DE112013002194T5

DE112013002194T5 - Electronenstossionenquelle mit kurzer Ansprechzeit

Info

Publication number: DE112013002194T5
Application number: DE112013002194.3T
Authority: DE
Inventors: Anatoly N. Verenchikov
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: US9123521B2; US20150144779A1; JP2017098267A; JP2015515733A; DE112013002194B4; WO2013163530A3; CN104254903A; WO2013163530A2; CN104254903B; JP6383023B2

Abstract

Eine geschlossene Elektronenstoßionenquelle mit einer Gesamtöffnungsfläche von weniger als 30 mm2 wird zum direkten und gepulsten Extrahieren in ein Flugzeitmassenspektrometer eingesetzt, um Empfindlichkeit und Immunität gegenüber chemischem Rauschen von Öl und Dämpfen des Vakuumsystems zu verbessern. Zur Kompatibilität mit einer zweistufigen GC×GC-Trennung kann die Quelle eine inerte Auskleidung enthalten, die von einem isothermischen Käfig aus wärmeleitendem Material umgeben ist. Die Fläche der Innenseite der Quelle kann auf unter 100 mm2 reduziert werden. Ein Teil des Trägergases kann heruntergepumpt werden, bevor Probe und Trägergas in die Quelle eingelassen werden. Eine gekühlte Fläche könnte zum Kondensieren von Gasen zum Analysezeitpunkt verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich massenspektroskopische Analyse zum Verbessern der Empfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit einer Elektronenstoßionenquelle beispielsweise für die Verwendung in Flugzeitmassenspektrometern und in der schnellen und zweidimensionalen Gaschromatographie.
Elektronenstoß-(EI)-Ionisierung wird für Umweltanalysen und technologische Kontrolle eingesetzt. Proben von Interesse werden aus analysierten Medien wie Nahrungsmittel, Boden oder Wasser extrahiert. Die Extrakte können Verunreinigungen von Interesse in einer reichen (rich) chemischen Matrix enthalten. Extrakte können zeitlich in ein- oder zweidimensionaler Gaschromatographie (GC oder GC×GC) getrennt werden. Das GC-Trägergas, typischerweise Helium, kann die Probe einer EI-Quelle über einen Elektronenstrahl zur Ionisierung zuführen. Elektronenenergie kann auf oder um 70 eV gehalten werden, um standardmäßige Fragmentspektren zu erhalten. Spektren können zum Vergleich mit einer Bibliothek von standardmäßigen EI-Spektren zur Identifizierung von Verbindungen vorgelegt werden. Viele Anwendungen können Ultraspurenanalysen mit einem hohen Empfindlichkeitsniveau (wenigstens unter 1 pg und vorzugsweise auf einem Niveau von 1 fg) und einem hohen dynamischen Bereich (wenigstens 1E+5 und wünschenswerterweise 1E+8) zwischen Ultraspuren und einer reichen chemischen Matrix verlangen. Für eine verbesserte Verbindungsidentifikation kann es bevorzugt sein, Verbindungen mit zweidimensionaler Chromatographie (GC×GC) zu trennen, um individuelle Verbindungen zeitlich zu trennen und demgemäß EI-Spektren der individuellen Verbindungen mit minimaler Interferenz von koeluierenden Verbindungen und von chemischem Rauschen zu extrahieren. Es kann auch bevorzugt sein, Daten mit hohem Auflösungsvermögen für eine zuverlässige Verbindungsidentifikation und zum Verbessern des Signals zu chemischem Rauschen Verhältnis (ratio of signal to chemical noise) zu erhalten.
Da eine GC- und insbesondere eine GC×GC-Trennung kurze chromatographische Peaks (unter 50 ms bei GC×GC) ergeben, kann es bevorzugt sein, ein Flugzeitmassenspektrometer (TOF MS) für eine rasche Erfassung von panoramischen (Vollmassenbereich) Spektren zu benutzen.
Ein kommerzielles TOF MS mit einer EI-Quelle arbeitet mit einer sogenannten offenen (open) EI-Quelle mit gepulster axialer Injektion in das TOF MS, z. B. Pegasus^TM von LECO. Die offene Quelle akkumuliert Ionen im Elektronenstrahl und stößt Ionenpakete direkt in ein reflektierendes TOF MS aus. Die offene Quelle hat eine kurze Ansprechzeit, so dass das System bei GC×GC-Analysen eingesetzt werden kann. Die offene Quelle kann jedoch für chemisches Rauschen wie zum Beispiel Restöl in einer zugehörigen Vakuumkammer empfindlich sein, was die Erkennungsgrenze auf 1 pg im GC-MS-Modus und etwa 0,1 pg in GC×GC-Analysen begrenzen kann.
Ein anderer Typ arbeitet mit einer kontinuierlichen sogenannten „geschlossenen” (closed) EI-Quelle, gefolgt von orthogonaler Beschleunigung in ein reflektierendes TOF MS, z. B. TruTOF und Pegasus HRT^TM von LECO und GCT^TM von Waters. Die Quelle kann mehr Immunität gegenüber chemischem Rauschen zur Verfügung stellen, hat aber bekanntlich eine lange Ansprechzeit, was ihren Einsatz für GC×GC begrenzen kann. Und solche Systeme können etwa 100fache Ionenverluste aufgrund von räumlichen Verlusten in der Transferschnittstelle zwischen der EI-Quelle und der orthogonalen Beschleunigung ergeben. Ein Versuch, Kollisionsquadrupole zum Reduzieren von Ionenverlusten zu benutzen, kann zu Verzerrungen des EI-Spektrums und zu einer schlechten Übereinstimmung mit Bibliotheksspektren führen.
Folglich erscheint die Erkennungsgrenze von kommerziellem GC-TOF und GC×GC-TOF bei einem Niveau von etwa 0,1–1 pg begrenzt zu sein.
