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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Erzeugen von Ionen aus einer Elektrospray-Anordnung.
Bei einem Ausführungsbeispiel
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Massenspektrometersystem, dass
angepasst ist, um Ionen von einer geladenen Elektrospray-Anordnung über eine
Trennelektrode und in ein diskretes, getrenntes elektrisches Feld
zu liefern.
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Massenspektrometer,
die Atmosphärendruck-Elektrospray-Ionisierung
(ESI = Atmospheric Pressure Elektrospray Ionization) einsetzen,
haben sich als besonders nützlich
zum Erhalten von Massenspektren aus flüssigen Proben erwiesen und
weisen eine breite Anwendung auf. ESI wurde bei Quadrupol-, Magnet-
und Elektrosektor-, Fourier-Transformation-, Ionenfallen- und Flugzeit-Massenspektrometern
verwendet. Eine ESI-Massenspektrometrie (ESI-MS) wird häufig in
Verbindung mit einer Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC
= High Performance Liquid Chromatography) verwendet und kombinierte
HPLC/ESI-MS-Systeme werden häufig
bei der Analyse von polaren und ionischen Spezies verwendet, einschließlich biomolekularer Spezies.
ESI oder auch als eine MS-Schnittstelle mit einer Kapillarelektrophorese
(CE = Capillary Electrophoresis), einer superkritischen Fluidchromatographie
(SFC = Supercritical Fluid Chromatography) und einer Ionenchromatographie
(IC = Ion Chromatography) verwendet. ESI-MS-Systeme sind besonders nützlich zum
Obertragen von relativ nicht flüchtigen Verbindungen
mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Proteinen, Peptiden,
Nukleinsäuren, Kohlehydraten
und anderen zerbrechlichen oder thermisch labilen Verbindungen,
von der Flüssigphase
zu der Gasphase, während
die Verbindungen ebenfalls ionisiert werden.
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ESI
ist eine „weiche" oder „milde" Ionisierungstechnik,
die eine geladene Dispersion oder ein Aerosol bei oder nahe Atmosphärendruck
und typischerweise bei Umgebungstemperatur erzeugt. Da ESI im Allgemeinen
bei Umgebungstemperaturen wirksam ist, können labile und polare Proben
ohne eine thermische Verschlechterung ionisiert werden, und die
milden Ionisierungsbedingungen resultieren im Allgemeinen in wenig
oder keiner Fragmentierung. Typischerweise wird das Aerosol in einer
Ionisierungskammer durch ein Leiten der Lösungsmittel enthaltenden, flüssigen Probe
und des Analyts durch eine Elektrospray-Anordnung erzeugt, die einen elektrischen
Potentialgradienten unterliegt (in einem positiven oder negativen
Modus betrieben wird). Das elektrische Feld an der Nadelspitze lädt die Oberfläche der
austretenden Flüssigkeit,
die zu einem feinen Sprühnebel
oder Aerosol geladener Tröpfchen
dispergiert. Ein nachfolgendes Erwärmen und/oder eine Verwendung
eines inerten Trocknungsgases, wie beispielsweise Stickstoff oder
Argon, werden typischerweise eingesetzt, um die Tröpfchen zu
verdampfen und einen Lösungsmitteldampf
vor einer MS-Analyse
zu entfernen. Variationen bei ESI-Systemen setzen optional Zerstäuber ein,
wie beispielsweise bei pneumatischen, Ultraschall- oder thermischen „Unterstützungen", um eine Dispersion
und Einheitlichkeit der Tröpfchen
zu verbessern. Wenn einmal Ionen gebildet sind, werden dieselben
dann typischerweise für
eine Massenanalyse zu einem Detektor transportiert.
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Wenn
dasselbe mit einem herkömmlichen Massenspektrometer
gekoppelt ist, kann das integrierte System einen oder beide von
zwei Typen von Vakuumschnittstellen an dem Aufnahmeabschnitt des
Detektors, der Leitung und der Öffnungsplatte einsetzen.
Beide dienen dazu, die Menge Materie zu steuern, die in die Vakuumkammer
eintritt, so dass die Pumpe, die für ein Erzeugen eines Vakuums
verantwortlich ist, nicht überlastet
ist. Typischerweise hängt
der Typ einer Schnittstelle, der für irgendein Massenspektrometer
ausgewählt
ist, von dem Gesamtentwurf der Vorrichtung und den Bedin gungen ab,
unter denen Ionen erzeugt werden. Zum Beispiel können metallische oder dielektrische
Leitungen, wie beispielsweise diese mit einer axialen Bohrung von kapillaren
Abmessungen, bei einem Begrenzen der Anzahl von Molekülen, die
das Vakuum erreichen, und bei einem Liefern einer Direktionalität für einen Ionenfluss
nützlich
sein, wodurch ein Ionentransport bewirkt wird. Zusätzlich können Leitungen
angepasst sein, um eine Massenfiltration zu liefern, wodurch ein Hintergrundrauschen
entfernt wird. Die Leitungen können
erwärmt
werden, um eine Tröpfchentrocknung
weiter zu bewirken. Jedoch weisen auch Leitungen inherente Mängel auf.
Zum Beispiel ist eventuell der Gesamtionenfluss, der austritt, zu
gering für
eine Verwendung bei Multisequenz-Instrumenten.
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Die
Vakuumschnittstelle kann ferner eine Öffnung in einer Platte aufweisen,
die mit Bezug auf die Elektrospray-Anordnung geladen ist. Eine Öffnung in
einer Platte kann eine Lieferung einer großen Anzahl von Ionen für eine Massenerfassung
vorteilhaft ermöglichen,
wodurch dieselbe in einem starken Gesamtsignal für irgendeine spezielle Probe
resultiert. Ein derartiger hoher Ionenfluss ist bei Multisequenz-Instrumenten
nützlich.
Es gibt jedoch viele Mängel
bei einem Verwenden einer Platte, die eine Öffnung aufweist. Zum Beispiel
sind Trocknungswege für
einen Plattenentwurf typischerweise kürzer als für einen Entwurf, der eine Leitung
umfasst, und ein Trocknen ist deshalb schwieriger, wenn eine Platte anstelle
einer Leitung verwendet wird. Zusätzlich erfordert eine geladene
Platte gewöhnlich
eine nicht geerdete Elektrospray-Anordnung, was in einem möglichen
Schlag für
einen Benutzer des Instruments resultieren kann. Die Schlaggefahr,
die einem Verwenden einer geladenen Platte zugeordnet ist, ist unten
detaillierter beschrieben.
