AT505611A1 - Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von mehrfachladungen - Google Patents

Description

  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Reduzieren der Mehrfachladungen der Ionen eines ionisierten PartikelStromes mit elektrisch geladenen Teilchen eines weiteren Partikelstromes sowie eine Vorrichtung dafür.
Bei massenspektrometrischen Verfahren, wie einer 2D oder 3D-Ionenfalle (ion trap (IT)), einem Ionencyclotronresonanz (ion cyclotron resonance (ICR) )-Analysator, einem OrbitrapAnalysator oder einem Flugzeit (time-of-flight (TOF) )-Analysator wird zur Herstellung der zu analysierenden polaren, thermolabilen und evtl. hochmolekularen Moleküle häufig Elektrosprayionisation (ESI) oder Desorptionselektrosprayionisation (DESI) verwendet. ESI und DESI gehören zu den Verfahren, bei denen die Erzeugung der Ionen unter Atmosphärendruck stattfindet.

   Dies sind die bevorzugten Desorption/Ionisationsverfahren zur Analyse von Biomolekülen, Biopolymeren und Polymeren, da sie sehr schonend für die Analytmoleküle sind und kaum zu Fragmentierung führen. Ausserdem sind sie auch für die Desorption/Ionisierung sehr grosser Moleküle, wie z.B. Proteine oder Polymere, sehr gut geeignet.
Anwendungsgebiete für ESI und DESI sind z.B. die Bestimmung der exakten Molekülmasse, die Strukturanalyse von Proteinen (z.B. Sequenzierung), Oligosacchariden, bioaktiven organischen Molekülen und Oligonukleotiden, Arzneistoffen, Pestiziden u.a. kleinen Molekülen sowie die quantitative Bestimmung von derartigen Molekülen.
Bei der ESI wird eine Analytlösung durch eine Metallkapillare geleitet, an der eine Spannung angelegt ist.

   Durch die Spannung kommt es zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Spitze der Kapillare und einer Gegenelektrode. Das elektrische Feld durchdringt die Analytlösung und in ihr befindliche Ionen bewegen sich elektrophoretisch auf die Gegenelektrode zu. Dabei bildet sich an der Spitze der Kapillare ein Überschuss gleichartig geladener Ionen, die sich gegenseitig abstossen und über die Bildung eines Taylor-Kegels als fei nes Aerosol (ca. 1 nm bis 10 um Tropfengrösse) aus der Kapillare austreten. Ein neutrales Trägergas wie Stickstoff wird häufig benutzt um die Vernebelung der Lösung und die Verdampfung des Lösungsmittels zu unterstützen. Aufgrund der Verdampfung des Lösungsmittels verkleinert sich die Tropfengrösse, während die Dichte des elektrischen Feldes auf der TropfenOberfläche zunimmt. Wenn der Radius der Tropfen kleiner als das sog.

   Rayleigh-Limit wird, zerfallen die Tropfen wegen der Abstossung von gleichartigen Ladungen (Coulomb-Explosionen) in kleinere Tröpfchen. Für die Bildung freier Ionen in der Gasphase existieren mehrere Modellvorstellungen. Das Charge Residue Model (CRM, Modell des geladenen Rückstands) geht davon aus, dass letztlich winzige Tropfen von wenigen nm Durchmesser übrig bleiben, die nur ein ionisiertes Analytmolekül enthalten. Beim Ion Evaporation Model (IEM, Ionenemissionsmodell) wird angenommen, dass bereits aus grösseren geladenen Tropfen freie Ionen in die Gasphase emittiert werden. Die erzeugten Ionen werden durch die Potentialdifferenz zwischen Spraykapillare und Orificium in das Massenspektrometer gelenkt.
Bei der DESI wird eine Lösung durch eine Metallkapillare geleitet, an der eine Spannung angelegt ist.

   Durch die Spannung kommt es zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Spitze der Kapillare und einer Gegenelektrode, die die Probe trägt oder die selbst das Material der Gegenelektrode darstellt. Das elektrische Feld generiert geladene Lösungsmitteltröpfchen/cluster, die auf der Gegenelektrode einschlagen und dort zur Desorption/Ionisation von auf der Oberfläche befindliche Analytmolekulen führt (Sekundarionenstrahl). Dabei werden gleichartige, meist mehrfach geladene Analytionen (geladene Partikel) in die Gasphase transferiert. Die erzeugten Ionen werden durch eine Potentialdifferenz und Saugwirkung zwischen Trägeroberfläche und Orificium oder Transferkapillare in das Massenspektrometer gelenkt. Die Art der Spannung, die an der Kapillare angelegt wird, bestimmt den Ladungstyp der Ionen, die erzeugt werden.

