DE69012899T2

DE69012899T2 - Ionenspiegel für ein Flugzeit-Massenspektrometer.

Info

Publication number: DE69012899T2
Application number: DE69012899T
Authority: DE
Inventors: Stephen Charles Davis
Original assignee: Kratos Analytical Ltd
Current assignee: Kratos Analytical Ltd
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-07-09
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2010-07-10
Also published as: GB8915972D0; EP0408288B1; US5077472A; DE408288T1; EP0408288A1; DE69012899D1; JPH0346747A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Ionenspiegel für ein Flugzeit-Massenspektrometer und auf ein Flugzeit-Massenspektrometer, das einen solchen Spiegel aufweist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung eines solchen Spiegels.
Flugzeit-Massenspektrometer arbeiten auf dem Prinzip, daß monoenergetische Ionen, die unterschiedliche Massen besitzen, durch einen Driftraum unter unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen. Dies ermöglicht, daß Ionen unterschiedlicher Massen getrennt ermittelt werden und dadurch voneinander unterschieden werden. Ein Problem entsteht dann, wenn, wie dies oftmals der Fall ist, die Ionen nicht alle dieselbe Energie besitzen. Unter diesen Umständen würden energiereichere Ionen, die sich unter relativ hohen Geschwindigkeiten bewegen, an einem Detektor vor geringen energetischen Ionen, die dieselbe Masse besitzen, ankommen. Dieses Spreizen der Flugzeiten ist unerwünscht und führt dazu, die Massenauflösung des Spektrometers einzuschränken.
Spektrometer sind entwickelt worden, die sogenannte "Zeitfokussierungs" -Anordnungen einsetzen, deren Aufgabe es ist, das Spreizen der Flugzeiten zu verringern, das bei vielfach-energetischen Ionen auftritt.
Eine Kategorie einer "Zeitfokussierungs" -Anordnung unterwirft die Ionen einem statischen, elektrischen Feld und ein Beispiel hierfür ist das "Reflectron", das von B.A. Mamyrin, V.I. Karatev, D.V. Schmikk und V.A. Zagulin in Soviet Physics JETP, 37 (1973)45 beschrieben ist. Das Reflectron unterwirft die Ionen einem gleichförmigen, elektrischen Feld, um so deren Reflexion zu bewirken. Energiereichere Ionen dringen tiefer in den Feldbereich als geringer energetische Ionen ein und mit einer geeigneten Wahl der Feldparameter ist es möglich, es so einzurichten, daß Ionen, die unterschiedliche Energien, allerdings dieselbe Masse, besitzen, alle an einem Detektor zu ungefähr der gleichen Zeit ankommen.
Andere Anordnungen, die statische, elektrische Felder verwenden, umfassen das "Spiratron", das von J.M.B. Bakker in "Advances in Mass Spectrometry" Vol.5, S. 278, Applied Science Publishers Ltd., beschrieben ist und die sogenannte "Poschenreider" -Vorrichtung, die zum Beispiel in dem Deutschen Patent Nr. 2,137,520 beschrieben ist.
Andere Arten einer "Zeitfokussierungs" -Anordnung unterwerfen die Ionen zeitveränderlichen Feldern, die den Effekt einer Abbremsung der schnelleren Ionen und einer Beschleunigung der langsameren Ionen mit dem Ziel der Egalisierung der Flugzeiten aller Ionen, die dieselbe Masse besitzen, haben.
Keine dieser bekannten Zeitfokussierungsanordnungen ist vollständig dahingehend wirksam und befindet sich in der Anwendung, daß Flugzeiten der Ionen, die dieselbe Masse besitzen, eine Energieabhängigkeit zeigen, und dies verringert das Massenauflösungsvermögen des Spektrometers.
Gemäß einem Gedanken der Erfindung wird ein Ionenspiegel geschaffen, der zur Benutzung in einem Flugzeit-Massenpektrometer geeignet ist, um auf einer Bahn laufende Ionen zu reflektieren, der Einrichtungen (20,30) aufweist, die einen Feldbereich (R) festlegen, um Ionen einem elektrostatischen, reflektierenden Feld zu unterwerfen, das bewirkt, daß die Ionen in oder um eine Ebene reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische, reflektierende Feld ein elektrostatisches Quadrupol-Feldbereich ist, das eine Quadrupol- oder Monopol-Elektrodenstruktur verwendet, wobei Ionen in dem Feldbereich (R) während eines Zeitintervalls verweilen, das zu den Massen, aber nicht zu den Energien der Ionen in Beziehung steht.
