DE3821998A1 - Icr-ionenfalle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ICR-Ionenfalle mit sich parallel zu einer Achse erstreckenden, in Achsrichtung gleich langen, elektrisch leitenden Seitenplatten und mit sich senkrecht zu der Achse erstreckenden, elektrisch leitenden Endplatten, die den von den Seitenplatten umschlossenen Raum abschließen und von den Seitenplatten elektrisch isoliert sind, und mit einer Spannungsquelle zum Anlegen von Fangpotentialen an die Seiten- und Endplatten.

Derartige Ionenfallen finden in ICR-Massenspektrometern Ver­ wendung und haben den Zweck, die Ionen von Substanzen einzu­ fangen, die mittels der Cyklotronresonanz massenspektroskopisch untersucht werden sollen. Dabei werden zum Einfangen negativer Ionen die Endplatten auf einem gegenüber den Seitenplatten negativen Potential gehalten, während zum Einfangen positiver Ionen das Potential der Endplatten gegenüber den Seitenplatten positiv ist.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß bei den bekannten ICR- Ionenfallen die Polarität des Potentials der Endplatten in Bezug auf die Seitenplatten die Polarität der Ionen bestimmt, die mittels einer solchen Ionenfalle eingefangen werden können. Wenn die Ionen, wie allgemein üblich, innerhalb der Ionenfalle durch gestrahlen der zu untersuchenden Substanz erzeugt werden, beispielsweise mittels eines Laser-Strahles oder eines Elektronen-Strahles, so können insbesondere bei der Anregung durch einen Elektronen-Strahl gleichzeitig negative und positive Ionen entstehen, von denen stets die eine Ionenart verloren geht, obwohl die Untersuchung beider Ionenarten von Interesse sein könnte. Andererseits ist auch die massenspektroskopische Untersuchung von Rekombinationsreaktionen zwischen positiven und negativen Ionen von Interesse, die jedoch mittels der be­ kannten ICR-Ionenfallen prinzipiell nicht möglich ist. Daher besteht ein Bedarf an Ionenfallen, die es gestatten, gleich­ zeitig sowohl positive als auch negative Ionen einzufangen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ionen­ falle zu schaffen, die das gleichzeitige Einfangen von positiven und negativen Ionen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer ICR-Ionenfalle der eingangs genannten Art im Abstand von den Endplatten weitere Elektrodenplatten angeordnet sind, die sich parallel zu den Endplatten erstrecken und an die mittels der Spannungsquelle Fangpotentiale anlegbar sind, deren Polarität zur Polarität der an den Endplatten anliegenden Potentiale entgegengesetzt ist.

Die erfindungsgemäße ICR-Ionenfalle bildet demnach eine Anord­ nung, bei der gewissermaßen zwei ICR-Ionenfallen bildende Be­ reiche ineinander geschachtelt sind. Während die Ionen der einen Polarität in herkömmlicher Weise zwischen den Endplatten gefangen sind, die einen inneren Bereich begrenzen, können die anderen Ionen durch in den Endplatten angeordnete Löcher hin­ durchtreten und zu den weiteren Elektrodenplatten gelangen, die einen äußeren gereich begrenzen. Diese anderen Ionen werden an den weiteren Elektroden wegen deren zu den Endplatten umge­ kehrten Polarität reflektiert, so daß sie durch die Öffnungen in den Endplatten hindurch bis zu der anderen weiteren Elektrodenplatte fliegen, an der sie dann wieder reflektiert werden. Auf diese Weise durchqueren die Ionen mit der anderen Polarität jeweils den von den Endplatten begrenzten inneren gereich, in dem sie mit den Ionen in Wechselwirkung treten können, die innerhalb dieses Bereiches der Ionenfalle gefangen sind. In diesem Bereich können dann beispielsweise Rekombi­ nationsreaktionen stattfinden, deren Ergebnisse durch eine spätere Massenanalyse der gefangenen Ionen untersucht werden können. Dabei versteht es sich, daß immer entweder nur positive oder nur negative Ionen nachgewiesen werden können, weil nur die zwischen den Seitenplatten, d. h. auch zwischen den Endplat­ ten gefangenen Ionen zu Cyklotron-Bewegungen angeregt und da­ durch selektiv eliminiert werden können. Es besteht jedoch die Möglichkeit, durch Umpolen der Spannungen nach der Analyse der Ionen der einen Polarität die Ionen der anderen Polarität wenigstens zu einem wesentlichen Teil in den inneren Bereich der ICR-Ionenfalle zu überführen und dort zu fangen, so daß sie anschließend analysiert werden können.