   Durch eine positive Spannung werden positive geladene Ionen erzeugt und durch eine negative Spannung negativ geladene Ionen.
Bei ESI ebenso wie bei DESI treten die so hergestellten Ionen jedoch häufig in ganzzahlig vielfach geladenen Ladungszuständen des zu untersuchenden Partikels auf. Da die zu bestimmende Grösse in einem Massenspektrometer dem Quotienten Masse/Ladungszahl (m/z) entspricht, sind solche multiplen Ladungen im Messergebnis schwer auflösbar.
In der US 6,727,497 B2 wird daher für ESI in einem speziell geformten Interaktionsraum der zu untersuchende Partikelstrahl mit [alpha]-Strahlen beschossen um die multiplen Ladungen zu reduzieren.

   Um die Interaktionszeit in dem Interaktionsraum, welcher im Wesentlichen normal zur Einstrahlrichtung mit ladungsreduzierender Strahlung bestrahlt wird, zu erhöhen ist ein flaschenförmiger Behälter vorgesehen, wobei durch eine Vergrösserung des durchlaufenen Querschnitts die Flussgeschwindigkeit der zu untersuchenden Partikel abnimmt und bei einer flaschenhalsartigen Verjüngung (Düse) zum Austritt in Richtung des Massenspektrometers die Geschwindigkeit der Partikel wieder zunimmt.

   Dadurch wird die Interaktionszeit auf kleinem Raum erhöht, jedoch resultiert dies gleichzeitig in Beschleunigungen des Teilchens auch in Richtungen normal zu der Fortpflanzrichtung, wobei solche Beschleunigungen zu einer Variation der Eintrittsgeschwindigkeiten der Partikel/Ionen in das Massenspektrometer führen.
In der US 6,649,907 B2 wird für ESI als ladungsreduzierende Strahlung die Teilchenstrahlung eines Coronaentladers verwendet, wobei der Aufbau im Wesentlichen dem in der US 6,727,497 beschriebenen Aufbau entspricht.
Prinzipiell hängt die Polarität der ladungsreduzierenden Strahlung von der Polarität der zu untersuchenden Strahlung ab und soll ihr entgegengesetzt gewählt sein.

   Die Polarität der aus der Kapillare austretenden Ionen ist wiederum der an die Kapillare angelegten Spannung entgegengesetzt, folglich entspricht die Polarität der ladungsreduzierenden Strahlung in der Regel der an die Kapillare angelegten Spannung.
Ziel der Erfindung ist es nun bei gleicher oder besserer Ladungsreduktion der durch ESI oder DESI generierten Ionen, den Interaktionsraum so zu verkürzen, dass der Interaktionsraum jede beliebige Form annehmen kann, in bevorzugter Weise sogar von Wänden freigehalten werden kann und die Vorrichtung ohne Umbauten an bestehende Massenspektrometern vorgeschaltet werden kann. Weiters zielt die Erfindung darauf ab die Ausbeute an geladenen Teilchen, die in das Massenspektrometer eingeführt werden zu erhöhen und Diffusionsverluste, sowie Streuverluste zu vermeiden.

   Insbesondere für überaus kleine Teilchen mit Durchmessern im Nanometer Bereich sind beim Stand der Technik nur relativ geringe Ausbeuten und hohe Diffusionsverluste zu beobachten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren zum zumindest teilweisen Reduzieren der Mehrfachladungen der Ionen eines ionisierten Partikelstromes mit elektrisch geladenen Teilchen eines weiteren Partikelstromes so durchgeführt, dass die elektrisch geladenen Teilchen des weiteren Partikelstromes koaxial und/oder zur Achse des ionisierten Partikelstromes (im Falle von DESI Sekundärionenstrahls ) geneigt zugeführt werden.

   Durch diese Massnahme wird die Verweildauer der reduzierenden Partikel/Ionen in der Nähe der zu reduzierenden Partikel/Ionen erhöht und geringere Relativgeschwindigkeiten zwischen den Partikeln können erzielt werden, was zu einer besseren Ladungsreduktion auf geringerer Distanz führt. Streu- und Diffusionsverluste sind direkt proportional zu der durchflogenen Strecke vor Eintritt in das Orificium oder die Transferkapillare des Massenspektrometers und werden daher ebenfalls verringert. In bevorzugter Weise wird das Verfahren im Falle von ESI so durchgeführt, dass der weitere Partikelstrom spitzwinkelig zur Achse des ionisierten Partikelstromes unter Einschluss eines Winkels von 5[deg.] bis 60[deg.] vorzugsweise 15[deg.] bis 45[deg.] geführt wird.

