DE102012004398A1

DE102012004398A1 - Spektrenaufnahmearten für Ionenfallen-Mobilitätsspektrometer

Info

Publication number: DE102012004398A1
Application number: DE102012004398A
Authority: DE
Inventors: Melvin Andrew Park; Desmond Allen Kaplan; Mark Ridgeway
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-03-03
Also published as: GB2490387B; GB201204772D0; US20120273670A1; GB2490387A; US8766176B2; DE102012004398B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Ionenmobilitätsspektrometern unter Verwendung von strömenden Gasen, die die Ionen über elektrische Feldbarrieren transportieren, vorzugsweise in Kombination mit Massenspektrometern. Die Erfindung basiert auf dem im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) beschriebenen Ionenmobilitätsspektrometer und bietet Verfahren zur Aufnahme von Ionenmobilitätsspektren, die Spektren auf einer linearen Mobilitätsskala oder Spektren mit deutlich besserer Konstanz in der Auflösung liefern. Zumindest einige dieser neuen Aufnahmeverfahren erfordern Abwandlungen des Instruments.

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Geräte und Verfahren zur Aufnahme von Ionenmobilitätsspektren in Ionenmobilitätsspektrometern, bei denen eine feste Anzahl gespeicherter Ionen mit Gasströmungen durch viskose Mitnahme gegen und über variable elektrische Feldbarrieren gedrückt werden.
Stand der Technik
In Massenspektrometern kann immer nur das Verhältnis der Ionenmasse zur Ladung des Ions bestimmt werden. Wenn im Folgenden der Einfachheit halber von der „Masse eines Ions” oder der „Ionenmasse” gesprochen wird, ist immer das Verhältnis der Masse m zur dimensionsfreien Anzahl z der überschüssigen Elementarladungen des Ions gemeint. Diese ladungsbezogene Masse m/z hat somit die physikalische Dimension einer Masse; sie wird häufig auch als „Masse-zu-Ladungs-Verhältnis” bezeichnet, obwohl dies aus Dimensionsgründen nicht korrekt ist. Unter einer „Ionensorte” sollen hier Ionen verstanden werden, die die gleiche Elementarzusammensetzung, die gleiche Ladung und die gleiche dreidimensionale Struktur aufweisen. Die Ionensorte umfasst im Allgemeinen alle Ionen einer Isotopengruppe, also Ionen mit leicht unterschiedlichen Massen, doch praktisch gleichen Ionenmobilitäten. Verschiedene Isomere weisen verschiedenen Ionenmobilitäten auf; sie sind also verschiedene Ionensorten.
Isomere sind Ionen verschiedener Struktur, aber gleicher Masse und Elementarzusammensetzung. Für bio-organische Moleküle sind unterschiedliche Arten von Isomeren bekannt: Isomere, die sich auf die Primärstruktur beziehen (Strukturisomere), und Isomere, die sich auf die Sekundär- oder Tertiärstruktur, also auf die Faltung des Moleküls, beziehen (Konformationsisomere). Isomere haben zwar unterschiedliche geometrische Formen, doch genau die gleiche Masse. Daher ist es unmöglich, Isomere anhand ihrer Masse zu unterscheiden. Hinweise auf die Struktur können durch Fragmentionenmassenspektren gewonnen werden; ein besserer und sicherer Weg zur Erkennung und Unterscheidung solcher Isomere ist jedoch die Trennung der Ionen nach ihrer Mobilität.
Die Ionenmobilität wird heute meistens über ihre Driftgeschwindigkeiten in einem ortsfesten Gas unter dem Einfluss eines homogenen elektrischen Feldes gemessen. Eine Driftstrecke wird mit einem Inertgas wie z. B. Helium, Stickstoff oder Argon gefüllt. Die Ionen der zu untersuchenden Substanz werden mit Hilfe des elektrischen Feldes durch das Gas gezogen. Das elektrische Feld wird durch entsprechende Gleichspannungspotentiale an Ringelektroden aufgebaut, die die Driftstrecke säumen. Durch die Reibung mit dem Gas stellt sich für jede Ionensorte eine konstante Driftgeschwindigkeit v_d ein, die proportional zur elektrischen Feldstärke E ist: v_d = μ × E. Der Proportionalitätsfaktor μ wird als „Ionenmobilität” der Ionensorte bezeichnet. Die Ionenmobilität μ ist eine Funktion der Gastemperatur, des Gasdrucks, des Gastyps, der Ionenladung und insbesondere des Stoßquerschnitts der Ionen.
Isomere Ionen mit gleicher ladungsbezogener Masse m/z, jedoch unterschiedlichen Stoßquerschnitten haben bei gleicher Temperatur, gleichem Druck und gleichem Gastyp unterschiedliche Ionenmobilitäten. Isomere kleinster geometrischer Ausdehnung haben die größte Mobilität und somit die größte Driftgeschwindigkeit v_d durch das Gas. Proteinionen in ungefaltetem Zustand erleben eine größere Anzahl an Stößen als dicht gefaltete Proteine. Daher erreichen ungefaltete oder partiell gefaltete Proteinionen das Ende der Driftstrecke später als stark gefaltete Ionen gleicher Masse. Aber auch Strukturisomere, beispielsweise Proteine mit Glykosyl-, Lipid- oder Phoshorylgruppen an verschiedenen Positionen, haben unterschiedliche Stoßquerschnitte, die sie durch Messung ihrer Ionenmobilität unterscheidbar machen.
