DE102013006971A1

DE102013006971A1 - Chemische lonisierung mit Reaktant-lonenbildung bei Atmosphärendruck in einem Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102013006971A1
Application number: DE201310006971
Authority: DE
Inventors: Sonja KLEE; Thorsten Benter
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: GB2515872B; US9228926B2; GB201407114D0; DE102013006971B4; GB2515872A; US20140314660A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Wassercluster-Ionen („Hydronium-Cluster”) bei Atmosphärendruck für die chemische Ionisierung von Analytmolekülen. Es wird vorgeschlagen, statt der bisher üblichen Corona-Entladungen an Metallspitzen eine Corona-Entladung am Taylor-Konus einer wässerigen Flüssigkeit, bevorzugt reinen oder leicht angesäuerten reinen Wassers, zu verwenden. Die Hydronium-Cluster der Form [H(H2O)n]+ können in einer Brennkammer getrennt vom Ionisierungsbereich erzeugt und dem Ionisierungsbereich durch eine Kapillare zugeführt werden. Im Ionisierungsbereich können die Hydronium-Cluster durch elektrische Beschleunigung über Gasstöße aufgeheizt, verkleinert und dadurch reaktiver gemacht werden, um auch Analytmoleküle geringer Protonenaffinität ionisieren zu können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Wassercluster-Ionen (Hydronium-Cluster) an Atmosphärendruck für die chemische Ionisierung von Analytmolekülen zur Analyse in einem Massenspektrometer.
Statt der bisher üblichen Corona-Entladungen an Metallspitzen im Ionisierungsraum wird eine Corona-Entladung am Taylor-Konus einer wässerigen Flüssigkeit, bevorzugt reinen oder leicht angesäuerten reinen Wassers, in einer abgeschlossenen Brennkammer verwendet. Die Wassercluster-Ionen („Hydronium-Cluster”) der Form [H(H₂O)_n]⁺ können in der Brennkammer getrennt vom Ionisierungsraum erzeugt und dem Ionisierungsraum zugeführt werden, beispielsweise durch eine Kapillare. Im Ionisierungsraum können die Hydronium-Cluster durch elektrische Beschleunigung über Gasstöße so aufgeheizt und verkleinert werden, dass auch Analytmoleküle geringer Protonenaffinität ionisiert werden.
Stand der Technik
Anmerkung 1: In dieser Schrift wird statt der gesetzlichen „vereinheitlichten atomaren Masseneinheit” (u) die Einheit „Dalton” (Da) verwendet, die in der letzten (achten) Ausgabe 2006 der Schrift „The International System of Units (SI)” des „Bureau International des Poids et Mesures” der atomaren Masseneinheit gleichwertig beigestellt wurde.
Anmerkung 2: Unter „Hydronium” wird in dieser Schrift das Kation H₃O⁺ verstanden. In der Literatur wird dieses Kation nicht ganz einheitlich manchmal einfach als „Hydronium”, andererseits auch als „Hydronium-Ion” bezeichnet. Die Komplexe mit weiteren Wassermolekülen werden hier als „Hydronium-Cluster” bezeichnet; diese sind stets positiv geladen.
Chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck (APCI) findet für gewöhnlich in einer Ionisierungskammer statt, in der an einer Metallspitze durch Anlegen einer hohen Spannung von einigen Kilovolt eine Corona-Entladung brennt. Die Analytmoleküle, die ionisiert werden sollen, werden der Ionisierungskammer zugeführt. Die Corona-Entladung brennt für gewöhnlich in einer Stickstoff-Atmosphäre, wodurch primär Stickstoff-Ionen gebildet werden. Aus den Stickstoff-Ionen bilden sich im Mikrosekunden-Zeitmaßstab durch unvermeidbar mindestens in ppm-Konzentrationen anwesendes Wasser Hydronium-Cluster der Form [H(H₂O)_n]⁺, die in der Lage sind, durch einen nachgelagerten kompliziert ablaufenden Protonentransfer die Analytmoleküle zu ionisieren. Die Hydronium-Cluster haben im Gleichgewicht bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck eine breite Verteilung der Clustergröße n, vorwiegend mit 3 < n < 9, wobei die Protonierungskraft der Cluster für große n wegen geringer Azidität sehr gering, für sehr kleine n wegen hoher Azidität groß ist. Die Verteilung der Clustergröße hängt neben dem lokalen Druck und der lokalen Temperatur vom Abstand von der Metallspitze und von der Konzentration des Wassers ab, da zunächst nahe an der Spitze das Hydronium (H₃O⁺) gebildet wird, das sich aber bei der Wanderung von der Spitze weg nach außen mit weiteren Wassermolekülen umgibt. Je geringer die Konzentration des Wassers, umso weiter außen findet die Clusterbildung statt, und umso größer ist der Raum, in dem ein Analytmolekül bestimmter Protonenaffinität ionisiert werden kann. Um eine gleichmäßige Ionisierung von Analytmolekülen für quantitative Analysen zu halten, ist eine gute Kontrolle der Wasserkonzentration notwendig.
