DE19515271A1

DE19515271A1 - Verfahren und Vorrichtungen für den gasgeführten Transport von Ionen durch Rohre

Info

Publication number: DE19515271A1
Application number: DE19515271A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franzen
Original assignee: Bruken Franzen Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: US5736740A; DE19515271C2; GB9608497D0; GB2300295A; GB2300295B

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für den Transport von Ionen in einem la minaren Gasstrom durch ein Rohr, vorzugsweise durch ein Kapillarrohr.

Die Ionen dürfen beim Transport nicht die Wand der Kapillare berühren, da sie sonst im Wand stoß entladen werden. Die Erfindung besteht darin, die im Gasstrom viskos mitgeführten Ionen durch eine gasdynamische Fokussierung in die Mitte des Gasstroms von Wandstößen freizuhal ten. Die Fokussierung wird dadurch erzeugt, daß die Ionen durch ein elektrisches Feld gegen über dem Gasstrom gebremst werden, so daß sie an jeder Stelle eine geringere Transportge schwindigkeit haben als der Gasstrom. Sie werden dabei vom Gasstrom umspült. Wegen des parabolischen Geschwindigkeitsprofils des Gasstroms in der laminaren Strömung in der Kapil lare erhalten Ionen, die sich nicht in der Mitte der Kapillare befinden, einen Umströmungsauf trieb mit einer Kraftkomponente zur Kapillarenachse. Diese Kraftkomponente ist umso stärker, je weiter sie von der Mittelachse entfernt sind und je stärker sie gebremst werden.

Allgemeiner Stand der Technik

Für den Transport von Ionen gibt es verschiedenartige Vorrichtungen, die den Druckverhält nissen der Umgebung angepaßt sind. Für den Transport im Vakuum gibt dabei zufriedenstel lende Lösungen, für den gezielten, konzentrierten Transport von Ionen in Luft jedoch noch nicht. Insbesondere für den Transport von Ionen aus der Umgebungsluft in das Vakuum eines Massenspektrometers oder eines anderen ionenmessenden Systems hinein gibt es noch keine genügend verlustfreie Transportmöglichkeit.

In sehr gutem Hochvakuum kann man Ionen in Ionenleitern transportieren, die aus einem äuße rem Rohr und einem in der Achse gespanntem, dünnen Draht bestehen. Eine Potentialdifferenz zwischen Draht und Rohr schafft eine Feldkonstellation, in der Ionen im Rohr längs der Achse transportiert werden können, wobei die Ionen Kepler-Bewegungen um den Draht vollführen.

In weniger gutem Vakuum, in dem mäßig viele Stöße mit Restgasmolekülen die Bewegung der Ionen dämpfen, kann ein solcher Ionenleiter nicht eingesetzt werden. Hier kann man aber mit Erfolg Ionenleitsysteme auf der Basis linearer Hochfrequenz-Multipol-Stabanordnungen nach Wolfgang Paul benutzen, da diese elektrische Hochfrequenzfelder aufbauen, die die Ionen zur Achse der Stabanordnung hin beschleunigen. Sie besitzen aber in der Achse keinen metalli schen Draht, an dem sich Ionen nach Dämpfung ihrer radialen Bewegung entladen können.

In Luft oder anderen Gasen können Ionen beliebig lange Zeiten überleben, wenn die Energie zu ihrer Ionisierung größer ist als die Energie zur Ionisierung der umgebenden Gase, und wenn Ionen anderer Polarität oder Elektronen für Rekombinationen nicht zur Verfügung stehen. Der Transport von Ionen durch Gase kann durch elektrische Felder bewirkt werden, wobei die Ge setze der Ionenmobilität die im wesentliche diffuse Bewegung bestimmen.

Es kann aber auch der Transport der Ionen durch das bewegte Umgebungsgas selbst bewirkt werden. Wird Gas durch ein Rohr oder durch eine Kapillare gepreßt, so werden Ionen im Gas viskos mitgenommen. So ist es bekannt, daß man Ionen, die außerhalb des Vakuumsystems erzeugt werden, durch eine Kapillare in das Vakuum eines Massenspektrometers führen kann. Man muß aber bei dem Transport von Ionen durch Kapillaren die Ionen davor bewahren, an die Wand zu stoßen, da diese Wandstöße die Ionen in der Regel entladen und damit vernich ten.