Es sind zwar schon ICR-Ionenfallen bekannt, die das gleich­ zeitige Einfangen von positiven und negativen Ionen gestatten, jedoch arbeiten diese Ionenfallen nach einem anderen Prinzip und haben daraus resultierende Nachteile. Die erste dieser bekannten Ionenfallen, über die auf dem ASMS-Meeting 1986 in Cincinnati/Ohio von Ghaderi berichtet worden ist, macht von einem absichtlich inhomogenen Magnetfeld Gebrauch, das die Anwendung eines elektrostatischen Fangfeldes überflüssig macht und für positive und negative Ionen gleichermaßen wirksam ist. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß die mangelnde Homogenität die Auflösung eines entsprechend ausgebildeten Spektrometers stark begrenzt, so daß jedenfalls eine hochauflösende Spektro­ metrie praktisch unmöglich ist. Bei einer weiteren Anordnung, die von Inoue in einem Aufsatz mit dem Titel "ICR Study of Negative Ions Produced by Electron Impact and Water Vapor" beschrieben worden ist, wird durch Anlegen einer HF-Spannung an die Seitenplatten der Ionenfalle ein Entweichen der Ionen verhindert. Damit läßt sich dieses Verfahren nicht anwenden, wenn von einer Breitband-Fouriertransformation Gebrauch gemacht werden soll.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und er­ läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine ICR-Ionenfalle nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm, das den Potentialverlauf in Achsrichtung der Ionenfalle wiedergibt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ionenfalle weist vier Seitenwände 1 auf, von denen in Fig. 1 drei Seitenwände sichtbar sind. Diese Seitenwände 1 erstrecken sich parallel zu einer Achse Z und begrenzen ein Prisma mit quadratischem Querschnitt. Die Enden dieses Prismas werden von zwei Endplatten 5, 6 verschlossen, die mittels einer Spannungsquelle 7 gegenüber den Seitenplatten 1 auf einem definierten, positiven Potential von +1 V gehalten werden. Dadurch ergibt sich innerhalb des von den Seitenplatten 1 und den Endplatten 5, 6 begrenzten Raumes längs der Z-Achse der in Fig. 2 durch die Kurve 8 wiedergegebene Potentialverlauf zwischen den Maxima 15, 16. Insofern hat die Ionenfalle einen bekannten, typischen Aufbau und ist dazu geeignet, positive Ionen zu fangen, da positive Ionen von den sich auf einem posi­ tiven Potential befindenden Endplatten 5, 6 reflektiert und damit auf den Raum zwischen diesen Endplatten begrenzt werden.

Erfindungsgemäß sind parallel zu den Endplatten 5, 6 weitere Elektrodenplatten 8, 9 angeordnet, die sich in gezug auf die Seitenplatten 1 jeweils an der Außenseite der zugeordneten Endplatte 5, 6 befinden und von diesen Endplatten einen gewis­ sen, gleichen Abstand haben. Diese weiteren Elektrodenplatten 8, 9 sind, wie in Fig. 2 dargestellt, auf einem Potential mit dem zum Potential der Endplatten 5, 6 entgegengesetzten Vor­ zeichen gehalten, also bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem Potential von jeweils -1 V. Dadurch ergibt sich zwischen den Endplatten und den weiteren Elektrodenplatten der in Fig. 2 durch die Kurve 8 dargestellte Potentialverlauf zwischen ihren Endpunkten 18 und 19 und dem jeweils benachbarten Maximum 15 bzw. 16. Ebenso wie die positiven Endplatten 5, 6 für positive Ionen eine Potentialsperre bilden, bilden die sich auf einem negativen Potential befindenden weiteren Elektrodenplatten 8, 9 eine Potentialsperre für negative Ionen. Daher werden negative Ionen, die sich einer der weiteren Elektrodenplatten 8, 9 nähern, von diesen Elektrodenplatten reflektiert, während sie von den Endplatten 5, 6 angezogen werden. Infolgedessen durchdringen die negativen Ionen die in den Endplatten 5, 6 angeordneten, zentralen Löcher 25, 26 und nähern sich demgemäß der anderen weiteren Elektrode 9, an der die negativen Ionen wiederum reflektiert werden, so daß sie, von der benachbarten Endplatte 6 beschleunigt, wieder den Raum zwischen den Endplatten 5, 6 durchfliegen, bis sie an der weiteren Elektrodenplatte 8 abgebremst und in ihrer Bewegungs­ richtung umgekehrt werden. Daher bilden die weiteren Elektroden­ platten 8, 9 bei den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Ionenfalle für negative Ionen.

