DE102011015517B3

DE102011015517B3 - Verfahren zur dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung von flüssigen Proben und zur nachfolgenden massenspektrometrischen Analyse der erzeugten Probenionen

Info

Publication number: DE102011015517B3
Application number: DE102011015517A
Authority: DE
Inventors: Cordula Meyer; Dr. PD Franzke Joachim; Ann-Kathrin Stark; Dr. Schilling Michael; Dr. Janasek Dirk; Günter Jestel; Rüdiger Wilberg
Original assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: EP2691974B1; ES2792462T3; EP2691974A1; US20140001352A1; JP2014512000A; WO2012130781A1; JP5814458B2

Abstract

Ein Verfahren zur dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung von flüssigen Proben und zur nachfolgenden massenspektrometrischen Analyse der erzeugten Probenionen, bei welchem die jeweilige flüssige Probe in einen kapillarförmigen Zuführkanal geleitet wird, dessen umschließende Wand an der Außenseite beabstandet vom freien Ende eine durch eine Trennschicht aus einem dielektrischen Material von der Wand getrennte Elektrode aufweist, wobei im Abstand vom freien Ende des Zuführkanales unter Ausbildung eines Ionenbildungsfreiraumes ein eine Gegenelektrode bildender Einlass eines Massenspektrometers angeordnet ist, durch den die gebildeten Ionen in eineöffen- und schließbare Falle des Massenspektrometers gelangen, wobei zwischen der Elektrode und dem Einlass zur Erzeugung der Probenionen eine Rechteckspannung angelegt und die Falle des Massenspektrometers abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, und wobei die durch die Falle des Massenspektrometers gelangenden Probenionen im Massenspektrometer analysiert werden, soll so weiter entwickelt werden, dass bei Beibehaltung der Vorteile der Anlegung einer Rechteckspannung nur positive oder negative Probenionen in das Massenspektrometer gelangen.Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis der positiven und negativen Polaritäten unterschiedlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung von flüssigen Proben und zur nachfolgenden massenspektrometrischen Analyse der erzeugten Probenionen, bei welchem die jeweilige flüssige Probe in einen kapillarförmigen Zuführkanal geleitet wird, dessen umschließende Wand an der Außenseite beabstandet vom freien Ende eine durch eine Trennschicht aus einem dielektrischen Material von der Wand getrennte Elektrode aufweist, wobei in einem Abstand vom freien Ende des Zuführkanales unter Ausbildung eines Ionenbildungsfreiraumes ein eine Gegenelektrode bildender Einlass eines Massenspektrometers angeordnet ist, durch den die gebildeten Ionen in eine öffen- und schließbare Falle des Massenspektrometers gelangen, wobei zwischen der Elektrode und dem Einlass zur Erzeugung der Probenionen eine Rechteckspannung angelegt und die Falle des Massenspektrometers abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, und wobei die durch die Falle des Massenspektrometers gelangenden Probenionen im Massenspektrometer analysiert werden.
Der Begriff ”Elektrospray” beschreibt die Dispersion einer Flüssigkeit in sehr viele kleine geladene Tröpfchen mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Im elektrischen Feld werden die Ionen bei Atmosphärendruck in die Gasphase transferiert, wobei sich dieser Prozess in vier Schritte unterteilt:
In einem ersten Schritt werden kleine geladene Elektrolyt-Tröpfchen gebildet. In einem zweiten Schritt findet ein kontinuierlicher Lösungsmittelverlust dieser Tröpfchen durch Verdampfen statt, wobei die Ladungsdichte an der Tröpfchenoberfläche zunimmt. In einem dritten Schritt erfolgt ein wiederholter spontaner Zerfall der Tröpfchen in Mikro-Tröpfchen (Coulomb-Explosionen). Schließlich findet in einem vierten Schritt eine Desolvatisierung der Analytmoleküle beim Transfer in das Massenspektrometer statt.