Aus der Kapillarchromatographie weiß man, daß die Moleküle eines Gases, das sich durch eine Kapillare bewegt, außerordentlich viele Wandstöße erleiden. Die Zahl der Wandstöße ent spricht im wesentlichen der Zahl der theoretischen (Verdampfungs-)Böden, die für die Trenn leistung von chromatographischen Säulen steht. Sie ist in Kapillarsäulen außerordentlich hoch. Man kann als grobe Faustregel angeben, daß ein Molekül statistisch nach einer Wegstrecke, die dem Durchmesser der Kapillare entspricht, einmal an die Wand stößt. Dabei gibt es allerdings immer wieder weite Wegstrecken ohne Wandstöße, abgelöst von Wegstrecken mit viel häufi geren Wandstößen.

In der Arbeit "Ion Transport by Viscous Gas Flow through Capillaries" von B. Lin und J. Sun ner in J. Amer. Soc. Mass Spectr. 5, 873 (1994) ist das Phänomen des Transports von Ionen in Kapillaren untersucht worden. Die Autoren haben dabei zunächst der weitverbreiteten Vorstel lung widersprochen, daß die Ionen durch Aufladung der Kapillarwände fokussiert werden kön nen. Innerhalb einer Kapillare mit aufgeladenen Wänden herrscht ein feldfreier Raum, in dem Ionen in keiner Weise fokussiert werden können. Es findet keinerlei Abstoßung der Ionen bei Annäherung an die geladene Wand statt. Die Versuche der Autoren ergaben, daß in der Tat starke Verluste durch die Diffusion der Ionen zu den Wänden hin in theoretisch erwartbarer Größe auftreten, und daß nur ein statistisch erwartbarer Rest der Ionen die Kapillare unbe schadet passieren kann. Die Ausbeute an transportierten Ionen nimmt mit der Länge der Kapil lare ab, und wird für dünnere Kapillaren ebenfalls drastisch kleiner. Ein weiterer Verlust tritt durch Raumladungseffekte auf.

Es ist weiterhin bekannt, daß man durch die viskose Mitnahme der Ionen im Gasstrom die Io nen sogar gegen eine Potentialdifferenz anpumpen kann, wie im Artikel "Electrospray Interface for Liquid Chromatographs and Mass Spectrometers" von C. Whitehouse et al., Anal. Chem. 1985, 57, 675, beschrieben. Davon macht man in kommerziell erhältlichen Geräten bereits Ge brauch. Die Ionen kann man damit beispielsweise auf ein Beschleunigungspotential innerhalb eines Massenspektrometers pumpen, oder man kann die Nadel einer Elektrosprüh-Einheit aus Sicherheitsgründen auf Erdpotential legen, und den Eingang der Kapillare auf das Sprühpoten tial.

Nachteile der bisherigen Technik

Mit der bisherigen Technik kann jeweils nur ein kleiner Teil der erzeugten Ionen in einem um schlossenen Gasstrom beschädigungsfrei transportiert werden. Muß der Gasstrom klein gehal ten werden, beispielsweise für den Transport der Ionen ins Vakuum hinein, so ist es wün schenswert, relativ lange Kapillaren mit kleinem Innendurchmesser zu verwenden. Für eine hohe Ionenausbeute müssen jedoch relativ kurze Kapillaren mit relativ großen Innendurchmes sein eingesetzt werden. Selbst dann treten sehr große Verluste an Ionen auf. Für eine massen spektrometrische Verwendung der Ionen ist somit die Ausbeute klein, und der Gasanfall im Vakuumsystem sehr groß.

Der Gasanfall im Vakuumsystem eines Massenspektrometers macht dabei in der Regel ein dif ferentielles Pumpsystem mit drei Druckstufen notwendig. Kommerziell erhältliche Elektro sprüh-Geräte enthalten diese Druckstufen. In der ersten Differenzpumpstufe herrscht dabei ein relativ hoher Druck, der die Weiterführung der Ionen stark behindert. Die Ionen werden dabei auf Abstreifer hin beschleunigt, die sich gegenüber der Stirnfläche der Kapillaren befinden. Dabei treten hohe Fokussierungs- und Streuverluste auf. Es können hier auch keine hohen Führungsspannungen verwendet werden, da das Gas unter diesen Druckbedingungen sehr leicht in Form einer Gasentladung zündet. Erst in der zweiten Druckstufe ist ein effektiver Einfang der Ionen möglich, beispielsweise durch ein Ionenleitsystem aus einer Multipolanord nung mit langen Polstäben.