In der chemischen und biologischen Forschung wird es immer wichtiger, die Faltungsstrukturen von Ionen zu kennen, die über ihre Mobilität festgestellt werden können. Daher wurden Massenspektrometer mit Geräten zur Messung der Ionenmobilität ausgestattet, insbesondere um die Messung der ladungsbezogenen Ionenmasse mit der Messung der Stoßquerschnitte zu kombinieren. Die Faltungsstrukturen bestimmen den Wirkmechanismus und damit die Funktion der Moleküle im Lebewesen. Unterschiedliche Faltungen können normale oder anomale Funktionen von Biopolymeren in Biosystemen und damit Gesundheit oder Krankheit von Gewebeteilen oder sogar ganzer Lebewesen bedeuten.
Solche Kopplungen von Driftrohr-Ionenmobilitätsspektrometern mit Massenspektrometern wurden von einer Reihe akademischer Arbeitsgruppen durchgeführt. Für die Mobilitätsdriftstrecke wurden fast universell Drücke im Bereich einiger Hektopascal angewandt. In diesem niedrigen Druckbereich scheint es kaum Komplexierungen der driftenden Ionen mit anderen Substanzen zu geben, so dass die Mobilitäten der Ionensorten ohne Störungen gemessen werden können – im Gegensatz zu Mobilitätsmessungen bei Atmosphärendruck, bei denen oft komplexe Ionen mit Verunreinigungsmolekülen oder sogar Driftgasmolekülen entstehen. Für die Niederdruck-Ionenmobilitätsspektrometer sind die Driftstrecken zur Erzielung hoher Mobilitätsauflösungen bis zu sechs Meter lang, und es werden elektrische Feldstärken von 2.000 Volt pro Meter und mehr angelegt. In den langen Driftstrecken diffundieren die Ionen aber auch in radialer Richtung über weite Strecken auseinander, so dass für diese Driftstrecken recht große Durchmesser gewählt werden müssen.
Die Ionen werden meistens in Form zeitlich kurzer Ionenpulse durch ein Schaltgitter in die Driftstrecke eingelassen, wodurch räumlich kleine Ionenwolken entstehen, die vom elektrischen Feld durch die Driftstrecke gezogen werden. Im Gas der Driftstrecke diffundieren die Ionenwolken durch ihre Brownsche Bewegung (Boltzmann-Verteilung der kinetischen Energien) in alle Richtungen vom Zentrum der Wolke weg. Die Diffusion erfolgt gleichmäßig in alle Richtungen, sowohl vorwärts und rückwärts wie auch unter allen Winkeln zur Driftrichtung. Das Gas in der Driftstrecke wird manchmal zur Vermeidung von Anlagerungen von Driftgasmolekülen an die Analytmoleküle auf Temperaturen von etwa 150 bis 300 Grad Celsius gehalten, kann aber für besondere Experimente auch stark gekühlt sein.
Das Mobilitätsauflösungsvermögen (kurz „Mobilitätsauflösung”) ist definiert als R_mob = μ/Δμ = v_d/Δv_d, wobei Δμ die Breite des Ionensignals der Mobilität μ auf halber Höhe, gemessen in Ionenmobilitätseinheiten, und Δv_d die entsprechende Geschwindigkeitsdifferenz ist. Die Mobilitätsauflösung R_mob wird überwiegend, vor allem bei langen Driftstrecken und hohen elektrischen Feldstärken, durch die Diffusionsverbreiterung der Ionenwolken beeinflusst. Alle anderen Einflüsse, wie beispielweise die Raumladung, sind eher verschwindend gering. Der durch die Diffusionsverbreiterung bestimmte Anteil der Mobilitätsauflösung wird durch die Gleichung
wiedergegeben, wobei z die Anzahl der Elementarladungen e, E die elektrische Feldstärke, L_d die Länge der Driftstrecke, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur des Gases in der Driftstrecke ist. Eine hohe Mobilitätsauflösung kann somit nur durch eine hohe Feldstärke E, lange Driftstrecke L_d oder tiefe Temperatur T erreicht werden. Der Anteil R_d der Mobilitätsauflösung, der auf der Diffusion beruht, ist weder vom Typ noch vom Druck des Gases in der Driftstrecke abhängig. Jedoch hängt die Mobilität μ selbst nicht nur von der Temperatur, sondern auch von Druck und Typ des Gases ab.
Verglichen mit den Zahlenwerten für Massenauflösungen in der Massenspektrometrie, die sich auf mehrere Zehntausend belaufen können, sind die praktisch erreichbaren Mobilitätsauflösungen im Allgemeinen sehr klein. Die erste kommerzielle Kombination eines Ionenmobilitätsspektrometers mit einem Massenspektrometer für bio-organische Ionen hat eine maximale Mobilitätsauflösung von nur R_mob = 40. Mit einer Mobilitätsauflösung von R_mob = 40 lassen sich zwei Ionensorten, deren Stoßquerschnitte um nur fünf Prozent voneinander abweichen, gut voneinander unterscheiden.
