EP3035366A1 - Ft-icr massenspektrometer mit icr-messzelle mit einem duplexer - Google Patents

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EP3035366A1
EP3035366A1 EP15196455.8A EP15196455A EP3035366A1 EP 3035366 A1 EP3035366 A1 EP 3035366A1 EP 15196455 A EP15196455 A EP 15196455A EP 3035366 A1 EP3035366 A1 EP 3035366A1
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EP
European Patent Office
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duplexer
icr
ion
measuring cell
preamplifier
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Walter Roeck
Christoph Martin Gosteli
Arthur Schwilch
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Bruker Switzerland AG
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Bruker Biospin SAS
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Publication date
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    • H01J49/36—Radio frequency spectrometers, e.g. Bennett-type spectrometers, Redhead-type spectrometers
    • H01J49/38—Omegatrons ; using ion cyclotron resonance
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    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons

Definitions

  • FT-ICR - Fourier
  • FT-ICR Fourier transform ion cyclotron resonance
  • FIG. 4a A basic scheme of this known arrangement of electrode pairs is in Fig. 4a shown.
  • a spatially opposed electrode pair (20 and 21) of an ICR measuring cell (01), with associated preamplifiers (04b and 04d), is used only for detection, while the second electrode pair (40 and 41), via the duplexer (08a and 08b ), either with the preamplifiers (04a and 04c) or the transmitters (03a and 03b, here shown as two individual transmitters, but in practice a single transmitter with a 0/180 degree splitter is often used) for ion excitation , From this arrangement, four freely combinable receive paths and two transmitter paths result for different applications.
  • a single path, with a common for excitation and detection electrode (11) is in the Figures 4b and 4c mapped for the excitation and detection case.
  • a single duplexer off Fig. 4a (08a or 08b) consists essentially of two switching paths S1 and S2 ( Figures 4b and 4c , 42 and 43).
  • S1 (42) is closed or conductive and S2 (43) is open or blocking, and vice versa during the ion detection phase.
  • S1 transmits the ion excitation voltage to the common electrode and, in the blocking state, ensures that the detected ion received signal is not attenuated.
  • S2 protects in the blocking state, the subsequent preamplifier before the high ion excitation voltage and transmits in the conductive state, the ion received signal.
  • Fig. 2 shows this prior art according to reference [4].
  • This general construction of a conventional ICR cell includes two electrodes (22 and 23) for ion excitation and two electrodes (20 and 21) for ion detection.
  • the ion excitation voltage comes from two transmitters (03a and 03b, here shown as two individual transmitters, but in practice a single transmitter with a 0/180 degree splitter is often used) and the detected ion receive signal is received from two preamplifiers (04a and 04b, shown here as two preamplifiers, usually implemented as a single preamplifier with differential input) amplified as low noise as possible.
  • the leakage resistor derives possible electrical charges from the electrode and generates the DC reference potential for the ICR measuring cell and is advantageously chosen to be as high-impedance as possible for the signal-to-noise ratio.
  • the object of the present invention is to provide a duplexer for the ICR measuring cell of an FT-ICR mass spectrometer, in which at least one electrode can be used both for ion excitation and then for ion detection, the duplexer used for this purpose providing protection of the preamplifier before the excitation voltage and does not significantly affect the signal-to-noise ratio.
  • At least one active serial switch is used in the receiving path as part of the duplexer, which is in series with the input of the preamplifier, can be activated by a control electronics, two activatable states, each with different series.
  • a control electronics two activatable states, each with different series.
  • the duplexer used may be equipped with one or more semiconductor components and is intended for use in an apparatus for FT-ICR mass spectrometry.
  • This preferably has a superconducting magnet for generating a magnetic field in the direction of a z-axis.
  • the duplexer is to be regarded as part of a transmitting and receiving device of an FT-ICR mass spectrometry apparatus, which transmits, on the one hand during the ion excitation phase, the voltage of the transmitter to at least one electrode of the ICR measuring cell, the preamplifier by antiparallel connected diodes and a series Protects impedance for current limiting against overvoltage and on the other hand, during the ion detection phase, the ion receiving signal, namely the following from the influen inhabiten charge voltage of the same electrode transmits via the receiving path of the duplexer to the preamplifier.
  • the duplexer according to the invention is characterized in that in the receiving path at least one active serial switch with two switchable states, each with different series impedances is used.
  • the series impedance of the active serial switch has a low-impedance real part of less than 30 ohms during the ion-detection phase and a high-impedance of more than 1 kilo-ohms during the ion excitation phase.
  • the active serial switch without activation can have a high-impedance impedance.
  • an active serial switch in combination with subsequently one or more diode pairs and / or diode pairs with less than 0.2 pF per diode and / or diode pairs, which shunt resistors in the range of more than 4 giga-ohms per diode are used.
  • diode pairs are used for transmitting the ion excitation voltage to the ICR measuring cell, which have less than 0.2 pF per diode and / or shunt resistors in the range of more than 4 giga-ohms per diode.
  • the duplexer preferably consists of a low-capacitance and high-resistance circuit (C iso typical 0.8 pF and R iso greater than 1 giga-ohm), in particular optical active serial switch, for example, carried out by a PhotoMOS relay (embodiment of a solid-state relay, see Reference [5]). Also conceivable is a design as MEMS (see reference [6]) or MOEMS (see reference [7]), with a subsequent antiparallel diode pair at the preamplifier input and with an antiparallel diode pair for transmitting the ion excitation voltage.
  • C typical 0.8 pF and R iso greater than 1 giga-ohm
  • the active serial switch disables and may approximate as an electrical impedance consisting of an electrical resistance (approximately 100 megohms) and a resistance parallel capacity (approximately 35 pF). Since the preamplifier input impedance also has a high-impedance character, the antiparallel diode pair at the input is necessary to limit the voltage generated at the preamplifier input to the diode forward voltage. However, due to the blocking or high-resistance active serial switch, the current through the diodes is massively limited
  • the active serial switch will conduct and the signal will pass unimpeded to the preamplifier input.
