-
Die
Erfindung betrifft die Ionisierung von Analytmolekülen bei
Atmosphärendruck
durch Sprühen
oder Laserdesorption mit Einwirkung von elektrischen Feldern, Primärionen,
Photonen oder Elektronen und die effiziente Einfädelung der Ionen in das Massenspektrometer.
-
In
der massenspektrometrischen Analytik biochemischer Polymere, beispielsweise
in der Proteomik, in der Genotypisierung, in der Metabolomik (der Untersuchung
und Messung metaboler Prozesse), haben sich in den letzten 10 bis
15 Jahren zwei Ionisierungsverfahren durchgesetzt: die matrixunterstützte Laserdesorption
(MALDI) von vorwiegend festen Proben, die auf Probenträgerplatten
präpariert sind,
und das Elektrosprühen
(ESI) bei Atmosphärendruck
von Proben, die in Füssigkeiten
gelöst
sind. Das Elektrosprühen
kann relativ einfach mit Separationsverfahren für Gemischkomponenten, wie Flüssigkeitschromatographie
(HPLC) oder Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt werden. Die früher nur
im Vakuum verwendete Laserdesorption kann inzwischen ebenfalls an
Atmosphärendruck
benutzt werden, was die Probenzuführung einfacher macht. MALDI
zeichnet sich durch einen hohen Probendurchsatz aus, dabei müssen die
Analytsubstanzen möglichst
durch vorgeschaltete Separationsverfahren getrennt sein.
-
Es
hat sich inzwischen eine ganze Familie von Ionisierungsverfahren
an Atmospärendruck
entwickelt, die unter der Abkürzung
API (atmospheric pressure ionization) zusammengefasst wird (siehe auch
Park et al., WO 00/52735 A1). Zum originalen Elektrosprühen kommt
ein pneumatisches Sprühen durch
konzentrische Kapillaren hinzu, das mit einer Photionisierung durch
UV-Strahlung genügender
Energie (APPI = atmospheric pressure photo ionization) gekoppelt
wird oder mit einer chemischen Ionsierung durch Primärionen,
die in Corona-Entladungen
erzeugt werden (APCI = atmospheric pressure chemical ionization).
Mitgerechnet wird auch die erwähnte matrixunterstützte Laserdesorption
an Luft (AP-MALDI), wobei hier kein Sprühvorgang beteiligt ist. Die
Ionisierung von gasförmigen
Substanzen durch UV oder VUV Strahlung wird beispielsweise von Ulrich
et al. in
DE 100 44
655 A1 beschrieben.
-
Alle
Ionisierungsverfahren bei Atmosphärendruck sind durch die Bildung
einer Ionisierungswolke charakterisiert, die sich mit dem Umgebungsgas
bewegen lässt,
und in der die Analytionen teils schon bei der Bildung der Wolke
enthalten sind oder aber nach Bildung der Wolke durch intermediäre Prozesse (chemische
Ionisierung, Tröpfchentrocknung,
Photoionisierung) gebildet werden. Die Ionen müssen für alle diese Verfahren aus
dieser mehr oder weniger ausgedehnten Wolke herausgeführt und
sollen mit möglichst
hoher Ausbeute in das Massenspektrometer überführt werden.
-
Beim
originalen Elektrosprühen
liegt zwischen dem Ende einer Metallkapillare und einer Gegenelektrode,
die einen Abstand von etwa 20 bis 50 Millimeter voneinander haben,
eine Spannung von mehreren Kilovolt an. Eine polarisierbare Flüssigkeit in
der Kapillare – meist
Wasser, manchmal mit Beimischungen organischer Lösemittel wie Methanol oder Acetonitril, – wird dabei
unter der Wirkung des elektrischen Feldes am Ende der Kapillare
dielektrisch polarisiert und zu einem Konus ausgezogen, dem sogenannten
Taylor-Konus. An der Spitze dieses Konus kann die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit der
ziehenden Kraft des hier konzentrierten elektrischen Feldes nicht
mehr standhalten, daher reißen hier
kleine Tröpfchen
ab, die wegen der dielektrischen Polarisierung der Flüssigkeitsoberfläche elektrisch
aufgeladen sind. Die elektrische Aufladung besteht im Falle positiver
Tröpfchen
aus Protonen, die wiederum aus der Dissoziierung der Sprühflüssigkeit stammen.
(Wasser ist bekanntlich unter Normalbedingungen pH = 7 zu 10-7 Teilen in H+ und
OH- dissoziiert).
-
Die
geladenen Tröpfchen
fliegen unter der Wirkung des inhomogenen elektrischen Feldes zunächst stark
beschleunigt von der Spitze weg, werden aber im umgebenden Gas,
meist geheiztem Stickstoff als Trocknungsgas, schnell abgebremst. Es
entsteht hier als Ionisierungswolke eine Sprühwolke mit relativ festem Umriss,
die jedoch einerseits mit der Gasbewegung driftet und deren geladene Teilchen
andererseits durch äußere elektrische
Felder aus der Wolke herausbewegt werden können.
-
Im
heißen
Trocknungsgas verdunstet Flüssigkeit
aus den Tröpfchen.
Es ist anzunehmen, dass zuerst das organische Lösemittel verdampft. Mit kleiner
werdenden Durchmessern der dann wässrigen Tröpfchen steigt deren Dampfdruck,
da die so genannte Koordinationszahl der Moleküle an der Oberfläche abnimmt.
Die Koordinationszahl gibt die Anzahl der nächsten Nachbarn an, diese bestimmt
die Bindung des Oberflächenmoleküls an das
Tröpfchen und
damit den Dampfdruck. Das schnelle Verdampfen der Flüssigkeit
führt aber
auch die Gefahr herbei, dass die Tröpfchen durch die Verdunstungskühlung einfrieren,
wodurch ein weiteres Trocknen stark verlangsamt wird.
-
Ist
das Tröpfchen
stark geladen, so werden die Ladungen durch Coulombsche Abstoßung an
die Oberfläche
getrieben. Ihre gegenseitige Abstoßung erhöht den Dampfdruck für geladene
Teilchen, es werden so beispielsweise protonierte Wassermoleküle (H3O+) ausgestoßen. Theoretische
Betrachtungen zeigen, dass es auch zu Abschnürungen und dann Abtrennung
kleinerer Tröpfchen
kommt. Alle diese Vorgänge
werden durch ein Einfrieren der Tröpfchen stark behindert, wenn
nicht sogar verhindert.
-
Befinden
sich in den Tröpfchen
einige größere Moleküle, die
regelmäßig durch
Protonierung (oder Deprotonierung im Falle umgekehrter Polarität der Sprühspannung)
leichter geladen (ionisiert) werden als die Moleküle der Flüssigkeit,
so werden nach vollständiger
Verdampfung der Flüssigkeit
die größeren Moleküle in ionisierter
Form zurückbleiben.
Die ionisierten Moleküle
migrieren dabei unter der Wirkung des elektrischen Feldes durch
den bekannten Prozess der "Ionenmobilität" weiter auf die Gegenelektrode
oder auf andere Elektroden in ihrer Nähe zu, sie können durch
die Formung der elektrischen Felder gelenkt und schließlich durch
eine feine Wandöffnung
oder durch eine Transferkapillare in das Vakuumsystem eines Massenspektrometers überführt werden.