Die chemische Ionisierung durch Hydronium-Cluster ist ein komplexer Vorgang, der nicht einfach nur in einem Protonen-Übergang zum Analytmolekül besteht, sondern Phasen mit Zusammenschlüssen von Analytmolekül mit dem Hydronium-Cluster mit anschließendem Verlust von neutralen Wassermolekülen durchlaufen kann. Man kann die Zwischenstadien als protonierte Analytionen mit Solvathülle begreifen. Die Wassermoleküle können den Komplex verlassen, wenn das Analytmolekül eine genügend hohe innere Temperatur besitzt. Durch die Freisetzung der Wassermoleküle nimmt die innere Temperatur ab. Die Entfernung der Solvathülle („Desolvatisierung”) kann in bekannter Weise durch aufheizende Stöße mit Umgebungsgas unterstützt werden. Auf diese Weise ist es möglich, in geringerem Maße auch mit größeren Hydronium-Clustern, also hoher Protonenaffinität, Analytmoleküle geringerer Protonenaffinität zu ionisieren, obwohl das auf dem direkten Wege eines Protonen-Übergangs energetisch nicht möglich ist.
Um aber die Protonierung zu erleichtern, kann es angebracht sein, die Hydronium-Cluster zunächst durch Stoßheizung abzubauen, so dass vor allem auch wieder die Ionen H₃O⁺ und H₅O₂ ⁺ für die Protonierung zur Verfügung stehen. Die Stoßheizung besteht darin, die Hydronium-Cluster-Ionen durch ein elektrisches Ziehfeld bei geeignetem Druck durch ein geeignetes Gas zu ziehen, so dass sie durch eine Vielzahl an Stößen Energie aufnehmen. Diese Technik hat zu einer eigenen Art von Massenspektrometrie geführt, die PTR-MS genannt und besonders für die Messung organischer Spurenverunreinigungen in der Umgebungsluft eingesetzt wird (PTR = proton transfer reaction). Unter PTR wird dabei einschränkend eine besondere Art der chemischen Ionisierung verstanden, bei der Hydronium-Cluster durch aufheizende Stöße verkleinert werden, wodurch auch niedermolekulare Substanzen relativ geringer Protonenaffinität quantitativ ionisiert werden können. In der PTR-MS werden die Hydronium-Cluster durch Hohlkathoden-Entladungen bei niedrigem Druck unter Wasserzuführung hergestellt.
Außerhalb der spezialisierten PTR-MS gibt es für Massenspektrometer allgemeiner Art zwei Ausführungsarten von APCI-Ionenquellen. In der ersten Art werden die Analytmoleküle in einem Gas zugeführt, beispielsweise aus einem Gaschromatographen. Es handelt sich hier in der Regel um kleinere, verdampfbare Analytmoleküle mit Molekularmassen unter 500 Dalton. Das zuführende Gas ist im Wesentlichen trocken, mit Wassergehalten von einigen ppm (parts per million) bis zu einigen Hundert ppm. Da die Protonenaffinitäten dieser Analytmoleküle in der Regel nicht sehr hoch sind, möchte man die Hydronium-Cluster möglichst klein halten, also in der Ionisierungskammer mit der Corona-Entladung eine geringe, aber trotzdem konstant geregelte Wasserkonzentration einhalten. Das ist schwierig. Außerdem neigt die Corona-Entladung dazu, unter anderem auch reaktives Ozon O₃ sowie OH-Radikale zu bilden, was zu oxidativen Veränderungen der Analytmoleküle führen kann. Des Weiteren zersetzen sich in der Corona-Entladung stets einige der Analyt-Ionen, was zu unerwünschten Fragment-Ionen in den Massenspektren führt. Es ist daher vorteilhaft, die Bildung der Reaktant-Ionen und die chemische Ionisierung der Analytmoleküle räumlich zu trennen, wie das schon in der Patentschrift DE 10 2009 037 716 B4 (T. Benter et al.; entsprechend US 2011/0039350 A1 und GB 2 473 106 A ) vorgeschlagen wurde.