Der gasgeführte Transport von Ionen in Rohren außerhalb des Vakuums wurde wegen der erwartbaren Verluste erst gar nicht in betracht gezogen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, mit denen Ionen in einer gasführenden Kapillare verlustarm transportiert werden können.

Erfindungsgedanke

Es ist der Grundgedanke der Erfindung, die Ionen im laminaren Gasfluß durch ein elektrisches Feld so abzubremsen, daß sie eine langsamere Transportgeschwindigkeit annehmen, als es der Gasgeschwindigkeit entspricht. Die Relativgeschwindigkeit der Ionen gegenüber dem strö menden Gas, und damit die Abbremsung, wird durch die Gesetze der Ionenmobilität unter Einfluß eines elektrischen Feldes gegeben. Die Ionen werden bei Abbremsung allseitig vom laminar fließenden Gas umspült und unterliegen dabei einer gasdynamischen Fokussierung in Richtung auf die Mittelachse der Kapillare.

Die laminare Strömung ist bekannterweise durch ein paraboloides Geschwindigkeitsprofil aus gezeichnet. Das Gas hat in der Achse der Kapillare die größte Geschwindigkeit; die Geschwin digkeit fällt zur Wand der Kapillare hin ab. In Wandnähe ist praktisch keine Geschwindigkeit mehr vorhanden. Die Geschwindigkeit in der Achse entspricht gerade der doppelten mittleren Geschwindigkeit.

Befindet sich ein abgebremstes Ion nicht in der Achse der Kapillare, so erlebt es auf der wand nahen Seite eine leicht geringere Geschwindigkeit der Gasumspülung als auf der Seite zur zen tralen Achse hin. Dieser leichte Unterschied macht sich aufgrund der Bernoullischen Gesetze in einem sogenannten Umspülungsauftrieb bemerkbar, der zur Seite der höheren Gasgeschwin digkeit, also zur Achse hin gerichtet ist. (Der Umspülungsauftrieb eines Flugzeugflügels ist bekannt, wenn auch etwas anders erzeugt, und hält das Flugzeug in der Luft) Diese gasdyna misch gegebene Fokussierungskraft steht der zufälligen Diffusionsbewegung eines Ions auf die Wand zu entgegen und bringt das Ion wieder in die Achse der Kapillare zurück. Die Fokussie rungskraft ist proportional zur Differenz der Umspülungsgeschwindigkeitsquadrate zu beiden Seiten des Ions, nimmt daher mit stärkerer Abbremsung zu. Sie ist nicht vorhanden, wenn sich das Ion mit der Geschwindigkeit des umgebenden Gases bewegt.

Dieser Fokussierungseffekt besteht solange, wie sich in der Achse der Kapillare nicht durch sehr große Ionendichten ein so starkes Raumladungsfeld aufbaut, daß die Coulombsche Ab stoßung die gasdynamische Fokussierung zunichte macht. Nach unseren Erfahrungen können Raumladungen in der Größenordnung von mindestens 1000 Ionen pro Millimeter von der Fo kussierung ohne wesentliche Verluste an Ionen verkraftet werden. Selbst der Transport von 10 000 Ionen pro Millimeter scheint noch möglich zu sein. Damit lassen sich in einer Strömung mit einer Achsengeschwindigkeit von nur 10 Metern pro Sekunde bereits 10 000000 Ionen pro Sekunde transportieren, genug für die Speisung eines Ionenfallen-Massenspektrometers mit etwa 10 bis 100 Füllungen pro Sekunde. Bei einer Geschwindigkeit von 100 Metern pro Sekunde läßt sich ein Ionenstrom von 10 bis 100 Picoampère verlustfrei transportieren.