Daher besteht Bedarf an einer Verbesserung der Empfindlichkeit, der Immunität gegenüber chemischem Rauschen und der Ansprechzeit von Elektronenstoßionenquellen für Flugzeitmassenspektrometer.
ZUSAMMENFASSUNG
Die kombinierten EI-Quellenparameter können durch eines oder mehrerer der folgenden Merkmale verbessert werden:

(i) Vorsehen von Ionenakkumulation durch einen Elektronenstrahl in einer „geschlossenen” EI-Quelle mit nachfolgender gepulster Direktextraktion. Dies kann eine nahezu 100fache Reduzierung eines chemischen Rauschpegels im Vergleich zu gepulsten EI-Quellen unter Anwendung von „offener” EI-Quellengeometrie ergeben;
(ii) Verbessern der Ansprechzeit einer „geschlossenen” EI-Quelle, indem die Quelle isothermisch gemacht wird, vorzugsweise unter Verwendung einer isothermischen Hülle (shroud) umfassend wärmeleitende Materialien mit Hilfe einer Auskleidung (liner) aus einem Material mit geringen Oberflächenabsorptionseigenschaften; dies unterscheidet sich von früheren Ionenquellen, wo schwach absorbierende Materialien solcher Quellen eine geringe Wärmeleitfähigkeit und infolgedessen üblicherweise kalte Stellen haben, die eine anhaltende Probenabsorption verursachen können;
(iii) Verbessern der Ansprechzeit einer „geschlossenen” EI-Quelle durch Verringern einer Größe der Ionisierungskammer, um die Absorptionsfläche vorzugsweise auf unter 100 mm² zu reduzieren; dies unterscheidet sich von bekannten geschlossenen Quellen mit Innenflächen im Bereich von 500 mm² bis 1000 mm²;
(iv) Verbessern des dynamischen Bereichs der Ionenquelle und der Qualität von Spektren durch Anordnen eines 5–10fachen molekularen Separators in der Vakuumkammer und unmittelbar am Eingang der geschlossenen EI-Ionenquelle, vorzugsweise erhitzt auf Quellentemperatur und gepumpt durch einen differentialen Turbopumpenanschluss (port of turbo pump). Dies unterscheidet sich von molekularen Separatoren des Standes der Technik, die als separate Geräte verwendet werden, die sich entfernt in der Atmosphäre befinden; und
(v) Anordnen von elektrostatischen positiven Plugs entlang dem Elektronenstrahl, um dadurch Ionen in der Ionenspeicherregion zu fokussieren, während langsame Sekundärelektronen allgemein entfernt werden; und
(vi) Kippen der Quelle und Lenken von Ionenpaketen um die Hälfte eines Ionenbahnkippwinkels, um so die Auflösung des Instruments zu verbessern.

Wie nachfolgend beschrieben, können die obigen Merkmale einander beim Ausgleichen mehrerer Begrenzungen unterstützen und somit die Parameter von GC×GC-TOF für eine ultraempfindliche und zuverlässige Analyse verbessern.
Es werden nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, verschiedene Ausführungsformen mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine „offene” EI-Quelle mit axialer gepulster Injektion in ein TOF MS;
2 eine geschlossene EI-Quelle mit einem orthogonal beschleunigenden TOF MS;
3 eine Ausführungsform einer gepulsten „geschlossenen” EI-Quelle;
4 eine Ausführungsform einer isothermisch geschlossenen und gepulsten Ionenquelle in einem zusammengesetzten Format;
5 eine Ausführungsform einer isothermisch geschlossenen und gepulsten Ionenquelle in einem zerlegten Format;
6 eine Ausführungsform eines isothermischen Gehäuses für eine „geschlossene” EI-Quelle und eine Ausführungsform eines molekularen Separators; und
7 eine Ausführungsform zum differenziellen Pumpen für einen molekularen Separator vor einer „geschlossenen” EI-Quelle.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein TOF MS mit einer gepulsten EI-Ionenquelle 11, das ein axiales Injektionsschema benutzt und eine „offene” und gepulste Ionenquelle 12 umfasst, die koaxial mit einem reflektierenden TOF MS 3 ausgerichtet ist. Die Ionenquelle 12 umfasst parallele Elektroden, die mit Gittern bedeckt sind: Stoßplatte 13, Massegitter 15, Zuggitter 16, Beschleunigungsgitter 17 und ein Elektronenemitter 14. Wie gezeigt, wird die Quelle 12 von der Turbopumpe 2P gepumpt. In einer Ausführungsform umfasst das reflektierende TOF-Spektrometer 3 einen Ionenspiegel 4 (ein- oder doppelstufig), eine Elektrode, die einen feldfreien Raum 5 bedeckt, und einen Detektor 7. Die Quelle 12 und der Detektor sind in einem geringen Winkel geneigt, um eine gekippte Ionenbahn zu erzielen und durch Ionenpaketbreite verursachte Aberrationen zu kompensieren.
Beim Betrieb können Dämpfe von einer analysierten Probe (Analyt) zeitlich in einem ein- oder doppelstufigen Gaschromatograph 9 und über eine erhitzte Transferleitung 8 zeitlich getrennt werden, wenn sie in einen Ionisierungsraum eintreten, der zwischen den Elektroden 13 und 15 definiert ist. In einer Ausführungsform kann die Turbopumpe 2P Gasdruck bei Mitte 1E–5 Torr mit einem standardmäßigen Heliumstrom von 1 ml/min aufrecht erhalten. Ein kontinuierlicher Elektronenstrahl vom Elektronenemitter 14 (der z. B. bei 70 eV arbeitet) bombardiert die Probe und erzeugt so Analytionen im Ionisierungsraum. Der Elektronenstrahl kann einen Potentialtopf erzeugen, um Ionen anzuziehen und entsprechend einzufangen. Dann können periodisch elektrische Impulse an die Platten 13 und 16 angelegt werden, die wiederum die Penetration des Elektronenstrahls sperren und ausgestoßene Ionen als Ionenpakete 6 in den TOF MS 3 beschleunigen. Demgemäß werden Ionen im Spiegel 4 auf den Detektor 7 reflektiert.