   Im Falle von DESI wird eine Anordnung bevorzugter Weise gewählt, in der der Partikelstrom entsprechend spitzwinkelig zur Achse des ionisierten PartikelStromes (Sekundärionenstromes) geführt wird.
Zur Führung der zu untersuchenden Partikel in das Massenspektrometer wird bei dem Verfahren bevorzugter Weise die Blende (Orificium-tragende Blende oder Transferkapillare) des Massenspektrometers mit einer Polarität geladen, welche der Polarität der Ladung der Ionen entgegengesetzt ist.

   Die zu untersuchenden Ionen werden somit nach Austritt aus der Kapillare in Richtung des Massenspektrometers beschleunigt und treten durch das in der Blende angeordnete Orificium oder die Öffnung der Transferkapillare in das Massenspektrometer.
Das Massenspektrometer wird um Interaktion im Messbereich zu verhindern normalerweise auf einem niedrigen Druck gehalten, daher muss das Orificium oder der Transferkapillareninnendurchmesser äusserst klein gehalten werden um eine Gasdiffusion zwischen Ladungsreduktionsbereich und Messbereich im Massenspektrometer zu verhindern.

   Aufgrund dieser Druckdifferenz werden die Analyten in das Massenspektrometer gesaugt, weshalb das Orificium bzw. die Transferkapillare nicht genau getroffen werden muss.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist die Vorrichtung mit wenigstens einem Generator für elektrisch geladene Teilchen ausgestattet und der Generator für geladenen Teilchen weist eine Einrichtung zum gerichteten und/oder zu einer Hüllkurve geformten Ausstossen der Teilchen auf, welche eine koaxiale und/oder zur Strahlenachse der ionisierten Teilchen geneigte Strahlenachse aufweist.

   Dadurch, dass eine Einrichtung zum gerichteten Ausstossen der Teilchen vorgesehen ist, ist es möglich den Eintrittswinkel der ladungsreduzierenden Teilchen zu variieren und somit die Kopplung der beiden Teilchenstrahlen zu ändern.
Wenn die Ionenquelle von einer ESI oder DESI Quelle gebildet wird, tragen Ionen häufig mehrfache Ladungen und sollen somit bevorzugt ladungsreduziert werden.
In bevorzugter Weise ist die Vorrichtung so ausgebildet dass der Teilchenstrahler aus einem Coronaentlader, einer [alpha]Teilchenquelle oder dgl.

   gebildet wird.
In besonders bevorzugter Weise ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die [alpha]-Teilchenquelle aus einer<210>Po [alpha]-Teilchenquelle gebildet wird.
Um die Verweildauer der zu analysierenden Teilchen im Ladungsreduktionsraum zu verringern ist die Vorrichtung in einfacher Weise so ausgebildet, dass die Blende oder die Transferkapillare des Massenspektrometers mit einer Polarität geladen ist welche der Polarität der Ladung der Ionen entgegengesetzt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert.

   In dieser zeigen Fig. 1 den erfindungsgemässen Aufbau der Vorrichtung zur Ladungsreduktion für eine ESI Quelle, Fig. 2 ein Diagramm der Ladungzustandsverteilung vor und nach der erfindungsgemässen Ladungsreduktion und Fig. 3 den erfindungsgemässen Aufbau der Vorrichtung zur Ladungsreduktion für eine DESI Quelle.
In Fig. 1 ist mit 1 die Kapillare aus der der ESI Austrittsstrahl entspringt gekennzeichnet. Die ganzzahlig vielfach geladenen Ionen treten in Richtung des Pfeils 2 aus der Kapillare 1 aus und werden durch die gegensätzlich geladene Blende 3 beschleunigt und treten im Anschluss durch das Orificium bzw. die Transferkapillare 4 in das evakuierte Massenspektrometer. Der Bereich zwischen Kapillare 1 und Orificium 4 kann sich auf Atmosphärendruck befinden und entspricht dem Bereich, in dem die Ladungsreduktion durchgeführt wird.