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Um
den elektrischen Potentialgradienten zu erzeugen, der benötigt wird,
um die Probe zu ionisieren, ist die Elektrospray-Anordnung von der
Vakuumschnittstelle isoliert, und entweder die Elektrospray-Anordnung,
die Vakuumschnittstelle oder beide sind geladen. Zusätzlich sind
viele Massenspektrometer, insbesondere diese, die eine Öffnungsplatte oder
eine Metallkapillare verwenden, entworfen, derart, dass die Vakuumschnittstelle
elektrisch mit ESI-Kammern verbunden ist, die aus Metallen gefertigt
sind. Metalle besitzen bevorzugte strukturelle und thermische Eigenschaften,
und eine Verwendung von Kunststoffen bei derartigen Kammern resultiert häufig in
einer chemischen Verunreinigung von einem Ausgasen. Ein Unterziehen
einer gesamten Ionisierungskammer einem Potential würde eine
teurere Leistungsversorgung erfordern, als ein bloßes Laden
der Elektrospray-Anordnung. Somit ist es typischerweise die Elektrospray-Anordnung,
die auf ein höheres
Potential mit Bezug auf den Rest des Massenspektrometers geladen
ist.
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Das
US-Patent Nr. 5,838,003 an Bertsch u. a. bezieht sich auf ein Massenspektrometriesystem, das
eine Elektrospray-Ionisierungskammer
aufweist, die eine asymmetrische Elektrode umfasst, wobei eine Elektrospray-Anordnung
beschrieben ist, die bei näherungsweise
Massepotential in Verbindung mit einer Kapillare betrieben werden
kann, die bei einer hohen Spannung betrieben wird. Weil das Gehäuse der
Kammer sich näherungsweise
bei Massepotential befindet, muss die Kapillare aus einem dielektrischen
Material gebildet sein oder elektrisch von dem Gehäuse isoliert
sein. Zusätzlich
entfernt eine Kapillare eventuell nachteilig Ionen, die sich durch
dieselbe bewegen, wobei die Anzahl von Ionen reduziert wird, die
verfügbar
sind, um ein Spektrum zu erzeugen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Ionisieren einer Probe und ein Verfahren zum Ionisieren einer Probe
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
16 gelöst.
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Folglich
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile
des Stands der Technik durch ein Schaffen einer neuen Vorrichtung
zu überwinden,
um Ionen für
eine Massenanalyse zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Ionen
durch eine Vakuumschnittstelle hindurch zu einer Vakuumkammer geliefert.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Vorrichtung
zu schaffen, die eine Elektrospray-Anordnung einsetzt, die eine
elektrische Feldregion erzeugt, die von einer zweiten elektrischen
Feldregion getrennt ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die eine Elektrospray-Anordnung verwendet,
die selektiv entworfen ist, um bei einer Spannung oder bei oder
nahe Massepotential betrieben zu werden, ungeachtet der Form der
Vakuumschnittstelle, z. B. einer Apertur in einer Platte, einer dielektrischen
oder metallischen Kapillare, etc.
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Zusätzliche
Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden zum
Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden zum Teil Fachleuten
auf dem Gebiet auf eine Untersuchung des Folgenden hin ersichtlich
oder können
durch Praxis der Erfindung erlernt werden.
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Bei
einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung dann auf eine
Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen für eine Massenanalyse. Die Vorrichtung
ist aus einer Ionisierungskammer gebildet, die eine erste Ionisierungsregion
und eine zweite Ionisierungsregion einschließt, wobei eine Trennelektrode die
erste und die zweite Region trennt, derart, dass eine elektrische
Trennung zwischen den zwei Regionen auftritt. Bei dieser Ausrichtung
durchlaufen die geladenen Tröpfchen,
die aus der Elektrospray-Anordnung emittiert werden, eine erste
elektrische Feldregion, werden über
die Trennelektrode transportiert und treten in die zweite elektrische
Feldregion ein, und werden Ionen, die in den geladenen Tröpfchen enthalten
sind, durch die erste elektrische Feldregion nicht beeinflusst,
die durch die Elektrospray-Anordnung erzeugt wird. Die erste elektrische
Feldregion kann durch einen Zerstäuber, der bei oder nahe Masse
wirksam ist, oder durch einen Zerstäuber erzeugt werden, der bei
einem Potential wirksam ist. In Gebrauch wird eine Probe in die
Ionisierungskammer von einer Elektrospray-Anordnung eingebracht und als geladene
Tröpfchen,
die Ionen enthalten, in die erste Ionisierungsregion entladen. Die
Trennelektrode ist ausreichend nahe an der Elektrospray-Anordnung angeordnet
und auf eine erste Elektrodenspannung eines ausreichend hohen Betrags
geladen, um einen Ionentransport durch die Ionisierungsregion hindurch
zu ermöglichen.
Die Trennelektrode kann aus einer ersten Elektrode oder aus einer
ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode gebildet sein, die
allein oder im Tandem wirken, um das erste elektrische Feld von
dem zweiten elektrischen Feld zu trennen. Die Trennelektrode kann
ferner wirken, um die Ionen aus der Ionisierungsregion anzuziehen,
die durch die geladene Elektrospray-Anordnung erzeugt werden. Die
zweite Ionisierungsregion wird von der ersten getrennt und ist funktionsmäßig mit
einem Detektor für
eine Massenanalyse verbunden, die Massen- und Ladungscharakteristika
von Ionen misst, die in die zweite elektrische Feldregion eintreten,
derart, dass diese Ionen nicht durch das elektrische Feld beeinflusst
sind, das durch die geladene Elektrospray-Anordnung in der ersten
Ionisierungsregion erzeugt wird. Die Vorrichtung setzt ferner eine
Einrichtung zum Erzeugen eines gasförmigen Stroms in einem Gasflussweg
ein, der sich von der Elektrospray-Anordnung durch die erste elektrische
Region hindurch und in die zweite elektrische Region erstreckt,
während
der gasförmige
Strom die Ionen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit liefert,
um eine Abstoßung
durch die Trennelektrode zu überwinden. Die
Kammerwand kann elektrisch mit der Elektrospray-Anordnung verbunden
sein. Zusätzlich
befindet sich die Kammer vorzugsweise bei näherungsweise Atmosphärendruck.
Die Kammer soll nicht auf eine einzige unitäre Struktur begrenzt sein, sondern stellt
bloß eine
Umhüllung
zum Häusen
der Elektrospray-Anordnung, der Trennelektrode, eines Abschnitts
der Gasflussquellenionenoptiken und des Detektors für eine Massenanalyse
bereit. Die erste und die zweite elektrische Region können einen
Grad einer physischen Trennung aufweisen, der zum Teil aus der Platzierung
der getrennten Elektrode resultiert und in der Bedeutung der vorliegenden
Erfindung immer noch als innerhalb einer einzigen Ionisierungskammer
betrachtet wird.
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Bei
einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die obige Vorrichtung,
bei der die Trennelektrode eine erste Elektrodenapertur aufweist,
und sich der Gasflussweg von der Elektrospray-Anordnung erstreckt,
um die erste Elektrode zu überqueren.