Das obige System kann als standardmäßige GC×GC-Analysetechnik verstanden werden, da die „offene” Quelle schnelle (20–50 ms breite) CC-Profile nicht verzerrt. Im Vergleich zu alternativen „geschlossenen” EI-Quellen kann die offene EI-Quelle wegen ihrer Robustheit (da sie eine geringere Oberflächenkontamination aufgrund einer weitaus niedrigeren Analytkonzentration aufweist) und vergleichbaren Empfindlichkeit (geringere Ionisierungseffizienz wird durch Ionenspeicherung in der Quelle kompensiert) verwendet werden. Andererseits kann die „offene” Quelle von Nachteil sein, wenn ein Signal einen höheren chemischen Hintergrund hat, wie z. B. Öl von einer Vakuumpumpe und dergleichen.
Die Detektionsgrenze (LOD) der offenen Quelle scheint nicht durch die Intensität eines Ionensignals begrenzt zu werden, sondern durch den chemischen Hintergrund von standardmäßigen Vakuumsystemen mit typischen Fließraten (flux) von 10–100 pg/sec pro Massenkomponente des Mediums. Um eine Femtogramm-LOD zu erzielen, kann man entweder ein ölfreies Vakuumpumpensystem oder eine „geschlossene” Quellengeometrie verwenden wollen.
2 zeigt ein EI-TOF MS 21 mit einer „geschlossenen” Ionenquelle, das eine kontinuierliche Elektronenstoßionenquelle 22 in Kombination mit einem reflektierenden TOF MS 3 bereitstellt, wobei das TOF MS 3 mit einem orthogonalen Beschleuniger ausgestattet ist, der gepulste Elektronen 28 und 29 verwendet. Wie gezeigt, umfasst die geschlossene Quelle 22 eine umschlossene Ionisierungskammer 23, einen Elektronenemitter 24, einen Repeller 25 und einen Extraktor 26. Die Ionisierungskammer 23 hat einen Anschluss (port) 30 zum abgedichteten Anschließen einer Transferleitung 8 von GC 9. In einer Ausführungsform kann auf die Quelle ein Transfer-Ionen-Optiksystem 27 folgen, das gewöhnlich aus elektrostatischen Linsen und Lenkplatten (nicht gezeigt) besteht. Die Ionenquellenregion 22 und der TOF-MS-Analysator 3 können mit Turbopumpen 2P und 3P gepumpt werden.
Beim Betrieb werden Dämpfe von einer analysierten Probe (Analyt) in die Ionisierungskammer 23 geleitet. Der durch den Emitter 24 (der z. B. bei 70 eV arbeitet) erzeugte kontinuierliche Elektronenstrahl bombardiert die Probe und erzeugt so Analytionen. Ein schwaches elektrostatisches Feld des Repellers 25 und Extraktors 26 kann zum kontinuierlichen Extrahieren von Ionen aus der Kammer 23 verwendet werden. Mit Hilfe von Ionenoptik 27 wird der kontinuierliche Ionenstrahl in die Region zwischen den Platten 28 und 29 geführt. Dann werden periodisch elektrische Impulse an die Platten 28 und 29 angelegt, die wiederum die Penetration des kontinuierlichen Ionenstrahls blockieren und Ionen beschleunigen können, die den Beschleunigerraum bereits füllen. Ionenpakete 6 werden in einer orthogonalen Richtung relativ zur Richtung des kontinuierlichen Ionenstrahls extrahiert. Demgemäß werden Ionenpakete vom Ionenspiegel 4 auf den Detektor 7 reflektiert.
Es können eine kontinuierliche Ionenquelle und ein orthogonales beschleunigendes TOF MS zum Erzielen einer höheren Massenauflösung eines TOF-MS-Analysators eingesetzt werden, da die Divergenz des kontinuierlichen Ionenstrahls mittels Ionenoptik 27 verstellt werden kann. Ein Vorteil einer weitaus höheren Ionisierungseffizienz der geschlossenen Quelle kann aufgrund von räumlichen Ionenverlusten in der Transferionenoptik 27 (in Versuchen mit Faktor 10 geschätzt) und aufgrund eines begrenzten Tastverhältnis (duty cycle) (typischerweise in der Größenordnung von 10% im mittleren m/z-Bereich) zum Teil wieder verloren gehen. Insgesamt ist die Intensität von Ionenpaketen für beide Instrumente 11 und 21 vergleichbar.
Die geschlossene Quelle kann für eine GC×GC-Analyse schlecht geeignet sein, da sich aufgrund des langsamen Pumpens der geschlossenen Ionenquelle eine lange Ansprechzeit ergeben kann. Die Streuung von GC-Profilen kann auf (a) ein recht großes Volumen von „geschlossenen” Quellen und (b) eine ungleichförmige Erhitzung von „geschlossenen” Quellen zurückzuführen sein, die kalte Stellen ergeben können, um dadurch eine verlängerte Analytabsorption an den Quellwänden zu induzieren. Eine „geschlossene” Quellengeometrie kann für eine Ultraspurenanalyse besser geeignet sein, da die Quelle Analyt in der Quelle konzentriert, so dass der Signalabstand zwischen Analytsignal und chemischem Hintergrund in der Quellenkammer, Gummidichtungen und Pumpsystem um einen Faktor von 100 bis 1000 verbessert werden. Somit kann die „geschlossene” Quelle möglicherweise besser für eine GC×GC-TOF-Ultraspurenanalyse geeignet sein, wenn die Reaktionszeit der geschlossenen Ionenquelle festgelegt werden soll und Ionenverluste jenseits der „geschlossenen” Ionenquelle beseitigt werden sollen.
