DE112014002624T5

DE112014002624T5 - Kompaktes Massenspektrometer

Info

Publication number: DE112014002624T5
Application number: DE112014002624.7T
Authority: DE
Inventors: David Gordon; Daniel James Kenny
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-04-07
Also published as: US20180308672A1; US10128092B2; US20160093480A1; US10354847B2; WO2014191746A1

Abstract

Es ist ein Miniatur-Massenspektrometer offenbart, welches eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle (701), eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, aufweist. Eine erste Vakuumpumpe (707) ist dafür eingerichtet und ausgelegt, die erste Vakuumkammer zu pumpen, wobei die erste Vakuumpumpe (707) dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten. Eine erste HF-Ionenführung (702) befindet sich innerhalb der ersten Vakuumkammer. Ein Ionendetektor (705) befindet sich in der dritten Vakuumkammer. Die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors (705) ist ≤ 400 mm. Das Massenspektrometer weist ferner eine Turbomolekular-Vakuumpumpe (706) mit aufgeteilter Strömung auf, welche einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist. Die erste Vakuumpumpe (707) ist auch dafür eingerichtet und ausgelegt, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe (706) mit aufgeteilter Strömung zu wirken. Die erste Vakuumpumpe hat eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m3/Stunde (2,78 l/s).

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der am 31. Mai 2013 eingereichten britischen Patentanmeldung 1309762.1 , der am 31. Mai 2013 eingereichten britischen Patentanmeldung 1309763.9 und der am 31. Mai 2013 eingereichten europäischen Patentanmeldung 13170144.3 . Der gesamte Inhalt dieser Anmeldungen wird hier durch Verweis aufgenommen.
HINTERGRUND DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer und ein Verfahren zur Massenspektrometrie. Die bevorzugte Ausführungsform betrifft ein kompaktes oder Miniatur-Massenspektrometer in Zusammenhang mit einer Atmosphärendruckionisations-("API")-Ionenquelle.
Herkömmliche Massenanalysatoren sind normalerweise nicht in der Lage, beim Atmosphärendruck oder in der Nähe davon zu arbeiten, und befinden sich daher innerhalb einer Vakuumkammer, die auf einen niedrigen Druck evakuiert ist. Die meisten kommerziellen Massenanalysatoren arbeiten bei einem Vakuumniveau von 1 × 10^–4 mbar oder darunter.
Massenspektrometer mit Atmosphärendruckionisations-("API")-Ionenquellen verwenden eine Probenahmeöffnung bzw. eine Probenbildungsöffnung oder -kapillare in oder in der Nähe der Ionenquelle, um zu ermöglichen, dass die Ionen, die beim Atmosphärendruck ("AP") erzeugt werden, in die Vakuumkammer eingelassen werden, die den Massenanalysator enthält.
Es gab wichtige Entwicklungen in Bezug auf das Identifizieren des wirksamsten Verfahrens für das Überführen von Ionen aus dem Atmosphärendruck in eine Vakuumkammer, die den Massenanalysator enthält. Eine einzige Öffnung zwischen der Ionenquelle auf dem Atmosphärendruck und dem Massenanalysator ist das direkteste Verfahren, es ist jedoch im Allgemeinen nicht praktisch verwirklichbar, weil entweder die Atmosphärendrucköffnung so klein gemacht werden muss, dass die Anzahl der in die Vakuumkammer durchgelassenen Ionen sehr niedrig ist (wodurch die Empfindlichkeit des Instruments erheblich eingeschränkt wird) oder alternativ das Massenspektrometer eine unpraktisch große Vakuumpumpe benötigt.
Angesichts dieser Probleme ist es üblich, eine oder mehrere differenzielle Pumpstufen zu verwenden, wobei der Druck durch aufeinander folgende Vakuumgebiete, die jeweils eine kleine Öffnung in die benachbarte Kammer aufweisen, in Stufen verringert wird.
Es ist bekannt, eine Rotationsvakuumpumpe für das Pumpen eines ersten differenziellen Pumpgebiets und eine oder mehrere Turbomolekular-Vakuumpumpen für das Pumpen anschließender Vakuumgebiete zu verwenden. Turbomolekular-Vakuumpumpen sind nicht in der Lage, an die Atmosphäre auszustoßen, so dass eine Vakuumpumpe als unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe benötigt wird. Die Empfindlichkeit eines Massenspektrometers (welche eine Schlüsselleistungsfähigkeitseigenschaft ist) steht in engem Zusammenhang mit den Pumpgeschwindigkeiten der verwendeten Vakuumpumpen und dem Gasdurchsatz, den die Vakuumpumpen verdrängen können. Die Pumpgeschwindigkeit ist die Volumenströmungsrate einer Vakuumpumpe, so dass eine Vakuumpumpe bei einer höheren Pumpgeschwindigkeit in der Lage ist, mehr Gas zu verdrängen. Einfach ausgedrückt, ermöglichen Vakuumpumpen mit größeren Pumpgeschwindigkeiten das Bauen von Massenspektrometern mit größeren Öffnungen (während ein ähnlicher Druck in einem gegebenen Gebiet aufrechterhalten wird), wodurch es ermöglicht wird, dass mehr Ionen durch die Öffnung hindurchtreten, wodurch die Empfindlichkeit des Instruments erhöht wird.
Massenspektrometer aus dem Stand der Technik haben eine Eingangsöffnung oder -kapillare oder mehrere Eingangskapillaren, wodurch ein Gasdurchsatz von einer API-Ionenquelle in ein erstes differenzielles Pumpgebiet von etwa 1000 bis 6000 sccm (Normkubikzentimeter pro Minute) ermöglicht wird.
1 zeigt die Wirkung des Änderns des Durchmessers einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung auf die Ionentransmission (und damit die Empfindlichkeit) im Vergleich mit einem Einzelquadrupol-Massenspektrometer. Zum Erzeugen der in 1 dargestellten Daten wurde ein Ventil zum Drosseln des Pumpens in einem ersten differenziellen Pumpgebiet verwendet, um den Druck in diesem Gebiet für jede Messung gleich zu halten. Wie aus 1 ersichtlich ist, führte eine Verringerung des Durchmessers der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung von 0,5 mm auf 0,15 mm zu einer Verringerung der Ionentransmission auf etwa 50 %.
2 zeigt die Ergebnisse eines entsprechenden Experiments, wobei der Durchmesser einer Öffnung zwischen der ersten und der zweiten differenziellen Pumpstufe eines Massenspektrometers geändert wurde. Wenn die Blende von 0,97 mm auf 0,6 mm verkleinert wurde, wurde die Ionentransmission um > 50 % verringert.
Herkömmliche Einzelquadrupol-Massenspektrometer, die eine Elektrospray-("ESI")-Ionenquelle einsetzen, verwenden eine Rotationsvakuumpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 30 bis 65 m³/Stunde. Eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 300 l/s wird gewöhnlich verwendet, um die Analysatorkammer zu pumpen. Die Rotationspumpe wirkt auch als eine Unterstützungspumpe für die Turbomolekularpumpe. Es sei bemerkt, dass bei einem Einzelquadrupol-Massenanalysator aus dem Stand der Technik das Massenspektrometer große und schwere Vakuumpumpen verwendet. Beispielsweise misst eine Leybold-SV40-Rotationsvakuumpumpe 500 mm × 300 mm × 300 mm und wiegt 43 kg und misst eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung von Pfeiffer 400 mm × 165 mm × 150 mm und wiegt 14 kg.
Es ist ein kompaktes oder Miniatur-Massenspektrometer bekannt und wird nachstehend in weiteren Einzelheiten erörtert.
Die Herstellung eines kompakten oder Miniatur-Massenspektrometers ermöglicht vorteilhafterweise die Verwendung physikalisch kleinerer und leichterer Vakuumpumpen. Folglich haben diese Vakuumpumpen geringere Pumpgeschwindigkeiten, und es müssen daher zum Aufrechterhalten des gleichen Vakuumniveaus innerhalb der Gebiete des Massenspektrometers wie bei einem Massenspektrometer voller Größe kleinere Öffnungen verwendet werden. Das Ersetzen einer Öffnung mit herkömmlicher Größe durch eine kleinere Öffnung ist jedoch problematisch, weil die kleinere Öffnung einen negativen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Instruments hat. Die Verringerung der Empfindlichkeit des Instruments begrenzt die Nützlichkeit des Miniatur-Massenspektrometers und macht es kommerziell weniger einsetzbar.
Ein bekanntes Miniatur-Massenspektrometer ist in 9 von US 2012/0138790 (Wright) und Rapid Commun. Mass Spectrom. 2011, 25, 3281–3288 offenbart. Das in 9 von US 2012/0138790 (Wright) dargestellte Miniatur-Massenspektrometer weist ein dreistufiges Vakuumsystem auf. Die erste Vakuumkammer weist eine Vakuumschnittstelle auf. Es befindet sich keine HF-Ionenführung innerhalb der Vakuumschnittstelle, und die Vakuumschnittstelle wird bei einem Druck von > 67 mbar (> 50 Torr) gehalten, der von Fachleuten auf dem Gebiet als ein verhältnismäßig sehr hoher Druck verstanden wird. Eine kleine erste Membranvakuumpumpe wird verwendet, um die Vakuumschnittstelle zu pumpen.