-
In
bisher kommerziell erhältlichen
Elektrosprüh-Ionenquellen
befindet sich die Sprühwolke
nur drei bis fünf
Zentimeter von der Eingangsöffnung
der elektrisch anziehend beschalteten Transferkapillare entfernt.
Diese bringt die Ionen in Neutralgas eingehüllt ins Vakuum des Massenspektrometers.
Wegen der kurzen Entfernung wird nur ein Teil der Tröpfchen getrocknet;
ein Teil der nicht getrockneten Tröpfchen werden mit in die Transferkapillare
und damit ins Vakuum gerissen, ein weiterer Teil schlägt sich
um den Eingang der Transferkapillare herum auf dieser nieder.
-
Das
Abreißen
der Tröpfchen
vom Taylorkonus an der Spitze der Sprühkapillare findet, abhängig vom
Nachschub der Flüssigkeit
in der Kapillare, mit 105 bis 108 Tröpfchen
pro Sekunde außerordentlich häufig statt,
so daß gewöhnlich ein
kontinuierlicher Ionenstrom entsteht. Der Nachschub wird durch eine sehr
gleichmäßig arbeitende
Pumpe, meist eine Spritzenpumpe, aufrechterhalten. Die Pumpen der Flüssigkeitchromatographen
können
verwendet werden.
-
Die
größeren Moleküle werden
bei diesem Vorgang meist nicht nur einfach geladen, sondern vielfach.
Die mittlere Ladungszahl ist umso größer, je größer das Molekül ist, wobei
es eine breite Verteilung der Ladungszahlen gibt. Als grobe Faustregel gilt,
dass pro 1000 bis 1500 atomaren Masseneinheiten die mittlere Ladungszahl
etwa um eine Ladungseinheit steigt. Die Ladung hängt aber auch stark von der
Faltungsstruktur der Biopoymere ab. Große, denaturierte (entfaltete)
Biomolekül-Ionen
mit Massen von einigen Zehntausend atomaren Masseneinheiten können durchaus
10- bis 50-mal geladen sein. Im Bereich der Peptide mit fünf bis zwanzig
Aminosäuren
(Massenbereich von etwa 600 bis 2400 Masseneinheiten) treten meist
die doppelt geladenen Ionen am häufigsten
auf, die Verteilung erstreckt sich hier von einfach bis fünffach geladenen
Ionen. Die Ladung ist regelmäßig eine
Protonierung, nicht eine Ionisierung durch Elektronenverlust, also
eine Bindung mit geladenen Wasserstoffatomen H+.
Daher hängt die
Ionisierung auch stark von der Wasserstoff-Ionen-Konzentration (also
vom pH-Wert) der
versprühten
Lösung
ab.
-
Die
Tröpfchen
haben beim Elektrosprühen mit
metallenen Sprühkapillaren
anfangs einen sich selbst einstellenden Durchmesser von einem halben bis
zu zwei Mikrometern, gegeben durch Dielektrizitätskonstante, pH-Wert, Viskosität, Leitfähigkeit, Flußrate und
Oberflächenspannung
der Flüssigkeit. Gelegentlich
werden auch größere Tröpfchen abgegeben.
Das Elektrosprühen
ist nicht immer stabil, es treten manchmal Schwebungszustände auf,
die zu unregelmäßiger Tröpfchenbildung
und einem stark schwankenden Ionenstrom führen. Für Flüsse in der Größenordnung
von einem Mikroliter pro Minute hat sich der Einsatz eines koaxial
zugeführten
Versprühgases
zur Stabilisierung des Sprühens
bewährt ("gasunterstütztes Sprühen"). Alle kommerziell
hergestellten Elektrosprüh-Ionenquellen
arbeiten heute mit gasunterstütztem
Sprühen
(siehe dazu z. B. A. C. Hirabayashi und Y. K. Hirabayashi,
EP 0 762 473 A2 oder
J. L. Bertsch et al. WO 97/28556 A1). Das zugeführte Sprühgas hat starke Einwirkungen
auf die Form der Ionisierungswolke, deren Umfang und Länge vergrößert wird.
-
Eine
stabile Betriebsweise wird darüberhinaus
durch die oben genannten Eigenschaften der Sprühflüssigkeit bestimmt. Häufig ist
nur in relativ schmalen Toleranzbereichen dieser Parameter ein stabiles
Sprühen
möglich.
Daher hat sich bereits für chromatographische
Mikrosäulen,
die nur einen geringen Flüssigkeitsstrom
liefern, wie auch für
die Kapillarelektrophorese die Zuführung einer zusätzlichen Flüssigkeit
bewährt,
die koaxial zugemischt wird. Die Zusatzflüssigkeit kann das Sprühen stabilisieren,
da durch die zusätzliche
Flüssigkeit
pH-Werte und andere Parameter unabhängig von den Parameterwerten in
der chromatographischen Säule
eingestellt werden können.
Es wird aber dadurch auch die Konzentration des Analyten herabgesetzt.
-
Um
zumindest die größeren Tröpfchen von der
Transferkapillare fernzuhalten, hat es sich bewährt, den Sprühkegel nicht
direkt auf die Eingangsöffnung
zu richten, sondern unter Einhalten eines größeren Winkels zwischen Sprühkapillare
und Transferkapillare den Sprühkegel
an der Eingangsöffnung
vorbei zu blasen (J. A. Apffel et al.,
US 5,750,988 A . Der Abstand
wird so gewählt,
dass die Sprühwolke
im umgebenden Gas in der verlängerten Achse
der Transferkapillare, etwa drei bis fünf Zentimeter von deren Öffnung entfernt,
durch Reibung im umgebenden Gas zum Halten kommt (das Halten ist relativ
zum Gasfluss zu verstehen). Die größeren Tröpfchen fliegen dann unter Wirkung
ihrer Trägheit weiter
und verfehlen die Transferkapillare. Die Ionen und die geladenen
Tröpfchen
der Sprühwolke
werden durch ein elektrisches Feld quer aus der Sprühwolke zur
Transferkapillare gezogen, dabei teilweise getrocknet, dort vom
Saugtrichter vor der Kapillarenöffnung
erfasst und durch viskose Mitnahme (Gasreibung) in die Kapillare
eingezogen. Dabei kann durch geeignete Felder und Ausnutzung der
Ionenmobilität eine
Konzentrierung der Ionen vor der Transferkapillare erreicht werden
(beispielsweise durch konzentrische, halbkugelförmige Netze: E. W. Sheehan
et al., US02/0 011 560 A1).
-
Die
Transferkapillare ist in der Regel durch eine Lochblende abgeschirmt,
die zur Führung
des heißen
Trocknungsgases und zur Formung des elektrischen Feldes dient. Das
Trocknungsgas wird so geleitet, dass es am Eingang der Transferkapillare vorbei
zur Sprühwolke
strömt.
