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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine massenspektroskopische Analyse und genauer auf eine Vorrichtung, welche ein mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer (MR-TOF MS) aufweist, und auf ein Verfahren zu dessen Verwendung.
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Massenspektrometrie ist ein wohl anerkanntes Werkzeug der analytischen Chemie, welches zur Identifikation und zur quantitativen Analyse verschiedener Verbindungen und deren Mischungen bzw. Gemische verwendet wird. Die Empfindlichkeit und die Auflösung einer solchen Analyse ist ein wichtiger Belang für die praktische Verwendung. Es wurde wohl erkannt, dass die Auflösung von Flugzeitmassenspektrometer (TOF MS) sich mit der Flugbahn verbessert. Mehrfach reflektierende Flugzeitmassenspektrometer (MR-TOF MS) wurden vorgeschlagen, um die Flugbahn zu verlängern, während eine moderate physikalische Länge beibehalten wird. Die Verwendung von MR-TOF MS wurde möglich nach der Einführung eines elektrostatischen Ionenspiegels mit flugzeitfokussierenden Eigenschaften. Das
US-Patent 4,072,862 , das sowjetische Patent
SU 198034 und
Sov. J. Tech. Phys. 41 (1971) 1498, Mamyrin et. al. offenbaren die Verwendung eines Ionenspiegels zur Verbesserung einer Flugzeitfokussierung hinsichtlich der Ionenenergie. Die Verwendung eines Ionenspielgels verursacht automatisch eine einzelne Faltung der Ionenflugbahn.
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H. Wollnik realisierte ein Potential von Ionenspiegeln zum Implementieren eines mehrfach reflektierenden MR-TOF MS. Das UK-Patent
GB 2080021 schlägt vor, die volle Länge des Instruments zu verringern durch ein Falten der Ionenbahn zwischen mehreren netz- bzw. rasterlosen Spiegeln. Jeder Spiegel ist aus koaxialen Elektroden hergestellt. Zwei Reihen solcher Spiegel sind entweder in der gleichen Ebene angeordnet oder auf zwei gegenüberliegenden parallelen Kreisen (s.
1) platziert. Die Einführung von netzlosen Spiegeln mit einer räumlichen Ionenfokussierung verringert Ionenverluste und hält den Ionenstrahl begrenzt, unabhängig von der Anzahl der Reflexionen (s.
US-Patent 5,017,780 für weitere Details). Die netzlosen Spiegel, welche im UK-Patent
GB 2080021 offenbart sind, stellen auch eine „Unabhängigkeit der Ionenflugzeit von der Ionenenergie” bereit. Zwei Typen von MR-TOF MS sind offenbart:
- (A) ein „Gefalteter Pfad”-Schema, welches äquivalent ist zu einer Kombination von N sequentiellen reflektierenden TOF MS, und bei welchem die Flugbahn entlang einer Bogensägenbahn (1A) gefaltet ist; und
- (B) ein „koaxial reflektierendes” Schema, welches mehrfache Ionenreflexionen zwischen zwei axial ausgerichteten Spiegeln unter Verwendung einer gepulsten Ionenaufnahme und – abgabe einsetzt (1B).
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Das „koaxial reflektierende” Schema wird auch von H. Wollnik et. al. in Mass Spec. Rev. 1993, 12, S. 109 beschrieben und ist in der Arbeit, welche in Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 227 (2003) 217 publiziert ist, implementiert. Eine Auflösung von 50.000 wird nach 50 Wenden in einem TOF-MS einer moderaten Größe (30 cm) erreicht. Netzlose und räumlich fokussierende Ionenspiegel erhalten Ionen von Interesse (Verluste sind unter einem Faktor von 2), obwohl der Massenbereich proportional mit einer Anzahl von Zyklen schrumpft.
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MR-TOF MS Massenspektrometer wurden auch unter Verwendung von Sektorfeldern anstelle von Ionenspiegeln (Toyoda et. al. J. Mass Spectrometry, 38 (2003), 1125; Satoh et. al. J. Am. Soc. Mass Spectrom., 16 (2005), (1969) ausgebildet. Diese Massenanalysatoren jedoch stellen im Gegensatz zu denen, welche auf Ionenspiegeln basiert sind, nur eine Fokussierung der Energie erster Ordnung der Flugzeit zur Verfügung.
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Das sowjetische Patent mit der Nr.
SU 1725289 von Nazarenko et. al. (1989) führt ein erweitertes Schema eines MR-TOF MS mit gefaltetem Pfad ein, welches zweidimensionale netzlose Spiegel verwendet. Das MR-TOF MS weist zwei identische Spiegel auf, welche aus Balken gebildet sind, welche parallel und symmetrisch hinsichtlich der Mittelebene zwischen den Spiegeln und auch zu der Ebene der gefalteten Ionenbahn (s.