Die zweite Vakuumkammer enthält eine kurze HF-Ionenführung, die mit einer Druckweglänge im Bereich von 0,01 bis 0,02 Torr.cm betrieben wird und durch eine erste Turbomolekular-Vakuumpumpe gepumpt wird, welche von einer zweiten Membranvakuumpumpe unterstützt wird. Die zweite getrennte Membranvakuumpumpe ist infolge des verhältnismäßig hohen Drucks (> 67 mbar) der ersten Vakuumkammer erforderlich. Der hohe Druck in der ersten Vakuumkammer verhindert im Wesentlichen, dass dieselbe Membranvakuumpumpe verwendet wird, sowohl um die erste Turbomolekular-Vakuumpumpe zu unterstützen als auch die erste Vakuumkammer zu pumpen, weil diese Turbomolekular-Vakuumpumpen im Allgemeinen nur in der Lage sind, bei Hintergrunddrücken von < 20 mbar zu arbeiten.
Das bekannte Miniatur-Massenspektrometer benötigt daher zwei Membranvakuumpumpen zusätzlich zu zwei Turbomolekular-Vakuumpumpen.
6 von US 2012/0138790 (Wright) zeigt ein Massenspektrometer voller Größe.
2 von US-8471199 (Doroshenko) offenbart ein Miniatur-Massenspektrometer mit sechs Vakuumpumpen. Zwei Molekül-Mitnahme-Pumpen, die jeweils eine Pumpgeschwindigkeit von 7,5 l/s aufweisen, pumpen die erste Vakuumkammer, und die beiden Molekül-Mitnahme-Pumpen werden durch eine erste Membranpumpe unterstützt. Die zweite und die dritte Vakuumkammer werden durch getrennte Turbomolekularpumpen bepumpt, die von einer zweiten Membranpumpe unterstützt werden.
Es ist erwünscht, ein verbessertes Massenspektrometer und ein verbessertes Verfahren zur Massenspektrometrie bereitzustellen.
KURZFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Miniatur-Massenspektrometer vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle,
eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet,
eine erste Vakuumpumpe, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer zu pumpen, wobei die erste Vakuumpumpe dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten,
eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet,
einen Ionendetektor, der sich in der dritten Vakuumkammer befindet,
wobei die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ≤ 400 mm ist,
wobei das Massenspektrometer ferner Folgendes aufweist:
eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung, die einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen bzw. -port und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist,
wobei die erste Vakuumpumpe auch dafür eingerichtet und ausgelegt ist, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zu wirken, und
wobei die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s) aufweist.
Der Begriff "Miniatur-Massenspektrometer" sollte so verstanden werden, dass er ein Massenspektrometer bezeichnet, das physikalisch kleiner und leichter ist als ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe und das Vakuumpumpen mit geringeren maximalen Pumpgeschwindigkeiten verwendet als ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe. Der Begriff "Miniatur-Massenspektrometer" sollte daher so verstanden werden, dass er ein Massenspektrometer einschließt, das eine kleine Vakuumpumpe (beispielsweise mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde) verwendet, um die erste Vakuumkammer zu pumpen.
Das in Rapid Commun. Mass Spectrom. 2011, 25, 3281–3288 (Wright) offenbarte bekannte Miniatur-Massenspektrometer weist keine HF-Ionenführung auf, die sich in der ersten Vakuumkammer befindet. Weil ferner die Vakuumschnittstelle bei einem verhältnismäßig sehr hohen Druck von > 67 mbar gehalten wird, werden Fachleute verstehen, dass es nicht möglich wäre, eine HF-Ionenführung in einem solchen verhältnismäßig hohen Druckgebiet zu betreiben, weil bei solchen hohen Drücken die Gasströmungsdynamik die elektrostatischen Kräfte überwiegen würde (d.h. die mittlere freie Weglänge von Ionen wäre sehr kurz, und die HF-Ionenführung würde effektiv nicht als eine Ionenführung wirken). Fachleute werden verstehen, dass sich der höchste Druck, bei dem HF-Ionenführungen in einem kommerziellen Massenspektrometer betrieben werden können, bei einer Ionentrichteranordnung ergibt, die bis zu einem maximalen Druck von etwa 20 mbar betrieben wird.
6 von US 2012/0138790 (Wright) zeigt ein Massenspektrometer voller Größe. Das in 6 von US 2012/0138790 (Wright) dargestellte Massenspektrometer ist kein Miniatur-Massenspektrometer, und die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung bis zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ist im Gegensatz zu den Anforderungen der vorliegenden Erfindung viel größer als 400 mm. Ferner pumpen getrennte Hochvakuumpumpen die zweite und die dritte Vakuumkammer, was im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung steht, wo eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung bereitgestellt ist, die einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist.
2 von US-8471199 (Doroshenko) offenbart ein Miniatur-Massenspektrometer mit sechs Vakuumpumpen. Zwei Molekül-Mitnahme-Pumpen, die jeweils eine Pumpgeschwindigkeit von 7,5 l/s aufweisen, pumpen die erste Vakuumkammer, und die beiden Molekül-Mitnahme-Pumpen werden durch eine erste Membranpumpe unterstützt. Die zweite und die dritte Vakuumkammer werden durch getrennte Turbomolekularpumpen bepumpt, die von einer zweiten Membranpumpe unterstützt werden.
Das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung auf, welche einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist. Eine solche Anordnung ist in 2 von US-8471199 (Doroshenko) nicht offenbart.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Vakuumpumpe, welche die erste Vakuumkammer pumpt, auch dafür eingerichtet und ausgelegt, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zu wirken. Eine solche Anordnung ist in 2 von US-8471199 (Doroshenko) nicht offenbart.
Ferner hat gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s). Im Gegensatz dazu haben die beiden Molekül-Mitnahme-Pumpen, welche die erste Vakuumkammer der in 2 von US-8471199 (Doroshenko) offenbarten Anordnung pumpen, jeweils eine Pumpgeschwindigkeit von 7,5 l/s. Demgemäß ist die Nettopumpkapazität der beiden Molekül-Mitnahme-Pumpen, welche die erste Vakuumkammer der in 2 von US-8471199 (Doroshenko) offenbarten Anordnung pumpen, erheblich größer als die maximale Pumpgeschwindigkeit von 2,78 l/s gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung ist verglichen mit den bekannten Miniatur-Massenspektrometern vorteilhaft, weil das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung kompakter und erheblich leichter ist als bekannte Miniatur-Massenspektrometer.
Insbesondere hat das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit bekannten Miniatur-Massenspektrometern eine verringerte Anzahl von Vakuumpumpen. Bekannte kompakte/tragbare Massenspektrometer mit einer Atmosphärendruckionisations-("API")-Ionenquelle und/oder differenziell gepumpten Schnittstellen verwenden mehrere Unterstützungs-/Grobpumpen sowie mehrere Turbopumpen.
Die in 2 von US-8471199 (Doroshenko) offenbarte Anordnung offenbart ein tragbares Massenspektrometer, welches sechs Vakuumpumpen verwendet. Zwei Molekül-Mitnahme-Pumpen, die jeweils eine Pumpgeschwindigkeit von 7,5 l/s aufweisen, pumpen die erste Vakuumkammer, und die beiden Molekül-Mitnahme-Pumpen werden durch eine erste Membranpumpe unterstützt. Die zweite und die dritte Vakuumkammer werden durch getrennte Turbomolekularpumpen bepumpt, die von einer zweiten Membranpumpe unterstützt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einzige Unterstützungspumpe (beispielsweise eine Rotations- oder Membranpumpe) verwendet, um ein erstes Vakuumgebiet zu evakuieren, während eine einzige Turbopumpe mit aufgeteilter Strömung verwendet wird, um mehrere Vakuumgebiete zu evakuieren. Die Turbopumpe mit aufgeteilter Strömung wird von derselben Vakuumpumpe unterstützt, die verwendet wird, um das erste Vakuumgebiet zu evakuieren. Das Begrenzen der Anzahl der Vakuumpumpen auf zwei in dieser Weise hilft dabei, sowohl die physikalische Auflagefläche als auch das Gewicht des kompakten Massenspektrometers zu minimieren.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist vorzugsweise eine erste Vakuumpumpe auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer zu pumpen.
Die erste Vakuumpumpe umfasst vorzugsweise eine Drehflügel-Vakuumpumpe oder eine Membranvakuumpumpe. Ein besonderer Vorteil des Miniatur-Massenspektrometers gemäß der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass anders als beim bekannten Miniatur-Massenspektrometer, das zwei Membranvakuumpumpen zusätzlich zu einer Turbomolekular-Vakuumpumpe benötigt, das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der bevorzugten Ausführungsform nur eine einzige Membran- oder äquivalente Vakuumpumpe zusätzlich zu einer Turbomolekularpumpe benötigt.
Die erste Vakuumpumpe hat vorzugsweise eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s).
Herkömmliche Massenspektrometer voller Größe verwenden typischerweise eine Rotationspumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von wenigstens 30 m³/Stunde (8,34 l/s). Es ist daher zu verstehen, dass das Miniatur-Massenspektrometer gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine viel kleinere Pumpe verwendet als ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit von etwa 5 m³/Stunde (1,39 l/s).
Die erste Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet und ausgelegt, die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten. Dies unterscheidet sich erheblich vom bekannten Miniatur-Massenspektrometer, das in Rapid Commun. Mass Spectrom. 2011, 25, 3281–3288 (Microsaic) offenbart ist, wobei die Vakuumschnittstelle auf einem hohen Druck von > 67 mbar gehalten wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erste Vakuumkammer bei einem Druck von 4 mbar, d.h. bei einem Druck, der wenigstens eine Größenordnung niedriger ist, gehalten.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner einen Ionendetektor auf, der sich in der dritten Vakuumkammer befindet.
Die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ist vorzugsweise ≤ 400 mm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Ionenweglänge etwa 355 mm. Es sei bemerkt, dass die Ionenweglänge gemäß der bevorzugten Ausführungsform erheblich kürzer ist als eine vergleichbare Ionenweglänge eines Massenspektrometers voller Größe.