Für den Nachweis, z. B. positiv geladener Ionen (positiver Modus des Massenspektrometers), beginnt der Elektrosprayionisierungsprozess mit einer kontinuierlichen Zuführung des gelösten Analyten an die Spitze eines kapillarförmigen Zuführkanales. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bei herkömmlichen Verfahren über die direkte Verbindung eines elektrischen Leiters mit der Analytlösung. Dabei durchdringt das angelegte elektrische Feld zwischen dem freien Ende des kapillarförmigen Zuführkanales und dem Einlass des Massenspektrometers auch die Analytlösung. Die positiven Ionen werden an die Flüssigkeitsoberfläche gezogen. Entsprechend werden die negativen Ionen in die entgegengesetzte Richtung geschoben, bis das elektrische Feld innerhalb der Flüssigkeit durch die Umverteilung negativer und positiver Ionen aufgehoben ist bzw. durch Elektronenaustausch werden diese Ionen neutralisiert. Dadurch werden andere mögliche Formen als die der weichen Ionisierung unterdrückt, etwa die Ionisierung durch Entfernung eines Elektrons aus dem Analytmolekül, wozu sehr hohe elektrische Felder benötigt würden.
Die an der Flüssigkeitsoberfläche akkumulierten positiven Ionen werden weiter in Richtung Kathode gezogen. Dadurch entsteht ein charakteristischer Flüssigkeitskonus (Taylor-Konus), weil die Oberflächenspannung der Flüssigkeit dem elektrischen Feld entgegenwirkt. Bei ausreichend hohem elektrischen Feld ist der Konus stabil und emittiert von seiner Spitze einen kontinuierlichen, filamentartigen Flüssigkeitsstrom von wenigen Mikrometern Durchmesser. Dieser wird in einiger Entfernung von der Anode instabil und zerfällt in winzige aneinander gereihte Tröpfchen. Die Oberfläche der Tröpfchen ist mit positiven Ladungen angereichert, die keine negativen Gegenionen mehr aufweisen, so dass eine positive Nettoladung resultiert.
Die elektrophoretische Trennung der Ionen ist für die Ladungen in den Tröpfchen verantwortlich. Die positiven Ionen (wie auch nach Umpolung des Feldes die negativen innen), die im Spektrum beobachtet werden, sind stets die Ionen, die bereits in der (Elektrolyt-)Lösung vorhanden sind. Zusätzliche Ionen und auch Fragmentionen des nachzuweisenden Analyten werden erst bei sehr hoher Spannung beobachtet, wenn elektrische Entladungen an der Kapillarspitze auftreten (Korona-Entladungen).
Herkömmliche Vorrichtungen zur Elektrosprayionisierung weisen als Zuführkanal für die flüssige Probe eine elektrisch kontaktierte Kapillare auf, an welche ein Potential angelegt wird, d. h. die Kapillarspitze selbst bildet die Elektrode. Alternativ ist es auch bekannt, den benötigten kapillarförmigen Zuführkanal in einen Mikrochip zu integrieren. Eine spezielle Lösung dieser Art ist beispielsweise in DE 199 47 496 C2 beschrieben.
Sowohl bei herkömmlichen Vorrichtungen mit Kapillaren als auch bei herkömmlichen Vorrichtungen, die aus einem Mikrochip bestehen, wird die Elektrode mit der zu analysierenden Flüssigkeit bzw. Probe direkt in Verbindung gebracht. Dadurch ist die Lebensdauer dieser Vorrichtung stark begrenzt, da die Elektrode zwangsläufig nach einer gewissen Nutzungszeit so stark korrodiert, dass sie nicht mehr brauchbar ist. Außerdem ist bei diesen bekannten Vorrichtungen die maximal anlegbare Spannung begrenzt, da ansonsten ungewünschte Korona-Entladungen entstehen.
Aus DE 10 2005 061 381 A1 ist erstmalig eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung von flüssigen Proben bekannt geworden. Dabei wird die jeweilige flüssige Probe in einen kapillarförmigen Zuführkanal geleitet, dessen umschließende Wand an der Außenseite beabstandet vom freien Ende eine durch eine Trennschicht aus einem dielektrischen Material von der Wand getrennte Elektrode aufweist, wobei im Abstand vom freien Ende des Zuführkanales unter Ausbildung eines Ionenbildungsfreiraumes eine, eine Gegenelektrode bildende Platte angeordnet ist. Die Elektrosprayionisierung erfolgt somit durch kontaktloses Anlegen einer Spannung, da die Elektrode des Zuführkanales keinen direkten Kontakt zur Probenflüssigkeit hat, indem das elektrische Feld dielektrisch gekoppelt wird. Das elektrische Feld wird durch eine dielektrische Verschiebung der Ladungen durch die Kanalwandungen übertragen, ohne dass damit der Funktionsmechanismus beeinträchtigt wird. Da kein direkter Kontakt der Elektroden mit der Probenflüssigkeit besteht, wird eine Korrosion der Elektroden vollständig vermieden, so dass sich die Lebensdauer der Vorrichtung wesentlich vergrößert. Ferner können bei einer solchen Verfahrensführung wesentlich höhere Spannungen angelegt und höhere Ströme induziert werden, ohne dass eine Korona-Entladung zündet.