Die zweite Art von APCI-Ionenquellen zielt auf die Ionisierung von Analytmolekülen, die durch Sprühen, beispielsweise Thermosprühen oder Sprühen durch einen Gasstrahl, über das Trocknen der Sprühtröpfchen in die Gasphase gebracht werden. Hierher gehört auch die Nachionisierung von Analytmolekülen, die in Elektrosprüh-Ionenquellen nicht oder nur zu geringen Teilen ionisiert wurden. Elektrosprüh-Ionenquellen werden hauptsächlich für die Ionisierung von Biomakromolekülen wie Peptide und Proteine eingesetzt. Diese lassen sich im Allgemeinen gut protonieren. Es gibt jedoch Ausnahmen, die durch CI nachionisiert werden können. Eine solche Nachionisierung ist beispielweise in US 2008/0173809 A1 beschrieben. Da regelmäßig in den Sprühflüssigkeiten Wasser enthalten ist, herrscht eine hohe Wasserkonzentration im Ionisierungsraum, wobei allerdings die meist chaotischen Gasströme und Gaswirbel im Ionisationsraum keine gut geregelte chemische Ionisierung erzeugen.
Es besteht ein Bedarf für die einfache, stabile und gut geregelte Herstellung von Hydronium-Clustern mit der Möglichkeit, die Größenverteilung der Cluster zur chemischen Ionisierung von Analytmolekülen einstellen zu können.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erzeugung von Hydronium-Clustern wird mit einer Corona-Entladung am Taylor-Konus einer wässerigen Flüssigkeit, bevorzugt reinen oder leicht angesäuerten Wassers, an der Spitze einer feinen Kapillare in einer kleinen Brennkammer bei Atmosphärendruck getrennt von der Zuführung der Analytmoleküle vorgenommen und erst dann werden die Hydronium-Cluster andernorts mit den Analytmolekülen zusammengebracht. Die Ionisierung kann dann in einem Bereich und bei einem Gasdruck vorgenommen werden, in dem, wenn gewünscht, durch Stoßheizung eine gewünschte Verteilung der Hydronium-Cluster eingestellt werden kann.
Die Verwendung einer „flüssigen” Elektrode, an der die Corona-Entladung ausgebildet wird, hat gegenüber den üblichen metallischen Elektroden insbesondere den Vorteil, dass keine Abnutzung stattfindet, da die Flüssigkeit kontinuierlich nachgeliefert wird. Diese Eigenschaft erlaubt insbesondere vorteilhaft hohe Lebens- und Betriebsdauern einer derart betriebenen Reaktant-Ionenquelle. Wenn hier von einem „Taylor-Konus” gesprochen wird, so soll die Bildung ähnlicher Formen eingeschlossen sein, die unter der Wirkung des Entladungsplasmas entstehen können.
Unter „reinem Wasser” wird hier deionisiertes, destilliertes oder doppelt destilliertes Wasser (Aqua bidestillata) verstanden; dieses kann aber mit Zusätzen wie beispielsweise schwerem Wasser versehen sein. Solch reines Wasser kann beispielsweise die Spezifikationen von „Reinstwasser” nach Europäischem Arzneibuch erfüllen: (i) Leitfähigkeit ≤ 1,1 μS/cm bei 20°C, (ii) gesamter organischer Kohlenstoff ≤ 0,5 mg/l und (iii) Nitratgehalt ≤ 0,2 mg/l. Besser geeignet ist jedoch reines Wasser mit einer Leitfähigkeit < 0,5 μS/cm. Unter „leicht angesäuertem Wasser” wird hier ein reines Wasser verstanden, dem zur Unterstützung einer stabil brennenden Entladung eine kleine Menge einer beliebigen organischen oder anorganischen Säure zugefügt wird. Damit sich im Plasma der Entladung aber keine organischen Verbindungen wie beispielsweise Aminosäuren bilden können, wird bevorzugt eine anorganische Säure verwendet, beispielsweise Salzsäure oder salpetrige Säure. Da letztere nur Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält, können sich keine Produkte bilden, die sich nicht auch aus dem zugeführten Stickstoff und reinem Wasser bilden könnten.