Die erste Vakuumkammer hat vorzugsweise ein Innenvolumen ≤ 500 cm³. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die erste Vakuumkammer ein Innenvolumen von etwa 340 cm³.
Die zweite Vakuumkammer hat vorzugsweise ein Innenvolumen ≤ 500 cm³. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die zweite Vakuumkammer ein Innenvolumen von etwa 280 cm³.
Die dritte Vakuumkammer hat vorzugsweise ein Innenvolumen ≤ 2000 cm³. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die dritte Vakuumkammer ein Innenvolumen von etwa 1210 cm³.
Das Gesamtinnenvolumen der ersten, der zweiten und der dritten Vakuumkammer ist vorzugsweise ≤ 2000 cm³. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform betragen die kombinierten Innenvolumina der ersten, der zweiten und der dritten Vakuumkammer etwa 1830 cm². Es sei bemerkt, dass dies erheblich kleiner ist als das kombinierte Innenvolumen der Vakuumkammern eines Einzelquadrupol-Massenspektrometers voller Größe, das typischerweise ein kombiniertes Innenvolumen von etwa 4000 cm³ aufweist.
Die Atmosphärendruck-Ionisationsquelle umfasst vorzugsweise eine Elektrospray-Ionisations-Ionenquelle, eine Mikrosprayionisations-Ionenquelle, eine Nanospray-Ionisations-Ionenquelle oder eine Chemische-Ionisations-Ionenquelle.
Die erste HF-Ionenführung umfasst vorzugsweise eine duale verbundene Ringstapel-Ionenführung.
Die erste HF-Ionenführung umfasst vorzugsweise eine Multipol-Ionenführung, eine Ringstapel-Ionenführung oder eine Ionentrichter-Ionenführung. Gemäß einer Ausführungsform kann die erste HF-Ionenführung eine Quadrupol-, Hexapol- oder Oktopol-Ionenführung umfassen, welche Stabelektroden mit einem Durchmesser von etwa 6 mm aufweist.
Die erste HF-Ionenführung hat vorzugsweise eine Länge < 120 mm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die erste HF-Ionenführung eine Länge von etwa 100 mm.
Die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare hat vorzugsweise einen Durchmesser von ≤ 0,3 mm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare einen Durchmesser von 0,2 mm, welcher erheblich kleiner ist als jener der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung des bekannten Miniatur-Massenspektrometers, welcher 0,3 mm beträgt.
Die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare hat vorzugsweise einen Gasdurchsatz ≤ 850 sccm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare einen Gasdurchsatz von 370 sccm. Dieser ist erheblich kleiner als jener des bekannten Miniatur-Massenspektrometers, das einen Gasdurchsatz von etwa 840 sccm aufweist.
Das Produkt aus dem Druck P₁ in der Umgebung der ersten HF-Ionenführung und der Länge L₁ der ersten HF-Ionenführung liegt vorzugsweise im Bereich von 10–100 mbar-cm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Produkt aus dem Druck P₁ in der Umgebung der ersten HF-Ionenführung und der Länge L₁ der ersten HF-Ionenführung vorzugsweise etwa 40 mbar-cm.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist ferner vorzugsweise eine zweite HF-Ionenführung auf, die sich in der zweiten Vakuumkammer befindet. Die zweite HF-Ionenführung hat vorzugsweise eine Länge von etwa 82 mm.
Die zweite HF-Ionenführung umfasst vorzugsweise eine duale verbundene Ringstapel-Ionenführung, eine Multipol-Ionenführung, eine Ringstapel-Ionenführung oder eine Ionentrichter-Ionenführung. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite HF-Ionenführung eine Quadrupol-, Hexapol- oder Oktopol-Ionenführung, die Stabelektroden mit einem Durchmesser von 6 mm aufweist.
Das Produkt aus dem Druck P₂ in der Umgebung der zweiten HF-Ionenführung und der Länge L₂ der zweiten HF-Ionenführung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05–0,3 mbar-cm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Produkt aus dem Druck P₂ in der Umgebung der zweiten HF-Ionenführung und der Länge L₂ der zweiten HF-Ionenführung vorzugsweise 0,17 mbar-cm. Dagegen verwendet das bekannte Miniatur-Massenspektrometer eine HF-Ionenführung in einer Vakuumkammer mit einem Drucklängenwert von etwa 0,01 mbar-cm, d.h. die zweite HF-Ionenführung gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird mit einem viel höheren Drucklängenwert betrieben, der etwa eine Größenordnung höher ist als jener des bekannten Miniatur-Massenspektrometers. Der höhere Drucklängenwert gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist in der Hinsicht besonders vorteilhaft, dass er es ermöglicht, das Ionen axial beschleunigt werden (unter Verwendung beispielsweise eines Gleichspannungsgradienten oder einer laufenden Welle mit einer oder mehreren transienten Gleichspannungen, die an die Elektroden der Ionenführung angelegt werden) und durch Stöße gekühlt werden, um zu gewährleisten, dass die Ionen eine kleine Verbreiterung der Ionenenergien aufweisen. Dagegen ist der kleinere Drucklängenwert, der beim bekannten Miniatur-Massenspektrometer verwendet wird, nicht ausreichend, um zu ermöglichen, dass Ionen axial beschleunigt werden und auch ausreichend durch Stöße gekühlt werden, um zu gewährleisten, dass die Ionen eine kleine Verbreiterung der Ionenenergien aufweisen.
Daher ist zu verstehen, dass die höhere Drucklänge gemäß der bevorzugten Ausführungsform gegenüber dem bekannten Miniatur-Massenspektrometer besonders vorteilhaft ist.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner eine differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer auf.
Die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer hat vorzugsweise einen Durchmesser ≤ 1,5 mm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die differenzielle Pumpblende oder -öffnung etwa 1,0 mm auf.
Die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer hat vorzugsweise einen Gasdurchsatz ≤ 50 sccm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die differenzielle Pumpblende oder -öffnung einen Gasdurchsatz von etwa 32 sccm.
Die zweite Vakuumkammer ist vorzugsweise dafür eingerichtet, bei einem Druck im Bereich von 0,001–0,1 mbar gehalten zu werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Vakuumkammer bei einem Druck von etwa 0,021 mbar gehalten.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner einen Massenanalysator auf, der in der dritten Vakuumkammer angeordnet ist.
Der Massenanalysator umfasst vorzugsweise einen Quadrupol-Massenanalysator. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Quadrupol-Massenanalysator vier Stabelektroden auf, die einen Durchmesser von etwa 8 mm aufweisen. Zum Vergleich verwendet ein bekanntes Massenspektrometer voller Größe Stabelektroden, die einen Durchmesser von 12 mm aufweisen.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist ferner vorzugsweise eine differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer auf.
Die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer hat vorzugsweise einen Durchmesser ≤ 2,0 mm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die differenzielle Pumpblende oder -öffnung einen Durchmesser von etwa 1,5 mm.
Die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer hat vorzugsweise einen Gasdurchsatz ≤ 1 sccm. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gasdurchsatz etwa 0,25 sccm.
Die dritte Vakuumkammer ist vorzugsweise dafür eingerichtet, bei einem Druck < 0,0003 mbar gehalten zu werden.
Das Miniatur-Massenspektrometer weist ferner vorzugsweise eine zweite Vakuumpumpe auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die zweite Vakuumkammer und die dritte Vakuumkammer zu pumpen.
Die zweite Vakuumpumpe umfasst vorzugsweise eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung.
Die erste Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet und ausgelegt, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die zweite Vakuumpumpe zu wirken.
Die zweite Vakuumpumpe weist vorzugsweise einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen auf.
Die zweite Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die zweite Vakuumkammer mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit von ≤ 70 l/s über den Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen zu pumpen. Es ist zu verstehen, dass das Pumpen der zweiten Vakuumkammer mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit von 70 l/s erheblich schwächer ist als bei herkömmlichen Massenspektrometern voller Größe, bei denen der Zwischenstutzen einer Turbomolekularpumpe mit aufgeteilter Strömung typischerweise mit Geschwindigkeiten von 200 l/s pumpt.
Die zweite Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die zweite Vakuumkammer über den Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 15–70 l/s zu pumpen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Vakuumkammer mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 l/s gepumpt. Es sei bemerkt, dass die zweite Vakuumkammer vorzugsweise mit einer höheren Geschwindigkeit gepumpt wird als die zweite Vakuumkammer des bekannten Miniatur-Massenspektrometers, die mit einer Geschwindigkeit von 8–9 l/s gepumpt wird.
Die zweite Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die dritte Vakuumkammer über den Hochvakuumstutzen mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 40–80 l/s zu pumpen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Vakuumpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 62 l/s betrieben. Es sei bemerkt, dass das Pumpen der dritten Vakuumkammer mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit von 40–80 l/s erheblich schwächer ist als beim herkömmlichen Massenspektrometer voller Größe, wobei der HV-Stutzen einer Turbomolekularpumpe mit aufgeteilter Strömung typischerweise mit Geschwindigkeiten von 300 l/s pumpt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die erste Vakuumkammer mit einer Rotationspumpe gepumpt, die mit einer Frequenz von 25–30 Hz arbeitet und sich mit 15000–18000 U/min dreht. Die zweite und die dritte Vakuumkammer werden vorzugsweise durch eine oder mehrere kleine Turbomolekularpumpen mit einer hohen Rate von 90000 U/min gepumpt (zum Vergleich arbeiten Turbomolekularpumpen voller Größe, wie sie von einem Massenspektrometer voller Größe verwendet werden, typischerweise mit 60000 U/min).
Das Miniatur-Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner eine zweite Vakuumpumpe auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die zweite Vakuumkammer zu pumpen.