  • the series resistance should be small (below 30 ohms) so that its thermal noise does not interfere with overall performance and is thus somewhat below the noise of the preamplifier.
  • the active serial switch is self-blocking during the ion excitation phase and must be actively actuated for ion detection.
  • the active serial switch is characterized in this particular embodiment in that its activation takes place by means of an optical transmission of the control signal.
  • C signal-to-noise ratio harmful parasitic capacitance
  • R parasitic resistance
  • FIG. 1 1 illustrates an embodiment of the inventive duplexer 08 with the ICR measuring cell 01 for an FT-ICR mass spectrometry apparatus, wherein the duplexer is to be viewed as part of a transmitting and receiving device 09.
  • This embodiment of the duplexer is further characterized by the use of a PhotoMOS relay as an active serial switch 07 in series with the preamplifier, which protects the preamplifier, together with the anti-parallel diode pair 06 from the ion excitation voltage and its activation by means of a Steuerelektonik 02 takes place.
  • a PhotoMOS relay as an active serial switch 07 in series with the preamplifier, which protects the preamplifier, together with the anti-parallel diode pair 06 from the ion excitation voltage and its activation by means of a Steuerelektonik 02 takes place.

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Abstract

Eine ICR-Messzelle (01) mit einem Duplexer (08) mit einer oder mehreren Halbleiterkomponenten (05, 06, 07) zum Einsatz in einer Apparatur für FT-ICR-Massenspektrometrie mit einem supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse, wobei der Duplexer Bestandteil einer Sende- und Empfangsvorrichtung (09) einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur ist, welche einerseits während einer Ionen-Anregungsphase die Spannung des Senders (03) an mindestens eine Elektrode (11) der ICR-Messzelle überträgt, einen Vorverstärker (04) vor Überspannung schützt und anderseits während einer Ionen-Detektionsphase ein Ionen-Empfangssignal, nämlich die aus der influenzierten Ladung folgende Spannung derselben Elektrode über einen Empfangspfad (12) zum Vorverstärker überträgt, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangspfad mindestens ein aktiver serieller Schalter (07) mit zwei schaltbaren Zuständen mit jeweils unterschiedlichen Serie-Impedanzen eingesetzt ist. Damit wird ein Duplexer für die ICR-Messzelle eines FT-ICR-Massenspektrometers bereitgestellt, in der mindestens eine Elektrode sowohl zur Ionen-Anregung und danach zur Ionen-Detektion eingesetzt werden kann, wobei der dafür verwendete Duplexer den Schutz des Vorverstärkers vor der Anregungsspannung sicherstellt und das Signal- zu Rauschverhältnis nicht signifikant beeinträchtigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine ICR-Messzelle mit einem Duplexer mit einer oder mehreren Halbleiterkomponenten zum Einsatz in einer Apparatur für FT-ICR-(= Fourier Transform - Ion Cyclotron Resonance) Massenspektrometrie mit einem, vorzugsweise supraleitenden, Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse, wobei der Duplexer Bestandteil einer Sende- und Empfangsvorrichtung einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur ist, welche einerseits während einer Ionen-Anregungsphase die Spannung des Senders über den Senderpfad des Duplexers an mindestens eine Elektrode der ICR-Messzelle überträgt, einen Vorverstärker durch antiparallel geschaltete Dioden und einer Serie-Impedanz zur Strombegrenzung vor Überspannung schützt und anderseits während einer lonen-Detektionsphase ein Ionen-Empfangssignal, nämlich die aus der influenzierten Ladung folgende Spannung derselben Elektrode über einen Empfangspfad zum Vorverstärker überträgt.
  • Eine solche Anordnung ist bekannt aus Chen, T.; Kaiser, N. K.; Beu, S. C.; Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Excitation and Detection with the Same Electrodes for Improved FT-ICR MS Performance, Proc. 60th ASMS Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics, Vancouver, Canada, May 20-24, 2012 (= Referenz [2])
    oder aus
    Chen, T.; Kaiser, N. K.; Beu, S. C, Blakney G. T., Quinn J. P., Mclntosh, D. G., Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Improving Radial and Axial Uniformity of the Excitation Electric Field in a Closed Dynamically Harmonized FT-ICR Cell, 61 st Amer. Soc. Mass Spectrometry Conf., Minneapolis, MN, June 9-13, 2013 (= Referenz [3])
    • Einführung
  • Die Fourier-Transform-Ionencyklotronresonanz (FT-ICR) ist ein technisches Verfahren für hochauflösende Massenspektrometrie.
  • Übliche Zellen für FT-ICR-Massenspektrometrie sind unterteilt in kubische und zylindrische Sektionen: Ein paar gegenüberliegende Elektroden für die Ionen-Anregung und ein anderes Paar um 90 Grad versetzt für die Detektion, wie exemplarisch in Fig. 2 (beziehungsweise Fig. 3a) dargestellt. Eine Weiterentwicklung versucht diese bisherige Anordnung zu verbessern, indem alle Elektroden für die Ionen-Detektion verwendet werden, konkret indem das bisher nur für die Anregung verwendete Elektrodenpaar auch für die Detektion zur Anwendung kommt.
  • Durch Addition der Signale aller vier Elektroden mit jeweils alternierender Phase (0 Grad, 180 Grad), wird eine höhere Frequenzauflösung erreicht (eigentlich wird damit eine höhere Frequenz erreicht, bei der FT-ICR Massenspektrometrie entspricht dies einer höheren Massenauflösung). Diese Detektionsart ist bekannt unter dem Begriff Harmonisches-Detektionsverfahren (Fig. 3b) (siehe Referenz [9]).