Die Möglichkeit zum Anpumpen der Ionen gegen eine Potentialdifferenz bei der Überführung ins Vakuum, die schon seit 1985 bekannt ist, war eine zufällige Entdeckung, deren grundsätzli ches Potential zu einer gasdynamischen Fokussierung der Ionen bisher nicht erkannt und daher auch nicht durch entsprechend günstige Ausformungen der Anordnung zur Erhöhung der Io nenausbeute genutzt wurde. Die Praxis des Anpumpens blieb auf Kapillaren mit relativ großen Innendurchmessern beschränkt, und das durch die Potentialdifferenz erzeugte elektrische Feld wirkte nur auf Teile der Kapillare, so daß in den Teilen der Kapillaren ohne Feld nach wie vor starke Ionenverluste auftraten, die aus Unkenntnis besserer Ausführungsformen in Kauf ge nommen wurden. So sind bei kommerziell erhältlichen Elektrosprüh-Geräten, die ein Anpum pen gegen eine Potentialdifferenz bieten, einige Zentimeter der Kapillare außen mit Gold be dampft, so daß hier keine gasdynamische Fokussierung eintreten kann. Widerstandsschichten für die Erzeugung eines gleichmäßigen Feldes gibt es bei diesen Kapillaren nicht
Der gasdynamische Fokussierungseffekt für Ionen nach dieser Erfindung ist bisher in der Lite ratur nicht beschrieben. Es ist auch für den Fachmann überraschend, daß in einer normalen 30 Zentimeter langen dünnen Quarzkapillare mit einem standardmäßig erhältlichen Innendurch messer von 200 Mikrometern, bei Anlegen einer Spannung von 5 Kilovolt an eine Wider standsschicht auf der Außenseite der Kapillare, ein Ionenstrom von über einem Picoampère praktisch verlustfrei aus der Umgebungsluft ins Vakuum eines Massenspektrometers überführt werden kann, selbst wenn die Kapillare dabei gekrümmt wird. Dabei entsteht (bei 150°C Luft temperatur in der Kapillare) eine Achsengeschwindigkeit der strömenden Luft von etwa 13 Metern pro Sekunde. Ein Ion von 50 atomaren Masseneinheiten erhält dabei eine Relativge schwindigkeit von etwa 6 Metern pro Sekunde gegenüber dem Gas, es wird also mit Mühe von der Luft mitgenommen und nur in Achsennähe überhaupt weitertransportiert. Ein Ion mit 1000 atomaren Masseneinheiten wird nur um etwa 0,8 Meter pro Sekunde relativ zur Gasgeschwin digkeit abgebremst, der Transport ist hier viel einfacher.

Wie oben erwähnt, ist die fokussierende Kraft ist von der Differenz der Geschwindigkeitsqua drate zu beiden Seiten des Ions abhängig. Ein stärker bremsendes Feld bringt daher eine stärke re Fokussierung, aber wegen des Staus der Ionen im Kapillarrohr, der durch die Abbremsung eintritt, auch eine größere Raumladung.

Weitere Vorteile der Erfindung

Der Volumendurchsatz einer Kapillare hängt bei gleicher Länge und gleichen Druckverhältnis sen von der vierten Potenz des Innendurchmessers ab, die Strömungsgeschwindigkeit ist dem Quadrat des Innendurchmessers proportional. Durch die Erfindung kann die Wahl der Kapilla re somit den Erfordernissen ideal angepaßt werden.

Liefert der ionisierende Vorgang Ionen in einem sehr kleinen Gasvolumen, wie beispielsweise die chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck (APCI) oder das sogenannte Mikro-Elektro sprühen, so kann eine feine Kapillare mit etwa 200 Mikrometer Innendurchmesser genommen werden. Hat der ionenerzeugende Prozeß dagegen einen hohen Gasanfall, wie beispielsweise das klassische Elektrosprüh-Verfahren (ESI) oder die Ionisierung durch induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), so ist eine gröbere Kapillare mit etwa 500 Mikrometer Innendurchmesser ange bracht.

Bei geringem Gasanfall können die Ionen, die aus der Kapillare austreten, sofort von einem Ionenleit- oder Ionenspeicher-System in Form eines Hochfrequenz-Multipol-Stabsystems auf genommen werden, da in der Vakuumkammer, in der die Kapillare mündet, ein genügend ge ringer Druck für den Betrieb dieses Systems aufrecht erhalten werden kann.