Unter Annahme eines kartesischen Koordinatensystems können die Ionen in oder aus einer X-Y-Ebene reflektiert werden und die Verteilung eines Potentials V(x,y) in dem elektrostatischen Quadrupol-Feld würde dann im wesentlichen die Bedingung erfüllen
V(x,y) = Vo(x²-y²)
wobei Vo eine Konstante und x,y die X,Y-Lagekoordinaten in dem Feldbereich sind.
Da ein Ion in dem Feldbereich für ein Zeitintervall verbleibt, das nur von seiner Masse abhängt, ermöglicht dies, daß die Ionen voneinander in Einheiten deren Masse unterschieden werden, gerade dann, wenn sie unterschiedliche Energien besitzen. Weiterhin eliminiert, da Ionen, die dieselbe Masse besitzen, exakt dieselbe Flugzeit durch den Feldbereich haben, dies irgendeine signifikante Spreizung deren Ankunftszeiten an einem zugeordneten Detektor.
Demgemäß besitzt ein Ionenspiegel, wie er definiert ist, einen besonderen Nutzen in einem Flugzeit-Massenspektrometer.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Flugzeit-Massenspektrometer geschaffen, das eine Ionenquelle, einen Ionenspiegel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, und eine Detektionseinrichtung zum Ermitteln von Ionen, die durch den Ionenspiegel reflektiert werden, aufweist.
Ionenspiegel und Flugzeit-Massenspektrometer, die die Erfindung einsetzen, werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ionenspiegels gemäß der Erfindung zeigt;
Figur 2 eine transversale Querschnittsansicht durch einen Ionenspiegel in der Form einer Quadrupol-Elektrodenstruktur darstellt;
Figuren 3a und 3b jeweils eine transversale Querschnittsansicht und eine perspektivische Ansicht eines Ionenspiegels in der Form einer Monopol-Elektrodenstruktur darstellen;
Figur 4a eine transversale Querschnittsansicht durch eine andere Monopol-Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung darstellt;
Figur 4b Äquipotentiallinien darstellt, die durch die Monopol-Elektrodenstruktur der Figur 4a erzeugt werden;
Figur 4c eine Seitenaufrißansicht einer Seitenwand der Monopol-Elektrodenstruktur der Figura 4a darstellt;
Figur 5a eine transversale Querschnittsansicht durch eine weitere Monopol-Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung darstellt;
Figur 5a eine Seitenaufrißansicht einer Seitenwand der Monopol-Elektrodenstruktur der Figur 5a darstellt;
Figur 6 ein Flugzeit-Massenspektrometer darstellt, das den Ionenspiegel irgendeiner der Figuren 3 bis 5 einsetzt;
Figur 7 eine perspektivische Ansicht eines Ionenspiegels darstellt, der zwei gegenüberliegende Monopol-Elektrodenstrukturen besitzt; und
Figur 8 das Flugzeit-Massenspektrometer der Figur 6 darstellt, das dazu verwendet wird, ein Tochter-Ionen-Massenspektrum zu erhalten.
Figur 1 der Zeichnungen stellt schematisch dar, wie ein Ionenspiegel gemäß der Erfindung die Bewegung eines einfallenden Ions beeinflußt.
Es wird zur Klarheit der Darstellung angenommen, daß der Ionenspiegel einen Feldbereich 1 bildet, der durch unterbrochene Linien 1',1'' begrenzt ist, und daß ein Ion I&sub1;, der Masse m&sub1;, das sich auf einem Einfallsbahn P&sub1; bewegt, in den Feldbereich an einem Punkt 2 eintritt, einer Reflexion an einem Punkt 3 unterliegt und auf einem Bahn P&sub2; zurückkehrt und schließlich aus dem Feldbereich an einem Punkt 4 austritt.
In diesem Beispiel liegen die Bahnen P&sub1; und P&sub2; in der X-Z-Ebene und das einfallende Ion wird um die X-Y-Ebene (die Normale zu der Zeichenebene) reflektiert.