2) sind. Die Spiegelgeometrie und Potentiale sind angeordnet, um den Ionenstrahl räumlich über die Ebene der gefalteten Ionenbahn zu fokussieren und um eine Flugzeitfokussierung zweiter Ordnung hinsichtlich der Ionenenergie bereitzustellen. Die Ionen erfahren mehrfache Reflexionen zwischen ebenen Spiegeln, während sie langsam in Richtung des Detektors in einer sog. Verschiebe- bzw. Driftrichtung (die Z-Achse in
2) driften. Die Anzahl von Zyklen und die Auflösung werden durch Verändern eines Ioneninjektionswinkels angepasst. Das Schema erlaubt die Aufrechterhaltung eines vollen Massenbereiches während es die Flugbahn erweitert.
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Das planare Massenspektrometer nach Nazareko stellt jedoch keine Ionenfokussierung in der Driftrichtung bereit, wodurch die Anzahl von Reflexionszyklen wesentlich eingeschränkt wird. Außerdem stellen die Ionenspielgel, welche in dem Prototyp verwendet werden, keine Flugzeitfokussierung hinsichtlich einer räumlichen Ionenausbreitung entlang der Ebene des gefalteten Ionenpfades bzw. der gefalteten Ionenbahn bereit, so dass eine Verwendung von divergierenden oder weiten Strahlen tatsächlich die Flugzeitauflösung verderben bzw. vernichten würde, und eine Verlängerung der Flugbahn zwecklos machen würde.
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In der Anmeldung mit der Seriennummer 10/561,775, eingereicht am 20. Dezember 2005 und betitelt „mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer und Verfahren zur Verwendung” wird das planare Schema des mehrfach reflektierenden Massenspektrometers verbessert durch:
- a) Einführen eines Ionenspiegels, welcher eine räumliche Fokussierung in der vertikalen Richtung, eine räumliche und eine energetische Fokussierung hoher Ordnung bereitstellt, während er isochron bzw. zeitgleich zu einer hohen Ordnung räumlicher und energetischer Aberrationen verbleibt;
- b) Einführen eines Satzes von periodischen Linsen in den feldfreien Bereich, wo solch ein Linsensystem Ionenpakete entlang des Haupt-Bogensägen-Ionenpfades bzw. der Haupt-Bogensägen-Ionenbahn hält; und
- c) Einführen von Enddeflektoren bzw. Endablenkungsvorrichtungen, welche eine weitere Erweiterung der Ionenflugbahn durch ein Umkehren der Ionenbewegung in der Driftrichtung erlauben.
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Weitere Verbesserungen von planaren mehrfach reflektierenden MR-TOF MS wurden in den folgenden Anmeldungen durch die Erfinder getätigt:
WO 2006102430 ,
WO2007044696 ,
WO2003US13262 und
WO2004008481 .
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Diese Anmeldungen beschreiben mehrfach gepulste Ionenquellen, welche verschiedene Schemata von Ionenansammlung und Umwandlung von einem kontinuierlichen Ionenstrahl in kurze Ionenpakete aufweisen. Die
WO2006102430 schlägt eine gebogene isochrone bzw. zeitgleiche bzw. gleich beabstandete Schnittstelle zur Ioneninjektion von externen gepulsten Ionenquellen in den Analysator vor. Die Schnittstelle bzw. das Interface erlaubt ein Umgehen von randeingeschnürten Feldern des Analysators und verbessert auf diesem Wege die Auflösung des Instruments. Die gebogene Schnittstelle ist kompatibel mit Ionenfallen-Quellen und mit dem gepulsten Konverter, welcher auf einer orthogonalen Ionenbeschleunigung basiert.
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Die
WO2007044696 schlägt eine sog. doppelt orthogonale Injektion von Ionen in das MR-TOF vor. Berücksichtigend, dass der MR-TOF Analysator viel toleranter auf die vertikale Y-Ausbreitung bzw. Ausdehnung von Ionenpaketen ist, ist ein kontinuierlicher Ionenstrahl nahezu oktogonal zu der Ebene der Bogensägenionenbahn im MR-TOF orientiert. Der Beschleuniger ist leicht geneigt und Ionenpakete werden nach der Beschleunigung derart gelenkt bzw. gesteuert, dass sie gegenseitig das Neigen und Steuern kompensieren.
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Die
WO2003US13262 und die
WO20048481 wenden einen MR-TOF Analysator auf verschiedene Tandems von TOF MS an. Ein Schema wendet eine langsame Abtrennung von Eltern-Ionen in dem ersten MR-TOF und eine schnelle Analyse von Fragmentionen in dem zweiten kurzen TOF MS an, um eine sog. parallele MS-MS-Analyse für mehrfache Eltern-Ionen innerhalb eines Schusses der gepulten Ionenquelle durchzuführen.
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Die Anmeldung
WO2004US19593 wird als Prototyp der vorliegenden Erfindung angesehen, da sie eine „gefaltete Pfad” MR-TOF MS mit planaren netzlosen Spiegeln einsetzt, welche räumliche und flugzeitfokussierende Eigenschaften haben.