Bei einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens, welches in der der Druckschrift ”STARK et al: Characterization of dielectric barrier electrospray Ionisation for mass spectrometic detection. Anal. Bioanal. Chem., 2010, Vol. 397, S. 1767–1772” beschrieben ist und welches die Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 offenbart, ist herausgefunden worden, dass es bei der dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung besonders günstig ist, zwischen den Elektroden eine Rechteckspannung anzulegen, z. B. mit einem Hochspannungssignal von 5 kV und einer Frequenz von 0,5 Hz. Eine solche Elektrosprayionisierung ermöglicht massenspektrometrische Messungen, sowohl im positiven als auch im negativen Modus des Massenspektrometers, ohne die Polarität des angelegten Potentials verändern zu müssen, und es vermindert das Risiko ungewünschter Entladungen, welche durch hohe elektrische Ströme induziert werden. Mit einer solchen dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung lassen sich gegenüber herkömmlicher Elektrosprayionisierung wesentlich höhere Ionisierungsströme und damit Messsignale erreichen. Diese liegen ohne die Gefahr einer Fragmentierung in einer Größenordnung von 1 μA, während bei nicht dielektrisch behinderter Elektrosprayionisierung ein konstanter Elektrospraystrom von ca. 50 nA erzielbar ist, bei höheren Strömen tritt eine Fragmentierung auf.
Da die Mehrzahl heutiger Massenspektrometer je nach Palaritätsmodus nur negative oder positive Ionen messen kann, ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren, bei dem eine Rechteckspannung mit höherer Frequenz verwendet wird, nur ein gepulstes Signal innerhalb der Messzeit des Massenspektrometers zu erreichen, das etwa halb so groß ist wie ein konstantes Signal, das entstehen würde, wenn eine Gleichspannung angelegt würde. Es wäre deshalb wünschenswert, ein Verfahren bereit zu stellen, bei dem die Vorteile der Verwendung einer Rechteckspannung bei der dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung und gleichzeitig erhöhte (Mess-)Signale erhalten werden könnten.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist auch aus der Druckschrift ”STARK et al: Electronic coupling and scaling effects during dielectric barrier electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem., 2011, Vol. 400, S. 561–569” bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiter zu entwickeln, dass bei Beibehaltung der Vorteile der Anlegung einer Rechteckspannung nur positive oder negative Probenionen in das Massenspektrometer gelangen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis der positiven und negativen Polaritäten unterschiedlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet somit zur Elektrosprayionisierung eine Rechteckspannung, welche nicht symmetrisch ist, d. h. bei welcher das Taktverhältnis zwischen alternierenden positivem und negativem Potential nicht identisch ist, sondern davon abweicht. Dies ermöglicht es, je nach Frequenz der Spannungen die Elektrosprayionisierung so einzustellen, dass nur positive oder nur negative Probenionen in das Massenspektrometer gelangen. Die verwendete Hochspannung liegt in einer Größenordnung von 2 bis 6 kV.
Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis so gewählt wird, dass nur positive oder negative Probenionen gebildet werden. Diese Verfahrensführung eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Rechteckspannungen mit höheren Frequenzen, z. B. in der Größenordnung von 200 Hz, das Taktverhältnis der Rechteckspannung kann z. B. vorzugsweise auf 80:20 eingestellt werden. Bei einem solchen Taktverhältnis reicht die Zeit und damit die Anzahl der gebildeten unerwünschten (z. B. negativen) Probenionen nicht aus, um ein negatives Elektrospray zu bilden. Es entsteht in diesem Falle nur ein positives Elektrospray und damit ein Signal mit nur einer Polarität. Dieses Signal ist um etwa einen Faktor 2 größer als beim gattungsgemäßen Verfahren, welches eine symmetrische Rechteckspannung verwendet.