Gemäß einer Anordnung kann die zweite Vakuumpumpe eine erste Turbomolekular-Vakuumpumpe umfassen.
Die zweite Vakuumpumpe hat vorzugsweise eine maximale Pumpgeschwindigkeit von ≤ 70 l/s.
Die zweite Vakuumpumpe hat vorzugsweise eine maximale Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 15–70 l/s.
Das Miniatur-Massenspektrometer kann ferner eine dritte Vakuumpumpe aufweisen, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die dritte Vakuumkammer zu pumpen.
Die dritte Vakuumpumpe umfasst vorzugsweise eine zweite Turbomolekular-Vakuumpumpe.
Die dritte Vakuumpumpe hat vorzugsweise eine maximale Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 40–80 l/s.
Die erste Vakuumpumpe ist vorzugsweise dafür eingerichtet und ausgelegt, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die zweite Vakuumpumpe und/oder die dritte Vakuumpumpe zu wirken.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
Bereitstellen eines Miniatur-Massenspektrometers, welches Folgendes aufweist: eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle, eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, eine erste Vakuumpumpe, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer zu pumpen, eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, einen Ionendetektor, der sich in der dritten Vakuumkammer befindet, eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung, welche einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist, wobei die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ≤ 400 mm ist, wobei die erste Vakuumpumpe auch dafür eingerichtet und ausgelegt ist, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zu wirken, und wobei die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s) aufweist,
Betätigen der ersten Vakuumpumpe, um die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten, und
Leiten von Analytionen durch die erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Miniatur-Massenspektrometer vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle und
eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet,
wobei das Massenspektrometer ferner Folgendes aufweist:
eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
Bereitstellen eines Miniatur-Massenspektrometers, welches eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle, eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, aufweist, und
Leiten von Analytionen durch eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle,
eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet,
eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, und
eine erste Vakuumpumpe, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 25 mbar zu halten, wobei die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit von < 10 m³/Stunde (2,78 l/s) aufweist.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner eine oder mehrere Vakuumpumpen auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt sind, die zweite Vakuumkammer mit einer maximalen Rate von ≤ 70 l/s zu pumpen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
Bereitstellen eines Massenspektrometers, welches eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle, eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, aufweist,
Leiten von Analytionen durch eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, und
Halten der ersten Vakuumkammer bei einem Druck von < 25 mbar unter Verwendung einer ersten Vakuumpumpe mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit von < 10 m³/Stunde (2,78 l/s).
Bei dem Verfahren werden ferner eine oder mehrere Vakuumpumpen verwendet, um die zweite Vakuumkammer bei einer maximalen Rate von ≤ 70 l/s zu pumpen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein kompaktes Massenspektrometer mit einem Volumen von weniger als etwa 0,1 m³ vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle,
wenigstens zwei differenzielle Pumpstufen zwischen einem Atmosphäreneinlass und dem Massenanalysator,
wenigstens eine HF-Ionenoptik, die in jeder der wenigstens zwei differenziellen Pumpstufen enthalten ist,
eine oder mehrere Turbomolekular-Vakuumpumpen (oder einen oder mehrere Zwischenstutzen einer einzigen Turbomolekular-Vakuumpumpe), welche verwendet werden, um wenigstens eine der differenziellen Pumpstufen zu pumpen,
wobei an den Stufen, die unter Verwendung einer Turbomolekular-Vakuumpumpe (oder eines Zwischenstutzens einer Turbomolekular-Vakuumpumpe) vakuumgepumpt werden, die Stickstoffpumpgeschwindigkeit des einen oder der mehreren Pumpstutzeneinlässe in jeder der differenziellen Pumpkammern kleiner als 140 l/s ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein kompaktes Massenspektrometer mit einem Volumen von weniger als etwa 0,1 m³ vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle,
wenigstens zwei differenzielle Pumpstufen zwischen einem Atmosphäreneinlass und dem Massenanalysator,
wenigstens eine HF-Ionenoptik, die in jeder der wenigstens zwei differenziellen Pumpstufen enthalten ist,
eine oder mehrere Turbomolekular-Vakuumpumpen oder einen oder mehrere Zwischenstutzen einer einzigen Turbomolekular-Vakuumpumpe, die verwendet werden, um wenigstens eine der differenziellen Pumpstufen zu pumpen,
wobei an den Stufen, die unter Verwendung einer Turbomolekular-Vakuumpumpe oder eines Zwischenstutzens einer Turbomolekular-Vakuumpumpe vakuumgepumpt werden, die Stickstoffpumpgeschwindigkeit des einen oder der mehreren Pumpstutzeneinlässe in jeder der differenziellen Pumpkammern kleiner als 100 l/s ist, und
wobei die Länge der einen oder der mehreren HF-Ionenführungen in jeder differenziellen Pumpstufe < 12 cm ist und wobei die Druckweglänge für jede Stufe zwischen etwa 0,02 Torr-cm und 0,3 Torr-cm liegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein kompaktes Massenspektrometer mit einem Volumen von weniger als etwa 0,1 m³ vorgesehen, welches Folgendes aufweist:
eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle,
zwei differenzielle Pumpstufen zwischen einem Atmosphäreneinlass und dem Massenanalysator,
wenigstens eine HF-Ionenoptik, die in beiden differenziellen Pumpstufen enthalten ist,
eine einzelne Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zum Pumpen des Analysators und der zweiten differenziellen Pumpstufe,
wobei an den Stufen, die unter Verwendung der Turbomolekular-Vakuumpumpe vakuumgepumpt werden, die Stickstoffpumpgeschwindigkeit der Pumpstutzeneinlässe in der Analysatorkammer kleiner als 90 l/s ist und in der zweiten differenziellen Pumpkammer kleiner als 40 l/s ist,
wobei die Druckweglänge in der zweiten Ionenführung zwischen 0,05 und 0,25 Torr-cm liegt und der Umgebungsdruck in diesem Gebiet zwischen 2 × 10^–3 und 4 × 10^–2 mbar liegt, und
wobei der Druck in der ersten differenziellen Pumpstufe zwischen etwa 1 und 8 mbar liegt und der Gasdurchsatz in dieses Gebiet von der API-Quelle kleiner als etwa 500 sccm ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Massenspektrometer ferner Folgendes aufweisen:

(a) eine Ionenquelle, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) einer Elektrosprayionisations-("ESI")-Ionenquelle, (ii) einer Atmosphärendruckphotoionisations-("APPI")-Ionenquelle, (iii) einer Atmosphärendruck-Chemische-Ionisations-("APCI")-Ionenquelle, (iv) einer Matrixunterstützte-Laserdesorptionsionisations-("MALDI")-Ionenquelle, (v) einer Laserdesorptionsionisations-("LDI")-Ionenquelle, (vi) einer Atmosphärendruckionisations-("API")-Ionenquelle, (vii) einer Desorptionsionisation-auf-Silicium-("DIOS")-Ionenquelle, (viii) einer Elektronenstoß-("EI")-Ionenquelle, (ix) einer Chemische-Ionisations-("CI")-Ionenquelle, (x) einer Feldionisations-("FI")-Ionenquelle, (xi) einer Felddesorptions-("FD")-Ionenquelle, (xii) einer Induktiv-gekoppeltes-Plasma-("ICP")-Ionenquelle, (xiii) einer Schneller-Atombeschuss-("FAB")-Ionenquelle, (xiv) einer Flüssigkeits-Sekundärionenmassenspektrometrie-("LSIMS")-Ionenquelle, (xv) einer Desorptionselektrosprayionisations-("DESI")-Ionenquelle, (xvi) einer Radioaktives-Nickel-63-Ionenquelle, (xvii) einer Atmosphärendruck-Matrixunterstützte-Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle, (xviii) einer Thermospray-Ionenquelle, (xix) einer Atmosphärenprobenbildungs-Glimmentladungsionisations-("Atmospheric Sampling Glow Discharge Ionisation" – "ASGDI")-Ionenquelle, (xx) einer Glimmentladungs-("GD")-Ionenquelle, (xxi) einer Impaktorionenquelle, (xxii) einer Direkte-Analyse-in-Echtzeit-("DART")-Ionenquelle, (xxii) einer Lasersprayionisations-("LSI")-Ionenquelle, (xxiv) einer Sonicsprayionisations-("SSI")-Ionenquelle, (xxv) einer matrixunterstützten Einlassionisations-("MAII")-Ionenquelle, (xxvi) einer lösungsmittelunterstützten Einlassionisations-("SAII")-Ionenquelle, (xxvii) einer Desorptionselektrosprayionisations-("DESI")-Ionenquelle und (xxviii) einer Laserablations-Elektrosprayionisations-("LAESI")-Ionenquelle und/oder
(b) eine oder mehrere kontinuierliche oder gepulste Ionenquellen und/oder
(c) eine oder mehrere Ionenführungen und/oder
(d) eine oder mehrere Ionenbeweglichkeitstrennvorrichtungen und/oder eine oder mehrere Feldasymmetrische-Ionenbeweglichkeitsspektrometervorrichtungen und/oder
(e) eine oder mehrere Ionenfallen oder ein oder mehrere Ioneneinsperrgebiete und/oder
