DE19629772A1 - Massenselektives Mehrkerbenfilter mit orthogonalen Exzisionsfeldern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Massenfilter und insbesondere auf Quadrupol-Massenfilter zum Eliminieren von Ionen mit spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen.

Die Massenspektrometrie (MS) ist eine nützliche analytische Technik zur Identifikation von chemischen Strukturen, zur Bestimmung von Komponenten von Mischungen und zur quantita­ tiven Elementeanalyse. Diese analytische Technik basiert auf der Trennung der ionisierten Komponenten eines Analyts durch ihre Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse. Oft kann in entweder der Sammlung oder der Ionisierungsstufe einer Probe für eine Analyse eine unerwünschte Spezies mit einem sehr hohen Pegel in der Probe vorhanden sein. Beispiele von unerwünschten Spezies umfassen das Hintergrundträgergas Helium, wenn eine Gaschromatographiesäule als die Eingabe in das Massenspek­ trometer verwendet wird, und das Restgas Argon, das in Pro­ ben gefunden wird, die von induktiv gekoppelten Plasmaquel­ len (ICP-Quellen; ICP = Inducitively Coupled Plasma) erhal­ ten werden. Somit ist ein Massenfilter, das selektiv Ionen mit einem vorbestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von ei­ nem Ionenstrahl selektiv eliminieren kann, das jedoch alle anderen Ionen vollständig trasmittiert, wünschenswert.

Daher wurden Filter in den Weg eines Ionenstrahls eingefügt, um Zielionen (wie z. B. ein Verschmutzungsstoff oder ein un­ erwünschtes Ion) mit einem spezifizierten Masse-zu-Ladungs- Verhältnis zu entfernen, während andere Ionen durchgelassen werden. Vorzugsweise weist die Filtertransmissionsfunktion eine Kerbe auf, die nur eine Atommasseneinheit breit ist, um das Sperren einer einzigen Ionenspezies zu ermöglichen. Derartige Filter, die unter Verwendung von Quadrupolen her­ gestellt werden, wurden in der Literatur berichtet.

Ein Quadrupolfilter ist ein Gerät, in dem Ionen entlang ei­ ner Achse parallel zu und zwar in der Mitte zwischen vier parallelen Quadrupolstäben laufen, die mit Spannungsquellen verbunden sind (z. B. in dem U.S. Patent Nr. 3,334,225 (Lang­ muir) und in dem U.S. Patent Nr. 5,187,365 (Kelley) be­ schrieben). Fig. 1 zeigt ein typisches Quadrupol 10, welcher vier parallele, gerade (d. h. lineare) längliche Elektroden (oder Stäbe) 12, 14, 16, 18 aufweist, die mit einer Zufüh­ rung 20 für eine schwingende Spannung verbunden sind, die eine Hochfrequenz-(HF-)Schwingspannung (nachfolgend als die "HF-Quadrupolspannung" bezeichnet) zu den Elektroden lie­ fert. Ein Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden 12, 16 ist mit einem Pol verbunden, während das andere Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden 14, 18 mit dem anderen Pol der Schwingspannungsversorgung 20 verbunden sind. Die HF-Schwingquadrupolspannung führt Ionen zwischen den Elektroden über bekannte wirksame Kräfte. (Die HF-Fre­ quenz dieser HF-Quadrupolspannung wird in dieser Anmeldung nachfolgend als "HF-Quadrupolfrequenz" bezeichnet).

Wie es in der Technik bekannt ist, wird eine Dipol-Feld-"Ex­ zisions"-Frequenz ausgewählt, um ein unerwünschtes Ver­ schmutzungsion herauszufiltern, damit dieselbe der spezi­ fischen Frequenz der transversalen Bewegung entspricht, die das unerwünschte Ion zeigt, während es durch das Quadrupol hindurch durch das wirksame Potential, das durch die HF-Quadrupolspannung erzeugt wird, geführt wird. Diese dipolare Exzisionsspannung (mit einer niedrigeren Frequenz als die HF-Quadrupolfrequenz) würde kohärent wirken, um die trans­ versale Bewegungsamplitude des Verschmutzungsions zu erhö­ hen, während das Ion das Quadrupol durchläuft. Schließlich wird die transversale Bewegungsamplitude so groß, daß das Ion auf die Quadrupolstruktur aufschlägt und aus dem Ionen­ strahl beseitigt wird. Weitere Ionen mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen würden aufgrund des Fehlens der Synchronität zu der Exzisionsfrequenz ihre Amplituden bei der transversalen Bewegung nicht wesentlich erhöhen. Auf diese Weise wird eine Massenselektivität erreicht.

Somit wird ein Kerbfilter realisiert, indem ein Quadrupol in einer Nur-HF-Quadrupolfrequenz-Konfiguration betrieben wird (d. h. keine Gleichspannung, wobei das Quadrupol in diesem Fall wirksam als "Ionenrohr" wirken wird) und indem eine schwingende dipolare Exzisionsspannung mit einer niedrigeren Frequenz als der HF-Quadrupolfrequenz an ein gegenüberlie­ gendes Paar der vier Quadrupolstäbe angelegt wird. Beispiele sind in Reinsfelder u. a. "Theory and Characterization of a Separator Analyzer Mass Spectrometer", Int. J. Mass Spec. and Ion Physics 37: 241-250 (1981), und in Miller u. a., A Notch Rejection Quadrupole Mass Filter", Int. J. Mass Spec. and Ion Physics, 96: 17-26 (1990) zu finden.

Bei derartigen dipolaren Exzisionssystemen wird die dipolare Exzisionsspannung mit niedriger Frequenz (die ein "Dipol­ feld" erzeugt) an ein gegenüberliegendes Paar der vier Qua­ drupolstäbe über ein elektronisches Kopplungsnetzwerk ange­ legt. Der Grund dafür, daß ein derartiges Netzwerk nötig ist, besteht darin, daß die HF-Quadrupolspannung mit höherer Frequenz derart angelegt wird, daß beliebige zwei benachbar­ te Elektroden in ihrer Polarität entgegengesetzt sind, wobei die Exzisionsspannung mit niedriger Frequenz derart angelegt wird, daß die zwei sich gegenüberliegenden Elektroden, an die die Exzisionsspannung angelegt wird, in der Polarität entgegengesetzt sind. Somit wird das elektronische Kopp­ lungsnetzwerk benötigt, um die Exzisionsspannung von der HF-Quadrupolspannung mit höherer Frequenz zu trennen. Ein Beispiel eines derartigen elektronischen Kopplungsnetzwerks ist in "A Notch Rejection Quadrupole Mass Filter", Miller u. a., Supra (siehe Fig. 5 von Miller u. a.), offenbart. Der­ artige Kopplungsnetzwerke benötigen einen zusätzlichen Hoch­ frequenztransformator, um eine Einrichtung zum Trennen eines einzelnen Paars von Stäben der zwei Paare von Quadrupolstä­ ben zu schaffen. Die Exzisionsspannung mit niedriger Fre­ quenz wird über eine Primärwindung an diesen Transformator gekoppelt. Dieses Trennungsschema benötigt ebenfalls die Verwendung von verschiedenen Hochfrequenzdrosseln und Kon­ densatoren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mehrkerbenfilter, ein Verfahren zum selektiven Entfernen von zumindest zwei unterschiedlichen Zielionen mit unterschied­ lichen spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen von einem Ionenstrahl und ein Verfahren zum Herstellen eines Mehrker­ benfilters zu schaffen, bei denen unter Verwendung verein­ fachter Trennkopplungsnetzwerke mehrere Ionen mit unter­ schiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen aus einem Ionen­ strahl entfernt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Mehrkerbenfilter gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zum selektiven Entfernen von zumin­ dest zwei unterschiedlichen Zielionen mit unterschiedlichen spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen von einem Ionen­ strahl gemäß Anspruch 7 und durch ein Verfahren zum Herstel­ len eines Mehrkerbenfilters gemäß Anspruch 16 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Mehrkerbenfilter zum selektiven Entfernen von Zielionen mit spezifischen Masse- zu-Ladungs-Verhältnissen von einem Ionenstrahl (z. B. einem Strahl, der eine Mischung von Ionen enthält). Dieses Mehr­ kerbenfilter weist ein Quadrupol und eine Leistungsversor­ gung auf, die das elektrische Potential (d. h. die Spannung) in das Quadrupol treibt. Das Quadrupol weist zwei Paare mit parallelen Elektroden auf. Jedes Paar besteht aus zwei ge­ genüberliegenden Elektroden. Das Quadrupol weist ein Einlaß­ ende und ein Auslaßende auf, wobei der Ionenstrahl gerichtet ist, um von dem Einlaßende zu dem Auslaßende durchzulaufen.