Führt man der kleinen Brennkammer sauberen Stickstoff und über eine elektrisch isolierte Kapillare reines oder leicht angesäuertes Wasser zu, und legt man eine Spannung von drei bis vier Kilovolt an die Kapillare an, so bildet sich an der Kapillarenspitze ein Taylor-Konus und es findet ein Elektrosprüh-Vorgang an der Wasseroberfläche statt. Erhöht man die Spannung, so hört das Elektrosprühen auf und es brennt eine stabile, bläulich leuchtende Corona-Entladung an der Spitze des Taylor-Konus. Die Corona-Entladung brennt im Stickstoff und bildet Stickstoff-Ionen; aus diesen wird aber praktisch sofort über Sekundärreaktionen Hydronium H₃O⁺ gebildet. Es ist auch möglich, dass Wassermoleküle direkt ionisiert werden. Da die Kammer einen hohen Wasserdampfgehalt aufweist, in manchen Ausführungsformen mit Wasserdampf sogar nahezu gesättigt ist, bilden sich Hydronium-Cluster der Form [H(H₂O)_n]⁺ mit einer Verteilung der Clustergrößen n zwischen n = 5 und n = 9.
Diese Hydronium-Cluster können aus der kleinen Kammer abführt werden, beispielsweise durch eine feine Kapillare. Die Abführ-Kapillare kann dann beispielsweise mit einer zweiten Kapillare zusammengeführt werden, in der in einem Führungsgas Analytmoleküle zugeführt werden. Die Kapillare kann nach der Zusammenführung in eine erste Vakuumstufe eines Vakuumsystems führen, wobei sich Analytmoleküle und Hydronium-Cluster bereits in der Kapillare intensiv mischen. Nach dem Austritt in die Vakuumstufe entsteht über einige Millimeter ein Überschallstrahl, der jedoch nach wenigen Millimeter durch Reibung mit dem Umgebungsgas aufgelöst wird. In dem wieder aufgewärmten Gas mit Analytmolekülen und Hydronium-Clustern können die Hydronium-Cluster durch eine elektrische Spannung über einige Zentimeter hinweg stoßgeheizt und so abgebaut werden, dass sie die Analytmoleküle mit hoher Ausbeute ionisieren. Die Analytionen können dann eingefangen, beispielsweise mit einem Ionentrichter oder einer anderen geeigneten Ionenführung, und dem Massenanalysator zugeführt werden.
Die Analytmoleküle, die mit den Hydronium-Clustern zusammengeführt werden, können auch schon teilweise ionisiert sein, beispielsweise durch Elektrosprühen.
In bestimmten Ausführungsformen kann deuteriertes Wasser verwendet werden, beispielsweise um Wasserstoff/Deuterium(H/D)-Austauschprozesse zu untersuchen.
Abbildung
Die zeigt stark schematisiert und beispielhaft eine Gesamtanordnung mit einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1), einer Brennzelle (6) für die Erzeugung von Hydronium-Clustern, Kapillaren (11, 12, 13) zum Einführen der Ionen in die Vakuumkammer (14), einer felderzeugenden Umhüllung (15) für den Gasstrahl (16) im Vakuum, und einem Ionentrichter (17) für die Weiterführung (18) der Ionen zu einem Massenanalysator. Die Vakuumkammer (14) wird in Richtung (19) ausgepumpt.
Die Brennkammer (6) zur Erzeugung der Hydronium-Cluster besitzt eine Einführung (9) für reinen Stickstoff und eine isoliert angebrachte Kapillare (8), beispielsweise aus Quarz, in die etwas reines oder leicht angesäuertes Wasser (7) hineingepumpt wird. Unter der Wirkung einer Hochspannung von einigen Kilovolt entsteht eine leuchtende Corona-Entladung (10) an der Spitze eines Taylor-Konus.
