DE102012008259A1

DE102012008259A1 - Ionenerzeugung in Massenspektrometern durch Clusterbeschuss

Info

Publication number: DE102012008259A1
Application number: DE102012008259A
Authority: DE
Inventors: Christoph Gebhardt; Michael Dürr
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: GB2502694A; US9263223B2; GB201307089D0; US20130285552A1; GB2502694B; DE102012008259B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren in Massenspektrometern zur Erzeugung von Ionen schwerer Moleküle, insbesondere Biomoleküle, durch Beschuss mit ungeladenen Molekülclustern. Die Analytionen, die durch Clusterbeschuss von Analytsubstanzen auf der Oberfläche von Probenträgerplatten hergestellt oder freigesetzt werden, zeigen eine weite Verteilung ihrer kinetischen Energien, die eine gute ionenoptische Fokussierung verhindert. In der Erfindung werden die kinetischen Energien in einem Bremsgas höherer Dichte homogenisiert. Das Bremsgas befindet sich bevorzugt in einem Ionentrichter, der die Ionen anschließend zum Massenanalysator weiterleiten kann. Das Bremsgas darf aber nur zeitlich gepulst zugeführt werden, synchronisiert mit dem gepulsten Überschallgasstrahl, da sonst die Cluster im Überschallgasstrahl durch Druckerhöhung zerlegt werden. Das Bremsgas muss vor dem nächsten Überschallgaspuls wieder abgepumpt sein. Das Bremsgas kann in einer bevorzugten Ausführungsform vom Überschallgasstrahl selbst stammen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Ionen schwerer Moleküle in Massenspektrometern, insbesondere Biomoleküle, durch Beschuss mit ungeladenen Molekülclustern.
Stand der Technik
Im Dokument EP 1 200 984 B1 (C. Gebhardt und H. Schröder, 1999) wird unter anderem eine Ionisierung großer Analytmoleküle, die sich auf der Oberfläche eines Probenträgers befinden, durch Beschuss mit Molekülclustern beschrieben. Die Cluster werden aus polaren Molekülen wie H₂O oder SO₂ hergestellt. In dem Dokument wird auch eingehend die Literatur diskutiert, in der vorwiegend die Ionisierung von Clusterfragmenten, die beim Aufprall elektrisch geladener und elektrisch beschleunigter Cluster auf Oberflächen entstehen, jedoch nicht die Ionisierung großer Analytmoleküle auf Probenträgern durch ungeladene Cluster untersucht wird.
Als „Cluster” werden allgemein durch physikalische Kräfte wie beispielsweise van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoff-Brückenbindungen relativ schwach gebundene Verbände von Atomen oder Molekülen bezeichnet, deren Dichte mit der von Flüssigkeiten oder Festkörpern vergleichbar ist, die jedoch nach außen den Charakter eines Gasphasenteilchens besitzen. Die Clustergröße kann anwendungsabhängig eingestellt werden und kann von einigen zehn bis zu vielen Tausend oder sogar Hunderttausend Molekülen reichen. Die Cluster haben entsprechend Durchmesser im Bereich von einem bis hundert Nanometer.
Die Cluster können aus gasförmigen Clustersubstanzmolekülen in vielfältiger Weise hergestellt werden. In einem besonders einfachen Verfahren, das im oben zitierten Dokument erstmalig beschrieben wurde, werden die Clustersubstanzmoleküle in Konzentrationen von ein bis drei Prozent einem Trägergas wie beispielsweise Helium zugegeben, und das Trägergas lässt man von einem Druck von 1 × 10⁶ bis 2 × 10⁶ Pascal (10–20 bar) aus durch eine geeignete Schaltventil-Düse in kurzen Schüben von 50 bis 200 Mikrosekunden Länge in ein gutes Vakuum von besser als 10^–3 Pascal expandieren. Es entsteht dabei durch die adiabatische Expansion ein kalter Überschallgasstrahl, wobei in der Düse und in einem kurzen Abschnitt danach durch Kondensation der Clustersubstanzmoleküle ungeladene Cluster entstehen. Menge und Größe der Cluster werden durch den Ausgangsdruck, die Ausgangstemperatur, die Konzentration der Clustersubstanzmoleküle und durch Durchmesser und Form der Schaltventil-Düse bestimmt. Sie hängen des Weiteren auch von der Art des verwendeten Trägergases ab. Die so hergestellten Cluster haben eine weite Verteilung ihrer Größe. Da die Clustersubstanzmoleküle bei der Kondensation für jedes Molekül die Bindungsenergie als Wärmeenergie in den Cluster einbringen, und die Abkühlung im leichten Trägergas sehr langsam ist, gleicht ein solcher Cluster einem flüssigen oder festen Partikel, das stets kurz unterhalb des Siedepunktes im Gleichgewicht zwischen Abdampfen und Kondensieren von Clustersubstanzmolekülen steht. Der Cluster ist dadurch außerordentlich labil. In Wasserstoff als Trägergas werden kleinere Cluster gebildet als in Helium, da die für das Clusterwachstum notwendige Abkühlung der Cluster im Wasserstoff wegen der kleineren Masse noch kleiner ist als im Helium.