Das Mehrkerbenfilter weist eine Leistungsversorgung auf, die in der Lage ist, eine schwingende Spannung zu erzeugen, wel­ che eine Kombination von (d. h. welche enthält) einer Quadru­ polfrequenzkomponente und von Exzisionsfrequenzkomponenten ist. Die Leistungsversorgung ist derart verbunden, daß, wenn eine HF-Quadrupolspannung an die Quadrupolelektroden ange­ legt ist, in jedem Paar von gegenüberliegenden Elektroden (gegenüber angeordneten Elektroden) die Elektroden die glei­ che Spannung aufweisen, während die beiden Paare um 180° phasenverschoben sind. Die Exzisionsfrequenzkomponenten (d. h. die schwingenden Exzisionsspannungen) werden alle zwischen gegenüberliegende Elektroden eines der Paare an­ gelegt. Zumindest eine Exzisionsfrequenzspannung wird zwi­ schen ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt, während zumindest eine weitere Exzisionsfrequenzspannung zwischen die gegenüberliegenden Elektroden des anderen Paars angelegt wird. Bezüglich jeder Exzisionsfrequenzspannung sind die beiden gegenüberliegenden Elektroden des Paars, das mit derselben verbunden ist, bezüglich der Polarität entge­ gengesetzt (d. h. 180° phasenverschoben). In einem Fall mit zwei Exzisionsfrequenzen wird beispielsweise eine Exzisions­ frequenzspannung zwischen ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt, während die andere Exzisionsfrequenz­ spannung zwischen das andere Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird. Bezüglich seiner Verwendung hierin ist das resultierende elektrische Potential einer Elektrode zu dem der anderen Elektrode basierend auf der angelegten schwingenden Spannung um 180° phasenverschoben, wenn eine schwingende Spannung (z. B. eine HF-Exzisionsspannung) derart beschrieben wird, daß sie zwischen zwei Elektroden angelegt wird.

Ein Schwingen der Spannung an den Elektroden resultiert in einer wirksamen Kraft, die die Bewegung von Ionen in dem Ionenstrahl beeinflußt. Die wirksame Kraft, die durch die HF-Quadrupolspannung erzeugt wird, führt Ionen über einem ausgewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis entlang des Quadru­ pols von dem Einlaßende zu dem Auslaßende. Jede Exzisions­ frequenzspannung bewirkt, daß ein unterschiedliches Zielion (d. h. mit einem unterschiedlichen spezifischen Masse-zu- Ladungs-Verhältnis) in Resonanz gerät und von dem Ionen­ strahl entfernt wird, bevor es aus dem Quadrupol austritt. Somit erzeugt jede Exzisionsfrequenzspannung eine unter­ schiedliche "Kerbe" oder ein unterschiedliches "Sperren­ fenster" in dem Massenfilter für ein unterschiedliches Zielion. Das Mehrkerbenfilter, das eine Mehrzahl von Exzi­ sionsfrequenzkomponenten (d. h. Spannungen) verwendet, kann Zielionen mit einer Mehrzahl von spezifischen Masse-zu-La­ dungs-Verhältnissen entfernen. Ein Masse-zu-Ladungs-Verhält­ nis wird ebenfalls in dieser Anmeldung als eine "Masse" be­ zeichnet.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Entfernen einer Mehrzahl von unerwünschten Zielionen von einem Ionenstrahl und ein Verfahren zum Herstellen eines Quadrupolmehrkerbenfilters, das eine derartige Beseitigung von unerwünschten Zielionen erreichen kann.

Ein herkömmliches Quadrupol, bei dem lediglich eine HF-Qua­ drupolspannung an die Elektroden angelegt ist, wirkt als ein Hochpaß-Massenfilter (d. h. es läßt Ionen über einem ausge­ wählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis durch, während Ionen unter diesem ausgewählten Verhältnis beseitigt werden). Die­ ses ausgewählte Verhältnis (oder "Grenz"-Verhältnis) ist durch die Frequenz und die Amplitude der angelegten HF-Qua­ drupolspannung bestimmt. Wenn das Grenzverhältnis ausgewählt ist, um unter dem kleinsten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von Interesse in dem Ionenstrahl zu liegen, wirkt das Quadrupol als ein einfacher "Ionenschlauch". Die Ionen werden die Qua­ drupolelektroden hinunter (oder entlang) durch ein "wirksames Potential" geleitet (welches durch die HF-Quadrupolspannung erzeugt wird und zu der Quadrupolmittellinie hin gerichtet ist (entlang der Achse)). Die Ionen laufen daher die Achse des Quadrupols mit transversalen Schwingungen entlang, die durch die Rückstellkräfte des wirksamen Potentials erzeugt werden. Solche schwingenden "Abprall"-Wege sind wirksam harmonisch. Wenn in dieser Anmeldung die Bewegung eines Ions "entlang", "herunter bezüglich der" oder "parallel zu den" Elektroden bezeichnet wird, ist es offensichtlich, daß die Bewegung transversale Komponenten haben kann, wie es im folgenden beschrieben ist.

Für ein einzelnes Ion ist das effektive Potential teilweise von dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis des Ions, das durch das Quadrupol durchläuft, abhängig. Sobald sich das Ion (mit ei­ nem spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnis) an dem Quadru­ pol entlang unter dem Einfluß des wirksamen Potentials be­ wegt, unterläuft es eine harmonische Bewegung, die nachfol­ gend Makrobewegung genannt wird, und zwar in der transversa­ len Richtung bei einer spezifischen Makrobewegungsfrequenz. Um ein Zielion gemäß der vorliegenden Erfindung zu beseiti­ gen, indem eine zusätzliche harmonische Spannung (nachfol­ gend die Exzisionsfrequenzspannung) an das Quadrupol bei einer Exzisionsfrequenz, die gleich der "Makrobewegungs"- Frequenz ist, angelegt wird, wird ein schwingendes elek­ trisches Feld erzeugt, um eine Kraft zu schaffen, die kohärent bewirkt, daß die Makrobewegung des Ions schnell anwächst, bis das Ion auf eine Elektrode auftrifft. An der Elektrode wird das Ion neutralisiert, wodurch es von dem Ionenstrahl beseitigt wird. Ionen mit unterschiedlichen Makrobewegungsfrequenzen werden von der Exzisionsfrequenz­ spannung nicht wesentlich beeinträchtigt, da das Exzisions­ feld nicht kohärent wirkt, um die transversale Makrobewegung dieser Ionen zu verstärken.