Nur hoch spezialisierten Gruppen von Wissenschaftlern ist es bisher gelungen, deutlich höhere Mobilitätsauflösungen als R_mob = 100 zu erreichen, in seltenen Einzelfällen bis zu R_mob = 200, mit Driftlängen von etwa zwei bis sechs Meter und Feldstärken von 2.000 bis 4.000 Volt pro Meter, wodurch sich Ionensorten unterscheiden lassen, die in ihrer Mobilität nur um ein bis zwei Prozent voneinander abweichen. Ionenmobilitätsspektrometer mit Auflösungen über R_mob = 100 sollen hier als „hochauflösend” betrachtet werden.
Wie oben angesprochen, findet in langen Mobilitätsdriftstrecken auch eine starke transversale Diffusion statt. Daher müssen längere Driftstrecken auch einen großen Durchmesser haben, damit die Ionen nicht die Wandelektroden berühren. Es hat sich daher bewährt, die Ionen nach einem Teil der Driftstrecke, beispielsweise nach etwa zwei Meter, wieder zur Achse der Driftstrecke zurückzuführen. Dazu werden sogenannte „Ionentrichter” verwendet. Diese bestehen aus einer größeren Anzahl parallel angeordneter Ringblenden in kleinen Abständen in der Größenordnung von Millimetern, deren Lochdurchmesser sich stetig vom Durchmesser der Driftstrecke, beispielsweise 30 bis 40 Zentimeter, bis auf etwa fünf Millimeter verjüngen und so einen trichterartig umfassten Hohlraum bilden. An den Lochblenden liegen alternierend die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung von meist mehreren Megahertz und einigen zehn bis hundert Volt an, wodurch ein Pseudopotential entsteht, das die Ionen von der Trichterwand fernhält. Der Hochfrequenzspannung wird durch einen Gleichspannungsgradienten ein elektrisches Gleichspannungsfeld überlagert, das die Ionen langsam zum engen Ausgang des Trichters und durch ihn hindurch treibt. Ein solcher Ionentrichter verschlechtert die Mobilitätsauflösung einer langen Driftstrecke nicht messbar.
Ionentrichter werden nicht nur für die Rückführung der Ionen zur Achse der Driftstrecken in Ionenmobilitätsspektrometern verwendet, sondern auch ganz allgemein in Massenspektrometern zum Einfangen größerer Ionenwolken und zum Einfädeln dieser Ionenwolken in enge Ionenführungssysteme. Solche Ionentrichter befinden sich häufig in Massenspektrometern mit Elektrosprüh-Ionenquellen, wobei die außerhalb des Vakuumsystems erzeugten Ionen durch Einlasskapillaren zusammen mit Schutzgas ins Vakuum überführt, dort durch Ionentrichter eingefangen und von großen Teilen des Schutzgases befreit werden. In einigen Massenspektrometern sind sogar zwei solche Ionentrichter hintereinander geschaltet, um rasch von Gebieten mit höherem Druck von einigen Hektopascal am Ende der Einlasskapillare zu Gebieten mit niedrigerem Druck unter etwa 10^–2 Pascal zu gelangen.
Für Kombinationen von Mobilitätsspektrometern mit Massenspektrometern haben sich insbesondere hochauflösende Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF-MS) bewährt. Für solche Kombinationen haben hochauflösende Ionenmobilitätsspektrometer bisheriger Art den Nachteil einer großen Länge von einigen Meter. Für kommerziell vertriebene Geräte ist eine solche Lösung ungünstig. Selbst nur mäßig auflösende Ionenmobilitätsspektrometer mit gerader Driftstrecke sind etwa einen Meter lang. Für den Bau kleiner, hochauflösender Mobilitätsanalysatoren ist daher nach einer Lösung zu suchen, die deren Baulänge zwar verkürzt, aber keine Verschlechterung der Mobilitätsauflösung bewirkt.
Im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) wird ein Ionenmobilitätsspektrometer beschrieben, das nur etwa zehn Zentimeter lang ist. Es basiert auf der Bewegung von Gasen, die die Ionen über die Barriere eines elektrischen Gegenfelds in einem modifizierten Ionentrichter treiben, der in ein Flugzeitmassenspektrometer eingebaut ist. Im Gegensatz zu anderen Versuchen, kleine Ionenmobilitätsspektrometer zu bauen, hat das Gerät von M. A. Park bereits Ionenmobilitätsauflösungen über R_mob = 100 erreicht.