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Während der Implementierung planarer mehrfach reflektierender Massenspektrometer fanden die Erfinder heraus, dass das System von periodischen Linsen im Allgemeinen mit einer Ioneninjektionsschnittstelle und gepulsten Ionenquellen inteferiert bzw. auf diese störend einwirkt. Das Linsensystem setzt auch die Hauptbegrenzung der Akzeptanz des Analysators. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit und Auflösung von mehrfach reflektierenden Massenspektrometern zu verbessern sowie auch die Einfachheit ihrer Herstellung zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder haben realisiert, dass die Akzeptanz und die Auflösung von MR-TOF MS mit im Wesentlichen zweidimensionalen planaren Spiegeln durch Einführung einer periodischen räumlichen Modulation des elektrostratischen Feldes von Ionenspiegeln in der Driftrichtung weiterhin verbessert werden kann. Wenn das Feld der Ionenspiegel nahezu planar verbleibt, wird ein Spektrometer, in welchem eine kleine periodische Modulation zu dem Spiegelfeld hinzugefügt wird, quasi-planar genannt.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein mehrfachreflektierendes Flugzeitmassenspektrometer, welches eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
- – zwei quasiplanare elektrostatische Ionenspiegel, welche entlang einer Driftrichtung (Z) erstreckt sind und aus parallelen Elektroden gebildet sind, wobei die Spiegel durch einen feldfreien Bereich getrennt sind;
- – eine gepulste Ionenquelle zum Abgeben von Ionenpaketen unter einem kleinen Winkel zu der X-Richtung, welche orthogonal zu der Driftrichtung Z ist, derart, dass Ionenpakete zwischen Ionenspiegeln reflektiert werden, und entlang der Driftrichtung driften;
- – ein Empfänger, um Ionenpakete zu empfangen;
- – die Spiegel derart angeordnet sind, dass sie eine Flugzeitfokussierung auf dem Empfänger zur Verfügung stellen;
- – die Spiegel derart angeordnet sind, dass sie eine räumliche Fokussierung in der Y-Richtung, welche sowohl zu der Driftrichtung Z, als auch zu der Ioneninjektionsrichtung X orthogonal ist, bereitstellen, wobei wenigstens ein Spiegel ein periodisches Merkmal der Bereitstellung einer Modulation eines elektrostatischen Feldes entlang der Drift-Z-Richtung hat, zum Zwecke der periodischen räumlichen Fokussierung von Ionenpaketen in der Z-Richtung.
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Wie durch die Erfinder in der
WO2004US19593 beschrieben, weisen Ionenspiegel vorzugsweise wenigstens vier Elektroden auf, wobei wenigstens eine Elektrode ein anziehendes Potential hat, um eine Flugzeitfokussierung und die räumliche Fokussierung in Y-Richtung bereitzustellen. Die Vorrichtung enthält bzw. inkorporiert optional die früher in der WO2004US19593 beschriebenen Merkmale eines planaren mehrfach reflektierenden Massenspektrometers wie z. B.:
- – wenigstens zwei Linsen in dem feldfreien Bereich,
- – einen Enddeflektor zum Umkehren der Ionenbahn in der Driftrichtung,
- – wenigstens eine isochrone gebogene Schnittstelle zwischen der gepulsten Ionenquelle und dem Empfänger.
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Die periodische Modulation des elektrostatischen Feldes in der Z-Richtung innerhalb des Ionenspiegels wird erreicht durch:
- – Integrieren bzw. Inkorporieren von wenigstens einer Hilfselektrode mit einer Z-periodischen geometrischen Struktur in wenigstens eine Spiegelelektrode, wobei ein einstellbares bzw. abstimmbares Potential an diese Elektrode angelegt wird, oder eines Satzes von Elektroden, um die Stärke der Modulation in der Z-Richtung anzupassen;
- – Herstellen eines Satzes von periodischen Schlitzen in wenigstens einer der Spiegelelektroden, während eine zusätzliche Elektrode hinzugefügt wird, deren Feld durch diese Schlitz hindurchtritt;
- – Einführen wenigstens einer Hilfselektrode, welche eine Z-periodische geometrische Struktur hat, zwischen die Spiegelelektroden;
- – Modifizieren der Geometrie wenigstens einer Spiegelelektrode derart, dass die Elektrodenöffnung periodisch (mit Z) in der Höhe (Y-Richtung) variiert bzw. verändert wird, oder die Elektrode periodisch in ihrer Breite (entlang der X-Richtung) variiert wird;
- – Integrieren bzw. Inkorporieren eines Satzes von periodischen Linsen in die interne Elektrode wenigstens eines Ionenspiegels oder zwischen Spiegelelektroden;
- – Viele andere Wege der Feldmodulation sind möglich. Lösungen mit einer anpassbaren Stärke einer Z-periodischen Modulation werden Lösungen mit einer festen geometrischen Modulation vorgezogen.
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Das Spektrometer enthält vorzugsweise auch Merkmale, welche früher in den Patentanmeldungen
WO2004US19593 ,
WO2006102430 ,
WO2007044696 ,
WO2003US13262 und
WO2004008481 beschrieben worden sind, wobei die Offenbarung dieser Anmeldungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen bzw. inkorporiert ist.