Wird das elektrische Feld durch eine Widerstandsschicht - oder eine Widerstandswendel - auf der Außenseite der Kapillare erzeugt, so läßt sich der Strom durch den Widerstand dazu be nutzen, die Kapillare aufzuheizen. Eine Heizung ist besonders für Elektrosprühquellen vorteil haft, da dann Komplexe mit dem Lösungsmittel ("Solvatkomplexe") zerstört werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich für die chemische Ionisierung von Analytmolekülen durch Re aktantgasionen bei Atmosphärendruck (APCI). Bei unvollständiger Ionisierung der Analyt moleküle im Reaktionsraum kann eine sehr effektive Nachionisierung der nicht ionisierten Substanzmoleküle in der Transportkapillare beobachtet werden, wenn die Reaktantgasionen im Überschuß vorhanden sind. Die relativ leichten Reaktantgasionen werden im Kapillarrohr ab gebremst, und durchpflügen daher das transportierte Gas sehr intensiv. Die dabei auftretenden Stöße mit den Analytmolekülen führen zur Nachionisierung. Die überschüssigen Reaktant gasionen, die regelmäßig leichter sind als die Analytionen, können übrigens in dem Hochfre quenz-Ionenleitsystem aus langen Polstäben entfernt werden, indem die Massenabschneide grenze dieses Systems auf Massenwerte eingestellt wird, die oberhalb der Massen der Re aktantgasionen, aber unterhalb der Massen der Analytionen liegt. Die sehr effektive Nachioni sierung in der Transportkapillare kann dazu benutzt werden, den Reaktionsraum klein zu hal ten oder sogar vollständig in die Transportkapillare zu verlegen.

Beschreibung der Bilder

Fig. 1 zeigt eine Anordnung aus einer normalen, externen Elektrosprüh-Ionenquelle (1, 2) und einem Ionenfallen-Massenspektrometer, mit einer groben Einführungskapillare (3) von 15 Zentimeter Länge und 0,5 Millimeter Innendurchmesser. Die Kapillare (3) hat (hier nicht sicht bar) eine Widerstandsschicht, die mit Spannung von 5 Kilovolt beaufschlagt wird und ein Feld von etwa 330 Volt pro Zentimeter längs der Kapillare ergibt
Der Vorratsbehälter (1) enthält eine Flüssigkeit, die durch eine elektrische Spannung zwischen der Sprühkapillare (2) und der Stirnfläche der Einführungskapillare (3) versprüht wird. Die Ionen treten durch die Einführungskapillare (3) zusammen mit Umgebungsluft in die differen tielle erste Pumpkammer (4) ein, wobei durch das elektrische Feld längs der Kapillare die Io nen nach dieser Erfindung gasdynamisch fokussiert werden. Die erste Pumpkammer (4) ist über den Stutzen (13) an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen. Die Ionen werden, so gut es eben geht, auf den Abstreifer (5) zu beschleunigt und treten durch die Öffnung im Abstreifer (5), der sich in der Trennwand (6) befindet, in die zweite Kammer (7) der differentiellen Be pumpung ein. Diese Kammer (7) ist durch den Pumpstutzen (14) mit einer Hochvakuumpumpe verbunden. Die Ionen werden von der Ionenleitvorrichtung (8) aufgenommen, und durch den Wanddurchbruch (9) und die Hauptvakuumkammer (10) zur Endkappe (11) der Ionenfalle geführt. Die Ionenfalle besteht aus zwei Endkappen und der Ringelektrode (12). Die Hauptva kuumkammer wird über den Pumpstutzen (15) an eine Hochvakuumpumpe angeschlossen.

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht der Einführungskapillare (3) aus Fig. 1. Die Kapillare hat eine Widerstandsschicht (17) auf der Außenseite der Kapillare, deren Wand (18) aus Glas besteht und von der Kapillarenöffnung (19) durchzogen wird. Die Widerstandsschicht (17) wird über die Spannungsanschlüsse (16) und (20) mit Spannung versorgt

Fig. 3 zeigt eine Anordnung aus einer Mikro-Elektrosprüh-Ionenquelle (1, 2) mit einer feinen Einführungskapillare (3) von 25 Zentimeter Länge und 0,2 Millimeter Innendurchmesser. Die Kapillare (3) hat hier ebenfalls eine (nicht sichtbare) Widerstandsschicht, die in diesem Fall mit einer kleineren Spannung von nur 3 Kilovolt beaufschlagt wird. Das ergibt ein Feld von etwa 110 Volt pro Zentimeter längs der Kapillare.