3 zeigt eine Ausführungsform einer gepulsten „geschlossenen” Ionenquelle 32 für eine gepulste axiale Injektion in ein reflektierendes TOF MS 3. Wie gezeigt, kann die gepulste „geschlossene” Quelle 32 eine isotherme Hülle 33, eine Ionisierungskammer 34 (oder Quelle), einen gepulsten Repeller 35, einen Elektronenemitter 33e mit einem positiv vorgespannten Schlitz 36, eine Austrittsapertur 37, eine gepulste Beschleunigungselektrode 38 und eine kontinuierliche Beschleunigungselektrode 39 auf dem Beschleunigungspotential des TOF MS 3 umfassen. In einer Ausgestaltung kann die Quellenkammer 34 einen abgedichteten Einlass 40 für die Transferleitung 8 von der GC×GC-Einheit 9 haben und das reflektierende TOF MS 3 umfasst einen Ionenspiegel 4, einen abgeschirmten Drift-Raum 5 und einen Detektor 7. In einer Ausführungsform können der Ionenspiegel 5 und der Detektor 7 parallel ausgerichtet und die Ionenquellenkammer 34 mit Beschleunigungselektroden 35, 37, 38 und 39 kann um den halben Ionenbahnwinkel 6 gekippt sein. In einer Ausführungsform kann die Bahnneigung von Ionenpaketen 6 durch Deflektoren 10 nach der vollen Ionenbeschleunigung um einen anderen Halbwinkel gelenkt werden. TOF MS und Ionenquellenregionen können von Turbopumpen 2P und 3P gepumpt werden. In einer Ausführungsform kann die feldfreie Region 5 des TOF MS potentialfrei (floated) gemacht werden, während die Ionisierungskammer 34 geerdet wird. In einer Ausgestaltung können die Beschleunigungselektroden 37, 38 und 39 mit einem feinenmaschigen Gitter bedeckt werden. In einer Ausgestaltung wird maschenfreie Beschleunigungsionenoptik verwendet. Wie gezeigt, kann ein isothermischer Käfig 33 implementiert werden, um eine gleichförmige Temperatur auf oder zwischen 250°C und 300°C an einer oder mehreren der Wände (z. B. alle Wände) der Ionisierungskammer 34 und Apertur 37 zu erzielen, um kalte Stellen zu beschränken und die Absorptionszeit im Vergleich zu mehreren kommerziellen Ausführungsformen von geschlossenen Quellen zu reduzieren. Um eine kurze Absorptionszeit zu bewirken, kann die Quelle in einer Ausführungsform einen Käfig aus einem wärmeleitenden Material (z. B. Aluminium) und mit einer Innenauskleidung aus einem schlecht absorbierenden Material (wie Edelstahl oder Nickel) aufweisen.
Beim Betrieb kann mit GC×GC Analyt in 1 ml/min Trägergas (typischerweise Helium) getrennt werden. Analyt wird der Ionisierungskammer 34 in einem Trägerstrom durch eine Übertragungsleitung 8 über den abgedichteten Anschluss 40 zugeführt. Wie gezeigt, ionisiert der kontinuierliche Elektronenstrahl vom Emitter 33e danach die Analytmoleküle und speichert so gebildete Ionen in der elektrostatischen Senke des Elektronenstrahls. In einer Ausführungsform überträgt ein positiv vorgespannter Schlitz 36 den Elektronenstrahl und stößt Ionen entlang dem Strahl ab und assistiert beim Entfernen von sowohl in der Quelle als auch auf dem gegenüberliegenden Emitter gebildeten langsamen Sekundärelektronen. Periodisch angelegte Impulse zum Repeller 35 und Extraktor 38 extrahieren Ionenpakete in das TOF MS 3 zur Massenanalyse. In das TOF MS werden Ionenpakete übertragen, die typischerweise eine breite räumliche und winkelmäßige Akzeptanz haben, und liefern so Ionenpakete verlustfrei zum Detektor. Vorzugsweise kann der Deflektor 7 für beides verwendet werden – Ionenlenkung zum Detektor und gepulste Ablenkung von Heliumionen. Vorzugsweise bleiben Stoßimpulse (push pulses) an der Elektrode 35 während des Ionenflugs zum Deflektor 7 bestehen, um ein Leck von Heliumionen von der Quelle während des offenen Zustands des Deflektors 7 zu vermeiden.
Es werden nun Prozesse innerhalb einer pulsierten geschlossenen Quelle anhand eines numerischen Beispiels beschrieben. Es ist zu verstehen, dass hierin zwar bestimmte Werte benutzt und erörtert werden, aber die Ansprüche sind nicht auf solche Werte begrenzt, es sei denn, dass dort speziell etwas anderes angegeben ist. Zum Beispiel, und unter anderen Möglichkeiten, die Austrittsapertur wird im nachfolgenden Beispiel mit einem Durchmesser von 3 mm angegeben. In einer Ausführungsform kann die Austrittsöffnung jedoch zwischen 3 und 10 mm liegen, in einer anderen Ausgestaltung zwischen 7 und 10 mm. In einer Ausgestaltung hat (i) die umschlossene Ionisierungskammer 34 einen Durchmesser und eine Länge von 10 mm, d. h. ein Gesamtvolumen von V = 1 cm³ und eine Wandgesamtfläche von S = 5 cm²; und (ii) die Austrittsapertur einen Durchmesser von 3 mm und eine Öffnungsfläche von A = 0,1 cm². Bei einem Heliumfluss von 1 ml/min beträgt die effektive Pumpgeschwindigkeit durch 0,1 cm² bei 300°C 5 l/s und ein geschätzter Gasdruck beträgt 2 mTorr, entsprechend einem mittleren freien Pfad von 4 cm (d. h. es handelt sich effektiv um ein freimolekulares System). Die Analytpumprate beträgt etwa 0,5–1 l/s (was ein weitaus größeres Molekulargewicht im Vergleich zu Helium ausmacht), was weitaus geringer als die Pumprate der Turbopumpe ist (d. h. es gibt eine erhebliche Konzentration des Analyts). Gleichzeitig wird der chemische Hintergrund des Pumpsystems von Vakuumkammerwänden, Lecks und von Dichtungsringen zwischen der Vakuumkammer und der Ionisierungskammer ausgeglichen. So wird das Verhältnis zwischen Analyt und chemischem Hintergrund der Quelle in geschlossenen Quellen erheblich verbessert. Der Erfinder spekuliert, dass der Analytkonzentrationsfaktor zwischen 100 und 1000 im Vergleich zu offenen Quellen liegt, was in einer Ausführungsform zumindest proportionale Verbesserungen relativ zur Ionisierungseffizienz im Vergleich zum chemischen Hintergrund des Pumpsystems bewirkt und wahrscheinlich die Ionisierungseffizienz von Analyt gegenüber offenen Quellen verbessern wird, was sogar größere Raumladungseffekte der konzentrierten Heliumionen ergibt. Vorzugsweise variiert die Ionenakkumulationszeit zwischen Impulsen zwischen 50 und 100 μs, während das Gatter (gate) für 5–10 μs öffnet.