Das Mehrkerbenfilter der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Zielionen mit einer Mehrzahl von spezifischen Masse- zu-Ladungs-Verhältnissen zu entfernen. Üblicherweise würde es bevorzugt sein, die Komplexität eines massenselektiven Filters zu minimieren, indem die Anzahl von verwendeten elektrischen Komponenten reduziert wird. Um ein Mehrkerben­ massenfilter herzustellen, würde es daher wünschenswert scheinen, die mehreren schwingenden Exzisionsfrequenzspan­ nungen an ein einziges Paar von gegenüberliegenden Elektro­ den anzulegen, derart, daß nur ein elektronisches Kopplungs­ netzwerk benötigt wird, um nur dieses eine Paar von Elektro­ den zu trennen. Es wurde jedoch herausgefunden, daß durch Anlegen der unterschiedlichen Exzisionsfrequenzspannungen an unterschiedliche Paare der gegenüberliegenden Elektroden schärfere und tiefere Kerben realisiert werden können. Bei der vorliegenden Erfindung können Kerben bei zwei oder mehr ausgewählten Massen (d. h. Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen) mit beispielsweise einer Breite m/z (m/z entspricht der Masse in atomaren Masseneinheiten (AMU; AMU = Atomar Mass Unit) geteilt durch die ganzzahlige Anzahl von Elektronenla­ dungen des interessierenden Ions) plaziert werden. Eine Durchlaßunterdrückung in einer Zielkerbe kann derart eingestellt werden, um eine kleinere Übertragung als 10^-3 zu erlauben. Das Kerbfilter kann eine vollständige Übertragung (wenn es nicht innerhalb anderer gefilterter Bereiche ist) außerhalb der Kerbe erlauben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich­ nungen detaillierter beschrieben. Dabei beziehen sich glei­ che Bezugszeichen auf gleiche Elemente in mehreren Zeichnun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Qua­ drupols;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Stabilitätsdia­ gramms eines Quadrupols basierend auf der Mathieu- Gleichung;

Fig. 3A eine graphische Darstellung der Mikrobewegung 22 und der Makrobewegung 24 von Ionen mit verschiede­ nen Massen (200 m/z, 500 m/z, 1.000 m/z) in einem Quadrupol in der stabilen Region von Fig. 2;

Fig. 3B eine graphische Darstellung der Makrobewegung von Ionen mit 36 m/z in der instabilen Region von Fig. 2 bei verschiedenen Anfangsbedingungen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels des Quadrupol-Mehrkerbenfilters der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm, das die Frequenzaus­ wahltrennschaltung für das Mehrkerbenfilter von Fig. 4 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Makrobewegung und der Antriebskräfte, die durch eine Exzisionsfre­ quenzspannung in einem Dipolfeld erzeugt werden;

Fig. 7A eine graphische Darstellung des Durchsatzes eines Quadrupolmehrkerbenfilters der vorliegenden Erfin­ dung, wobei die Exzision von zwei Ionenspezies ge­ zeigt ist;

Fig. 7B eine graphische Darstellung des Durchsatzes eines Quadrupolmehrkerbenfilters der vorliegenden Erfin­ dung, die weitere Details eines Abschnitts von Fig. 7A zeigt und dasselbe mit einem Filter mit einer parallelen Exzisionsfeldkonfiguration vergleicht; und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels eines Quadrupolmehrkerbenfilters der vorlie­ genden Erfindung mit drei Kerben für die Exzision von drei Ionenspezies.

Diese Erfindung legt sowohl Exzisionsspannungen mit niedri­ ger Frequenz als auch eine HF-Quadrupolspannung mit hoher Frequenz an zwei Paare von Quadrupolstäben (oder Elektroden) an. Die Mehrkerbenfilterung wird durch Anlegen dieser Span­ nungen an die HF-Quadrupolelektroden mit einer Spannungs­ trennung erreicht, derart, daß die Exzisionsspannungen nicht direkt der HF-Quadrupolspannung überlagert sind (d. h. die resultierende Spannung ist nicht genau die Summe der Span­ nungen). Die HF-Quadrupolspannung ist zwischen zwei Paaren von Elektroden angelegt. Bestimmte (zumindest eine) der Exzisionsfrequenzspannungen werden an ein Paar von gegen­ überliegenden Elektroden angelegt, während bestimmte andere (zumindest eine) Exzisionsfrequenzspannungen an das andere Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt werden.

Ionenbewegung, die durch eine HF-Spannung in dem Quadrupol bewirkt wird

Im Folgenden ist eine kurze theoretische Beschreibung dar­ gelegt, die sich auf eine Ionenbewegung in einem Quadrupol bezieht. Bei der Quadrupolstruktur, die in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt das elektrische Potential bezüglich eines kar­ tesischen x,y,z-Koordinatensystems in den Dimensionen transversal zur z-Achse die folgende Form:

Dabei ist r₀ der Abstand von der Quadrupolmittelachse zu dem nächstliegenden Punkt auf einer Elektrode, während Φ₀ die angelegte Spannung ist. Da das Potential entlang der z-Achse invariant ist, liegen die Kräfte, die ein Ion, das entlang der Quadrupolachse läuft, erfährt, lediglich in den trans­ versalen Dimensionen. Diese Kräfte sind durch folgende Glei­ chung gegeben:

F = -e∇Φ (2)

Dabei ist e die Ladung auf dem Ion. Für ein Ion mit einer Masse m lautet die Gleichung (2) in kartesischen Koordinaten folgendermaßen:

Für ein angelegtes Potential (d. h. eine Spannung von

Φ₀ = U-V cos(Ωt) (5)

wobei Ω die Winkelgeschwindigkeit ist, U die Gleichstromkom­ ponente ist und V die Amplitude der Wechselstromkomponente ist, lauten die Bewegungsgleichungen für die transversalen Dimensionen folgendermaßen:

Ein Durchführen der geeigneten Definitionen und ein Skalie­ ren der Zeitvariable erlauben es, daß diese Ausdrücke in der kanonischen Form der Mathieu-Gleichung geschrieben werden:

Es gilt:

Die Mathieu-Gleichung ist bekannt, wobei die Lösungen durch Betrachten des Standardstabilitätsdiagramms, das in Fig. 2 gezeigt ist, qualitativ analysiert werden können. Fig. 2 zeigt "instabile Regionen" R1, R2 und eine "stabile Region" R3. Bezüglich der Parameter a und q in der stabilen Region sind die Lösungen für die Mathieu-Gleichung finit und qua­ si-periodisch bezüglich der Zeitvariable (oder ξ). Für Para­ meter, die außerhalb dieser stabilen Region liegen, wachsen die Lösungen zeitlich (oder mit ξ) exponentiell an und wer­ den somit für instabil gehalten. Die Fig. 3A und 3B zeigen Beispiele von numerisch integrierten Lösungen der Mathieu- Gleichung für Sätze von Parametern in der stabilen bzw. in den instabilen Regionen.

Wenn die Gleichspannung zu Null eingestellt wird (U = 0, dann a = 0) und der HF-Spannung eine Amplitude ungleich Null und eine Frequenz gegeben wird, hängt die Stabilität der Be­ wegung eines Ions in dem Quadrupol von seinem Masse-zu-La­ dungs-Verhältnis ab. Da der Parameter q als 1/m variiert, folgen alle Ionen mit Massen unter einer "Grenzmasse" (einem ausgewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis, welches von den tatsächlichen Werten von V und von Ω abhängt) einer instabi­ len Trajektorie, während alle Ionen mit Massen über der Grenzmasse stabilen quasi-periodischen Trajektorien folgen.

Wenn die Parameter geeignet gewählt sind, d. h. mit einer ad­ äquat niedrigen Grenzmasse, erlaubt es ein Quadrupol, der mit nur einer einzigen angelegten HF-Spannung betrieben ist, daß alle Ionen mit einer Masse über einer bestimmten Grenz­ masse durchgelassen werden. Auf diese Art und Weise wirkt derselbe, wie vorher erwähnt wurde, als ein einfacher "Io­ nenschlauch" für alle Ionen mit Masse-zu-Ladungs-Verhältnis­ sen, die größer als die Grenzmasse sind.