(f) eine oder mehrere Kollisions-, Fragmentations- oder Reaktionszellen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus folgenden besteht: (i) einer Stoßinduzierte-Dissoziation-("CID")-Fragmentationsvorrichtung, (ii) einer Oberflächeninduzierte-Dissoziation-("SID")-Fragmentationsvorrichtung, (iii) einer Elektronenübertragungsdissoziations-("ETD")-Fragmentationsvorrichtung, (iv) einer Elektroneneinfangdissoziations-("ECD")-Fragmentationsvorrichtung, (v) einer Elektronenstoß-oder-Aufprall-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (vi) einer Photoinduzierte-Dissoziations-("PID")-Fragmentationsvorrichtung, (vii) einer Laserinduzierte-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (viii) einer Infrarotstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (ix) einer Ultraviolettstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (x) einer Düse-Skimmer-Schnittstelle-Fragmentationsvorrichtung, (xi) einer In-der-Quelle-Fragmentationsvorrichtung, (xii) einer In-der-Quelle-stoßinduzierte-Dissoziation-Fragmentationsvorrichtung, (xiii) einer Thermische-oder-Temperaturquellen-Fragmentationsvorrichtung, (xiv) einer Elektrisches-Feld-induzierte-Fragmentation-Vorrichtung, (xv) einer Magnetfeldinduzierte-Fragmentation-Vorrichtung, (xvi) einer Enzymverdauungs-oder-Enzymabbau-Fragmentationsvorrichtung, (xvii) einer Ion-Ion-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xviii) einer Ion-Molekül-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xix) einer Ion-Atom-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xx) einer Ion-metastabiles-Ion-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxi) einer Ion-metastabiles-Molekül-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxii) einer Ion-metastabiles-Atom-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxiii) einer Ion-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxiv) einer Ion-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxv) einer Ion-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvi) einer Ion-metastabiles-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvii) einer Ion-metastabiles-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxviii) einer Ion-metastabiles-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen und (xxix) einer Elektronenionisationsdissoziations-("EID")-Fragmentationsvorrichtung und/oder
(g) einen Massenanalysator, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) einem Quadrupol-Massenanalysator, (ii) einem Zweidimensionaler-oder-linearer-Quadrupol-Massenanalysator, (iii) einem Paul-oder-dreidimensionaler-Quadrupol-Massenanalysator, (iv) einem Penning-Fallen-Massenanalysator, (v) einem Ionenfallen-Massenanalysator, (vi) einem Magnetsektor-Massenanalysator, (vii) einem Ionenzyklotronresonanz-("ICR")-Massenanalysator, (viii) einem Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-("FTICR")-Massenanalysator, (ix) einem elektrostatischen Massenanalysator, der dafür eingerichtet ist, ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung zu erzeugen, (x) einem elektrostatischen Fouriertransformations-Massenanalysator, (xi) einem Fouriertransformations-Massenanalysator, (xii) einem Flugzeit-Massenanalysator, (xiii) einem Orthogonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und (xiv) einem Linearbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und/oder
(h) einen oder mehrere Energieanalysatoren oder elektrostatische Energieanalysatoren und/oder
(i) einen oder mehrere Ionendetektoren und/oder
(j) ein oder mehrere Massenfilter, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus folgenden besteht: (i) einem Quadrupol-Massenfilter, (ii) einer Zweidimensionaler-oder-linearer-Quadrupol-Ionenfalle, (iii) einer Paul-oder-dreidimensionaler-Quadrupol-Ionenfalle, (iv) einer Penning-Ionenfalle, (v) einer Ionenfalle, (vi) einem Magnetsektor-Massenfilter, (vii) einem Flugzeit-Massenfilter und (viii) einem Wien-Filter und/oder
(k) eine Vorrichtung oder ein Ionengatter zum Pulsieren von Ionen und/oder
(l) eine Vorrichtung zum Umwandeln eines im Wesentlichen kontinuierlichen Ionenstrahls in einen gepulsten Ionenstrahl.

Das Massenspektrometer kann ferner eines der Folgenden aufweisen:

(i) eine C-Falle und einen Massenanalysator mit einer äußeren rohrförmigen Elektrode und einer koaxialen inneren spindelartigen Elektrode, die ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung bilden, wobei in einem ersten Betriebsmodus Ionen zur C-Falle überführt werden und dann in den Massenanalysator injiziert werden und wobei in einem zweiten Betriebsmodus Ionen zur C-Falle überführt werden und dann zu einer Stoßzelle oder Elektronenübertragungsdissoziationsvorrichtung überführt werden, wo zumindest einige Ionen in Fragmentionen fragmentiert werden, und wobei die Fragmentionen dann zur C-Falle überführt werden, bevor sie in den Massenanalysator injiziert werden, und/oder
(ii) eine Ringstapel-Ionenführung mit mehreren Elektroden, die jeweils eine Öffnung aufweisen, von der Ionen bei der Verwendung durchgelassen werden, und wobei der Abstand zwischen den Elektroden längs dem Ionenweg zunimmt und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt der Ionenführung einen ersten Durchmesser aufweisen und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem stromabwärts gelegenen Abschnitt der Ionenführung einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der erste Durchmesser ist, und wobei entgegengesetzte Phasen einer Wechsel- oder HF-Spannung bei der Verwendung an aufeinander folgende Elektroden angelegt werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Massenspektrometer ferner eine Vorrichtung auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, den Elektroden eine Wechsel- oder HF-Spannung zuzuführen. Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Amplitude, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) < 50 V Spitze-zu-Spitze, (ii) 50–100 V Spitze-zu-Spitze, (iii) 100–150 V Spitze-zu-Spitze, (iv) 150–200 V Spitze-zu-Spitze, (v) 200–250 V Spitze-zu-Spitze, (vi) 250–300 V Spitze-zu-Spitze, (vii) 300–350 V Spitze-zu-Spitze, (viii) 350–400 V Spitze-zu-Spitze, (ix) 400–450 V Spitze-zu-Spitze, (x) 450–500 V Spitze-zu-Spitze und (xi) > 500 V Spitze-zu-Spitze.
Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Frequenz, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) < 100 kHz, (ii) 100–200 kHz, (iii) 200–300 kHz, (iv) 300–400 kHz, (v) 400–500 kHz, (vi) 0,5–1,0 MHz, (vii) 1,0–1,5 MHz, (viii) 1,5–2,0 MHz, (ix) 2,0–2,5 MHz, (x) 2,5–3,0 MHz, (xi) 3,0–3,5 MHz, (xii) 3,5–4,0 MHz, (xiii) 4,0–4,5 MHz, (xiv) 4,5–5,0 MHz, (xv) 5,0–5,5 MHz, (xvi) 5,5–6,0 MHz, (xvii) 6,0–6,5 MHz, (xviii) 6,5–7,0 MHz, (xix) 7,0–7,5 MHz, (xx) 7,5–8,0 MHz, (xxi) 8,0–8,5 MHz, (xxii) 8,5–9,0 MHz, (xxiii) 9,0–9,5 MHz, (xxiv) 9,5–10,0 MHz und (xxv) > 10,0 MHz.
Das Massenspektrometer kann auch eine Chromatographie- oder andere Trennvorrichtung stromaufwärts einer Ionenquelle aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Chromatographietrennvorrichtung eine Flüssigchromatographie- oder Gaschromatographievorrichtung auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Trennvorrichtung Folgendes aufweisen: (i) eine Kapillarelektrophorese-("CE")-Trennvorrichtung, (ii) eine Kapillarelektrochromatographie-("CEC")-Trennvorrichtung, (iii) eine Trennvorrichtung mit einem im Wesentlichen starren keramikbasierten mehrschichtigen Mikrofluidsubstrat ("Keramikkachel") oder (iv) eine Überkritisches-Fluid-Chromatographie-Trennvorrichtung.
Die Ionenführung wird vorzugsweise bei einem Druck gehalten, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) < 0,0001 mbar, (ii) 0,0001–0,001 mbar, (iii) 0,001–0,01 mbar, (iv) 0,01–0,1 mbar, (v) 0,1–1 mbar, (vi) 1–10 mbar, (vii) 10–100 mbar, (viii) 100–1000 mbar und (ix) > 1000 mbar.
Gemäß einer Ausführungsform können Analytionen einer Elektronenübertragungsdissoziations-("ETD")-Fragmentation in einer Elektronenübertragungsdissoziations-Fragmentationsvorrichtung unterzogen werden. Analytionen werden vorzugsweise veranlasst, mit ETD-Reagensionen innerhalb einer Ionenführung oder Fragmentationsvorrichtung zu interagieren.
Gemäß einer Ausführungsform werden zum Bewirken einer Elektronenübertragungsdissoziation entweder: (a) Analytionen fragmentiert oder zum Dissoziieren und zum Bilden von Produkt- oder Fragmentionen gebracht, nachdem sie mit Reagensionen interagiert haben und/oder (b) Elektronen von einem oder mehreren Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (c) Analytionen fragmentiert werden oder dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, nachdem sie mit neutralen Reagensgasmolekülen oder Atomen oder einem nicht ionischen Reagensgas interagiert haben, und/oder (d) Elektronen von einem oder mehreren neutralen nicht ionischen oder ungeladenen Ausgangsgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen werden, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (e) Elektronen von einem oder mehreren neutralen nicht ionischen oder ungeladenen Superbasis-Reagensgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen werden, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (f) Elektronen von einem oder mehreren neutralen, nicht ionischen oder ungeladenen Alkalimetallgasen oder -dämpfen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen werden, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, und/oder (g) Elektronen von einem oder mehreren neutralen, nicht ionischen oder ungeladenen Gasen, Dämpfen oder Atomen zu einem oder mehreren mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen übertragen werden, woraufhin wenigstens einige der mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen dazu gebracht werden, zu dissoziieren und Produkt- oder Fragmentionen zu bilden, wobei das eine oder die mehreren neutralen, nicht ionischen oder ungeladenen Gase, Dämpfe oder Atome aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus folgenden besteht: (i) Natriumdampf oder -atomen, (ii) Lithiumdampf oder -atomen, (iii) Kaliumdampf oder -atomen, (iv) Rubidiumdampf oder -atomen, (v) Cäsiumdampf oder -atomen, (vi) Franciumdampf oder -atomen, (vii) C₆₀-Dampf oder -Atomen und (viii) Magnesiumdampf oder -atomen.
