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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von sich im Wesentlichen entlang einer Bahn bewegender elektrisch geladener Teilchen bezüglich ihrer kinetischen Energie. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Energiefilter zur Trennung von sich im Wesentlichen entlang einer Bahn bewegender elektrisch geladener Teilchen bezüglich ihrer kinetischen Energie. Bei den elektrisch geladenen Teilchen handelt es sich beispielsweise um Ionen.
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Massenspektrometer erlauben die Untersuchung von Proben anhand der Masse der Atome oder Moleküle. Hierfür diskriminiert ein Massenseparator die Bestandteile der Probe in Abhängigkeit von der Masse bzw. vom Masse-zu-Ladung-Verhältnis.
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Als Beispiel wird in der
EP 2 506 287 A1 ein sogenannter synchronous ion shield Massenseparator offenbart, der über eine kammförmige Separationselektrode verfügt. Die Separationselektrode weist eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Zinken auf, die gegenüber einem Kammrücken einen Spalt bilden. Anstelle eines Kammrückens kann alternativ die gegenüberliegende Seite auch aus Zinken bestehen.
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Für die Messung wird das zu analysierende Probengas ionisiert. Die Ionen werden dann durch ein elektrisches Feld so beschleunigt, dass die Ionen in Abhängigkeit von ihrer Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, und werden anschließend in den Spalt des Massenseparators parallel zum Kammrücken eingebracht. Wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen einem Zinken und dem Kammrücken ein elektrisches Feld erzeugt, so werden die Ionen, die sich dort befinden, seitlich abgelenkt.
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Die einzelnen Zinken werden in Form einer Signalfolge abwechselnd mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so dass die feldfreien Zonen mit einer von der Taktfrequenz abhängigen Geschwindigkeit in Richtung des Ausgangs des Massenseparators wandern. Die Ionen, die über die gleiche Geschwindigkeit wie das Wanderfeld verfügen, verlassen den Separator, und die anderen Ionen werden zu den Elektroden abgelenkt und dort neutralisiert. Es passieren also nur Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis den Massenseparator.
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Werden die Ionen kontinuierlich erzeugt bzw. in den Massenseparator eingebracht, so kann es, während die Ionen den synchronous ion shield Massenseparator durchqueren, zu einer Dispersion der Energie kommen, die bei einer nachgeordneten Detektorvorrichtung zu einer schlechteren Auflösung führt.
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In diesem Zusammenhang ist es im Stand der Technik bekannt, Energiefilter zu verwenden (siehe z. B.
DE 691 18 492 T2 ). Dabei werden elektrostatische Sektorfelder verwendet, die nur von den Ionen einer voreingestellten Energie durchflogen werden, für die die Zentrifugalkraft gleich der elektrostatischen Zentripetalkraft ist.
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Nachteilig an einem solchen Energiefilter ist, dass nur ein Bruchteil der Ionen mit der richtigen Energie das Sektorfeld passiert, so dass die Signalausbeute deutlich reduziert ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energietrennung bzw. ein Energiefilter vorzuschlagen, die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Eigenschaften aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Bahn mindestens eine Energieschwelle erzeugt wird, indem durch mindestens eine elektrische Potentialdifferenz ein zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zur Bahn verlaufendes elektrisches Feld erzeugt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Trennung der elektrisch geladenen Teilchen – insbesondere Ionen eines Ionenstrahls – hinsichtlich ihrer kinetischen Energie. Die Teilchen bewegen sich dabei gegen ein elektrisches Feld und müssen eine elektrische Potentialdifferenz überwinden. Hierfür ist in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz eine gewisse kinetische Energie der Teilchen erforderlich. Daher können Teilchen mit einer kinetischen Energie oberhalb eines von der Potentialdifferenz abhängigen Grenzwertes die Schwelle passieren und die anderen Teilchen mit einer geringeren Energie werden durch die Schwelle abgeblockt.
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Die Potentialdifferenz wird in einer Ausgestaltung durch ein Elektrodenpaar als ein zu passierendes Tor bzw. Gate erzeugt. Liegt am Ort, von dem aus die Teilchen sich hin auf die Energieschwelle bewegen, ein elektrisches Potential Phi1 vor und liegt das Elektrodenpaar auf einem Potential Phi2, so ergibt sich als elektrische Spannung UGate der Energieschwelle die Potentialdifferenz UGate = Phi2 – Phi1.
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In einer Ausgestaltung wird eine zeitlich konstante Potentialdifferenz erzeugt. In diesem Fall passieren die Teilchen der Ladung q die Schwelle, wenn sie mindestens eine Energie E aufweisen, für die gilt: E = UGate·q.
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In einer Ausgestaltung erhöht oder erniedrigt sich die Potentialdifferenz in der Mitte des Tors durch Randeffekte, so dass eine Kalibrierung notwendig ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden zeitlich veränderliche Potentiale verwendet, wobei die Potentialdifferenz durch Integration des elektrischen Feldes entlang der Bahn der Teilchen ermittelt wird.