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Das bevorzugte Verfahren der Flugzeitanalyse der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
- – Bilden von Paketen von analysierten Ionen;
- – Durchführen von Ionen zwischen zwei parallelen und quasi-planaren Ionenspiegeln, welche entlang der Drift-Z-Richtung erstreckt sind, während eines Beibehaltens einer relativ geringen Geschwindigkeitskomponente der Ionenpakete entlang der Z-Richtung derart, dass die Ionen sich entlang einer Bogensägenionenbahn bzw. Bogensägenionenflugbahn bewegen;
- – Empfangen der Ionen an einem Empfänger;
- – Bilden eines elektrostatischen Feldes mit den Ionenspiegeln derart, dass Ionen zeitlich fokussiert werden und räumlich in eine Richtung Y fokussiert werden, wobei dieses Feld periodisch in Z-Richtung innerhalb wenigstens eines Spiegels räumlich moduliert wird, um für eine räumliche Fokussierung von Ionenpaketen entlang der Z-Richtung zu sorgen.
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Das Verfahren weist weiterhin optional die Schritte auf, welche in der
WO2004US19593 beschrieben sind, nämlich:
- – Räumliches Fokussieren von Ionenpaketen innerhalb eines Driftraumes zwischen Ionenspiegeln durch wenigstens zwei Linsen; Umkehren der Richtung der Ionendrift an den Rändern des Analysators;
- – Ioneninjektion über eine gebogene isochrone Schnittstelle.
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Ein Schritt des periodischen Modulierens des elektrostatischen Feldes innerhalb wenigstens eines Ionenspiegels weist eines der folgenden auf:
- – Räumliche Modulation der Form wenigstens einer Spiegelelektrode, oder
- – Einführung eines periodischen Feldes durch die Integration von Hilfselektroden, wobei die Stärke der periodischen Fokussierung vorzugsweise einstellbar bzw. regelbar ist.
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Die Periode der Modulation ist vorzugsweise gleich NΔZ/2 oder NΔZ, wobei N eine ganze Zahl ist und ΔZ. ein Ionenbahnfortschritt in der Driftrichtung pro Reflexion an einem Spiegel ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Empfindlichkeit und die Auflösung von mehrfach reflektierenden Massenspektrometern (MR MS) verbessert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung eines MR MS erleichtert.
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Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden von Fachleuten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen weiter verstanden und anerkannt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1A und 1B zeigen ein MR-TOF MS gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt ein planares MR-TOF MS gemäß dem Stand der Technik;
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3 ist eine schematische Ansicht eines planaren MR-TOF MS mit periodischen Linsen gemäß dem Stand der Technik;
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4A ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines quasi-planaren Ionenspiegels mit einer räumlichen Feldmodulation, welche durch eine Maskenelektrode erreicht wird, welche zwischen zwei Spiegelelektroden platziert ist;
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4B ist eine Seitenansicht bzw. Seiten-Aufrissansicht der Hilfselektrode, welche in 4A gezeigt ist;
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4C ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines quasi-planaren Ionenspiegels mit einer räumlichen Feldmodulation, welche durch eine Maskenelektrode, welche zwischen zwei Spiegelelektroden platziert ist, erreicht wird;
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4D ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines quasi-planaren TOF MS mit einer stabilen Beschränkung bzw. Eingrenzung eines schmalen Ionenstrahls mit einer umkehrenden Z-Richtung von Ionen durch einen Enddeflektor;
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5 ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des quasi-planaren TOF MS mit umkehrender Z-Richtung von Ionen durch ein ablenkendes bzw. deflektierendes Feld, welches durch Maskenelektroden erzeugt wird, welche in verschiedene Teile mit verschiedenen Potentialen aufgeteilt sind;
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6A ist eine Draufsicht, welche einen anfänglich parallelen Ionenstrahl, welcher durch einen orthogonalen Beschleuniger erzeugt wird und in der Z-Richtung ausgedehnt ist, in einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines quasi-planaren TOF MS mit einer Z-Fokussierung von Ionenbündeln bzw. Ionenhaufen mit der Hilfe einer periodischen Maskenelektrode, welche in einem Ionenspiegel eingebettet ist, veranschaulicht;
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6B ist eine Draufsicht, welche den Transport eines Ionenstrahls, welcher durch einen orthogonalen Beschleuniger erzeugt ist, in der Z-Richtung ausgedehnt ist und eine realistische Winkel- und Energieverteilung hat, in einem quasi-planaren TOF MS mit einer Z-Fokussierung von Ionenbündeln bzw. Ionenhaufen mit Hilfe einer periodischen Maskenelektrode, welche in einem Ionenspiegel eingebettet ist, veranschaulicht;
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7A ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines quasi-planaren MR-TOF MS der Erfindung, wobei Linsen, welche durch zusätzliche Elektroden gebildet sind, in Ionenspiegelelektroden integriert bzw. inkorporiert sind, und die Periode bzw. Zeitdauer einer halben Periode oder einer halben Zeitdauer der Ionenbogensägenbewegung haben;