  • Mit einer solchen Anordnung kann jedoch auch eine bessere Empfindlichkeit (höheres Signal- zu Rauschverhältnis) durch phasenrichtige Addition der Signale erreicht werden, weil während der gesamten Kreisbahn (Zyklotron) ein Ionen-Empfangssignal detektiert werden kann. Dabei werden jeweils die Signale zweier benachbarter Elektroden addiert und die Signale der anderen beiden Elektroden subtrahiert (Fig. 3c) (siehe Referenz [8]).
  • Ein prinzipielles Schema dieser bekannten Anordnung der Elektrodenpaare ist in Fig. 4a dargestellt. Ein räumlich gegenüberliegendes Elektrodenpaar (20 und 21) einer ICR-Messzelle (01), mit dazugehörenden Vorverstärkern (04b und 04d), wird nur für die Detektion benutzt, während das zweite Elektrodenpaar (40 und 41), über die Duplexer (08a und 08b), entweder mit den Vorverstärkern (04a und 04c) oder den Sendern (03a und 03b, hier als zwei einzelne Sender dargestellt, in der Praxis wird jedoch oft ein einzelner Sender mit einem 0/180Grad Splitter eingesetzt) für die Ionen-Anregung verbunden ist. Aus dieser Anordnung ergeben sich für verschiedene Anwendungen vier frei kombinierbare Empfangspfade und zwei Senderpfade.
  • Ein einzelner Pfad, mit einer für Anregung und Detektion gemeinsamen Elektrode (11), ist in den Figuren 4b und 4c für den Anregungs- und Detektionsfall abgebildet. Ein einzelner Duplexer aus Fig. 4a (08a oder 08b) besteht im Wesentlichen aus zwei Schaltpfaden S1 und S2 (Figuren 4b und 4c, 42 und 43). Während der Ionen-Anregungsphase ist S1 (42) geschlossen beziehungsweise leitend und S2 (43) geöffnet beziehungsweise sperrend und während der Ionen-Detektionsphase umgekehrt.
  • S1 überträgt im geschlossenen Zustand die Ionen-Anregungsspannung an die gemeinsame Elektrode und gewährleistet im sperrenden Zustand, dass das detektierte Ionen-Empfangssignal nicht gedämpft wird. S2 schützt im sperrenden Zustand den nachfolgenden Vorverstärker vor der hohen Ionen-Anregungsspannung und überträgt im leitenden Zustand das lonen-Empfangssignal.
    • Anwendungsanforderungen
  • Das Ziel einer solchen Anordnung ist das Erreichen eines möglichst großen Signal- zu Rauschverhältnisses, und/oder einer möglichst großen Frequenzauflösung, möglichst ohne Beeinträchtigung oder Einschränkung irgendwelcher weiteren Systemeigenschaften. Hier sind die wichtigsten Punkte aufgeführt, die seitens der Anwendung erfüllt werden müssen:
    1. 1. Um eine größere Frequenzauflösung zu erreichen (Harmonisches-Detektionsverfahren, Fig. 3b), muss mindestens ein Elektrodenpaar für Senden und Empfang ausgelegt sein und die Ionen-Empfangssignale müssen geeignet kombiniert werden.
    2. 2. Um das Signal- zu Rauschverhältnis während der lonen-Detektionsphase zu maximieren, muss S2 (43, Vorverstärkerschutz während der Ionen-Anregungsphase, Figuren 4b und 4c), ein möglichst ideales Leitverhalten haben.
      Zusätzlich muss eine eventuell vorhandene elektrische Kapazität vom Empfangspfad (12) gegen die Schaltungsmasse (13) minimiert und ein eventuell vorhandener Parallelwiderstand gegen die Schaltungsmasse maximiert werden.
    3. 3. Um den Schutz des Vorverstärkers während der Ionen-Anregungsphase sicherzustellen, muss S2 eine genügend große Sperrdämpfung und Spannungsfestigkeit haben.
    4. 4. Um das Signal- zu Rauschverhältnis während der lonen-Detektionsphase zu maximieren, muss S1 (42, Übertragung der lonen-Anregungsspannung auf die gemeinsame Elektrode (11), (Figuren 4b und 4c), eine möglichst ideale Sperrdämpfung haben.
    5. 5. Der Widerstand von S1 (Figuren 4b und 4c) bildet im leitenden Zustand mit der ICR-Zellenkapazität (Fig. 5, Detail 51) einen Tiefpass und muss demzufolge niederohmig sein um den Frequenzgang der lonen-Anregungsspannung nicht zu beeinflussen.
    6. 6. Der Duplexer mit seinen Schaltpfaden S1 und S2 muss genügend schnell zwischen seinen beiden Grundzuständen wechseln können, damit die Funktionalität eines Umschalters zwischen Anregung und Detektion gewährleistet ist.
    Anforderungen an die Realisierung
  • Nachfolgend die wichtigsten Punkte, die bei einer konkreten Implementation zu erfüllen sind:
    1. 1. Das Hauptproblem der Realisierung liegt in der hochohmigen Quellenimpedanz der ICR-Zelle, welche nach einem Vorverstärker mit minimaler äquivalenter Rauschstromquelle verlangt. Der Duplexer darf dieses hochohmige System nicht störend belasten (Fig. 5).
    2. 2. Wenn der Vorverstärkerschutz durch einen geschalteten Pfad S2 (Figuren 4b und 4c) realisiert wird, muss unter allen Umständen die Betätigung des Schalters sichergestellt werden um den Vorverstärker vor der Ionen-Anregungsspannung zu schützen.
    3. 3. Um die verbesserten Eigenschaften einer ICR-Messzelle mit einem gemeinsamen Elektrodenpaar für Ionen-Anregung und Detektion nutzen zu können, ist es vorteilhaft, dass der nachgeschaltete Vorverstärker ein an die Quellenimpedanz der Zelle angepasstes, möglichst rauscharmes Verhalten hat. Für dieses Verhalten wird in der Literatur oft der Begriff "Rauschanpassung" verwendet.