Die Mikrosprüheinrichtung unterscheidet sich von einer normalen Elektrosprüheinrichtung durch eine viel feinere Sprühkapillare (2). Die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (1) wird auch hier durch eine elektrische Spannung zwischen der feinen Sprühkapillare (2) und der Stirnfläche der Einführungskapillare (3) versprüht. Die Ionen treten durch die feinere und län gere Einführungskapillare (3) zusammen mit Umgebungsluft in die Vorkammer (4) ein, wobei auch hier die Ionen durch das elektrische Feld längs der Kapillare nach dieser Erfindung gasdy namisch fokussiert werden. Das Feld wird auch hier durch eine Widerstandsschicht auf der Außenseite der Kapillare erzeugt (in der Figur nicht sichtbar). Die Vorkammer (4) ist über den Stutzen (14) an die zweite Stufe der Hauptvakuumpumpe angeschlossen. Durch den geringen Einstrom wird in der Vorkammer (4) ein Druck von etwa 10^-3 Millibar aufrechterhalten. Die Ionen können daher hier sofort von der Ionenleitvorrichtung (8) aufgenommen werden. Sie werden dann durch den Wanddurchbruch (9) und die Hauptvakuumkammer (10) zur Endkappe (11) der Ionenfalle geführt.

Fig. 4 zeigt das Ende einer Kapillare mit einer hochohmigen Beschichtung (24) auf der Innen seite der Kapillarwand (23). Die Stirnseite der Kapillare und ein Teil der Außenwand ist mit einer Goldschicht (22) beschichtet, die der Kontaktierung der Hochohmschicht (24) dient

Besonders günstige Ausführungsformen

Die zunächst hier beschriebene Ausführungsform bedient sich einer dünnen Kapillare, wie sie für Ionisierungsverfahren mit geringem Gasanfall verwendet werden kann. Die Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Erfindung soll jedoch ausdrücklich nicht auf die im Folgenden ge nannten Arten der Ionenerzeugung oder Massenspektrometrie beschränkt sein.

Eine 25 Zentimeter lange Kapillare (3) mit 200 Mikrometer Innendurchmesser, geheizt auf 150 Grad Celsius, saugt etwa 300 Kubikmillimeter Luft pro Sekunde ab. Das ist genug für eine APCI-Ionenquelle oder auch für eine Mikro-Elektrosprüh-Ionenquelle. Die maximale Gasge schwindigkeit in der Achse beträgt etwa 15 Meter pro Sekunde. Vakuumseitig genügt bei die ser transportierten Luftmenge am Flansch (14) eine Saugleistung von 300 Litern pro Sekunde, um in der Vorkammer (4) einen Druck von 10^-3 Millibar zu erzeugen. Bei diesem Druck in der Vorkammer (4) können die Ionen sofort von einem Hochfrequenz-Ionenleitsystem (8) aufge nommen werden, das beispielsweise als Hexapol aus sechs dünnen Polstäben mit je etwa einem Millimeter Durchmesser bestehen kann, und die Ionen durch ein kleines Loch (9) in der Wand zwischen Vorkammer (4) und Hauptvakuumkammer (10) zum Massenspektrometer, das hier als Ionenfalle mit Endkappen (11) und Ringelektrode (12) dargestellt ist, zu führen vermag. Die Ionenfalle ist hier nur als Beispiel für ein beliebiges Massenspektrometer gebracht, es kann sich ebenso um ein ICR-Spektrometer, um ein magnetisches Sektorfeld, um ein Quadrupolfilter oder ein beliebiges anderes Massenspektrometer handeln.

Die Fokussierung in der Kapillare (3) kann durch eine Spannung von 3 Kilovolt vorgenommen werden, die über eine Spannungszuführung (21) an eine Widerstandsschicht an der Außenflä che der Kapillare angeschlossen ist. Die Spannungszuführung am anderen Ende der Kapillare und die isolierende Abdichtung der Kapillare in der Wand der Vakuumkammer (4) ist hier aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht gezeigt. Ein Widerstand von 3 Megohm läßt dabei einen Strom von einem Milliampère fließen, mit einem ohmschen Verlust von etwa 3 Watt Diese 3 Watt vermögen die Kapillare wiederum auf die gewünschten 150 Grad Celsius aufzu heizen. Die Spannung von 3 Kilovolt erzeugt ein Feld, das Ionen einer Masse von 100 atoma ren Masseneinheiten um etwa 3 Meter pro Sekunde verlangsamt, Ionen mit 1000 atomaren Masseneinheiten um etwa 0,6 Meter pro Sekunde.

