DE2045338A1 - Laufzeit Massenspektrometer - Google Patents

Description

Laufzeit-Massenspektroineter beruhen auf dem Prinzip, daß die Geschwindigkeiten von. Ionen, welche alle im gleichen^ elektrischen Felde beschleunigt wurden, vom Masse-Xadungs-Verhältnis der Ionen abhängen und damit auch die Zeiten, in welchen die Ionen eine vorbestimmte Strecke durchlaufen. In ' einem Laufzeit-Massen-spektrometer wird eine Gruppe.von beschleunigten Ionen, welche gleichzeitig die Strecke zu durchlaufen beginnen, durch eine sog. Ionenkanone geliefert oder mittels einer'Ionenkanone in Verbindung mit einer Ablenkeinrichtung und einer Blende ausgewählt. Am Ende der Strecke ist ein Ionenauffänger angeordnet, welcher gewöhnlich einen Elektronenvervielfacher umfaßt. Der Ionenauffänger erzeugt Stromspitzen, welche den verschiedenen Ionen in der Probe entsprechen. Mittels eines Katodenstrahl-Oszillographen oder eines anderen geeigneten Gerätes werden die Stromspitzen sichtbar gemacht oder aufgezeichnet. Normalerweise ist die Plugbahn der Ionen geradlinig, jedoch wurde auch bereits vorgeschlagen, statt dessen eine schraubenlinienförmige Flugbahn anzuwenden.

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Ionen mit dem gleichen Molekulargewicht und der gleichen elektrischen Ladung sollen in einem Laufzeit-Mässenspektrö-" meter eigentlich die gleiche Geschwindigkeit und damit auch die gleiche Laufzeit haben. Dies wird jedoch in der Praxis ' niemals erreicht, was hauptsächlich auf unterschiedliche Anfangsgeschwindigkeiten der Ionen zurückzuführen" ist. Wegen einer geringfügig größeren oder kleineren Geschwindigkeit gibt es immer einige Ionen mit abweichender Laufzeit. In einem Laufzeit-Massespektrometer begrenzt letztlich dieser Umstand die erreichbare Auflösung.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laufzeit-Massenspektrometer zu schaffen, bei dem diese Unterschiede der Laufzeit beseitigt sind und welches daher eine erhöhte Auflösung besitzt.

JSin Laufzeit-Massenspektrometer nach der Erfindung, ,welches diese Aufgabe löst, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Plugbahn zwischen der Ionenquelle und dem lonenäuffänger teilweise in einem elektrischen Radialfeld zwischen mindestens einem paar konzentrischer Zylinderelektroden schraubenlinienförmig und teilweise vor urid/oder hinter den Zylinderelektroden unter einem bestimmten Winkel zur Elektrodenachse ohne radiale Komponente geradlinig verläuft, und daß die" durch den'Winkel· und die Länge der Zylinderelektroden definierte Länge einer geometrischen, nicht notwendigerweise ei*ne Umlaufbahn darstellenden Schraubenlinie um die Elektrodenachse in der Größenordnung der Länge des geaadlinigen Teils der Plugbahn liegt. ^

Durch die teilweise fpradlinige und teilweise schrauberilinierifö'rmige Plugbahn für Ionen weist das erfindüngsgemäßö Laufzeit-Massenspektrometer die folgenden Verbesserurigen und Vorteile auf:

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1. -,Aufgrund, dei* Kombination einer geradlinigen Bahn mit einer-sQbEaubein-linienfoxEiigett Bahn findet eine Zeitfofcussierung statt, durch, welche die Auflösung und Empfindlichkeit erhöht

2. ;-die Flugbahn der Ionen ist verlängert und dadurch die Auflösung vergrößert» ■ .

3. ,der Hintergrundstrom bzw. das Hintergrundrauschen ist reduziert, da der Ionenauffänger nicht mehr auf einer Linie mit der Ionenkanone liegt; auch dies bedeutet eine effektive Erhöhung der Empfindlichkeit. , - . , ί , ■,..-.

Die Zeitfokussieirung» d.h., die. Verringerung oder Beseitigung von Lauf Zeitunterschieden zwischen Ionen der gleichen Art mit xelativ geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten, beruht auf der Erscheinung, daß die Laufzeit von Ionen,, welche in den Saum zwischen den Zylinderelektroden mit einer etwas höheren.bzw. niedrigeren Geschwindigkeit als der für eine genau schraubenlinienförmige Umlaufbahn erforderlichen Ge- . schwindigkeit eintreten, größer bzw. kleiner als die Laufzeit von Ionen ist, die die erforderliche Geschwindigkeit haben. Dies,ist dem, was längs einer gradlinigen Flugbahn geschieht, genau entgegengesetzt. Dort haben die schnellsten Ionen die kürzeste.Laufzeit« Durch die !Combination gradliniger und schraubenlinienfÖrmiger Plugbahn-Abschnitte kann also eine Kompensation der Laufzeitunterschiede erreicht werden.