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7B ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines quasi-planaren MR-TOF MS der Erfindung, wobei Linsen, welche durch zusätzliche Elektroden gebildet werden, in eine Ionenspiegelelektrode integriert bzw. inkorporiert sind, und die Periode einer Viertel-Periode der Ionenbogensägenbewegung haben;
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8A ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, in welcher ein Satz von periodischen Linsen innerhalb des feldfreien Bereiches hinzugefügt ist, um eine Ionenfokussierung in der Z-Richtung weiter zu erhöhen, welche durch zusätzliche Elektroden bereitgestellt wird, welche zwischen den Spiegelelektroden platziert sind;
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8B ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, in welcher ein Satz von periodischen Linsen innerhalb des feldfreien Bereiches hinzugefügt ist, um die Ionenfokussierung in Z-Richtung weiter zu erhöhen, welche durch zusätzliche Elektroden bereitgestellt wird, welche in den Spiegelelektroden implementiert sind;
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9A ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, in welcher das modulierende elektrostatische Feld des Ionenspiegels durch eine geometrische Modulation wenigstens einer Spiegelelektrode erreicht wird;
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Die 9B und 9C sind schematische Ansichten, welche die Modulation des elektrischen Feldes durch eine periodische Änderung der Elektrodendicke (9B) und durch eine periodische Änderung der Fensterhöhe (9C) zeigen; und
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10 ist eine schematische Darstellung, welche ein System mit einer externen Ionenquelle, welche aus einer Ionenfalle und einer externen Kollisionszelle gefertigt ist, gefolgt von einem zweiten TOF Massenanalysator zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der massenspektroskopischen Analyse und genauer ist sie mit einer Vorrichtung beschäftigt, welche ein mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer (MR TOF MS) aufweist. Besonders verbessert die Erfindung die Auflösung und Empfindlichkeit eines planaren und netzlosen MR-TOF MS durch Integrieren bzw. Inkorporieren einer leichten periodischen Modulation des elektrostatischen Feldes des Spiegels. Aufgrund einer verbesserten räumlichen und zeitlichen Fokussierung hat das MR-TOF MS der Erfindung eine größere Akzeptanz und eine vertrauensvollere Begrenzung des Ionenstrahls entlang einer ausgedehnten gefalteten Ionenbahn. Als ein Ergebnis kann das MR-TOF MS der Erfindung effizient mit kontinuierlichen Ionenquellen über eine Ionenspeichereinrichtung verbunden werden, wodurch Arbeitszyklen von Ionenabtastung gespart werden.
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Die
1A und
1B zeigen ein mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer (MR-TOF MS) des Standes der Technik durch Wollnick et al.,
GB-Patent Nr. 2080021 (
3 und
4 des GB-Patents). In einem Flugzeitmassenspektrometer werden Ionen verschiedener Masse und Energien durch eine Quelle
12 emittiert. Die Flugbahn der Ionen zu einem Kollektor
20 ist durch eine Anordnung für mehrfache Reflexionen der Ionen durch Spiegel R1, R2, ... Rn gefaltet. Die Spiegel sind derart, dass die Ionenflugzeit unabhängig von der Ionenenergie ist. Die
1A und
1B zeigen zwei geometrische Anordnungen von mehrfach axial symmetrischen Ionenspiegeln. In beiden Anordnungen sind Ionenspiegel in zwei parallelen Ebenen I und II platziert und entlang der Oberfläche der Ionenbahn angeordnet. In einer Anordnung ist diese Oberfläche eine Ebene (
1A) und in einer anderen ist sie ein Zylinder
22 (
1B). Man beachte, dass sich Ionen unter einem Winkel zu der optischen Achse der Ionenspiegel bewegen, was eine zusätzliche Flugzeitaberration einführt und demnach das Erreichen einer hohen Auflösung deutlich verkompliziert.
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2 zeigt ein „gefaltetes Pfad”-MR-TOF MS eines Prototyps nach Nazarenko et. al., beschrieben im russischen Patent
SU 1725289 . Das MR-TOF MS weist zwei netzlose elektrostatische Spiegel auf, wovon jeder aus drei Elektroden
3,
4 und
5 für den einen Spiegel und
6,
7 und
8 für den anderen Spiegel aufgebaut ist. Jede Elektrode ist aus einem Paar von parallelen Platten „a” und „b” symmetrisch hinsichtlich der zentralen Ebene XZ gefertigt. Eine Quelle
1 und ein Empfänger
2 sind in dem Driftraum zwischen den Ionenspiegeln platziert. Die Spiegel stellen mehrfache Ionenreflexionen bereit bzw. sorgen für mehrfache Ionenreflexionen. Die Anzahl der Reflexionen wird durch ein Bewegen der Ionenquelle entlang der X-Achse relativ zu dem Detektor angepasst. Das Patent beschreibt einen Typ des Ionenfokussierens, welcher bei jeder Ionenwende erreicht wird, welcher eine räumliche Ionenfokussierung in der Y-Richtung und eine Flugzeitfokussierung zweiter Ordnung hinsichtlich der Ionenenergie erreicht.
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Man beachte, dass der Aufbau der 2 keine Ionenfokussierung in der Verschieberichtung (d. h. Z-Achse) bereitstellt, wodurch die Anzahl von Reflexionszyklen wesentlich beschränkt wird. Sie stellt auch keine Flugzeitfokussierung hinsichtlich einer räumlichen Ionenverteilung in der Y-Richtung zur Verfügung. Demzufolge verpasst es das MR-TOF MS des Prototyps eine weite Akzeptanz des Analysators zu liefern und demnach eine Möglichkeit, mit realen Ionenquellen zu arbeiten.