Bei diesem Herstellungsverfahren werden die Cluster auch gleichzeitig auf die Geschwindigkeit des Überschallgasstrahls beschleunigt und können mit dieser Geschwindigkeit auf die Probenträgerplatte geschossen werden: Diese Geschwindigkeit lässt sich steuern. Je nach Gasart und Ausgangstemperatur erlangt ein solcher Überschallgasstrahl Geschwindigkeiten, die bei (reinem) Helium in der Größenordnung von 1500 bis 2000 Meter pro Sekunde, bei (reinem) Wasserstoff sogar bei 2500 bis 3500 Meter pro Sekunde liegen. Durch die Zugabe der schwereren Clustersubstanzmoleküle werden diese Geschwindigkeiten entsprechend verringert. Diese Geschwindigkeiten sind so groß, dass die kinetische Energie E_kin pro Clustersubstanzmolekül vergleichbar groß ist wie die mittlere Bindungsenergie E_bind der Moleküle im Clusterverband. Der Cluster kann also, je nach Verhältnis von E_kin und E_bind, beim Aufprall auf eine Festkörperoberfläche mehr oder weniger vollständig in die einzelnen Clustersubstanzmoleküle zerlegt werden.
Die bestuntersuchten Clustersubstanzmoleküle sind SO₂ und H₂O, aber auch die leicht dissoziierende Substanz HNO₃ (Salpetersäure) wurde bereits verwendet.
Der Beschuss der Probenträgerplatte mit Cluster bedarf übrigens eines guten Vakuums. In einer Umgebung von 10^–3 Pascal fliegen die labilen Cluster unzerstört zur Probenträgerplatte. Durch das einströmende Gas des Überschallgasstrahls steigt der Druck jedoch schnell an und erreicht, je nach Pumpleistung und Menge des einströmenden Gases, in 10 bis 1000 Mikrosekunden Drücke über 10 Pascal, bei dem die Cluster bereits merklich aufgelöst werden. Bei Drücken von 100 Pascal sind die Cluster nach kurzen Wegstrecken von einigen Zentimetern vollständig zerlegt. Der Weg des Überschallgasstrahls von der Düse bis zur Probenträgerplatte muss also zumindest für die erwünschte Beschusszeit auf einem Druck unterhalb von zehn Pascal, möglichst unterhalb von einem Pascal gehalten werden. Da die Pumpleistung nur in geringem Umfang variabel ist, hängt der Druckanstieg im Wesentlichen vom Durchmesser der Düse ab, der die einströmende Gasmenge bestimmt. Bis zum nächsten Überschallgaspuls muss der Druck von etwa 10^–3 Pascal wieder hergestellt sein; das beschränkt die Taktrate der Überschallpulse auf etwa 10 bis 20 Pulse pro Sekunde.
Wie oben angegeben, haben die Cluster Durchmesser von weit unter einem Mikrometer. Bei einer Geschwindigkeit von 1000 Meter pro Sekunde dauert der Aufprall von der ersten Berührung bis zum Stillstand weniger als eine Picosekunde. Die kinetische Energie des Clusters wird in Wärmeenergie umgewandelt. Da die Cluster schon vor dem Aufprall labile Partikel dicht unter dem Siedepunkt bilden, entsteht beim Aufprall durch einen sofortigen Phasenübergang von fest oder flüssig auf gasförmig eine zusammengepresste Gaswolke aus freien Clustersubstanzmolekülen mit der Dichte einer Flüssigkeit und daher einem sehr hohen Druck (möglichweise Tausend Bar oder höher) und einer sehr hohen kinetischen Temperatur (möglichweise Tausend Kelvin oder höher). Es ist eine offene Frage, ob die Clustersubstanzmoleküle wie in einem Plasma zu einem beträchtlichen Teil ionisiert sind, da möglichweise die Zeit für eine Gleichgewichts-Ionisierung (nach Saha-Eggert) nicht zur Verfügung steht. Es können aber in der expandierenden Gaswolke schnelle chemische Reaktionen ablaufen, wie beispielsweise eine Reaktion von SO₂ und Wasser, das auf der Probenträgerplatte adsorbiert war, zu H₂SO₃, so dass in der Gaswolke Protonendonatoren zur Verfügung stehen. In der kurzen Zeit von weniger als einer Picosekunde wird der Cluster plattgedrückt, wobei durch das Geschiebe der Moleküle auf der Probenträgerplatte bereits Wasser- und Analytmoleküle mitgenommen und in die Gaswolke eingebettet werden. Große biochemische Analytmoleküle liegen in ihren Wassersolvathüllen oft schon auf dem Probenträger in ionisierter Form vor, so dass sie als Ionen in die Gaswolke überführt werden. Beim Einbetten in das heiße Gas der Gaswolke wird die innere Energie der Analytmoleküle und Analytionen kaum erhöht, da der Vorgang der Energieaufnahme in das Innere des Moleküls erheblich länger dauert.
Die heiße Gaswolke dehnt sich nun adiabatisch in das umgebende Vakuum aus, wobei sich die kinetische Temperatur sehr rasch verringert und in der Front der Gaswolke wieder Überschallgeschwindigkeiten erreicht werden. Bei dieser adiabatischen Ausdehnung können sich auch Clustersubstanzmoleküle wieder zu Mikroclustern zusammenfinden. Im Maßstab von Picosekunden geht die adiabatische Ausdehnung allerdings sehr langsam vonstatten: in den ersten Picosekunden dehnt sich die Gaswolke wegen der Massenträgheit der Moleküle nur wenige Nanometer aus, erst nach einer Million Picosekunden, also einer Mikrosekunde, hat sich die Gaswolke auf etwa einen halben Millimeter Durchmesser ausgedehnt. In der Front der Gaswolke werden dabei Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 500 bis 1000 Meter pro Sekunde erreicht; im hinteren Teil der Gaswolke, nahe an der Probenträgerplatte, herrschen langsamere Geschwindigkeiten. Die lokalen Geschwindigkeiten der Clustersubstanzmoleküle in der Gaswolke verhalten sich etwa proportional zu ihrem Abstand von der Probenträgerplatte.