Besonders günstige Ergebnisse erhält man mit Zylinerelektroden, welche so gestaltet und angeordnet und vorzugsweise so zusammen mit Blenden benutzt sind, wie es in der Deutschen Patent-Anmeldung P 2o 24.839·9 der Anmelderin erläutert ist. .'._■

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Der Grad der Zeitfokussierung hängt hauptsächlich vom Verhältnis der Länge des gradlinigen Teils der Plugbahn zur erwähnten Länge einer hypothetischen Schraubenlinie und von der Größe der Beschleunigung oder Verzögerung ab, welche die Ionen in Bewegungsrichtung längs des gradlinigen Teils bzw. der gradlinigen Teile ihrer Plugbahn insbesondere am Übergang bzw. an den Übergängen zwischen den gradlinigen und den schraubenlinienförmigen Teilen erfahren. Ohne eine solche Beschleunigung oder Verzögerung sollte das Verhältnis für eine optimale Zeitfokussierung in der Praxis ungefähr 1 betragen. Mit einem Verhältnis zwischen o,25 und 4 läßt sich für einen weiten Bereich praktischer Anwendungsfälle ein hoher Grad der Zeitfokussierung erreichen.

Die Fokussierung wird noch weiter verbessert, wenn der schraubenlinienförmige Teil der Ionen-Plugbahn aus zwei ungefähr gleichen Abschnitten entgegengesetzten Drehsinnes besteht.

Das erfindungsgemäße Massenspektrometer arbeitet.in der folgenden Weise. Ein Ion mit der Masse m, welches sich auf der Geschwindigkeit V₀ befindet, hat längs-der gradlinigen Bahn L eine Laufzeit T₈ = L/v₀ = T₀. Ein Ion mit der gleichen Masse m, aber mit einer um den Betrag Jv niedrigeren Geschwindigkeit hat eine Laufzeit Ts- = T₀ (1+ß + ß + ß^+...), wobei ß =4v/v₀ ist. In entsprechender Weise hat ein Ion mit der gleichen Masse m, aber mit einer um den Betrag Λν erhöhten

ρ ·?

Geschwindigkeit eine Laufzeit T₃+= T₀ ( 1 - ß + ß - ß-'+ ...).

Wenn die Ionen außer einer gradlinigen Plugbahn auch noch einer schraubenlinienförmigen Plugbahn folgen, hat ein Ion mit der Masse m, welches sich auf' der Geschwindigkeit V₀ befindet, längs der schraubenlinienförmigen Bahn von der Länge kR₀ eine Laufzeit Tjj = kR₀/v₀, wobei k eine konstante und R₀ der Radius der Schraubenlinie ist, längs welcher das Ion umläuft. Ein Ion mit der gleichen Masse m, dessen Geschwindigkeit jedoch Om den Betrag ^v niedriger ist, hält den Umlauf-Radius K₀ nicht ein. Dieses Ion folgt während seines Umlaufs vielmehr einer komplexeren Bahn, wobei en sinusförmig um einen mittleren

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ORIGINAL IMSPECTED

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Radius R₀- ^R rait jdR = ßR₀ pendelt. Darüberhinaus bleibt aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses die Geschwindigkeit des Ions nicht konstant, sondern vergrößert sich mit abnehmendem Radius. Daher wird bei einem Ion der Masse m und der Geschwindigkeit V₀-<4 ν die Flugbahn kürzer und die Geschwindigkeit größer. Dies ergibt schließlich eine Laufzeit Tjj- = Ttt (1 - ß - ß - ß - ···)· I*¹ gleicher Weise hat ein Ion der Masse m, jedoch einer um den Betrag ^v erhöhten Geschwindigkeit die Laufzeit T_R+= T_H (1 + ß - ß² + ß⁵- ...)·.'

Die gesamte Laufzeit der Ionen längs des gradlinigen und längs des schraubenlinienförmigen Teils der Flugbahn ist T = T₈ + T_w.

Wenn kR₀ = L ist, gleicht Tg für ein Ion der Masse m und der Geschwindigkeit V₀ dem.Wert T , sodaß sich eine gesamte Laufzeit T = T_s + T_H = 2T₀ ergibt. Weiterhin ergibt sich aus T_s_ = T₀ ( 1 + ß■+ ß + ß + ···) und aus T = T₀ ( 11- ß. - ß²- ß5 - ...)der Wert T_ = T_s _+ T_H_= 2T₀. In entsprechender Weise gilt T₊ = T₈₊ + T_R+ = 2T₀. Die Kombination einer schraubenlinienförmigen Driftbahn und einer gradlinigen Bahn ergibt also in einem Laufzeit-Massenspektrometer für ein Ion der Masse m unabhängig vom Wert von ß stets die Laufzeit T = 2T₀ unter der Voraussetzung, daß die

Laufzeit eines v_o-Ions in beiden Stufen die gleiche ist. Mit anderen Worten ist durch diese Anordnung eine vollständige Zeitfokussierung erzielbar. Der gradlinige Teil"und der Bchraubenlinienförmige Teil der Flugbahn haben nicht notwendigerweise die gleiche Länge. Zur Erzielung einer vollständigen Zeitfokussierung kommt es auf gleiche Laufzeit im gradlinigen Teil und im schraubenlinienförmigen Teil an.