Die Elektrosprüh-Ionenquelle (1) hat eine Einführung (4) für ein geheiztes Führungsgas, beispielsweise ebenfalls reiner Stickstoff, und eine Kapillare (3), durch die die Sprühflüssigkeit (2) zugeführt wird. Durch eine Spannung von einigen Kilovolt wird die Flüssigkeit am Taylor-Konus versprüht; die winzigen Tröpfchen trocknen im geheizten Führungsgas und hinterlassen Analytionen. Dabei werden nicht alle Arten von Analytmolekülen ionisiert.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die Erzeugung von Hydronium-Clustern [H(H₂O)_n]⁺ wird in einer kleinen Brennkammer bei Atmosphärendruck getrennt von der Zuführung der Analytmoleküle vorgenommen und die Hydronium-Cluster werden andernorts mit den Analytmolekülen zusammengebracht. Um zu einer sehr reinen Mischung eines Führungsgases, vorzugsweise Reinstickstoff, mit Hydronium-Clustern zu kommen, wird bevorzugt eine Corona-Entladung am Taylor-Konus von reinem Wasser an der Spitze einer feinen Kapillare mit etwa 0,2 bis 0,8 Millimeter Innendurchmesser verwendet. Es entstehen dabei weder Ozon noch Ionen von Verunreinigungen oder Syntheseprodukten; reaktive neutrale Radikale haben genügend Zeit, um abzureagieren; vor allem können keine Analytmoleküle in der Entladung chemisch verändert werden. Die Ionisierung kann dann in einem Bereich und bei einem Gasdruck vorgenommen werden, in dem, wenn gewünscht, durch Stoßheizung eine gewünschte Verteilung der Hydronium-Cluster eingestellt werden kann.
Kürzlich wurde berichtet, dass an der Spitze eines Taylor-Konus einer wasserbasierten Betriebsflüssigkeit eine Corona-Entladung brennen kann; vergleiche die Arbeit „Atmospheric negative corona discharge using a Taylor cone as liquid electrode” (R. Sekine et al., American Physical Society, 65th Annual Gaseous Electronics Conference, October 22–26, 2012). Es wurde in dieser Arbeit das Wasser mit Beimengungen für die Erniedrigung der Oberflächenspannung und Erhöhung von Viskosität und Leitfähigkeit versehen. Mit reinem Wasser konnte keine Corona-Entladung gezündet werden. Es heißt dort: „The liquid with high surface tension such as pure water could not form a Taylor cone”. Die Corona-Entladung brannte dabei nicht an der Spitze des Taylor-Konus, sondern um einen herausgezogenen Flüssigkeitsfaden herum. Die Autoren untersuchen jedoch nur das Verhalten der Corona-Entladung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Es werden keine technischen Anwendungen für die beschriebene Corona-Entladung mit flüssiger Elektrode noch eine Analyse der dabei entstehenden gasförmigen Verbindungen beschrieben oder vorgeschlagen.
Im Gegensatz zu der Arbeit von Sekine et al. wird hier für die Erzeugung von Hydronium-Cluster reines oder nur leicht angesäuertes Wasser vorgezogen, um keine Substanzen zu synthetisieren, die bei der Analyse der Analytsubstanzen stören könnten. So sollen insbesondere keine organischen Substanzen im reinen Wasser sein, und auch der zugeführte Stickstoff muss frei von CO₂ sein. Es ist seit Jahren bekannt, dass durch elektrische Entladungen in Gasgemischen, die Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid enthalten, energetisch stabile organische Substanzen gebildet werden, allen voran Aminosäuren, die bei der Analyse von Peptiden und Proteinen besonders störend wären. Durch die Verwendung einer feinen Kapillare (8) von nur etwa einem Millimeter Außendurchmesser gelingt es sehr wohl, einen Taylor-Konus zu erzeugen, an dessen Spitze, im Gegensatz zu den Ergebnissen von Sekine et al., eine Corona-Entladung (10) brennt, ohne dass ein Wasserstrahl gebildet wird. Die Bevorzugung reinen oder nur leicht angesäuerten Wassers soll aber die Erfindung nicht einschränken, so kann es für bestimmte analytische Aufgaben sehr wohl nützlich sein, dem Wasser in geringen Dosen fremde Substanzen beizugeben.