Die in diesem Vorgang ganz unvermeidlich aufgenommenen adsorbierten Analytmoleküle und Analytionen befinden sich nahe an der Probenträgerplatte und werden daher auf geringere Geschwindigkeiten im Bereich von nahe null bis 100 Meter pro Sekunde beschleunigt. Trotzdem erhalten sie wegen ihrer oft hohen Masse kinetische Energien, die im Bereich von nahe null bis zu 100 Elektronenvolt und mehr sehr breit streuen.
Auf dem Probenträger oder an den Analytmolekülen adsorbierte Wassermoleküle bilden mit verschiedenen geeigneten Clustersubstanzmolekülen Protonendonatoren, die für Protonenübertragungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise wird bei der Verwendung von SO₂ als Clustersubstanz mit den Wassermolekülen H₂SO₃ gebildet, das leicht Protonen abgibt, wenn eine protonenaffine Substanz nahe ist. Besitzen ungeladene Analytmoleküle Oberflächenareale, die protonenaffin sind, so können sie bei enger Nachbarschaft durch Protonenübergang Protonen aufnehmen und bilden damit weitere Analytionen. Die bereits stationär geladenen oder auch erst im Gas ionisierten Analytmoleküle können nun durch elektrische Felder abgezogen und einer Verwendung zugeführt werden. Nachteilig ist jedoch dabei, dass sie eine sehr breite Verteilung der kinetischen Energie besitzen, wodurch eine gute ionenoptische Fokussierung unmöglich gemacht wird.
Im oben zitierten Dokument EP 1 200 984 B1 wurde bereits mitgeteilt, dass eine Ionisierung von Analytmolekülen durch Clusterbeschuss in massenspektrometrischen Ionenquellen zur Anwendung kommen könnte, beispielsweise in Ionenquellen für Flugzeitmassenspektrometer, ohne dass jedoch Einzelheiten über die dabei anzuwendende Technik zum Einfangen der Analytionen mit hoher Ausbeute angeboten wurden. Herstellung und Einfang der Analytionen sollen in solchen Ionenquellen eine hohe Ausbeute zeigen, aber schon der Einfang der Analytionen stellt ein technisches Problem dar.
Aufgabe der Erfindung
Es besteht ein Bedarf für Vorrichtungen und Verfahren, Analytionen aus Analytmolekülen auf Probenträgerplatten durch Clusterbeschuss mit hoher Ausbeute herzustellen und so einzufangen, dass sie mit hoher Ausbeute einem Massenspektrometer zugeführt werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Im Kernpunkt der Erfindung werden die Analytionen, die durch Clusterbeschuss von Analytsubstanzen auf der Oberfläche eines Probenträgers hergestellt oder freigesetzt wurden, nach ihrer Extraktion aus der winzigen expandierenden Gaswolke in einem Bremsgas höherer Dichte abgebremst. Dabei wird ihre kinetische Energie homogenisiert. Das Bremsgas befindet sich in einem Bremsraum, den die Analytionen durchfliegen. Da das Bremsgas aber nur kurze Zeit im weitgehend offenen Bremsraum gehalten werden kann, darf es dem Bremsraum nur gepulst zugeführt werden, zeitlich abgestimmt auf den gepulsten Überschallgasstrahl, der mit seinen Cluster die Ionisierung bewirkt. Das Bremsgas dehnt sich aus dem Bremsraum schnell in die Umgebung aus, zerlegt damit durch Druckerhöhung die Cluster im Überschallgasstrahl und beendet damit den Vorgang der Clusterionisierung, wenn der Überschallgasstrahl nicht schon durch das Schließen des Schaltventils der Düse beendet wurde. Das Bremsgas muss vor dem nächsten Überschallgaspuls wieder abgepumpt sein.
Der Bremsraum kann sich in einer Ionenführung befinden. Es ist besonders günstig, wenn der Innenraum eines Ionentrichters als Bremsraum verwendet wird. Es können dann die abgebremsten Analytionen durch den Ionentrichter in bekannter Weise konzentriert zu einer kleinen Eingangsöffnung geführt werden, durch die sie in die nächste Pumpstufe des Massenspektrometers (oder auch direkt in eine Ionenfalle) eintreten. Das Abbremsen im Ionentrichter führt vorteilhaft auch zu einer vollständigen Ablösung gegebenenfalls noch in Form einer Solvathülle anhängender Clustersubstanzmoleküle.
Es ist des Weiteren besonders günstig, wenn ein Teil des Trägergases des Überschallgasstrahls selbst als Bremsgas verwendet wird. Dabei muss dafür gesorgt werden, dass ein Teil des Überschallgasstrahls vom Kern des Überschallgasstrahls durch einen Abstreifer („Skimmer”) abgeschält und so schnell dem Bremsraum zugeführt wird, dass er bei der Ankunft der Analytionen bremsend wirken kann. Das Abschälen bremst die Moleküle des Überschallgasstrahls unter Temperaturerhöhung ab. Nur die Cluster im verbleibenden Kern des Überschallgasstrahls werden für die Ionisierung verwendet. Durch den Abstreifer entsteht im Kern ein feiner Überschallgasstrahl von nur 0,2 bis 1 Millimeter Durchmesser, mit dem ein Probenort auf dem Probenträger besonders gut abgetastet werden kann. Vorzugsweise kann der Probenträger durch eine Bewegungsvorrichtung in zwei Richtungen bewegt werden; dadurch können verschiedene Probenorte mit verschiedenen Belegungen analysiert werden.