    Stand der Technik Gesamtanordnung
  • Die in Referenz [1] publizierte elektronische Schaltung beschreibt sehr detailliert den aktuellen Stand der Vorverstärkertechnik für FT-ICR-Massenspektrometrie so wie er heute oft eingesetzt wird, jedoch ohne einen Duplexer. Aus dieser Arbeit geht klar hervor, welche Parameter für ein Vorverstärker-Design wesentlich sind. Es wird detailliert hergeleitet, dass für ein maximales Signal- zu Rauschverhältnis die gesamte Eingangskapazität (51), bestehend aus der Elektrodenkapazität, der Zuleitungskapazität zum Vorverstärker, der Eingangskapazität des Vorverstärkers sowie weiteren parasitären Kapazitäten, minimiert werden muss, der gesamte Parallelwiderstand (52), welcher wiederum aus dem Eingangswiderstand des Vorverstärkers, dem Ableitwiderstand für Elektroden DC-Potentiale und weiteren parallelen Verlusten besteht, jedoch maximiert werden muss.
  • Mit einer solchen Anordnung erreicht man von einem einzelnen Elektrodenpaar zweifellos das mit heutigen Technologien bestmögliche Signal- zu Rauschverhältnis (abgesehen von einem denkbaren kryogenen Vorverstärker, mit welchem das Rauschen noch weiter reduziert werden könnte). Dieses System kann jedoch nur für die Ionen-Detektion eingesetzt werden, da das andere Elektrodenpaar für die Ionen-Anregung benötigt wird, was demzufolge gewisse Anwendungen, wie zum Beispiel das Harmonische-Detektionsverfahren und/oder weitere Empfindlichkeitssteigerung mittels phasenrichtiger Kombination der Empfangssignale, ausschließt (siehe Referenz [8]).
  • Fig. 2 zeigt diesen bisherigen Stand der Technik gemäß Referenz [4]. Dieser generelle Aufbau einer konventionellen ICR-Zelle, wie sie mehrheitlich in kommerziell angebotenen FT-ICR-Massenspektrometrie Apparaturen eingesetzt wird, beinhaltet zwei Elektroden (22 und 23) zur Ionen-Anregung und zwei Elektroden (20 und 21) zur Ionen-Detektion. Die lonen-Anregungsspannung kommt von zwei Sendern (03a und 03b, hier als zwei einzelne Sender dargestellt, in der Praxis wird jedoch oft ein einzelner Sender mit einem 0/180 Grad Splitter eingesetzt) und das detektierte lonen-Empfangssignal wird von zwei Vorverstärkern (04a und 04b, hier als zwei Vorverstärker dargestellt, üblicherweise als ein einzelner Vorverstärker mit differenziellem Eingang realisiert) möglichst rauscharm verstärkt.
  • Bei einer ICR-Messzelle mit einem gemeinsamen Elektrodenpaar für Ionen-Anregung und Detektion, kommt zur Minimierung der gesamten Eingangskapazität und der Maximierung des gesamten Parallelwiderstandes, noch der Vorverstärkerschutz dazu. Es finden sich kaum publizierte Artikel in welchen dieses Thema aufgegriffen wird. Nachfolgend sind die Merkmale der in Referenz [2] und [3] (Fig. 6) veröffentlichten Schaltung dargestellt. Dabei wird unterschieden zwischen der Umsetzung für die Schaltpfade S1 und S2 (Figuren 4b und 4c, 42 und 43).
    1. a) S1: Allen bekannten Umsetzungen des beschriebenen Prinzips in den Figuren 4b und 4c ist gemeinsam, dass für S1 (42) ein antiparalleies Diodenpaar (Fig. 6, Detail 05) eingesetzt wird.
      Die Ionen-Anregungsspannung ist um ein mehrfaches größer als die Dioden-Flussspannung und jede Halbwelle kann die Dioden nahezu ohne Verluste passieren.
      Dem gegenüber ist das detektierte Ionen-Empfangssignal um ein mehrfaches kleiner als die Dioden-Flussspannung und die Dioden wirken wie ein sperrender Schalter auf das Signal.
    2. b) S2: Um den Vorverstärker vor der Ionen-Anregungsspannung zu schützen, wird ein Spannungsteiler eingesetzt, bestehend aus einem Blindwiderstand in Serie zum Vorverstärkereingang (in der publizierten Variante ist das eine Seriekapazität, siehe Fig. 6, Detail 60) und mehreren antiparallelen Diodenpaare (Fig. 6, Detail 06 aus Referenz [2]) parallel zum Vorverstärkereingang. Die Diodenpaare begrenzen dabei die maximal am Vorverstärkereingang anliegende Wechselspannung während der Phase der Ionen-Anregung. Der Strom in der Anordnung wird dabei von der Dimensionierung der Seriekapazität bestimmt (Zahlenbeispiel mit folgenden Annahmen: 200m/z Masse-zu-Ladung-Verhältnis, 21 Tesla Magnet, Frequenz der Ionen-Anregungsspannung ungefähr 1.6 MHz mit einer Spitzenspannung von 200 V. Bei einer Seriekapazität von 1 nF fließt ein Spitzenstrom von nahezu 2 A in der Seriekapazität, beziehungsweise ungefähr 1 A pro Diode). Die Strombegrenzung durch eine Kapazität hat den Vorteil, dass der Blindwiderstand einer Kapazität, im Vergleich zu einem gleich großen realen Widerstand, nicht rauscht. Je nach Wahl dieser Kapazität hat diese Anordnung folgende Eigenschaften:
      1. a. Das maximal erzielbare Signal- zu Rauschverhältnis während der Ionen-Detektionsphase ist stark beeinflusst durch einen weiteren Spannungsteiler, bestehend aus der Seriekapazität (60), den parasitären Kapazitäten der Diodenpaare (Zahlenbeispiel: 4x CD@0V von ungefähr 1.5 pF ergibt 6 pF) und der parasitären Eingangskapazität (Zahlenbeispiel: Ci ungefähr 10 pF) des Vorverstärkers (zusammengefasst Cp in 61).