Wie in dargestellt, wird der kleinen Brennkammer (6) durch die Einführung (9) ein geringer Strom an sauberem Stickstoff zugeführt. Die Brennkammer (6) verjüngt sich zu einem vorzugsweise metallischen Trichter, der in eine Kapillare (12) mündet. Durch die elektrisch isolierte Kapillare (8) tritt ein kleiner Strom (7) an reinem Wasser ein, nur wenige Nanoliter pro Minute, vorzugsweise gesteuert durch eine Nanopumpe. Legt man eine Spannung von drei bis vier Kilovolt zwischen dem Gehäuse der Brennkammer (6) und der Kapillare (8) an, so bildet sich an der Kapillarenspitze ein Taylor-Konus und es findet ein Elektrosprüh-Vorgang an der Wasseroberfläche statt. Erhöht man die Spannung, so hört das Elektrosprühen auf und es brennt eine stabile, bläulich leuchtende Corona-Entladung (10) an der Spitze des Taylor-Konus. Die Corona-Entladung (10) brennt im Stickstoff und erzeugt primär Stickstoff-Ionen der Form N₂ ^•+. Diese reagieren aber sofort weiter zu Hydronium-Ionen H₃O⁺:
N₂ ^•+ + N₂ + M → [N₂ + N₂]^•+ + M;
[N₂ + N₂]^•+ + H₂O → H₂O^•+ + 2N₂;
H₂O^•+ + H₂O → H₃O⁺ + OH^•.
Andererseits können in der Entladung auch Wassermoleküle direkt ionisiert werden:
e + H₂O → H₂O^•+ + 2e.
M ist dabei ein beliebiger Stoßpartner, der zur Abführung überschüssiger Energie dient. Da die Brennkammer (6) einen hohen Wasserdampfgehalt aufweist, in manchen Ausführungsformen mit Wasserdampf sogar nahezu gesättigt ist, bilden sich im Mikrosekunden-Maßstab Hydronium-Cluster der Form [H(H₂O)_n]⁺ mit einer weiten Verteilung n der Clustergrößen 5 < n < 9.
Die Corona-Entladung brennt außerordentlich stabil und kann über Tage oder Wochen aufrechterhalten werden, da in der Brennkammer keine Verschmutzungen auftreten und sich die Spitze, an der die Corona-Entladung brennt, dauernd selbsttätig erneuert.
Die Hydronium-Cluster können, geführt durch Stickstoff und Wasserdampf, über die feine Kapillare (12) am Ende des metallischen Trichters aus der kleinen Brennkammer abgeführt werden. Die Abführ-Kapillare (12) kann einige Zentimeter lang sein, vorzugsweise mit einem Innendurchmesser von 0,4 bis 0,7 Millimeter. Diese Kapillare kann dann beispielsweise mit einer zweiten Kapillare (11) mit ähnlichen Dimensionen zusammengeführt werden, die in einem weiteren Führungsgas die Analytmoleküle zuführt. Die Analytmoleküle können aus einer beliebigen Einrichtung stammen, beispielsweise direkt aus einem Gaschromatographen, oder, wie in gezeigt, aus einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1). Das Verfahren kann also insbesondere auch dazu verwendet werden, die aus einem Elektrosprüh-Vorgang ungeladen hervorgehenden Moleküle nachzuionisieren.
Nach der Zusammenführung der beiden Kapillaren (11) und (12) kann die weiterführende Kapillare (13), die beispielsweise eine übliche Länge von 10 bis 20 Zentimeter und einen üblichen Innendurchmesser von 0,4 bis 0,7 Millimeter haben kann, in eine erste Vakuumstufe (14) des Vakuumsystems eines Massenspektrometers führen, wobei sich Analytmoleküle und Hydronium-Cluster bereits in der Kapillare (13) intensiv mischen. Die Saugkraft des Vakuums sorgt dabei für den Gasfluss in den Kapillaren (11), (12) und (13), wobei sich nach neueren Erkenntnissen höchstwahrscheinlich in allen drei Kapillaren vollturbulente Strömungen einstellen. Die Strömungsstärke in den beiden Kapillaren (11) und (12) für Analytmoleküle und Hydronium-Cluster stellt sich in Relation zu den Strömungswiderständen der Kapillaren ein. Die Kapillaren können aus Metall gefertigt sein, oder auch aus Glas oder ähnlichen Materialien. Isolierende Kapillaren können vorzugsweise mit einer hochohmigen Schicht versehen sein, um Aufladungen der Innenoberfläche zu vermeiden. Die Kapillaren haben eine erstaunlich hohe Transfer-Ausbeute für Ionen, obwohl in ihnen nach neuesten Erkenntnissen höchstwahrscheinlich eine vollturbulente Strömung herrscht.
