DE102012207403A1

DE102012207403A1 - Verfahren und vorrichtung zur überprüfung von ionen in einem massenspektrometer, das in einem sub-atmosphärischen druckregime gehalten wird

Info

Publication number: DE102012207403A1
Application number: DE102012207403A
Authority: DE
Inventors: Felician Muntean
Original assignee: Bruker Daltonics Inc
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US8525106B2; GB2490792B; GB2490792A; US20120286150A1; SG185887A1; CA2776202C; GB201208089D0; CA2776202A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überführung von Ionen von einer Ionenquelle zu einem Massenanalysator in einem Massenspektrometer extrahiert Analytionen so aus der Ionenquelle, dass die Anzahl der extrahierten Analytionen maximiert wird. Die Ionen werden dann durch eine Ionenführung zum Massenanalysator geleitet. Die Ionenführung wird mit einem Interaktionsgas gefüllt, und ihre Betriebsparameter werden so eingestellt, dass während des Transports der Ionen durch die Ionenführung die Energieverteilungsbreite der Analytionen reduziert wird und die Analytionen innerhalb der Ionenführung kollimiert werden, um die Auflösung und Nachweisempfindlichkeit des Massenanalysators zu verbessern.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überführung von Ionen in einem Massenspektrometer, das in einem sub-atmosphärischen Druckregime gehalten wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Massenspektrometer, das vorzugsweise an einen Gaschromatographen gekoppelt ist. An Gaschromatographen gekoppelte Massenspektrometer (GC-MS) verwenden in der Regel Unterdruck-Ionenquellen, d. h. im Wesentlichen unter atmosphärischem Unterdruck gehaltene Ionenquellen. Eine Standardform der Ionisation in GC-MS-Systemen ist die Elektronenstoßionisation (EI). Dabei gelangen die Analytmoleküle, die in einer kontinuierlichen Gasströmung des Gaschromatographen mitgeführt werden, in den Quellenbereich des Massenspektrometers. Sie werden mit freien Elektronen bestrahlt, die in der Regel von einem Heizdraht abgegeben werden. Hierbei werden die Analytmoleküle nicht nur ionisiert, sondern auch auf charakteristische Weise fragmentiert. EI ist eine „harte Ionisationstechnik”, die viele Fragmente mit geringem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis m/z und nur wenige Molekülionen, wenn überhaupt, erzeugt. Das Muster der Molekülfragmentierung richtet sich nach der den Elektronen verliehenen Energie, in der Regel in der Größenordnung von 70 Elektronenvolt (eV).
In GC-MS verwendete Ionenquellen können auch eine chemische Ionisation (CI) bewirken. Bei der chemischen Ionisation wird zusätzlich ein Reaktantgas, typischerweise Methan oder Ammoniak, in den Quellenbereich des Massenspektrometers eingeleitet und durch Bombardierung mit hoch energetischen freien Elektronen ionisiert. Die resultierenden primären Reaktantionen reagieren dann in Stößen weiter mit den übrigen Molekülen und werden zu stabilen Sekundärionen. Diese Sekundärionen bewirken dann die Ionisierung der interessierenden Analytmoleküle. Bei dem Prozess können Elektronen, Protonen oder andere geladene Teilchen zwischen den Reaktanten übertragen werden. Im Allgemeinen werden die Analytmoleküle bei der „weichen Ionisation” durch CI weniger stark dissoziiert als bei der „harten Ionisation” durch EI. Chemische Ionisation wird daher hauptsächlich eingesetzt, wenn Massenfragmente erwünscht sind, die dem Molekulargewicht der interessierenden Analytmoleküle möglichst entsprechen.
Die im Innenraum der Ionenquelle erzeugten Analytionen werden beschleunigt und auf einen Ionenweg gebracht, der von der Ionenquelle zu einem Massenanalysator führt, indem Extraktionsspannungen an ionenoptische Linsen angelegt werden, die zum Beispiel am Ionenausgang der Ionenquelle angeordnet sind. Doch da die in verschiedenen Teilregionen der Ionenquelle generierten Analytionen unterschiedliche Beschleunigungsstrecken passieren, bevor sie den Ionenausgang erreichen, und da auch die durch die Extraktionsspannungen in der Ionenquelle erzeugten Potentialgradienten in der Regel räumlich inhomogen sind, ist die kinetische Energieverteilung der Analytionen (das Verhältnis der kinetischen Energie zur Geschwindigkeit ist E_kin = 1/2·m·v²), insbesondere in Richtung des Ionenwegs, normalerweise relativ breit, zum Beispiel in der Größenordnung von ein bis fünf Elektronenvolt (volle Halbwertsbreite, full width at half maximum FWHM). Zur Vereinfachung wird die Richtung des Ionenwegs, auf dem sich die Analytionen bewegen, häufig als axiale Richtung bezeichnet, während die senkrecht dazu verlaufenden Richtungen als radiale Richtung zusammengefasst werden.
Die breite Energieverteilung erschwert das Herausleiten und Überführen von Analytionen aus der Ionenquelle in den Massenanalysator, insbesondere wenn die Anzahl der extrahierten Ionen durch starke Extraktionsfelder oder große Extraktionsöffnungen maximiert werden soll. Die meisten Massenanalysatoren, die in Verbindung mit EI- oder CI-Ionenquellen verwendet werden, und insbesondere Quadrupol-Massenanalysatoren sind am leistungsfähigsten, wenn die anfängliche Ionenenergieverteilung und zudem die Raumverteilung der Ionen gering sind. Um die Breite der Energieverteilung zu reduzieren, könnte der Ionenausgang als Öffnung mit begrenztem passierbarem Durchmesser ausgeführt werden, so dass nur Analytionen in den Massenanalysator gelangen, die in einer bestimmten Anzahl von Teilregionen der Ionenquelle generiert werden, und Analytionen aus den anderen Teilregionen ausgeblendet werden. Die so erreichte Reduzierung der Energieverteilungsbreite ist jedoch mit einer geringeren Nachweisempfindlichkeit verbunden, da viele in der Ionenquelle vorhandene und potenziell zur Massenanalyse zur Verfügung stehende Analytionen eliminiert und somit im Analyseprozess nicht berücksichtigt werden.
Andererseits führt eine größere Anzahl extrahierter Ionen zu einer breiteren anfänglichen Energieverteilung, insbesondere in axialer Richtung, sowie einer breiteren Raumverteilung, so dass die Massenauflösung und/oder Überführungseffizienz abnehmen. Daher ist die Effizienz der meisten GC-MS-Instrumente nach dem Stand der Technik begrenzt, weil sie entweder mit weniger als der optimalen Ionenextraktion aus der Quelle betrieben werden, um die anfängliche Ionenenergieverteilung zu minimieren, oder weil bei Erhöhung der Anzahl extrahierter Ionen die Leistungsfähigkeit des Massenanalysators hinsichtlich Auflösung und Nachweisempfindlichkeit nachlässt.