        Ein kleiner Wert der Seriekapazität bedeutet einen hohen Blindwiderstand und reduziert somit die notwendige Stromtragfähigkeit der Dioden parallel zum Vorverstärkereingang (Ionen-Anregungsphase), teilt aber das detektierte Ionen-Signal stark hinunter und verschlechtert damit das mit der Anordnung erzielbare Signal- zu Rauschverhältnis (Ionen-Detektionsphase).
      2. b. Bei einem großen Wert der Seriekapazität (60) hat der entstehende Spannungsteiler praktisch keinen Einfluss auf das maximal erzielbare Signal- zu Rauschverhältnis. Dafür fließt während der Ionen-Anregungsphase ein viel größerer Strom durch die Diodenpaare (06). Für einen sicheren Betrieb müssen Dioden gewählt werden, welche für einen höheren Strom ausgelegt sind oder der höhere Strom muss auf noch mehr Diodenpaare verteilt werden. Dioden mit einer größeren Stromtragfähigkeit besitzen eine größere Chip-Fläche und damit eine größere parasitäre Kapazität (Niederfrequenz Dioden Kleinsignalmodell in Fig. 7, Detail 73). Gleichzeitig wird auch der parasitäre Dioden Parallelwiderstand (70) kleiner. Beides hat zur Folge, dass das maximal erzielbare Signal- zu Rauschverhältnis reduziert wird.
        Eine Verteilung des höheren Stromes auf mehr Diodenpaare (siehe Referenz [2]) hat den gleichen Effekt, da die gesamte Chip-Fläche aller Dioden größer wird.
  • Ein weiteres Merkmal der in Referenz [2] und [3] publizierten Schaltung, ist der Ableitwiderstand (Fig. 6, Detail 10) von der für Anregung und Detektion gemeinsamen Elektrode (11) gegen Schaltungsmasse (13). Der Ableitwiderstand leitet mögliche elektrische Ladungen von der Elektrode ab und generiert das DC-Bezugspotential für die ICR-Messzelle und ist mit Vorteil für das Signal- zu Rauschverhältnis möglichst hochohmig gewählt.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Duplexer für die ICR-Messzelle eines FT-ICR-Massenspektrometers bereitzustellen, in der mindestens eine Elektrode sowohl zur Ionen-Anregung und danach zur lonen-Detektion eingesetzt werden kann, wobei der dafür verwendete Duplexer den Schutz des Vorverstärkers vor der Anregungsspannung sicherstellt und das Signal- zu Rauschverhältnis nicht signifikant beeinträchtigt.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird auf ebenso einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass im Empfangspfad mindestens ein aktiver serieller Schalter als Teil des Duplexers eingesetzt ist, welcher in Serie zum Eingang des Vorverstärkers liegt, durch eine Steuerelektronik aktivierbar ist, zwei aktivierbare Zustände mit jeweils unterschiedlichen Serie-Impedanzen aufweist, und welcher das lonen-Empfangssignal im Empfangsfall durch seine niederohmige Serie-Impedanz über den Empfangspfad möglichst verlustfrei auf den Vorverstärker führt und im Senderfall durch seine hochohmige Serie-Impedanz und die antiparallelen Dioden den Vorverstärker schützt.
  • Der verwendete Duplexer kann mit einer oder mehreren Halbleiterkomponenten ausgestattet sein und ist zum Einsatz in einer Apparatur für FT-ICR Massenspektrometrie bestimmt. Diese weist vorzugsweise einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse auf.
  • Der Duplexer ist als Bestandteil einer Sende- und Empfangsvorrichtung einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur anzusehen, welche einerseits während der Ionen-Anregungsphase die Spannung des Senders an mindestens eine Elektrode der ICR-Messzelle überträgt, den Vorverstärker durch antiparallel geschaltete Dioden und einer Serie-Impedanz zur Strombegrenzung vor Überspannung schützt und anderseits während der Ionen-Detektionsphase das Ionen-Empfangssignal, nämlich die aus der influenzierten Ladung folgende Spannung derselben Elektrode über den Empfangspfad des Duplexers zum Vorverstärker überträgt.
    Der Duplexer ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangspfad mindestens ein aktiver serieller Schalter mit zwei schaltbaren Zuständen, mit jeweils unterschiedlichen Serie-Impedanzen eingesetzt wird.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die Serie-Impedanz des aktiven seriellen Schalters einen niederohmigen Realteil von weniger als 30 Ohm während der Ionen-Detektionsphase und eine hochohmige Impedanz von mehr als 1 Kilo-Ohm während der Ionen-Anregungsphase auf.
  • Weitere Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass während der Ionen-Detektionsphase der aktive serielle Schalter eine Kapazität von kleiner als 1.5 pF vom Empfangspfad gegen Schaltungsmasse und gegen die Steuerelektronik und/oder eine Impedanz von mehr als 1 Giga-Ohm vom Empfangspfad gegen Schaltungsmasse und gegen die Steuerelektronik aufweist.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei welchen als aktiver serieller Schalter im Empfangspfad ein optisch steuerbarer Schalter eingesetzt ist.
  • Alternativ oder ergänzend kann bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung der aktive serielle Schalter ohne Ansteuerung eine hochohmige Impedanz aufweisen.
  • Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen ICR-Messzelle, bei welchen zum Schutz des Vorverstärkers im Empfangspfad ein aktiver serieller Schalter in Kombination mit nachfolgend einem oder mehreren Diodenpaaren und/oder Diodenpaare mit weniger als 0.2 pF pro Diode und/oder Diodenpaare, welche Parallelwiderstände im Bereich von mehr als 4 Giga-Ohm pro Diode aufweisen, eingesetzt sind.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen für eine Übertragung der Ionen-Anregungsspannung auf die ICR-Messzelle Diodenpaare eingesetzt sind, die weniger als 0.2 pF pro Diode und/oder Parallelwiderstände im Bereich von mehr als 4 Giga-Ohm pro Diode aufweisen.