Das elektrische Feld zwischen Ionisierungswolke, Lochblende und
Transferkapillare soll die Ionen aus der Sprühwolke durch das entgegenströmende Gas
zum Eingang der Transferkapillare führen. Dabei wird häufig in
Kauf genommen, dass auch Tröpfchen
in die Transferkapillare mitgerissen werden; diese werden in der Transferkapillare
hydrodynamisch fokussiert und erreichen das Vakuumsystem. Der Schaden
wird dann im Vakuumsystem beim Weiterleiten der Ionen zu heilen
versucht (siehe z. B. A. Mordehai und S. E. Buttrill,
US 5,818,041 A und WO 97/30
469 A1) Wie oben schon angedeutet, werden heute statt des Elektrosprühens für die Ionisierung
auch andere Prinzipien angewendet, die für andere Klassen von Analytsubstanzen
ihre Meriten haben. So kann das Sprühen rein pneumatisch ohne ein
elektrisches Ziehfeld Tröpfchen
erzeugen, die dann allerdings nicht geladen sind. Die Moleküle können dann
in den Tröpfchen
oder nach dem Verdampfen der Flüssigkeit durch
Reaktion mit Primärionen
aus einer Corona-Entladung
ionisiert werden. Diese Methode wird mit APCI bezeichnet (atmosperic
pressure chemical ionization, siehe z. B. Y. Takada et al.,
US 5,877,495 A und
Y. Takada et al.,
US
6,121,608 A Die Moleküle können aber
auch, wie aus der Ionenmobilitätsspektrometrie
bekannt, durch UV-Strahlung mit einer Photonenenergie der Größenordnung
von sieben bis zehn Elektronenvolt ionisiert werden (Leonhardt et al.,
DE 100 42 394 A1 ),
man spricht dann von APPI (atmospheric pressure photo ionization).
-
Besondere
Ausführungen
des Elektrosprühens
betreffen Apparaturen für
besonders niedrige Flussraten beim Sprühen. Durch sehr feine Kapillarspitzen
können
Flussraten von nur einigen zehn Nanolitern pro Minute eingehalten
werden. Diese „Nanosprühen" genannten Ausführungsformen
bilden Tröpfchen
von nur etwa 100 bis 200 Nanometern Durchmesser aus. Der Sprühstrahl
kann dann aus einer Entfernung von etwa zwei Millimetern direkt
in die Öffnung
der Transferkapillare gerichtet werden, es treten dabei keine Aufladungen
auf. Die Tröpfchen verdampfen
anscheinend auf dem Weg durch die Transferkapillare vollständig.
-
Bei
der erst jüngst
kommerziell eingeführten matrixunterstützten Laserdesorption
an Atmosphärendruck
(AP-MALDI) entsteht durch den Laserlichtschuss ebenfalls eine Ionisierungswolke
aus pulsförmig
verdampfter Probe. Die Ionisierungswolke besteht zunächst nur
aus Matrixdampf mit ebenfalls in die Gasphase gepusteten Analytmolekülen. Ein
nur sehr kleiner Teil in der Größenordnung
von einem hundertstel Prozent der Moleküle oder weniger ist ionisiert.
Diese Wolke vermischt sich rasch mit Umgebungsgas. Die Matrix muss
hier nicht die Ionisierung übernehmen,
wie es im Vakuum erforderlich ist, es sind auch andere Verfahren
bekannt geworden, die die Ionisierung von der Desorption abtrennen
(J. Franzen und C. Köster,
DE 196 08 963 C2 und
US 5,663,561 A .
Bei diesem Ionisierungsverfahren brauchen im Prinzip keine Tröpfchen getrocknet
zu werden, aber es ist ebenso wie bei Sprühverfahren wünschenswert,
die Ionen mit hoher Ausbeute ins Vakuum des Massenspektrometers
zu überführen. Auch ist
es wünschenswert,
mehr Analytmoleküle
als bisher zu ionisieren.
-
Für die Untersuchung
der Ionen aus der Ionisierungswolke läßt sich im Prinzip jede Art
von Massenspektrometer einsetzen, wenn die Ionenerzeugung genügend kontinuierlich
gemacht werden kann. Es kommen sowohl die klassischen Sektorfeld-Spektrometer,
wie auch Quadrupolspektrometer in Frage, beide Arten auch in Tandem-Anordnung,
um MS/MS-Untersuchungen vornehmen zu können.
-
Flugzeitmassenspektrometer
brauchen eine Auspulsung des quer eingeschossenen Ionenstrahls, können dann
aber auch vorteilhaft genutzt werden. Die Ausbeute der zur Messung gelangenden
Ionen ist hier höher
als bei den als Filter für
jeweils eine einzige gemessene Masse wirkenden Sektorfeld- oder Quadrupol-Spektrometern.
-
Sowohl
bei kontinuierlicher wie auch bei diskontinuierlicher Ionenerzeugung
sind die speichernden Massenspektrometer besonders günstig, wie Quadrupol-Ionenfallen
oder Ionen-Cyclotron-Resonanz-Geräte. Diese
Geräte
sind insbesondere auch für
die Aufnahme von Tochter- oder Enkelionenspektren geeignet, da in
ihnen auf mehrere bekannte Weisen einzelne Ionensorten selektiert
und fragmentiert werden können.
-
Obwohl
besonders die Elektrosprüh-Ionenquellen
eine Entwicklungszeit von vielen Jahren hinter sich haben und eine
Vielzahl kommerziell hergestellter Ionenquellen auf dem Markt sind,
ist deren Entwicklung bei weitem nicht abgeschlossen. Man hat bei
den bisherigen Entwicklungen vorwiegend Wert auf einen stabilen
Betrieb gelegt, nicht aber auf eine höchste Ausbeute an Ionen. Eine
gute Elektrosprüh-Ionenquelle
liefert maximal etwa 100 000 Ionen pro Sekunde im Vakuum ab. Lenkt
man den Sprühstrahl
direkt auf den Kapillareinlass, so lässt sich kurzzeitig ein zehn-
bis dreißigmal
höherer
Ionenstrom beobachten, der aber innerhalb kurzer Zeit abfällt und
bald ganz aufhört.
Ein Reinigen des Kapillareinlasses bringt den Ionenstrom wieder
hoch, wenn auch nicht wieder auf den maximalen Wert, aber er fällt alsbald
wieder ab. Es sind Anzeichen für Aufladungen
der Metalloberflächen
im Eingangsbereich und selbst im Vakuumbereich zu beobachten. Der
Aufprall von Ionen auf eine saubere Metalloberfläche kann nur bei übergroßen Mengen
an schweren Ionen zu Aufladungen führen. Daher müssen entweder
feinste Tropfen im Spiele sein, die trotz des heißen Gases
im Gegenstrom die Metalloberfläche
erreichen, dort kondensieren und trotz hoher Oberflächentemperatur
verbleiben. Möglicherweise
ist dabei eine Polymerisierung der Flüssigkeiten durch aufprallende,
reaktive Ionen beteiligt. Oder die Oberflächen, beispielsweise um die
Eingangsöffnung
der Transferkapillare herum, werden in einem sehr großem Maße mit Analytionen
belegt. Aufladungen an Oberflächen
können
nur bei Belegungsdicken mit mindestens dem Zehnfachen einer monomolekularen
Belegung auftreten, da dünnere
Schichten die Ladungen ableiten können. Eine solche Belegung
erfordert mindestens etwa 10 Picomol Analytsubstanz pro Quadratmillimeter.
Diese Werte könnten
innerhalb von Stunden nur dann erreicht werden, wenn die Ionenführung extrem
ungünstig
ist und die überwiegende
Anzahl von Ionen gar nicht in die Öffnung der Transferkapillare
eingesaugt wird.