Das quantitative Verhältnis der stabilen Lösungen für die Mathieu-Gleichung kann auf die folgende Art und Weise analy­ siert werden. Das nichtlineare Wesen der Interaktion, wie sie durch die Mathieu-Gleichung diktiert ist, erzeugt ein "statisches" wirksames Potential für die Ionen und zwar auf­ grund der kleinen Amplitudenantwort der Ionen auf die schnellen HF-Quadrupolfeldveränderungen (nachfolgend als die "Mikrobewegung" bezeichnet), und aufgrund der Phasenbezie­ hung zu der angelegten HF-Quadrupolspannung. Dieses "stati­ sche" wirksame Potential ist das Potential, welches die Io­ nen die Achse des Quadrupols entlang führt, wobei es be­ wirkt, daß die Ionen eine viel größere, langsamere "Makrobe­ wegungs"-Schwingung unternehmen, die der kleinen, schnellen Mikrobewegung, die durch die angelegte HF-Quadrupolspannung erzeugt wird, überlagert ist. Die Frequenz dieser Makrobe­ wegung ist für ein Ion berechenbar und hängt von der Ampli­ tude und der Frequenz der angelegten HF-Quadrupolspannung und dem Massen-zu-Ladungs-Verhältnis des Ions ab. Die nume­ risch integrierten Trajektorien, die in Fig. 3A gezeigt sind, stellen Beispiele der langsamen Makrobewegung mit großer Amplitude dar (mit Spitzen 24, usw. aufgrund des wirksamen Potentials), die der viel schnelleren Mikrobewe­ gung mit kleinerer Amplitude (mit Spitzen 22, usw.) überla­ gert ist. Kurven, die eine Bewegung von Ionen mit Masse-zu- Ladungs-Verhältnissen 200 m/z (M2), 500 m/z (M5) und 1.000 m/z (M10) darstellen, sind gezeigt.

Die stabilen Lösungen (Trajektorien) der Mathieu-Gleichung, wie sie oben angeschrieben wurde, wobei die Approximation der Mikrobewegungsamplitude viel kleiner als die Makrobewe­ gungsamplitude ist, und wobei über Zeitskalen in der Größen­ ordnung einer HF-Periode gemittelt wird, weisen eine trans­ versale Bewegung auf, die von dem Satz folgender dynamischer Gleichungen beherrscht wird:

Für einen Betrieb mit ausschließlich einer HF-Quadrupolfre­ quenz (a = 0) sind die dynamischen Gleichungen in beiden transversalen Dimensionen einfach harmonisch:

Diese Gleichungen zeigen, daß Ionen entlang der z-Achse des Quadrupols durch ein wirksames Potential geführt werden, das eine statische lineare Rückstellkraft zu der neutralen Posi­ tion beim Nullversatz zeigt.

Aus den obigen Gleichungen und den vorherigen Definitionen von ω und q kann gezeigt werden, daß die Makrobewegungs­ frequenz (die Winkelgeschwindigkeit) folgendermaßen lautet:

Bei der obigen Approximation ist die Makrobewegung rein har­ monisch (sinusförmig) für eine spezifische HF-Quadrupolspan­ nung V und für eine spezifische HF-Quadrupolfrequenz Ω. Die Makrobewegungsfrequenz variiert proportional zu 1/m.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Quadrupolmehrkerbenfilters

Fig. 4 zeigt ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel des Quadrupolmehrkerbenfilters 100 gemäß der vorliegenden Erfin­ dung. Dieses Quadrupolmehrkerbenfilter 100 kann zum selekti­ ven Entfernen von zwei Zielionen (d. h. einer ersten und ei­ ner zweiten Ionenspezies, welche ein zueinander unterschied­ liches spezifisches Masse-zu-Ladungs-Verhältnis aufweisen) von einem Ionenstrahl verwendet werden. Das Quadrupolmehr­ kerbenfilter 100 umfaßt eine Quadrupolelektrodenanordnung 110 mit zwei Paaren von linearen parallelen Elektroden (oder Stäben). Gegenüberliegende Elektroden 12 und 16 sind mit­ einander elektrisch verbunden, derart, daß kein wesentlicher Widerstand zwischen denselben (als Paar) vorhanden ist, und zwar bezüglich einer HF-Quadrupolfrequenzspannung (bei einer Frequenz n), die zwischen dieses Paar und das andere Paar von gegenüberliegenden Elektroden 14, 18 angelegt ist. Ge­ nauso sind die Elektroden 14 und 18 miteinander elektrisch verbunden, derart, daß kein wesentlicher Widerstand zwischen denselben bezüglich der HF-Quadrupolfrequenzspannung vorhan­ den ist. Jedes Paar (z. B. das Elektrodenpaar 12, 16) ist zu dem anderen Paar (z. B. dem Elektrodenpaar 14, 18) bezüglich der HF-Quadrupolfrequenzspannung um 180° phasenverschoben. In dieser Situation können die zwei Paare als Paare bezeich­ net werden, die eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Eine Schwingspannungsversorgung (OVS; OVS = Oscillating Voltage Supply) 120 (eine Schwingleistungsversorgung) (in Fig. 4 nicht getrennt bezeichnet) treibt die HF-Quadru­ polfrequenzspannung (bei der Frequenz Ω) sowie die Exzi­ sionsspannungen (bei den Frequenzen ω₁ und ω₂) der Quadru­ polelektrodenanordnung 110. Bei der Spannungsversorgung 120 treibt die Schwingspannungsquelle 120A die HF-Quadrupol­ spannung (bei der Frequenz n), wobei die Exzisionsschwing­ spannungsquelle 120B die erste Exzisionsspannung (bei der Frequenz ω₁) und die Exzisionsschwingspannungsquelle 120C die zweite Exzisionsspannung (bei der Frequenz ω₂) treiben.

Eine frequenzselektive elektrische Schaltungsanordnung 121 wird verwendet, um die Spannungsquelle 120A von den Exzi­ sionsspannungsquellen 120B und 120C (bei der Frequenz ω₁ bzw. ω₂) zu trennen. Die gegenüberliegenden Elektroden 14, 18 sind mit einem Pol der Spannungsquelle 120A über eine Schaltung 121B verbunden, welche die Spannungsquelle 120A von der ersten Exzisionsspannung trennt (welche von der Ex­ zisionsspannungsquelle 120B bei der Frequenz ω₁ zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 14, 18 zugeführt wird). Die gegenüberliegenden Elektroden 12, 16 sind mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 120A über die Schaltung 121A verbun­ den, welche die Spannungsquelle 120A von der zweiten Exzi­ sionsspannung trennt (die durch die Exzisionsspannungsquelle 120C bei der Frequenz ω₂ zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 12, 16 zugeführt wird). Auf diese Art und Weise erzeugt die Leistungsversorgung 120 schwingende Spannungen, welche Kombinationen einer HF-Quadrupolfrequenzkomponente (d. h. bei der Frequenz n) und einer ersten und einer zweiten Exzisionsfrequenzkomponente (d. h. bei der Frequenz ω₁ und ω₂) sind. Jede Exzisionsfrequenz ist kleiner als die HF-Qua­ drupolfrequenz.

Die Quadrupolelektrodenanordnung 110 weist ein Einlaßende 122 und ein Auslaßende 124 auf. Der Ionenstrahl weist einen Strahlenweg 126 auf, der sich von dem Einlaßende 122 zu dem Auslaßende 124 der Quadrupolelektrodenanordnung 110 er­ streckt, und zwar parallel zu den Elektroden. Da die Span­ nungen der Elektroden 12, 14, 16, 18 schwingen, bewirkt das wirksame Potential, das durch das HF-Quadrupolfeld erzeugt wird, daß Ionen über einem ausgewählten Masse-zu-Ladungs- Verhältnis (d. h. einem "Massengrenz"-Verhältnis) entlang der Quadrupolelektrodenanordnung geführt werden. Das erste Exzi­ sionsfeld und das zweite Exzisionsfeld bewirken, daß das er­ ste Zielion bzw. das zweite Zielion in Resonanz geraten und auf eine der Elektroden 12, 14, 16, 18 auftreffen, bevor sie aus dem Quadrupolmehrkerbenfilter austreten.

