DE19520276C2 - Vorrichtung für die Einführung von Ionen in ein Massenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Einführung von Ionen aus einem Gasvolumen, in ein Massenspektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus den Fig. 3 und 4 der US 5 304 798 A be­ kannt.

Substanz-Ionen für massenspektrometrische Untersuchungen können vorteilhaft außerhalb des Massenspektrometers erzeugt und in das Vakuum des Massenspektrometers überführt werden. Die Vorteile liegen einerseits in einer wesentlich höheren Ionisierungsausbeute als bei der Ioni­ sierung im Vakuum, andererseits in einer weit geringeren Verschmutzung des Massenspektro­ meters, da die Substanzdämpfe nicht in das Vakuumsystem eingeführt werden müssen. Mas­ senspektrometer und Substanzeinlaßsysteme brauchen daher auch nicht mehr in komplizierter Weise geheizt zu werden.

Zu den vakuum-externen Ionenquellen gehört beispielsweise das Elektrosprühen (ESI), mit dem Substanzen außerordentlich hoher Molekulargewichte mit hoher Ausbeute ionisiert wer­ den können. Auch die Ionenquellen mit Ionenerzeugung in induktiv gekoppeltem Plasma (ICP), die für die anorganische Analytik gebraucht werden, gehören zu dieser Gruppe. Schließlich gibt es die chemische Ionisierung von Molekülen bei Atmosphärendruck durch ver­ schiedenartige Reaktantgasionen (APCI), mit einer primären Ionisierung der Reaktantgase durch Corona-Entladungen, durch UV-Lampen oder durch Betastrahler, die für die Analyse von Schadstoffen oder anderen dampfförmig in Luft befindlichen Substanzen eingesetzt wer­ den.

Die extern erzeugten Ionen werden entweder durch feine Wandöffnungen von 30 bis 300 Mi­ krometer Durchmesser oder durch Kapillaren mit 300 bis 500 Mikrometer innerem Durchmes­ ser ins Vakuum gebracht. Den beiden Arten der Einführung ist gemeinsam, daß mit den Ionen zusammen gleichzeitig sehr große Mengen an Umgebungsgas in das Vakuum des Massen­ spektrometers eintreten, die Ionen werden dabei duch das Umgebungsgas viskos mitgenom­ men und so aus dem Außenraum in die Einlaßöffnung und durch diese, in das Vakuum geführt.

Solange die angesaugte Gasmenge groß ist und genügend Ionen mit ins Vakuum nimmt, ist diese einfache Art der Zuführung von Ionen zur Öffnung zufriedenstellend. Sowohl beim Elektrosprühen, wie auch bei ICP werden üblicherweise Öffnungen ohne jede besondere Führung der Ionen verwendet. Es steht jedoch zu erwarten, schon aus Gründen der Pumpkapazitäten und der Preise für große Pumpsysteme, daß in Zukunft feinere Öffnungen von 5 bis 30 Mikrometer Durchmesser oder feinere Kapillaren von 10 bis 300 Mikrometer innerem Durchmesser benutzt werden. Dabei wird weit weniger Gas angesaugt. Die Ionen müssen daher der Öffnung gezielt zugeführt werden. Auch bei Ionisierungsverfahren, die eine relativ geringe Ionendichte erzeu­ gen, wäre es vorteilhaft, die Ionen aus dem Gasvolumen auskämmen und unabhängig vom Ga­ stransport zur Eintrittsöffnung zur Öffnung des Massenspektrometers hin transportieren zu können.

Für die Führung der Ionen nach ihrem Eintritt in das Vakuumsystem bis hin zum zum Massen­ spektrometer sind sowohl stationäre Linsensysteme, wie auch Ionenleitvorrichtungen auf Hochfrequenz-Multipol-Basis bekannt geworden. Außerhalb des Vakuums aber hat man bisher keine besonderen Führungssysteme für die Ionen entwickelt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu finden, mit der Ionen aus einem größeren Gasvolumen gezielt einem feinen Einlaßkanal eines Vakuumsystems zuge­ führt werden können.

Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Es ist für die Erfindung entscheidend, die Ionen im Gas durch elektrostatische Felder zur Eingangsöffnung des Vakuumsystems wandern zu lassen. Dieser Vorgang der feldinduzierten Wanderung von Ionen durch Gas ist an sich bekannt und unter dem Begriff der Ionenmobilität relativ gut untersucht worden. Die Ionen bewegen sich dabei nicht nach den ionenoptischen Gesetzen, wie sie bei Bewegung von Ionen in elektrischen Feldanordnungen im Vakuum gel­ ten. Bei der Bewegung im Vakuum spielt die Masse der Ionen und der Einfluß der Trägheit auf die Bewegung eine überragende Rolle. In Gasen ist dagegen die Wanderung der Ionen durch die fortlaufend erlittenen Stöße mit den Gasmolekülen ständig gebremst; die Ionen folgen dabei in einer langsamen Diffusionsbewegung genau den elektrischen Kraft- oder Feldlinien, die be­ kanntlich senkrecht zu den Äquipotentialflächen angeordnet sind.

Wegen der anderen Art der Bewegungsgesetze kann eine günstige Ausbildung der elektrischen Felder für die Zuführung der Ionen nicht durch übliche Rechenprogramme für ionenoptische Bahnberechnungen bestimmt werden.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also im Detail darin, ein elektrisches Feld zu erzeu­ gen, bei dem die elektrischen Feldlinien aus dem ionenführenden Gasvolumen heraus möglichst konzentriert auf den Rand der Öffnung zum Vakuumsystem hin oder - noch besser - in die Öffnung hineinführen. Auf diese Weise wandern die Ionen aus dem Gasvolumen durch ihre Ionenmobilität auf die Öffnung zu. In der Nähe der Öffnung - oder in der Öffnung - werden sie dann vom Saugstrom des Gases erfaßt und viskos in das Vakuum hinein mitgenommen.

Die Einführung von Ionen in eine Einlaßöffnung erfolgt unter Verwendung einer trichterförmigen Öffnung aus einem isolierenden Material, beispielsweise Glas oder Quarzglas. Die Ringelektrode, von der die elektrischen Kraftlinien ausgehen, ist am Grunde der trichterförmigen Öff­ nung angebracht. Die elektrischen Kraftlinien gehen dabei zu Beginn der Ioneneinfüh­ rung zum Teil durch das Material hindurch. Durch Oberflächenladungen, die nicht abfließen können, bildet sich aber nach sehr kurzer Zeit ein Kraftlinienfeld, das in die Öffnung hinein zur Ringelektrode führt. Die weitere viskose Mitnahme der Ionen ist hier leichter, da an der Rin­ gelektrode bereits fast die maximale Gasgeschwindigkeit herrscht. Das Feld außerhalb der Öff­ nung kann durch Aperturblenden vor der Öffnung günstig geformt werden.

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Einführung, von Ionen in eine Glaskapillare. Es ist nur der stirnseitige Kopf der Glaskapillare (20) gezeigt. Die Glaskapillare (20) hat einen gerundeten, trichterförmigen Einlauf, um die Ausbildung einer laminaren Strömung (21) zu erleichtern. Fast am Ende des trichterförmigen Einlaufs ist eine metallische Ringelektrode (22) aufgebracht. Diese ist durch eine Zuführung (23), die durch das Glas der Kapillare (20) führt, mit einem Potential versehen, das ein elektrisches Feld (25) aufbaut. Vor der Einlaßöffnung befindet sich eine Aper­ turblende (24). Die elektrischen Feldlinien durchschneiden vor der Ankunft von Ionen das Glas­ material, wie in Teil A der Fig. 1 dargestellt. Sobald die Einführung von Ionen beginnt, wan­ dern Ionen längs der Kraftlinien (25) auf die Glasoberfläche und bauen dort eine Ladungs­ schicht auf, die nicht abfließen kann. Der Aufbau dieser Schicht wird solange fortgesetzt, bis eine Ladungskonstellation erreicht ist, bei der keine Kraftlinien mehr das Glas schneiden. Die Kraftlinien führen jetzt durch die Öffnung zur Ringelektrode, wie in Teil B der Fig. 1 darge­ stellt, ideal für die Einführung von Ionen in die Kapillare. Das Kraftlinienfeld ist selbsterhal­ tend. Sobald Oberflächeladungen abzufließen beginnen, wird die Oberflächenladung durch weitere Ionen erneuert.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Kapillarenkopfes mit Ringelektrode nach Fig. 1 in einer Sandwich-Bauweise. Auf eine dickwandige Glaskapillare (30) ist koaxial eine metal­ lische Elektrodenringkappe (31) aufgeklebt. Auf diese Elektrodenringkappe (31) ist eine elek­ trisch isolierende Ringkappe (32) mit einer trichterförmigen Einlaufstrecke aufgebracht. Die­ se Ringkappe (32) kann aus Glas oder aus Kunststoff gefertigt sein. Sie kann auch besonders vorteilhaft aus Teflon bestehen, da Teflon auch bei hoher Luftfeuchtigkeit praktisch keine elektrische Oberflächenleitfähigkeit besitzt.

Die elektrischen Kraftlinien, die bei Anlegen einer Spannung von der Metallringkappe ausge­ hen, durchsetzen anfangs auch die Teflonkappe, ähnlich wie das schematisch in der Anordnung der in Fig. 1A gezeigt ist. Ziehen die Kraftlinien darin Ionen an, die im Außenraum erzeugt werden, so bewegen sich die Ionen zunächst auch auf die Teflonkappe zu. Sie setzen sich dort auf der Oberfläche ab. Ihre Ladung baut dabei ein elektrisches Feld auf, das sich dem herr­ schenden elektrischen Feld überlagert, und das bei Sättigung den weiteren Zufluß von Ionen gerade verhindert. Die elektrischen Kraftlinien erscheinen dann aus der Teflonkappe verdrängt, sie laufen von der im Inneren der Einlaßöffnung freiliegenden Metallringkappe nur noch durch die Einlauföffnung, ähnlich wie das wie in Fig. 1B schematisch dargestellt ist.

Das durch die Einlaßöffnung ins Vakuum einströmende Gas hat an der Metallringkappe bereits seine maximale Geschwindigkeit erreicht. Die Ionen werden daher zum großen Teil von der Gasströmung viskos mitgerissen und durch die Kapillare ins Vakuum überführt.

Das elektrische Feld kann im Raum vor der Einlaßöffnung durch koaxial angeordnete konische oder ebene Aperturblenden günstig geformt werden. Die Potentiale, die an diese Aperturblen­ den zu legen sind, werden am besten experimentell bestimmt, indem eine maximale Ionenein­ führung in die Kapillare eingestellt wird. Das läßt sich mit dem Detektor des internen Massen­ spektrometers leicht feststellen.

Ist das Gasvolumen, in dem die Ionen erzeugt werden, stark mit Substanzen angereichert, de­ ren Einführung in das Vakuumsystem des Massenspektrometers nach Möglichkeit vermieden werden soll, so können die Ionen auch in einen sauberen Gasstrom überführt wer­ den. Dazu wird zwischen Einlaßöffnung und erster Aperturblende ein sauberes Gas zugeführt. Der Mengenfluß dieses Gases ist so einzustellen, daß nur dieses Gas in die Einlaßöffnung ein­ fließt. Die Führung dieses Gases kann durch eine Formung der ersten Aperturblende unter­ stützt werden. Der Fluß des Gases durch die Aperturblende nach außen muß dabei eine gerin­ gere Geschwindigkeit haben, als es der Ionenmobilitätsgeschwindigkeit der schwersten Ionen entspricht.

Der überschüssige Gasstrom nach außen kann auch durch den Zwischenraum zwischen erster und zweiter Aperturblende abgesaugt werden.

Es ist auch möglich, das saubere Gas zwischen der ersten und zweiten Aperturblende zuzufüh­ ren, und den Überschuß zwischen Einlaßöffnung und erster Aperturblende abzusaugen. Der Gasfluß ist dann günstiger für die Ionenführung, aber es gerät auch leichter Gas aus dem ver­ schmutzten Gasvolumen in die Einlaßöffnung.

Claims (6)

1. Vorrichtung für die Einführung von Ionen aus einem Gasvolumen zusammen mit Gas durch einen flußbegrenzenden Einlaßkanal in das Vakuumsystem eines Massenspektrome­ ters, mit einer ringförmigen Elektrode, die den Einlaßkanal umschließt, und einer Span­ nungsversorgung, wobei ein Führungstrichter vor dem Eingangskanal im Gasstrom liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungstrichter aus elektrisch isolierendem Material besteht und an seinem Grund die ringförmige Elektrode trägt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einlaßkanal eine Einlaß­ kapillare verwendet wird, und daß am Stirnende der Einlaßkapillare koaxial eine dünne, durchbohrte Metallkappe als Ringelektrode und auf dieser eine elektrisch isolierende Kap­ pe mit einem Führungstrichter befestigt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe auf die Ein­ laßkapillare aufgedampft ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal eine feine Öffnung von 5 bis 500 Mikrometer Durchmesser in einer Wand des Massenspektrometers ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal eine Einlaß­ kapillare mit einem Innendurchmesser zwischen 5 und 1000 Mikrometer ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungstrichter torusförmig gerundet ist.