Der Apparat von M. A. Park und seine Funktionsweise sind in den bis schematisch dargestellt. zeigt, wie die Teile (10) und (12) eines Quadrupoltrichters mit den üblichen Öffnungen für eine Gasströmung zwischen den Elektroden unterbrochen und durch ein geschlossenes Rohr (11) mit innerem Quadrupolfeld erweitert werden. Das Rohr (11) ist zur Erzeugung des Quadrupolfelds vertikal in dünne Elektrodenscheiben (17, 18) unterteilt, deren innere Öffnungen das runde Rohr um die z-Achse des Geräts bilden. Die Elektrodenscheiben sind durch ein Isoliermaterial voneinander getrennt, das die Spalten zwischen den Elektroden rund um das Rohr schließt. zeigt die Form der Elektroden des Trichters (15, 16) und des Rohres (17, 18), letzteres mit Äquipotentiallinien des HF-Quadrupolfelds innerhalb des Rohres (11) zu einer bestimmten Zeit. Das differentielle Pumpsystem des Massenspektrometers, das das Ionenmobilitätsspektrometer umgibt, ist so bemessen, dass ein Gas laminar durch das Rohr (11) strömt und dabei das übliche paraboloide Geschwindigkeitsprofil (14) annimmt. Die Ionen, die zusammen mit dem Gas in den ersten Teil (10) des Trichters gelangen, werden durch Stoßfokussierung in die Achse des Rohres (11) getrieben und strömen, wenn keine Feldbarriere eingeschaltet ist, durch das Gas viskos mitgenommen entlang der Achse des Rohrs zu dessen Ende und durch die Lochblende (13) hindurch. Das Gas entweicht größtenteils durch die Spalten zwischen den Elektroden des Trichterteils (12).
Ein Trichter (10) oder (12) wird in der Regel mit Lochblenden betrieben, deren Öffnung zu kleinen Durchmessern ausläuft, sodass ein trichterförmiger Innenraum entsteht. An die Blenden werden abwechselnd die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung angelegt, um ein Pseudopotential zu erzeugen, das die Ionen von den Trichterwänden fernhält. Der Ionentrichtereingang (10) besteht hier aus Elektroden, die in vier Teile unterteilt sind, damit ein komplizierteres HF-Feld angelegt werden kann, was für den Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers jedoch nicht unerlässlich ist.
Für den Betrieb als Mobilitätsspektrometer muss nun eine in der Höhe variable elektrische Gegenfeldbarriere erzeugt werden. Die Feldbarriere wird aus einem entsprechenden Verlauf eines Potentials erzeugt. Die zeigt ein Diagramm mit unterschiedlichen Gleichspannungspotentialverläufen P(z) (22 bis 26) entlang der z-Achse. Die Potentialverläufe werden wie üblich durch ein Netz aus exakt gewählten Widerständen zwischen den Elektrodenscheiben erzeugt, die als Spannungsteiler dienen. Dadurch muss nur eine einzige Spannung angelegt werden, um den gesamten Verlauf zu erzeugen. Die Steigungen des Potentialverlaufs bilden das jeweilige elektrische Gegenfeld E_z = dP/dz, die elektrische Feldbarriere wird also durch eine einfache Ableitung gebildet, wie in gezeigt. Durch Ändern der Spannung am Spannungsteiler erhöhen oder erniedrigen sich alle Spannungs- und Feldprofile (22 bis 26).
Es sei hier kurz der Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers beschrieben. Der Betrieb beginnt mit dem Füllprozess. Dabei wird durch eine Spannung in der Größenordnung von 100 bis 200 Volt ein steiler Potentialverlauf (22) erreicht, der die höchste elektrische Feldbarriere erzeugt. Die eingeführten Ionen (27) werden durch die Gasströmung gegen die Feldbarriere geblasen und dort gestoppt, weil sie die Feldbarriere nicht überwinden können. Ionen mit hoher Mobilität (kleiner Querschnitt) sammeln sich am tiefsten Punkt der Barriere und Ionen mit geringer Mobilität (großer Querschnitt) am höchsten Punkt der Barriere, was durch die Punktgröße für die Ionen (27) symbolisiert wird. Sobald in dieser Weise genügend Ionen gespeichert sind, wird die Zufuhr weiterer Ionen gestoppt, zum Beispiel durch Ändern des Spannungsgradienten im Ionentrichter. Für die nun folgende Spektrenaufnahme wird der Potentialverlauf (22) gleichmäßig über die Profilzustände (23) bis (26) gesenkt, indem die Spannung in einem als „Scannen” bezeichneten Verfahrensablauf (28) kontinuierlich reduziert wird. Bei diesem Vorgang können Ionen mit immer höherer Mobilität den sinkenden höchsten Punkt der Barriere überwinden und das Ionenmobilitätsspektrometer verlassen. Die austretenden Ionen werden von einem Ionendetektor, vorzugsweise einem Massenspektrometer, gemessen. Das Ionenmobilitätsspektrum von geringen bis zu hohen Ionenmobilitäten wird direkt durch die Stromkurve der gemessenen Ionen dargestellt. Das Gerät wird als Ionenfallen-Mobilitätsspektrometer (TIMS, Trapped Ion Mobility Spectrometer) bezeichnet.
Ein typisches Merkmal dieses Instruments ist die lange Steigung der elektrischen Feldbarriere bis Position (20), dem Beginn des Plateaus. Auf dieser langen Steigung zwischen dem tiefsten und höchsten Punkt der Barriere werden die Ionen (27) in einem relativ großen Volumen entlang der z-Achse gesammelt, wobei Raumladungseffekte wirksam reduziert werden.