Bei einer Anordnung, bei der das Quadrupolmehrkerbenfilter der vorliegenden Erfindung zum Entfernen von mindestens zwei Zielionen von einem Ionenstrahl verwendet wird, kann das Mehrkerbenfilter ferner eine Ionenquelle 130 zum Emittieren eines Ionenstrahls (d. h. eines Strahls von Ionen) 132 in die Quadrupolelektrodenanordnung 110 aufweisen. Zusätzlich kann ein Detektor 134 verwendet werden, um die Ionen, die aus der Quadrupolelektrodenanordnung 110 austreten, zu erfassen. Ionenquellen und Detektoren, die für derartige Anordnungen geeignet sind, sind in der Technik bekannt. Elektroden, Spannungsversorgungen, Oszillatoren, Ionenquellen und Detek­ toren, die zur Verwendung in Quadrupolen und dipolaren Kerb­ filtern geeignet sind, sind in der Technik bekannt (z. B. die, die von Miller u. a., Supra, und von Reinsfelder u. a., Supra, beschrieben sind, wobei die Beschreibungen der Qua­ drupolfilterstrukturen und der Betrieb der Strukturen hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind).

Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Frequenzauswahltrennschaltung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung für das Mehrkerbenfilter von Fig. 4. Diese Frequenzaus­ wahltrennschaltung ist zu der analog, die in Miller u. a., Supra, gezeigt ist. Aufgrund der vorliegenden Offenbarung wird ein Fachmann in der Lage sein, die Schaltungen von Miller u. a., Supra, zu modifizieren, um bei Schaltungen für ein Mehrkerbenfilter anzukommen. In Fig. 5 umfaßt die Spannungsquelle 120A einen Oszillator 140A, der mit einem Trans­ formator 142A zum Zuführen der HF-Frequenzquadrupolspannung (bei der Frequenz Ω) verbunden ist. Ein Anschluß der Aus­ gangsspule (d. h. der sekundären Spule) des Transformators 142A ist mit den gegenüberliegenden Elektroden 12, 16 über die Trennschaltung 121A verbunden. In der Trennschaltung 121A sind ein Kondensator 150C und eine induktive Spule 150L seriell zwischen eine Ausgangsspule 144A und die Elektrode 16 geschaltet. Auf ähnliche Weise sind ein Kondensator 152C und eine induktive Spule 152L seriell zwischen die Ausgangs­ spule 144A und die Elektrode 12 geschaltet. Die Kondensato­ ren 150C und 152C weisen die gleiche Kapazität auf, während die Spulen 150L und 152L die gleiche Induktivität aufweisen (obwohl andere Ausführungsbeispiele, bei denen die Kondensa­ toren und die induktiven Spulen nicht gleich sind, ebenfalls entworfen werden können). Genauso ist der andere Anschluß der Ausgangsspule des Transformators 142A mit den gegenüber­ liegenden Elektroden 14, 18 über die Trennschaltung 121B verbunden. Wie die Trennschaltung 121A weist die Trennschal­ tung 121B ebenfalls Kondensatoren 154C, 156C und induktive Spulen 154L, 156L auf.

Bei der Exzisionsspannungsquelle 120B ist ein Oszillator 140B mit einem Transformator 142B verbunden (dessen Aus­ gangsspule 140B zwischen die Elektroden 14, 18 geschaltet ist, und daher mit der Trennschaltung 121B verbunden ist). Die Trennschaltung 121B ist somit zwischen der Spannungs­ quelle 120A und der Spannungsquelle 120B angeordnet, um die­ selben voneinander zu trennen. Auf ähnliche Weise ist bei der Exzisionsspannungsquelle 120C ein Oszillator 140C mit dem Transformator 142C verbunden (dessen Ausgangsspule 144C zwischen die Elektroden 14, 18 geschaltet ist und daher mit der Trennschaltung 121C verbunden ist). Die Werte der Kapa­ zitäten der Kondensatoren (150C, 152C, 154C, 156C) und die Induktivitäten der induktiven Spulen (150L, 152L, 154L, 156L) sind derart ausgewählt, daß sie die HF-Frequenzquadru­ polspannung (bei der Frequenz Ω) zum Anlegen zwischen dem Elektrodenpaar 14, 18 (die Elektroden in dem Paar liegen be­ züglich der HF-Quadrupolspannung auf dem gleichen Potential) und dem Elektrodenpaar 12, 16 (die Elektroden in dem Paar liegen bezüglich der HF-Quadrupolspannung auf gleichem Po­ tential) durchlassen. Die Trennschaltung 121B läßt jedoch nicht die erste Exzisionsspannung (bei der Frequenz ω₁) durch, derart, daß die Spannung aufgrund der ersten Exzi­ sionsspannungsquelle 120B zwischen den Elektroden 14 und 18 gehalten wird. Auf ähnliche Weise hält die Trennschaltung 121A die Spannung aufgrund der zweiten Exzisionsspannungs­ quelle 120C zwischen den Elektroden 12 und 16. Auf diese Art und Weise sind die Exzisionsspannungen der HF-Frequenzqua­ drupolspannung überlagert, derart, daß die Exzisionsspannun­ gen zwischen gegenüberliegenden Elektroden angelegt werden, während die HF-Frequenzquadrupolspannung zwischen benachbar­ ten (d. h. nicht gegenüberliegenden) Elektroden angelegt ist.

Anlegen der Exzisionsfelder

Das Quadrupolmehrkerbenfilter wird betrieben, damit die Spannung der Elektroden bei einer ausgewählten HF-Quadrupol­ frequenz Ω schwingt, derart, daß Ionen mit einem Masse-zu- Ladungs-Verhältnis, das größer als eine ausgewählte "Mas­ sen-Grenze" ist, entlang des Quadrupols geführt werden (d. h. von dem Einlaßende zu dem Auslaßende). Gemäß der vorliegen­ den Erfindung treibt die Leistungsversorgung ferner die Elektroden, damit sie mit Exzisionsspannungen bei den Fre­ quenzen ω₁ und ω₂ schwingen, die der HF-Quadrupolspannung mit der Frequenz Ω überlagert sind. Die Exzisionsfrequenzen sind ausgewählt, um bei den Makrobewegungsfrequenzen der Zielionen (d. h. den dominanten Resonanzfrequenzen der ent­ sprechenden Zielionen als Reaktion auf das wirksame Poten­ tial), die exzisiert werden sollen (von dem Ionenstrahl ent­ fernt werden sollen), zu liegen.

Da die dipolaren Exzisionsfelder mit Frequenzen variieren, die mit den entsprechenden Makrobewegungsfrequenzen überein­ stimmen, schwingen die Zielionen in Phase zu den zusätzli­ chen Antriebsfeldern und werden somit von dem Ionenstrahl weggetrieben. Dieses Verfahren ist in Fig. 6 dargestellt. Aus Klarheitsgründen ist nur eine Exzisionsfrequenz (zum Entfernen eines Zielions) beschrieben. Es ist offensicht­ lich, daß mehrere Exzisionsspannungen mit unterschiedlichen Exzisionsfrequenzen genauso implementiert werden können.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Bewegung eines Ions, während es entlang der Quadrupolanordnung läuft. Das Exzisionsfeld erzeugt eine Kraft, die abhängig von der Io­ nenposition in dem Quadrupol entweder gleichsinnig oder ge­ gensinnig zu der augenblicklichen transversalen Makrobewe­ gung ist. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Spitzen 324A und 324B Spitzen des Wegs (durch die Kurve ABCDEF dar­ gestellt), der von einem Zielion aufgrund der Makrobewegung, die durch das von der HF-Quadrupolspannung erzeugte wirksame Potential bewirkt wird, durchlaufen wird. F1, F2, usw. sind Pfeile, die die Richtungen von Kräften darstellen, die durch das Dipolfeld der Exzisionsspannung erzeugt werden (z. B. zwischen den Elektroden 12 und 16). An Abschnitten B und C des Makrobewegungswegs verstärkt die Antriebskraft (durch den Pfeil F1 dargestellt) von dem elektrischen Feld, das durch die Exzisionsspannung (die zwischen den Elektroden 12 und 16 angelegt ist) erzeugt wird, die Makrobewegung und treibt das Ion von der Elektrode 16 weg und zu der Elektrode 12 hin. An Abschnitten D und E des Makrobewegungswegs resul­ tiert das elektrische Feld, das durch die dipolare Exzisi­ onsspannung (die zwischen den Elektroden 12 und 16 angelegt ist) erzeugt wird, nun in Kräften (die durch den Pfeil F2 dargestellt sind), die ebenfalls die (nun umgekehrte) Ionen­ makrobewegung in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil F1 verstärken.