Nach dem Austritt des Gases mit den Analytmolekülen, Wasserdampf und Hydronium-Clustern aus der Kapillare (13) in die Vakuumstufe (14) entsteht über einige Millimeter ein Überschallstrahl, in dem eine starke Abkühlung nochmals zu einer Vergrößerung der Hydronium-Cluster führt. Der Überschallstrahl wird jedoch nach wenigen Millimeter durch Reibung mit dem Umgebungsgas aufgelöst; dabei erhitzt sich das Gas wieder, bildet aber immer noch eine starke Strömung in Ausfluss-Richtung mit keulenförmiger Gestalt (16). Der Umgebungsdruck beträgt dabei in der Regel einige Hektopascal; er hängt insbesondere von der Saugleistung der Pumpe (19) für diese Vakuumstufe und der Menge des durch die Kapillare (13) zugeführten Gases ab.
In dem wieder aufgewärmten Gasstrahl (16) können die Hydronium-Cluster durch eine elektrische Spannung über einige Zentimeter hinweg im Führungsgas stoßgeheizt und so abgebaut werden, dass sie die Analytmoleküle ionisieren, soweit diese noch nicht ionisiert sind. Die Gaskeule kann dabei von einer rohrähnlichen Hülleinrichtung (15) umgeben sein, die das Gas über eine Strecke von einigen Zentimetern zusammenhält und erst dann eine radiale Ausdehnung gestattet. Die Umhüllung (15) kann nahe an der Ausflussöffnung der Kapillare (13) zunächst fast gasdicht abgeschlossen sein, und sich in größerer Entfernung mehr und mehr öffnen; sie kann insbesondere die Elektroden für die Ausbildung des elektrischen Beschleunigungsfeldes für das Aufheizen der Hydronium-Cluster tragen.
Das elektrische Feld muss so stark sein, dass die Hydronium-Cluster genügend verkleinert, aber die entstehenden (oder schon vorhandenen) Analytionen dagegen nicht fragmentiert werden. Das gelingt meistens relativ leicht, weil die Bindungsenergien des Wassers im Hydronium-Cluster relativ gering sind (~1 bis ~3 eV), geringer als die Energien der kovalenten Bindungen in den Analytmolekülen (> 5 eV). Das Feld kann ein Gleichspannungsfeld sein, das die Ionen von der Eintrittskapillare (13) weg in die offene Vakuumkammer (14) transportiert; es kann aber auch ein Wechselfeld sein, insbesondere ein asymmetrisches Wechselfeld, das die Wirkung der Cluster-Auflösung verstärkt, aber im Ergebnis wieder die Ionen von der Einlasskapillare weg transportiert.
Die Spannung, die das Feld generiert, sollte einstellbar sein, um verschiedenen analytischen Anforderungen gerecht werden zu können. Die Einstellung der felderzeugenden Spannung kann beispielsweise dazu verwendet werden, einige Substanzklassen selektiv zu ionisieren, um sie von anderen, bei dieser Spannung nicht ionisierten Substanzklassen zu unterscheiden. Es können durch geeignete Einstellungen auch Fragmentierungen empfindlicher Molekül-Ionen, insbesondere Ionen von Molekülkomplexen, vermieden werden, gegebenenfalls auf Kosten der Empfindlichkeit.