Nach einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher die Frequenz der positiven oder negativen Polaritäten der Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers entspricht. Diese Verfahrensführung ist dann bevorzugt, wenn mit Rechteckspannungen geringerer Frequenzen, etwa im unteren Hertz-Bereich, gearbeitet werden soll. Der Start des positiven Elektrosprays beginnt jeweils mit der Öffnung der Ionenfalle des Massenspektrometers und endet mit dem jeweiligen Schließen der Ionenfalle. Das dielektrisch behinderte Elektrospray ist somit auf die Frequenz der Öffnung der Falle getriggert.
Diese Verfahrensführung ermöglicht es in einer bevorzugten Weiterbildung, dass eine Mehrzahl von kapillarförmigen Zuführkanälen sternförmig derart gegenüber dem Einlass des Massenspektrometers angeordnet werden, dass die jeweils gebildeten Ionenstrahlen auf den Einlass treffen, wobei zwischen der Elektrode des jeweiligen Zuführkanales und dem Einlass jeweils eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, deren Taktverhältnis der positiven oder negativen Palaritäten so an die Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers angepasst ist, dass die aus den verschiedenen Zuführkanälen stammenden Ionensprays nacheinander durch den Einlass in die Falle des Massenspektrometers eintreten.
Auf diese Weise lassen sich mehrere Elektrosprays aus verschiedenen Zuführkanälen quasi simultan, und zwar in Abhängigkeit der Öffnung der Falle des Massenspektrometers betreiben. Wird z. B. beim Betrieb von fünf Zuführkanälen die erste ansteigende Flanke zum Start des ersten Zuführkanales verwendet, die zweite für den zweiten Zuführkanal und nach dem fünften Zuführkanal wieder der erste Zuführkanal angesteuert, können aus verschiedenen Zuführkanälen nacheinander mit nur einem Massenspektrometer Analyte aus verschiedenen Zuführkanälen analysiert werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in
1 eine schematische Darstellung einer Elektrosprayionisierungsvorrichtung mit einem Zuführkanal und einem angedeuteten Einlass eines Massenspektrometers,
2 den zeitabhängigen Verlauf einer symmetrischen Rechteckspannung im oberen Diagramm und im unteren Diagramm den zugehörigen zeitabhängigen Stromverlauf,
3 in vergrößerter Darstellung die mittels dielektrisch behinderter Elektrosprayionisierung erreichbare Stromstärke im Vergleich zur herkömmlichen Elektrosprayionisierung,
4 im oberen Diagramm den zeitabhängigen Verlauf der Öffnungszeiten der Falle eines Massenspektrometers, im mittleren Diagramm einen hochfrequenten Spannungsverlauf einer symmetrischen Rechteckspannung und im unteren Diagramm den zugehörigen Stromverlauf,
5 die Diagramme (teilweise) nach 4 mit gespreizter Zeitachse,
6 im oberen Diagramm den zeitabhängigen Verlauf der Öffnungszeit der Falle eines Massenspektrometers, im mittleren Diagramm den zeitabhängigen Verlauf einer unsymmetrischen Rechteckspannung, im unteren Diagramm den zugehörigen zeitabhängigen Stromverlauf,
7 im oberen Diagramm wiederum den zeitabhängigen Verlauf der Öffnungszeit der Falle eines Massenspektrometers, im mittleren Diagramm den zeitabhängigen Spannungsverlauf mit einer unsymmetrischen, an die Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers angepassten Rechteckspannung und im unteren Diagramm den zugehörigen zeitabhängigen Stromverlauf,
8 eine schematische Darstellung einer sternförmigen Anordnung mehrerer Elektrosprayionisierungsvorrichtungen gegenüber dem Einlass des Massenspektrometers und in
9 im oberen Diagramm den zeitlichen Verlauf der Öffnungszeit der Falle des Massenspektrometers und in den darunter angeordneten Diagrammen den zeitlichen Spannungsverlauf der verschiedenen Elektrosprayionisierungsvorrichtungen.
In 1 ist in allgemeiner Form eine Elektrosprayionisierungsvorrichturg 10 dargestellt, welche zunächst einen kapillarförmigen Zuführkanal 1 aufweist, dessen in diesem Beispiel rohrförmige Wand mit 2 bezeichnet ist. Der Zuführkanal 1 ist so angeordnet, dass seine Symmetrieachse 3 mit der Symmetrieachse 3' eines Einlasses 4 eines nicht weiter dargestellten Massenspektrometers zusammenfällt.