Wenn das Ion durch den Feldbereich läuft, unterwirft der Ionenspiegel dieses einer elektrostatischen Reflexionskraft, die in der Richtung eines Pfeils A in Figur 1 wirkt und eine Größe besitzt, die direkt proportional zu der Trennung des Ions von einer Linie L ist, die die Eingangs- und Ausgangspunkte 2,4 in einer Richtung normal zu der Linie verbindet. Anders ausgedrückt ist die Größe der elektrostatischen Reflexionskraft proportional zu der Trennung des Ions von dem Eingangspunkt 2 oder von seinem Ausgangspunkt 4, falls das Ion näher zu dem letzteren Punkt ist, was bedeutet, die Größe der Reflexionskraft ist proportional zu der Trennung des Ions, auf der Bahn P&sub1;, von dem Eingangspunkt 2 und zu der Trennung, auf der Bahn P&sub2;, von dem Ausgangspunkt 4.
Demzufolge bewirkt die Reflexionskraft, daß sich ein Ion verzögert, wenn es sich auf der Bahn P&sub1; bewegt, und daß es sich beschleunigt, wenn es sich auf der Bahn P&sub2; bewegt, wobei es momentan an dem Reflexionspunkt 3 zur Ruhe kommt.
Die elektrostatische Kraft F, der ein Ion in dem Feldbereich unterworfen wird, kann ausgedrückt werden als
F = -kx,
wobei x die Trennung des Ions von der Linie L ist, die die Eingangs- und Ausgangspunkte miteinander verbindet, und k eine Konstante ist.
Mit einer elektrostatischen Kraft dieser Form ist die Gleichung der Bewegung des Ions ähnlich derjenigen der gedämpften, einfach harmonischen Bewegung und sie kann so dargestellt werden, daß das Zeitintervall t, während dem das Ion von seinem Punkt des Eintritts 2 zu dem Reflexionspunkt 3 läuft, gegeben ist durch den Ausdruck
t = π/2 (m/k)½ pwobei m die Masse des Ions ist.
Demzufolge belegt das Ion den Feldbereich für ein Gesamtzeitintervall T, das gegeben ist durch,
T = 2t = π(m/k) ½
Wie dieses Ergebnis zeigt, besetzt ein Ion den Feldbereich für ein Zeitintervall, das nur von seiner Masse abhängt, und dies ermöglicht, daß die Ionen zueinander als Funktion ihrer Massen unterschieden werden, gerade auch dann, wenn sie unterschiedliche Energien besitzen.
Demzufolge würde, wenn ein Ion I&sub1; (das eine Masse m&sub1; besitzt), den Feldbereich für ein Zeitintervall T&sub1; besetzt, ein Ion I&sub2;, das eine kleinere Masse m&sub2; besitzt, den Feldbereich für ein entsprechend kürzeres Zeitintervall T&sub2; besetzen, das gegeben ist durch
T&sub2; = (m&sub2;/m&sub1;)½ T&sub1;
Demzufolge würden die zwei Ionen I&sub1;, I&sub2; unerschiedliche Flugzeiten haben und würden den Feldbereich unter unterschiedlichen Zeiten verlassen, was ermöglicht, daß sie getrennt ermittelt werden.
Wie aus dieser Analyse deutlich wird, würden Ionen, die dieselbe Masse besitzen und die in den Feldbereich zu derselben Zeit eintreten, den Feldbereich auch exakt zu derselben Zeit verlassen; dies bedeutet, daß Ionen identische Flugzeiten durch den Feldbereich besitzen.
Demgemäß besitzt der Ionenspiegel einen besonderen Nutzen in einem Flugzeit-Massenspektrometer, das eine Verbesserung in der Auflösung bietet, die unter Verwendung bekannter Spektrometeranordnungen erhalten werden kann (wie beispielsweise die Kombination eines herkömmlichen Laufzeitrohrs und eines Reflectrons).
Das elektrostatische Feld, dem die Ionen unterworfen werden, variiert linear als eine Funktion der Position in dem Feldbereich.
Unter der Annahme des kartesischen Koordinatensystems der Figur 1 wird dieser Zustand durch ein elektrostatisches Quadrupol-Feld erreicht, wobei die Verteilung des elektrostatischen Potentials V(x,y) die Bedingung erfüllt
V(x,y) = Vo(x²-y²) (1)
wobei Vo eine Konstante und x,y die X,Y-Stellungskoordinaten in dem Feldbereich sind. Ein elektrostatisches Feld dieser Form besitzt eine Vierfachsymmetrie um die Z-Achse und könnte dadurch erzeugt werden, indem eine Quadrupol-Elektrodenstruktur (die ein Feld in allen vier Quadranten liefert) oder eine Monopol-Elektrodenstruktur (die ein Feld in nur einem der Quadranten bildet) verwendet werden.
Die Quadrupol- und Monopol-Elektrodenstrukturen sind natürlich in der Massenspektrometeranalyse bekannt; allerdings arbeiten im Gegensatz zu dieser Erfindung solche bekannten Elektrodenstrukturen bei Radiofrequenzen.