-
Der
kurzfristig einstellbare hohe Ionenstrom zeigt jedenfalls, dass
im Prinzip sehr viel mehr Ionen ins Vakuum des Massenspektrometers
gelangen können,
als es bei den üblichen
Sprühionenquellen der
Fall ist. Es ist somit nicht die vielfach befürchtete Raumladungsbegrenzung
in der Transferkapillare, die den Ionenfluss begrenzt. Es ist auch
ein Verfahren bekannt geworden, wie die Ionen in der Transferkapillare
zur Vermeidung von Ionenverlusten hydrodynamisch fokussiert werden
können
(J. Franzen,
US 5,736,740
A ).
-
Aufgabe der
Erfindung
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, aus den Ionisierungswolken der Ionisierungsverfahren
an Atmosphärendruck
weit mehr Ionen als bei üblichen
Elektrosprühionenquellen
stabil ins Vakuum des Massenspektrometers zu überführen. Die Apparaturen und Verfahren
sollen in weiten Teilen sowohl für
Sprühverfahren
wie auch für
Laserdesorptionsverfahren verwendbar sein. Es ist das Ziel, in optimalen
Phasen der Substanzlieferung (beispielsweise in chromatographischen
Peaks) etwa fünf
bis zehn Millionen Analytionen pro Sekunde ins Vakuum des Massenspektrometers
bringen zu können.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Es
ist der Grundgedanke der Erfindung, die Ionen aus der Ionisierungswolke
durch eine gut fokussierende Führung
nach den Grundsätzen
der Ionenmobilität
direkt in das Zentrum des Saugtrichters vor dem Eingang der Transferkapillare
zu bringen und gegebenenfalls die Tröpfchen der Sprühverfahren
durch eine räumlich
und zeitlich wesentlich längere
Führung
als in üblichen
Quellen im heißen
Gasstrom sicher zu trocknen. Die Ionen (und gegebenenfalls die geladenen
Tröpfchen)
werden dabei durch elektrische Felder nach den Bewegungsgesetzen
der Ionenmobilität über eine
relativ lange Strecke durch ein Schutz- oder Trocknungsgas hindurch
unter Anwendung einer guten Fokussierung dem Eingang der Kapillare
zugeführt.
Diese fokussierende Führung durch
ein Schutzgas wird in einem geeignet geformten Driftrohr erreicht,
in dem ein Potentialgefälle
aufrechterhalten wird. Die Ionen migrieren bei einem Druck, der
in der Größenordnung
des Atmosphärendrucks
liegt, genau entlang den elektrischen Feldlinien. Leichte Abweichungen
davon treten nur durch Diffusionsprozesse (Braunsche Molekularbewegung) oder
durch Raumladungsabstoßung
auf. Dadurch lässt
sich eine praktisch verlustfreie Führung der Ionen aus einer ausgedehneten
Ionisierungswolke in den kleinen Saugtrichter vor der Eingangsöffnung der Transferkapillare
erreichen.
-
Das
Schutz- oder Trocknungsgas soll saubere Verhältnisse für die Ionenmigration liefern,
keine weitere Reaktionen der Ionen zulassen, und als Überführungsgas
zum Massenspektrometer durch die Transferkapillare hindurch dem
Massenspektrometer keinen zusätzlichen
Schmutz zuführen.
Für Sprühverfahren
zur Ionisierung kann das Trocknungsgas zur Förderung der Tröpfchenverdampfung heiß sein,
es werden üblicherweise
Temperaturen bis zu 300 Grad Celsius angewandt, insbesondere, um einem
Einfrieren der Tröpfchen
zu begegnen.
-
Vor
der Eingangsöffnung
der Kapillare entsteht durch den Gasfluss in der Transferkapillare
ein Saugtrichter. Die Ionen, die gezielt durch Ionenmobilität in diesen
Saugtrichter vor dem Kapillareneingang geführt worden sind, werden dabei
durch Gasreibung mitgerissen. Der Radius desjenigen Teils des Saugtrichters,
aus dem Ionen mitgerissen werden, hängt vom Gasstrom in der Kapillare
und von der Größe der Ionen
ab, da schwere Ionen wegen ihres größeren Querschnitts leichter
auch gegen schwach andersgerichtete elektrische Felder mitgerissen
werden. Für
die interessierenden Analytionen im Massenbereich von etwa 500 bis
4000 atomaren Masseneinheiten beträgt der Durchmesser des mitreißenden Saugtrichters
etwa vier Millimeter, bezogen auf übliche Transferkapillaren mit
500 Mikrometern innerem Durchmesser und etwa 150 Millimeter Länge. In
der Eingangsöffnung
der Transferkapillare beträgt
die Gasgeschwindigkeit etwa 150 Meter pro Sekunde. Im Saugtrichter
herrscht zwei Millimeter von der Eingangsöffnung entfernt eine Gasgeschwindigkeit
von etwa 1,5 Metern pro Sekunde. Die Ionenmobilitätsgeschwindigkeiten
der Ionen liegen größenordnungsmäßig bei
etwa einem Meter pro Sekunde unter der Wirkung eines elektrischen
Feldes von 10 Volt pro Millimeter.
-
Es
ist jedoch zu befürchten,
dass die Ionen aus den achsenfernen Randbezirken des Saugtrichters,
die beim Mitreißen
starke radiale Geschwindigkeitskomponenten erhalten, die Innenrandbezirke der
Eingangsöffnung
berühren
können,
sich so entladen und aus dem Prozess ausscheiden. Es ist daher anzustreben,
die Ionen in die achsennahen Bezirke des Saugtrichters zu führen, etwa
in einen Bezirk von etwa zwei Millimeter Durchmesser.
-
Es
ist des Weiteren zweckmäßig, die
Eingangsöffnung
der Transferkapillare mit einem kleinen gerundeten Trichter zu versehen,
um den Gasfluss rasch zu einer laminaren Strömung werden zu lassen. Scharfe
Ecken an der Eingangsöffnung
führen zu
Turbulenzen, und diese Turbulenzen führen zu Ionenverlusten. Es
ist auch zweckmäßig, die
Transferkapillare aus Hochwiderstandsmaterial zu fertigen, um Aufladungen
der inneren Oberfläche
zu vermeiden.
-
Im
Massenspektrometer werden Ionen und Schutzgas mit bekannten Mitteln
getrennt; die Ionen werden dem Analysator zugeführt.
-
Die
Führung
der Ionen und die Trocknung der Tröpfchen erfolgt zweckmäßigerweise
in einem Rohr oder in einem Kanal gegen den Strom des Trocknungsgases.
In diesem Driftrohr wird, wie in Ionenmobilitätsspektrometern üblich, durch
geeignete Maßnahmen
ein Potentialgradient hergestellt, der die Ionen durch das Gas zieht.
Durch eine Ausbildung gekrümmter Äquipotentialkurven
im Driftrohr (anders als in üblichen
Ionenmobilitätsspektrometern)
können
die Bahnen der Ionen (und der geladenen Tröpfchen bis zu deren vollständiger Troknung)
zur Achse hin fokussiert und genau in das Zentrum des Saugtrichters
geführt
werden.
-
Das
Driftrohr kann aus isolierenden Teilstücken mit zwischengebauten Ringelektroden
aufgebaut sein, wie es für
Ionenmobilitätsspektrometer üblich ist.
