durch sie hindurchwandern, und die zweite ionenoptische Vorrichtung so positioniert ist, dass Ionen durch die Öffnung hindurchwandern und an einem Ende eines lonenkanals der zweiten ionenoptischen Vorrichtung empfangen werden können.
lonenoptisches System, umfassend eine Vielzahl von HF-Ionenführungen, wobei jede der Vielzahl von HF-Ionenführungen durch eine ionenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24 gebildet ist.
Ionenoptisches System nach Anspruch 31, wobei die Vielzahl von HF-Ionenführungen Folgendes umfasst: eine erste ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine erste Kreisachse in einer ersten Ebene aufweist; und eine zweite ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine zweite Kreisachse aufweist, die eine Mitte aufweist, die von der Mitte der ersten Kreisachse versetzt ist, sodass sich die erste und die zweite Kreisachse überlappen, wobei die zweite Kreisachse in einer zweiten Ebene definiert ist, die parallel zu der ersten Ebene ist; und wobei das ionenoptische System ferner eine lonentransferoptik umfasst, die dazu konfiguriert ist, Ionen zwischen der ersten und der zweiten ionenoptischen Vorrichtung in der Region zu überführen, in der sich die erste und die zweite Kreisachse überlappen.
Ionenoptisches System nach Anspruch 31, wobei die Vielzahl von HF-Ionenführungen Folgendes umfasst: eine erste ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine erste Kreisachse mit einem ersten Radius aufweist; eine zweite ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine zweite Kreisachse aufweist, die mit der ersten Kreisachse konzentrisch ist und einen zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist; eine dritte ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine dritte Kreisachse mit dem zweiten Radius aufweist, wobei die Mitte der dritten Kreisachse von der Mitte der ersten und der zweiten Kreisachse versetzt ist, sodass sich die erste und die dritte Kreisachse überlappen; und eine vierte ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 24, die eine vierte Kreisachse mit dem ersten Radius aufweist, wobei die vierte Kreisachse mit der dritten Kreisachse konzentrisch ist, sodass sich die zweite und die vierte Kreisachse überlappen; und wobei das ionenoptische System ferner eine lonentransferoptik umfasst, die konfiguriert ist zum: Überführen von Ionen zwischen der ersten und der dritten HFlonenführung in der Region, in der sich die erste und die dritte Kreisachse überlappen; und Überführen von Ionen zwischen der zweiten und der vierten HF-Ionenführung in der Region, in der sich die zweite und die vierte Kreisachse überlappen.
lonenoptisches System nach Anspruch 33, wobei die erste und die zweite Kreisachse in einer ersten Ebene definiert sind und die dritte und die vierte Kreisachse in einer zweiten Ebene definiert sind, die parallel zu der ersten Ebene ist.
Massenspektrometer, umfassend: ein ionenoptisches System nach einem der Ansprüche 25 bis 34; und mindestens eine ionenoptische Verarbeitungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Ionen von dem ionenoptischen System zu empfangen.
Ionenoptische Schnittstelle zwischen einem ersten Teil eines Massenspektrometriesystems und einem zweiten Teil eines Massenspektrometriesystems, umfassend eine HF-Ionenführung, die aus einer ionenoptischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 gebildet ist, oder ein ionenoptisches System nach einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei die HF-Ionenführung dazu konfiguriert ist, Ionen von dem ersten Teil des Massenspektrometriesystems an einem ersten Ende der HF-Ionenführung zu empfangen und Ionen an einem zweiten gegenüberliegenden Ende der HFlonenführung in Richtung des zweiten Teils des Massenspektrometriesystems auszugeben.
Ionenoptische Schnittstelle nach Anspruch 36, wobei der erste Teil des Massenspektrometriesystems eine lonenquelle umfasst.
Ionenoptische Schnittstelle nach Anspruch 36 oder 37, wobei das erste Ende der HF-Ionenführung so angeordnet ist, dass es bei Atmosphärendruck arbeitet, und das zweite Ende der HF-Ionenführung so angeordnet ist, dass es bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck arbeitet.
Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer, umfassend: eine lonenquelle, die zum Generieren von Ionen konfiguriert ist; die ionenoptische Schnittstelle nach einem der Ansprüche 36 bis 38, die dazu angeordnet ist, die generierten Ionen zu empfangen; und ein lonenverarbeitungssystem, das dazu konfiguriert ist, Ionen von der ionenoptischen Schnittstelle zu empfangen.
Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 39, wobei die lonenquelle eines der Folgenden umfasst: eine lonenquelle zur Chemikalienionisation bei Atmosphärendruck, APCI; eine lonenquelle für Atmosphärendruckfotoionisation, APPI; eine lonenquelle für Elektrosprayionisation, ESI; eine lonenquelle für Elektronenionisation, El; eine lonenquelle für Chemikalienionisation, Cl; eine lonenquelle mit induktiv gekoppeltem Plasma, ICP; und eine lonenquelle für matrixunterstützte Laserdesorption/- ionisation, MALDI.
Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 39 oder 40, wobei die lonenquelle und die ionenoptische Schnittstelle dazu konfiguriert sind, eine Potenzialdifferenz im Betrieb aufzuweisen, die bewirkt, dass Ionen, die durch die lonenquelle generiert werden, zur HF-Ionenführung wandern und in das erste Ende der HF-Ionenführung eintreten.
Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 39 bis 41, das so konfiguriert ist, dass im Betrieb eine Temperatur der HF-Ionenführung höher ist als die der lonenquelle.
Massen- oder lonenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 39 bis 42, wobei die lonenquelle dazu konfiguriert ist, einen lonenstrom von mindestens 5 nA zu generieren.
lonenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 39 bis 43, wobei das lonenverarbeitungssystem einen lonenmobilitätsanalysator umfasst, der dazu angeordnet ist, Ionen von der HF-Ionenführung zu empfangen und die empfangenen Ionen nach ihren jeweiligen lonenmobilitäten zu trennen.
lonenmobilitätsspektrometer, umfassend einen lonenmobilitätsanalysator, der aus einer ionenoptischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 oder einem ionenoptisches System nach einem der Ansprüche 25 bis 34 gebildet ist.