Ein weiteres typisches Merkmal dieses Instruments ist das flache Plateau der elektrischen Feldbarriere zwischen den Positionen (20) und (21) auf der z-Achse. Wenn die Barriere durch eine Aufnahme allmählich sinkt, müssen die Ionen beim Passieren des Plateaus einige Millisekunden lang in dem kritischen Gleichgewicht zwischen der Schubkraft der Gasreibung und der Bremskraft des elektrischen Gegenfelds bestehen, bevor sie am Ende des Plateaus in Gebiete mit schwächeren Feldstärken getrieben werden. Während dieser Millisekunden führt die hohe Anzahl von Gasstößen zu einer statistisch gleichen Auswahl aller Ionen mit gleicher Mobilität und damit zu einer hohen Mobilitätsauflösung. Das flache Plateau der elektrischen Barriere zwischen den Positionen (20) und (21) wird durch eine Anzahl von Widerstanden mit exakt gleichen Werten in der Widerstandskette des Spannungsteilers erzeugt, also einem streng linearen Anstieg des Potentials.
Mit diesem Instrument konnte festgestellt werden, dass die Ionenmobilitätsauflösung R_mob mit zunehmendem Druck und abnehmender Aufnahmegeschwindigkeit ansteigt. Außerdem wurde festgestellt, dass die Mobilitätsauflösung R_mob eine Funktion der Mobilität μ ist: Mit linear abnehmender Spannung wird die Mobilitätsauflösung R_mob von niedrigeren zu höheren Mobilitäten μ geringer. Es ist anzunehmen, dass die Mobilitätsauflösung R_mob auch von der Gasgeschwindigkeit v_g in Verbindung mit Änderungen der Höhe der elektrischen Barriere abhängt. Auch der Gastyp dürfte dabei eine Rolle spielen. Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass das relativ kleine Gerät ein ausgezeichnet gutes Mobilitätsspektrometer ist, keinesfalls schlechter als die oben beschriebenen langen Driftrohre mit Ruhegas. Auch diese langen Driftrohre arbeiten nur getaktet in Messphasen, die mit dem Einschuss der Ionen beginnen. Mit dem kleinen Apparat wurden in ersten Versuchen Ionenmobilitäten über R_mob = 100 erreicht.
Beim bisherigen Betrieb weist das Gerät auch einen Nachteil auf. Wenn für die Spektrenaufnahme die Spannung linear erniedrigt wird, ist das Mobilitätsspektrum weder in der Mobilität noch in der Auflösung linear. Dabei ist Linearität in der Mobilität vorteilhaft für Kalibrierungen und die notwendigen Interpolationen.
Aufgabe der Erfindung
Es werden Verfahren für die Spektrenaufnahme gesucht, die entweder Mobilitätsspektren auf einer linearen Mobilitätsskala oder Mobilitätsspektren mit konstanter Mobilitätsauflösung liefern. Auch Verfahren zur Beschleunigung der Spektrenaufnahme sind gesucht.
Zusammenfassung der Erfindung
Vorliegende Erfindung basiert auf dem im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) beschriebenen Ionenmobilitätsspektrometer und bietet mehrere neue Aufnahmearten, die entweder Spektren auf einer linearen Mobilitätsskala liefern, was gleichzeitig überraschenderweise auch eine deutlich bessere Konstanz in der Auflösung ergibt, oder Spektren mit einer konstanten Mobilitätsauflösung längs des Spektrums. Zumindest einige dieser neuen Aufnahmearten erfordern einige Abwandlungen des Instruments.
Eine erste Reihe neuer Aufnahmearten basiert auf Potentialänderungen in Form nichtlinearer Funktionen der Zeit bei der Spektrenaufnahme. Ein erstes Verfahren erzeugt ein lineares Mobilitätsspektrum durch Senken der Feldstärke E_z der elektrischen Feldbarriere in einer hyperbolischen Scanfunktion E_z(t) = c/t, während die Gasgeschwindigkeit v_g, konstant gehalten wird. Überraschenderweise wird nicht nur eine lineare Mobilitätsskala erreicht, sondern das neue Aufnahmeverfahren generiert auch Ionenmobilitätsspektren mit deutlich besserer Konstanz der Auflösung als die bisher eingesetzten Aufnahmearten mit linearen Scans. Ein zweites Verfahren besteht darin, die Feldstärke E_z als Exponentialfunktion
zu verändern, was ein Spektrum mit konstanter Auflösung der Mobilität ergibt. Ein drittes Verfahren besteht darin, die Feldstärke der elektrischen Barriere relativ langsam über einen vordefinierten interessierenden Bereich zu verändern und vergleichsweise schnell über Bereiche außerhalb des interessierenden Bereichs. Dieser ebenfalls nichtlineare Verlauf erhöht die Mobilitätsauflösung innerhalb des interessierenden Bereichs, ohne die Analysenzeiten wesentlich zu erhöhen. Diese Aufnahmeverfahren erfordern keine Abwandlung der Hardware, nur die Steuerungssoftware muss geändert werden, damit ein nichtlinearer Gleichspannungsverlauf zum Erzeugen der elektrischen Barriere angelegt werden kann.