Es kann das Driftrohr aber auch aus Widerstandsmaterial gefertigt
sein, beispielsweise aus Widerstandskeramik, mit dem dann kontinuierliche
Potentialverläufe
erzielt werden können.
-
Die
Ausbildung gekrümmter Äquipotentialkurven
kann durch einen anwachsenden Potentialgradienten im Driftrohr erzeugt
werden. Ein Region mit hohem Potentialgradienten beult sich immer
in eine Region mit niedrigerem Potentialgradienten hinein aus. Wird
ein konisches Driftrohr aus Widerstandsmaterial mit gleicher Wandstärke, also
wachsendem Widerstand pro Längeneinheit
zum dünneren
Ende des Konus hin, verwendet, so ergeben sich automatisch solch
günstigen
Verhältnisse
mit gekrümmten Äquipotentialflächen. Das
Gleiche gilt für ein
konisches Driftrohr aus isolierendem Material, das aber mit einer
Widerstandsschicht gleicher Dicke belegt ist.
-
Der
Kopfbereich der Transferkapillare, der in das Driftrohr ragt, muss
zu einem kleinen Radius gerundet sein, um hier die elektrischen
Feldlinien eng zu konzentrieren. Günstig ist eine etwa parabelförmige oder
halbellipsenförmige
Ausbildung, die aber einen ebenfalls gerundeten Eingang in die Transferkapillare
hinein trägt
(Franzen,
DE 195 20
276 A1 ).
-
Ein
konisch oder trompetenförmig
geformtes Driftrohr kann nahe an der Eingagskapillare eine höhere Gasgeschwindigkeit
erzeugen als weiter weg, dadurch können größere Tröpfchen im Gebiet geringer Strömung zurückgehalten
werden, bis sie durch Verdunstung kleiner geworden sind und den
Widerstand des entgegenströmenden
heißen
Gases überwinden
können.
Die laminare Gasströmung
im Driftrohr fokussiert solche Tröpfchen hydrodynamisch zur Achse
hin.
-
Das
Driftrohr zur Führung
der Ionen braucht nicht gerade zu sein: es kann mäanderförmig gefaltet oder
helixförmig
aufgewickelt sein. Insbesondere können mehrere Driftrohre verwendet
werden, die einander folgen. Dabei können aufeinanderfolgende Rohrstücke jeweils
winklig zueinander stehen. Die Ionen können durch entsprechend geformte
elektrische Felder aus einem Rohrstück relativ verlustfrei in das
nächste
Rohrstück überführt werden.
-
Das
Driftrohr soll am Eingang nahe der Ionisierungswolke mit einem ausgebuchteten
Gitter versehen sein, um die Ionen (und gegebenenfalls die restlichen
geladenen Tröpfchen)
anzuziehen und sofort zur Achse des Driftrohrs hin zu lenken. Günstig ist
die Form einer Kugelkalotte, beispielsweise einer Halbkugel. Das
Gitter liegt auf einer leicht anziehenden Spannung für die Ionen
und geladenen Tröpfchen
der Ionisierungswolke. Eine Sprühkapillare kann
so angeordnet sein, dass größere Tröpfchen durch
ihre Trägheit
an diesem ausgebeulten Gitter vorbeifliegen und nicht in das Driftrohr
eintreten.
-
Durch
zwei aufeinanderfolgende, konische Driftrohre mit kugelförmigen Gittern
lässt sich
eine extreme Fokussierung der Ionenmigration erreichen. Diese Fokussierung
wird nur durch die Diffusion und durch Raumladungsabstoßung eingeschränkt.
-
Die
Raumladungsabstoßung
im Treck der Ionen längs
des Migrationsweges bewirkt, dass die leichten Ionen, beispielsweise
die durch Tröpfchenverdampfung
in Überzahl
gebildeten H+-Ionen und H3O+-Ionen, nach außen getrieben werden, da sie mobiler
sind als die schweren Ionen. Werden die schweren Ionen bevorzugt
in die Transferkapillare hinein mitgerissen, so stoßen die
leichten Ionen bevorzugt auf die Außenbereiche der Transferkapillare
um die Eingangsöffnung
herum auf. Diese Ionen führen nicht
zu Oberflächenaufladungen,
da ihre Entladung zu flüchtigen
Gasen führt.
-
Werden
dem Trocknungsgas, das in das Driftrohr einströmt, Teilchen anderer Polarität zugemischt,
so können
die leichten Ionen im Außenbereich
des Ionenmigrationsfadens auch teilweise neutralisiert werden. Die
leichten Ionen können
aber auch durch besondere Ringelektroden vor der Eingangsöffnung der
Transferkapillare abgesaugt werden. Die Beseitigung eines großen Teils
der leichten Ionen verhindert eine zu schnelle Sättigung der Aufnahmekapazität der Transferkapillare
durch zu starke Raumladung im Gasstrom.
-
Für die Analyse
positiver Ionen können
dem Trocknungsgas Elektronen beigemischt werden, die bevorzugt die
leichteren Ionen neutralisieren. Diese Elektronen können beipielsweise
als Photoelektronen erzeugt werden, indem der metallische Bereich des
Kopfes der Transferkapillare um die Eingangsöffnung herum mit einem UV-Laser
beschossen wird.
-
Werden
beim Sprühen
keine Tröpfchen
als Ausreißer
mit besonderer Größe gebildet,
so kann man den Sprühstrahl
auch direkt auf das halbkugelförmige
Gitter am Eingang des Driftrohres richten. Je kleiner der Querschnit
der Ionisierungswolke ist, aus dem die Ionen herausgezogen werden,
um so kleiner ist der Querschnitt des Ionentrecks vor dem Saugtrichter.
Die Kapillaren für
das Nanosprühen
kann man auf jeden Fall so anordnen, dass sie genau in der Achse
des Driftrohres auf die Öffnung
des Driftrohres zu sprühen.
Auch die Bewegung der Ionisierungswolke des API-MALDI wird zweckmäßigerweise
auf dieses Gitter zu gerichtet.
-
Die
in der Ionisierungwolke enthaltenen neutralen Analytmoleküle können zur
Erhöhung
der Ionenausbeute durch Zusatzmaßnahmen ionisiert werden, besonders
bei solchen Substanzklassen, bei denen die originäre Ionisierungsmethode
nicht besonders greift. Bekannt sind APCI durch eine chemische Ionisierung
durch Primärionen,
die durch eine Corona-Entladung erzeugt werden, und APPI, wobei durch
eine UV-Lampe zusätzlich
Photoionisierung erzeugt wird. Es kann aber auch, wie bei Ionenmobilitätsspektrometern üblich, eine
Elektronenquelle eingesetzt werden, beispielsweise durch eine 60Ni-Folie, die als Betastrahler arbeitet.