  • Der Duplexer besteht vorzugsweise aus einem gegen Schaltungsmasse kapazitätsarmen und hochohmigen (Ciso typisch 0.8 pF und Riso größer 1 Giga-Ohm), insbesondere optischen aktiven seriellen Schalter, zum Beispiel ausgeführt durch ein PhotoMOS-Relais (Ausführungsvariante eines Solid-State Relais, siehe Referenz [5]). Denkbar ist auch eine Ausführung als MEMS (siehe Referenz [6]) oder MOEMS (siehe Referenz [7]), mit einem nachfolgenden antiparallelen Diodenpaar am Vorverstärkereingang und mit einem antiparallelen Diodenpaar zur Übertragung der Ionen-Anregungsspannung.
  • Während der Ionen-Anregungsphase sperrt der aktive serielle Schalter und kann in erster Näherung als eine elektrische Impedanz, bestehend aus einem elektrischen Widerstand (ungefähr 100 Megaohm) und einer dem Widerstand parallel geschaltete Kapazität (ungefähr 35 pF) betrachtet werden. Da die Vorverstärkereingangsimpedanz auch einen hochohmigen Charakter hat, ist das antiparallele Diodenpaar am Eingang nötig um die am Vorverstärkereingang entstehende Spannung auf die Dioden-Flussspannung zu begrenzen. Durch den sperrenden beziehungsweise hochohmigen aktiven seriellen Schalter wird jedoch der Strom durch die Dioden massiv begrenzt
  • Ein Zahlenbeispiel mit folgenden Annahmen: 200m/z Masse-zu-Ladung-Verhältnis, 21 Tesla Magnet, Frequenz der Ionen-Anregungsspannung ungefähr 1.6MHz mit einer Spitzenspannung von 200V. Durch eine einzelne Diode fließt ein Spitzenstrom von ungefähr 70mA.
  • Während der Ionen-Detektionsphase leitet der aktive serielle Schalter und das Signal kommt ungehindert bis zum Vorverstärkereingang. Im leitenden Zustand sollte der Seriewiderstand klein sein (unter 30 Ohm), so dass sein thermisches Rauschen die Gesamtperformance nicht störend beeinflusst und somit einiges unter dem Rauschen des Vorverstärkers ist.
  • Der aktive serielle Schalter ist selbstsperrend während der lonen-Anregungsphase und muss aktiv betätigt werden für die Ionen-Detektion. Der aktive serielle Schalter zeichnet sich in dieser besonderen Ausführung dadurch aus, dass seine Aktivierung mit Hilfe einer optischen Übertragung des Kontrollsignales erfolgt. So werden die Einflüsse der das Signal- zu Rauschverhältnis belastenden parasitären Kapazität (Ciso typisch 0.8 pF) und des parasitären Widerstandes (Riso größer 1 Giga-Ohm), vom Empfangspfad zur Steuerelektronik bzw. Schaltungsmasse, wie sie sonst für jeden Halbleiterschalter mit mehr als zwei Toren bestehen, auf ein Minimum reduziert.
  • Erst der Vorteil eines aktiven seriellen Schalters mit zwei unterschiedlichen Widerstandszuständen für Ionen-Anregung und Ionen-Detektion, ermöglicht auch den Einsatz von Diodenpaaren mit einer sehr kleinen (weniger als 0.2 pF pro Diode) parasitären Parallelkapazität (Fig. 7, 73, einzelne Diode) und einem parasitären Parallelwiderstand (70, einzelne Diode) im Bereich von mehr als 4 Giga-Ohm pro Diode. Typischerweise eignen sich GaAs-PIN Dioden dafür.
  • Die oben beschriebene erfindungsgemäße Lösung eröffnet neue Möglichkeiten um Systeme mit besserer Performance für FT-ICR-Massenspektrometrie Apparaturen zu realisieren.
    1. a) Speziell für ICR-Zellen mit vier Elektroden und mehr ist diese erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft um mit zwei Elektrodenpaaren durch eine geeignete Addition der Ionen-Signale aller Elektroden das Signal- zu Rauschverhältnis weiter zu verbessern. Zusätzlich ist bei ICR-Zellen mit zwei Elektrodenpaaren eine Quadraturdetektion möglich, mit welcher die Spektren von positiven und negativen Ionen separiert werden können (siehe Referenz [8]).
    2. b) Weiter bringt diese erfindungsgemäße Lösung Vorteile beim Harmonischen-Detektionsverfahren zur Steigerung der Frequenzauflösung je nach Art der Kombination der Ionen-Signale kann entweder die das Signal- zu Rauschverhältnis oder die Frequenzauflösung gesteigert werden (siehe Referenzen [8] und [9]).
    3. c) Diese erfindungsgemäße Lösung ist, zusammen mit dem Vorverstärker, außerhalb und auch innerhalb des Vakuums, in unmittelbarer Nähe einer ICR-Zellen Elektrode, einsetzbar. Der Einsatz innerhalb des Vakuums ist besonders interessant, weil auf diese Weise die parasitäre Kapazität der Vakuum-Signaldurchführung (ungefähr 6 pF), durch Weglassung derselben, weiter optimiert und damit das Signal- zu Rauschverhältnis gesteigert werden kann.
    4. d) Diese erfindungsgemäße Lösung ist bei Raumtemperatur und auch bei kryogenen Bedingungen unterhalb von 100K einsetzbar.
  • Natürlich sind weitere nicht beschriebene Variationen möglich, welche durch den Fachmann realisiert werden können.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Fig. 2
    eine prinzipielle schematische Übersicht einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur mit für Anregung und Detektion getrennten Elektroden nach dem Stand der Technik;
    Fign. 3a-c
    eine vergleichende Prinzip Darstellung des konventionellen Detektionsverfahren mit dem Harmonischen-Detektionsverfahren nach dem Stand der Technik;
    Fign. 4a-c
    eine prinzipielle schematische Übersicht einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur mit für Anregung und Detektion gemeinsamen Elektroden nach dem Stand der Technik;
    Fig. 5
    ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild eines Elektrodenpaares einer ICR-Zelle nach dem Stand der Technik;
    Fig. 6
    eine schematische Übersicht einer FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur mit für Anregung und Detektion gemeinsamen Elektroden, wie sie in [2] und [3] publiziert wurde nach dem Stand der Technik; und
    Fig. 7
    ein Niederfrequenz Kleinsignalmodell einer einzelnen Diode nach dem Stand der Technik.
  • Figur 1 veranschaulicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Duplexers 08 mit der ICR-Messzelle 01 für eine FT-ICR-Massenspektrometrie Apparatur, wobei der Duplexer als Bestandteil einer Sende- und Empfangsvorrichtung 09 anzuschauen ist. Diese Ausführungsform des Duplexers ist weiter durch die Verwendung eines PhotoMOS-Relais als aktiver serieller Schalter 07 in Serie zum Vorverstärker gekennzeichnet, der den Vorverstärker, zusammen mit den antiparallelen Diodenpaar 06 vor der lonen-Anregungsspannung schützt und dessen Aktivierung mit Hilfe einer Steuerelektonik 02 erfolgt. Bezugszeichenliste:
    ICR-Messzelle 01
    Steuerelektronik 02
    Verstärker für die Ionen-Anregungsspannung 03
    Vorverstärker für das detektierte Ionen-Empfangssignal 04
    Antiparalleles Diodenpaar für die Übertragung der Ionen-Anregungsspannung 05
    Antiparalleles Diodenpaar zur Spannungsbegrenzung 06
    Aktiver serieller Schalter 07
    Duplexer 08
    Sende- Empfangsvorrichtung 09
    Ableitwiderstand für Elektroden DC Potential 10
    Einzelne Elektrode einer ICR-Zelle 11
    Empfangspfad 12
    Schaltungsmasse 13
    Senderpfad 14
    Z-Achse, axial zur ICR-Messzelle 15
    Ionen-Detektionselektrode 90 Grad 20
    Ionen-Detektionselektrode 270 Grad 21
    Ionen-Anregungselektrode 0 Grad 22
    Ionen-Anregungselektrode 180 Grad 23
    Ionen-Anregungsquelle 30
    Differenzverstärker 31
    Summierer 32
    lonen-Anregungs-/Detektionselektrode 0 Grad 40
    Ionen-Anregungs-/Detektionselektrode 180 Grad 41
    S1: Schaltpfad für Ionen-Anregungsspannung 42
    S2: Schaltpfad für das detektierte Ionen-Empfangssignal 43
    Stromquelle im ICR-Zellen Ersatzschaltbild 50
    Parallelschaltung aus der ICR-Zellenkapazität, Vorverstärkereingangskapazität und parasitären Kapazitäten auf dem Empfangspfad 51
    Parallelschaltung aus Ableitwiderstand für Elektroden DC Potential, Vorverstärker Eingangswiderstand (z.B. durch Speisungszuführung) und parasitären Widerständen auf dem Empfangspfad 52
    Seriekapazität 60
    Parasitäre Parallelkapazität bestehend aus der Dioden-Kapazität und der Vorverstärkereingangskapazität 61
    Parallelwiderstand einer einzelnen Diode verursacht durch Leck Ströme 70
    Bahnwiderstand einer einzelnen Diode 71
    Differentieller Widerstand einer einzelnen Diode 72
    Parallelkapazität einer einzelnen Diode 73
    • Referenzliste
    1. [1] Mathur, R.; Knepper, R. W.; O'Connor, P. B., A Low-Noise, Wideband Preamplifier for a Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer, Journal of the American Society for Mass Spectrometry, December 2007, Volume 18, Issue 12, pp 2233-2241.
    2. [2] Chen, T.; Kaiser, N. K.; Beu, S. C.; Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Excitation and Detection wifh the Same Electrodes for Improved FT-ICR MS Performance, Proc. 60th ASMS Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics, Vancouver, Canada, May 20-24, 2012.
    3. [3] Chen, T.; Kaiser, N. K.; Beu, S. C, Blakney G. T., Quinn J. P., McIntosh, D. G., Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Improving Radial and Axial Uniformity of the Excitation Electric Field in a Closed Dynamically Harmonized FT-ICR Cell, 61 st Amer. Soc. Mass Spectrometry Conf., Minneapolis, MN, June 9-13, 2013.
    4. [4] Dunnivant, F. M., Fourier Transform Ion Cyclotron - Mass Spectrometry, URL http://people.whitman.edu/~dunnivfm/C_MS_Ebook/CH5/5_5_6.html, abgerufen am 24. Juni 2014.
    5. [5] Wikipedia, Relaytypes, Abschnitt Solid-state relay, URL http://en.wikipedia.org/wiki/Relay, abgerufen am 7. Juli 2014.
    6. [6] Wikipedia, Microelectromechanical Systems, URL http://en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems, abgerufen am 17 Juli 2014.
    7. [7] Wikipedia, Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems, URL http://en.wikipedia.org/wiki/Micro-Opto-Electro-Mechanical_Systems, abgerufen am 17 Juli 2014.