Bei einer zweiten Reihe neuer Aufnahmeverfahren werden die Gasströmungsbedingungen geändert. Ein erstes Verfahren dieser zweiten Reihe besteht darin, die Gasgeschwindigkeit v_g, linear zu erhöhen, während der Verlauf des elektrischen Gegenfelds konstant gehalten wird, was ebenfalls zu einem Ionenmobilitätsspektrum mit linearer Spektrenskala führt. Ein zweites Verfahren dieser zweiten Reihe von Aufnahmearten besteht darin, den Gasdruck p zu erhöhen. Die beiden zuletzt beschriebenen neuen Spektrenaufnahmeverfahren erfordern neue Gasversorgungsleitungen zur Steuerung der Gasgeschwindigkeit und des Gasdrucks sowie einige Abwandlungen des differentiellen Pumpsystems. Die neuen Gasversorgungsleitungen ermöglichen auch die Einführung spezieller Gase, um das primäre Ionentransportgas durch besser geeignete Gase wie Helium oder Argon zu ersetzen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die bis zeigen schematisch den Aufbau und Betrieb eines Ionenmobilitätsspektrometers nach dem Stand der Technik, wie in US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) beschrieben.
Die bis zeigen einige Abwandlungen dieses Instruments in Form einer gesteuerten Versorgung (31) mit einem Ersatzgas und eines Manometers (33), wodurch unterschiedliche Gasdrücke und unterschiedliche Gastypen eingesetzt werden können und insbesondere eine Mobilitätsaufnahme durch kontinuierliche Erhöhung der Gasgeschwindigkeit v_g oder des Gasdrucks p möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen
Wie oben schon erwähnt, basiert die vorliegende Erfindung auf dem Ionenmobilitätsspektrometer, das im Dokument US 7,838,826 B1 (M. A. Park, 2008) beschrieben und in schematisch dargestellt ist. Die Erfindung ermöglicht mehrere neue Spektrenaufnahmeverfahren mit unterschiedlichen Vorteilen, von denen einige Methoden Spektren auf einer linearen Mobilitätsskala erzeugen und gleichzeitig überraschenderweise eine deutlich bessere Konstanz in der Ionenmobilitätsauflösung ergeben, andere dagegen eine völlige Konstanz der Mobilitätsauflösung erreichen. Einige dieser neuen Aufnahmemethoden erfordern Abwandlungen der Gasführung im Instrument, wie in dargestellt.
Eine erste Reihe neuer Verfahren zur Aufnahme von Ionenmobilitätsspektren basiert auf nichtlinearen Scans, d. h. nichtlinearen Änderungen (28) der Höhe E_z der elektrischen Barriere mit der Zeit t.
Ein erstes Verfahren dieser Reihe nichtlinearer elektrischer Scans (28) besteht darin, ein Mobilitätsspektrum mit linearer Mobilitätsachse im Wesentlichen durch Senken der Feldstärke E_z mit der Zeit t in Form einer hyperbolischen Scanfunktion E_z(t) = c/t zu generieren (wobei c eine Konstante ist), während Gasgeschwindigkeit v_g und Gasdruck p konstant gehalten werden. Die Spannungssenkung beginnt moderat schnell und wird während der Aufnahme verlangsamt, wobei sich die Auflösung für Ionen höherer Mobilität verbessert. Dadurch erzeugt diese neue Aufnahmemethode nicht nur Ionenmobilitätsspektren mit linearer Skala, sondern gleichzeitig mit einer deutlich besseren Konstanz in der Auflösung als die bisher eingesetzten Aufnahmemethoden. Für die Aufnahme eines Ionenmobilitätsspektrums bleibt die Gleichung μ(t) = v_g/E(t) erhalten, in der v_g die Gasgeschwindigkeit ist. Mit der hyperbolischen Scanfunktion E_z(t) = c/t ändert sich die Mobilität μ linear mit der Zeit: μ(t) = v_gt/c, d. h. die Mobilitätsskala verhält sich linear zur Zeit t. Dieses Aufnahmeverfahren erfordert keine Abwandlung der Hardware, nur die Steuerungssoftware muss geändert werden, um dieses nichtlineare Absenken der Gleichspannung, die die elektrische Barriere erzeugt, zu ermöglichen.
Ein Aufnahmeverfahren, das ein Mobilitätsspektrum mit einer linearen Mobilitätsskala ergibt, ist für die Kalibrierung des Ionenmobilitätsspektrums von Vorteil. Mit einer linearen Mobilitätsskala genügen bereits wenige Kalibrierpunkte, die man mit Kalibriersubstanzen mit genau bekannten Ionenmobilitäten erhält, für eine gute Kalibrierung. Eine kalibrierte Aufnahmemethode erlaubt andererseits ein einfaches Ablesen der Mobilitätswerte bei unbekannten Substanzen durch Interpolation, oder sogar durch Extrapolation in einiger Entfernung außerhalb des kalibrierten Bereichs.