Als Trägergas können Helium oder Wasserstoff verwendet werden. Letzterer hat neben preislichen Vorteilen auch den Vorteil einer höheren Überschallgeschwindigkeit. Es hat sich allerdings gezeigt, dass eine zu hohe Geschwindigkeit der Cluster dazu führt, dass auch Moleküle des Probenträgers abgetragen werden. Die Geschwindigkeit lässt sich allerdings durch Zugabe höherer Mengen an Clustersubstanz oder auch Zugabe eines Neutralgases wie beispielsweise Stickstoff oder Argon verringern und auf eine optimale Ausbeute an Analytionen einstellen. Der Nachteil von Wasserstoff als Trägergas, kleinere Cluster als Helium zu erzeugen, kann durch Erhöhung des Anteils an Clustersubstanzmolekülen wettgemacht werden.
Als Clustersubstanzgas wurden bisher nur Substanzen mit polaren Molekülen verwendet. Schwefeldioxid wurde am häufigsten gebraucht; Wasser hat den leichten Nachteil, dass es sich bei Normaltemperaturen nicht in beliebig hohen Konzentrationen dem Trägergas zumischen lässt, zumal sich das Trägergas auf einem erhöhten Druck von 10 bis 20 bar befindet. Es hat sich jedoch in Experimenten der Erfinder gezeigt, dass auch unpolare Substanzen wie beispielsweise Kohlendioxid ionisierende Cluster bilden. Mit Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) lässt sich ein besonders preiswerter Betrieb einer Ionenquelle erreichen. Das CO₂ bildet mit Wassermolekülen an der Probenträgerplatte H₂CO₃, das leicht dissoziiert und daher Protonen liefert. Es kann auch dem Trägergas zusätzlich zum CO₂ gezielt etwas Wasserdampf zugegeben werden, um bereits in die Cluster H₂CO₃-Moleküle einzubetten. Clustersubstanzen, die wie HNO₃ selbst dissoziieren, ergeben nach eigenen, bereits publizierten Untersuchungen besonders hohe Ausbeuten an Analytionen. Daher werden in der Erfindung auch leichte Säuren, insbesondere leichte organische Säuren wie Ameisen- oder Essigsäure, und andere als Protonendonatoren wirksame Substanzen wie beispielsweise Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als Clustersubstanzen vorgeschlagen.
Kurze Beschreibung der
Die bis geben verschiedene Ausführungsformen von Anordnungen für erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen wieder.
In ist das Schema der Grundausführung einer Ionenquelle zu sehen, mit einer Schaltventil-Düse (2), die in einem Vakuumgehäuse (1) mit einer Hochvakuumpumpe (9) einen gepulsten Überschallgasstrahl (4) erzeugt, der einschließlich seiner Cluster auf die Probenträgerplatte (5) auftrifft und dort aus aufgetragenen Analytmolekülen Analytionen (6) erzeugt, die, leicht beschleunigt durch die Potentialdifferenz zwischen Ionentrichter (7) und Probenträgerplatte (5), von der Probenträgerplatte (5) fortfliegen. Der Ionentrichter (7) soll die Analytionen durch die kleine Ausgangsöffnung in Richtung (8) zum Massenanalysator führen. Nach Untersuchungen der Erfinder arbeitet diese Anordnung aber mit nur sehr geringer Ausbeute, da der Ionentrichter ohne Bremsgas kaum in der Lage ist, die Ionen einzufangen und weiterzuleiten.
Die zeigt schematisch eine Anordnung mit zusätzlicher Schaltventil-Düse (10), die aus einem geeigneten Bremsgas einen gepulsten Überschallgasstrahl (11) erzeugt, dessen Moleküle (13) an dem Umlenk- und Thermalisierungsring (12) vorwiegend in den Ionentrichter (7) gestreut werden, um hier die Analytionen (6) abzubremsen. Es gibt auch andere Arten der Zuführung von Bremsgas. Ohne dieses Bremsgas (13) hat der Ionentrichter (7) fast keine Wirkung. Der Überschallgasstrahl (11) ist synchronisiert mit dem Überschallgasstrahl (4) so zu pulsen, dass der Ionentrichter (7) vor der Ankunft der Analytionen (6) mit Bremsgas (13) genügend hohen Drucks gefüllt ist. Diese Anordnung arbeitet mit hoher Ausbeute an Analytionen. Es wird aber eine zweite Schaltventil-Düse mit entsprechenden Gasversorgungen und Gaszuleitungen gebraucht.
In wird ein Teil der Moleküle des Überschallgasstrahls (4) selbst als Bremsgas verwendet. Dieser Teil wird durch den Abstreifer (14) vom Kern des Überschallgasstrahls (4) abgeschält und zu einem Teil in den Ionentrichter (7) gestreut. Der Weg vom Abstreifer (14) in den Ionentrichter (7) muss kurz sein, so dass die Bremsgasmoleküle vor den Analytionen (6) in den Ionentrichter (7) gelangen. Der Weg des Kernstrahls aus dem Überschallgasstrahl (4) ist vor schnellem Eindringen von Bremsgas durch das Rohr (16) geschützt, und die Ausbreitung der Analytionen (6) ist durch ein Gehäuse (17) ebenfalls für kurze Zeit geschützt. Das Gehäuse (17) oder Teile davon befinden sich auf einem Potential, das die Analytionen von der Probenträgerplatte abzieht und leicht beschleunigt, um sie besser zum Ionentrichter (7) zu führen.
In ist zusätzlich eine Umlenk- und Thermalisierungsplatte (18) eingeführt, die die Moleküle des abgestreiften Teils des Überschallgasstrahls besser in den Ionentrichter (7) streut.
zeigt schließlich, wie die Analytionen (6) innerhalb des Gehäuses (17) durch eine Anordnung von Fokussierungsringen (19) besser in Richtung Ionentrichter (7) geführt werden. Die Fokussierungsringe (19) sind abwechselnd mit positiver und negativer Spannung versehen, woraus sich in bekannter Weise eine Fokussierungstrecke für schnell bewegte Ionen ergibt.
In ist die Ionenquelle (20), die der entspricht, an ein übliches Ionenfallen-Massenspektrometer angeschlossen. Die Ionen aus der Ionenquelle (20) werden durch das Ionenführungssystem (21) durch differentielle Pumpstufen mit den Pumpen (9), (27) und (28) hindurch zum Ionenführungssystem (24) geleitet. Aus diesem Ionenführungssystem (24) gelangen sie in die dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle (25) und können in bekannter Weise durch massensequentiellen Auswurf zum Ionendetektor (26) analysiert werden. In der Station (23) können auch Reaktant-Ionen aus der Ionenquelle (22) in das Ionenleitsystem (24) und von dort in die Ionenfalle (25) eingeführt werden, beispielsweise, um Analytionen durch Elektronentransfer zu dissoziieren (ETD). Die Ionenfalle wird optimal bei einem Gasdruck von etwa 0,1 Pascal betrieben; das Gas, vorzugsweise Helium, wird durch die Zuleitung (27) eingeführt.
zeigt eine besonders einfache Ausführungsform des Ionenfallen-Massenspektrometers mit nur einer Hochvakuumpumpe (9). Die Analytionen werden hier vom Ionentrichter direkt in die Ionenfalle (25) eingeleitet. Das Gas zum optimalen Betrieb der Ionenfalle kann über die Zuleitung (27) geliefert werden, aber auch im einfachsten Fall allein vom Bremsgas aus dem Ionentrichter stammen.
zeigt das Massenspektrum eines Gemisches aus Proteinen, das in einer Apparatur nach aufgenommen wurde.
In ist das Massenspektrum von Insulin wiedergegeben, das hier in einer durch Salzsäure angesäuerten Lösung mit pH = 2 auf einen Probenträger aus oberflächlich oxidiertem Silizium aufgebracht wurde und bevorzugt mehrfach geladene Ionen zeigt.
Bevorzugte Ausführungsformen
Wie bereits oben erwähnt, werden die Analytionen, die durch den gepulsten Clusterbeschuss von Analytsubstanzen auf einem Probenträger mit großer Streubreite ihrer kinetischen Energien entstehen, im Kernpunkt der Erfindung in einem Gas höherer Dichte von etwa 10 bis 300 Pascal abgebremst, wodurch ihre kinetischen Energien homogenisiert werden. Das Bremsgas kann sich nur für kurze Zeit im weitgehend offenen Bremsraum halten, und muss genau zu der Zeit, in der die ersten Analytionen ankommen, eingeleitet worden sein. Das Bremsgas darf somit dem Bremsraum nur temporär gepulst zugeführt werden. Dieses Pulsen des Bremsgases muss, gegebenenfalls mit optimiertem Zeitversatz, mit dem gepulsten Überschallgasstrahl synchronisiert werden. Das Bremsgas dehnt sich aus dem Bremsraum schnell in die Umgebung aus und muss vor dem nächsten Überschallgaspuls wieder abgepumpt sein, da es sonst die Clusterionisierung durch Zerstörung der Cluster im Überschallgasstrahl verhindert.
Der gepulste Überschallgasstrahl wird vorzugsweise durch kurzzeitige Öffnung des Schaltventils einer Düse hergestellt. Vor dem Schaltventil befindet sich das Trägergas auf einem Druck von etwa 10 bis 20 bar, und auf einer Temperatur zwischen etwa 300 und 420 Kelvin. Die Düse selbst kann eine einfache Öffnung, aber auch eine komplizierter geformte Düse, beispielsweise eine Laval-Düse, sein. Letztere ergibt einen qualitativ hochwertigen Überschallgasstrahl mit guter Homogenität der kinetischen Energien der fliegenden Teilchen. Dabei wird die Strahlverbreiterung im Bereich (3) in den Düsenausgang verlegt.
Besonders günstig ist es, wenn als Bremsraum ein Hochfrequenz-Ionenleitsystem, insbesondere der Innenraum eines Ionentrichters, verwendet wird. In den bis sind solche Ionentrichter (7) schematisch dargestellt. Ein Ionentrichter besteht, wie dem Fachmann bekannt, aus einer Reihe von Ringblenden mit sich stetig verringernden Innendurchmessern, an denen abwechselnd die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung anliegen. Es entstehen längs der inneren Trichterwand Pseudopotentiale, die die Ionen von der Wand fernhalten. Außerdem wird an den Blenden ein von Blende zu Blende verändertes Gleichspannungspotential angelegt, das die abgebremsten Analytionen durch den Ionentrichter konzentriert zu der kleinen Ausgangsöffnung führt. Durch diese Ausgangsöffnung können sie mit gut homogenisierter kinetischer Energie in die nächste Stufe des Massenspektrometers eintreten. Üblicherweise sind die Zwischenräume zwischen den Blenden offen, um Gas entweichen zu lassen; in den vorliegenden Ausführungsformen können die Zwischenräume jedoch vorteilhaft mit Isolationsmaterial verschlossen sein, um das sofortige Entweichen des Bremsgases zu erschweren. Der Ionentrichter hat weitere Vorteile: Die Analytionen werden vom Hochfrequenzfeld in der Nähe der Elektroden durch das Bremsgas hindurch hin- und hergeschüttelt; damit werden die kinetischen Energien besonders gut homogenisiert. Des Weiteren werden von den Analytionen alle adsorbiert verbliebenen Clustersubstanzmoleküle abgestreift. Außerdem werden alle kleinen Ionen, etwa die ionisierten Clustersubstanzmoleküle, ausgeschieden, weil Ihre Masse unter der Stabilitätsgrenze des Pseudopotentials liegt.
In ist das Schema einer Grundausführung der erfindungsgemäßen Ionenquelle zu sehen. Diese Ionenquelle enthält eine Vorrichtung, die im Vakuumgehäuse (1) den gepulsten Überschallgasstrahl (4) erzeugt, hier in Form einer Schaltventil-Düse (2). Der Überschallgasstrahl (4) verbreitert sich ein wenig im Gebiet (3) nach Austritt aus der Düse, wobei er sich weiter abkühlt und gleichzeitig beschleunigt. In diesem Gebiet (3) wird der größte Teil der Cluster gebildet. Der Überschallgasstrahl (4) einschließlich seiner Cluster trifft dann auf den Probenträger (5), der mit Analytmolekülen belegt ist, und erzeugt dabei Analytionen (6). Diese werden von einer Potentialdifferenz von etwa 10 bis 20 Volt zwischen Ionentrichter (7) und Probenträger (5) in den Ionentrichter (7) beschleunigt. Der Ionentrichter (7) soll die Analytionen durch die kleine Ausgangsöffnung in Richtung (8) zum Massenanalysator führen. Das in das Vakuumgehäuse (1) durch die Schaltventil-Düse (2) eingepulste Gas wird durch eine leistungsfähige Hochvakuumpumpe (9) wieder abgepumpt, so dass nach einer Zeit von etwa 50 bis 100 Millisekunden der nächste Überschallgaspuls gestartet werden kann. Nach Erfahrung der Erfinder arbeitet diese grundlegende Anordnung aber mit nur sehr geringer Ausbeute, da der Ionentrichter ohne höhere Drücke eines Bremsgases kaum in der Lage ist, die Ionen einzufangen und weiterzuleiten.
In ist eine erste gut arbeitende Ausführungsform gezeigt. Das Bremsgas wird hier beispielsweise mit einer zweiten Schaltventil-Düse (10) gepulst in die Vakuumkammer (1) eingelassen und bildet sich hier zum Überschallgasstrahl (11) aus. Dieser Überschallgasstrahl (11) trifft auf die konisch geformte Ringblende (12) auf, wird dort durch den Aufprall thermalisiert und als Bremsgas (13) in den Innenraum des Ionentrichters (7) gestreut. Statt dieser Anordnung können auch andere Anordnungen zum Füllen des Ionentrichters mit thermalisiertem Bremsgas eingesetzt werden. Die Pulse des Überschallgasstrahls (4) mit seinen Cluster und die Pulse des Bremsgases (11) werden so aufeinander abgestimmt, dass der Ionentrichter mit Bremsgas optimalen Drucks gefüllt ist, wenn die ersten Analytionen (6) im Ionentrichter (7) eintreffen. Die konische Ringblende (12) liegt gegenüber der Probenträgerplatte (5) auf einem Potential, das die Ionen (6) anzieht und sachte in den Ionentrichter beschleunigt. Es werden zwei Schaltventil-Düsen mit zwei Gaszuführungen gebraucht.
In ist eine Ausführungsform gezeigt, die die Anordnung vereinfacht und preiswerter macht. Es wird hier ein Teil des Trägergases des Überschallgasstrahls (4) selbst als Bremsgas verwendet. Dabei muss dafür gesorgt werden, dass ein Teil des Überschallgasstrahls (4) vom Kern des Überschallgasstrahls durch einen Abstreifer (14) („Skimmer”) abgeschält wird. Ein Teil des abgeschälten und thermalisierten Trägergases (15) wird durch Streuung dem Ionentrichter (7) zugeführt, so dass er bei der Ankunft der Analytionen bremsend wirken kann. Das Abschälen bremst die Moleküle des Überschallgasstrahls (4) unter Temperaturerhöhung ab. Nur die Cluster im verbleibenden Kern des Überschallgasstrahls werden für die Ionisierung verwendet. Durch den Abstreifer mit einer Öffnung zwischen etwa 0,2 und 1 Millimeter entsteht im Inneren ein feiner Überschallgasstrahl mit Cluster, mit dem ein Probenort auf der Probenträgerplatte (5) besonders gut abgetastet werden kann. Die Cluster mit einer Geschwindigkeit von rund 1000 Meter pro Sekunde benötigen von der Öffnung des Abstreifers (14) bis zur Probenträgerplatte (5) etwa 80 bis 100 Mikrosekunden, und die Analytionen (6) benötigen nochmals etwa 10 bis 50 Mikrosekunden bis zum Ionentrichter (7). In dieser Zeit ist das thermalisierte Gas mit 300 Meter pro Sekunde gerade bis in den Ionentrichter (7) geströmt.