Die Quadrupol-Elektrodenstruktur 20, die in Figur 2 dargestellt ist, weist vier langgestreckte Elektroden 21, 22, 23 und 24 auf, die symmetrisch um die longitudinale Z-Achse angeordnet sind, so daß ein Paar der Elektroden 22,24 auf der transversalen X-Achse zentriert ist und das andere Paar der Elektroden 21,23 auf der dazu orthogonalen Y-Achse zentriert ist. Die Elektroden besitzen nach innen gerichtete Elektrodenoberflächen, die einen Feldbereich R festlegen, wobei ein Paar der Elektroden (sagen wir auf der X-Achse) auf einer positiven DC- (Gleich-) Spannung gehalten wird und das andere Paar der Elektroden (auf der Y-Achse) auf einer negativen DC- (Gleich-) Spannung gehalten wird. Mit dieser Elektrodenanordnung ist das elektrostatische Feld, das in dem Bereich R gebildet wird, dahingehend effektiv, positiv geladene Ionen, die in den Bereich in der X-Z-Ebene eingeführt werden, zu reflektieren, und negativ geladene Ionen, die in den Feldbereich in der Y-Z-Ebene eingeführt werden, zu reflektieren.
Die Monopol-Elektrodenstruktur 30, die in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist, weist zwei langgestreckte Elektroden 31,32 auf, die sich parallel zu der longitudinalen Z-Achse der Elektrodenstruktur erstrecken und die voneinander auf der transversalen X-Achse beabstandet sind.
Die zwei Elektroden besitzen nach innen gerichtete Elektrodenoberflächen, die symmetrisch hinsichtlich der X-Z-Ebene angeordnet sind und einen Zwischenfeldbereich R definieren.
Die Elektrode 31 besitzt einen im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt und weist ein Paar von flachen, zueinander geneigten Elektrodenplatten 31',31'' auf, die sich an einem Scheitelpunkt 33 treffen. Die Elektrode 32 besitzt andererseits die Form eines Stabs und deren Elektrodenoberfläche 32' kann einen kreisförmigen oder hyperbolischen, transversalen Querschnitt aufweisen.
Wie in Figur 3b dargestellt ist, besitzt die Elektrode 31 ein langgestrecktes Fenster 34, durch das Ionen in den Feldbereich zur Reflexion in der X-Z-Ebene eintreten können. Hierbei wird eine der Elektroden auf einer festgelegten DC-Spannung hinsichtlich der anderen Elektrode gehalten. Falls zum Beispiel die Elektrode 32 auf einer positiven DC-Spannung hinsichtlich der Elektrode 31 gehalten wird, würde das elektrostatische Feld, das um den Feldbereich R gebildet wird, derart sein, daß es positiv geladene Ionen reflektiert. Umgekehrt würde, falls die Elektrode 32 auf einer negativen DC-Spannung hinsichtlich der Elektrode 31 gehalten wird, das elektrostatische Feld derart sein, daß es negativ geladene Ionen reflektiert.
In dem Beispiel der Figur 3b treten die Ionen in den Feldbereich auf einer Bahn ein, die unter einem Winkel π zu der transversalen X-Achse geneigt ist, und, wie zuvor in Bezug auf die Figur 1 beschrieben ist, besitzen Ionen, die unterschiedliche Massen (M&sub1;, M&sub2;, ....Mn) haben, unterschiedliche Flugzeiten.
An Stellungen von der X-Z-Ebene entfernt kann die Monopol-Elektrodenstruktur, die in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist, Anlaß zu unerwünschten Feldkomponenten geben, die in der Richtung der Y-Achse (Normale zu den X- und Y-Achsen-Richtungen) wirken. Der Effekt dieser unerwünschten Feldkomponenten kann durch Bildung einer Elektrodenstruktur verringert werden, deren Abmessungen groß verglichen mit der Breite des Ionenstrahls sind und durch die Verwendung von Ionenquellenoptiken, die so angeordnet sind, um einen scharfen, genau definierten Strahl zu bilden, der so nahe wie möglich an der X-Z-Ebene begrenzt ist.
Ähnlich wird auch durch Ausbildung der Elektrodenstruktur relativ lang in der Z-Achsen-Richtung der Effekt von unerwünschten Feldkomponenten, die in der Z-Achsen-Richtung wirken, verringert.
Auch kann der Effekt von Streufeldern und/oder unerwünschten Feldkomponenten dadurch verringert werden, daß geeignet geformte Elektroden und/oder Einrichtungen zur Feldkorrektur, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden.