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Gegenüber anderen Energiefiltern zeigt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine deutlich erhöhte Ausbeute von nahezu 100%. Insbesondere wird verhindert, dass Teilchen unterhalb des Grenzwertes für die kinetische Energie die Energieschwelle bzw. damit das Energiefilter passieren.
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In einer Ausgestaltung wird mindestens ein Messwert für eine Anzahl der Teilchen hinter der mindestens einen Energieschwelle ermittelt. Aus dem Messwert ergibt sich, wie viele Teilchen die Energieschwelle passiert haben, und damit auch, wie viele Teilchen eine kinetische Energie aufweisen, die zumindest der mit der Potentialdifferenz verbundenen Energie entspricht.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Messwert für eine Anzahl der Teilchen hinter einer durch eine erste elektrische Potentialdifferenz erzeugten Energieschwelle ermittelt wird, dass ein Messwert für eine Anzahl der Teilchen hinter einer durch eine zweite elektrische Potentialdifferenz erzeugten Energieschwelle ermittelt wird und dass mindestens die zwei ermittelten Messwerte in Relation zueinander gesetzt werden. In einer Ausgestaltung werden die zwei Messwerte zueinander in Relation gesetzt, indem eine Differenz zwischen den zwei Messwerten ermittelt wird.
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In dieser Ausgestaltung erfolgen zumindest zwei Messungen, bei denen jeweils ein Maß für die Anzahl der Teilchen ermittelt wird, die jeweils eine – vorzugsweise andere – elektrische Potentialdifferenz überwunden haben. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Bahnabschnitt, an dem zwei unterschiedliche Energieschwellen durch zwei unterschiedliche Potentialdifferenzen erzeugt werden und der zeitlich hintereinander von zwei unterschiedlichen Gruppen von Teilchen durchquert wird. Für die Ausgestaltung ist eine gewisse Stabilität der Teilchenquelle oder zumindest ein bekanntes Verhalten vorteilhaft.
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Passieren die Teilchen eine Energieschwelle E1 und eine Energieschwelle E2, so ergibt sich aus der Differenz der ermittelten Messwerte ein Maß für die Anzahl der Teilchen, die eine Energie zwischen den beiden Werten E1 und E2 aufweisen.
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In einer Ausgestaltung dient mindestens eine Messvorrichtung der Ermittlung mindestens eines Messwerts und wird die mindestens eine Energieschwelle unter Anwendung der Messvorrichtung erzeugt. Handelt es sich in einer Ausgestaltung bei der Messvorrichtung um eine Messelektrode, so wird in dieser Ausgestaltung an die Messelektrode eine elektrische Spannung angelegt, durch die auch die Potentialdifferenz erzeugt wird.
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In einer Ausgestaltung werden die Teilchen zunächst – beispielsweise durch einen Massenseparator – bezüglich ihrer Masse getrennt, um dann gemäß einer der obigen Ausgestaltungen bezüglich ihrer kinetischen Energie getrennt zu werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung erhalten die Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse eine zugeordnete Energie bzw. Beschleunigung, um anschließend gemäß einer der obigen Ausgestaltungen bezüglich ihrer kinetischen Energie getrennt zu werden. Je nach Masse werden die Teilchen also mit einer zugeordneten Energie beaufschlagt, um dann in Abhängigkeit von der Energie voneinander getrennt zu werden.
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Gemäß einer weiteren Lehre wird die obige Aufgabe durch ein Energiefilter gelöst, das zumindest dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Referenzvorrichtung und eine Potentialvorrichtung vorgesehen sind. Die Referenzvorrichtung und die Potentialvorrichtung sind derartig ausgestaltet und angeordnet, dass sich durch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einem elektrischen Potential der Referenzvorrichtung und einem elektrischen Potential der Potentialvorrichtung ein zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zur Bahn verlaufendes elektrisches Feld als Energieschwelle ergibt.
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Das Energiefilter dient insbesondere der Umsetzung des oben beschriebenen Verfahrens.
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Die Referenzeinrichtung und die Potentialvorrichtung sind in einer Ausgestaltung als Elektrodenpaar ausgeführt, durch das die Bahn der Teilchen verläuft. Die Teilchen können dabei in einer Ausgestaltung die Potentialvorrichtung als Tor bzw. Gate passieren. In einer weiteren Ausgestaltung treffen die Teilchen auf der Potentialvorrichtung als Messelektrode auf. Alternativ dient eine Ringelektrode oder auch eine stromaufnehmende Elektrode als Tor.
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In einer Ausgestaltung ist mindestens eine Messvorrichtung zur Ermittlung einer Anzahl der Teilchen hinter der mindestens einen Energieschwelle vorhanden.
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In einer damit einhergehenden Ausgestaltung dient die Messvorrichtung als Potentialvorrichtung.