Die Elektronen können auch
durch UV-Strahlung oder durch Röntgenstrahlung
ausgelöst
werden, bedürfen
aber dann einer hohen Beschleunigungsspannung. Die Ionisierung der Analytmoleküle erfolgt
dann durch eine Kette von Ionen-Molekül-Reaktionen, also letztendlich
durch chemische Ionisierung. Alle diese Maßnahmen sind insbesondere auch
für Ionisierungswolken
geeignet, die durch Laserdesorption erzeugt wurden. Die Ionenausbeute
kann weiter durch die Zuführung
von Mediator-Substanzen erhöht
werden. Diese Substanzen lassen sich durch eine dieser Maßnahmen
besonders gut ionisieren und reagieren dann durch Ionen-Molekül-Reaktionen
mit den Analytmolekülen, um
diese zu ionisieren; es handelt sich hier um eine Zwischenstufe
der chemischen Ionisierung. Für
Ionisierungswolken aus Laserdesorptionen können die Matrixmoleküle eine
solche Mediator-Rolle für
die Photoionisierung übernehmen,
da die Matrixmoleküle
so ausgewählt
sind, dass sie UV-Strahlung absorbieren.
-
Beschreibung
der Abbildungen
-
1 zeigt
ein Schema einer Apparatur nach dieser Erfindung, die mit einer
Ionisierung in einer Sprühwolke
arbeitet. Die Sprühkapillare
(1) erzeugt eine Tröpfchenwolke
(2), die hier die Ionisierungswolke bildet. Eine optional
vorhandene Corona-Nadel (3) kann Primärionen für eine chemische Ionisierung
der Moleküle
und Tröpfchen
in der Ionisierungswolke liefern. Eine ebenfalls optionale UV-Lampe
(4) kann für
eine Photoionisation eingeschaltet werden. Die hier gitterförmige Elektrode
(5) kann auf eine Spannung gelegt werden, die an der Spitze
der Sprühkapillare
(1) die zum Elektrosprühen notwendige
Potentialdifferenz erzeugt. Inder Ionisierungswolke (2)
wird dann eine Wolke aus Ionen und geladenen Tröpfchen erzeugt. Die gitterförmige Elektrode
(6) befindet sich gegenüber
der Elektrode (5) auf einer leicht ionenanziehenden Spanung.
Dadurch werden Ionen und geladene Tröpfchen der gewünschten
Polarität
aus der Sprühwolke
heraus zu diesem Gitter (6) hin gezogen; sie durchdringen
das Gitter und werden im Inneren des Ionenmobilitätsrohrs
(7) durch schwache elektrische Felder fokussierend zur
Transferkapillare geleitet. Dabei halten sie sich im entgegenströmenden heißen Trocknungsgas
auf, das um die Transferkapillare (8) herum in Richtung
(9) in das Driftrohr (7) eingelassen wird.
-
2 zeigt
die Äquipotentialflächen im
Inneren des Driftrohrs. Das Driftrohr besteht aus einem Widerstandsmaterial,
beispielsweise aus einer Widerstandskeramik. Das Potential im Inneren
des Driftrohrs wird durch Spannungszuführungen (10) am Eingangsgitter
für das
Driftrohr, (11) für
den Rohranfang, (12) für
das Rohrende und (13) für
die oberflächlich
metallisierte Transferkapillare aufrechterhalten. Da die Wandquerschnittsfläche zur
Transferkapillare hin kleiner wird, steigt hier der Widerstand pro Längeneiheit
an und liefert ein nichtlinear ansteigendes Potential, das die gekrümmten Äquipotentialflächen im
Inneren erzeugt. Dieses ansteigende Potential wird durch die enger
aneinander rückenden Äquipotentialflächen angedeutet.
-
3 zeigt
die elektrischen Feldlinien im Inneren des konischen Driftrohrs
(7), längs
der die Ionen und geladenen Tröpfchen
zum elliptisch gerundeten Kopf der Transferkapillare (8)
driften. Man sieht, dass die Ionen aus dem Mittelbereich des halbkugeligen
Eingangsgitters (im getönten
Bereich) durch die Form des elektrischen Feldes zwangsläufig in
das Zentrum des Saugtrichters vor dem Eingang der Transferkapillare
geführt
werden. Hier werden sie mit umgebenden Gas automatisch angesaugt
und in das Vakuum des Massenspektrometers überführt.
-
4 zeigt
eine optimale Form des Kopfes der Transferkapillare mit angedeutetem
Saugtrichter. Die gerundete Form der Eingangsöffnung sorgt für eine möglichst
durchgehende laminare Strömung vom
Saugtrichter bis in die Kapillare hinein.
-
5 stellt
eine Apparatur für
die matrix-unterstützte
Laserdesorption und Ionisierung an Atmosphärendruck (API-MALDI) dar. Die
Probenpräparationen
befinden sich auf der Probenträgerplatte
(20), die durch eine bewegbare Montage alle Probenpräparationen
in den Fokus des durch den Laser (23) und den Spiegel (24)
gebildeten Laserstrahls (25) bewegen kann. Durch einen
Schild (22) mit Zuleitung für ein Führungsgas (21) wird
die durch den Laserschuss gebildete Ionisierungswolke (2)
in Richtung auf das Gitter (6) zu bewegt. Die Wolke passiert
dabei einen Ring aus einer 60Ni-Folie, deren
Elektronen die Moleküle
in der Wolke zusätzlich
ionisieren. Durch eine Kette von Ionisierungen werden letztendlich
die energetisch dafür
bevorzugten Analytmoleküle
chemisch ionisiert, wie es schon von Ionenmobilitätsspektrometern
bekannt ist. Durch den Führungsschild
(22) kann außer
Führungsgas
(meist sauberer Stickstoff) auch ein Mediator-Gas zugeführt werden, das
bei der chemischen Ionisierung hilft. Statt der Elektronenstoßionisierung
kann auch eine Photoionisierung durch eine (hier nicht gezeigte)
UV-Lampe verwendet werden. Auch hier hilft der Mediator bei der
chemischen Ionisierung.
-
Besonders
günstige
Ausführungsformen
-
Eine
günstige
Ausführungsform
für ein Sprühverfahren
zur Ionisierung an Atmospärendruck ist
in den 1 bis 3 wiedergegeben. Die vor der
Sprühkapillare
(1) in der Ionisierungswolke (2) gebildeten geladenen
Tröpfchen
und Ionen werden von einem schwachen elektrischen Feld zwischen den
Elektrodengittern (5) und (6) zu dem halbkugeligen,
sehr transparenten Gitter (6) hingezogen. Aus dem Driftrohr
(7) strömt
dabei heißes
Trocknungsgas aus, vorzugsweise reiner Stickstoff, und trocknet
einen guten Teil der Tröpfchen,
bevor sie das Gitter (6) erreichen. Das Trocknungsgas,
das dem Driftrohr zugeführt
wird, ist vorgeheizt und hat, wie üblich, Temperaturen zwischen
120 und 300 Grad Celsius. Die restlichen Tröpfchen und die bereits trockenen
Ionen erreichen das Gitter (6) in seinem zentralen Teil,
treten dort hindurch, und migrieren gegen die Strömung des
Trocknungsgases im Zentrum des Diftrohrs auf die Transferkapillare
zu. Dabei trocknen die restlichen Tröpfchen.
-
Beim
Trocknen der Tröpfchen
werden sehr viele leichte Ionen wie H3O+ oder H5O2 + gebildet. Befinden
sich in der Sprühflüssigkeit
auch organische Lösemittel,
so werden auch Ionen dieser Lösemittelmoleküle gebildet.
Diese leichten Ionen begleiten die schwereren Ionen der Analytsubstanzen.