In der Vergangenheit wurde aus verschiedenen Gründen versucht, Ionenstrahlen durch Stöße der Ionen mit neutralen Gasmolekülen zu konditionieren. Eine solche Stoßkonditionierung wurde in verschiedenen Anwendungen von Massenspekrometern vorgeschlagen, beispielsweise von Douglas et al. ( US 4,963,736 A ) zur Fokussierung von Ionen, die in einer Elektrosprüh-Ionenquelle bei atmosphärischem Luftdruck generiert wurden, von Whitehouse et al. ( US 2002/0100870 A1 ) im Pulserbereich eines orthogonalen Flugzeitmassenspektrometers, von Park ( US 2003/0042412 A1 ) in einem oberflächeninduzierten Dissoziationsverfahren für ein Flugzeitinstrument oder von Baranov et al. ( US 2003/0080290 A1 ) zur Abregung intern angeregter und damit potenziell metastabiler Ionen, die in einer Ionenquelle mit matrixunterstützter Laserdesorption/Ionisation generiert wurden. Doch keine dieser Offenbarungen liefert einen Weg zur Erhöhung der Effizienz einer EI- oder CI-Quelle, indem erst eine effiziente Ionenextraktion durchgeführt und ein Ionenstrahl mit breiter Energie- und Raumverteilung erzeugt wird und die Qualität des Strahls dann durch Stoßkonditionierung in einer Ionenführung noch optimiert wird.
Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit einer Optimierung oder Maximierung der Effizienz der Transmission der Ionen durch den Massenanalysator bei gleichzeitiger Optimierung oder Maximierung der Anzahl der aus der Ionenquelle extrahierten Ionen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überführung von Ionen in einem Massenspektrometer, das in einem sub-atmosphärischen Druckregime gehalten wird. Analytionen werden in herkömmlicher Weise von einer Ionenquelle durch Elektronenstoß oder chemische Wechselwirkung generiert, und es werden Extraktionsspannungen angelegt, um die Analytionen durch einen Ionenausgang in der Ionenquelle in einem Ionenstrahl zu einem Ionenweg zu leiten, der zu einem Massenanalysator führt. Nach den Prinzipien der Erfindung werden die Extraktionsspannungen oder eine geometrische Abmessung des Ionenausgangs oder eine Kombination von beidem so konfiguriert, dass eine (breite) Analytionen-Energieverteilung entsteht. Dann werden die extrahierten Analytionen in eine Ionenführung überführt, die im Ionenweg vor dem Massenanalysator angeordnet ist. Die Ionenführung wird mit einem Interaktionsgas gefüllt, das eine physikalische oder chemische Wechselwirkung mit den Analytionen eingeht. Mindestens die lichte Weite der Ionenführung zum Passieren der Analytionen oder die an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen oder die Länge der Ionenführung entlang des Ionenwegs oder das Druckregime des Interaktionsgases in der Ionenführung werden so konfiguriert, dass die Energieverteilung der Analytionen verringert und der Analytionenstrahl im Wesentlichen entlang des Ionenwegs innerhalb der Ionenführung kollimiert wird.
Durch Anordnen einer Ionenführung vorzugsweise unmittelbar hinter der Ionenquelle im Ionenweg und Einleiten eines Interaktionsgases in die Ionenführung, so dass die aus der Ionenquelle extrahierten Analytionen leichten Stößen mit den Teilchen des Interaktionsgases ausgesetzt werden, lässt sich die Energieverteilungsbreite der Analytionen, während diese die Ionenführung passieren, reduzieren. Die Energieverteilungsbreite lässt sich durch die volle Halbwertsbreite beschreiben, wobei andere Breitenmaße ebenfalls denkbar sind. Die Gesamteffizienz von EI- oder CI-Quellen lässt sich deutlich erhöhen, indem erst eine effiziente Ionenextraktion durchgeführt und ein Ionenstrahl mit breiter Energie- und Raumverteilung erzeugt wird und die Strahlqualität dann durch Stoßinteraktion mit neutralen Teilchen in einer Ionenführung noch optimiert wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die oben genannten konfigurierbaren Parameter so gewählt, dass die axiale Energieverteilung der Analytionen verringert wird. Zu diesem Zweck kann die axiale Energie der Analytionen in der Ionenführung im Wesentlichen thermalisiert werden (d. h. auf fast null axiale Energie verschoben werden, mit einem kleinen Versatz aufgrund eines unvermeidbaren Wärmeenergiegehalts und zur Vermeidung einer Rückwärtsbewegung der Ionen). Auf diese Weise wird der vorherige axiale Bewegungszustand der Analytionen gelöscht und ein Basisbewegungszustand erreicht, von dem aus eine weitere, kontrollierte Bewegung der Analytionen gestartet werden kann. In diesem Fall kann eine treibende Kraft auf die thermalisierten Analytionen ausgeübt werden, um sie weiterzuleiten, insbesondere über die verbleibende Strecke bis zur Ausgangsschnittstelle zwischen der Ionenführung und ihrer Umgebung, und sie dann in den Massenanalysator zu leiten, der vorzugsweise unmittelbar hinter der Ionenführung angeordnet ist.
In besonderen Ausführungsformen kann die auf die thermalisierten Analytionen ausgeübte treibende Kraft durch einen elektrischen Gleichspannungsfeldgradienten entlang des Ionenwegs in der Ionenführung erzeugt werden oder durch eine Coulombsche Abstoßung von Analytionen, die nacheinander in die Ionenführung eintreten, oder durch einen Rückenwind, den das Interaktionsgas von einem Punkt entlang des Ionenwegs, an dem es der Ionenführung zugeführt wird, aus erzeugt oder durch eine beliebige Kombination davon.
Die Größe des elektrischen Gleichspannungsfelds kann von dem Ende, an dem die Ionen in die Ionenführung gelangen, bis zum anderen Ende, an dem sie die Ionenführung verlassen, abnehmen, wie in der Patentanmeldung US 2010/0301227 A1 (F. Muntean) beschrieben, deren Inhalt hiermit vollständig einbezogen wird. In einem Quadrupol-Design kann das elektrische Gleichspannungsfeld beispielsweise durch Unterteilung einer bestimmten Anzahl von Polelektroden in Segmente generiert werden, an die dann verschiedene Gleichspannungen angelegt werden, um einen Feldgradienten entlang der Achse der Ionenführung zu erhalten. In einer Ausformung mit gestapelten Ringelektroden der Ionenführung als weiteres Beispiel kann der Gradient leicht erzeugt werden, indem an die seriell entlang des Ionenwegs angeordneten Ringelektroden Gleichspannungen angelegt werden, deren Stärke je nach Polarität der zu untersuchenden Analytionen ansteigt oder sinkt.