Durch das offene Ende der Umhüllung (15) treten die Ionen in die Vakuumkammer (14) aus, und zwar sowohl die Analytionen wie auch die restlichen Hydronium-Ionen. Die Ionen können dann beispielsweise durch einen Hochfrequenz-Ionentrichter (17) eingefangen und in Richtung (18) dem Massenanalysator zugeführt werden. Im Hochfrequenz-Ionentrichter (17) werden die Analytionen in bekannter Weise durch die Zitterbewegungen im Hochfrequenzfeld von ihrer Solvathülle befreit. Statt des Hochfrequenz-Ionentrichters können auch andere Arten von Ionenführungssystemen wie Hochfrequenz-Ringblendensysteme, Multipol-Stabsysteme und andere eingesetzt werden.
Das in gezeigte Schema, in dem die Analytmoleküle durch Elektrosprühen in die Gasphase gebracht werden, soll jedoch nur ein Beispiel für die Einbindung der Hydronium-Cluster-Quelle in eine massenspektrometrische Ionenquelle sein. So können die Hydronium-Cluster mit Analytmolekülen der verschiedenartigsten Herkunft zusammengebracht werden. Die Analytmoleküle können mit einem Führungsgas direkt aus Reaktionskammern oder Gaschromatographen herbeitransportiert werden. Sie können durch Versprühen der Flüssigkeit aus einem Kapillarelektrophoresegerät, einem Flüssigkeitschromatographen oder einer Nanopumpe stammen. In der Sprüheinrichtung können die Flüssigkeiten beispielsweise durch Thermosprühen, Gassprühen oder Elektrosprühen zu Tröpfchen versprüht und anschließend getrocknet werden.
Die Mischung von Analytmolekülen und Hydronium-Clustern kann in Kapillaren erfolgen, wie in gezeigt, aber auch in eigens dazu konstruierten Kammern.
Es kann für einige analytische Aufgaben beispielsweise auch die Hülleinrichtung (15) entfallen. Die Ionisierung kann dann beispielsweise im Hochfrequenz-Ionentrichter (17) erfolgen. Auch hier kann es bei richtiger Einstellung der Hochfrequenzspannung zu einer Verkleinerung der Hydronium-Cluster und zu einer effektiven Ionisierung der Analytmoleküle kommen.
Selbstverständlich können die Analytmoleküle, die mit den Hydronium-Clustern zusammengeführt werden, auch schon teilweise ionisiert sein, beispielsweise durch Elektrosprühen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009037716 B4 [0008]
US 2011/0039350 A1 [0008]
GB 2473106 A [0008]
US 2008/0173809 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

The International System of Units (SI) [0003]
Bureau International des Poids et Mesures [0003]
T. Benter et al. [0008]
R. Sekine et al., American Physical Society, 65th Annual Gaseous Electronics Conference, October 22–26, 2012 [0022]
Sekine et al. [0023]

Claims

Verfahren zur chemischen Ionisierung von gasförmigen Analytmolekülen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Brennkammer durch eine Corona-Entladung am Taylor-Konus von reinem oder leicht angesäuertem reinem Wasser Hydronium-Cluster gebildet werden, die in einem Führungsgas aus der Brennkammer abgeführt und außerhalb der Brennkammer mit den Analytmolekülen gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abführen der Hydronium-Cluster, das Zuführen der Analytmoleküle und das Mischen jeweils durch Führungsgase in Kapillaren erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Analytmolekülen und Hydronium-Clustern zusammen mit Führungsgas durch eine Kapillare in eine erste Stufe eines Vakuumsystems geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe des Vakuumsystems die Hydronium-Cluster durch eine elektrische Spannung beschleunigt und durch Stöße mit dem Führungsgas aufgeheizt werden, so dass sie die Analytmoleküle effektiv protonieren können.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsgas, die Analytmoleküle und die Hydronium-Cluster in der ersten Stufe des Vakuumsystems durch eine Umhüllung für mindestens einige Zentimeter zusammengehalten werden, um eine effektive chemische Ionisierung der Analytmoleküle zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Analytionen durch einen Hochfrequenz-Ionentrichter oder ein anderes Ionenführungssystem gesammelt und einem Massenanalysator zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analytmoleküle, die mit den Hydronium-Clustern gemischt werden, teilweise schon ionisiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Wasser wenigstens zu Teilen deuteriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem reinen Wasser eine geringe Dosis wenigstens einer anderen Substanz beigemengt ist.