Alternativ kann die Trennelektrode ferner aus einer zweiten Elektrode
zusätzlich
zu der ersten Elektrode gebildet sein, und der Gasflussweg erstreckt
sich von der Elektrospray-Anordnung durch die erste elektrische
Feldregion hindurch, die erste und die zweite Elektrode überquerend,
und durch die zweite Feldregion hindurch, und möglicherweise durch eine Apertur
in der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode oder beiden hindurch.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann die erste und die zweite Elektrode eine Apertur aufweisen und
der Gasflussweg erstreckt sich von der Elektrospray-Anordnung durch
die erste Elektrodenapertur hindurch und die zweite Elektrodenapertur
hindurch. Die erste und die zweite Elektrode können jeweils irgendeine Form oder
Geometrie aufweisen und können
einzeln oder kollektiv eine flache Oberfläche aufweisen, wobei die Oberflächen im
Wesentlichen parallel zueinander sind. In einem derartigen Fall
ist der Gasflussweg vorzugsweise nicht parallel mit Bezug auf die
flachen Oberflächen
der ersten und der zweiten Elektrode. Optimalerweise ist der Gasflussweg
im Wesentlichen orthogonal zu den flachen Oberflächen der ersten und der zweiten
Elektrode. Zusätzlich
ist bevorzugt, dass die Vakuumschnittstelle mit der Vakuumkammer
in eine Richtung in Kommunikation steht, die den Gasflussweg schneidet.
Optimalerweise ist die Richtung im Wesentlichen orthogonal zu dem
Gasflussweg, aber dieselbe kann in irgendeinem Winkel sein, der
größer oder
gleich Null bis kleiner als 180° mit Bezug
auf den Weg ist.
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Bei
irgendeinem Aspekt entspricht der Gasflussweg dem Weg, durch den
Ionen von der geladenen Elektrospray-Anordnung durch die erste elektrische
Feldregion hindurch, die durch die Elektrospray-Anordnung erzeugt
wird, die Trennelektrode überquerend
und in die zweite Feldregion hinein erstreckend fließen, die
elektrisch von der ersten elektrischen Feldregion getrennt ist.
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Bei
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die obige Vorrichtung,
bei der die Einrichtung zum Erzeugen eines gasförmigen Stroms eine Komponente
der Elektrospray-Anordnung
aufweist.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die obige
Vorrichtung, bei der die erste und die zweite elektrische Feldregion
eine entgegengesetzte Polarität
aufweisen. In einem derartigen Fall kann die erste oder die zweite
Spannung positiv oder negativ sein.
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Bei
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Liefern von Ionen zu einer Vakuumkammer unter Verwendung der
obigen Vorrichtung. Das Verfahren betrifft ein Injizieren einer Probe
von der Elektrospray-Anordnung
in die erste Ionisierungsregion, um Probenionen in der ersten elektrischen
Feldregion zu erzeugen. Ein Gasfluss wird durch ein Erzeugen einer
Druckdifferenz innerhalb der Regionen in der Ionisierungskammer
erzeugt, was darin resultiert, dass sich ein Flussweg von der ersten
elektrischen Feldregion zu der zweiten elektrischen Feldregion erstreckt.
Folglich werden Probenionen von der ersten elektrischen Feldregion weg
durch die Trennelektrode hindurch und zu der zweiten elektrischen
Feldregion transportiert, die von der ersten elektrischen Feldregion
getrennt ist. Die zweite elektrische Feldregion ist funktionsmäßig mit einem
Detektor für
eine Massenanalyse verbunden. Die Massenanalyse kann durch einen
herkömmlichen
Massendetektor durchgeführt
werden, der bei oder nahe einem Vakuum wirksam ist und ferner eine Vakuumschnittstelle
umfasst, wie es hierin beschrieben ist. Alternativ ist der Massendetektor
aus der Gruppe von Detektorvorrichtungen ausgewählt, die nicht bei einem Vakuum
wirksam sind. Die optionale Vakuumschnittstelle kann bei einer Schnittstellenspannung
beibehalten sein, die anziehender für das Ion als das zweite elektrische
Feld ist, derart, dass sich das Ion durch die Vakuumschnittstelle
hindurch und in die Vakuumkammer des Detektors bewegt.
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Bei
noch einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Liefern von Ionen zu einem Massenanalysator in einer Vakuumkammer.
Das Verfahren betrifft ein Bereitstellen einer ersten und einer
zweiten oder einer ersten, einer zweiten und einer dritten elektrischen
Feldregion in einer Ionisierungskammer, wobei jede Region eine Richtung
aufweist. Ionen werden aus einer Probe erzeugt, die aus einer Transportröhre einer
Elektrospray-Anordnung austritt. Die Ionen werden sequentiell und
direktional durch die einzelnen Feldregionen hindurch, d. h. die
erste, die zweite und die dritte direktionale Feldregion, und in
die Vakuumkammer transportiert, derart, dass die Ionen sich in eine
Richtung bewegen, die folgendes bildet: einen ersten Winkel mit
Bezug auf die erste elektrische Feldrichtung, wenn sich das Ion
in der ersten elektrischen Feldregion befindet; einen zweiten Winkel
mit Bezug auf die zweite elektrische Feldrichtung, wenn sich das
Ion in der zweiten elektrischen Feldregion befindet; und einen dritten
Winkel mit Bezug auf die dritte elektrische Feldrichtung, wenn sich
das Ion in der dritten elektrischen Feldregion befindet. Der erste und
der dritte Winkel sind jeweils nicht größer als 90° und der zweite Winkel ist größer als
90°.
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Die
Erfindung ist unten mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen detailliert
beschrieben.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine seitliche Querschnittsansicht einer herkömmlichen Ionisierungskammer
für eine
Verwendung bei einer MS, wobei ein Potentialgradient zwischen einer
Elektrospray-Anordnung und einer Vakuumschnittstelle bewirkt ist;
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2 und 3 schematisch
seitliche Querschnittsansichten alternativer Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, die jeweils eine erste Elektrode, eine
zweite Elektrode und eine Elektrospray-Anordnung einsetzen. 2 stellt
eine Ionisierungskammer der Erfindung dar, bei der die Vakuumschnittstelle
eine Leitung aufweist. 3 stellt eine Ionisierungskammer
dar, die ein Speigatt (scupper) einsetzt, das elektrisch mit der
zweiten Elektrode verbunden ist, wobei die Vakuumschnittstelle eine Flachstückelektrode
aufweist, die eine Öffnung
durch dieselbe hindurch aufweist; und
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4 schematisch
die Ionisierungskammer von 2 kombiniert
mit einem Massenanalysator und optional Ionenoptikelementen.
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Bevor
die Erfindung detailliert beschrieben wird, ist zu beachten, dass,
wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, die Singularformen „ein", „eine" und „der, die,
das" Pluralbezüge umfassen,
wenn es der Kontext nicht anderweitig vorgibt. Somit umfasst z.
B. eine Bezugnahme auf „eine
Elektrode" mehr
als eine Elektro de, umfasst eine Bezugnahme auf „ein Ion" eine Mehrzahl von Ionen, und dergleichen.
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Bei
einem Beschreiben und Beanspruchen der vorliegenden Erfindung wird
die folgende Terminologie gemäß den unten
dargelegten Definitionen verwendet.
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Der
Begriff „Winkel" wird hierin verwendet, um
sich auf die minimale Größe einer
Drehbewegung zu beziehen, die notwendig ist, um eine Richtung in Koinzidenz
mit einer anderen zu bringen, gemessen von 0° bis 180°.