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In einer Ausgestaltung dient die Energieschwelle bzw. die Potentialvorrichtung als von den Teilchen zu passierendes Tor. Hierfür weist die Potentialvorrichtung mindestens einen Durchgang für die Teilchen auf.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Energiefilter einer massensensitiven Vorrichtung nachgeordnet ist. Die Massensensitivität besteht in einer Ausgestaltung darin, dass die Vorrichtung nur von Teilchen einer bestimmten Masse oder innerhalb eines vorgebbaren Massenbereichs durchquert wird. Alternativ werden die Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse mit einer bestimmten Energie beaufschlagt und erhalten daher entweder zu ihrer kinetischen Energie ein zugeordnetes Delta oder weisen insgesamt eine zugeordnete kinetische Energie auf.
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In einer Ausgestaltung ist der Energieseparator einem Massenseparator nachgeordnet. Bei dem Massenseparator handelt es sich in einer Ausgestaltung insbesondere um einen synchronous ion shield Massenseparator.
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Alternativ handelt es sich bei der massensensitiven Vorrichtung um eine Vorrichtung, die den Teilchen bzw. Ionen eine massenabhängige Energie zuordnet.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ist besonders vorteilhaft bei miniaturisierten Massenspektrometern einsetzbar, bei denen Randeffekte einen größeren Einfluss nehmen. Miniaturisierte elektrische Sektorfelder nach dem Stand der Technik erlauben dahingegen das Passieren nur eines Bruchteils der Teilchen der gewünschten Energie.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Energiefilter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 6 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Energiefilters mit einem Massenseparator und
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante eines Energiefilters mit dem Massenseparator.
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In der 1 ist eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Energiefilters 1 dargestellt.
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Angedeutet durch den Pfeil ist die Bahn 2 der elektrisch geladenen Teilchen innerhalb des Energiefilters 1, der entlang sich die Energieschwelle 3 befindet. Die Energieschwelle 3 wird dabei gebildet durch eine Referenzvorrichtung 4 und eine Potentialvorrichtung 5, die beide jeweils auf einem elektrischen Potential liegen. Die Potentiale sind dabei so gewählt, dass sich eine Potentialdifferenz ergibt, die wiederum zu einem elektrischen Feld im Wesentlichen parallel zur Bahn 2 führt. Die Teilchen bewegen sich dabei gegen die Potentialdifferenz und werden insbesondere nicht beschleunigt.
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Die Referenzvorrichtung 4 und die Potentialvorrichtung 5 sind beide als Elektroden ausgestaltet, durch die sich die Teilchen hindurch bewegen können. Der Durchgang 6 in der Potentialvorrichtung 5 trägt insbesondere dazu bei, dass das Energiefilter 1 als Tor für die Teilchen fungiert. Dabei passieren nur die Teilchen das Tor bzw. Gate, deren kinetische Energie gleich oder oberhalb der Energiegrenze liegt, die sich aus der Potentialdifferenz und der Ladung der Teilchen ergibt.
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Die Teilchen, deren elektrische Energie für das Passieren der Potentialvorrichtung 5 ausreichend ist, treffen auf die Messvorrichtung 7.
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Die Teilchen werden durch einen Massenseparator 8 in Bezug auf ihre Masse separiert, bevor sie in das Energiefilter 1 gelangen. Dabei handelt es sich um einen synchronous ion shield Massenseparator.
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Die Ionen einer Probe bewegen sich hindurch zwischen zwei einander gegenüberliegenden Kammstrukturen aus aufeinander folgenden Elektroden. Durch das Beaufschlagen der Elektroden mit elektrischer Spannung werden Felder zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden erzeugt, durch die die Ionen seitlich abgelenkt werden. Die Zinken der Kammstrukturen werden abwechselnd mit Spannung beaufschlagt. Dies geschieht mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, mit der eine Geschwindigkeit verbunden ist, mit der sich wiederum eine feldfreie Zone durch den Massenseparator 8 bewegt. Ionen, die über eine Geschwindigkeit verfügen, die der Geschwindigkeit der feldfreien Zinkenpaare entspricht, erfahren keine Ablenkung und verlassen den Massenseparator 8. Andere Ionen werden zu den Elektroden abgelegt und dort neutralisiert.
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In der 2 ist eine zweite Variante des Energiefilters 1 gezeigt, in der die Messvorrichtung 7 und die Potentialvorrichtung 5 in einer Messelektrode zusammenfallen.
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In dieser Ausgestaltung wird das elektrische Feld durch eine Referenzvorrichtung 4 in Form einer Elektrode mit einem Durchgang für die Teilchen und durch eine Messelektrode 5, 7 erzeugt. Die Messelektrode liegt daher auf dem elektrischen Potential, das die für die Grenzenergie erforderliche Potentialdifferenz ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2506287 A1 [0003]
- DE 69118492 T2 [0007]