Um eine dielektrisch behinderte Elektrosprayionisierung zu erreichen, besteht die Wand 2 z. B. aus Glas, also aus einem dielektrischen Material.
Eine zu analysierende Probe wird am hinteren Ende 4 des Zuführkanals 1 in den Zuführkanal eingeleitet und tritt am vorderen freien Ende 5 aus. Deutlich beabstandet vom vorderen freien Ende 5 ist durch die dielektrische Trennschicht (Wand 2) vom Zuführkanal 1 getrennt eine z. B. rohrförmige Elektrode 6 angeordnet. Diese Elektrode 6 ist an eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle angeschlossen, genauso wie der Einlass 4 des Massenspektrometers, welcher als Gegenelektrode ausgebildet ist.
Ferner ist zwischen dem freien Ende 5 des Zuführkanales 1 und dem Einlass 4 ein Abstand vorgesehen, welcher einen Desolvatisierungsfreiraum 7 ausbildet.
Wird eine nachfolgend im Massenspektrometer zu analysierende Probe in flüssiger Form in den Zuführkanal 1 eingeleitet, besteht zwischen der flüssigen Probe innerhalb des Zuführkanales 1 und der Elektrode 6 kein Kontakt. Wenn zwischen der Elektrode 6 und der vom Einlass 4 gebildeten Gegenelektrode eine Hochspannung angelegt wird und die flüssige Probe durch den Zuführkanal 1 hindurchfließt, wird das entstehende elektrische Feld durch eine dielektrische Verschiebung der Ladungen durch die Kanalwandungen (dielektrische Wand 2) übertragen. Es wird ein Elektrospray 8 erzeugt, ohne dass die Elektrode 6 in Kontakt mit der Flüssigkeit gelangt. Das erzeugte Ionenspray trifft auf den Einlass 4 des Massenspektrometers, die Ionen gelangen anschließend durch den Einlass 4 in eine nicht dargestellten öffen- und schließbare Falle des Massenspektrometers und werden, nachdem sie die geöffnete Falle passiert haben, im Massenspektrometer analysiert.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Art der an die Elektroden angelegten Spannung. Grundsätzlich ist es aus ”Anal. Bioanal. Chem. (2010), Seiten 1767 bis 1772” bekannt, eine normale, d. h. symmetrische Rechteckspannung, zu verwenden. Ein Spannungsverlauf einer Rechteckspannung ist in 2 dargestellt. Erkennbar weist der daraus entstehende Stromverlauf abwechselnd positive und negative Strombereiche auf, d. h. es werden abwechselnd positive und negative Ionen erzeugt.
3 zeigt in vergrößerter und quantitativer Darstellung ein positives Stromsignal bei dielektrisch behinderter Elektrosprayionisierung mit Rechteckspannung im Vergleich zu einem Stromsignal mit nicht dielektrisch behinderter herkömmlicher Elektrosprayionisierung.
Bei einer herkömmlichen Elektrosprayionisierung mit einer konstanten Gleichspannung entsteht ein konstanter Elektrospraystrom von vorzugsweise 50 nA. Dieses Stromsignal ist in 3 absteigend schraffiert, Demgegenüber ist bei einer dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung eine maximale Stromstärke von z. B. 1,2 μA (aufsteigend schraffiertes Signal) ohne Fragmentierung der Moleküle zu erreichen. Bei einer herkömmlichen Elektrosprayionisierung würde es bei derart hohen Stromstärken zu unerwünschten Fragmentierungen kommen.
Die Verwendung einer Rechteckspannung gemäß 2 bei der dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung bietet gegenüber einer Gleichspannung bereits Vorteile. Allerdings ergeben sich bei einem hochfrequenten Spannungsverlauf auch Nachteile, die aus den 4 und 5 hervorgehen. In den 4 und 5 ist im oberen Diagramm jeweils der zeitabhängige Verlauf der Öffnungszeit der Falle des Massenspektrometers dargestellt. Im Vergleich dazu ist jeweils aus dem mittleren Diagramm der 4 und 5 der zeitabhängige Spannungsverlauf bei einer symmetrischen Rechteckspannung höherer Frequenz zu erkennen. Es ergibt sich daraus aus dem jeweils unteren Diagramm der 4 und 5 ein Stromverlauf des Elektrospraystroms, welcher eine abwechselnde positive und negative Ionenbildung zeigt. Da ein Massenspektrometer je nach Polaritätsmodus nur negative oder positive Ionen messen kann, ist erkennbar, dass bei symmetrischen Rechteckspannungen höherer Frequenz gemäß 4 und 5 innerhalb der Messzeit, d. h. des Öffnungszeitraumes der Falle des Massenspektrometers, nur ein gepulstes Signal zu erreichen ist, das etwa halb so groß ist wie bei einem konstanten (aus einer Gleichspannung resultierenden) Signal.
Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass zwischen der Elektrode 6 und dem Einlass 4 des Massenspektrometers eine unsymmetrische Rechteckspanriung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis der positiven und negativen Polaritäten unterschiedlich ist.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches für hochfrequente Rechteckspannungen geeignet ist, wird gemäß 6 eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt, bei der das Taktverhältnis der Rechteckspanriung vorzugsweise 80:20 beträgt. Ein solcher Rechteckspannungsverlauf ist im mittleren Diagramm der 6 dargestellt. Daraus resultiert ein Stromverlauf, der im unteren Diagramm der 6 zu erkennen ist. Bei einer solchen unsymmetrischen Rechteckspannung reicht die Zeit und damit die Anzahl der gebildeten negativen innen nicht aus, um ein negatives Elektrospray zu bilden. Es entstehen quasi nur positive Elektrosprayionen, so dass das Stromsignal gegenüber einer symmetrischen Rechteckspannung etwa um einen Faktor 2 erhöht werden kann.
Diese Verfahrensführung ist bei hochfrequenten Rechteckspannungen mit einer Frequenz in einer Größenordnung von 200 Hz besonders geeignet.
Wird eine unsymmetrische Rechteckspannung mit einer Frequenz im Hertz-Bereich eingesetzt, ist nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zwischen der Elektrode 6 und dem Einlass 4 des Massenspektrometers eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher die Frequenz der positiven oder negativen Polaritäten der Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers entspricht. Diese Verfahrensführung ist der 7 zu entnehmen. Erkennbar ist, dass der zeitabhängige Verlauf der Öffnungszeit des Massenspektrometers (oberes Diagramm der 7) dem zeitabhängigen Verlauf des Rechteckspannungssignales (mittleres Diagramm der 7) entspricht.
Daraus resultiert ein Stromverlauf, der dem unteren Diagramm der 7 zu entnehmen ist, positiv geladene Ionen entstehen synchron zur Öffnungszeit der Falle des Massenspektrometers.
Bei dieser Ausführungsform ist somit der Start des positiven Elektrosprays jeweils mit der Öffnung der Ionenfalle des Massenspektrometers synchronisiert, d. h. das dielektrische Elektrospray ist auf die Frequenz der Öffnung der Falle des Massenspektrometers getriggert.
In Weiterbildung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 7 ist es möglich, mehrere verschiedene Elektrosprays quasi simultan an einem einzigen Massenspektrometer zu betreiben.
Dazu werden, wie 8 zeigt, eine Mehrzahl beim Ausführungsbeispiel nach 8 fünf Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 stern- bzw. halbkreisförmig derart gegenüber dem mit 4 angedeuteten Einlass des Massenspektrometers angeordnet, dass das jeweils gebildete Ionenspray S auf den Einlass 4 trifft.
Dabei wird zwischen der Elektrode der jeweiligen Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 und dem Einlass 4 des Massenspektrometers jeweils eine Rechteckspannung angelegt, deren Taktverhältnis der positiven (oder negativen) Polaritäten so an die Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers angepasst ist, dass das aus den verschiedenen Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 stammende Ionenspray nacheinander durch den Einlass in die Falle des Massenspektrometers eintritt.
Der entsprechende Spannungsverlauf ist in 9 dargestellt. Das obere Diagramm der 9 zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Öffnungszeit der Falle des Massenspektrometers. Darunter sind mit U₁ bis U₅ die Rechteckspannungsverläufe der fünf Zuführkanäle dargestellt. Die Rechteckspannung U₁ der ersten Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 ist so auf die Frequenz der Fallenöffnung des Massenspektrometers getriggert, dass das Rechteckspannungssignal zeitlich auf das erste Öffnungsintervall der Falle synchronisiert ist und dann wiederum auf das sechste, elfte, u. s. w. Das Spannungssignal U₂ der zweiten Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 ist so eingestellt, dass das positive Rechteckspannungssignal synchron zum zweiten Öffnungsintervall der Falle und nachfolgend zum siebten, zwölften, u. s. w. ist. Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Spannungssignale U₃ der dritten Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10, U₄ der vierten Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 und U_S der fünften Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10.