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Die
Begriffe „Apertur" und „Öffnung" werden hierin austauschbar
verwendet, um sich auf eine Leitung zu beziehen, die eine Länge aufweist,
die kleiner oder in etwa gleich dem Durchmesser derselben ist (oder
der kleineren Abmessung, in dem Fall einer Apertur nicht kreisförmiger Form).
Wie verwendet, um eine Schnittstelle zwischen einer ESI-Ionenquelle und einer
Vakuumkammer zu beschreiben, umfassen nützliche Öffnungsdurchmesser in etwa
0,05 mm bis etwa 2,0 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm.
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Der
Begriff „Kapillare" wird hierin verwendet, um
sich auf eine Leitung zu beziehen, die eine Bohrung von sehr kleinen
Abmessungen aufweist, typischerweise mit einem Durchmesser in dem
Bereich von etwa 0,1 bis etwa 3 mm und vorzugsweise etwa 0, 2 bis
1 mm, und eine Länge,
die größer ist
als der Durchmesser.
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Der
Begriff „Dielektrikum" und der Begriff „Isolator" werden hierin austauschbar
verwendet, um sich auf ein Material zu beziehen, das elektrischen Strom
im Wesentlichen nicht leitet. Typische dielektrische Materialien
zeigen elektrische Leitfähigkeiten von
weniger als etwa 10-5 und vorzugsweise weniger als
etwa 10-5 Siemens/cm. Der Begriff „dielektrische Leitung" bezieht sich auf
ein Bauglied, das eine Röhre
umfasst, die aus einem dielektrischen Material aufgebaut ist, aber
schließt
nicht zwangsläufig Röhren aus,
die zum Teil mit einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt
sind.
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Die
Begriffe „Masse" oder „Massepotential" werden hierin in
dem Sinn verwendet, der allgemein durch Durchschnittsfachleute auf
dem Gebiet verstanden wird. Masse ist das Bezugspotential oder Nullpotential
eines Komplexes von Elektronik und elektrischen Systemen. Dieselbe
kann gleich einem Erdpotential oder dem Potential des Neutralleiters des
Leistungsverteilungssystems sein oder nicht. Für gewöhnlich sind das äußere Gehäuse und
freiliegende Bereiche von Instrumenten, wie beispielsweise Ionenquellen
und Massenspektrometern, bei Massepotential beibehalten, aber andere
Masseanordnungen werden als innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung
betrachtet.
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Der
Begriff „in
Reihenfolge", wie
derselbe hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Sequenz von
Ereignissen. Wenn sich ein Ion „in Reihenfolge" durch ein erstes
elektrisches Feld und ein zweites elektrisches Feld hindurch bewegt,
bewegt sich das Ion durch das zweite elektrische Feld, nachdem sich dasselbe
durch das erste elektrische Feld bewegt hat. „In Reihenfolge" bedeutet nicht zwangsläufig aufeinander
folgend. Ein Ion beispielsweise, das sich in Reihenfolge durch ein
erstes Feld und ein zweites Feld bewegt, schließt nicht aus, dass sich das
Ion nach einem Bewegen durch das erste Feld und vor einem Bewegen
durch das zweite Feld durch ein Zwischenfeld bewegt.
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Der
Begriff „Ion" wird in dem herkömmlichen Sinn
desselben verwendet, um sich auf ein geladenes Atom oder Molekül zu beziehen,
d. h. ein Atom oder Molekül,
das eine ungleiche Anzahl von Protonen und Elektronen enthält. Positive
Ionen enthalten mehr Protonen als Elektronen und negative Ionen enthalten
mehr Elektronen als Protonen. Gewöhnlich ist ein Ion der vorliegenden
Erfindung einfach geladen, aber kann in bestimmten Fällen eine
Mehrfachladung aufweisen.
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Der
Begriff „Polarität", wie derselbe hierin verwendet
wird, um ein Objekt zu beschreiben, bezieht sich auf den speziellen
elektrischen Zustand der Ladung des Objekts. Die Polarität des Objekts,
z. B. einer Elektrode oder eines Ions, kann entweder positiv, negativ
oder neutral sein, aber nicht irgendwelche zwei simultan. Eine Elektrode,
die mehr Elektronen als Protonen aufweist, wird als negativ geladen
bezeichnet, wobei positiv geladene Ionen angezogen werden und negativ
geladene Ionen abgestoßen werden.
Eine positiv geladene Elektrode bei einer hohen Spannung stößt ein positives
Ion zu einem höheren
Grad als eine positiv geladene Elektrode bei einer niedrigeren Spannung
ab. Alternativ gesagt ist eine positiv geladene Elektrode bei einer
niedrigen Spannung anziehender für
ein positives Ion als es eine positiv geladene Elektrode bei einer
höheren
Spannung ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Liefern von Ionen
zu einer Vakuumkammer gerichtet. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die
Vorrichtung eine Ionisierungskammer, eine eingeschlossene Ionisierungsregion
und eine Vakuumschnittstelle bei einer Vakuumschnittstellenspannung,
wobei die Schnittstelle ermöglicht,
dass die Ionisierungskammer mit der Vakuumkammer in Kommunikation
steht. Innerhalb der Ionisierungskammer ist ein Probeneinlass einer
Elektrospray-Anordnung bei einer Spannung oder bei näherungsweise Massepotential
angeordnet. Zwei Elektroden sind innerhalb der Kammer vorgesehen,
derart, dass drei elektrische Felder erzeugt werden, ein erstes
Feld, das sich von der Elektrospray-Anordnung zu der ersten Elektrode
erstreckt, ein zweites Feld, das sich von der zweiten Elektrode
zu der ersten Elektrode erstreckt, und ein drittes Feld, das sich
von der zweiten Elektrode zu der Vakuumschnittstelle erstreckt.
Ein Ion ist gezwungen, sich in Reihenfolge durch die Felder hindurch
zu bewegen, bevor dasselbe in die Vakuumkammer eintritt. Ungleich
vorhergehenden Vorrichtungen zum Liefern von Ionen zu einer Vakuumkammer
sind die Richtungen der Felder in einer Weise ange ordnet, die ermöglicht,
dass sowohl die Elektrospray-Anordnung
als auch die Vakuumschnittstelle sich bei näherungsweise Massepotential
befinden. Zusätzlich
ist die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Liefern von Ionen zu
einer Vakuumkammer und insbesondere zu einem Massenanalysator in
einer Vakuumkammer gerichtet.
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Die
Erfindung ist hierin mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen ähnliche
Teile durch ähnliche
Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu
und bestimmte Abmessungen können
für eine
Klarheit einer Präsentation übertrieben
sein.
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Um
ein Beispiel einer Vorrichtung des Stands der Technik zu liefern,
ist 1 eine schematische Darstellung einer Elektrosprayionisierungskammer eines
herkömmlichen
Massenspektrometers, das die Erfindung nicht verkörpert. Die
Elektrosprayionisierungskammer 100 weist ein Gehäuse 110 auf,
das eine Ionisierungsregion 105, die vorzugsweise im Wesentlichen
bei oder nahe Atmosphärendruck
betrieben wird, eine Elektrospray-Anordnung 120, eine Vakuumschnittstelle 180,
die eine Kapillaranordnung oder Öffnung 150 und
eine Elektrode 181 aufweist, zum Anziehen von Ionen zu
der Vakuumschnittstelle 180 hin und in eine Vakuumkammer 190 hinein
enthält,
die typischerweise einen Massenanalysator oder Detektor (nicht gezeigt)
enthält.