Eine zweite Methode mit nichtlinearen elektrischen Scans besteht darin, die Feldstärke E_z als Exponentialfunktion
zu verändern, was ein Spektrum mit konstanter Auflösung im ganzen Mobilitätsspektrum ergibt. Dieser Exponential-Scan lasst sich leicht durch Entladen eines Kondensators über einen geeigneten Widerstand erreichen, wobei der Kondensator die Spannung für die elektrische Gleichspannungsfeldbarriere bereitstellt. Der Exponential-Scan lässt sich aber auch durch entsprechende Steuerung der Spannung am Spannungsteiler durch einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) erzeugen.
Ein drittes Verfahren mit nichtlinearen Änderungen (28) der elektrischen Feldbarriere E_z besteht darin, die Feldstärke E_z(t) der elektrischen Barriere relativ langsam über einen vordefinierten interessierenden Bereich zu scannen und vergleichsweise schnell über Bereiche außerhalb des interessierenden Bereichs. Dies erhöht die Mobilitätsauflösung innerhalb des interessierenden Bereichs, ohne die Analysengeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Wenn höchste Aufnahmeraten erreicht werden sollen und sich der interessierende Bereich nur auf einen kleinen Bereich von Mobilitäten konzentriert, kann dieser „Zoom-Scan” angewandt werden. Ein Zoom-Scan besteht aus drei Phasen: einem ersten Teil-Scan mit höchster Scan-Geschwindigkeit, einer zweiten „Zoom”-Phase mit reduzierter Scan-Geschwindigkeit für höchste Auflösung und einer dritten Phase mit schneller Scan-Geschwindigkeit zum Leeren der Falle. In den meisten Fällen sind die Ionenmobilitäten außerhalb des Zoom-Bereichs nicht von Interesse, so dass diese Ionen nicht gemessen werden müssen. Durch den Zoom-Scan wird die Aufnahmezeit erheblich verkürzt und die Aufnahmerate somit erhöht. In einer leicht abgewandelten Variante dieses Zoom-Scans wird der Füllprozess mit einer Barrierenhöhe durchgeführt, die von Ionen geringer Mobilität außerhalb des interessierenden Fensters passiert werden kann. Die Aufnahme kann dann direkt mit der Zoom-Phase in reduzierter Scan-Geschwindigkeit gestartet werden.
Wenn die Spannung für die zweite Scanart nicht mit einem besonderen Entladegenerator erzeugt werden soll, erfordern diese drei neuen Aufnahmemethoden mit nichtlinearen Scans keine Abwandlungen der Hardware, nur die Steuerungssoftware muss geändert werden, um nichtlineare Gleichspannungsscans mit der Zeit zu ermöglichen und dadurch nichtlineare Änderungen der Höhe der elektrischen Barriere E_z zu generieren.
Bei einer zweiten Reihe neuer Aufnahmeverfahren ändern sich die Gasströmungsbedingungen, so dass neue Gasversorgungseinrichtungen für die Steuerung des Gasdrucks und der Gasgeschwindigkeit erforderlich sind, wie in dargestellt, einschließlich eventueller Abwandlungen des differentiellen Pumpensystems.
Bei einem ersten neuen Aufnahmeverfahren mit geänderten Gasströmungsbedingungen wird die Gasgeschwindigkeit v_g erhöht, während der Gasdruck p sowie die Höhe und der Verlauf des elektrischen Gegenfelds E_z(z) konstant gehalten werden. Mit einem linearen Anstieg der Gasgeschwindigkeit v_g erzeugt die Aufnahmemethode auch lineare Ionenmobilitätsspektren und eine etwas bessere Konstanz der Auflösung entlang jedes Spektrums. Bei dieser Aufnahmemethode muss die Gasgeschwindigkeit v_g über die Gasströmungen (31), (32), (34), (35) und (36) in gesteuert werden. Diese Steuerung erfordert die Einführung neuer Gasversorgungseinrichtungen (in nicht gezeigt) und einige Abwandlungen des differentiellen Pumpsystems, um die Gasströmungen (35) und (36) erzeugen und steuern zu können.
Wenn nicht nur die eintretende Gasströmung (31), sondern auch die austretenden Gasströmungen (35) und (36) gesteuert werden, lässt sich der Drucke des Gases im Rohr (11) steuern. Zum kontinuierlichen Messen des Gasdrucks p kann ein Manometer (33) verwendet werden. Der Gasdruck p hat einen großen Einfluss auf die Auflösung der Ionenmobilität R_mob: Je höher der Druck p, desto besser ist die Auflösung R_mob. Mit diesen neuen Gasversorgungseinrichtungen ist es nun möglich, den Gasdruck p kontinuierlich zu ändern und einen „Druck-Scan” zu generieren. Eine zweite neue Aufnahmemethode für Ionenmobilitätsspektren durch Ändern der Gasströmungsbedingungen besteht daher darin, den Druck p zu erhöhen, vorzugsweise in einem linearen Modus, während die anderen Aufnahmeparameter E_z und v_g konstant gehalten werden.
Während bei allen hier beschriebenen Arten zur Aufnahme von Ionenmobilitätsspektren einige der Aufnahmeparameter E_z, v_g und p jeweils konstant gehalten werden, besteht eine weitere Aufnahmemethode in einem kombinierten Scannen der Höhe E_z der elektrischen Gleichspannungsfeldbarriere, der Geschwindigkeit v_g und des Gasdrucks p.