Ein ähnliches Schema des Dipolfeldes und der Kräfte ist ebenfalls zwischen den Elektroden 14 und 18 aufgrund der HF-Quadrupolspannung und der anderen Exzisionsspannung (wel­ che zwischen den Elektroden 14, 18 angelegt ist) vorhanden. Auf diese Art und Weise verstärken die Exzisionsfelder durch Verwenden von Exzisionsfrequenzen, welche beide bei der Ma­ krobewegungsfrequenz eines unterschiedlichen zu exzisieren­ den Zielions liegen, die divergierenden (transversalen) Kom­ ponenten der Makrobewegung der Zielionen (die Exzisionsfel­ der sind synchron zu den divergierenden Komponenten), wo­ durch bewirkt wird, daß diese transversalen Makrobewegungen anwachsen. Wenn die Amplitude der transversalen Makrobewe­ gung groß genug wird, wird jedes Zielion eine Elektrode treffen, bevor dasselbe aus dem Quadrupol austritt, wodurch es von dem Ionenstrahl beseitigt wird.

Der tatsächliche Betrieb eines massenselektiven Mehrkerben­ filters gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Verwen­ dung eines Computerprogramms simuliert werden. Um die Aus­ wirkung des Anlegens von Exzisionsfeldern zu simulieren, werden Ausdrücke V₁^ex und V₂^ex zu den Ionenbewegungsglei­ chungen hinzugefügt, was in folgenden Gleichungen resul­ tiert:

V₁^ex und V₂^ex sind die Amplituden der angelegten Exzisions­ felder. ω₁ und ω₂ sind die Makrobewegungsfrequenzen der Zielionen, die "exzisiert" werden sollen. Fig. 7A zeigt ty­ pische Ergebnisse von Exzisionssimulationen. Dieses Quadru­ polmehrkerbenfilter weist eine Länge von 15 cm auf. Ein Ex­ zisionsfeld, welches die Frequenz aufweist, die geeignet ist, um Ionen mit einem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von 40 m/z zu beseitigen, und ein Exzisionsfeld, welches die Fre­ quenz aufweist, die geeignet ist, um Ionen mit einem Masse- zu-Ladungs-Verhältnis von 17 m/z zu beseitigen, werden an das Quadrupol auf eine orthogonale Art und Weise gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt. Auf diese Art und Weise wird eine Exzisionsspannung an ein Paar von gegenüberliegen­ den Elektroden angelegt, während die andere Exzisionsspan­ nung an das andere Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird (d. h. die Dipolfelder sind in einer zueinander senkrechten Art und Weise vorhanden). Dieser Graph zeigt den Durchsatz des Filters (d. h. den Anteil der Ionen mit einem speziellen Masse-zu-Ladungs-Verhältnis, der durchgelassen wird). Das Filter schafft eine exzellente Sperrung in den Übertragungskerben und eine vollständige Übertragung aller Nicht-Zielionen (d. h. dasselbe überträgt alle Ionen mit Aus­ nahme von denen, die bei den Kerben mit spezifizierten Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen von 17 m/z und von 40 m/z angeordnet sind, wie es durch die Kerbe 17P bzw. durch die Kerbe 40P dargestellt ist).

Fig. 7B zeigt die Kerbe bei 40 m/z von Fig. 7A detaillier­ ter. Im Vergleich zu den Ergebnissen von Fig. 7A, welche für die orthogonale Dipolexzisionsfeldkonfiguration stehen, zeigt die durchgezogene Kurve 40T den Durchsatz in einem Zweifachkerbenfilter mit "Dipolfeldern in der parallelen Konfiguration", d. h. bei der beide Exzisionsspannungen an daßelbe Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt sind (wodurch die Dipolfelder zueinander parallel sind). Ei­ ne solche parallele Dipolfeldkonfiguration kann durch Ent­ fernen der Exzisionsspannungsquelle 120C und der Frequenz­ auswahlschaltung 121A von dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 8 gezeigt ist, implementiert werden (Fig. 8 wird nach­ folgend beschrieben). Die gestrichelte Kurve 40B zeigt den Durchsatz eines Zweifachkerbenfilters mit orthogonalen Di­ polfeldern (diese Kurve entspricht der in Fig. 7A gezeigten Kurve). Es wurde herausgefunden, daß die orthogonale Dipol­ feldkonfiguration tiefere Kerben erzeugt, die einen gerin­ geren Durchsatz bei der Zielmasse als bei einer parallelen Dipolfeldkonfiguration ermöglicht. Die orthogonale Dipol­ feldkonfiguration ist in der Lage, einen Durchsatz kleiner als 2×10^-4 in den Kerben zu erzeugen. Das weniger effektive Wesen der Kerbe in der parallelen Dipolfeldkonfiguration ist aufgrund einer Interferenz der Exzisionsverfahren der beiden parallelen Dipolexzisionsfelder vorhanden. Die theoretische Beschreibung ist gegeben, um das Verständnis der vorliegen­ den Erfindung zu erleichtern. Es ist offensichtlich, daß das Mehrkerbenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung basierend auf der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, und daß dasselbe nicht von irgendeiner speziellen Theorie ab­ hängt.

Optimierung des massenselektiven Mehrkerbenfilters

Bei dem Mehrkerbenfilter dieser Erfindung ist die effektive Länge des Filters ein wichtiger Parameter zur Maximierung. Eine lange Interaktionszeit erlaubt die Verwendung von schwächeren Exzisionsfeldern, um die gleiche Kerbentiefe (die gleiche Zielionensperrung) zu erhalten. Schwächere Ex­ zisionsfelder ergeben eine Kerbenbreite, die kleiner ist, da die nicht-resonanten Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse während ihrer kurzen Perioden des Synchronismus mit den Exzisions­ feldern weniger beeinträchtigt werden, während sie in und aus der Phasenkohärenz gehen. Das Verhalten wird durch Maxi­ mieren der effektiven Länge des Mehrkerbenfilters auf die folgenden Arten und Weisen optimiert:

• (1) Maximiere die physische Länge der Quadrupolstruktur. Heutzutage existieren kommerzielle Quadrupole mit Län­ gen in der Größenordnung von 15 cm.
• (2) Maximiere die Makrobewegungsfrequenz. Dies erhöht die Anzahl von Perioden, in denen das Exzisionsfeld arbei­ ten kann. Dies wird durchgeführt, indem zuerst ange­ merkt wird, daß eine Begrenzung vorhanden ist, indem gefordert wird, daß die Massengrenze des Quadrupols unter dem interessierenden Massenbereich liegt. Der Massengrenzen-Ausdruck wird aus der Gleichung für den vorher erwähnten Parameter "q" und aus dem Stabilitäts­ diagramm in Fig. 2 erhalten. Da die Grenze zwischen stabilen und instabilen Trajektorien bei q = 0,909 auftritt, lautet die Massengrenze (oder "mass cut-off") folgendermaßen: Dies legt das Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz der HF-Spannung fest, um einen spezifischen Massengrenzen-Wert zu erhalten. Das Verwenden dieser Beziehung in der Gleichung für die Ionenmakrobewegungs­ frequenz ergibt folgende Gleichung: Dies zeigt, daß es wünschenswert ist, um die HF-Quadru­ polfrequenz innerhalb der Massegrenzenbegrenzung zu ma­ ximieren, um die Makrobewegungsfrequenzen und somit die wirksame Länge des Mehrkerbenfilters zu maximieren.