Die Erfindung ist mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten im folgenden ,anhand einer schematischen Zeichnung·an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen;

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Figur 1 die Ionenflugbahn in einem Laufzeit-Massenspektrometer nach der Erfingung

Figur 2 einen Abschnitt der Ionen-Plugbahn des Instrumentes mit genaueren Einzelheiten.

In Figur 1 ist eine Ionenquelle, welche beschleunigte Ionen liefert, säiematisch durch das Rechtecksymbol 1 angedeutet. Der Linienzug 2, 3> 4, 5 stellt die Ionenbahn für ein v₀-Ion dar. Der Bahnabschnitt 2, 3 ist gradlinig. Die Laufzeit eines v₀-Ions beträgt für diesen Abschnitt T₀* Der Bahnabschnitt 3> 4, 5 ist schraubenlinienförmig. Aus weiter unten näher erläuterten Gründen besteht die schraubenlinienförmige Bahn beim Ausführungsbeispiel aus 2 Abschnitten 3j4 und 4,5, welche jeweils in einem zueinander entgegengesetzten Drehsinn verlaufeni Jeder der beiden schraubenlinienförmigen Bahnabschnitte verläuft in einer den jeweiligen Bahnabschnitt erzeugenden Analysieranordnung. Die beiden in der Zeichnung nicht dargestellten Analysieranordnungen sind so ausgebildet, daß in jeder von ihnen die Fluglänge für ein vo-Ion 1/2kR₀ und entsprechend die Laufzeit 1/2 T beträgt. Ionen mit einer etwas erhöhten oder etwas erniedrigten Geschwindigkeit beschreiben Flugbahnen ähnlich der Bahn 2,3»4,5 pendeln oder oszillieren jedoch um eine schraubenlinfenförmige Bahn in der zuvor erläuterten V/eise. In einem Detektor 6 werden die aus der zweiten Analysieranordnung austretenden Ionen aufgefangen. Das Ausgangssignal des Detektors 6 gelangt zu einem anzeigenden und/oder aufzeichnenden Instrument 7.

Die Verwendung von 2 Analysieranordnungen, in welchen die Ionen schraubenlinienförmigebzw. ungefähr schraubenlinienförmige Flugbahnen mit jeweils entgegengesetztem Drehsinn beschreiben, macht die Laufzeit eines Ions von kleinen Änderungendes Umlaufradius unabhängig. Mit anderen Worten bewegt sich ein Ion, das bei seiner Wanderung durch die erste zylindrische

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ORiGlMAL HSfSPECTED

Analysieranordnung einen Radius R₀- ^dR einhält, durch die zweite Analysiereinordnung unter Einhaltung eines Radius ^Ro ⁺/4r ^unä umgekehrt. Dies ist in Figur 2 dargestellt, welche in einer zu den Achsen der Analysieranordnungen parallelen Projektion den Übergang zwischen dem ersten schraubenlinfenförmigen und dem zweiten schraubenlinienförmigen Bahnabschnitt zeigt.

Obwohl beim erläuterten Instrument das Prinzip der Zeitfokussierung zur Erzielung einer hohen spektralen Massen-Auflösung angewendet wird, kann das erläuterte Prinzip der Zeitfokussierung natürlich gleich gut für andere Vorgänge angewendet werden, bei welchen Gruppen oder Bündel geladener .Teilchen unabhängig von ß, der relativen Geschwindigkeitsoder Energiestreuung der geladenen Teilchen, gleichzeitig an einem bestimmten Ort ankommen müssen.

Patenansprüche

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Claims (2)

Patentanspruch e

1./ Laufzeit-Massenspektrometer mit Ionenquelle und Ionen-

auffänger,, dad ure η g e k e η η zeichnet, daß die Ionenflugbahn (2,3,4>5) zwischen der Ionenquelle (1) und dem Ionenauffänger (6) teilweise in einem elektrischen Eadialfeld zwischen mindestens einem paar konzentrischer Zylinderelektroden schraubenlinienförmig und teilweise vor und/Oder hinter den Zylinderelektroden unter einem bestimmten Winkel zur Elektrodenachse ohne radiale Komponente geradlinig verläuft., und daß die durch, den Winkel und die Länge der Zylinderelektroden definierte Länge einer geometrischen Schraubenlinie um die Elektrodenachse in der Größenordnung der Länge des gradlinigen Teils der Plugbahn liegt.

2. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Länge der Schraubenlinie zwischen dem ο,25- und dem 4-fachen der Länge des geradlinigen Teils der Ionen-Plugbahn beträgt-

3·» Lauf zeit-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t ., daß die Länge der Schraubenlinie der Länge des gradlnigen Teils der Ionen-Plugbahn ungefähr gleicht.

4» Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch g e kenn ζ e ich η e t , daß der schraubenlinienförmige Teil der lonen-Plugbahn aus zwei ungefähr gleichen, zueinander gegenläufigen Abschnitten (3,4; 4,5)besteht.

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