DE2709420A1 - Massenspektrometer - Google Patents

Description

BEZEICHNUNG: PATENTANMELDUNG

(entspricht US.-Anm. Serial-No. 664 047)

Massenspektrometer

ANMELDER:

Finnlgan Corporation
845 Maude Avenue
Sunnyvale, Kalif·,V.St«A,

ERFINDERS

John R. Reeher

235 Thomas Drive

Los Gatos, Kalif.,V.St.A.

Michael S. Story
15745 Wood Acres Road
Los Gatos, Kalif.,V.St.A.

Ronald S. Smith
5 Rymill Close
Bovingdon, Großbritannien

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Konten: Deutsche Bank AG, Hamburg, Konlo-Nr. 6/10055 (BLZ 200700001 . Postscheckamt Hamburg. Konto-Nr. 2620 80-201 (BLZ 20010020)

Sie Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Einlaßvorrichtung für die Zuführung von Proben zur Analyse, mit einem Ionisierungsgebiet zur Ionisierung der genannten Proben zur Erzeugung geladener und neutraler Teilchen, sowie mit einem Massen-Analysator und einer Linsenanordnung zur fokussierung der sich ergebenden Ionen in den genannten Massen-Analysator hinein.

Sie Erfindung ist auf eine Linsenanordnung zur Fokussierung von Ionen für Massenspektrometer, zur Trennung der geladenen von den neutralen Teilchen, gerichtet.

Normalerweise wird ein Massenspektrometer in Verbindung mit einer Ionisierungseinrichtung eingesetzt, in welcher Ionen unter niedrigem Sruck, wie beispielsweise 10 ^J Torr, entstehen. Jedoch bringen die in letzter Zeit entwickelten Verfahrensweisen zur Ionisierung von Molekülen aus Proben den Betrieb der Ionisierungseinrichtung bei höherem Sruck, wie beispielsweise mehr als 10 Torr, mit sich. Sies geschieht, um die daraus resultierenden Zusammenstöße zwischen Molekülen aus der Probe und ionisierten Molekülen eines Reagenzgases als Mittel zur Ionisierung der Moleküle aus der Probe auszunutzen. Ein solcher Vorgang erzeugt ein Gemisch aus positiven und negativen Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen·

Zur Trennung der positiven und negativen ionisierten Teilchen von den in Fülle vorhandenen neutralen Teilchen, die aus einer solchen Hochdruck-Ionenquelle austreten, und zur anschließenden Fokussierung des resultierenden Ionenbündels in einen Massen-Analysator hinein, ist man nach dem bisherigen Stand der Technik

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wie folgt vorgegangen: Besonders bei den meisten, mit einer Hochdruck-Ionisierungseinrichtung ausgestatteten Massenspektrometern wird eine Differentialpumpen-Vakuumerzeugungseinrichtung derart eingesetzt, daß die Ionisierungseinrichtung getrennt vom Massen-Analysator und vom Massen-Detektor ausgepumpt wird. Diese Anordnung gestattet die Aufrechterhaltung eines niedrigen Druckes in der Nachbarschaft des Massen-Analysatora. Eine Differentialpumpen-Umlenkvorrichtung wird zwischen dem Massen-Analysator und dem Ionisierungsgebiet aufrechterhalten. Um Jedoch den niedrigen Druck im Massen-Analysator beibehalten zu können, muß die Hauptmenge des die Ionisierungseinrichtung verlassenden Gases durch die Ionisierungspumpe abgepumpt werden· Bs ist daher erstrebenswert, diejenigen ionisierten Teilchen, die von Interesse sind, dabei zurückzuhalten und sie in den Massen-Analysator hinein zu bündeln. In der Vergangenheit ist dies durch Verengung des Austritts des lonisierungsgebiets erreicht worden, mit nachfolgendem Verlust an der ionisierten Teilchensorte·

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Massenspektrometer mit einer Linsenanordnung zur Fokussierung von Ionen zu schaffen, dl· auf wirksame Weise geladene und neutrale Teilchen voneinander trennt, wobei eine Anordnung geschaffen wird, die auch bei Ionisierungsgebieten verhältnismäßig hohen Druckes verwendet werden

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße Massenspektrometer ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Linsenanordnung eine Vielzahl leitfähiger Linsenelemente umfaßt, daß zumindest ein Linsenelement seitlich angeordnete Gitterzylinder in Richtung der Achse zum genannten Massen-Analysator

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hin aufweist, daß die genannte Linsenanordnung eine Potentialmulde bildet in Richtung der genannten Achse, zur Fokussierung von ausgesonderten Teilchen in den genannten Massen-Analysator hinein, bei gleichzeitigem Entweichen der übrigen Teilchen durch die öffnungen in den genannten Gitterzylindern·

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigens

Fig. 1s eine schematische Darstellung eines Massenspektrometers, das den Erfindungsgegenstand zum Einsatz bringt,

Fig. 2s eine vereinfachte Teilschnittansicht in Längsrichtung zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Järfindung, und

Fig. 3: eine vereinfachte Teilschnittansicht in Längsrichtung eines Teils aus Fig. 1 zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform der JSrfindung·