Sobald die maximal erreichbare HF-Quadrupolfrequenz ausge­ wählt ist und die Makrobewegungsfrequenzen der Ziel- (der unerwünschten) Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse unter Verwen­ dung der obigen Gleichungen berechnet sind, können die Exzi­ sionsfelder bei den Makrobewegungsfrequenzen angelegt wer­ den. Der Wert der Amplitude des Exzisionsfelds wird ausge­ wählt, um die Sperrung in einer Kerbe zu maximieren, ohne die Breite der Kerbe über das erlaubte eine m/z zu verbrei­ tern (die Trennung von dem nächsten "Nicht-Ziel"-Ion). Dies kann für jedes Zielion durchgeführt werden.

Da zwei oder mehr Zielionenspezies (jedes mit einem unter­ schiedlichen Masse-zu-Ladungs-Verhältnis) gleichzeitig exzi­ siert werden können, kann für jedes Zielion eine Exzisions­ spannung hinzugefügt werden, und zwar mit der Exzisionsfre­ quenz, die der einzelnen Makrobewegungsfrequenz entspricht. In diesem Fall werden vorzugsweise Exzisionsspannungen für benachbarte (d. h. unmittelbar angrenzende) Kerben an zwei verschiedene Sätze von gegenüberliegenden Elektroden auf ei­ ne orthogonale Art und Weise angelegt werden. Fig. 8 zeigt beispielsweise die schematische Darstellung eines Mehrker­ benfilters 400 mit drei Kerben, wobei ω₁, ω₂ und ω₃ Exzi­ sionsfrequenzen sind, die Kerben mit ansteigenden Masse-zu- Ladungs-Verhältnissen entsprechen. Die Exzisionsspannungs­ quellen für benachbarte Frequenzen ω₁ und ω₂ sind orthogonal konfiguriert, wie es auch die Exzisionsspannungsquellen für die benachbarten Frequenzen ω₃ und ω₂ sind. Die Exzisions­ spannungsquellen für die Frequenzen ω₁ und ω₃ sind jedoch in einer parallelen Konfiguration. Es ist offensichtlich, daß, wenn mehr als drei Kerben in dem Filter implementiert werden sollen, die Exzisionsspannungsquellen auf eine analoge Art und Weise angeordnet werden können.

Claims (17)

1. Mehrkerbenfilter (100) zum selektiven Entfernen von zu­ mindest zwei unterschiedlichen Zielionen, von denen je­ des ein unterschiedliches spezifisches Masse-zu-La­ dungs-Verhältnis aufweist, von einem Ionenstrahl (132), mit folgenden Merkmalen:

• (a) einem Quadrupol (110) mit einem Einlaßende (122) und einem Auslaßende (124), derart, daß der Ionen­ strahl (132) gerichtet werden kann, um von dem Einlaßende (122) zu dem Auslaßende (124) zu lau­ fen, wobei das Quadrupol (110) zwei Paare von pa­ rallelen Elektroden (12, 16; 14, 18) aufweist, die angepaßt sind, um in dem Quadrupol schwingende Spannungen aufzuweisen, wobei jedes Paar (12, 16; 14, 18) zwei gegenüberliegende parallele Elektro­ den mit gleicher Spannung aufweist, und wobei ein Paar eine schwingende Spannung aufweist, die zu der des anderen Paares um 180° phasenverschoben ist, wenn eine HF-Quadrupolspannung bei einer HF-Quadrupolfrequenz zwischen die beiden Elektroden­ paare angelegt wird; und
• (b) einer Leistungsversorgung (120A, B, C; 121A, B), die mit dem Quadrupol elektrisch verbunden ist, zum Treiben der schwingenden Spannung des Quadru­ pols, welche in der Lage ist, eine schwingende Spannung zu erzeugen, die eine Kombination ist, die die HF-Quadrupolspannung zwischen den beiden Elektrodenpaaren, eine erste Exzisionsspannung bei einer ersten Exzisionsfrequenz (ω₁) zwischen einem Paar der gegenüberliegenden Elektroden und eine zweite Exzisionsspannung bei einer zweiten Exzi­ sionsfrequenz (ω₂) zwischen dem anderen Paar der gegenüberliegenden Elektroden aufweist, derart, daß die HF-Quadrupolspannung bewirkt, daß Ionen über einem ausgewählten Masse-zu-Ladungs-Verhält­ nis in dem Ionenstrahl entlang des Quadrupols von dem Einlaßende zu dem Auslaßende geleitet werden, wobei die erste Exzisionsspannung bewirkt, daß ein erstes Zielion in Resonanz gerät und von dem Io­ nenstrahl entfernt wird, bevor es aus dem Quadru­ pol austritt, wohingegen die zweite Exzisionsspan­ nung bewirkt, daß ein zweites Zielion in Resonanz gerät und von dem Ionenstrahl entfernt wird, bevor dasselbe aus dem Quadrupol austritt.

2. Mehrkerbenfilter gemäß Anspruch 1,
bei dem jedes der Zielionen eine unterschiedliche domi­ nante Resonanzfrequenz als Reaktion auf die HF-Quadru­ polspannung aufweist, und
bei dem die Leistungsversorgung angepaßt ist, um das Quadrupol mit Exzisionsspannungen zu treiben, von denen jede eine Frequenz bei einer unterschiedlichen dominan­ ten Resonanzfrequenz aufweist.

3. Mehrkerbenfilter gemäß Anspruch 2, bei dem immer zwei der Exzisionsspannungen, welche bei zwei benachbarten dominanten Frequenzen sind, an zwei unterschiedlichen Paaren (12, 16; 14, 18) der gegen­ überliegenden Elektroden angelegt werden.

4. Mehrkerbenfilter gemäß einem beliebigen der vorherge­ henden Ansprüche, bei dem die Leistungsversorgung eine Mehrzahl von Os­ zillatoren (120A, 120B, 120C) zum getrennten Treiben der HF-Quadrupolspannung und jeder Exzisionsspannung aufweist.

5. Mehrkerbenfilter gemäß einem beliebigen der vorherge­ henden Ansprüche, bei dem frequenzselektive Schaltungen (121A, 121B) in demselben vorhanden sind, um einen Oszillator, der die HF-Quadrupolspannung treibt, von Oszillatoren, die die Exzisionsspannungen treiben, zu trennen.

6. Mehrkerbenfilter gemäß einem beliebigen der vorherge­ henden Ansprüche,
bei dem mehr als zwei Exzisionsspannungen an die Elek­ troden (12, 16; 14, 18) angelegt sind, und
bei dem die Leistungsversorgung einen ersten (120B), einen zweiten (120C) und einen dritten (120D) Oszilla­ tor aufweist, welcher die erste, die zweite bzw. die dritte Exzisionsspannung treibt, um das erste, das zweite bzw. das dritte Zielion zu entfernen, wobei das erste, das zweite und das dritte Zielion benachbarte dominante Resonanzfrequenzen in ansteigender Reihenfol­ ge unter allen zu entfernenden Zielionen aufweisen, wo­ bei der erste und der dritte Oszillator jeweils einen Spannungsauslaßanschluß aufweisen, wobei der Spannungs­ auslaßanschluß des ersten (120B) und der Spannungsaus­ laß des dritten Oszillators (120D) seriell verbunden sind, um ihre Exzisionsspannungen als eine Überlagerung zwischen ein Paar (14, 18) der gegenüberliegenden Elek­ troden anzulegen, während der zweite Oszillator (120C) die zweite Exzisionsspannung zwischen das andere Paar (12, 16) der gegenüberliegenden Elektroden anlegt.