Figur 4a stellt eine transversale Querschnittsansicht durch eine alternative Monopol-Elektrodenstruktur dar. Diese Elektrodenstruktur besitzt ein Paar von orthogonal geneigten Seitenwänden 35,36, die aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Glas, hergestellt sind.
Die Seitenwände stoßen an die Elektrodenplatten 31',31'' an, wie dies dargestellt ist, um eine Begrenzungsstruktur zu bilden, die einen Feldbereich R eines quadratischen Querschnitts einschließt. Eine Elektrode 37, die an dem Scheitelpunkt der Seitenwände positioniert ist, wird auf einer geeigneten Verzögerungs-DC-Spannung hinsichtlich der Elektrodenplatten 31, 31' gehalten und die Seitenwände tragen entsprechende Beschichtungen 35',36' eines elektrisch widerstandsfähigen Materials, das die Elektrode 37 und die Elektrodenplatten 31',31'' miteinander verbindet. Die Struktur kann auch < nicht dargestellte) beschichtete Endwände besitzen, die dazu dienen, die elektrostatischen Feldlinien zu beenden, die sich in der Z-Achsen-Richtung erstrecken, und so tatsächlich eine Struktur simulieren, die eine infinite Länge in dieser Richtung besitzt.
Das elektrostatische Quadrupol-Feld, das durch diese Elektrodenstruktur gebildet ist, besitzt hyperbolische Äquipotentiallinien in der transversalen (X-Y) Ebene, wie dies durch die Gleichung 1 definiert ist. Diese Äquipotentiallinien sind in Figur 4b dargestellt. Die Spannung variiert liniear entlang der Seitenwände in der transversalen Richtung von dem Spannungswert an der Elektrode 37 auf einen Spannungswert an den Elektrodenplatten 31',31''. Die Beschichtungen 35',36' sollten deshalb idealerweise von einer gleichförmigen Dicke sein. Allerdings kann es in der Praxis schwierig sein, solche Beschichtungen niederzuschlagen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Beschichtungen durch diskrete Elektroden 38 ersetzt, die an der Seite und/oder den Endwänden entlang der Schnittlinien mit ausgewählten Äquipotentiallinien gebildet sind. Jede solche Elektrode 38 wird auf einer entsprechenden Spannung gehalten, die zwischen derjenigen an der Elektrode 37 und derjenigen an der Elektrodenplatte 31',31'' liegt. Da die Spannung linear entlang jeder Seitenwand variieren muß, können die Elektroden, die darauf gebildet sind, auf parallelen, gleichförmig voneinander beabstandeten Linien liegen, wie dies in Figur 4c dargestellt ist, und die erforderlichen Spannungen können dann durch Verbindung der Elektroden miteinander in Reihe zwischen den Platten 31, 31' und der Elektrode 37 mittels Widerständen erzeugt werden, die gleiche Widerstandswerte besitzen.
Die entsprechenden Elektroden an den Endwänden würden auf hyperbolischen Linien liegen, wie dies in Figur 4b dargestellt ist.
Figur 5a stellt eine transversale Querschnittsansicht durch eine andere Monopol-Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung dar. In dieser Ausführungsform besitzt die Struktur ein Paar von parallelen, elektrisch isolierenden Seitenwänden 39,39', die eine kompaktere Struktur in der transversalen (Y-Achsen) Richtung liefern.
Die Seitenwände sind in Figur 4b im Umriß dargestellt. Es wird aus dieser Figur deutlich, daß die Spannung in einer nicht linearen Weise entlang jeder Seitenwand variiert, und, wie in Figur 5b dargestellt ist, sind die Elektroden 38', die auf den Seitenwänden aufgebracht sind, progressiv näher zueinander in der Richtung beabstandet, die sich der Elektrode 37 nähert.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Quadrupol-Feld eine Rotationssymmetrie um eine Achse, sagen wir die X-Achse, besitzen. Ein solches Feld könnte durch eine Elektrodenstruktur erzeugt werden, die eine Elektrode aufweist, die eine konische Elektrodenoberfläche besitzt, und eine zweite Elektrode, die eine sphärische Elektrodenoberfläche besitzt, die zu der konischen Elektrodenoberfläche hin gerichtet ist. Die zweite Elektrode würde auf einer Verzögerungsspannung hinsichtlich der ersten Elektrode gehalten werden.