Optional umfasst die Ionisierungskammer 100 ein Ablasstor
oder eine Lüftungsöffnung 160 und
eine Einrichtung zum Liefern von Trocknungsgas 170.
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Die
Schnittstelle ist relativ zu der Elektrospray-Anordnung positioniert,
derart, dass Elektrosprühnebel
eingeleitet und ohne einen häufigen
elektrischen Durchbruch, Kurzschluss, eine Bogenbildung oder eine
Verzerrung des elektrischen ionisierenden Felds aufgrund eines Kondensationsaufbaus oder
Flüssigtropfenüberbrückungshochspannungselementen
innerhalb der Ionisierungskammer oder des Gehäuses beibehalten werden kann.
Wie es dargestellt ist, sind alle Komponenten der Vakuumschnittstelle
durch einen physikalischen Kontakt elektrisch verbunden. Die Kapillaranordnung 150 der Vakuumschnittstelle,
wie es in 1 dargestellt ist, weist eine
Kapillare 151 mit einem Einlass 152 und einem
Austritt 153 und eine optionale Einrichtung zum Einbringen
von Trocknungsgas 170 in die Ionisierungskammer 100 auf.
Die Kapillare, die die Ionisierungskammerkommunikation mit der Vakuumkammer
vorsieht, ist typischerweise aus Glas und Metall gefertigt. Alternativ
kann die Kapillaranordnung durch eine Öffnung ersetzt sein.
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Die
Vakuumschnittstelle 180 ist ferner aufgrund eines physischen
Kontakts elektrisch mit dem Gehäuse
der Ionisierungskammer verbunden und wird typischerweise bei näherungsweise
Massepotential betrieben, d. h. einer Spannung von etwa -400 Volt
bis 400 Volt, typischerweise von etwa -40 Volt bis etwa 40 Volt,
bevorzugter von etwa -10 Volt bis etwa 10 Volt. Das Gehäuse kann
aus irgendeinem Material gefertigt sein, das die erforderliche strukturelle
Integrität
liefert und das sich unter typischen Verwendungsbedingungen nicht
erheblich verschlechtert, korrodiert oder ausgast. Typische Gehäuse sind
aus Materialien gefertigt, einschließlich Metallen, wie beispielsweise
rostfreiem Stahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, und anderen
elektrisch leitfähigen Materialien.
Teile des Gehäuses
können
Kunststoffe umfassen, wie beispielsweise Delrin® Acetalharz
und Tetrafluorethylen, z. B. Teflon®. Zusammengesetzte oder
mehrschichtige Materialien können
ebenfalls verwendet werden.
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Wie
es in 1 dargestellt ist, weist die Elektrospray-Anordnung 120 eine
hohle Nadel 121 auf mit einem Einlass 122, um
flüssige
Proben wie z. B. von einem Flüssigkeitschromatographen,
einem Flussinjektor, einer Spritzenpumpe, einer Infusionspumpe oder
einer anderen Probeneinbringungseinrichtung aufzunehmen, und einem
Abgabeende 123. Wie es gezeigt ist, ist die hohle Nadel 121 in
einer vertikalen Ausrichtung mit einem Probeneinlass 122 über dem Abgabeende 123 angeordnet.
Eine optionale konzentrische Röhre
oder Umhüllung 124,
die die Nadel 121 axial umgibt, kann verwendet werden, um
Zerstäubergas
oder Flüssigkeit
einzubringen, um bei der Bildung des Aerosols zu unterstützen. Die Elektrospray-Anordnung 120 ist
typischerweise aus rostfreiem Stahl oder sowohl rostfreiem Stahl
als auch geschmolzener Silika gefertigt. Die Elektrospray-Anordnung 120 wird
bei einer relativ hohen Spannung mit Bezug auf die Vakuumschnittstellenspannung
betrieben, die bei näherungsweise
Masse liegt. Eine Einrichtung zum Laden der Elektrospray-Anordnung
auf eine ordnungsgemäße Spannung
umfasst Drähte
und elektrische Kontakte (nicht gezeigt). Während eines Betriebs wird eine
elektrische Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 181 der
Vakuumschnittstelle 180 und dem Elektrospray-Anordnungsaustritt
in der Größenordnung
von etwa 1000 Volt bis etwa 8000 Volt erzeugt. Wie es dargestellt
ist, ist die Elektrospray-Anordnung, insbesondere die Spitze der
Nadel, d. h. das Abgabeende 123, scharf, um sicherzustellen,
dass ein starker Spannungsgradient erzeugt wird, um die erwünschten
Ionen zu erzeugen.
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Mit
Bezug auf 1 tritt während eines Betriebs eine flüssige Probe,
die ein Analyt enthält,
in die Elektrospray-Anordnung 120 ein und wird die Ionisierungsregion 105 innerhalb
der Ionisierungskammer 100 über das Abgabeende 123 eingebracht. Flüssigkeitsflussraten
liegen typischerweise in dem Bereich von etwa 1 Mikroliter/Minute
bis etwa 2000 Mikroliter/Minute. Die Ionisierungsregion 105 wird
im Wesentlichen bei oder nahe Atmosphärendruck betrieben, d. h. vorzugsweise
zwischen etwa 880 hPa (660 Torr) und etwa 1150 hPa (860 Torr). Die
Temperatur innerhalb der Ionisierungskammer liegt typischerweise
zwischen etwa 20 Grad Celsius bis etwa 450 Grad Celsius. Ein Betrieb
bei Umgebungstemperatur ist zweckmäßig und geeignet für viele
Anwendungen. Die Quelle der Probe kann optional ein Flüssigkeitschromatograph,
eine Kapillarelektrophoreseeinheit, ein superkritischer Fluidchromatograph, ein
Ionenchromatograph, ein Flussinjektor, eine Infusionspumpe, eine Spritzenpumpe
oder eine andere Probeneinbringungseinrichtung (nicht gezeigt) sein. Optional
kann eine Fluidumhüllung,
wie beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, oder eine
inerte Zerstäubungsflüssigkeit über eine äußere konzentrische
Röhre 124 eingebracht
werden, die die Nadel umgibt, um bei der Bildung des Aerosols zu
unterstützen.
Die Probe, die die Elektrospray-Anordnung 120 über den
Auslass 123 verlässt,
wird in geladene Tröpfchen
unter dem Einfluss des elektrischen Felds dispergiert, das innerhalb
der Ionisierungskammer 100 erzeugt wird, infolge der Potentialdifferenz
zwischen der Elektrospray-Anordnung und der Vakuumschnittstelle.