Auf diese Weise lassen sich mehrere, hier z. B. fünf, Elektrosprays quasi simultan, also in Abhängigkeit von der Öffnung der Falle des Massenspektrometers, betreiben. Wird beim dargestellten Betrieb von fünf Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 die erste ansteigende Flanke zum Start der ersten Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 verwendet, die zweite für die zweite Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 und nach der fünften wieder die erste Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 angesteuert, können aus verschiedenen Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 nacheinander mit nur einem Massenspektrometer Analyte aus verschiedenen Zuleitungen gemessen werden.
Mehrere Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 dieser Art gemäß 8 können beispielsweise auf einem Mikrochip integriert sein. Alle Zuführkanäle des Chips sollten gleich lang sein, um einerseits eine Verzögerung der getrennten Analyte und andererseits hydrodynamische Differenzen zwischen den Kanälen zu vermeiden. Solche hydrodynamischen Differenzen könnten die Trennung stören.
Die freien Enden bzw. Ausgänge der Elektrosprayionisierungsvorrichtungen 10 können, wie dargestellt, sternförmig in einem Halbkreis um den Einlass 4 des Massenspektrometers angeordnet sein. Der Radius dieser Anordnung sollte vorzugsweise dem Abstand des freien Endes eines Zuführkanales 1 zum Einlass 4 des Massenspektrometers entsprechen. Selbstverständlich ist jede Elektrosprayionisierungsvorrichtung 10 mit einer eigenen Elektrode ausgerüstet, die auf den Chip aufgebracht ist. Mit Hilfe von Hochspannungstransistoren kann jede Elektrode nacheinander angesteuert und mit jeweils einer ansteigenden Flanke ein positives und mit jeder fallenden Flanke des Hochspannungsrechtecksignals ein negatives Elektrospray erzeugt werden. Dabei wird so schnell geschaltet, dass die hydrodynamischen Eigenschaften des Flusses nicht gestört werden. Auf diese Weise können die aus den verschiedenen Zuführkanälen gesprayten Analyten massenspektrometrisch gemessen und über mehrere Zyklen gemittelt werden.

Claims

Verfahren zur dielektrisch behinderten Elektrosprayionisierung von flüssigen Proben und zur nachfolgenden massenspektrometrischen Analyse der erzeugten Probenionen, bei welchem die jeweilige flüssige Probe in einen kapillarförmigen Zuführkanal geleitet wird, dessen umschließende Wand an der Außenseite beabstandet vom freien Ende eine durch eine Trennschicht aus einem dielektrischen Material von der Wand getrennte Elektrode aufweist, wobei in einem Abstand vom freien Ende des Zuführkanales unter Ausbildung eines Ionenbildungsfreiraumes ein eine Gegenelektrode bildender Einlass eines Massenspektrometers angeordnet ist, durch den die gebildeten Ionen in eine öffen- und schließbare Falle des Massenspektrometers gelangen, wobei zwischen der Elektrode und dem Einlass zur Erzeugung der Probenionen eine Rechteckspannung angelegt und die Falle des Massenspektrometers abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, und wobei die durch die Falle des Massenspektrometers gelangenden Probenionen im Massenspektrometer analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis der positiven und negativen Polaritäten unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher das Taktverhältnis so gewählt wird, dass nur positive oder negative Probenionen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktverhältnis der Rechteckspannung 80:20 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrode und dem Einlass eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, bei welcher die Frequenz der positiven oder negativen Polaritäten der Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von kapillarförmigen Zuführkanälen sternförmig derart gegenüber dem Einlass des Massenspektrometers angeordnet werden, dass die jeweils gebildeten Ionensprays auf den Einlass treffen, wobei zwischen der Elektrode des jeweiligen Zuführkanales und dem Einlass jeweils eine unsymmetrische Rechteckspannung angelegt wird, deren Taktverhältnis der positiven oder negativen Polaritäten so an die Öffnungsfrequenz der Falle des Massenspektrometers angepasst ist, dass die aus den verschiedenen Zuführkanälen stammenden Ionensprays nacheinander durch den Einlass in die Falle des Massenspektrometers eintreten.