Figur 6 stellt ein Flugzeit-Massenspektrometer dar, das einen Ionenspiegel gemäß der Erfindung einsetzt. Zusätzlich zu dem Ionenspiegel, der mit 40 bezeichnet ist, umfaßt das Spektrometer, inter alia, eine Ionenquelle 41, die geeignete, kollimierende Optiken 42 und einen Detektor 43 besitzt, der eine ausreichend große Apertur und/oder geeignete Fokussierungsoptiken besitzt, um sämtliche Ionen, die den Ionenspiegel verlassen, einzufangen und eine Detektion dieser zu ermöglichen. Die Ionenquelle und der Detektor sind auf einer der beiden Seiten der X-Achse in der Z-X-Ebene angeordnet.
Das Auflösungsvermögen kann durch Erhöhen der Dimensionen des Spektrometers erhöht werden, um die Flugzeiten der Ionen innerhalb des Feldbereichs zu vergrößern.
Alternativ könnte das Auflösungsvermögen dadurch erhöht werden, daß die Ionen dazu gebracht werden, Mehrfachreflexionen zu durchlaufen, in denen zum Beispiel zwei gegenüberliegende Monopol-Elektrodenstrukturen, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, oder eine Quadrupol-Elektrodenstruktur verwendet werden, die Ionen entlang der Z-Achse einschießt.
Eine Auflösung könnte weiterhin dadurch verstärkt werden, daß sorgfältiger bearbeitete Ionenquellenoptiken und/oder ein Reflectron oder alternativ eine zeitfokussierende Anordnung, außerhalb des Ionenspiegels 40, verwendet werden, wie dies vorstehend beschrieben ist, um eine Streuung der Flugzeiten zu kompensieren, die in dem Fall auftreten würde, für den die Ionen unterschiedliche Energien besitzen.
Ein Ionenspiegel gemäß der Erfindung besitzt eine besondere Anwendung in einem Flugzeit-Massenanalysator, der in der zweiten Stufe eines Massenspektrometers/Massenspektrometerexperiments verwendet wird, in dem ein Ausgangsion, sagen wir der Masse Mp, einer Zertrümmerung unterliegt, um Tochterionen kleinerer Massen (z.B. Md) zu erzeugen.
Nach der Zertrümmerung fährt jedes Tochterion damit fort, sich im wesentlichen unter derselben Geschwindigkeit wie das Ausgangsion zu bewegen, allerdings mit einem Bruchteil, z.B.
Md/Mp
der Ursprungsenergie des Ausgangsions. Da der Ionenspiegel Ionen auf der Basis nur der Masse bestimmt, gerade obwohl die Ionen unterschiedliche Energien besitzen, ist er geradezu ideal zur Erlangung eines Tochterionenspektrums, das nützliche, strukturelle Informationen über das Ausgangsion liefert.
In einer bevorzugten Anordnung, die in Figur 8 dargestellt ist, wird das Ausgangsion dazu gebracht, an dem Eingang zu dem Ionenspiegel zu dissoziieren und eine solche Dissoziation kann durch bewirkt werden, daß geeignete Einrichtungen 50, wie beispielsweise eine Kollisionszelle, ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl, verwendet werden. Durch Bewirken, daß das Ausgangsion nahe dem Eingang des Ionenspiegels dissoziiert, wird eine Verteilung der Flugzeiten, die dazu tendieren würden, außerhalb des Ionenspiegels aufgrund der unterschiedlichen Energien der Tochterionen anzusteigen und die auch aufgrund der Energie, die durch das Ausgangsion freigegeben wird, auch wenn die Dissoziation stattfindet, verringert wird.
Der Dissoziation des Ausgangsions folgend bewegen sich die verschiedenen Tochterionen, die, sagen wir die Massen MD(1), MD(2) haben, mit derselben Geschwindigkeit entlang einer geneigten Bahn P&sub4;. Wie zuvor besetzt jedes Ion den Feldbereich des Ionenspiegels für ein Gesamtzeitintervall, das nur seiner Masse zugeordnet ist, und so verlassen Ionen, die unterschiedliche Massen besitzen, den Feldbereich zu unterschiedlichen Zeiten auf unterschiedlichen Bahnen, z.B. P&sub5;, P&sub6; und P&sub7;, von denen die äußerste Bahn P&sub7; dem schwersten Ion (d.h. dissoziierte Ausgangsionen) entspricht und die Bahnen P&sub5; und P&sub6; Tochterionen entsprechen, die Massen MD(1) und MD(2) jeweils besitzen, wobei MD(2) > MDD(1) gilt.
Da der Detektor zur Detektion sowohl des leichtesten Tochterions als auch des Ausgangsions geeignet sein muß, kann es notwendig werden, die Neigung der Bahn P&sub4; einzustellen, um den bestimmten Betriebsbedingungen gerecht zu werden.