Die geladenen Tröpfchen
werden typischerweise verdampft und durch ein Erwärmen oder unter
dem Einfluss von Trocknungsgas, das in die Ionisierungskammer 100 eingebracht
wird, vom Lösungsmittel
befreit. Die Ionen sind gezwungen, aus der Ionisierungskammer 100 über ein
Ende 152 der Kapillare 150 innerhalb der Ionisierungskammer durch
eine Anlegung eines elektrischen Potentials an die Elektrode 181 auszutreten.
Die Ionen bewegen sich durch die Vakuumschnittstelle 150 hindurch
in eine Richtung, die die Richtung schneidet, die sich von dem Elektrospray-Einlass 122 zu
dem Abgabeende 123 erstreckt, und treten nachfolgend in
die Vakuumkammer 190 ein.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ähnlich Ionisierungskammern
von Vorrichtungen des Stands der Technik weist die Elektrospray-Ionisierungskammer 100 hier
auch ein Gehäuse 110 auf,
das eine erste Elektrospray-Anordnung 120, die vorzugsweise
im Wesentlichen bei oder nahe Atmosphärendruck betrieben wird, eine
erste Ionisierungsregion 108 in der Nähe der Elektrospray-Anordnung,
eine zweite Ionisierungsregion distal von der Elektrode und optional eine
Vakuumschnittstelle 180 enthält, die eine Kapillaranordnung
oder Öffnung 150 und
eine Elektrode 181 zum Anziehen von Ionen zu der Vakuumschnittstelle 180 hin,
optional ein Ablauftor oder eine Lüftungsöffnung 160 und optional
eine Einrichtung zum Liefern von Trocknungsgas 170 aufweist.
Eine Trennelektro de, bei diesem Beispiel aus zwei Elektroden 130 und 135 gebildet,
ist innerhalb der Ionisierungskammer angeordnet, wobei jede ein
vorzugsweise flaches Bauglied aufweist, das Öffnungen 131 bzw. 136 durch
dasselbe aufweist. Die flachen Bauglieder und die Öffnungen
können
jeweils kreisförmig
sein, in welchem Fall die Elektroden als eine Dual-Halo-Konfiguration aufweisend
beschrieben werden können. Die
Elektroden sind wie gezeigt im Wesentlichen parallel zueinander
und orthogonal zu der Elektrospray-Anordnung 120. Die Öffnungen 131 und 136 sind
ausgerichtet, derart, dass eine gerade Linie, die sich von dem Probenauslass 123 der
Elektrospray-Anordnung 120 erstreckt, orthogonal beide Öffnungen
durchläuft.
Wie es ebenfalls gezeigt ist, ist die Fläche der zweiten Elektrode 135,
die orthogonal zu der Elektrospray-Anordnung ist, nicht größer als die
Fläche
der ersten Elektrode 130, die orthogonal zu der Elektrospray-Anordnung
ist, und sind die Elektroden 130 und 135 angeordnet,
derart, dass die zweite Elektrode im Wesentlichen vor der Elektrospray-Anordnung 120 „versteckt" ist. Durch „versteckt" ist gemeint, dass
die Elektrospray-Anordnung keinen elektrischen Feldwirkungen unterliegt,
die der Spannung der zweiten Elektrode zugeordnet sind. Folglich
unterliegen die Ionen, die die Trennelektrode überqueren, ob aus einer einzigen
Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode
gebildet, keinen elektrischen Feldwirkungen, die dem ersten elektrischen
Feld und/oder der Elektrospray-Anordnung zugeordnet sind.
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Die
Elektrospray-Anordnung 120 ist mit einer hohlen Nadel 121 ausgerüstet, die
einen Probeneinlass 122 und ein Abgabeende 123 aufweist,
und einer konzentrischen Röhre 124,
die die hohle Nadel umgibt, wobei die konzentrische Röhre angepasst ist,
um einen Gasstrom zu fördern
oder zu liefern. Der Gasstrom zerstäubt eine Probe, die aus dem
Abgabeende 123 der hohlen Nadel 121 austritt,
um Probentröpfchen
mitzuführen,
die Ionen enthalten, und um die Ionen zu zwingen, sich durch die Öffnungen 131 und 136 zu
bewegen. Wie aus 2 ersichtlich ist die Richtung
des Gasflusses von der ersten Elektrodenöffnung 131 zu der
zweiten Elektrodenöffnung 136 definiert.
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In
Betrieb tritt eine flüssige
Probe, die ein Analyt enthält,
in die Elektrospray-Anordnung 120 durch den Einlass 122 ein
und wird über
das Abgabeende 123 der hohlen Nadel in die Ionisierungsregion 105 innerhalb
der Ionisierungskammer 100 eingebracht. Ein inertes Zerstäubungsgas,
wie beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, wird über die konzentrische
Röhre 124 eingebracht,
um bei der Bildung des Aerosols zu unterstützen. Die Elektrospray-Anordnung 120 kann
bei näherungsweise Massepotential
gehalten sein oder kann auf einer Potentialspannung „gefloatet" sein. Die erste
Elektrode ist auf eine erste Elektrodenspannung geladen. Wenn die
Probe die Elektrospray-Anordnung 120 über den Austritt 123 verlässt, wird
die Probe durch das Zerstäubungsgas
zu Tröpfchen
dispergiert. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Elektrospray-Anordnung ausreichend hoch, um ein elektrisches
Feld innerhalb der Ionisierungskammer 100 zu erzeugen, als
die Region zwischen der Elektrospray-Anordnung und der Ionisierungselektrode
(den Ionisierungselektroden) 130, 135 definiert.
Ein Ion innerhalb des Tröpfchens
weist eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität des ersten
elektrischen Felds auf. Folglich wird das Ion durch die erste Elektrode
angezogen. Alternativ gesagt weist das erste elektrische Feld, das
durch die Potentialdifferenz zwischen der Elektrospray-Anordnung
und der ersten Elektrode erzeugt wird, eine Richtung auf, die in 2 als
ein Pfeil E1 angegeben ist, die weg von
der Elektrospray-Anordnung und zu der ersten Elektrode hin zeigt.
Das Ion neigt dazu, sich entlang der Richtung des elektrischen Felds
zu bewegen. Zusätzlich
neigt auch der Gasstrom von der konzentrischen Röhre der Elektrospray-Anordnung dazu, das
Ion mitzuführen
und das Ion in die Richtung des Gasflusses zu beschleunigen. Ionen,
die in dem ersten elektrischen Feld erzeugt werden, neigen dazu,
sich zu der Öffnung
der ersten Elektrode hin und durch dieselbe hindurch zu bewegen.