Möchte man geringere Spannungen anwenden, so kann man über eine Verkürzung der Kapilla re und Verkleinerung des Innendurchmessers wieder sehr günstige gasdynamische Fokussie rungen erreichen. Eine Spannung von 1 Kilovolt über 5 cm Kapillare mit 100 Mikrometer In nendurchmesser ergibt bei 100 Mikroliter abgesaugtem Gasvolumen pro Sekunde eine Gasge schwindigkeit von etwa 20 Metern pro Sekunde, und eine Abbremsung von 50 u Ionen mit 7 Metern pro Sekunde. Mit einer Hochvakuumpumpe von 100 Litern Saugleistung pro Sekunde wird ein Druck von 10^-3 Millibar erzeugt
Das Feld muß aber nicht durch eine Widerstandsschicht auf der Außenwand der Kapillare, wie in Fig. 2 dargestellt, erzeugt werden. Es kann auch durch eine Wicklung eines Widerstands drahtes um die Kapillare erzeugt werden.

Eine weitere bevorzugte Form einer Widerstandsschicht ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist die Widerstandsschicht (24) an der Innenwand des Kapillarenmaterials (23) angebracht. Die Kon taktierung erfolgt hier durch eine Vergoldung (22) am Ende der Kapillare, wobei die Vergol dung (22) die Stirnwand der Kapillare und einen Teil der Außenwand umfaßt. Die Vergoldung kann sehr gut als Spannungszuführung benutzt werden. Die Widerstandsschicht (24) auf der Innenwand der Kapillare hat den besonderen Vorteil, daß keine Aufladung der Innenwand durch Wandkontakte mit Ionen möglich ist, die sonst zu einer Verzerrung des Feldes führen können.

Es ist ebenfalls sehr günstig, für die Herstellung der Kapillare ein schwach elektrisch leitendes Material, beispielsweise ein hochohmiges Plastikmaterial oder ein dotiertes Glas, zu verwen den.

Das elektrische Feld braucht aber selbstverständlich nicht durch die Kapillare selbst oder durch an ihr angebrachte Schichten erzeugt zu werden. Es kann die Kapillare auch in einer felderzeu genden Umhüllung betrieben werden. Dabei kann das Feld beispielsweise auch durch eine Rei he von scheiben- oder ringförmigen Elektroden generiert werden, die auf die entsprechenden Potentiale gesetzt werden. Eine solche Anordnung ist bei Ionenmobilitätsspektrometern üblich und ergibt ein besonders homogenes Feld in radialer Richtung.

Für eine Ionenquelle mit größerem Gasanfall, beispielsweise eine kommerziell erhältliche Elek trosprüh-Ionenquelle (ESI) oder eine Ionenquelle mit induktiv gekoppeltem Plasma zur Ionen erzeugung (ICP), kann man eine Kapillare mit größerem Innendurchmesser wählen, wie in Fig. 1 dargestellt. Eine ungeheizte, 15 Zentimeter lange Kapillare (3) mit 0,5 Millimeter Innen durchmesser saugt pro Sekunde 26 Milliliter Luft pro Sekunde ab. Die Gasgeschwindigkeit in der Achse beträgt 210 Meter pro Sekunde. Eine Spannung von 15 Kilovolt für das Bremsfeld läßt Ionen mit 1000 atomaren Masseneinheiten um 5 Meter pro Sekunde, Ionen mit 50 atoma ren Masseneinheiten um 36 Meter pro Sekunde langsamer werden. Die Fokussierung der Ionen ist damit ausnehmend gut und läßt Ionenströme von etwa 100 Picoampère zu. - Mit einer Vor pumpe einer Saugleistung von 20 Litern pro Sekunde am Flansch (13) läßt sich ein Druck von etwa 1 Millibar in der ersten Druckstufe (4) der Differenzpumpeinrichtung erzeugen. Dieser Druck ist für eine Ionenleiteinrichtung ungeeignet. In diesem Fall wurde daher eine zweite Druckstufe (7) eingeführt. Gegenüber der Kapillare (3) wird in der Wand (6) ein Gasabstreifer (5) angebracht, der die anströmende Luft nach außen abprallen läßt, und die Aufgabe hat, einen Teil der Ionen durch ein kleines Loch von etwa 1,2 Millimeter Durchmesser hindurch in die nächste Kammer abzusaugen. Dazu legt man eine leichte Saugspannung zwischen Kapillare nende und Gasabstreifer. Da jedoch die Ionen bei Austritt aus der Kapillare eine weite Ener gieverteilung besitzen, und der Gasdruck von einem Millibar durch Streuung der Ionen die ionenoptische Wirkung stört, kann nur ein kleiner Teil der Ionen in die nächste Kammer (7) überführt werden. In der nächsten Kammer kann dann wiederum eine Ionenleitvorrichtung (8) benutzt werden, um die Ionen weiter zu transportieren.