Zur Druck- und thermischen Entkopplung kann es von Vorteil sein, die Ionenquelle in einer ersten Vakuumstufe und die Ionenführung sowie den Massenanalysator in einer zweiten separaten Vakuumstufe anzuordnen. Die Druckregimes in diesen Vakuumstufen können so gestaltet sein, dass der Druck in der ersten Vakuumstufe generell größer ist als der Druck in der zweiten Vakuumstufe. Dadurch kann eine zusätzliche treibende Kraft, die auf dem Prinzip der Gasausdehnung basiert, die Ausbreitung der Ionen vom Ionenausgang der Ionenquelle entlang des Ionenwegs verstärken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ionenquelle in einem ersten Druckregime zwischen 10^–4 und 1 Pascal gehalten werden. Die Analytionen werden vorzugsweise aus Analytmolekülen generiert, die in einer Gasströmung mitgeführt werden. Diese kann der Ionenquelle von einem Gaschromatographen zugeführt werden.
In weiteren Ausführungsformen können die Ionenextraktionsspannungen etwa zwischen 0 und 500 Volt liegen. Der Ionenausgang hat vorzugsweise einen Querschnitt von 0,25 bis 400 mm² zum Passieren der Analytionen. Der Begriff Extraktionsspannung ist hierbei weit zu fassen, zum Beispiel als Mittel zum Treiben von Ionen von einem Ort zum anderen, und kann auch Schubspannungen beinhalten, die an eine Platte zum Abstoßen von Ionen, welche in einem Ionisationsbereich angeordnet ist, angelegt werden. Die beim Betrieb der Ionenquelle angelegten Schub- bzw. Abstoßspannungen können etwa 0 bis 500 Volt betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Rohr oder eine ionenoptische Öffnungslinse, an dem beziehungsweise an der Zugspannungen anliegen, am Ionenausgang der Ionenquelle angeordnet sein. Das geometrische Maß des Ionenausgangs umfasst vorzugsweise den Öffnungsdurchmesser, den Innenradius des Rohrs und/oder eine Kontur des Rohrrands.
Das Interaktionsgas kann ein Stoßgas für im Wesentlichen nicht fragmentierende Stöße mit Analytionen sein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein leichtes Gas, um die Energieverluste pro Stoß gering zu halten und Fragmentierungen zu vermeiden. Das Ausmaß der Analytionen-Fragmentierung in der Ionenführung wird vorzugsweise unter zehn Prozent gehalten. Hierfür kommen Helium oder andere geeignete leichte Gase mit geringer Reaktivität in Betracht.
Zusätzlich oder alternativ kann das Interaktionsgas ein chemisch reaktives Gas zur chemischen Modifikation der Analytionen sein, wie z. B. Methan, Ammoniak oder eine Kombination davon. Durch eine chemische Modifikation lässt sich die Identifizierung unbekannter Ionisierter Moleküle verbessern. Eine chemische Modifikation kann sich als hilfreich zum Identifizieren und Eliminieren von Matrix-Störungen erweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ionenführung generell eine Multipol-Ionenführung sein, wie z. B. eine Quadrupol-Ionenführung, an die Hochfrequenzspannungen (HF) angelegt werden, um Pseudopotentiale zu erzeugen, wie nach dem Stand der Technik bekannt. Dabei kann eine radiale Fokussierung der Ionen innerhalb der Ionenführung unabhängig von der Ionenpolarität erreicht werden. Quadrupolfelder werden zur radialen Fokussierung bevorzugt, weil sie die stärkste Fokussierung aller Multipole bewirken und helfen können, durch Stöße thermalisierte Ionen durch Coulombsche Abstoßung (eine Art Raumladungsschub) zu beschleunigen. Diese Coulombsche Abstoßung kann z. B. aus kontinuierlich eintretenden Ionen gleicher Polarität resultieren.
In weiteren Ausführungsformen kann sich der Gaseinlass in einem zentralen Bereich der Ionenführung entlang des Ionenwegs befinden. Aber auch andere Positionen sind denkbar. Der Druck des Interaktionsgases In der Ionenführung ist vorzugsweise an einer Stelle eines Einlasses, durch den das Interaktionsgas zugeführt wird, am größten. Der Spitzendruck kann z. B. zwischen 10^–1 und 10 Pascal liegen. Der Druckverlauf kann trapezförmig sein. Der Druck nimmt dann langsam in der Ionenführung von der Mitte zu den Enden ab. Zuletzt sinkt er abrupt außerhalb der Ionenführung auf den Hintergrunddruck In der zweiten Vakuumstufe.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Ionenführung gekrümmt sein, wobei der Krümmungswinkel zum Beispiel etwa zwischen 30° und 180° liegen kann. Bei einem gekrümmten Design fällt die Eingangsachse der Ionenführung nicht mit der Ausgangsachse zusammen, so dass die Ionen, die sie passieren, durch die radial fokussierenden Felder der Ionenführung abgelenkt werden. Dies ermöglicht eine Sichtlinientrennung zwischen den neutralen und metastabilen Molekülsorten, die in der Ionenquelle generiert werden, und dem Massenanalysator. Dadurch kann der massenunabhängige Hintergrund in den Massenspektren eliminiert oder zumindest erheblich reduziert werden.
In einer besonderen Ausführungsform hat die Ionenführung ein röhrenähnliches Design, wie dies für eine Fragmentierungszelle gemäß Offenbarung US 6,576,897 von U. Steiner et al. der Fall ist, deren Inhalt hiermit vollständig einbezogen wird. Eine solche Ausformung ist allgemein gekennzeichnet durch einen Eingangsbereich gegenüber der Ionenquelle, durch den die Analytionen, die die Ionenquelle verlassen, in die Ionenführung gelangen, einen Ausgangsbereich gegenüber dem Massenanalysator, durch den die Analytionen die Ionenführung verlassen, und den Einlass, durch den das Interaktionsgas eingeleitet wird, doch den die Ionen bei normalen Betriebsbedingungen nicht passieren. Das „Rohr” ist vorzugsweise geschlossen, so dass das Teilstück zwischen dem Eingangs- und Ausgangsbereich von der Umgebung abgeschottet ist. Eine solche geschlossene Rohrausformung hat ggf. nur zwei Öffnungen zum Passieren der Ionen und drei Öffnungen, durch die das Interaktionsgas strömen kann. Eine geschlossene Rohrausformung ist von Vorteil, weil sie eine Steuerung des Interaktionsgases ermöglicht, die relativ unabhängig von den Abpumpbedingungen in der Umgebung der Ionenführung (zweite Vakuumstufe) ist.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Polelektroden der Ionenführung länglich sein und sind in der Regel parallel zum Ionenweg ausgerichtet. Der Querschnitt der Polelektroden der Ionenführung kann jede geeignete Form haben. Er kann kreisförmig oder quadratisch sein und in bestimmten Ausführungsformen, zumindest für das radial nach innen gerichtete Teilstück der Ionenführung, hyperbolisch. Die lichte Weite der Ionenführung, die durch Flächen der Polelektroden geformt wird, kann einen quadratischen Querschnitt haben. In bestimmten Ausführungsformen ist die lichte Weite der Ionenführung kleiner als eine lichte Weite des Massenanalysators, so dass eine Überführung der Ionen von der Ionenführung zum Massenanalysator ohne geometrische Verluste erfolgen kann. Wie zuvor können die Ionenführung und der Massenanalysator zusammen in einem zweiten Druckregime angeordnet werden, das in der Regel etwa zwischen 10^–5 und 10^–1 Pascal liegt.