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Bei
zusätzlichen
Ausführungsbeispielen,
bei denen die Trennelektrode aus einer zweiten Elektrode 135 gebildet
ist, ist die zweite Elektrode 135 auf eine zweite Elektrodenspannung
geladen, die abstoßender
für das
Ion als die erste Elektrodenspannung ist. Folglich ist ein zweites
elektrisches Feld in der Ionisierungskammer zwischen der ersten
Elektrode 130 und der zweiten Elektrode 135 erzeugt.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Elektrodenspannung von entgegengesetzter
Polarität
relativ zu der ersten Elektrodenspannung ist. Ob die erste Elektrodenspannung
positiv oder negativ ist, hängt
von der erwünschten
Polarität
des ionisierten Probenmoleküls oder
-atoms ab. Das zweite elektrische Feld weist eine zugeordnete Richtung
auf, wie es durch einen Pfeil E2 angegeben
ist. Die zweite elektrische Feldrichtung stammt von der zweiten
Elektrode zu der ersten Elektrode hin. Die zweite elektrische Feldregion
ist auch als der Abschnitt der Ionisierungskammer definiert, in
dem ein Ion von den elektrischen Feldwirkungen der ersten elektrischen
Feldregion getrennt ist und sich distal von der zweiten Elektrode
entlang dem Gasflussweg zu einem Detektor für eine Massenanalyse erstreckt,
wie beispielsweise einem Massenanalysator 220. Mit anderen
Worten neigt das Ion, das in der Ionisierungsregion erzeugt wird
und das durch die erste Elektrodenöffnung hindurch in das zweite
elektrische Feld beschleunigt wurde, dazu, durch die zweite Elektrode
im Allgemeinen abgestoßen
zu werden. Dennoch ist das Ion gezwungen, sich durch die zweite
Elektrodenöffnung
hindurch zu bewegen, z. B. ein Erzeugen eines Gasstroms, der angepasst
ist, um das Ion mitzuführen
und das Ion mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zu versehen,
um die abstoßende
Kraft des zweiten elektrischen Felds zu überwinden. Dieser Gasstrom
kann durch ein Zwingen von mit Druck beaufschlagtem Gas durch die
Röhre hindurch
erzeugt werden, die die hohle Nadel der Elektrospray-Anordnung umgibt, oder
durch einen anderen Gasfluss. Ohne eine derartige Kraft stößt die zweite
Elektrode eventuell das Ion zurück
zu der ersten Elektrode hin ab, wodurch wirksam verhindert wird,
dass das Ion den Abschnitt der zweiten elektrischen Feldre gion erreicht,
distal von der Elektrode (den Elektroden) und getrennt von der ersten
elektrischen Feldregion.
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Wie
es gezeigt ist, kann eine Vakuumschnittstelle 180 vorgesehen
sein, um eine Kommunikation zwischen der Ionisierungskammer 100 und
der Vakuumkammer 190 zu ermöglichen. Die Vakuumschnittstelle 180 weist
eine dielektrische Kapillare 151 und eine Elektrode 154 auf
und ist ähnlich
diesen, die bei herkömmlichen
Ionisierungskammern verwendet werden. Die Vakuumschnittstelle 180 und
die Elektrode insbesondere ist durch einen direkten physischen Kontakt
mit einer Wand der Vorrichtung elektrisch verbunden, die die Ionisierungskammer
und die Vakuumkammer trennt. Die Schnittstelle kann irgendeine Spannung
aufweisen, solange die Schnittstellenspannung anziehender für das Ion
ist als die Spannung der zweiten Elektrode. Vorzugsweise ist die Schnittstellenspannung
näherungsweise
bei Massepotential. Aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der
zweiten Elektrode und der Vakuumschnittstelle wird ein Ion, das
aus der zweiten Elektrodenöffnung
austritt, von der zweiten Elektrode abgestoßen und zu der Vakuumschnittstelle
angezogen. Folglich bewegt sich das Ion durch die Vakuumschnittstelle hindurch
und in die Vakuumkammer hinein. Das Ion kann optional zu einem Massenanalysator
(in 2 nicht gezeigt) in einer Vakuumkammer geliefert
werden, optional durch zusätzliche
optische Ionenelemente (nicht gezeigt) hindurch, wie es auf dem
Gebiet bekannt ist. Alternativ kann ein drittes elektrisches Feld
zwischen der zweiten Elektrode und einer geladenen Vakuumschnittstelle
erzeugt werden. Das dritte elektrische Feld weist eine zugeordnete
Richtung auf, wie es durch einen Pfeil E3 angegeben
ist, die sich von der zweiten Elektrode zu der Vakuumschnittstelle
erstreckt. Wie es gezeigt ist, ist die Richtung des dritten elektrischen
Felds im Wesentlichen orthogonal zu dem Flussweg des Gasstroms.
Eine derartige Orthogonalität
ist optimal, aber nicht entscheidend für die Erfindung. Im Allgemeinen
ist bevorzugt, dass der Flussweg des Gasstroms die Vakuumschnittstelle
nicht schneidet. Wenn der Flussweg des Gasstroms die Vakuumschnittstelle
schneidet, können
Tröpfchen,
die die Schnittstelle berühren,
in einem übermäßigen Massendetektorsignalrauschen resultieren.
Die Richtung von Trocknungsluft kann jedoch umgekehrt werden, um
eine Mitführung
von Ionen zu der Vakuumschnittstelle hin zu bewirken, wie es gezeigt
ist.
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3 stellt
schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Vakuumschnittstelle
eine flache Platte 151 auf, die eine Apertur 152 durch
dieselbe hindurch aufweist. Die flache Platte 151 ist elektrisch
mit dem Gehäuse 110 verbunden.
Wie das Ausführungsbeispiel
von 2 weist die zweite Elektrode 135 ein
flaches Stück
mit einer Öffnung 136 durch
dasselbe hindurch auf. Jedoch ist ein zusätzliches Speigatt 137 elektrisch
an einer nachgelagerten Oberfläche
der zweiten Elektrode 135 angebracht. Das Speigatt kann
ein festes metallisches Stück
oder ein Netz sein, wie es gezeigt ist. Der Zweck des Speigatts
ist zweifach. Wie es oben erörtert
ist, richtet das dritte elektrische Feld, sobald sich Ionen an der
zweiten Elektrode vorbeibewegt haben, die Ionen zu der Vakuumschnittstelle
hin. Das Speigatt kann geformt sein, um das dritte elektrische Feld
zu optimieren, um Ionen effizient zu der Vakuumschnittstelle zu
liefern. Zusätzlich
kann das Speigatt eine gewisse Direktionalität zu dem Gasfluss liefern und
eine effiziente Lieferung von Ionen zu der Vakuumschnittstelle erleichtern.
Ein Netz ist als ein Speigatt bevorzugt, weil der feste Abschnitt
des Netzes dazu neigt, Ionen zu der Vakuumschnittstelle hin zu richten,
während
die Löcher
des Netzes ermöglichen,
dass ungeladene Tröpfchen
durchlaufen, um so eine Störung
bei einer Ionenlieferung und eine Erzeugung von übermäßigem Hintergrundrauschen zu
vermeiden. Bei einigen Ausführungsbeispielen
können
die Elektroden 130 und/oder 135 teilweise oder
gänzlich
aus einem Netz aufgebaut sein.
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4 stellt
schematisch die Verwendung der Erfindung bei einem Massenspektrometersystem dar.