Diese Beispiele sind nur einige Fälle von besonderem Interesse für Massenspektrometriker. Es lassen sich, wie jedem Fachmann bewußt, viele andere Fälle der Ionenleitung verifizieren.

So ist es beispielsweise möglich, einer Zelle für chemische Ionisierung an Luft bei Atmosphä rendruck die notwendigen Reaktantgasionen durch eine Kapillare zuzuführen, wenn die Ionen nach dem Prinzip der Erfindung fokussiert werden. Es können Ionen auch Reaktionskammern ganz anderer Art für chemische Zwecke zugeführt werden.

Claims

1. Verfahren für den Transport von Ionen durch eine laminare Gasströmung in einem Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen durch ein elektrisches Feld, das sich im wesentli chen über die ganze Länge des Rohres erstreckt und zum Rohr achsenparallel ausgerichtet ist, im strömenden Gas gebremst und dadurch gasdynamisch fokussiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr ein Kapillarrohr ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld längs des Rohres im wesentlichen konstant ist

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Abbremsung erzeugte Relativgeschwindigkeit der Ionen zum umgebenden Gas zwischen 0,1% und 50% der Gasgeschwindigkeit in der Achse der Rohres beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch einen stromdurchflossenen Widerstand auf der Innen- oder Außen oberfläche der Kapillare erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand schichtförmig aufgetragen ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand gewendelt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem Widerstandsmaterial gefertigt ist und daß das Feld durch einen elektrischen Längs strom durch das Widerstandsmaterial erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der felderzeu gende elektrische Strom gleichzeitig zur Heizung der Kapillare benutzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld längs der Kapillare durch eine Anzahl von elektrisch leitenden Ringen erzeugt wird, die durch eine stromdurchflossene Widerstandskette verbunden sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er zeugung des elektrischen Feldes ein Hüllrohr verwendet wird, das die Kapillare umgibt, und das mit einer stromdurchflossenen Widerstandsschicht oder mit elektrisch leitenden Ringen und einer stromdurchflossenen Widerstandskette versehen ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen durch das Rohr von außen in das Vakuumsystems eines Massenspektrometers trans portiert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen am Ende der Kapilla re im Vakuumsystems des Massenspektrometers direkt in ein Ionenleitsystem aus einer Hochfrequenz-Multipolanordnung mit langgestreckten Multipolstäben eingespeist werden.

14. Vorrichtung für den gasgeführten Transport von Ionen durch ein Kapillarrohr gegen eine Potentialdifferenz, mit einer Pumpeinrichtung zum Aufrechterhalten eines laminaren Gas flusses im Kapillarrohr, und einer Einrichtung zur Erzeugung der Potentialdifferenz, da durch gekennzeichnet, daß der Innenkanal des Kapillarrohres über seine Länge mit einem hochohmigen Widerstand umgeben ist, an den die Potentialdifferenz angelegt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand durch ein hochohmiges Material des Kapillarrohres selbst gebildet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der hochohmige Widerstand aus einer Beschichtung der Außen- oder Innenwand des Kapillarrohres besteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der hochohmige Widerstand aus einer Bewicklung der Kapillare mit hochohmigem Draht besteht.