Die typische Zeitbreite von chromatografischen Peaks nach GC×GC beträgt etwa 30–50 ms, so dass das Ziel darin besteht, zu Quellparametern zu gelangen, die Ansprechzeiten in der Größenordnung von 10 ms ergeben würden. Analysieren wir einmal Prozesse von Analytkonzentration und Evakuierung in „geschlossenen” Quellen anhand desselben numerischen Beispiels. Unter der Annahme eines freimolekularen Systems ist die Evakuierungsgeschwindigkeit (evacuation speed) von Analyt s = A·ν/4, wobei ν die thermische Geschwindigkeit von Analyt gleich 100 m/s bei 300°C ist, d. h. s = 1000 cm³/s. Dann ist die Evakuierungszeitkonstante τ = V/s = 1 ms. Angenommen eine exponentielle Entleerung der Quelle, würde die Konzentration von momentanen Analytspitzen (spikes) um 4 Größenordnungen reduziert in t = ln(1E+4)·τ ~ 10 τ = 10 ms. So wird die verlängerte Ansprechzeit von „geschlossenen” Quellen in der Größenordnung von 1 Sekunde für schwach flüchtige Verbindungen nicht durch eine dynamische Gasevakuierung, sondern durch Sorptionsprozesse an den Quellenwänden verursacht. Auch hier wieder unter der Annahme eines freimolekularen Systems und unter der Annahme der winkelmäßigen isotropen Verdunstung, kann die durchschnittliche Anzahl von Analytmolekülkollisionen mit Quellenwänden in dem betrachteten Beispiel mit N = A/S ~ 50 geschätzt werden. Unter der Annahme einer einfachen Schätzung der Verdunstungszeit mit τ_A = 1/f·exp(W/kT) mit einer Vibrationszeit (vibration time) von 1/f~1E–13 sec, sind die Ergebnisse in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:
Für „klebrige” (sticky) Verbindungen mit W = 1 eV kann die Quellenansprechzeit auf 20 ms gehalten werden, wenn die Ionisierungskammer allgemein gleichförmig auf 250°C erhitzt wird. Wenn es jedoch kalte Stellen auf oder um 50°C darunter gibt, dann steigt die Ansprechzeit auf 2 Sekunden. So kann also die kurze Ansprechzeit wie folgt geregelt werden: (a) Anwenden einer gleichförmigen Erhitzung der EI-Quelle, (b) Verwenden von Innenflächenmaterialien mit niedrigeren Absorptionsenergien, und (c) Minimieren der Fläche der Innenseite der Quelle.
Während die Analytkonzentration in der Quelle zumindest teilweise über die Fläche der Austrittsapertur A gesteuert wird (die Konzentration ist proportional zum Analytmassenfluss dividiert durch die Pumpgeschwindigkeit), sind in Bezug auf die Innenseite der Quelle die Anzahl N von Analytkollisionen mit Wänden und die Quellenansprechzeit N·τ_A allgemein proportional zum Verhältnis von Innenfläche zu Aperturfläche N~S/A. Demgemäß reduziert eine Verringerung der Quellengröße bei einer konstanten Aperturgröße die Ansprechzeit, ohne die Analytkonzentration erheblich herabzusetzen. In einer Ausgestaltung wird die Quellengröße auf etwa 5 mm verringert.
Die 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform einer isothermisch geschlossenen und gepulsten Ionenquelle 41 jeweils in einem zusammengesetzten Format bzw. in einem zerlegten Format. In einer Ausführungsform umfasst die Quelle 41 Folgendes: einen gepulsten Extraktor 43, einen isothermischen Käfig 48, einen Elektronenemitter 51e, ein Paar positiv vorgespannter Schlitze 51, einen Repeller 52, eine Bodenauskleidung (bottom liner) 53, eine Basis 54 (53 und 54), einen oder mehrere Abstandsbolzen (standoffs) 57, keramische Abstandshalter 58, einen Halter 59 und einen Vakuummontageflansch 60.
In einer Ausgestaltung, und wie gezeigt, kann der gepulste Extraktor 43 mit einem Gitter bedeckt werden.
In einer Ausgestaltung umfasst die Innenauskleidung 44 ein schwach absorbierendes Material (z. B. Edelstahl) und definiert einen Elektronenschlitz 46, einen Transferleitungseingang 47 und eine Apertur 45. In einer Ausgestaltung kann die Innenauskleidung 44 mit einem Gitter bedeckt sein.
Weiter mit Bezug auf die 4 und 5, kann der isothermische Käfig 48 thermisch leitendes Material wie z. B. Aluminium, Kupfer, Nickel oder Silber umfassen. Es können auch andere Materialien verwendet werden und die Ausführungsform ist nicht als dadurch begrenzt anzusehen. Ferner kann der isothermische Käfig 48 einen Transferanschluss 50 und Aperturen 49 aufweisen, um die Innenauskleidung 44 mit dem Elektronenemitter 51 zu exponieren.