Bei einer Massenanalyse können allerdings bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur die zwischen den Endplatten 5, 6 ge­ fangenen positiven Ionen analysiert werden, weil die negativen Ionen durch den Analyseimpuls ebenfalls beschleunigt werden und dann Kreisbahnen beschreiben, auf denen sie die Löcher 25, 26 in den Endplatten 5, 6 nicht mehr passieren können. Daher werden negative Ionen in den Räumen zwischen den Endplatten 5, 6 und den jeweils benachbarten weiteren Elektrodenplatten 8 bzw. 9 gefangen. Nach Abschluß der Analyse der positiven Ionen können dann allerdings die Potentiale an den Endplatten 5, 6 und den weiteren Elektrodenplatten 8, 9 umgekehrt werden, was eine Spiegelung des Potentialverlaufes nach Fig. 2 an der Z-Achse zur Folge hätte, so daß nunmehr die negativen Ionen in dem von den Endplatten 5, 6 begrenzten Raum gefangen werden und analysiert werden können. Der dabei ein­ tretende Ionenverlust dürfte nicht beträchtlich sein.

Bei der beschriebenen Anordnung kann die Ionisierung der sich innerhalb der Ionenfalle befindenden Substanzen mittels eines Laser- oder Elektronen-Strahles erfolgen, der die ICR-Ionenfalle in Richtung der Z-Achse durchquert. Zu diesem Zweck weisen nicht nur die Endplatten 5, 6 zentrale Löcher 25, 26, sondern auch die weiteren Elektrodenplatten 8, 9 entsprechende zentrale Löcher 25, 29 auf. Von den durch Bestrahlen gebildeten Ionen sammeln sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die positiven Ionen zwischen den Endplatten 5, 6, während die negativen Ionen zwischen den weiteren Elektrodenplatten 8, 9 oszillieren. Dabei durchqueren die negativen Ionen fortlaufend den mit den positiven Ionen ausgefüllten inneren Bereich, so daß leicht Wechselwirkungen zwischen den positiven und negativen Ionen eintreten können. Daher ist die erfindungsgemäße ICR- Ionenfalle besonders zur geobachtung von Wechselwirkungen zwischen positiven und negativen Ionen geeignet.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So könnten beispielsweise die Seitenplatten als Teile von Zylinder- Mantelflächen ausgebildet sein, die ICR-Ionenfalle könnte also einen kreisrunden Querschnitt haben. Weiterhin bestünde die Möglichkeit, mit den Seitenplatten fluchtende Plattenabschnitte zwischen den Endplatten und den weiteren Elektrodenplatten anzuordnen, wie es in Fig. 1 der Zeichnung strichpunktiert angedeutet ist. gei Verwendung eines Laser-Strahles könnte der Strahl auch senkrecht zur Z-Achse der Anordnung und damit zur Achse des Magnetfeldes gerichtet sein, so daß die Löcher in den weiteren Elektrodenplatten 8, 9 entfallen könnten. Aller­ dings müßten die zentralen Löcher 25, 26 in den Endplatten 5, 6 erhalten bleiben, um den Durchtritt der zwischen den weiteren Elektrodenplatten gefangenen Ionen zu ermöglichen . Demgemäß hat der Fachmann viele Möglichkeiten, eine ICR-Ionenfalle nach den Lehren der Erfindung herzustellen, die sich aus dem Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche ergeben.

Claims (3)

1. ICR-Ionenfalle mit sich parallel zu einer Achse erstrecken­ den, in Achsrichtung gleich langen, elektrisch leitenden Seitenplatten und mit sich senkrecht zu der Achse erstrec­ kenden, elektrisch leitenden Endplatten, die den von den Seitenplatten umschlossenen Raum abschließen und von den Seitenplatten elektrisch isoliert sind, und mit einer Spannungsquelle zum Anlegen von Fangpotentialen an die Seiten- und Endplatten, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von den Endplatten (5, 6) weitere Elektrodenplatten (8, 9) angeordnet sind, die sich parallel zu den Endplatten (5, 6) erstrecken und an die mittels der Spannungsquelle (7) Fangpotentiale anlegbar sind, deren Polarität zur Polarität der an den Endplatten (5, 6) anliegenden Potentiale entgegengesetzt ist.

2. ICR-Ionenfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der an den Endplatten (5, 6) und an den weiteren Elektrodenplatten (8, 9) anliegenden Potentiale umkehrbar ist.

3. ICR-Ionenfalle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Endplatten (5, 6) und ggf. auch die weiteren Elektrodenplatten (8, 9) mit auf einer gemeinsamen Achse (7) liegenden Löchern (25, 26, 28, 29) zum Durchtritt der zwischen den weiteren Elektrodenplatten (8, 9) gefangenen Ionen und ggf. eines Ionisierungs-Strahles versehen sind.