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3 ist eine schematische Ansicht eines planaren MR-TOF MS mit periodischen Linsen gemäß dem Stand der Technik von den Erfindern der vorliegenden Erfindung. Das Spektrometer weist zwei parallele und planare Ionenspiegel auf. Jeder Spiegel ist aus vier Elektroden 11 gebildet, welche eine Form von rechtwinkligen Rahmen haben, welche im Wesentlichen in der Drift-Z-Richtung ausgedehnt sind. Weit entfernt von den Spiegel Z-Rändern ist das elektrische Feld planar, d. h. hängt von X und Y ab und ist unabhängig von Z. Die Spiegel sind durch einen feldfreien Bereich 13 getrennt. Ein Satz periodischer Linsen 15 ist innerhalb des feldfreien Bereiches platziert. Ionenpulse werden von einer Quelle 1 unter einem kleinen Winkel α zu der X-Achse ausgestoßen. Ionenpakete werden zwischen Spiegeln reflektiert während sie langsam in Z-Richtung driften. Der Winkel ist derart ausgewählt, dass das Voranschreiten in Z-Richtung per Reflexion mit der Periode der periodischen Linse zusammenfällt. Die Linse erzwingt eine Ionenbewegung entlang der Bogensägenbahn. End-Deflektoren 17 erlauben ein Umkehren der Ionenbewegung. Der am entfernten Ende angeordnete Deflektor ist statisch gewählt. Nach einem Durchlaufen des Deflektors werden die Ionen entlang einer anderen Bogensägenbahn in Richtung des Ionenempfängers 2 geleitet, im Allgemeinen ein Flugzeitdetektor, wie beispielsweise Mikrokanalplatten (MCP, microchannel plates) oder Sekundärelektronen Multiplier (SEM, secondary electron multiplier).
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines quasi-planaren MR-TOF MS der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist eine periodische Feldstruktur in der Z-Richtung durch Hilfselektroden 30 mit periodischen Fenstern 31 (hier auch als Maskenfenster bezeichnet) gebildet, welche zwischen zwei benachbarten Spiegelelektroden 32 und 34 platziert sind, wie in den 4A bis 4C gezeigt ist. Die Y-Höhe des Maskenfensters 31 ist vorzugsweise gleich zu der Y-Öffnung der Spiegelelektroden. Der Abstand der Maskenfenster 31 in der Z-Richtung ist gleich dem ΔZ-Ionen-Voranschreiten pro einer Spiegelreflexion und ist vergleichbar zu der Y-Öffnung der Ionenspiegel. Das Potential, welches an die Maskenelektroden angelegt wird, ist geringfügig unterschiedlich verglichen zu dem mittleren Potential zwischen zwei benachbarten Spiegelelektroden, so dass ein schwaches periodisches fokussierendes Feld in Z-Richtung erzeugt wird. 4C zeigt Bahnen bzw. Flugbahnen von Ionen mit realistischer Winkel (0,4°) und Energie-Verteilung (5%).
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Im Betrieb (
4D) werden schmale Ionenbündel in der Z-Richtung durch einen pulsierten Ionenumwandler wie eine lineare Ionenfallenquelle oder eine doppelt orthogonale Injektionseinrichtung (
WO2007044696 , deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingebunden ist) gebildet. Die letztere bildet Ionenpakete, welche in der Y-Richtung erstreckt sind, welche jedoch in der Z-Richtung schmal sind. Diese Ionenbündel werden in den Flugzeitanalysator mit der Hilfe eines Satzes von Deflektoren bzw. Ablenkelementen oder einer gekrümmten isochronen Schnittstelle injiziert, wie beispielsweise in der
WO 2006102430 offenbart ist, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingebunden ist. Die Pakete werden innerhalb der Zeichenebene und unter einem kleinen Winkel zu der Achse X ausgestoßen, derart, dass das Voranschreiten der Ionen ΔZ pro einer Reflexion in dem Spiegel mit der Periode. der räumlichen Modulation des elektrischen Feldes in dem Ionenspiegel zusammenfallt. Innerhalb des Analyators bewegen sich die Ionen entlang bogensägenartiger Flugbahnen, welche periodisch durch die Ionenspiegel
34 reflektiert werden, welche für eine Zeitfokussierung wie auch für eine räumliche Fokussierung in der Y-Richtung sorgen. Beim Durchtreten von Maskenelektroden
30 werden die Ionen durch ein periodisches Feld in der Z-Richtung fokussiert. Die vorzugsweise fokale Länge der Maskenelektrodenlinsen in X-Richtung ist gleich einer halben Periode der Bogensägenbewegung. Nach dem Erreichen des Endes des Analysators werden Ionen vorzugsweise entweder durch einen Deflektor, wie er in der
WO2004US19593 offenbart ist, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingebunden ist, umgedreht. Alternativ wird die Driftrichtung der Ionenpakete durch einen Deflektor umgedreht, welcher in dem Ionenspiegel, wie unten stehend beschrieben, integriert bzw. inkorporiert ist. Die Ionen werden nach dem Durchtreten des Analysators (vorwärts und zurück in Z-Richtung) auf den Detektor oder einen anderen Empfänger mit der Hilfe eines Satzes von Deflektoren oder einer gekrümmten isochronen Schnittstelle ausgestoßen.