Jas wird nunmehr auf Fig· 1 bezug genommen, demnach gestattet eine J&nlaßvorrichtung, daß die Probe in das Ionisierungsgebiet 10 eingebracht wird, wo die Probe zur Bildung von Ionen zur späteren Analyse durch das Massenspektrometer ionisiert wird· Mach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druck in dem Ionisierungsgebiet 10 ein verhältnismäßig hoher Druck, d.h. von mehr als 10 Torr, zu dem Zweck, daß sich beim Ionisationsvorgang positive und negative Ionen bilden. Eine Linsenanordnung 11 fokus!ert die ausgewählten negativen oder

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positiven Teilchen (je nach der Polarität des Potentiale an der Linsenanordnung) in den Massen-Analysator 12 hinein. Gemäß dem Fachmann bekannten Verfahrensweisen werden diese Ionen voneinander getrennt und von einem Detektor 1J erfaßt. Eine Umlenkplatte 14 für die Differentialpumpenvorrichtung gestattet, daß das Gebiet des Massen-Analysators mit einem weitaus geringeren Druck, wie beispielsweise weniger als 10"** Torr, als das Ionisierungsgebiet 10 arbeitet· Getrennte Pumpen, mit der Bezeichnung Ionisierungspumpe und Analysatorpumpe, sind für jeden Abschnitt vorgesehen. Spannungsquellen 16 liefern, wie weiter unten beschrieben wird, verschiedene Spannungen an die Linsenanordnung 11«

Bs wird nunmehr auf Fig· 2 bezug genommen, dort ist eine Linsenanordnung 11 dargestellt, die dort geeignet ist, wo das Ionisierungsgebiet einen verhältnismäßig hohen Druck aufweist. Das Ionisierungsgebiet 10 hat eine öffnung 21, durch welche Ionen in Richtung der Achse 22 in den Massenanalysator 12 injiziert werden. Allgemein schaffen Liasenelentente L,, L^ und L₁- eine Potentialmulde für ein ausgesondertes positives oder negatives Teilchen, und zwar in Richtung der Achse 22, und fokusieren diese ausgewählten, geladenen Teilchen in den Massen-Analysator 12, während die übrigen Teilchen nach Zufallsgesetzen nach außen, von der Achse fort, diffundieren können. Insbesondere schließen die Linsenelemente L, und L₅ senkrecht angeordnete Lineenteile als Gitterzylinder 23, 24 ein, deren Achsen mit der Achse 22 zusammenfallen, und das Linsenelement L₄ schließt eine leitende Gitterplatte 26 ein· Alle Gitter besteben zu 92 % aus öffnungen, mit 27,6 Gitterdrähten pro cm ( 70 Gitterdrähten pro Zoll) in quadratischer Anordnung. Die Gitterteile sind aus Nickel und werden galvanisch hergestellt.

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β -

Für den Fall, daß positive Ionen ausgesondert werden, liegen typische Potentialwerte bei: L^ mit -50 bis -100 Y, L^ mit -7 bis -20 V, und L, mit -25 bis 4-10V. Im Fall des Lins en element es L, hängt das Potential vom Druck im Ionisierungsgebiet ab. Falls dort ein hoher Druck mit einem verhältnismäßig starken Teilchenfluß herrscht, so wird eine -stärker positive Spannung verwendet - und umgekehrt.

Ss ist ersichtlich, daß eine Spannungsverteilung mit hohen und niedrigen Werten .. eingesetzt wird, wobei die mittlere Gitterplatte 26 ein verhältnismäßig hohes Potential aufweist, mit niedrigeren Potentialen auf jeder Seite, an den Gitterzylindern 23 und 24·. Dies schafft somit eine Potentialmulde für die ausgesonderten positiven Ionen, und die nicht ausgewählten negativen Teilchen können durch die zu 92 % aus Öffnungen bestehenden Gitter entweichen. Es ist selbstverständlich, daß die vorstehend genannten Potentialwerte umgekehrte Vorzeichen erhalten würden für den Fall, daß gewünscht wird, negative Ionen auszusondern. Dies würde auch die Aussonderung von Elektronen bewirken, diese letzteren werden allerdings leicht durch den Massen-Analysator ausgefiltert·

In anbetracht der sehr wirksamen FekuBsierwirkung der Linsenanordnung 11 kann die uffnung 21 in dem Ionisierungsgebiet 10 weiter geöffnet sein, um zu gestatten, daß eine größere Anzahl von Teilchen aller Arten aus dem Ionisierungsgebiet herausgezogen wird. Der hohe Zeitwert der Gitter ermöglicht, daß die Hauptmenge des uasee zur Ionisierungspumpe hin entweicht. Daes steht im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik, wo die Linsenanordnung gestattete, daß die Hauptmenge des Gases und der

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Ionen zur Ionisierungspumpe hin entwich·

Tig· 3 veranschaulicht eine andere Aueführungsform des Erfindungegegenstandes, diese Ausführungsforni ist geeignet für den Betrieb des Ionisierungsgebietes 10 mit hohem und mit niedrigem Druck. Anstelle einer Öffnung 21 in dem Ionisierungsgebiet werden zusätzliche Linsenelemente L. und L₂ eingesetzt. Die Linsenelemente L^ und L₂ haben lediglich freie Öffnungen 27 und 28. Wenn diese Linsenanordnung bei hohem Druck in dem Ionisierungsgebiet 10 eingesetzt wird, so werden die Linsenelemente L^ und L₂ auf demselben Potential wie das Ionisierungsgebiet gehalten, beispielsweise auf Massepotential, wobei die Linse L₂ die Größe der effektiven Austrittsöffnungen für die Ionen und Moleküle festlegt. Dieselben Potentiale, wie sie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden sind, werden an die übrigen Linsenelemente L,, L₄, und angelegt.

Wenn jedoch gewünscht wird, die erfindungsgemäße Einrichtung in einer Aueführungeform für niedrigen Druck einzusetzen, das bedeutet, ·'«· das lonisierungsgebiet 10 unter einem Druck von weniger als 10 Torr steht, werden die Potentialwerte der Linsenelemente L^ und L₂ derart eingestellt, daß sie ein Bxtraktionefeld zum Herausziehen des interessierenden Ionenanteils aus der Ionisierungeeinrichtung und zur Injektion dieses Ionenanteill in die Übrigen drei Linsenelemente, L, bis L₅» bilden. Somit bilden in diesem Zusammenhang die Linsenelemente L, bis Lc gemeinsam eine modifizierte JSinael-Linse, die die Ionen in den Massen-Analysator hinein bündelt. Da die Linsenanordnung bei Ionisierungseinrichtungen sowohl bei niedrigerem, als auch bei höherem Druck gut arbeitet, so macht dies den Aufbau einer

Ionisierungseinrichtung möglich, die über einen weiten Druckbereich

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hinweg einwandfrei arbeitet. Typische Spannungswerte für die Aussonderung positiver Ionen sind wie folgt: L^ mit -6 bis -10 V, L₂ mit -80 bis -100 V, L, mit -10 V, L^ mit -80 V, und L₅ mit -7 bis -10 V₉ Bei negativen Ionen wird das Vorzeichen dieser Spannungswerte umgekehrt.

Die Wirksamkeit aller mit Gittern versehenen zylinderförmigen Linsen, die den Gasmolekülen das Entweichen ermöglichen, während sie gleichzeitig den interessierenden Ionenanteil zurückhalten, hängt von der Durchlässigkeit des Gitters und der Anzahl von Gitterfäden pro Längeneinheit ab. Oben sind dafür typische Parameter angegeben worden. Grundsätzlich sollte das Gitter so durchlässig sein und dünn wie möglich ausgewählt werden, um zu gestatten, das die neutralen Teilchen entweichen, gleichzeitig damit, daß soviele Gitterfäden pro Längeneinheit wie möglich eingehalten werden, um eine elektrische Annäherung an einen geschlossenen Zylinder zur wirksamen Fokussierung des interessierenden ■'-onenanteils auszuführen.

Venn auch kreisförmige querschnitte dargestellt worden sind, so können auch Gitter mit nicht kreisförmig·« Querschnitt geeignet sein, wie beispielsweise elliptische, oder ein Gitter, das als Kegelstumpf ausgebildet ist.

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Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1·) Massenspektrometer mit einer Einlaßvorrichtung für die Zuführung von Proben zur Analyse, mit einem Ionisierungsgebiet zur Ionisierung der genannten Proben zur Urzeugung geladener und neutraler Teilchen, sowie mit einem Massen-Analysator und einer Idnsenanordnung zur Fokussierung der sich ergebenden Ionen in den genannten Massen-Analysator hinein, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Linsenanordnung eine Vielzahl leitfähiger Linsenelemente (L₁-L₅) umfaßt, daß zumindest ein Linsenelement (Lx, Lc) seitlich angeordnete Gitterzylinder (23, 24) in Richtung der Achse (22) zum genannten Massen-Analysator (12) hin aufweist, daß die genannte Idnsenanordnung (L^-L₁-) eine Potentialmulde bildet in Richtung der genannten Achse (22), zur Fokussierung von ausgesonderten Teilchen in den genannten Massen-Aaalysator (12) hinein, bei gleichzeitigem Entweichen der übrigen Teilchen durch die Öffnungen in den genannten Gitterzylindern (23, 24).

   2· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Idnsenanordnung (L₁-L,-) einen ersten und einen zweiten Gitterzylinder (23» 24) einschließt, die durch eine Gitterplatte (26) voneinander getrennt sind, sowie eine Spannungsquelle (16) zur Anlegung einer verhältnismäßig hohen Spannung an die genannte Gitterplatte (26) in bezug auf die beiden genannten Gittersylinder (23» 24), zur Ausbildung der genannten Potentialmulde·

   3· Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte hohe Spannung an der Gitterplatte (26) zur Aus-

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   X bildung einer Potentialmulde für positive Ionen negat

   4·. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Ionisierungsgebiet (10) einen im Verhältnis höheren Druck als der genannte Massen-Analysator (12) aufweist.

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