Diese Anordnung hat bereits einen zufriedenstellend hohen Wirkungsgrad. Sie wurde für die Aufnahme der Massenspektren verwendet, die in den und gezeigt sind.
Damit das abgeschälte Trägergas nicht den weiterfliegenden Kern des Überschallgasstrahls stört, ist dieser Kernstrahl durch ein Rohr (16) geschützt, das ein schnelles Eindringen des gestreuten Gases verhindert. Auch die Analytionen (6) sind mit einem Gehäuse (17) geschützt. Das Gehäuse (17) besitzt zur Probenträgerplatte (5) hin ein Netz oder eine ionenoptische Anordnung aus Ringblenden, mit deren Potentialen die Analytionen (6) in das Gehäuse hinein gezogen und leicht beschleunigt werden können. In dieser Anordnung geht aber ein großer Teil des abgeschälten Trägergases (15) durch Streuung in die Umgebung verloren.
zeigt, wie in die Anordnung zusätzlich eine Prallplatte (18) eingeführt werden kann, um das abgeschälte Gas besser in den Ionentrichter zu streuen. Die Form der Prallplatte kann mit Simulationsprogrammen für Gasflüsse geringsten Drucks optimiert werden. In ist zusätzlich im Gehäuse (17) eine Reihe von Ringelektroden (19) eingeführt, die abwechselnd mit positiven und negativen Gleichspannungspotentialen versehen sind. Diese wirken, wie dem Fachmann bekannt, auf bewegte Ionen unterschiedlichster kinetischer Energie fokussierend ein und führen so die Ionen mit hoher Ausbeute in den Ionentrichter.
Als Trägergase können Helium oder Wasserstoff verwendet werden, beide erreichen genügend hohe Überschallgeschwindigkeiten für die Clusterionisierung von Analytmolekülen. Dabei hat Wasserstoff neben preislichen Vorteilen auch den Vorteil der höchsten Überschallgeschwindigkeit, die eine höhere Konzentration der Clustersubstanzmoleküle erlaubt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass eine zu hohe Geschwindigkeit der Cluster dazu führt, dass auch Moleküle des Probenträgers abgetragen werden. Die Geschwindigkeit lässt sich allerdings durch Zugabe höherer Mengen an Clustersubstanzmolekülen oder auch Zugabe eines Neutralgases wie beispielsweise Stickstoff oder Argon verringern und auf eine optimale Ausbeute an Analytionen einstellen.
Die Geschwindigkeit des Überschallgasstrahls hängt von der Art und Zusammensetzung des Trägergases, aber insbesondere auch von der Ausgangstemperatur ab, also von der Temperatur des Trägergases vor der Schaltventil-Düse. Die Wärmeenergie des Trägergases wird im Überschallgasstrahl in die kinetische Energie der gleichmäßig nebeneinander fliegenden Moleküle im Überschallgasstrahl umgewandelt. Das Trägergas muss daher für ein reproduzierbares Ionisierungsverfahren in einer Heiz- oder Kühleinrichtung auf konstanter Temperatur zwischen etwa 300 und 420 Kelvin gehalten werden. Die für eine optimal hohe Ausbeute an Analytionen erforderliche Geschwindigkeit der Cluster kann also über die Ausgangstemperatur und über die Zusammensetzung des Trägergases eingeregelt werden.
Als Clustersubstanzen wurden bisher fast ausschließlich Substanzen mit polaren Molekülen eingesetzt. Schwefeldioxid und Wasser wurden am häufigsten verwendet. Wasser hat den leichten Nachteil, dass es sich bei Normaltemperaturen nicht in beliebig hohen Konzentrationen dem Trägergas zumischen lässt, zumal sich das Trägergas auf einem erhöhten Druck von 10 bis 20 bar befindet und der Partialdruck des Wassers nur vom Dampfdruck bei der jeweiligen Temperatur, nicht aber vom Umgebungsdruck abhängt.
Es hat sich jedoch in Experimenten der Erfinder gezeigt, dass auch unpolare Substanzen wie beispielsweise Kohlendioxid Cluster bilden, die sich zum Ionisieren der Analytmoleküle eignen. Mit Wasserstoff als Trägergas und Kohlendioxid (CO₂) als Clustersubstanz lässt sich ein besonders preiswerter Betrieb einer Ionenquelle erreichen. Das CO₂ bildet mit Wassermolekülen an der Probenträgerplatte H₂CO₃, das leicht dissoziiert und daher Protonen für Protonenübertragungen liefert. Es kann auch dem Trägergas zusätzlich zum CO₂ gezielt etwas Wasserdampf zugegeben werden, um bereits H₂CO₃-Moleküle in die Cluster einzubetten. Die H₂CO₃-Moleküle stünden dann für einen Protonentransfer zu noch nicht geladenen Analytmolekülen zur Verfügung.