7. Verfahren zum selektiven Entfernen von zumindest zwei unterschiedlicher Zielionen mit unterschiedlichen spezifischen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen von einem Ionenstrahl (132), mit folgenden Schritten:
Treiben der Spannung von vier parallelen Elektroden (12, 14, 16, 18) eines Quadrupols als zwei Paare (12, 16; 14, 18), wobei jedes Paar zu dem anderen Paar um 180° phasenverschoben ist, wenn eine schwingende HF-Quadrupolspannung an das Quadrupol angelegt ist, der­ art, daß jedes Paar aus zwei gegenüberliegenden Elek­ troden (12, 16 oder 14, 18) besteht, welche die gleiche Spannung aufweisen,
Treiben der Spannung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden eines der Paare mit einer ersten Exzisions­ spannung bei einer ersten Frequenz; und
Treiben der Spannung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden des anderen der Paare mit einer zweiten Ex­ zisionsspannung bei einer zweiten Frequenz, wobei die HF-Quadrupolfrequenz (Ω) ausgewählt ist, um zu bewir­ ken, daß Ionen über einem ausgewählten Masse-zu-La­ dungs-Verhältnis entlang des Quadrupols geführt werden, wobei die erste Exzisionsfrequenz (ω₁) ausgewählt ist, um zu bewirken, daß das erste Zielion in Resonanz gerät und von dem Ionenstrahl entfernt wird, während die zweite Exzisionsfrequenz (ω₂) ausgewählt ist, um zu be­ wirken, daß das zweite Zielion in Resonanz gerät und von dem Ionenstrahl entfernt wird, bevor dasselbe aus dem Quadrupol austritt, wobei der Ionenstrahl gerichtet ist, um von einem Einlaßende zu einem Auslaßende des Quadrupols zu laufen.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Exzisionsfrequenzen derart ausgewählt sind, daß für jedes der unterschiedlichen Zielionen (von de­ nen jedes eine unterschiedliche Makrobewegungsfrequenz als Reaktion auf die HF-Quadrupolspannung aufweist) ei­ ne der Exzisionsspannungen das Zielion synchron treibt, um transversale Augenblicksmakrobewegungskomponenten des Zielions zu verstärken.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8,
bei dem jedes der unterschiedlichen Zielionen eine un­ terschiedliche dominante Resonanzfrequenz als Reaktion auf die HF-Quadrupolspannung aufweist, und
bei dem die Frequenzen der Exzisionsspannungen ausge­ wählt sind, um bei unterschiedlichen dominanten Reso­ nanzfrequenzen zu sein.

10. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, das ferner das Maximieren der Anzahl von Schwingungs­ perioden aufweist, die ein Ion unterläuft, bevor es das Quadrupol verläßt.

11. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 10, das ferner das Auswählen eines Grenz-Masse-zu-Ladungs- Verhältnisses und das Auswählen einer im wesentlichen maximalen Frequenz für die HF-Quadrupolfrequenz inner­ halb der Begrenzungen des ausgewählten Grenz-Masse-zu- Ladungs-Verhältnisses aufweist.

12. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 11, bei dem unterschiedliche Oszillatoren (129A, 120B, 120C) verwendet werden, um die HF-Quadrupolspannung und die Exzisionsspannungen zu treiben.

13. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 12, bei dem unterschiedliche Oszillatoren zum Treiben der HF-Quadrupolspannung und jeder Exzisionsspannung ver­ wendet werden, wobei das Verfahren ferner das Trennen des Oszillators, der die HF-Quadrupolspannung aufweist, von den Oszillatoren, die die Exzisionsspannungen trei­ ben, aufweist.

14. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 13, das ferner das Emittieren eines Ionenstrahls aus einer Ionenquelle aufweist.

15. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 14, das ferner das Erfassen von Ionen, die das Quadrupol verlassen, aufweist.

16. Verfahren zum Herstellen eines Mehrkerbenfilters zum selektiven Entfernen von zumindest zwei unterschiedli­ chen Zielionen mit unterschiedlichen spezifischen Mas­ se-zu-Ladungs-Verhältnissen von einem Ionenstrahl (132), mit folgenden Schritten:

• (a) Verbinden von zwei parallelen Elektroden (12, 16; 14, 18), die einander gegenüber liegen, als ein erstes Paar (12, 16) in einem Quadrupol (110), um eine elektrische Hochfrequenzverbindung zwischen denselben zu schaffen, und Verbinden von zwei an­ deren parallelen Elektroden, die einander gegen­ über liegen, als ein zweites Paar (14, 18) in dem Quadrupol, um eine elektrische Hochfrequenzverbin­ dung zwischen denselben zu schaffen; und
• (b) Verbinden einer Leistungsversorgung (120A, B, C; 121A, B) mit dem Quadrupol (110), der vier paral­ lele Elektroden aufweist, die aus zwei Paaren von gegenüberliegenden Elektroden bestehen, zum Trei­ ben einer schwingenden Spannung auf dem Quadrupol, wobei die Leistungsversorgung in der Lage ist, ei­ ne schwingende Spannung zu erzeugen, welche eine Kombination ist, die eine HF-Quadrupolspannung, welche in einem gleichen Potential auf den gegen­ überliegenden Elektroden (12, 16; 14, 18) in jedem Paar resultiert, und welche darin resultiert, daß ein Paar (12, 16) zu dem anderen Paar (14, 18) be­ züglich der HF-Quadrupolspannung um 180° phasen­ verschoben ist, eine erste Exzisionsspannung und eine zweite Exzisionsspannung aufweist, wobei die Leistungsversorgung ferner in der Lage ist, die erste Exzisionsspannung bei einer ersten Exzisi­ onsfrequenz (ω₁) zwischen einem Paar (14, 18) der gegenüberliegenden Elektroden zu erzeugen, derart, daß die Elektroden (14, 18) in dem Paar zueinander bezüglich der ersten Exzisionsspannung um 180° phasenverschoben sind, und wobei dieselbe ferner in der Lage ist, die zweite Exzisionsspannung bei einer zweiten Exzisionsfrequenz (ω₂) zwischen dem anderen Paar (12, 16) der gegenüberliegenden Elek­ troden zu erzeugen, derart, daß bezüglich der zweiten Exzisionsspannung die Elektroden (12, 16) in dem anderen Paar zueinander um 180° phasenver­ schoben sind, derart, daß die HF-Quadrupolspannung ein Feld erzeugt, das darin resultiert, daß Ionen über einem ausgewählten Masse-zu-Ladungs-Verhält­ nis entlang des Quadrupols (110) geführt werden, wobei die erste Exzisionsspannung bewirkt, daß ein erstes Zielion in Resonanz gerät und von dem Io­ nenstrahl (132) entfernt wird, während die zweite Exzisionsspannung bewirkt, daß ein zweites Zielion in Resonanz gerät und von dem Ionenstrahl entfernt wird, bevor dasselbe aus dem Quadrupol austritt, wobei der Ionenstrahl gerichtet ist, um von einem Einlaßende zu einem Auslaßende des Quadrupols zu laufen.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem unterschiedliche Oszillatoren zum Treiben der HF-Quadrupolspannung und zum Treiben jeder der Exzisi­ onsspannungen verbunden sind, und das Verfahren ferner das Trennen des Oszillators, der die HF-Quadrupolspan­ nung treibt, von den Oszillatoren, die die Exzisions­ spannungen treiben, mit frequenzselektiven Kopplungs­ schaltungen, aufweist.