   Mit 5 sind Teilchenquellen bezeichnet, deren Teilchen eine koaxiale Flugbahn zu dem ionisierten Partikelstrom aufweisen, und mit 6 sind Teilchenquellen bezeichnet, deren Teilchen eine Flugbahn aufweisen, die die Flugbahn des ionisierten Partikelstromes schneiden. Sowohl die Teilchenquellen 5 als auch die Teilchenquellen 6 sind bevorzugterweise rotationssymmetrisch um die Kapillare 1 angeordnet. Diese Teilchenquellen 5, 6 sind beispielsweise eine<210>Po [alpha]-Teilchenquelle oder ein Coronaentlader. Die Winkel [alpha] und ss können von 0[deg.] bis 89[deg.] gewählt werden.
Fig. 2 zeigt zwei Diagramme, wobei das obere die Ladungsverteilung einer Spezies vor der Ladungsreduktion zeigt und die Auswertung des Massenspektrometers nach der erfindungsgemässen Ladungsreduktion.

   Die x-Achse entspricht hier dem Masse/Ladungszahlquotienten und die y-Achse der Anzahl der gemessenen Partikel, wobei hier als das Peptid VRKRTLRRL als Spezies verwendet wurde. Es bilden sich daher Spitzen 7, 8, 9, 10 für die unterschiedlichen Ladungszustände desselben Partikels. Es ist eindeutig ersichtlich, dass vor der Ladungsreduktion eine besonders hohe Anzahl 4-fach geladener Teilchen auftritt (Spitze 8) und einige 3-fach geladene Teilchen (Spitze 9), jedoch sind die niedriger geladenen Ladungszustände auf dieser Skala nicht ersichtlich. Nach der erfindungsgemässen Ladungsreduktion ist die Spitze 8 relativ niedrig, da die Teilchen nun in geringerer Ladung vorliegen und somit wachsen relativ dazu die Spitzen 9 und 10.
In Fig. 3 ist die Anordung bei einer DESI Quelle dargestellt, wobei gleiche Teile wieder die gleichen Bezugszeichen besitzen.

   Der Primarionenstrahl 11, der aus der Kapillare 1 austritt, wird auf die Gegenelektrode bzw. den Probenträger 12 gerichtet, auf der die Probe bzw. der Analyt 13 ruht. Allerdings kann auch die Gegenelektrode 12 selbst den Analyt 13 darstellen. Die Teilchen, welche von der Oberfläche desorbiert (und auch ionisiert sind) werden, treten hauptsächlich in einem strichliert angedeuteten Konus 14 auf. Auf diesen Konus 14 sind die Teilchenquellen 6 ausgerichtet und in diesem Bereich tritt auch die Ladungsreduktion auf. In weiterer Folge treten die zu analysierenden Teilchen durch das Orificium bzw. die Transferkapillare 4 in den nicht dargestellten Massenspektrometer.

Claims (8)

> - 9 - P a t e n t a n s p r ü c h e :

1. Verfahren zum zumindest teilweisen Reduzieren der Mehrfachladungen der Ionen eines ionisierten Partikelstromes mit elektrisch geladenen Teilchen eines weiteren Partikelstromes, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch geladenen Teilchen des weiteren Partikelstromes koaxial und/oder zur Achse des ionisierten Partikelstromes geneigt zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Partikelstrom spitzwinkelig zur Achse des ionisierten Partikelstromes unter Einschluss eines Winkels von 5[deg.] bis 60[deg.] vorzugsweise 15[deg.] bis 45[deg.] geführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende oder Transferkapillare des Massenspektrometers mit einer Polarität geladen wird welche der Polarität der Ladung der Ionen entgegengesetzt ist.

4. Vorrichtung zum wenigstens teilweisen Reduzieren der Mehrfachladungen der Ionen eines ionisierten Teilchenstromes mit wenigstens einem Generator für elektrisch geladene Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator für geladenen Teilchen eine Einrichtung zum gerichteten und/oder zu einer Hüllkurve geformten Ausstossen der Teilchen aufweist, welche eine koaxiale und/oder zur Strahlenachse der ionisierten Teilchen geneigte Strahlenachse aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle von einer Elektrosprayionisationsquelle oder einer Desorptionselektrosprayionisationsquelle gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahler aus einem Coronaentlader, einer [alpha]-Teilchenquelle oder dgl. gebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die [alpha]-Teilchenquelle aus einer<210>Po [alpha]Teilchenquelle gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende oder Transferkapillare des Massenspektrometers mit einer Polarität geladen ist welche der Polarität der Ladung der Ionen entgegengesetzt ist.

Wien, am 14. November 2007

Universität Wien Technische Universität Wien durch:

Haffner <EMI ID=10.1>