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5 zeigt einen alternativen Weg des Reflektierens eines Ions in der Z-Richtung nach dem Erreichen des entfernten Endes (in Z-Richtung) des Anlysators. Die Ionenspiegelstruktur der Ausführungsform gemäß 5 ist im Allgemeinen ähnlich zu der Ausführungsform der 4A bis 4C mit dem folgenden anzumerkenden Unterschied. Eine Reflexion wird durchgeführt durch ein schwaches deflektierendes Feld, welches durch das Endmaskenfenster 40 erzeugt wird, welches in zwei Teile 41, 42 mit einem unterschiedlichen Potenzial aufgeteilt ist, welches an dem Endteil des Fensters angelegt ist. Im Allgemeinen ermöglicht das Schneiden der Maske in mehrere Teile und das Anlegen geringfügig verschiedenen Potenzials in diese Teile, den Driftwinkel innerhalb des Analysators graduell zu ändern.
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Die 6A und 6B zeigen eine andere Option für eine bevorzugte Ausführungsform, wobei der Analysator Ionenpakete toleriert, welche in der Z-Richtung lang sind. Wiederum wird eine Ionenfokussierung in der Z-Richtung durch die Hilfselektroden 50 mit periodischen Fenstern 51 durchgeführt. In diesem Fall jedoch ist die Größe der Maskenfenster 51 wesentlich größer im Vergleich zu dem Y-Fenster der Spiegelelektroden. Ionenbündel, welche in der Z-Richtung ausgedehnt sind, werden durch einen orthogonalen Beschleuniger, welcher zwischen den Spiegeln positioniert ist, gebildet. Nach der Beschleunigung bewegen sich Ionenpakete entlang des Bogensägenpfads. Bevorzugt ist die Maske nur innerhalb eines Spiegels implementiert, und die Stufe bzw. Schrittweite des Maskenfensters ist gleich der Periode 2ΔZ der Ionenbewegung in Z-Richtung, wie in 6 gezeigt ist. Alternativ sind Masken an beiden Spiegeln implementiert, wie in 4 gezeigt ist, und die Position der Fenster in der Maske in gegenüberliegenden Spiegeln wird in der Z-Richtung um ΔZ verschoben. Nach Durchtreten des Analysators werden die Ionen durch einen Detektor 54 empfangen. Das Potential an der Maske (den Masken) ist vorzugsweise eingestellt, um den anfänglich parallelen monoenergetischen Ionenstrahl nach mehreren Reflexionen wie beispielsweise zur Hälfte der Flugbahnlänge, wie in 6A gezeigt ist, zu gewährleisten. Die optimale Anpassung des Potentials schließt einen Kompromiss hinsichtlich geringen Flugzeit-Aberrationen, welche durch die Maske verursacht werden und einer Eingrenzung von Ionen mit einer realistischen Winkel- und Energieverteilung entlang des gesamten Flugpfades bzw. der gesamten Flugbahn, wie in 6B gezeigt ist.
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7A zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines quasi-planaren MR TOF MS der vorliegenden Erfindung, wobei periodische Linsen 60 durch zusätzliche Elektroden gebildet werden, welche in den Ionenspiegelelektroden integriert bzw. inkorporiert sind, hier in den internen Elektroden, in der Nähe von feldfreien Bereichen. Die Linsenperiode in 7A ist gleich der halben Periode der Ionenbogensägenbewegung (eine Linse pro Reflexion). Alternativ kann, wie in 7B gezeigt, die Periode der Linse 62 gleich einem Viertel der Periode der Ionendrahtsägenbewegung (zwei Linsen pro Reflexion) sein.
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8 zeigt eine andere Ausführungsform, in welcher ein Satz von periodischen Linsen 70 innerhalb des feldfreien Bereiches hinzugefügt ist, um die Ionenfokussierung in der Z-Richtung weiter zu erhöhen, welche durch zusätzliche Elektroden, welche entweder zwischen Spiegelelektroden, wie in 8A gezeigt ist, oder in den Spiegelelektroden 72, wie in 8 B gezeigt ist, implementiert sind. Der Satz von periodischen Linsen in dem feldfreien Bereich kann durch einen Satz von Strahl-beschränkenden Masken ersetzt werden, welche ein Treffen des Detektors durch Ionen, welche zufällig durch periodische Felder von quasi-planaren-Spiegeln unterfokussiert oder überfokussiert sind, und demnach nach einer unterschiedlichen Anzahl von Reflexionen zu dem Detektor gelangen, zu verhindern.
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9A zeigt eine andere Ausführungsform, in welcher ein modulierendes elektrostatisches Feld des Ionenspiegels durch eine geometrische Modulation von wenigstens einer Spiegelelektrode erreicht wird. 9B zeigt die Modulation des elektrischen Feldes durch eine periodische Veränderung der Elektrodendicke. 9C zeigt eine Modulation des elektrischen Feldes durch eine periodische Änderung einer Fensterhöhe. Da die Potentiale der Elektroden fest sind, um die beste Fokussierung der Flugzeit und die beste räumlich Fokussierung bereitzustellen, verursacht die geometrische Modulation eine feste Stärke der Ionen fokussierung in der Z-Richtung für jede gewählte geometrische Modulation. Die Stärke der Modulation sollte gewählt werden als ein Kompromiss zwischen der Akzeptanz und der Auflösung des Analysators.