Mit der neuen Gasversorgung können auch spezielle Gase eingeführt werden, um das Ionentransportgas (30) zumindest teilweise zu ersetzen, das die Ionen von der Ionenquelle zum ersten Teil (10) des Ionentrichters befördert, selbst ohne Einsatz des Aufnahmeverfahrens mit Änderung der Gasgeschwindigkeit v_g. Das Ionentransportgas (30) besteht in den meisten Fällen aus Stickstoff, der von Atmosphärendruck-Ionenquellen, z. B. einer Elektrosprüh-Ionenquelle, in das Vakuumsystem eingeführt wird. Es kann durch einatomige Gase (31) wie Helium oder Argon ersetzt werden, die vorteilhafter sind, um gemessene Mobilitätswerte mit theoretischen Berechnungen zu vergleichen. Doch durch Ersatz des Ionentransportgases (30) kann aber auch in vorteilhafter Weise die Mobilitätsauflösung erhöht werden, insbesondere, wenn das Ersatzgas der Strömung (31) auf niedrige Temperaturen abgekühlt wird.
Neben der Möglichkeit, die Gasströmungsgeschwindigkeit zu steuern, hat die Ersetzung des Ionentransportgases (30) durch ein Ersatzgas (31) weitere Vorteile, selbst wenn das Ersatzgas (31) vom gleichen Typ ist wie das Ionentransportgas (30). Durch das Ersatzgas wird verhindert, dass chemische Verschmutzungen und Lösungsmittelmoleküle in das Rohr (11) eindringen, was die Messungen der Ionenmobilität stören kann.
Insgesamt liefert die Erfindung verschiedene Arten von Aufnahmeverfahren mit vorteilhaften Merkmalen. Sie ermöglicht Aufnahmeverfahren mit linearen Skalen für die Ionenmobilitäten μ und/oder eine konstante Auflösung R_mob entlang des Spektrums. Das Messen der Ionenmobilitäten in anderen Gasen als den Transportgasen bietet Vorteile und kann sogar die Auflösung erhöhen, Durch Einsatz der Aufnahmeverfahren dieser Erfindung sind Ionenmobilitätsspektren mit Auflösungen weit über R_mob = 100 zu erwarten, wobei die Auflösung entlang des Ionenmobilitätsspektrums fast oder auch völlig konstant ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7838826 B1 [0015, 0025, 0028, 0030]

Claims

Ein Aufnahmeverfahren für Ionenmobilitätsspektren in einem Ionenmobilitätsspektrometer, in dem ein Gas durch ein Rohr mit einem radialen HF-Quadrupolfeld strömt und axial geführte Ionen gegen eine elektrische Feldbarriere bläst, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen des strömenden Gases geändert werden, um ein Ionenmobilitätsspektrum aufzunehmen.
Ein Aufnahmeverfahren nach Anspruch 1, bei der die Geschwindigkeit v_g des strömenden Gases von einer geringen auf eine höhere Geschwindigkeit erhöht wird.
Ein Aufnahmemethode nach Anspruch 2, bei der die Geschwindigkeit v_g linear erhöht wird.
Ein Aufnahmeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Gasdruck p von niedrigen auf höhere Drücke erhöht wird.
Ein Aufnahmeverfahren für Ionenmobilitätsspektren in einem Ionenmobilitätsspektrometer, in dem ein Gas durch ein Rohr mit einem radialen HF-Quadrupolfeld strömt und axial geführte Ionen gegen eine elektrische Feldbarriere bläst, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der elektrischen Feldbarriere zeitlich nichtlinear gesenkt wird.
Ein Aufnahmeverfahren nach Anspruch 5, bei der die Höhe der elektrischen Feldbarriere umgekehrt proportional zur Zeit gesenkt wird.
Ein Aufnahmeverfahren nach Anspruch 5, bei der die Höhe der elektrischen Feldbarriere gemäß einer Exponentialfunktion e^–t/τ gesenkt wird, wobei t die Zeit und τ eine Zeitkonstante ist.
Ein Aufnahmeverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Höhe der elektrischen Feldbarriere in verschiedenen Zeitphasen mit verschiedenen Geschwindigkeiten gesenkt wird.
Ein Aufnahmeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Gleichspannungsbarriere als elektrische Feldbarriere verwendet wird.
Ein Ionenmobilitätsspektrometer mit Einrichtungen zum Erzeugen einer Gasströmung in einem Rohr und Einrichtungen zum Erzeugen eines radialen HF-Quadrupolfelds und einer elektrischen Gleichspannungsfeldbarriere in dem Rohr, dadurch gekennzeichnet; dass Einrichtungen zum Steuern des Drucks p und der Geschwindigkeit v_g der Gasströmung vorhanden sind.
Ein Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 10, das zusätzlich Einrichtungen zum Einführen eines sekundären Gases am Eingang des Rohrs enthält, wodurch zumindest teilweise das Gas einer primären Gasströmung ersetzt wird, die Ionen zum Rohr transportiert.