Es ist bisher nicht bekannt, ob sich auch andere unpolare Substanzen wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin oder höhere gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe für die Bildung ionisierender Cluster eignen. Da viele Analytmoleküle auf den Probenträgerplatten bereits ionisiert vorliegen, ist möglicherweise keine weitere Ionisierung durch Protonentransfer nötig. Die Erfinder haben jedoch bereits festgestellt, dass Clustersubstanzen, die wie HNO₃ selbst dissoziieren, auch besonders hohe Ausbeuten an Analytionen ergeben. Daher werden in der Erfindung auch leichte Säuren, insbesondere leichte organische Säuren wie Ameisen- oder Essigsäure, aber auch Salzsäure (HCl) oder Schwefelsäure (H₂SO₄), und andere als Protonendonatoren wirksame Substanzen wie beispielsweise Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als Clustersubstanzen vorgeschlagen.
Über den pH-Wert der Lösung, in der die Analytmoleküle auf den Probenträger aufgebracht werden, lässt sich sogar steuern, wie viele mehrfach geladene Analytionen erzeugt werden. In ist ein Massenspektrum von Insulin mit zwei-, drei- und vierfach geladenen Ionen gezeigt, das in einer durch Salzsäure angesäuerten Lösung mit pH = 2 auf den Probenträger aufgebracht wurde. Möglicherweise ist dabei das Material des Probenträgers von Bedeutung, das hier oberflächlich oxidiertes Silizium war. Der Probenträger kann aus Metall, meist aus Edelstahl, aber auch aus Halbleitern wie Silizium oder sogar aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehen.
Die erfindungsgemäße Ionenquelle kann an jedes Massenspektrometer angeschlossen werden, das mit einem gepulsten Ionenstrahl von 50 bis 200 Mikrosekunden Dauer arbeiten kann. Viele Massenspektrometer, beispielsweise Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss, können die Ionen in entsprechend ausgebildeten Ionenleitsystemen zwischenspeichern. Besonders geeignet erscheinen aber Hochfrequenz-Ionenfallen-Massenspektrometer, die sich mit Analytionen aus einem einzigen Überschallgaspuls gut füllen lassen, und deren Wiederholungsfrequenz für Spektrenaufnahmen auf die gleiche Taktrate eingestellt werden kann wie die Taktrate der Überschallgaspulse. Ausführungsformen dieses Massenspektrometers sind in den und schematisch dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1200984 B1 [0002, 0012]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Analytionen durch gepulsten Beschuss von Analytsubstanzen auf einem Probenträger mit ungeladenen Cluster in der Ionenquelle eines Massenspektrometers, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetischen Energien der Analytionen, die eine weite Verteilung aufweisen, durch Abbremsen mit einem Bremsgas in einem Bremsraum homogenisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsgas im Bremsraum temporär auf einen Druck über zehn Pascal gepulst wird, wobei das Pulsen mit dem gepulsten Clusterbeschuss zeitlich abgestimmt oder synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bremsraum im Inneren einer Ionenführung befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bremsraum im Inneren eines Ionentrichters befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ungeladenen Cluster in einem gepulsten Überschallgasstrahl erzeugt und auf Geschwindigkeit gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Gases aus dem gepulsten Überschallgasstrahl dem Bremsraum zugeführt und als Bremsgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstreifer einen Kern des gepulsten Überschallgasstrahls zur Ionisierung der Analytmoleküle auf dem Probenträger durchlässt, während das abgestreifte Gas des Randbereichs zumindest teilweise dem Bremsraum zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Cluster im Wesentlichen aus Molekülen unpolarer Kohlenstoffsubstanzen wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethen (C₂H₄) oder Ethin (C₂H₂) bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Cluster im Wesentlichen aus Molekülen leichter Säuren wie Salz-, Schwefel-, Ameisen- oder Essigsäure bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas für den gepulsten Überschallgasstrahl Wasserstoff verwendet wird, und dass die Geschwindigkeit der Cluster durch die Ausgangstemperatur, die Art und Konzentration der Clustersubstanzmoleküle, die wahlweise Beimischung von Neutralgasen wie Stickstoff oder Argon, oder durch eine beliebige Kombination daraus auf einen hohen Ionisierungsgrad der Analytmoleküle optimiert wird.
Ionenquelle eines Massenspektrometers, folgende Teile umfassend: eine Einrichtung für die Erzeugung eines gepulsten Überschallstrahls mit Cluster, einen Probenträger für oberflächlich aufzubringende Analytmoleküle, eine Ionenführung zum Einfangen und Weiterleiten der Analytionen und eine Vorrichtung zur Zuführung von Bremsgas in die Ionenführung hinein.
Ionenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenführung als Ionentrichter ausgebildet ist.
Ionenquelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Abstreifer für Gase aus den Randbezirken des Überschallgasstrahls vorhanden ist, und dass das abgestreifte Gas zumindest teilweise als Bremsgas dient.
Ionenquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorhanden ist, die einen Teil der durch den Abstreifer abgestreiften Gase dem Inneren der Ionenführung zuführt.
Ionenquelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung für die Erzeugung eines Überschallstrahls mit Cluster eine Schaltventil-Düse ist.
Massenspektrometer, das eine Ionenquelle nach einer der Ansprüche 10 bis 15 umfasst.
Massenspektrometer nach Anspruch 16, das eine Hochfrequenz-Ionenfalle als Massenanalysator umfasst.