-
Im
Inneren des Driftrohres bildet sich ein Treck von migrierenden Ionen,
die genau den in 3 gezeigten Feldlinien zu folgen
versuchen. Das exakte Migrieren längs der Feldlinien wird nur durch
zwei Effekte gestört:
Die Diffusionsbewegung im heißen
Gas, und die gegenseitige coulombsche Abstoßung der Ionen, die auch Raumladungsabstoßung genannt
wird. Beide Effekte wirken sehr viel stärker auf leichte Ionen als
auf schwere, weil die leichte ren Ionen viel mobiler sind. Ihre
Diffusionsgeschwindigkeit ist höher.
Bei gleicher coulombscher Kraft weichen die leichten Ionen schneller
aus als die schweren. Beide Effekte führen dazu, dass sich die leichten
Ionen im Außenraum
des Ionentrecks ansammeln, und dort auch durch ihre höhere Mobilität schneller
zur Transferkapillare migrieren.
-
Als
Transferkapillaren werden üblicherweise Glas-
oder Metallkapillaren mit etwa 500 Mikrometer innerem Durchmesser
und etwa 150 Millimeter Länge
verwendet. Glaskapillaren sind etwa sechs Millimeter dick und an
beiden Enden außen
metallisiert. Sie haben den Vorteil, die Ionen auch gegen ein elektrisches
Potential von einigen Kilovolt ins Vakuum einer ersten Pumpstufe
des Massenspektrometers transportieren zu können. Die Transferkapillaren
saugen ungefähr
zwei Liter Gas pro Minute ins Vakuum. Es ist vorteilhaft, wenn die
Metallisierung am Eingangsende als abnehmbare Metallkappe ausgebildet ist,
die sich leicht auswechseln lässt.
-
Durch
das Ansaugen von etwa 30 Millilitern des heißen Trocknungsgases pro Sekunde
entsteht ein Saugtrichter vor dem Eingang der Transferkapillare,
in dem bereits erheblich Strömungsgeschwindigkeiten
herrschen. Das strömende
Gas reisst hier durch Gasreibung die Ionen mit, auch wenn die elektrischen
Feldlinien in andere Richtung weisen. Dabei werden schwere Ionen
leichter mitgerissen als leichte, da der Querschnitt der schweren
Ionen größer ist. Für die interessierenden
Analytionen im Massenbereich von etwa 500 bis 4000 atomaren Masseneinheiten
beträgt
der Durchmesser des mitreißenden Saugtrichters
etwa drei Millimeter. Leichte Ionen höherer Mobilität können eher
den elektrischen Feldlinien folgen, sie werden daher leichter auf
die Metallisierung der Transferkapillare um den Eingang herum aufschlagen,
hier entladen werden, und als Neutralgasmoleküle ihres Weges ziehen.
-
Der
Kopf der Transferkapillare hat nach dieser Erfindung um die Eingangsöffnung herum
einen möglichst
kleinen Radius, um die Feldlinien hier auf sich zu ziehen und möglichst
stark auf das Zentrum des Saugtrichters hin zu bündeln. Dadurch wird der Treck
der Ionen mit den schweren Ionen im Zentrum durch die elektrischen
Feldlinien genau in das Zentrum des Saugtrichters geführt. Die
schweren Ionen werden überwiegend
mitgerissen und ins Vakuum des Massenspektrometers überführt. Andererseits
ist es günstig,
die Eingangsöffnung
als trompetenförmigen
Trichter auszubilden, um eine laminare Strömung vom Saugtrichter bis in
die Kapillare hinein zu erhalten. Diese beiden Forderungen stehen
zueinander im Widerspruch. Ein Kompromiss ist in 4 gezeigt,
wobei die elektrischen Feldlinien auf den gebogenen Vorderrand gebündelt werden.
-
Die
zunehmend engere Bündelung
der elektrischen Feldlinien im Inneren des Driftrohrs und damit
die Fokussierung der Bahnen des Ionentrecks wird durch die Ausbildung
gekrümmter Äquipotentialkurven
im Driftrohr bewirkt. Diese Ausbildung gekrümmter Äquipotentialkurven kann durch
einen anwachsenden Potentialgradienten im Driftrohr erzeugt werden,
wie in 2 gezeigt. Wird ein konisches Driftrohr aus Widerstandsmaterial
mit gleicher Wandstärke,
also wachsendem Widerstand pro Längeneinheit
zum dünneren
Ende des Konus hin, verwendet, so ergeben sich automatisch solch
günstigen Verhältnisse
mit gekrümmten Äquipotentialflächen und
konisch immer enger zulaufenden elektrischen Feldlinien, wie sie
in
-
3 dargestellt
sind. Das Gleiche gilt für ein
konisches Driftrohr aus isolierendem Material, das aber mit einer
Widerstandsschicht gleicher Dicke belegt ist.
-
Das
konisch geformte Driftrohr hat dabei einen weiteren positiven Effekt:
es erzeugt nahe an der Eingagskapillare eine höhere Gasgeschwindigkeit als
weiter weg. Größere Tröpchen, die
eine stärkere Reibung
erfahren, können
sich im langsamer entgegenströmenden
Gas im weiteren Teil des Konus so lange halten, bis sie durch Abnahme
ihrer Tröpfchengröße den Widerstand
des stärkeren
Gasflusses im dünneren
Teil des Konus überwinden
können.
Dieses Aufhalten von Tröpfchen
gilt aber nur bei sehr hohen Flüssen
an Trocknungsgas.
-
Die
Ionisierung der gelösten
Analytmoleküle kann
durch das originäre
Elektrosprühen
ohne oder mit Unterstützung
des Sprühens
durch ein Sprühgas erfolgen,
aber auch durch Photoionisierung oder chemische Ionisierung der
im Sprühnebel
verdampften Moleküle
oder Mischformen davon.
-
Eine
schon längere
Zeit gebräuchliche
Form der Ionsierung ist APCI (atmosperic pressure chemical ionsation)
mit einer Erzeugung der Primärionen durch
eine Corona-Entladung an der Spitze einer elektrisch hochgespannten
Nadel. Es werden hier zunächst
Ionen des Umgebungsgases erzeugt, also in der Regel Stickstoff-Ionen.
Diese reagieren sofort mit selbst geringsten Beimischungen von Wassermolekülen unter
schlussendlicher Bildung von H3O+-Ionen,
die als protonierendes Reagenz für
die Ionsierung der Analytmoleküle
dienen.
-
Bisher
für die
Massenspektrometrie unbekannt ist die chemische Ionisierung an Atmosphärendruck
durch Primärionen,
die durch Elektronenstoß erzeugt
werden. Durch Folien mit betastrahlendem radioaktiven Material,
beispielsweise 60Ni, aber auch durch röntgenstrahl- oder UV-Strahl-erzeugte
Elektronen mit Energien von einigen Kiloelektronenvolt, können Primärionen aus
Umgebungsgas gebildet werden, die dann wiederum, wie oben beschrieben, protonierende
Sekundärionen
bilden, die ihrerseits die Analytionen ionisieren. Diese Art der
Ionenerzeugung ist von Ionenmobilitätsspektrometern her wohlbekannt.