Vorzugsweise kann der Massenanalysator hinter der Ionenführung im Ionenweg der Reihe nach einen primären Massenfilter zur Auswahl der Elternionen, eine Fragmentierungszelle zur stoßinduzierten Dissoziation der gewählten Elternionen und einen sekundären Massenfilter zur Auswahl und/oder Spektrenaufnahme der resultierenden Tochterionen von Interesse umfassen. In dieser Ausführungsform kann dem Massenanalysator auch ein Fragmentierungsgas, wie z. B. Argon, zugeführt werden, das sich von dem in die Ionenführung geleiteten Interaktionsgas unterscheidet, insbesondere hinsichtlich Druck und Molekulargewicht. In manchen Ausführungsformen kann ein kurzer nur mit HF-Spannungen versorgter Vorfilter direkt vor dem primären Massenfilter angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen periodisch wechselnde Spannungen mit Frequenzen von etwa 0,2 bis 20 Megahertz und Amplituden von etwa 0 bis 10 Kilovolt Spitze-Spitze umfassen. Der Spitzendruck liegt vorzugsweise zwischen etwa 10^–1 und 10 Pascal. Der Ionenweg innerhalb der Ionenführung kann etwa 5 bis 35 Zentimeter lang sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die Ionenführung an ihren Enden ein aperturfreies Design haben, um die Ionenüberführung in sie hinein und aus ihr hinaus zu maximieren. In diesem Fall kann die Gaseingrenzung, wie in vorgenanntem Patent US 6,576,897 in Verbindung mit einer Fragmentierungszelle beschrieben, erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf folgende Abbildungen verwiesen. Die Komponenten in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, sondern sollen in erster Linie die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Die Bezugszeichen in den Abbildungen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung als Draufsicht.
zeigt eine geschlossene Ansicht der Ionenführung mit einem Gaseinlass in einem mittleren Bereich.
zeigt ein Beispiel eines Druckverlaufs entlang des Ionenwegs in der Ionenführung, wenn der Einlass wie in etwa in der Mitte angeordnet ist.
zeigt ein Beispiel für axiale Energieverteilungen der Ionen vor und nach Passieren der Ionenführung.
zeigt die Auswirkungen bei Einleitung eines Stoßgases in die Ionenführung.
zeigt die Auswirkungen auf die Nachweisempfindlichkeit und Massenauflösung der Ionen bei Einleitung eines Stoßgases in die Ionenführung.
zeigt die Auswirkungen auf Phantommassensignale bei Einleitung eines Stoßgases in die Ionenführung.
zeigt die Auswirkungen bei Einleitung eines chemisch reaktiven Gases in die Ionenführung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Während die Erfindung anhand einer Anzahl von Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
zeigt ein Prinzipbild eines Massenspektrometers mit einer Quadrupol-Ionenführung Q0 zur Interaktion der Ionen vor einer dreifachen Quadrupol-Massenanalysator-Baugruppe Q1, Q2 und Q3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Massenspektrometer ist auf einem Gehäuse 100 montiert, das in zwei separate Vakuumstufen 102A und 102B unterteilt ist, und umfasst eine EI- oder CI-Ionenquelle 104, ein ionenoptisches „Linsenrohr” 106 am Ausgang der Ionenquelle 104 zum Extrahieren und Überführen von Ionen in die Quadrupol-Ionenführung Q0 zwecks Gasphaseninteraktion, einen primären Massenfilter Q1, eine gekrümmte Quadrupol-Fragmentierungszelle Q2, die eine U-Kurve des Ionenwegs bildet, und einen sekundären Massenfilter Q3 in serieller Anordnung zwischen der Ionenquelle 104 und einem Ionendetektor 112.
Die Ionenquelle 104 und der Ionendetektor 112 befinden sich an entgegengesetzten Enden des Ionenwegs im Massenspektrometer. Aufgrund der besonderen Wegeinstellungen in der gezeigten Ausführungsform sind die Ionenquelle 104 und der Ionendetektor 112 direkt nebeneinander angeordnet und nur durch die Zwischenwände 108 (gestrichelte Linien) zwischen den beiden Vakuumstufen 102A und 102B getrennt. Im Gehäuse 100 kann eine hier nicht dargestellte extra starke (Turbo-)Vakuumpumpe zum Abpumpen der beiden Vakuumstufen 102A und 102B angeordnet werden. An unterschiedlichen Stellen im Gehäuse 100 können Abpumplöcher vorgesehen werden, die in nicht gezeigt sind. Ionenoptisches „Linsenrohr” 106 und Ionenquelle 104 sind in einem ersten abgeschlossenen Bereich des Gehäuses 100 angeordnet, der durch die Wände 108 und einen Dichtring mit einer Abdeckung (beides nicht dargestellt) zum Erzeugen eines Vakuumverschlusses gebildet wird.
In dieser Ausführungsform ist in der Mitte des Ionenwegs entlang der Quadrupol-Ionenführung Q0 ein Gaseinlass 110 ( ) zur Einleitung eines Interaktionsgases in die Quadrupol-Ionenführung Q0 vorgesehen. Der Einlass 110 kann mit Einrichtungen zur Abdichtung, wie z. B. O-Ringen, ausgestattet sein (die hier nicht abgebildet sind), damit kein Interaktionsgas in den Vakuumbereich der zweiten Vakukumstufe 102B entweichen und so die Gaslast für die Pumpen erhöhen kann.
Die Quadrupol-Ionenführung Q0 kann analog zu der Fragmentierungszelle zur stoßinduzierten Dissoziation konfiguriert werden, die in dem oben genanntem Dokument US 6,576,897 beschrieben ist. Im Rahmen dieses Beispiels kann die Ionenführung Q0 auf Trägerplatten montiert werden, die aus elektrisch isolierendem Material, wie z. B. Polykarbonat, bestehen. Die Polelektroden können dagegen mit Montageschrauben auf den Trägerplatten befestigt werden. Die Polelektroden können aus goldbeschichtetem Aluminium bestehen. Einander gegenüberliegende Polelektroden können durch einen elektrischen Anschluss miteinander verbunden sein.