Wie gezeigt, können zwei Elektronenemitter 51e auf gegenüberliegenden Seiten der Quelle 41 vorgesehen werden. Es ist jedoch zu verstehen, dass auch ein einziger Elektronenemitter verwendet werden kann und dass die Offenbarung nicht als auf das in den Zeichnungen Beschriebene begrenzt anzusehen ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Basis 54 thermisch leitendes Material und weist eine Heizung 55 und ein Thermoelement (nicht gezeigt) aus und definiert eine Lüftungsapertur 56 darin, um die Analytevakuierung unter dem Repeller 52 zu verbessern.
In einer Ausführungsform sind Abstandsbolzen 57 zwischen der Basis 54 und dem Vakuummontageflansch 60 vorgesehen und definieren ein Volumen zum Isolieren von keramischen Abstandshaltern 58, wenigstens eines Teils des Repellers 52 und des Halters 59. In einer Ausführungsform sind die Abstandsbolzen 57 fest und tubulär und umfassen Material mit einer allgemein geringen Wärmeleitfähigkeit (z. B. Edelstahlröhren).
In einer Ausführungsform ist eine Quellenvakuumkammer (nicht gezeigt) vorgesehen, die aus schwach absorbierenden und nichtporösen Materialien, wie Edelstahl besteht. In einer Ausführungsform kann die Vakuumkammer auf etwa 100°C erhitzt werden, um Ansammlungen von Analytmolekülen an den Vakuumkammerwänden zu verhindern. In einer Ausführungsform wird die Quelle mit einer Turbopumpe gepumpt, die ein Filter (z. B. ein Ölfilter) umfassen kann. In einer Ausführungsform wird eine kalte Fläche (nicht dargestellt, z. B. ein Peltier-Kühler) in eine Vakuumkammer eingeführt, um Öl und Dämpfe während des Betriebs zu absorbieren und sie zwischen Analysen freizusetzen.
Beim Betrieb überträgt der isothermische Käfig 48 effizient und schnell Wärme von der leitenden Basis 54 und dem Emitter 51 (z. B. Strahlungswärme) und gleicht die Temperatur der Ionisierungskammer aus, die von der Innenauskleidung 44, der Bodenauskleidung 53 und dem Repeller 52 entsteht, um dadurch Strahlungswärmeverluste von Innenauskleidungen und Repeller zu verhindern. Die Kühlung von der Oberseite der Innenauskleidung 44 kann durch eine wirksame Wärmeübertragung zwischen dem breiten oberen Ring des Käfigs 48 und dem oberen Ring der Auskleidung 44 kompensiert werden. Experimentelle Studien der Autoren haben gezeigt, dass eine solche Ionenquelle mit weniger als 10 Grad Gradienten gleichförmig erhitzt werden kann. Im Wesentlichen gleichzeitig ist das wärmeleitende Material der Basis 54 und des Käfigs 48 keinem Analyt ausgesetzt, da die Innenfläche der Quelle durch relativ inerte Auskleidungen 44 und 53 und den Repeller 52 gebildet wird. Die beispielhafte Quelle demonstriert, dass beide Anforderungen erfüllt werden können: (a) eine gleichförmige Temperatur der Quelle, und (b) eine schwache Absorption von Materialien in der Ionisierungskammer.
In einer Ausführungsform kann die Ansprechzeit der geschlossenen Quelle durch Miniaturisierung verbessert werden. In einer Ausgestaltung scheint das Verringern der Quellengröße auf etwa 5 mm zu mehreren Vorteilen zu führen. Unter anderem wird (a) die Gesamtfläche als Quadrat der Kammergröße reduziert; (b) der Strahlungswärmeverlust proportional zur Außenseite sinken; (c) die Wärmeleitfähigkeit von Wänden verbessert. In einer Ausgestaltung kann das oben Gesagte eine Quelle ohne thermischen Käfig zulassen. In einer solchen Ausführungsform kann die gesamte Kammer schwach absorbierendes Material wie beispielsweise Edelstahl oder dergleichen umfassen.
In einer Ausgestaltung kann die Ionenspeicherung durch elektrostatisches Abstoßen von Ionen auf Seiten und in der Richtung des Elektronenstrahls verbessert werden. In einer besonderen Ausführungsform ist ein solches Abstoßen durch Erzeugen einer elektrostatischen Vorspannung zwischen der Ionenkammer 46 und der Auskleidung 44 (z. B. durch einen keramischen Abstandshalter isoliert) und einer Push-low-Vorspannung des Repellers 52 bewerkstelligt. In einer anderen besonderen Ausführungsform wird ein zusätzlicher Satz von positiv vorgespannten Schlitzen (nicht gezeigt) zwischen Emitter 51 und Auskleidung 44 eingefügt. Wie bei Versuchen des Erfinders gefunden wurde, bietet die elektrostatische Seitenabstoßung gleichzeitig den Vorteil, dass langsame Elektronen aus der Elektronenstrahlregion beseitigt werden, wodurch die Ionenspeicherkapazität verbessert wird und „kältere”, d. h. weniger erregte Ionenpakete erzielt werden.
Wenige andere Parameter der direkt extrahierenden pulsierten Ionenquelle konnten auf der Basis von Versuchsstudien des Autors geschätzt werden, die in der mitanhängigen Patentanmeldung mit dem Titel „Time-of-flight Mass Spectrometer with accumulating Electron Impact Ion Source” ( PCT/US2011/048198 ) beschrieben sind, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. So sieht beispielsweise die mitanhängige Anmeldung eine „geschlossene” Quelle vor, die Ionen im Elektronenstrahl für eine Periode von etwa 600 μs akkumuliert, Ionenpakete emittiert, sie durch die Transferoptik leitet und dann Ionenpakete mit dem orthogonalen Beschleuniger zu einem multireflektierenden TOF MS beschleunigt. Man beachte, dass die beschriebene Vorrichtung orthogonale Beschleunigung im Gegensatz zu gepulster Direktextraktion aus der Quelle wie oben erörtert verwendet. Versuche legen den Schluss nahe, dass die Empfindlichkeit bei 100 Ionen/fg trotz etwa 10facher Ionenverluste in der Transferionenoptik gemessen wurde. Die Elektronenstrahlspeicherkapazität war bei etwa 100 pg/sec Last bei einer Pulsdauer von 600 μs sättigend. So lässt sich eine Empfindlichkeit der direkt extrahierenden „geschlossenen” Quelle von 1000 Ionen/fg und ein Sättigungsgrenze von 2 ng/sec bei 30 μs Dauer eines einstufigen reflektierenden TOF schätzen. Demgemäß kann man erwarten, dass die Erkennungsgrenze durch den chemischen Hintergrund recht begrenzt wird, selbst unter der Annahme einer etwa 100fach besseren Immunität von „geschlossener” Quelle im Vergleich zu „offenen” gepulsten Quellen des Standes der Technik.
Man erkennt, dass die Analytkonzentration in geschlossenen Quellen zu einer früheren Sättigung der Ionenquellenspeicherkapazität führen kann. Demgemäß kann die gepulste Quelle bei einer höheren Extraktionsfrequenz betrieben werden, ähnlich wie in der PCT/US2011/048198 , die in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. In einem besonderen Verfahren wird die Pulsdauer kürzer eingestellt als die Ionenflugzeit im TOF MS, und es wird ein enger Massenbereich durch gepulste Deflektoren nach der Quelle gewählt. Es wird erwartet, dass eine solche Methode eventuelle mögliche Wirkungen von Ionenspeicherbegrenzungen durch Raumladung übersteigt, und es wird erwartet, dass sie eine(n) maximale(n) Empfindlichkeit und dynamischen Bereich bei der Spurenanalyse bietet. In einem anderen besonderen Verfahren ist, ähnlich wie in dem Verfahren der WO2011107836 , die in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist, die häufige Quellpulsierung von einer Codierung der Pulsierzeit begleitet, so dass das gesamte Massenbereichsspektrum mit einem Decodieralgorithmus zurückgewonnen werden kann. Die obigen Methoden sind besonders in Kombination mit multireflektierenden Massenspektrometern mit verlängerter Flugzeit, aber mit einem weitaus höheren Auflösungsvermögen als bei gewöhnlichen Flugzeitinstrumenten begleitet.
Ferner kann in einer Ausgestaltung der Analytfluss verdünnt werden, um den Heliumfluss in die Ionisierungskammer zu reduzieren und den dynamischen Gesamtbereich der EI-Analyse zu verbessern.
6 zeigt im Gegensatz zu einer abgedichteten Probeninjektionsanordnung eine Anordnung 62, bei der eine molekulare Trennung vor der „geschlossenen” gepulsten Quelle stattfindet. Wie illustriert, umfasst die Anordnung ferner eine Transferleitung 63 für eine abgedichtete Probeninjektion, einen Einlassquellenskimmer 64, eine Transferleitung 65 für eine beabstandete Ioneninjektion und ein Ausrichtungsstück 66.
Beim Betrieb hat die Transferleitung 65 in einer Ausgestaltung einen inneren Einsatz für eine axiale innere Ausrichtung einer GC-Säule (GC-column) (nicht gezeigt) und wird mit einem Ausrichtungsstück 66 auf den Skimmer 64 ausgerichtet (z. B. alle auf Massepotential). In einer Ausgestaltung liegt der Abstand zwischen der Transferleitung 65 und dem Skimmer 64 in der Größenordnung von 1–3 mm, während die Skimmerapertur in der Größenordnung von 1 mm liegt. Von einer solchen Anordnung wird erwartet, dass sie den Heliumfluss in den Skimmer senkt und schwere Analytkomponenten anreichert, d. h. es wird erwartet, dass räumliche Verluste von Analytmolekülen in einem austretenden Heliumstrahl niedriger sind als die von Heliumneutralen. Aber selbst in Abwesenheit der Anreicherungseffekte wird erwartet, dass die vorgeschlagene Anordnung mehrere Vorteile bietet: (a) eine niedrigere Heliumkonzentration in der Quelle kann Ionen-auf-Gas-Streuung (scattering) bei ionengepulster Extraktion reduzieren; (b) eine niedrigere Heliumkonzentration kann die Ionenspeicherkapazität verbessern und reduziert die Ionenpaketdivergenz; (c) ein etwas geringerer Fluss der Probe kann eine Übereinstimmung zwischen maximalen Lasten in Mikro-GC-Säulen (etwa 10 ng in GC-Säule) mit einer erweiterten Speichergrenze der Quelle bereitstellen; und (d) eine verbesserte Ansicht der EI-Spektren (d. h. Spektren liegen näher an standardmäßigen NIST-Bibliotheksspektren).
In einer Ausgestaltung, und wie gezeigt, kann überschüssiger Heliumfluss mit einer Pumpkammer 67 und einer Pumpe 68, vorzugsweise einem differentialen Pumpanschluss der Turbopumpe 3P, weggepumpt werden.
Mit Bezug auf 7 kann die EI-Quellenvakuumkammer in einer Ausführungsform mit der TOF MS Analysatorkammer zu einer einzigen Vakuumkammer 3 kombiniert werden. Zum Beispiel, bei einem 5–10fachen geringeren Heliumfluss (0,1–0,2 ml/min) wird der Gasdruck in der kombinierten Vakuumkammer kleiner als 1E–5 Torr, was für TOF MS mit einem kurzen Flugweg von 0,5–1 m geeignet ist. In einer Ausführungsform kann der überschüssige Heliumfluss von GC oder GC×GC 9 und über die Transferleitung 8 durch den Differentialanschluss 76 der Zweianschluss-Turbopumpe 78 heruntergepumpt werden, während der Hauptanschluss 77 zum Pumpen der Vakuumkammer 3 eingesetzt wird. Von einem Teil des Heliumflusses und des Analytflusses wird über den Skimmer 74 am Eingang der EI-Quelle 72 eine Probe genommen. Zusätzlich mildert das gesamte Instrument in der einzigen Vakuumkammer mehrere mechanische Einschränkungen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen beschrieben, aber die Fachperson wird verstehen, dass verschiedene Modifikationen im Hinblick auf Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse, umfassend: Trennen eines Analytgemischs mit zweidimensionaler Gaschromatographie, um schmale (zeitliche) GC-Peaks zu erhalten; Einleiten eines Analytflusses und eines Trägergasflusses in eine geschlossene Elektronenstoßionenquelle, um Analytionen zu bilden, wobei die Stoßionenquelle eine Austrittsapertur aufweist; Aufrechterhalten einer angereicherten Konzentration von Analytmolekülen in der geschlossenen Quelle durch Begrenzen einer Fläche der Austrittsapertur zwischen 0,1 und 1 cm²; Akkumulieren der genannten Analytionen in einem Elektronenstrahl der genannten geschlossenen Elektronenstoßionenquelle; und gepulstes Extrahieren von Ionenpaketen aus der genannten geschlossenen Quelle direkt in ein Flugzeitmassenspektrometer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quelle eine Innenauskleidung mit einem in der Nähe davon angeordneten isothermischen Käfig umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Beibehalten der Temperatur der genannten Quelle im Wesentlichen gleichförmig (innerhalb von 10°C).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschlossene Quelle ferner eine Innenseite mit einer Fläche aufweist und wobei ein Verhältnis zwischen der Fläche der Innenseite und der Fläche der Austrittsapertur zwischen 10 und 100 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quelle eine Quellenvakuumkammer mit einer darin angeordneten Peltier-Vorrichtung aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Kondensieren von Dämpfen und Gasen in der Quellenvakuumkammer mit einer durch die Peltier-Vorrichtung gekühlten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Herunterpumpen eines Teils von Trägergas (wodurch unweigerlich etwas eingeleitete Probenmenge verloren geht) vor der „geschlossenen” Elektronenstoßquelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschlossene Quelle ferner Folgendes umfasst: elektrostatisches Abstoßen von Analytionen von Seiten der Quelle und in Richtung des Elektronenstrahls.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gepulste Extrahieren von Ionenpaketen Folgendes umfasst: Arbeiten mit einer hohen Extraktionsfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Flugzeitmassenspektrometer eine Ionenflugzeit definiert und wobei die Impulsextraktion eine Pulsdauer definiert und wobei ferner die Pulsdauer kürzer ist als die Ionenflugzeit.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Massenspektrometer gepulste Deflektoren umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Auswählen eines engen Massenbereichs über die gepulsten Deflektoren.
Chromato-Massenspektrometer, umfassend: einen reflektierenden Flugzeitanalysator mit einem Ionenspiegel, einer Freiflugregion und einem Detektor; eine geschlossene Elektronenstoßionenquelle, die eine oder mehrere Öffnungen in eine Ionisierungskammer definiert, wobei eine kumulative Fläche der ein oder mehreren Öffnungen in die Ionisierungskammer zwischen 0,1 cm² und 1 cm² liegt, wobei die geschlossene Stoßionenquelle einen kontinuierlichen Elektronenstrahl, einen mit einer gepulsten Spannungsversorgung verbundenen Repeller und einem mit der gepulsten Spannungsversorgung verbundenen Extraktor umfasst und wobei der Ionenspiegel parallel zu dem genannten Detektor ausgerichtet ist und die geschlossene Ionenquelle in einem geringen Winkel gekippt ist; und einen Detektor zum Lenken von Ionenpaketen in einem Winkel, der etwa gleich dem Quellenkippwinkel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die kumulative Fläche der ein oder mehreren Öffnungen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: (i) weniger als 100 mm², (ii) weniger als 50 mm², (iii) weniger als 20 mm²; (iv) weniger als 10 mm²; (v) weniger als 5 mm²; (vi) weniger als 3 mm²; und (vii) weniger als 1 mm².
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die geschlossene Elektronenstoßionenquelle ferner Folgendes umfasst: eine chemisch inerte Innenauskleidung und einen isothermischen Käfig aus wärmeleitendem Material.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die geschlossene Elektronenstoßionenquelle eine eine Fläche definierende Innenseite aufweist und wobei ein Verhältnis zwischen der Fläche der Innenseite und der Fläche der Austrittsapertur zwischen 10 und 100 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes umfasst: eine Vakuumkammer; und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Oberfläche der Vakuumkammer zum Kondensieren von Dämpfen und Gasen darin.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Kühlvorrichtung eine Peltier-Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes umfasst: einen Skimmer, der an einem Eingang der geschlossenen Quelle vorgesehen ist; eine Probenzuführungstransferleitung, die von dem genannten Skimmer einen Abstand aufweist, der zum Reduzieren des Flusses von Trägergas in die Quelle um wenigstens das 5fache ausreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei ein überschüssiges Trägergas von einem Differentialanschluss einer Hauptturbopumpe heruntergepumpt wird, die den Flugzeitmassenanalysator herunterpumpt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes umfasst: Mittel zum Abstoßen von Ionen entlang den Seiten der Ionenkammer und in der Richtung des Elektronenstrahls.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ionenquelle eine Innenauskleidung aufweist und das Ionenabstoßmittel einen keramischen Abstandshalter aufweist, der die Ionenkammer von der Innenauskleidung isoliert und eine elektrostatische Vorspannung und eine Push-low-Vorspannung des Repellers definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ionenquelle eine Innenauskleidung und einen Emitter umfasst und das Abstoßmittel durch positiv vorgespannte Schlitze definiert wird, die zwischen dem Emitter und der Innenauskleidung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ionenquelle eine Innenauskleidung und einen Emitter mit einem oder mehreren positiv vorgespannten Schlitzen aufweist, um Ionen entlang dem Strahl zu begrenzen und um Sekundärionen zu beseitigen.