DE-112015002781-B4 - Verfahren zur Kompression eines Ionenstrahls

Abstract

Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie, umfassend: Akkumulation von Ionen in einem Ioneneinfangvolumen (4); Freisetzung von Ionen aus dem loneneinfangvolumen (4) in einen lonentrennbereich (2), der eine Längsachse aufweist, wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) verteilt über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verlassen; Übertragung der Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2), sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen; Kompression der Breite in der ersten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; und Übertragung des komprimierten Ionenstrahls durch eine Auslassöffnung (6), wobei die ursprüngliche Breite des Ionenstrahls in der ersten Richtung größer ist als die Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung, und wobei der Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert wird, sodass, wenn die Ionen die Auslassöffnung (6) erreichen, der Ionenstrahl eine Breite in der ersten Richtung aufweist, die kleiner oder gleich der Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung ist; wobei die Ionen das Ioneneinfangvolumen (4) direkt in einen Bereich verlassen, in dem die Ionen in der ersten Richtung komprimiert werden, sodass die Ionen unmittelbar nachdem sie aus dem Ioneneinfangvolumen (4) austreten, beginnen, in der ersten Richtung komprimiert zu werden.

Inventors

• Kevin Giles
• Jason Lee Wildgoose

Assignees

• MICROMASS UK LIMITED

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20150609

Priority Date

20140610

Claims (17)

1. Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie, umfassend: Akkumulation von Ionen in einem Ioneneinfangvolumen (4); Freisetzung von Ionen aus dem loneneinfangvolumen (4) in einen lonentrennbereich (2), der eine Längsachse aufweist, wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) verteilt über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verlassen; Übertragung der Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2), sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen; Kompression der Breite in der ersten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; und Übertragung des komprimierten Ionenstrahls durch eine Auslassöffnung (6), wobei die ursprüngliche Breite des Ionenstrahls in der ersten Richtung größer ist als die Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung, und wobei der Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert wird, sodass, wenn die Ionen die Auslassöffnung (6) erreichen, der Ionenstrahl eine Breite in der ersten Richtung aufweist, die kleiner oder gleich der Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung ist; wobei die Ionen das Ioneneinfangvolumen (4) direkt in einen Bereich verlassen, in dem die Ionen in der ersten Richtung komprimiert werden, sodass die Ionen unmittelbar nachdem sie aus dem Ioneneinfangvolumen (4) austreten, beginnen, in der ersten Richtung komprimiert zu werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die getrennten Ionen den lonentrennbereich (2) zu unterschiedlichen Austrittszeiten verlassen, und wobei die Austrittszeiten bei der Ermittlung der Werte einer physikalisch-chemischen Eigenschaft der Ionen nicht verwendet werden.
3. Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie, umfassend: Akkumulation von Ionen in einem Ioneneinfangvolumen (4); Freisetzung von Ionen aus dem loneneinfangvolumen (4) in einen lonentrennbereich (2), der eine Längsachse aufweist, wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) verteilt über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verlassen; Übertragung der Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2), sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen; und Kompression der Breite in der ersten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; wobei die getrennten Ionen den lonentrennbereich (2) zu verschiedenen Austrittszeiten verlassen, und wobei die Austrittszeiten bei der Ermittlung der Werte einer physikalisch-chemischen Eigenschaft der Ionen nicht verwendet werden; und wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) direkt in einen Bereich verlassen, in dem die Ionen in der ersten Richtung komprimiert werden, sodass die Ionen unmittelbar nachdem sie aus dem loneneinfangvolumen (4) austreten, beginnen, in der ersten Richtung komprimiert zu werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , wobei die Austrittszeiten nicht zur Ermittlung der lonenmobilität der getrennten Ionen verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionen entlang der Längsachse entsprechend einer lonenmobilität oder einem Masse-Ladungs-Verhältnis getrennt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches das Drängen von Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2) weg von dem loneneinfangvolumen (4) umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Ionen durch HF- und/oder Gleichstrom-Potentialbarrieren in der ersten Richtung komprimiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, soweit abhängig von Anspruch 3 , das ferner die Übertragung des komprimierten Ionenstrahls durch eine Auslassöffnung (6) umfasst, wobei die ursprüngliche Breite des Ionenstrahls in der ersten Richtung größer ist als die Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung, und wobei der Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert wird, sodass, wenn die Ionen die Auslassöffnung (6) erreichen, der Ionenstrahl eine Breite in der ersten Richtung aufweist, die kleiner oder gleich der Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 8 , wobei die Auslassöffnung (6) eine Differenzialpumpenöffnung ist, die in einer Wand, die zwei Bereiche trennt, welche auf unterschiedlichen Drücken gehalten werden, ausgebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 , 8 oder 9 , wobei die Auslassöffnung (6) in einer Wand bereitgestellt ist und eine Vielzahl von Elektroden auf der Wand radial außen von der Auslassöffnung (6) in mindestens der ersten Richtung angeordnet sind, wobei das Verfahren das Anlegen von Gleichstrom- und/oder Wechselstrom-Spannungen an die Elektroden umfasst, um die Ionen in der ersten Richtung zu komprimieren.
11. Verfahren nach Anspruch 10 , das das Anlegen von RF-Potentialen an die Elektroden umfasst, um Ionen zurückzudrängen und zu verhindern, dass sie mit der Wand in Kontakt geraten.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Elektroden eine Vielzahl von Elektroden mit geschlossener Schleife umfassen, die konzentrisch um und radial außen von der Auslassöffnung (6) angeordnet sind.
13. Verfahren nach Anspruch 10 , 11 oder 12 , welches das Anlegen verschiedener Gleichstrom-Spannungen an unterschiedliche Elektroden umfasst, um einen Gleichstrom-Spannungsgradienten zu bilden, der den Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert; und/oder welches das aufeinanderfolgende Anlegen einer oder mehrerer Gleichstrom-Spannungen an aufeinanderfolgende Elektroden in eine Richtung von der radial äußersten Elektrode zu der radial innersten Elektrode umfasst, sodass eine Gleichstrompotentialbarriere radial nach innen zu der Auslassöffnung (6) hin verläuft und den Ionenstrahl radial komprimiert.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) verlassen, das über eine ursprüngliche Breite in einer zweiten Richtung, die orthogonal zur Längsachse und zu der ersten Richtung verläuft, verteilt ist; und wobei das Verfahren die Kompression der Breite in der zweiten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, umfasst, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der zweiten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite in der zweiten Richtung ist, verteilt sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das loneneinfangvolumen (4) und/oder der lonentrennbereich (2) Ionen in einem Volumen eingrenzt, das keinen kreisförmigen, toroidförmigen oder zylinderförmigen Querschnitt aufweist.
16. Massenspektrometer oder lonenmobilitätsspektrometer, umfassend: eine Ionenquelle; ein loneneinfangvolumen (4); einen lonentrennbereich (2), der eine Längsachse aufweist; wobei das loneneinfangvolumen (4) derart ausgestaltet ist, dass die Ionen, die aus dem loneneinfangvolumen (4) austreten, über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verteilt sind; und eine Steuerung, die zur Steuerung des Spektrometers konfiguriert ist, um: Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2) zu übertragen, sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen; und die Breite in der ersten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, zu komprimieren, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; und den komprimierten Ionenstrahl durch eine Auslassöffnung (6) zu übertragen, wobei die ursprüngliche Breite des Ionenstrahls in der ersten Richtung größer ist als die Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung, und wobei der Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert wird, sodass, wenn die Ionen die Auslassöffnung (6) erreichen, der Ionenstrahl eine Breite in der ersten Richtung aufweist, die kleiner oder gleich der Breite der Auslassöffnung (6) in der ersten Richtung ist; wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) direkt in einen Bereich verlassen, in dem die Ionen in der ersten Richtung komprimiert werden, sodass die Ionen unmittelbar nachdem sie aus dem loneneinfangvolumen (4) austreten, beginnen, in der ersten Richtung komprimiert zu werden.
17. Massenspektrometer oder lonenmobilitätsspektrometer, umfassend: eine Ionenquelle; ein loneneinfangvolumen (4); einen lonentrennbereich (2), der eine Längsachse aufweist; wobei das loneneinfangvolumen (4) derart ausgestaltet ist, dass die Ionen, die aus dem loneneinfangvolumen (4) austreten, über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verteilt sind; und eine Steuerung, die zur Steuerung des Spektrometers konfiguriert ist, um: Ionen entlang der Längsachse des lonentrennbereichs (2) zu übertragen, sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen; und die Breite in der ersten Richtung, über die die Ionen verteilt sind, zu komprimieren, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner als die ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; wobei die getrennten Ionen den lonentrennbereich (2) zu verschiedenen Austrittszeiten verlassen und wobei das Spektrometer nicht die Werte einer physikalisch-chemischen Eigenschaft der Ionen aus den Austrittszeiten ermittelt; und wobei die Ionen das loneneinfangvolumen (4) direkt in einen Bereich verlassen, in dem die Ionen in der ersten Richtung komprimiert werden, sodass die Ionen unmittelbar nachdem sie aus dem loneneinfangvolumen (4) austreten, beginnen, in der ersten Richtung komprimiert zu werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der Massenspektrometrie oder Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie, bei dem ein Ionenstrahl in der Breite komprimiert wird. HINTERGRUND Raumladungseffekte können die Leistung von Ionen-Mobilitäts-Spektrometern und Massenspektrometern auf vielfältige Art und Weise einschränken. Eine der häufigsten Einschränkungen ist die Fähigkeit, große lonenpopulationen vor einem Ausstoß oder einer Freisetzung der Ionen in einem stromabwärts gelegenen Analysator in einer Ionenfalle zu akkumulieren. Raumladungseffekte lassen sich in lonenfallen begrenzen, indem die Ionenfalle mit verhältnismäßig großen Abmessungen versehen wird, um ein verhältnismäßig großes Ioneneinfangvolumen bereitzustellen. Um jedoch gleichzeitig Ionen aus einer derartigen Ionenfalle auszustoßen, müssen die Ionen in einem Paket oder Puls, der verhältnismäßig breit ist, ausgestoßen werden. Das lonenpaket muss dann in der Breite gebündelt werden, um durch die verhältnismäßig engen Differenzialpumpenöffnungen, die zwischen Bereichen unterschiedlicher Drücke angeordnet sind, weitergeleitet zu werden. Diese Bündelung komprimiert und konzentriert jedoch das lonenpaket und führt somit erneut zu dem Problem der Raumladungseffekte. Die Druckschrift WO 2013 / 067 366 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung von lonenmobilitätsspektrometrie durch Verwenden eines lonengates basierend auf einer lokalen RF-Feldbarriere. Die Druckschrift WO 2013 / 027 054 A2 betrifft eine Ionenfalle mit räumlich erweitertem Ioneneinfangbereich. Die Druckschrift US 7 723 679 B2 betrifft eine koaxiale Hybrid-Ionenfalle. Es ist wünschenswert, ein verbessertes Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie und ein verbessertes Massenspektrometer oder lonenmobilitätsspektrometer bereitzustellen. KURZDARSTELLUNG Erfindungsgemäß werden Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie und Massenspektrometer oder lonenmobilitätsspektrometer mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt; abhängige Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen. In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren der Massenspektrometrie oder lonenmobilitätsspektrometrie bereit, umfassend:Akkumulation von Ionen in einem Ioneneinfangvolumen;Freisetzung von Ionen aus dem Ioneneinfangvolumen in einen lonentrennbereich, der eine Längsachse aufweist, wobei die Ionen das Ioneneinfangvolumen verteilt über eine ursprüngliche Breite in einer ersten Richtung, die orthogonal zur Längsachse verläuft, verlassen;Übertragung der Ionen entlang einer Längsachse des lonentrennbereichs, sodass die Ionen sich entlang der Längsachse entsprechend einer physikalisch-chemischen Eigenschaft trennen;Kompression der Breite in der ersten Richtung, über welche die Ionen verteilt sind, während die Ionen sich entlang der Längsachse trennen, sodass die Ionen über eine Breite in der ersten Richtung, die kleiner oder gleich der ursprüngliche Breite ist, verteilt sind; undÜbertragung des komprimierten Ionenstrahls durch eine lonenaufnahmeöffnung, wobei die Anfangsbreite des Ionenstrahls in der ersten Richtung größer ist als die Breite der Öffnung in der ersten Richtung, und wobei der Ionenstrahl in der ersten Richtung komprimiert wird, sodass, wenn die Ionen die Öffnung erreichen, der Ionenstrahl eine Breite in der ersten Richtung aufweist, die kleiner oder gleich der Breite der Auslassöffnung in der ersten Richtung ist. Durch die Kompression des Ionenstrahls können die Ionen gebündelt werden, um durch eine verhältnismäßig kleine lonenaufnahmeöffnung weitergeleitet zu werden. Diese Kompression erhöht die Ladungsdichte der Ionen an den Punkten entlang der Längsachse, sodass eine derartige Kompression erfolgt. Die Trennung der Ionen entsprechend der physikalisch-chemischen Eigenschaft entlang der Längsachse senkt jedoch die Ladungsdichte der Ionen an einem beliebigen Punkt entlang der Längsachse und wirkt somit zumindest teilweise der Wirkung der Kompression des Ionenstrahls entgegen. Durch die vorliegende Erfindung ist es daher möglich, Ionen zu bündeln, ohne dass sich die Ladungsdichte und somit die Raumladungseffekte auf unerwünschte Pegel erhöhen. Ionentrichteranordnungen sind zur Kompression von lonenwolken in einen gebündelten Strahl bekannt. Es wurde jedoch bisher noch nicht erkannt, dass Ionen aus großen Ioneneinfangvolumen gebündelt werden können, während Raumladungseffekte durch die Trennung der Ionen vor oder während der Kompression abgeschwächt werden können. Es ist bekannt, einen verhältnismäßig breiten lonenmobilitätsseparator zu verwenden, um Ionen entsprechend ihrer lonenmobilität zu trennen. Es ist ebenfalls bekannt, die Ionen trichterförmig nach unten in einen engeren Ionenstrahl zu bündeln, nachdem die Ionen getrennt wurden, um die getrennten Ionen in eine verhältnismäßig enge, stromabwärts gelegene Vorrichtung zu übertragen. Der Schritt der Trennung der Ionen, um ihre lon