In der in den und dargestellten Ausführungsform hat die Quadrupol-Ionenführung Q0 eine Krümmung von 90°. An nebeneinanderliegende Polelektroden können HF- und DC-Sockel-Spannungen angelegt werden. Das Profil der Polelektroden an den Innenflächen dieser Ausführungsform ist in der Regel quadratisch, wie in der perspektivischen Seitenansicht von dargestellt.
zeigt ein Beispiel eines Druckverlaufs entlang des Ionenwegs in der Quadrupol-Ionenführung Q0, wenn in einem mittleren Bereich der Ionenführung Q0, wie in gezeigt, ein Einlass 110 vorgesehen Ist. In diesem Beispiel hat der Druck einen etwa trapezförmigen Verlauf entlang der Achse der Ionenführung. Der Druck ist am Einlass 110 am höchsten, fällt zu beiden Enden hin langsam quasi-linear ab und sinkt dann abrupt auf den Mittelwert des Drucks in der zweiten Vakuumstufe 102B. Andere Druckverläufe als hier dargestellt sind ebenfalls denkbar.
Die Einstellungen des ionenoptischen „Linsenrohrs” 106, wie z. B. Zugspannungen und/oder das geometrische Maß des ionenoptischen „Linsenrohrs”, und die Einstellungen der Ionenführung Q0, wie z. B. Gleich- und/oder Hochfrequenz-/Wechselspannungen an den Polelektroden, die Ausdehnung entlang des Ionenwegs und/oder die lichte Weite werden vorzugsweise entsprechend der Höhe des Gasdrucks in der Ionenführung Q0 gewählt, so dass die Ionen genügend axiale kinetische Energie haben, um die Stelle entlang des Ionenwegs in der Ionenführung Q0 zu erreichen, an der sich der Einlass befindet, bevor sie durch die leichten nicht fragmentierenden Kollisionen mit dem Interaktionsgas thermalisiert werden. Dadurch kann das Gas, das an dieser Stelle des Ionenwegs durch den Einlass 110 strömt, als treibende Kraft wirken und die thermalisierten Ionen zum Ausgangsende der Ionenführung Q0 beschleunigen, um ihre Weiterleitung zum nachfolgenden Massenanalysator zu fördern.
Andere treibende Kräfte, die zusätzlich oder alternativ eingesetzt werden, können zum Beispiel von einem Raumladungsvortrieb von Ionen gleicher Polarität stammen, die ggf. kontinuierlich von der Ionenquelle 104 zugeführt werden und in die Ionenführung Q0 eintreten, oder elektrische Feldgradienten, die in der Ionenführung Q0 zum Beispiel generiert werden, indem unterschiedliche Spannungen an unterschiedliche Polelektrodensegmente oder gestapelte Ringelektroden, die seriell entlang des Ionenwegs angeordnet sind, angelegt werden, oder wie in der oben genannten Patentanmeldung US 2010/0301227 A1 beschrieben (entsprechende Beispiele sind in den Abbildungen nicht dargestellt).
zeigt schematisch zwei Energieverteilungen in Richtung des Ionenwegs vor und nach Passieren der Ionenführung. Die rechts dargestellte Verteilung 1 ist ein Beispiel für Ionen, die in einer EI- oder CI-Ionenquelle generiert werden und unter optimalen Extraktionseffizienzbedingungen, wie in vorliegender Erfindung vorgesehen, extrahiert wurden. Die Lage der Verteilung auf der Energieachse hängt im Wesentlichen von der durchschnittlichen Beschleunigung ab, der die Ionen in der Ionenquelle unterworfen sind. Die Breite der Verteilung, wie zum Beispiel durch die volle Halbwertsbreite (FWHM) dargestellt, kann dagegen von der Variabilität der Potentialgradienten abhängen, die durch die Beschleunigungsspannungen in den verschiedenen Teilregionen der Ionenquelle, aus denen die Ionen extrahiert werden, erzeugt werden. Weitere Faktoren, wie z. B. unterschiedliche anfängliche Energiezustände, die durch die Gasströmung aus dem Gaschromatographen oder beim Ionisationsprozess entstehen, können sich ebenfalls auswirken. Die Breite kann zwischen einem und fünf Elektronenvolt liegen. Wenn sich Ionen mit einer Energieverteilung wie unter Ziffer 1 dargestellt auf einem Ionenweg fortbewegen, läuft die Gesamtheit der Ionen axial auseinander, wobei schnellere Ionen die Führung übernehmen und langsamere Ionen etwas zurückbleiben, was zu einer axialen Unschärfe der Ionen führt. Dies ist von Nachteil, besonders wenn ein Massenspektrometer in einem Transit- oder Durchflussmodus betrieben wird (d. h. wenn Ionen in kontinuierlicher Bewegung ununterbrochen durch aufeinanderfolgende Komponenten des Massenspektrometers gefädelt werden) und Flugzeitanordnungen zur Massentrennung eingesetzt werden.
Die links in dargestellte Verteilung 2 ist ein Beispiel für Ionen, die auf ihrem Weg zum Massenanalysator eine Ionenführung passiert haben, die entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert ist und betrieben wird. Durch Einleiten eines Interaktionsgases in die Ionenführung, um schonende (nicht fragmentierende) Kollisionen mit den Ionen zu fördern, und koordiniertes Auswählen der Einstellungen, z. B. den Druck des Interaktionsgases, die Extraktionsspannungen der Ionenquelle, das geometrische Maß des Ionenausgangs an der Ionenquelle, die Länge der Ionenführung entlang des Ionenwegs, die lichte Weite der Ionenführung, die an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen oder eine Kombination davon, kann die axiale Energie der Ionen thermalisiert werden, wodurch der vorherige Bewegungszustand der Ionen in Richtung des Ionenwegs gelöscht und ein weiteres axiales Auseinanderfallen reduziert wird. Die Lage der Verteilung 2, die durch den Abstand Δf vom Ursprung angegeben ist, ist generell auf eine weitere treibende Kraft zurückzuführen, die auf die thermalisierten Ionen ausgeübt wird und diese zur Ausgangsseite der Ionenführung und dann zum Massenanalysator bewegen soll. Wie dargestellt, ist Verteilung 2 schmaler als Verteilung 1, während die Anzahl der Ionen, die bestimmte Energiezustände haben, größer ist. In der Regel sollte das Integral über Verteilung 1 etwa dem Integral über Verteilung 2 entsprechen, sofern bei den Stößen keine Ionen verloren gehen.
Die gekrümmte Konfiguration im Beispiel der Quadrupol-Ionenführung Q0 mit 90°-Krümmung ermöglicht eine längere Interaktionszelle auf kleinerem Raum und führt zu geringeren Betriebsdrücken und zur Eliminierung ungeladener Teilchen. Der quadratische Querschnitt ermöglicht Multipolfelder, und die Spalten an den Kanten sind für einen Druckabfall optimiert. Die Notwendigkeit einer kleinen Öffnung (Apertur) vor und hinter der Quadrupol-Ionenführung entfällt, da in dem in dargestellten Beispiel ein offener Spalt an beiden Enden vorgesehen ist.
Die in und dargestellte durchgehende Stab-Ausformung senkt die Kosten der Mechanik und vereinfacht die Elektronik. Doch mindestens eine der Polelektroden kann aus Segmenten bestehen, an die ein inkrementell ansteigendes oder abfallendes Potential angelegt wird, um einen elektrischen Feldgradienten zum Antreiben der Ionen zu erzeugen. Die abgebildete Interaktionszelle Q0 ist frei von ionenoptischen Linsen, wodurch Ionenknoteneffekte reduziert werden. Außerdem ermöglicht eine längere Interaktionszelle einen Betrieb bei geringerem Druck durch Erhöhen der Pumpgeschwindigkeit. Eine Ionenführung mit 180°-Krümmung, die hier nicht dargestellt ist, hätte ebenfalls den Effekt, dass neutrale Teilchen aus dem Ionenweg eliminiert werden könnten, weil sie nicht durch die HF-Felder fokussiert werden und sich im Wesentlichen geradlinig bewegen, wie in für die Ausführungsform mit 90°-Krümmung gezeigt.
Der in dargestellte Quadrupolquerschnitt mit quadratischer lichter Weite ermöglicht einen feldfreien Bereich in der Mitte der Dipole, wodurch Ionenknoteneffekte weiter reduziert werden und ein breiter stabiler Massenbereich für eine gegebene HF-Amplitude erreicht wird. Zwischen benachbarten Elektroden kann ein geeigneter Spalt gewählt werden, um die Abpumpteilstücke zu optimieren und dabei gleichzeitig die Ionenstabilität zu erhalten. Außerdem lässt sich die Ioneneintrittsgeschwindigkeit durch Anlegen einer zusätzlichen Gleichspannung an alle vier Elektroden mühelos innerhalb eines breiten Energiebereichs einstellen.
Während die Vorrichtung anhand einer bestimmten Ausführungsform beschrieben wurde, dient die Beschreibung nur zur Veranschaulichung der Erfindung und soll diese nicht beschränken. Zum Beispiel ist nickel- oder goldbeschichtetes Aluminium zwar ein bevorzugtes Material für die Polelektroden, doch es können auch andere Werkstoffe, wie z. B. mit Siliziumkarbid angereicherte Aluminiumlegierungen, verwendet werden. Während eine Quadrupol-Ionenführung mit 90°-Krümmung beschrieben wurde, sind auch andere Konfigurationen, wie z. B. lineare oder 180°-Ausformungen möglich. Die Konfiguration der Polelektroden mit quadratischem Querschnitt wird bevorzugt, doch im Rahmen der Erfindung können auch andere Konfigurationen verwendet werden.
Beispielmessungen
Das obere Diagramm in zeigt eine Zeitreihe von Stoßgasdrücken (willkürliche Einheiten) in der Ionenführung zwischen der Ionenquelle und dem Quadrupol-Massenanalysator, wie z. B. in dargestellt. In diesem Fall wird jedoch eine Quadrupol-Ionenführung mit 180°-Krümmung verwendet, die eine Ionenweglänge von etwa achtzehn Zentimetern ergibt. Nach etwa 0,75 Minuten auf der Zeitachse wird Helium als Stoßgas in die Ionenführung Q0 eingeleitet. Der allmähliche Druckanstieg ist leicht zu beobachten. Vor der Einleitung von Helium bei geringem Druck wird ein erstes Massenspektrum von Perfluortributylamin (PFTBA) aufgenommen (siehe Flagge 5A im oberen Diagramm). Nach Erreichen des endgültigen Durchschnittsdrucks (in diesem Beispiel etwa 1,3 Pascal) und Einstellen der an den primären Massenfilter Q1 angelegten Spannungen, um eine vergleichbare Peakbreite aufrechtzuerhalten (hier immer auf die Halbwertsbreite FWHM bezogen), wird ein weiteres Massenspektrum derselben chemischen Verbindung aufgenommen (siehe Flagge 5B im oberen Diagramm). Ein Vergleich der beiden Massenspektren 5A und 5B im unteren Bereich der Abbildung zeigt, dass die Nachweisempfindlichkeit für die Fragmentionen der chemischen Verbindung um mehr als das Dreifache erhöht ist. Eines der am wenigsten stabilen Fragmente, das bei m/z 219.0 liegt, ist noch etwa um das Zweieinhalbfache erhöht.
Kleine Abweichungen der Peaklage zwischen einzelnen Massenaufnahmen sind für diesen Versuch nicht relevant, da sie leicht schwankenden Peakformen zuzuschreiben sein können, die die Bestimmung der Schwerpunktlage betreffen, wie z. B. in die Lage bei 502.1 m/z (Aufnahme 5A links) und 502.0 m/z (Aufnahme 5B rechts).
zeigt ein weiteres Beispiel für den Effekt der Einleitung von Helium, auch in diesem Fall bei einem Druck von etwa 1,3 Pascal, in die Quadrupol-Ionenführung. Die Ionenführung ergibt wieder eine Ionenweglänge von etwa achtzehn Zentimetern. Hier wird der Peakverlauf bei m/z 502.0 genauer untersucht. Der obere, mittlere und untere Teil (bezeichnet mit 1, 2 und 3) des oberen dreiteiligen Diagramms zeigen jeweils die Gesamtzahl der am Ionendetektor gezählten Ionen, den Interaktionsgasdruck in der Ionenführung Q0 und die Peakbreite in Tausendsteln atomarer Masseneinheiten. Hier sieht man, dass Helium nach etwa 0,65 Minuten auf der Zeitskala eingeleitet wurde.
Insgesamt sind vier Messungen 6A bis 6D dargestellt, die zu Zeitpunkten aufgenommen wurden, die in den oberen beiden Diagrammteilen durch Flaggen gekennzeichnet sind. Die Änderungen im Verlauf der Anzahl im oberen Diagrammteil ergeben sich durch das Einstellverfahren, bei dem die Spannungen des Massenfilters Q1 eingeregelt werden, um die Ionenüberführung und Peakbreite abzugleichen. Durch den Heliumgehalt in der Ionenführung steigt die Gesamtzahl der Ionen, wenn auch nur geringfügig, an. Dieses Verhalten lässt sich durch die Thermalisierung der kinetischen Energie der Ionen durch die schonenden Stöße erklären, die die Energie deutlich reduziert. Die thermische Energie der Ionen reicht dann möglicherweise nicht mehr aus, um die elektrische Feldbarriere am Eingang des ersten Massenfilters Q1 zu überwinden, wenn die ohne Helium eingeregelten Spannungseinstellungen verwendet werden. Folglich müssen die Spannungseinstellungen eingeregelt werden, um vergleichbare Transmissionswerte zu erhalten. Dargestellt sind vier Schritte zur Ermittlung der Gesamtzahl, bei denen jeweils eines der Massenspektren 6A bis 6D aufgenommen wurde. Teil 3 des dreiteiligen Diagramms (unten) zeigt die resultierende Peakbreite für die verschiedenen Systemeinstellungen, die in den Diagrammteilen darüber dargestellt sind.
Im unteren Bereich von sind die vier Massenspektren dargestellt, die den Aufnahmen 6A bis 6D entsprechen. Aufnahme 6A zeigt die Peakform ohne Helium. Die Spannungseinstellungen des ersten Massenfilters Q1 sind so gewählt, dass man eine Peakbreite von etwa 0,7 atomaren Masseneinheiten erhält. Aufnahme 6B zeigt, wie die kinetische Energie der Ionen nach dem Einleiten von Helium sinkt, bis sie nicht mehr ausreicht, um die besagte elektrische Feldbarriere zu überwinden, so dass viele von ihnen effektiv am Passieren gehindert werden. Gleichzeitig werden die Ionen auf die Achse der Ionenführung fokussiert, so dass sie mit maximaler Effizienz in den ersten Quadrupol-Massenfilter Q1 eingeschossen werden. Als kombinierter Effekt ist die Nachweisempfindlichkeit nur geringfügig höher als bei Aufnahme 6A. Ein weiterer Effekt besteht darin, dass die Peakform bei einer höheren Auflösung von etwa 0,57 atomaren Masseneinheiten verzerrt ist (in diesem Fall nach rechts gebogen) und dünn aussieht, weil nur die energiereichsten Ionen in der Verteilung den ersten Massenfilter Q1 passieren.
Dagegen steigt die Größe etwa um den Faktor drei, wie in Aufnahme 6C gezeigt, wenn Helium eingeleitet und die Betriebsspannungen des ersten Massenfilters Q1 so eingestellt werden, dass eine ähnliche Auflösung von etwa 0,7 atomaren Masseneinheiten erreicht wird, was den Einstellungen in Aufnahme 6A entspricht. Alternativ nimmt die Effizienz der Ionenüberführung, wenn Helium eingeleitet wird und die Betriebsspannungen so eingestellt werden, dass eine bessere spektrale Auflösung erreicht wird, ab (wie aus der reduzierten Anzahl von Ionen in Aufnahme 6D hervorgeht), während gleichzeitig eine deutlich höhere Auflösung von 0,15 atomaren Masseneinheiten festzustellen ist.
zeigt, wie die Ionenführung genutzt werden kann, um die Robustheit eines in GC-MS eingesetzten Quadrupol-Massenanalysators zu verbessern. Die Spektren zeigen den Profilpeak des PFTBA-Fragments bei m/z 502.0 und den Effekt der Einleitung von Helium in die Ionenführung. Bei der Aufnahme 7A ohne Interaktionsgas tritt bei m/z 500.9 ein falscher Massenpeak auf, der allgemein als ”Precursor” bezeichnet wird und höchstwahrscheinlich ein Produkt verschmutzter Analysatorelektroden ist. Aufnahme 7B zeigt den gleichen Massenpeakverlauf bei Einleitung von Helium und Einstellung der Spannungen des ersten Massenfilters Q1 auf eine vergleichbare Peakbreite. Die tatsächliche Peakgröße hat etwa den zweifachen Wert, und der bei m/z 500.9 erzeugte Artefakt-Peak ist fast vollständig eliminiert. Dieser Effekt kann Kollisionen der Ionen mit neutralen Teilchen vor der eigentlichen Massenanalyse zuzuschreiben sein. Durch Senken der Energiestreubreite und insbesondere des radialen Umfangs des zum Massenanalysator geleiteten Ionenstrahls erhöht sich nicht nur der Durchlass des Massenfilters, sondern werden auch die eingeschossenen Ionen in der Mitte gehalten, so dass sie von eventuell verschmutzten Stäben weiter entfernt sind und verschmutzungsbedingte Beeinträchtigungen reduziert werden. Außerdem wird die Peakform durch das Einleiten von Helium begünstigt.
zeigt den Effekt der Einleitung von Methangas als chemisch reaktives Gas in die Ionenführung Q0. Beim Vergleich der beiden Spektren 8A (ohne Methan) und 8B (mit Methan) und unter Berücksichtigung der Spannungseinstellungen an dem direkt hinter der Ionenführung angeordneten Massenfilter wie zuvor erhält man unterschiedliche spektrale Peaksignaturen. Insbesondere ist das Entstehen unterschiedlicher Ionen, Methanreaktanten und anderer, die für eine positive Ionisation von Hintergrund-Luft-/Wassermolekülen mit Methan charakteristisch sind, zu beobachten. Durch eine solche chemische Modifikation vor der Massenanalyse lässt sich die Identifizierung unbekannter Ionen verbessern. Eine chemische Modifikation kann sich als hilfreich zum Identifizieren und Eliminieren von Matrix-Störungen erweisen.