Eine Ionisierungskammer 100, die die erfindungsgemäßen Elektroden 130 und 135 enthält, ist an
der Vakuumkammer 190 angebracht, wobei die Vakuumschnittstelle 180 eine
Kommunikation zwischen der Kammer ermöglicht, wie es oben beschrieben
ist. Ein Massenanalysator 220, optional mit optischen Ionenelementen 210,
ist in der Vakuumkammer vorgesehen. Ein Ion, das sich durch die
Vakuumschnittstelle 180 hindurch bewegt und in die Vakuumkammer 190 über das
Kapillarende 152 austritt, tritt in den Massenanalysator 220 ein,
optional nach einem Durchlaufen der Ionenoptikelemente 210,
wie es auf dem Gebiet bekannt ist. Das Ion wird gemäß der Masse/Ladung
desselben durch den Massenanalysator 220 analysiert, der
eine Ionenerfassungseinrichtung und ein Signalanalysesystem (nicht
explizit gezeigt) umfasst. Derartige Massenanalysesysteme, zusammen
mit Ionenquellen, bilden Massenspektrometer und sind auf dem Gebiet
gut bekannt. Dieselben umfassen, aber sind nicht begrenzt auf Quadrupol-Massenfilter,
Ionenfallen, Magnetsektorinstrumente, Flugzeit-Massenspektrometer
und Fourier-Transformation-Ionenzyklotron-Resonanzspektrometer.
Obwohl 4 die Verwendung der Erfindung mit einer Kapillarschnittstelle 150 und
einem Massenanalysator darstellt, ist klar, dass andere Vakuumschnittstellen
bei der Anwendung verwendet werden können, wie beispielsweise die
Platte 151 und die Apertur 152, die in 3 dargestellt
sind.
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Die
Erfindung umschließt
ferner ein Verfahren zum Liefern von Ionen zu einer Vakuumkammer. Das
Verfahren stellt eine getrennte erste und eine zweite und optional
eine dritte elektrische Feldregion in einer Ionisierungskammer bereit.
Ein Ion wird aus einer Probe erzeugt, die aus einem Abgabeende einer
Elektrospray-Anordnung und in die erste elektrische Feldregion austritt.
Sobald das Ion erzeugt ist, wird dasselbe in Reihenfolge durch die
erste elektrische Feldregion und in die zweite und getrennte elektrische
Feldregion und optional in die Vakuumkammer transportiert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Ionenwegrichtung derart, dass dieselbe einen ersten, einen
zweiten oder einen ersten, einen dritten und einen dritten Winkel
mit dem ersten, dem zweiten oder dem ersten, dem zweiten bzw. dem
dritten elektrischen Feld bildet, wobei der erste und der dritte
Winkel jeweils nicht größer als
90° sind
und der zweite Winkel größer als
90° ist.
Es ist bevorzugt, dass der erste und der dritte Winkel nicht größer als
etwa 15° sind
und dass der zweite Winkel nicht kleiner als etwa 165° ist. Mit
anderen Worten, während
einer Bewegung durch die erste elektrische Feldregion hindurch, ist
die Ionenwegrichtung im Wesentlichen mit der ersten elektrischen
Feldrichtung ausgerichtet. Gleichermaßen ist, während sich das Ion durch die
dritte elektrische Feldregion hindurch bewegt, die Ionenwegrichtung
auch im Allgemeinen mit der dritten elektrischen Feldrichtung ausgerichtet.
Während
sich dasselbe jedoch durch das zweite elektrische Feld hindurch
bewegt, ist die Ionenwegrichtung im Allgemeinen um zumindest einen
Teil des zweiten elektrischen Felds entgegengesetzt. Dies kann durch
ein Liefern eines Gasstroms erzielt werden, der das Ion mitführt und
gegen das elektrische Feld fließt.
Der Gasstrom kann durch ein Erzeugen einer Druckdifferenz in die
Richtung eines erwünschten
Gasflusses geliefert werden. Die Druckdifferenz kann aus einer Quelle
von Druck beaufschlagtem Gas, einem Vakuum oder beidem erzeugt werden.
Die Verwendung eines mit Druck beaufschlagtem Gases in der Röhre, die
die hohle Nadel der Elektrospray-Anordnung umgibt, ist oben beschrieben.
Ein höherer
Druckgradient kann unter Verwendung einer Quelle von mit Druck beaufschlagtem
Gas erzeugt werden, wenn die Ionisierungskammer sich bei näherungsweise
Atmosphärendruck
befindet, weil der maximale Druckgradient, der zwischen einer Kammer
bei Atmosphärendruck
und einem absoluten Vakuum erzeugt werden kann, Atmosphärendruck
beträgt.
Ein erwünschter Druckgradient
kann mit der Gesamtanordnung der Komponenten der Ionisierungskammer
variieren. Derartige Gradienten können durch verschiedene Einrichtungen
erzeugt werden, z. B. ein Partitionieren der Kammer in Fächer oder Regionen
unterschiedlicher Druckbeaufschlagung. Die Trennelektroden 130 und 135 können entworfen
sein, derart, um alle oder einen Teil von geeigneten Partitionen
zu diesem Zweck zu bilden. Ein höherer
Druckgradient ist erwünscht,
wenn das elektrische Feld einer Ionenbewegung stark entgegengesetzt
ist. Ein niedrigerer Druckgradient kann geeignet sein, wenn das
elektrische Feld einer Ionenbewegung nicht stark entgegengesetzt
ist. Sobald die Ionen sich durch die elektrischen Felder hindurch
bewegt haben, werden dieselben einer Massenanalyse unterzogen, z.
B. indem dieselben in eine Vakuumkammer geliefert werden, genauer
gesagt optional durch Ionenoptikelemente hindurch zu einem Massenanalysator
in der Vakuumkammer. Derartige Ionenoptikelemente sind einem Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet bekannt.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung viele Vorteile
liefert, die vorhergehend auf dem Gebiet unbekannt sind. Zusätzlich liefert
die Erfindung Einsparungen bei einer gesamten Spektrometererzeugung
und bei Betriebskosten. Es können billigere,
einfachere Leistungsversorgungen verwendet werden, um Potentiale
zu den Quellelektroden zu liefern, da die Hauptleckströme von der
Elektrospray-Anordnung
zu Masse durch die Erfindung eliminiert sind. Schließlich ist
aus den Figuren offensichtlich, dass lediglich geringfügige Modifikationen an
dem Entwurf herkömmlicher
Spektrometer benötigt
werden, damit eine Bedienperson von den Vorteilen der Erfindung
profitieren kann.
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Es
ist klar, dass, während
die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten spezifischen Ausführungsbeispielen
derselben wurde, die vorhergehende Beschreibung den Schutzbereich
der Erfindung darstellen und nicht einschränken soll. Andere Aspekte,
Vorteile und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung
werden Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich, auf das sich die Erfindung
bezieht. Zum Beispiel sind die Elektroden der vorliegenden Erfindung
nicht zwangsweise flach. Es kann irgendeine Form verwendet werden,
die die erwünschten
elektrischen Felder mit Bezug auf die Richtung einer Ionenbewegung
erzeugt, wie es oben beschrieben ist. Diese Formen umfassen, aber
sind nicht begrenzt auf regelmäßige und
unregelmäßige dreidimensionale
Körpertypen,
wie beispielsweise ringförmig,
ellipsenförmig,
polyedrisch-sphärisch
und torusförmig.
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Alle
hierin erwähnten
Patente sind hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.