    8. [8] Schweikhard, L.; Drader, J. J.; Shi, S.D.-H.; Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Quadrature Detection for the Separation of the Signals of Positive and Negative Ions in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, AIP Conf. Proc. 606, 647-651, 2002
    9. [9] Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L., Fourier transform ion cyclotron resonance detection: principles and experimental configurations, International Journal of Mass Spectrometry 215, 59-75, 2002

Claims (14)

  1. FT-ICR (= Fourier Transform - Ion Cyclotron Resonance)-Massenspektrometer, das eine zylindersymmetrische ICR-Messzelle (01) und eine Sende-Empfangsvorrichtung (09) aufweist, welche einen Duplexer (08) mit einer oder mehreren Halbleiterkomponenten (05, 06, 07) umfasst, mit einem, vorzugsweise supraleitenden, Magneten zur Erzeugung eines Ionen auf Zyklotronbahnen haltenden Magnetfeldes in Richtung einer zur zylindersymmetrischen ICR-Messzelle (01) axialen z-Achse (15), wobei der Duplexer (08) während einer lonen-Anregungsphase die Spannung des Senders (03) über den Senderpfad (14) des Duplexers (08) an mindestens eine Elektrode (11) der ICR-Messzelle (01) überträgt, einen Vorverstärker (04) durch antiparallel geschaltete Dioden (06) vor Überspannung schützt und anderseits während einer Ionen-Detektionsphase ein Ionen-Empfangssignal, nämlich die aus der influenzierten Ladung folgende Spannung derselben Elektrode (11) über den Empfangspfad (12) des Duplexers (08) zum Vorverstärker (04) überträgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Empfangspfad (12) mindestens ein aktiver serieller Schalter (07) als Teil des Duplexers (08) eingesetzt ist, welcher in Serie zum Eingang des Vorverstärkers (04) liegt, durch eine Steuerelektronik (02) aktivierbar ist,
    zwei aktivierbare Zustände mit jeweils unterschiedlichen Serie-Impedanzen aufweist, von denen eine hochohmiger, die andere niederohmiger ist, und welcher das Ionen-Empfangssignal im Empfangsfall durch seine niederohmige Serie-Impedanz über den Empfangspfad (12) verlustarm bzw. möglichst verlustfrei auf den Vorverstärker (04) führt und im Sendefall durch seine hochohmige Serie-Impedanz und durch die antiparallelen Dioden (06) den Vorverstärker (04) schützt.
  2. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende Ausgestaltung des aktiven seriellen Schalters (07) die Serie-Impedanz einen niederohmigen Realteil von weniger als 30 Ohm während der Ionen-Detektionsphase und eine hochohmige Impedanz von mehr als 1 Kilo-Ohm während der Ionen-Anregungsphase aufweist.
  3. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen des Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende Ausgestaltung des aktiven seriellen Schalters (07), während der lonen-Detektionsphase der aktive serielle Schalter (07) eine Kapazität von kleiner als 1.5 pF vom Empfangspfad (12) gegen Schaltungsmasse (13) und gegen die Steuerelektronik (02) und/oder eine Impedanz von mehr als 1 Giga-Ohm vom Empfangspfad (12) gegen Schaltungsmasse (13) und gegen die Steuerelektronik (02) aufweist.
  4. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als aktiver serieller Schalter (07) im Empfangspfad (12) ein optisch steuerbarer Schalter eingesetzt ist.
  5. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende Ausgestaltung des aktiven seriellen Schalters (07) und dessen Implementierung im Duplexer (08) der aktive serielle Schalter (07) ohne Ansteuerung eine hochohmige Impedanz aufweist.
  6. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz des Vorverstärkers (04)
    im Empfangspfad (12) der aktive serielle Schalter (07) in Kombination mit nachfolgend einem oder mehreren die Eingangsspannung des Vorverstärkers (04) begrenzenden Diodenpaaren (06) oder Diodenpaare (06) mit weniger als 0.2 pF pro Diode und/oder Diodenpaare (06), welche Parallelwiderstände im Bereich von mehr als 4 Giga-Ohm pro Diode aufweisen,
    eingesetzt ist.
  7. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter für die Übertragung der Ionen-Anregungsspannung auf die ICR-Messzelle (01), über den Senderpfad (14), Diodenpaare (05) als Teil des Duplexers (08) eingesetzt sind, die
    weniger als 0.2 pF pro Diode.
    und/oder Parallelwiderstände im Bereich von mehr als 4 Giga-Ohm pro Diode
    aufweisen.
  8. Duplexer (08) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Diodenpaar (06) direkt am Eingang des Vorverstärkers (04) GaAs-PIN Dioden zum Vorverstärkerschutz eingesetzt sind.
  9. Duplexer (08) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Diodenpaar (05) für die Übertragung der Ionen-Anregungsspannung auf die ICR-Messzellen-Elektroden GaAs-PIN Dioden eingesetzt sind.
  10. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Elektroden einer ICR-Messzelle (01) mit je einem Duplexer (08) mit einem aktiven seriellen Schalter (07) ausgestattet sind.
  11. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Duplexer (08) sich in unmittelbarer Nähe einer Elektrode innerhalb eines Vakuums der ICR-Messzelle (01) befindet.
  12. Duplexer (08) für die ICR-Messzelle (01) eines FT-ICR-Massenspektrometers nach Anspruch 1, gegebenenfalls mit Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als aktiver serieller Schalter (07)
    im Empfangspfad (12) ein MEMS-Schalter (=microelectromechanical systems)
    oder ein MOEMS-Schalter (=microoptoelectromechanical systems) eingesetzt ist.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Duplexers (08) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Duplexer (08) zusammen mit dem Vorverstärker (04)
    mit entsprechender Ausgestaltung der Halbleiterkomponenten im Duplexer (08) und im Vorverstärker (04)
    bei Raumtemperatur
    oder bei kryogenen Temperaturen unterhalb 100K betrieben wird.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Duplexers (08) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gegebenenfalls mit Merkmalen des Anspruchs 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Duplexer (08)
    zur Steigerung des Signal- zu Rauschverhältnisses durch geeignete Kombination aller durch die Vorverstärker (04) verstärkten lonen-Empfangssignale
    und/oder zur Steigerung der Frequenzauflösung mit dem Harmonisch-Detektionsverfahren durch eine Kombination aller durch die Vorverstärker (04) verstärkten Ionen-Empfangssignale und/oder zur Erkennung von positiven und negativen Ionen mit dem Quadratur-Detektionsverfahren
    verwendet wird.
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