Es versteht sich, dass diverse Aspekte oder Details der Erfindung geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung, die ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4963736 A [0006]
US 2002/0100870 A1 [0006]
US 2003/0042412 A1 [0006]
US 2003/0080290 A1 [0006]
US 6576897 [0021, 0025, 0039]

Claims

Ein Verfahren zur Überführung von innen in einem Massenspektrometer, das eine Ionenquelle mit einem Ionenausgang und einen Massenanalysator enthält und in einem sub-atmosphärischen Druckregime gehalten wird, aufweisend folgende Schritte: (a) Erzeugen von Analytionen in der Ionenquelle; (b) Anlegen von Extraktionsspannungen zum Extrahieren von Analytionen durch den Ionenausgang, wobei die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen des Ionenausgangs so konfiguriert werden, dass eine Energieverteilungsbreite der extrahierten Analytionen maximiert wird; (c) Überführen der extrahierten Analytionen durch eine Ionenführung zum Massenanalysator, wobei die Ionenführung mit einem Interaktionsgas gefüllt ist; und (d) Konfigurieren mindestens der lichten Weite der Ionenführung oder der an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen oder der Länge der Ionenführung oder des Drucks des Interaktionsgases, so dass die Energieverteilungsbreite der Analytionen reduziert wird und die Analytionen innerhalb der Ionenführung kollimiert werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (b) die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen so konfiguriert werden, dass eine Anzahl extrahierter Analytionen maximiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt (b) die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen so konfiguriert werden und Schritt (d) so ausgeführt wird, dass die Energieverteilungsbreite der Analytionen in einer Richtung der Ionenbewegung reduziert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei Schritt (d) so ausgeführt wird, dass die Analytionen in der Ionenführung thermalisiert werden, und wobei das Verfahren auch die Ausübung einer treibenden Kraft auf die thermalisierten Analytionen umfasst, um sie in Richtung des Massenanalysators zu treiben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die treibende Kraft entweder durch einen elektrischen Gleichspannungsfeldgradienten entlang des Ionenwegs in der Ionenführung oder durch Coulombsche Abstoßung von Analytionen, die nacheinander in die Ionenführung gelangen, oder durch eine Zugkraft, die durch die Bewegung des Interaktionsgases von einem Punkt entlang des Ionenwegs, an dem das Interaktionsgas der Ionenführung zugeführt wird, ausgeübt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt (c) das Interaktionsgas ein Stoßgas mit Molekülen ist, die zu nicht fragmentierenden Stößen mit den Analytionen führen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Interaktionsgas Helium ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt (c) das Interaktionsgas ein chemisch reaktives Gas ist, das die Analytionen chemisch verändert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Interaktionsgas Methan oder Ammoniak ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Schritt (d) der Druck des Interaktionsgases in der Ionenführung an der Stelle eines Einlasses, durch den das Interaktionsgas der Ionenführung zugeführt wird, ein Maximum erreicht und an anderen Stellen in der Ionenführung geringer ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Maximaldruck des Interaktionsgases im Wesentlichen zwischen 10^–1 und 10 Pascal liegt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in Schritt (b) die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen so konfiguriert werden und Schritt (d) so ausgeführt wird, dass weniger als zehn Prozent der Analytionen in der Ionenführung fragmentiert werden.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Schritt (a) das Generieren von Analytionen aus Analytmolekülen umfasst, die in einem Gas mitgeführt werden, das der Ionenquelle von einem Gaschromatographen zugeführt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Ionenquelle in einem ersten Druckbereich mit einem Druck, der im Wesentlichen zwischen 10^–4 und 1 Pascal liegt, gehalten wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Ionenquelle und der Massenanalysator in einem zweiten Druckbereich mit einem Druck, der im Wesentlichen zwischen 10^–5 und 10^–1 Pascal Hegt, angeordnet sind.
Ein Massenspektrometer, das in einem sub-atmosphärischen Druckregime gehalten wird, aufweisend: eine Ionenquelle zum Erzeugen von Analytionen, wobei die Ionenquelle einen Ionenausgang hat, durch den die Analytionen anhand von Extraktionsspannungen extrahiert werden, und wobei die Betriebsweise der Ionenquelle beinhaltet, die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen des Ionenausgangs so zu konfigurieren, dass eine Energieverteilungsbreite extrahierter Analytionen maximiert wird; einen Massenanalysator; und eine Ionenführung, die die extrahierten Analytionen aufnimmt und an den Massenanalysator weiterleitet, wobei die Ionenführung zur Füllung mit einem Interaktionsgas ausgelegt ist, und wobei mindestens die lichte Weite der Ionenführung oder die an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen oder die Länge der Ionenführung oder der Druck des Interaktionsgases so konfiguriert sind, dass die Energieverteilungsbreite der Analytionen verringert ist und die Analytionen innerhalb der Ionenführung kollimiert werden.
Das Massenspektrometer gemäß Anspruch 16, dessen Betriebsweise beinhaltet, die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen des Ionenausgangs so zu konfigurieren, dass eine Anzahl extrahierter Analytionen maximiert wird.
Das Massenspektrometer gemäß Anspruch 16 oder 17, dessen Betriebsweise beinhaltet, die Extraktionsspannungen und geometrischen Abmessungen des Ionenausgangs sowie mindestens die lichte Weite der Ionenführung oder die an die Ionenführung angelegten Betriebsspannungen oder die Länge der Ionenführung oder den Druck des Interaktionsgases so zu konfigurieren, dass die Energieverteilungsbreite der Analytionen in einer Bewegungsrichtung der Ionen verringert wird.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Ionenführung eine Multipol-Ionenführung ist.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Ionenführung entlang einer Bewegungsrichtung der Ionen gekrümmt ist.
Das Massenspektrometer gemäß Anspruch 20, wobei die Ionenführung einen Krümmungswinkel hat, der im Wesentlichen zwischen 30° und 180° liegt.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Ionenführung als Rohr ausgeführt ist.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Massenanalysator einen primären Massenfilter, eine Fragmentierungszelle zur stoßinduzierten Dissoziation und einen sekundären Massenfilter umfasst.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Teilstück der Ionenführung, das die extrahierten Analytionen passieren, einen quadratischen Querschnitt hat.
Das Massenspektrometer gemäß Anspruch 24, wobei der Massenanalysator einen Einlass mit einem Einlassbereich und die Ionenführung einen Ausgangsbereich hat, aus dem die extrahierten Analytionen die Ionenführung verlassen, und wobei der Ausgangsbereich kleiner als der Eingangsbereich ist.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei die Ionenführung einen Eingang, einen Ausgang und einen in der Mitte zwischen dem Ein- und Ausgang der Ionenführung angeordneten Einlass für Interaktionsgas hat.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 26, wobei sich die extrahierten Analytionen durch die Ionenführung entlang eines Ionenwegs bewegen, der im Wesentlichen 5 bis 35 Zentimeter lang ist.
Das Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei der Ionenausgang eine ionenoptische Rohrlinse mit einem Rohr hat, an das Zugspannungen angelegt werden.
Das Massenspektrometer gemäß Anspruch 28, wobei die geometrischen Abmessungen des Ionenausgangs einen Innenradius und eine Kontur des Rohrrands umfassen.
Ein Massenspektrometer zur Analyse von Proben, die in einer kontinuierlichen Gasströmung enthalten sind, aufweisend: eine erste Vakuumstufe, die auf einem ersten Druck gehalten wird; eine Ionenquelle in der ersten Vakuumstufe zum Generieren von Analytionen aus den Proben in der kontinuierlichen Gasströmung; eine zweite Vakuumstufe, die auf einem zweiten Druck gehalten wird, neben der ersten Vakuumstufe; einen Massenanalysator in der zweiten Vakuumstufe; eine Multipol-Ionenführung in der zweiten Vakuumstufe, die Ionen aus der Ionenquelle aufnimmt und an den Massenanalysator weiterleitet, wobei die Ionenführung zur Füllung mit einem Interaktionsgas ausgelegt ist, das mit den Analytionen interagiert, während diese zum Massenanalysator geleitet werden.