Claims

1. Ionenspiegel, der zur Benutzung in einem Flugzeit-Massenpektrometer geeignet ist, um auf einer Bahn laufende Ionen zu reflektieren, der Einrichtungen (20,30) aufweist, die einen Feldbereich (R) festlegen, um Ionen einem elektrostatischen, reflektierenden Feld zu unterwerfen, das bewirkt, daß die Ionen in oder um eine Ebene reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische, reflektierende Feld ein elektrostatisches Quadrupol-Feldbereich ist, das eine Quadrupol- oder Monopol-Elektrodenstruktur verwendet, wobei Ionen in dem Feldbereich (R) während eines Zeitintervalls verweilen, das zu den Massen, aber nicht zu den Energien der Ionen in Beziehung steht.

2. Ionenspiegel nach Anspruch 1, wobei Ionen in den elektrostatischen Quadrupol-Feldbereich an unterschiedlichen Stellen auf einer Achse normal zu der Ebene eintreten und austreten.

3. Ionenspiegel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einrichtung, die den elektrostatischen Quadrupol-Feldbereich festlegt, eine Quadrupol-Elektrodenstruktur (20) ist, die unter einer DC- (Gleich-) Spannung arbeitet.

4. Ionenspiegel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einrichtung, die den elektrostatischen Quadrupol-Feldbereich festlegt, eine Monopol-Elektrodenstruktur (30) ist, die unter einer DC-(Gleich-) Spannung arbeitet.

5. Ionenspiegel nach Anspruch 4, wobei die Monopol-Elektrodenstruktur eine erste Elektrode (31), die eine Elektroden-Oberfläche mit einem im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt besitzt, und eine zweite Elektrode (32), die eine Elektrodenoberfläche mit einem gekrümmt-linearen, transversalen Querschnitt besitzt, der zu der Elektrodenoberfläche der ersten Elektrode hin gerichtet ist, aufweist, wobei die zweite Elektrode (32) im Betrieb auf einer DC-Verzögerungsspannung hinsichtlich der ersten Elektrode (31) gehalten wird und die erste Elektrode eine Apertur (34) besitzt, durch die Ionen in den Feldbereich zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen eintreten und austreten können.