Die mehrfach geladenen Analytkationen oder positiv geladenen Ionen umfassen vorzugsweise Peptide, Polypeptide, Proteine oder Biomoleküle.
Gemäß einer Ausführungsform werden zum Bewirken einer Elektronenübertragungsdissoziation: (a) die Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen von einem polyaromatischen Kohlenwasserstoff oder einem substituierten polyaromatischen Kohlenwasserstoff abgeleitet und/oder (b) die Reagensanionen oder negativ geladenen Ionen von der Gruppe abgeleitet, die aus folgenden besteht: (i) Anthracen, (ii) 9,10-Diphenyl-anthracen, (iii) Naphthalen, (iv) Fluor, (v) Phenanthren, (vi) Pyren, (vii) Fluoranthen, (viii) Chrysen, (ix) Triphenylen, (x) Perylen, (xi) Acridin, (xii) 2,2'-Dipyridyl, (xiii) 2,2'-Biquinolin, (xiv) 9-Anthracencarbonitril, (xv) Dibenzothiophen, (xvi) 1,10'-Phenanthrolin, (xvii) 9'-Anthracencarbonitril und (xviii) Anthraquinon und/oder (c) weisen die Reagensionen oder negativ geladenen Ionen Azobenzenanionen oder Azobenzen-Radikalanionen auf.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Prozess der Elektronenübertragungsdissoziationsfragmentation die Wechselwirkung von Analytionen mit Reagensionen, wobei die Reagensionen Dicyanobenzen, 4-Nitrotoluen oder Azulen umfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine Auftragung der relativen Ionentransmission als Funktion des Durchmessers einer Öffnung in einem atmosphärischen Probenbildungskegel,
2 eine Auftragung der relativen Ionentransmission als Funktion des Durchmessers einer Gasbegrenzungsöffnung, die sich zwischen den ersten beiden Gebieten des differenziellen Pumpens eines Massenspektrometers befindet,
3 eine Tabelle, welche schematische Darstellungen verschiedener Anordnungen von Massenspektrometern mit zunehmenden Anzahlen differenzieller Pumpstufen und mit und ohne eine in der ersten Stufe bereitgestellte HF-Ionenführung zeigt,
4 eine Auftragung der Ionentransmission durch ein Quadrupol-Massenfilter als Funktion des Vakuumdrucks, bei dem das Massenfilter betrieben wird,
5A eine Auftragung des innerhalb HF-Ionenführungen verschiedener Geometrien gebildeten Pseudopotentials und 5B eine Auftragung des innerhalb HF-Ionenführungen verschiedener Geometrien gebildeten Pseudopotentials über einen beschränkten Pseudopotentialbereich, um die verschiedenen Fokussiereigenschaften der Ionenführungen hervorzuheben,
6 eine Auftragung der relativen Ionentransmission als Funktion des Durchmessers einer Gasbegrenzungsöffnung, die sich zwischen dem zweiten Gebiet des differenziellen Pumpens und einer Kammer befindet, welche einen Massenanalysator aufnimmt, wenn die verwendete HF-Ionenführung entweder ein Quadrupol oder ein Hexapol war,
7 eine schematische Darstellung eines kompakten Massenspektrometers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
die 8A und 8B zwei SIR-Datensätze, welche das Ansprechen, welches unter Verwendung eines Prototyps eines kompakten Massenspektrometers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, mit dem Spezifikationsniveau (gepunktete Linie) für ein herkömmliches Massenspektrometer vergleichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Die bevorzugte Ausführungsform betrifft ein kompaktes oder Miniatur-Massenspektrometer, welches vorzugsweise ein Empfindlichkeitsniveau behält, das jenen heutiger kommerzieller Massenspektrometer voller Größe ähnelt, welches jedoch erheblich kleiner (< 0,05 m³ gegenüber > 0,15 m³ für ein herkömmliches Instrument voller Größe), leichter (< 30 kg gegenüber > 70 kg) und weniger kostspielig ist.
Das bevorzugte Miniatur-Massenspektrometer verwendet eine kleine unterstützende Vakuumpumpe und eine kleine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit erheblich geringeren Pumpgeschwindigkeiten (< 70 l/s gegenüber > 300 l/s für eine Turbomolekular-Vakuumpumpe voller Größe und < 5 m³/Stunde gegenüber > 30 m³/Stunde für die unterstützende Vakuumpumpe) als ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe, welches folglich erheblich weniger Elektrizität verbraucht und erheblich weniger Wärme und Geräusche erzeugt als ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe.
Das bevorzugte Massenspektrometer wird vorzugsweise für eine Echtzeit-Onlineanalyse von Proben verwendet, die unter Verwendung einer Hochdruck- oder Ultrahochdruck-Flüssigchromatographie (HPLC/UHPLC) getrennt werden. Dabei wird die Empfindlichkeit des Massenspektrometers üblicherweise in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis der massenspektralen Intensität beschrieben, die für eine gegebene Menge eines spezifischen Moleküls erhalten wird, während es aus dem Flüssigchromatographie-(LC)-System eluiert. Beispielsweise besteht die Empfindlichkeitsspezifikation für ein herkömmliches Massenspektrometer voller Größe, welches ein einziges Quadrupol-Massenspektrometer umfasst, darin, dass 1 pg bei einer Säuleninjektion (5 μl von 0,2 pg/μl) von Reserpin ein chromatographisches Signal-Rausch-Verhältnis (S:N) von größer als 120:1 für m/z 609 ergeben sollte.
Die Fähigkeit zum Detektieren von weniger Material an der Säule beim gleichen Signal-Rausch-Niveau oder ein höherer Signal-Rausch-Wert für das gleiche Material an der Säule würden beide einer verbesserten Empfindlichkeit entsprechen. Ein üblicher Weg zum Spezifizieren der letztendlichen Empfindlichkeit eines Massenspektrometers besteht darin, einen Detektionsgrenzwert ("LOD-Wert") oder einen Quantisierungsgrenzwert ("LOQ-Wert") anzugeben. Typischerweise soll der LOD-Wert ein Signal-Rausch-Verhältnis von 3:1 bedeuten und soll der LOQ-Wert ein Signal-Rausch-Verhältnis von 10:1 bedeuten.
Veröffentlichte Daten für das von Microsaic hergestellte bekannte Miniatur-Massenspektrometer sagen aus, dass der LOD-Wert 5 ng an der Säule für dieses Instrument ist, d.h. dass es 5000 Mal mehr Material an der Säule (5 ng gegenüber 1 pg) benötigt, um ein erheblich schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis (3:1 gegenüber 120:1) zu erhalten. Wenn eine große Nachsäulenaufteilung berücksichtigt wird, beträgt der tatsächliche LOD-Wert für das Microsaic-Massenspektrometer etwa 1 pg. Dagegen beträgt eine Quantisierungsgrenze (LOQ) für einen Prototypen eines Miniatur-Massenspektrometers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung etwa 0,1 pg Material an der Säule. Der LOD-Wert liegt unterhalb dieses Niveaus und hebt die Empfindlichkeitsvorteile des Miniatur-Massenspektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem bekannten Miniatur-Massenspektrometer hervor. Ferner bietet die Verbesserung der Empfindlichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung einen größeren linearen Dynamikbereich. Gemäß veröffentlichten Daten für das Microsaic-Instrument hat das Instrument einen linearen Dynamikbereich von bestenfalls 0,5 μg/ml bis 65 μg/ml, was etwa 2 Größenordnungen entspricht. Dagegen ist das Massenspektrometer gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage, über 4 Größenordnungen des Dynamikbereichs lineare Daten zu erzeugen.
3 fasst die grundlegenden differenziellen Pumpschemata zusammen, die möglicherweise mit einem Massenspektrometer verwendet werden könnten, bei dem die Anzahl der differenziellen Pumpstufen zwischen null und drei variiert und die erste Stufe des differenziellen Pumpens möglicherweise eine HF-Ionenführung enthält.
Der Begriff HF-Ionenführung betrifft in diesem Zusammenhang solche Vorrichtungen wie Quadrupole, Hexapole, Oktopole, Multipole, Ringstapel-Ionenführungen, laufende Wellen-Ionenführungen, Ionentrichter usw. und/oder Kombinationen davon (ist jedoch nicht darauf beschränkt). 3 zeigt nur als Beispiel die differenziellen Pumpschemata vor einem einzigen Quadrupol-Massenanalysator und einem Ionendetektor. Die differenziellen Pumpstufen können durch Turbomolekular- und/oder Mitnahme- und/oder Diffusions- und/oder Rotations- und/oder Scroll- und/oder Membranvakuumpumpen vakuumgepumpt werden.
Differenzielle Pumpschemata mit null oder einer Stufe werden infolge des großen Druckabfalls zwischen Stufen, wofür entweder kleine Öffnungen oder große Vakuumpumpen benötigt werden, nicht typischerweise angetroffen.
Es ist ersichtlich, dass, wenn die Anzahl der differenziellen Pumpstufen zunimmt, dies zu einer entsprechenden Erhöhung der Gesamtlänge des Massenspektrometers führt. Ebenso führt auch die Aufnahme einer HF-Ionenführung innerhalb einer differenziellen Pumpstufe zu einer Erhöhung der Länge des Massenspektrometers.