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10 zeigt eine Anordnung mit einer externen Ionenquelle, welche aus einer Ionenfalle
80 und mit einer externen Kollisionszelle gefolgt von einem zweiten TF Massenanalysator
90 aufgebaut ist. Die externen Einrichtungen sind mit einem MRT über eine isochrone gebogene Schnittstelle
85 gekoppelt. Derartige Anordnungen von Tandem TOF-Instrumenten sind in den Anmeldungen
WO2003US13262 und
WO 2004008481 beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt verschiedene unterschiedliche Setups, welche in früheren Anmeldungen durch die vorliegenden Erfinder beschrieben wurden. Ein Ein-Stufen TOF MS wendet eine Ionenfalle zum Ansammeln von Ionen, welche von kontinuierlichen Ionenquellen kommen, an. Ionenpakete werden in den Analysator über eine gekrümmte Feldschnittstelle 85 ausgestoßen. Nach zweifachem Durchschreiten (nach vorne und nach hinten) des Analysators durchlaufen die Ionen den zweiten Schenkel der isochronen Schnittstelle und prallen auf einen gemeinsamen TOF Detektor (in der Zeichnung nicht gezeigt) auf.
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In dem Fall des Betriebes des Instruments als ein Hochdurchsatz-Tandemmassenspektrometer wird der Detektor durch eine Schnellkollisionszelle ersetzt, gefolgt von einem schnellen zweiten TOF-Spektrometer. Während Elternionen in der Zeit in dem MR-TOF MS getrennt werden, werden die Fragmente schnell gebildet und für jede Ionenspezies in einer Zeit analysiert. Dies ermöglicht eine so genannte parallele MS-MS-Analyse für mehrere Elternionen ohne eine Einführung zusätzlicher Ionenverluste, welche im Allgemeinen mit dem Scannen in anderen Typen von Tandeminstrumenten in Bezug stehen.
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Im Falle des Betriebes des Instruments als ein Hochauflösungstandem, werden Ionen periodisch von der axialen Falle in den MRT-Analysator ausgestoßen. Eine einzelne Ionenspezies wird zeitlich ausgewählt und wird zurück in die axiale Falle injiziert, welche zu dieser Zeit als eine Fragmentationszelle arbeitet. Die Fragmente werden in der Gaszelle kollisionsgedämpft und werden zurück in den gleichen MRT-Analysator zur Analyse von Fragmentmassen ausgestoßen.
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Die obige Beschreibung wird lediglich als diejenige der bevorzugten Ausführungsformen verstanden. Modifikationen bzw. Abwandlungen werden Fachleuten offensichtlich sein und auch denjenigen, die die Erfindung tätigen oder benutzen. Demzufolge ist es verständlich, dass die Ausführungsform, welche in den Zeichnungen gezeigt ist und oben stehend beschrieben ist, lediglich für illustrative Zwecke ist, und nicht dazu vorgesehen ist, um den Schutzumfang der Erfindung bzw. den Umfang der Erfindung zu beschränken, welcher durch die folgenden Ansprüche definiert ist, wenn sie gemäß den Prinzipien des Patentgesetzes einschließlich der Droktrin von Äquivalenten interpretiert werden.
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Zusammenfassung
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Quasi-planares mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer
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Mehrfach reflektierendes Flugzeit-(MR-TOF-)Massenspektrometer, aufweisend zwei quasiplanare elektrostatische Ionenspiegel (34), welche entlang einer Driftrichtung (Z) erstreckt sind, und aus parallelen Elektroden (11) gebildet sind, welche durch einen feldfreien Bereich (13) getrennt sind. Das MR-TOF weist eine gepulste Ionenquelle (1, 12) zur Abgabe von Ionenpaketen unter einem schmalen Winkel zu der X-Richtung auf, welche orthogonal zu der Driftrichtung Z ist. Ionenpakete werden zwischen den Ionenspiegeln (34) reflektiert und driften entlang der Driftrichtung. Die Spiegel (34) sind angeordnet, um eine Flugzeitfokussierung der Ionenpakete auf den Empfänger (2) bereitzustellen. Die MR-TOF-Spiegel (34) stellen eine räumliche Fokussierung in der Y-Richtung orthotogonal zu sowohl der Driftrichtung Z, als auch zu der Ioneninjektionsrichtung X bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform hat wenigstens ein Spiegel (34) ein Merkmal, welches eine periodische räumliche Fokussierung von Ionenpaketen in der Drift-Z-Richtung bereitstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2080021 [0003, 0003, 0045]
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- WO 2007044696 [0009, 0011, 0019, 0050]
- WO 200313262 [0009, 0012, 0019, 0056]
- WO 2004008481 [0009, 0019, 0056]
- WO 20048481 [0012]
- WO 200419593 [0013, 0017, 0019, 0021, 0050]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Sov. J. Tech. Phys. 41 (1971) 1498, Mamyrin et. al. [0002]
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