6. Ionenspiegel nach Anspruch 4, wobei die Monopol-Struktur ein elektrisch leitfähiges Teil (31), das einen im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt besitzt, und ein elektrisches Widerstandsteil (35', 36'), das einen im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt besitzt, aufweist, wobei das elektrisch leitende und das elektrische Widerstandsteil eine geschlossene Struktur festlegen, die den Feldbereich (R) begrenzt, wobei der Scheitelpunkt des elektrischen Widerstandsteils im Betrieb auf einer DC-Verzögerungsspannung hinsichtlich des elektrisch leitenden Teils (3l) gehalten wird und das elektrisch leitende Teil (3l) eine Apertur besitzt, durch die Ionen in den Feldbereich eintreten und aus diesem austreten können.

7. Ionenspiegel nach Anspruch 6, wobei die Monopol-Elektrodenstruktur auch elektrisch widerstandsfähige Endwände besitzt.

8. Ionenspiegel nach Anspruch 4, wobei die Monopol-Elektrodenstruktur ein elektrisch leitendes Teil (31), das einen im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt besitzt, Elektrodeneinrichtungen (37), die zu dem elektrisch leitfähigen Teil hin gerichtet sind, das im Betrieb auf einer DC-Verzögerungsspannung hinsichtlich des elektrisch leitenden Teils gehalten wird, und elektrisch isolierende Seitenwände (35, 36) aufweist, wobei die elektrisch isolierenden Seitenwände eine Vielzahl von Elektroden (38) entlang entsprechender Schnittlinien mit ausgewählten Äquipotentiallinien in dem elektrostatischen Quadrupol-Feldbereich besitzen und jede Elektrode auf einer entsprechenden Spannung gehalten wird.

9. Ionenspiegel nach Anspruch 8, wobei die elektrisch isolierenden Seitenwände (35, 36) durch ein elektrisch isolierendes Teil gebildet werden, das einen im wesentlichen V-förmigen, transversalen Querschnitt besitzt, wobei das elektrisch leitende Teil und das elektrisch isolierende Teil eine geschlossene Struktur festlegen, die den Feldbereich begrenzt, wobei die Elektrodeneinrichtung (37) an dem Scheitelpunkt des elektrisch isolierenden Teils angeordnet ist.

10. Ionenspiegel nach Anspruch 8, wobei die Seitenwände (35, 36) parallel sind.

11. Ionenspiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Monopol-Elektrodenstruktur elektrisch isolierende Endwände besitzt, die auch eine Vielzahl von Elektroden entlang entsprechender Schnittlinien mit ausgewählten Äquipotentiallinien in dem elektrostatischen Quadrupol-Feldbereich tragen, wobei jede Elektrode an den Endwänden auf einer entsprechenden Spannung gehalten wird.

12. Flugzeit-Massenspektrometer, das eine Ionenquelle (41), einen Ionenspiegel (40), wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 beansprucht ist, und eine Detektionseinrichtung (42) zum Detektieren von Ionen, die durch den Ionenspiegel (40) reflektiert werden, aufweist.

13. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 12, das weiterhin Einrichtungen zum Unterwerfen der Ionen einem elektrostatischen Feld außerhalb des Feldbereichs umfaßt.

14. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, das Einrichtungen (5O) umfaßt, um ein Ausgangsion vor seinem Eintritt in den Feldbereich zu dissoziieren.

15. Verwendung eines Ionenspiegels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, die das Erzeugen des elektrostatischen Quadrupol-Feldbereichs und das Einführen von Ionen in dieses Feld umfaßt, wobei Ionen den Feldbereich für ein Zeitintervall, das den Massen, allerdings nicht den Energien der Ionen, zugeordnet ist, besetzen.

16. Verwendung eines Ionenspiegels nach Anspruch 15 zum Unterscheiden eines Ausgangsion von einem Tochterion, die den zusätzlichen Verfahrensschritt der Dissoziierung der Ausgangsionen vor dem Eintritt der Ion in das elektrostatische Quadrupol fällt und Ermittlung nicht dissoziierter Ausgangsionen und sich ergebender Tochterionen umfaßt.