Um ein Massenspektrometers zu erzeugen, das so klein wie möglich ist, ist es daher vorteilhaft, die Anzahl der differenziellen Pumpstufen zu minimieren und die Anzahl der verwendeten Ionenführungen zu minimieren. Dies steht jedoch im Widerspruch zur Anforderung entweder größerer Vakuumpumpen oder kleinerer Öffnungen bei weniger differenziellen Pumpstufen, was zu einem insgesamt größeren Massenspektrometer oder einem unempfindlichen Massenspektrometer führt.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine optimale Konfiguration existiert, bei der die Größe des Massenspektrometers verringert werden kann, um in einen kompakten Formfaktor zu passen, wobei kleine Vakuumpumpen verwendet werden, jedoch auch ein Empfindlichkeitsniveau bereitgestellt wird, das jenem entspricht, das von einem herkömmlichen Massenspektrometer voller Größe nach dem Stand der Technik erhalten wird.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Druck im den Massenanalysator enthaltenden Gebiet (in diesem Fall ein Quadrupol-Massenfilter) erheblich ansteigen gelassen werden kann, ohne die Empfindlichkeit erheblich zu beeinträchtigen. Beispieldaten sind in 4 bereitgestellt, welche die relative Transmission von Ionen durch einen auflösenden Quadrupol als Funktion des Drucks im Gebiet, in dem sich der Quadrupol befindet, zeigt. Bei diesem Beispiel betrug die Länge des Quadrupols etwa 13 cm und war sein Feldradius r0 (d.h. der Radius des in die vier Stäbe des Quadrupols eingeschriebenen Kreises) etwa 5,3 mm. Es sei bemerkt, dass die horizontale Achse (Vakuumdruck) in 4 logarithmisch ist, wobei Daten über einen breiten Druckbereich erfasst wurden. Es ist ersichtlich, dass eine Druckänderung von 7 × 10^–6 mbar auf 7 × 10^–5 mbar zu einer Verringerung der Ionentransmission auf etwa 52 % führt. Daher wird die Transmission trotz der Druckerhöhung um eine Größenordnung (10x) nur um einen Faktor zwei (2x) verringert.
Der Transmissionsverlust bei höheren Drücken ist auf Kollisionen der Ionen mit Restgasmolekülen zurückzuführen, welche entweder das interessierende Ion neutralisieren können oder bewirken können, dass es mit einem der Quadrupolstäbe zusammenstößt oder auf andere Weise instabil wird und dem System verloren geht. Dies ist im Wesentlichen ein Phänomen der mittleren freien Weglänge (mfp), wobei der zunehmende Druck und daher die zunehmende Anzahl von Hintergrundgasmolekülen zu einer Verringerung der durchschnittlichen Strecke führt, über welche sich ein Ion bewegt, bevor es eine Kollision durchmacht.
Die Erfinder haben auch erkannt, dass durch Verringern sowohl der Länge des Quadrupols als auch seines Feldradius die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ion bei einem gegebenen Druck kollidiert, kleiner ist als beim größeren Quadrupol. In einer ersten Näherung gleicht beispielsweise eine Verringerung sowohl der Länge als auch des Feldradius auf zwei Drittel der Länge/des Radius eines Quadrupols gewöhnlicher Größe die Verringerung der Transmission in einer ersten Näherung aus, indem erlaubt wird, dass der Hintergrunddruck um eine Größenordnung ansteigt. In einer ersten Näherung ermöglicht dann die Verwendung eines kleineren Quadrupols die Verwendung einer kleineren Turbovakuumpumpe für das Pumpen des Analysatorgebiets (woraus sich eine Druckerhöhung ergibt), ohne die Gesamtionentransmission zu beeinträchtigen.
Herkömmlicherweise werden Multipole höherer Ordnung (beispielsweise Hexapole oder Oktopole) oder Ringstapel-Ionenführungen als Ionenführungen verwendet, um Ionen wirksam durch ein differenzielles Pumpgebiet zu transportieren. Diese Ionenführungstypen sind aus zwei Gründen bevorzugt. Erstens sind die Form des Pseudopotentials von Multipolen höherer Ordnung und die Form des Pseudopotentials von Ringstapel-Ionenführungen im Zentrum der Ionenführung flacher und haben auch steile Wände, was beides bei einem anfänglichen Einfangen der durch eine Gasbegrenzungsöffnung in das differenzielle Pumpgebiet eintretenden Ionen hilft. Diese können in den 5A und 5B verglichen werden, worin die Pseudopotentialwannentiefe für einen Quadrupol, einen Hexapol, einen Oktopol und eine Ringstapel-Ionenführung aufgetragen sind, die alle unter den gleichen HF-Spannungsbedingungen und beim gleichen eingeschriebenen Durchmesser betrieben werden. Zweitens haben diese Vorrichtungen ein breiteres Massentransmissionsfenster für eine festgelegte Betriebsbedingung (HF-Frequenz, HF-Spannungsamplitude usw.) als Quadrupole. Der Vorteil der Verwendung von Quadrupol-Ionenführungen besteht jedoch darin, dass sie Ionen besser auf die zentrale ionenoptische Achse fokussieren können, wodurch es dann einfacher wird, die Ionen in eine kleine Öffnung am Ausgang der Ionenführung und durch diese hindurch und in die nachfolgende Vakuumkammer zu fokussieren. Dies ist in 5B hervorgehoben, worin die gleichen Daten wie in 5A dargestellt sind, wobei die vertikale Skala jedoch begrenzt wurde, um die Bildung des Pseudopotentials genau im Zentrum der zu vergleichenden Ionenführungen zu ermöglichen. Es ist aus 5B ersichtlich, dass das Pseudopotential für eine Quadrupol-Ionenführung steiler ist, was zu einem verbesserten Fokussierungsverhalten führt.
Die Erfinder haben auch erkannt, dass für kleinere Austrittsöffnungen der Vorteil einer besseren Ionenfokussierung durch die Austrittsöffnung den Nachteil eines schlechteren anfänglichen Ioneneinfangs am Eingang der Ionenführung überwiegt. Dies ist in 6 hervorgehoben, worin die normierte Transmission durch Austrittsöffnungen verschiedener Durchmesser sowohl für Hexapol- als auch für Quadrupol-Ionenführungen aufgetragen ist. Wie anhand der Daten ersichtlich ist, ist, wenn an Stelle einer 3-mm-Öffnung eine kleinere 1,5-mm-Öffnung verwendet wird, die Transmission durch die kleinere Öffnung für die Quadrupol-Ionenführung um einen Faktor von wenigstens zwei überlegen und nur etwas schlechter als die beste Transmission, die unter Verwendung eines Hexapols irgendeines Durchmessers erhalten wird. Demgemäß kann durch die Verwendung einer Quadrupol-Ionenführung an Stelle einer Hexapol-Ionenführung eine kleinere Öffnung verwendet werden, ohne die Ionentransmission nachteilig zu verringern.
Ferner verringert die kleinere Öffnung den Gasstrom in die anschließende Vakuumkammer und ermöglicht daher, dass in der Massenanalysatorkammer eine Vakuumpumpe mit einer geringeren Pumpgeschwindigkeit verwendet wird, während der gleiche Vakuumdruck beibehalten wird. Alternativ ermöglicht die Verwendung einer kleineren Öffnung, dass der Druck in der Ionenführung erhöht wird, ohne den Gasstrom in die anschlißende Kammer zu erhöhen.
Die Ionentransmission durch eine Quadrupol-Ionenführung wird bei einer als Druckweglänge bezeichneten bestimmten Gütezahl optimiert. Zum Erhalten der Druckweglängenzahl wird die Länge der Ionenführung in cm mit dem Vakuumdruck in der Kammer in Torr multipliziert, um einen Wert in Einheiten von Torr-cm zu erhalten. Die Erfinder haben erkannt, dass für ein Miniatur-Massenspektrometer oder ein kompaktes Massenspektrometer die Länge der Ionenführung geringer sein sollte als bei herkömmlichen Massenspektrometern und dass der Vakuumdruck im Gebiet in Kompensation erhöht werden sollte, um die Druckweglänge bei einem optimalen Wert zu halten. Normalerweise würde durch Ermöglichen, dass der Druck in diesem Gebiet ansteigt, der Gasstrom in der nachfolgenden Vakuumkammer erhöht werden, was entweder zu einer Erhöhung des Drucks in der nachfolgenden Kammer oder dazu, dass es erforderlich wäre, eine Vakuumpumpe mit einer höheren Pumpgeschwindigkeit zu verwenden, führt. Wie vorstehend beschrieben wurde, ermöglicht die Verwendung einer Quadrupol-Ionenführung jedoch, dass die Austrittsöffnung kleiner ist und so eine Erhöhung des Drucks durch eine Beschränkung der Austrittsöffnung ausgeglichen werden kann, so dass sich keine Nettoänderung des Gasstroms in die Massenanalysatorkammer ergibt. Zusätzlich und wie auch vorstehend beschrieben wurde, ermöglicht die Verwendung eines kleineren analytischen Quadrupols, dass höhere Drücke im Analysatorgebiet in dem Fall toleriert werden, dass der Druckanstieg im Ionenführungsgebiet nicht vollständig durch eine Verringerung der Austrittsöffnung kompensiert werden kann, ohne die Ionentransmission zu verringern.