-
Aber
auch die Photoionisierung muss nicht nur direkt, sondern kann auch über den
Umweg der chemischen Ionisierung eingesetzt werden. Wird beispielsweise
dem Sprühgas
eine Mediator-Komponente beigemischt, wie etwa Benzol, Toluol oder
Xylol, die sich einerseits wegen ihrer Chromophoren durch Photoioninisierung
sehr leicht ionisieren lässt, und
die andererseits leicht für
die protonierende Ionisierung eingesetzt werden kann, so können diese Mediator-Ionen
wiederum zur chemischen Ionisierung der Analytmoleküle dienen.
-
Die
Ionisierung durch matrix-unterstützte
Laserdesorption an Atmosphärendruck
(API-MALDI) besteht
darin, feste Probenpräparationen
auf einem Prabenträger,
die die Analytmoleküle
in eine Matrix eingebettet tragen, durch Laserbeschuss in die Dampfform
zu überführen und
dabei einen kleinen Teil der Analytmoleküle zu ionisieren. Jeder Laserlichtschuss
erzeugt eine Ionisierungswolke. Für die Ionisierung ist es günstig, durch
radial unter einem Schild zugeführtes
Führungsgas
eine langsame Bewegung der Ionisierungswolke vom Probenträger weg
zu erzeugen. Dabei können
zusätzlich
Analytmoleküle
durch Matrixionen ionisiert werden. Es mögen bei MALDI an Atmosphärendruck
so mehr Analytmoleküle
ionisiert werden, als bei demselben Verfahren im Vakuum; jedoch
ist auch hierdurch die Ausbeute an Analytionen nicht besonders hoch,
gemessen an der Anzahl der vorhandenen Analytmoleküle. Es ist
daher vorteilhaft, auch hier die Ausbeute an Analytionen durch chemische
Ionisierung oder Photoionisierung zu erhöhen.
-
So
kann beispielsweise die lasererzeugte Wolke durch einen Folienring
mit betastrahlendem Material geführt
werden, wie in 5 gezeigt. Oder die Wolke kann
mit einer UV-Lampe
bestrahlt werden. Es können
der Wolke durch Zumischung zum Führungsgas
besondere Mediator-Substanzen, wie beispielsweise Benzol, Toluol
oder Xylol, beigefügt werden,
die zunächst
mit hoher Ausbeute ionisiert werden und eine Protonierung der Analytmoleküle erleichtern.
Die radiale Zuführung
des Führungsgases
und der zusätzlichen
Mediator-Substanzen
kann beispielsweise, wie in 5 sichtbar,
durch eine abdeckende Ringblende vorgenommen werden, durch deren
zentrale Öffnung
hindurch der Laserstrahl die Desorption vornimmt und durch die die
entstehende Wolke entweicht.
-
Die
vielversprechende Art der chemischen Ionisierung mit eine Mediator-Substanz
wird heute noch nicht eingesetzt. Sie kann ebenfalls bei der chemischen
Ionisierung durch Elektronenstoß eingesetzt werden.
-
Das
Driftrohr kann aus einer koaxial angeordneten Menge von Ringelektroden
mit isolierenden Abstandsstücken
aus Keramik aufgebaut sein, wie es für Ionenmobilitätsspektrometer üblich ist.
Es kann das Driftrohr aber auch aus Widerstandsmaterial gefertigt
sein, beispielsweise aus Widerstandskeramik, mit dem dann kontinuierliche
Potentialverläufe erzielt
werden können.
Auch ein oberflächlich
aufgetragener Film aus Widerstandsmaterial ist anwendbar. Wenn ein
Spannungsgefälle
im Rohr von etwa 100 Volt erzeugt werden soll, so muss der Gesamtwiderstand
mindest einige Kiloohm betragen, um die Heizleistung nicht zu hoch
machen. Es können
aber höhere
Spannungsabfälle
angewandt werden. Das Driftrohr kann aber durchaus eine Heizung
mit einigen Watt vertragen.
-
Das
Driftrohr zur Führung
der Ionen braucht nicht gerade zu sein: mit einigem Geschick für die Führung der
elektrischen Kraftlinien kann es auch mäanderförmig gefaltet oder helixförmig aufgewickelt werden.
Insbesondere können
mehrere Driftrohre verwendet werden, die einander folgen. Die Ionen können durch
entsprechend geformte elektrische Felder aus einem Rohrstück relativ
verlustfrei in das nächste
Rohrstück überführt werden
und dabei an Fokussierung gewinnen. Dabei können aufeinanderfolgende Rohrstücke jeweils
auch winklig zueinander stehen.
-
Das
Driftrohr ist zweckmäßigerweise
am Eingang nahe der Sprühionenwolke
mit einem ausgebuchteten, sehr transparenten Gitter versehen, um die
Ionen und geladenen Tröpfchen anzuziehen
und sofort zur Achse des Driftrohrs hin migrieren zu lassen. Günstig ist
die Form einer Kugelkalotte, beispielsweise eine Halbkugel, wie
in den 1 und 5 gezeigt. Das Gitter (6)
liegt auf einer leicht anziehenden Spannung für die Ionen und geladenen Tröpfchen der
Ionisierungswolke. Die Sprühkapillare kann
so angeordnet sein, dass größere Tröpfchen durch
ihre Trägheit
an diesem ausgebeulten Gitter vorbeifliegen und nicht in das Driftrohr
eintreten. Es kann der Sprühstrahl
aber auch auf dieses Gitter hin gerichtet sein, wenn die Bildung
von größeren Tröpfchen verhindert
werden kann. Besonders für
Nanosprühnadeln
ist die Richtung auf diese Gitter (6) zu eine bevorzugte
Sprührichtung.
-
Durch
zwei aufeinanderfolgende, konische Driftrohre mit jeweils ausgebuchteten
Eingangsgittern lässt
sich eine extreme Fokussierung der Ionenmigration erreichen. Diese
Fokussierung wird nur durch die Diffusion und durch Raumladungsabstoßung eingeschränkt.
-
Die
Raumladungsabstoßung
im Migrationsweg bewirkt, dass die leichten Ionen, beispielsweise die
durch Tröpfchenverdampfung
in Überzahl
gebildeten H+-Ionen und H3O+-Ionen, nach außen getrieben werden, da sie
mobiler sind als die schweren Ionen. Werden die schweren Ionen bevorzugt
in die Transferkapillare hinein mitgerissen, so stoßen die leichten
Ionen bevorzugt auf die Außenbereiche
der Transferkapillare um die Eingangsöffnung herum auf. Diese Ionen
führen
nicht zu Oberflächenaufladungen,
da ihre Entladung zu flüchtigen
Gasen führt.
-
Werden
dem Trocknungsgas im äußeren Bereich
Teilchen anderer Polarität
zugemischt, so können
die leichten Ionen auch teilweise neutralisiert werden. Für die Analyse
positiver Ionen können
dem Trocknungsgas Elektronen beigemischt werden, die bevorzugt die
leichteren Ionen neutralisieren. Diese Elektronen können beipielsweise
als Photoelektronen erzeugt werden, indem der metallische Bereich des
Kopfes der Transferkapillare um die Eingangsöffnung herum mit einem UV-Laser
beschossen wird.
-
Die
leichten Ionen können
aber auch durch besondere Ringelektroden vor der Eingangsöffnung der
Transferkapillare abgesaugt werden. Die Beseitigung eines großen Teils
der leichten Ionen verhindert eine zu schnelle Sättigung der Aufnahmekapazität der Transferkapillare
durch zu starke Raumladung im Gasstrom.