Die Erfinder haben auch erkannt, dass durch die Verwendung von Ionenführungen in beiden Stufen eines zweistufigen differenziellen Pumpschemas eine bessere Ionentransmission erhalten wird. Dies ermöglicht dann die Verwendung einer kleineren Probenahmeöffnung und einer kleineren Vakuumpumpe (wodurch die Ionentransmission verringert wird, wie bereits in 1 hervorgehoben wurde), so dass eine Situation erreicht wird, in der die Gesamtionentransmission die gleiche ist wie bei einem System, bei dem nur eine einzige Ionenführung in einem zweistufigen differenziellen Pumpschema verwendet wird, jedoch bei Verwendung einer größeren Probenahmeöffnung und einer größeren Vakuumpumpe. Der Nachteil für ein Miniatur-Massenspektrometer/ein kompaktes Massenspektrometer besteht darin, dass die Gesamtlänge des Massenspektrometers durch die Hinzufügung einer zweiten HF-Ionenführung leicht erhöht wird. Wie jedoch bereits zuvor erwähnt wurde, ermöglicht die Verwendung eines höheren Drucks im die zweite Ionenführung enthaltenden Gebiet die Verwendung einer kurzen Ionenführung. Mit dieser Verringerung und durch die Verwendung einer kurzen ersten HF-Ionenführung kann eine duale Ionenführungsanordnung bereitgestellt werden, die eine geringere Länge aufweist als eine herkömmliche Einzelionenführungskonfiguration.
7 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Massenspektrometer weist eine Elektrospray-Ionisationsquelle 701 auf, die beim Atmosphärendruck arbeitet. Ionen werden durch eine kleine Öffnung in das erste differenzielle Pumpgebiet eingelassen und in eine duale verbundene Ringstapel-Ionenführung 702 geleitet. Die Ionen treten im Gebiet, in dem die gestapelten Ringe einen großen Durchmesser aufweisen, in die Ionenführung 702 ein, und die Ionen werden dann orthogonal in den gestapelten Ring mit einem geringeren Durchmesser bewegt, wo sie zu einer kleinen Austrittsöffnung und in eine zweite differenzielle Pumpstufe geleitet werden. Eine kurze Quadrupol-Ionenführung 703 transportiert die Ionen dann wirksam durch die zweite differenzielle Pumpstufe und leitet die Ionen zu einer anderen kleinen Austrittsöffnung und in eine Analysatorkammer, welche einen kleinen Quadrupol-Massenanalysator 704 und einen Ionendetektor 705 enthält. Eine kleine Turbomolekular-Vakuumpumpe 706 mit aufgeteiltem Strom wird vorzugsweise für das Pumpen sowohl des Analysatorgebiets (unter Verwendung des Haupt-HV-Pumpstutzens) als auch der zweiten differenziellen Pumpstufe (unter Verwendung des Zwischen-/Zwischenstufenstutzens) verwendet. Die Turbomolekular-Vakuumpumpe wird entweder durch eine kleine Drehflügel-Vakuumpumpe oder eine kleine Membranvakuumpumpe 707 unterstützt, welche vorzugsweise auch verwendet wird, um die erste differenzielle Pumpstufe zu pumpen.
Um zu zeigen, dass eine vergleichbare Leistungsfähigkeit wie bei einem herkömmlichen Massenspektrometer voller Größe durch ein kompaktes Massenspektrometer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 7 dargestellt, und in Übereinstimmung mit den vorstehend beschriebenen Faktoren erhalten werden kann, wurde ein Prototyp gebaut und anhand der Spezifikationswerte für ein Massenspektrometer voller Größe getestet. Die erhaltenen Daten sind in den 8A und 8B dargestellt.
Die 8A und 8B zeigen zwei SIR-(Ausgewählte-Ionenreaktions)-Chromatogramme, die für eine Probe von Sulfadimethoxin bei einer Konzentration von 10 pg/μl (8A – positives Ion) und für eine Probe von Chloramphenicol bei einer Konzentration von 5 pg/μl (8B – negatives Ion) erhalten wurden. Die gepunkteten Linien zeigen das Spezifikationsniveau für das entsprechende Experiment bei einem herkömmlichen Massenspektrometer voller Größe aus dem Stand der Technik. Wie ersichtlich ist, übersteigt die Intensität des Signals beim positiven Ion die Spezifikation um etwa 50 %, während die Signalintensität beim negativen Ion die Spezifikation um etwa 400 % übersteigt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind eine verbundene Ringstapel-Ionenführung und eine Quadrupol-Ionenführung vorgesehen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann jedoch eine dieser Ionenführungen durch einen Quadrupol, einen Hexapol, einen Oktopol, einen Ionentrichter, einen Ionentunnel, eine laufende Welle (wobei eine oder mehrere transiente Gleichspannungen an die Elektroden der Ionenführung angelegt werden) oder eine verbundene Ionenführung ersetzt werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird vorzugsweise eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem Zwischenpumpstutzen verwendet. Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform können jedoch stattdessen zwei (oder mehr) getrennte Turbomolekular-Vakuumpumpen verwendet werden.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom in den anliegenden Ansprüchen dargelegten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Miniatur-Massenspektrometer, welches Folgendes aufweist: eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle, eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, eine erste Vakuumpumpe, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer zu pumpen, wobei die erste Vakuumpumpe dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten, eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, einen Ionendetektor, der sich in der dritten Vakuumkammer befindet, wobei die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ≤ 400 mm ist, wobei das Massenspektrometer ferner Folgendes aufweist: eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung, die einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist, wobei die erste Vakuumpumpe auch dafür eingerichtet und ausgelegt ist, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zu wirken, und wobei die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s) aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die erste Vakuumpumpe eine Drehflügel-Vakuumpumpe oder eine Membranvakuumpumpe umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Vakuumkammer ein Innenvolumen ≤ 500 cm³ aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die zweite Vakuumkammer ein Innenvolumen ≤ 500 cm³ aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Vakuumkammer ein Innenvolumen ≤ 2000 cm³ aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gesamtinnenvolumen der ersten, der zweiten und der dritten Vakuumkammer ≤ 2000 cm³ ist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Atmosphärendruck-Ionisationsquelle eine Elektrosprayionisations-Ionenquelle, eine Mikrosprayionisations-Ionenquelle, eine Nanosprayionisations-Ionenquelle oder eine Chemische-Ionisations-Ionenquelle umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste HF-Ionenführung eine duale verbundene Ringstapel-Ionenführung umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste HF-Ionenführung eine Multipol-Ionenführung, eine Ringstapel-Ionenführung oder eine Ionentrichter-Ionenführung umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste HF-Ionenführung eine Länge < 120 mm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare einen Durchmesser ≤ 0,3 mm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare einen Gasdurchsatz ≤ 850 sccm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Produkt aus dem Druck P₁ in der Umgebung der ersten HF-Ionenführung und der Länge L₁ der ersten HF-Ionenführung im Bereich von 10–100 mbar-cm liegt.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine zweite HF-Ionenführung aufweist, die sich in der zweiten Vakuumkammer befindet.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 14, wobei die zweite HF-Ionenführung eine duale verbundene Ringstapel-Ionenführung, eine Multipol-Ionenführung, eine Ringstapel-Ionenführung oder eine Ionentrichter-Ionenführung umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Produkt aus dem Druck P₂ in der Umgebung der zweiten HF-Ionenführung und der Länge L₂ der zweiten HF-Ionenführung im Bereich von 0,05–0,3 mbar-cm liegt.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 17, wobei die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer einen Durchmesser ≤ 1,5 mm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 17 oder 18, wobei die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der ersten Vakuumkammer und der zweiten Vakuumkammer einen Gasdurchsatz ≤ 50 sccm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vakuumkammer dafür eingerichtet ist, bei einem Druck im Bereich von 0,001–0,1 mbar gehalten zu werden.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner einen in der dritten Vakuumkammer angeordneten Massenanalysator aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 21, wobei der Massenanalysator einen Quadrupol-Massenanalysator umfasst.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 23, wobei die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer einen Durchmesser ≤ 2,0 mm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach Anspruch 23 oder 24, wobei die differenzielle Pumpblende oder -öffnung zwischen der zweiten Vakuumkammer und der dritten Vakuumkammer einen Gasdurchsatz ≤ 1 sccm aufweist.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Vakuumkammer dafür eingerichtet ist, bei einem Druck < 0,0003 mbar gehalten zu werden.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung dafür eingerichtet ist, die zweite Vakuumkammer über den Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit ≤ 70 l/s zu pumpen.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung dafür eingerichtet ist, die zweite Vakuumkammer über den Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 15–70 l/s zu pumpen.
Miniatur-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung dafür eingerichtet ist, die dritte Vakuumkammer über den Hochvakuumstutzen mit einer maximalen Pumpgeschwindigkeit im Bereich von 40–80 l/s zu pumpen.
Verfahren zur Massenspektrometrie, welches Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Miniatur-Massenspektrometers, welches Folgendes aufweist: eine Atmosphärendruck-Ionisationsquelle, eine erste Vakuumkammer mit einer Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare, eine zweite Vakuumkammer, die sich stromabwärts der ersten Vakuumkammer befindet, und eine dritte Vakuumkammer, die sich stromabwärts der zweiten Vakuumkammer befindet, eine erste Vakuumpumpe, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, die erste Vakuumkammer zu pumpen, eine erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, einen Ionendetektor, der sich in der dritten Vakuumkammer befindet, eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung, welche einen mit der zweiten Vakuumkammer verbundenen Zwischen- oder Zwischenstufenstutzen und einen mit der dritten Vakuumkammer verbundenen Hochvakuum-("HV")-Stutzen aufweist, wobei die Ionenweglänge von der Atmosphärendruck-Probenahmeöffnung oder -kapillare zu einer Ionendetektionsfläche des Ionendetektors ≤ 400 mm ist, wobei die erste Vakuumpumpe auch dafür eingerichtet und ausgelegt ist, als eine unterstützende Vakuumpumpe für die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit aufgeteilter Strömung zu wirken, und wobei die erste Vakuumpumpe eine maximale Pumpgeschwindigkeit ≤ 10 m³/Stunde (2,78 l/s) aufweist, Betätigen der ersten Vakuumpumpe, um die erste Vakuumkammer bei einem Druck < 10 mbar zu halten, und Leiten von Analytionen durch die erste HF-Ionenführung, die sich innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet.