DE19705762A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen in der Gasphase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Probenmolekülkomplexen in der Gasphase für ihren analytischen Nachweis. Das Verfahren eig­ net sich insbesondere für die Massenspektrometrie auf dem Ge­ biet der pharmazeutischen Qualitätskontrolle, im medizini­ schen/biologischen Bereich, dem Gebiet- des Umweltschutzes mit Wasser- und Bodenanalytik und auf dem Gebiet der Sicherheit­ stechnik.

Die Hauptschwierigkeit bei der massenspektrometrischen Analyse von Probenmaterial liegt darin, die Probenmoleküle in geeigneter Weise, d. h. effizient und ohne Zerstörung für den Nachweis in einem Massenspektrometer aufzubereiten. Dies gilt sowohl für das Verdampfen der Probenmoleküle und das Erzeugen eines Molekularstrahls mit Probenmolekülen als auch für das Ionisieren der Probenmoleküle.

Das Erzeugen von gepulsten Molekularstrahlen mit neutra­ len Molekülen großen Molekulargewichts ist aus DE 32 24 801 bekannt.

Ein Verfahren zum Ionisieren thermisch instabiler, nicht­ flüchtiger Moleküle mit Elektronenionisation und eine ent­ sprechende Vorrichtung zur massenspektrometrischen Analyse von Probenmolekülen ist u. a. beschrieben in DE 41 08 462. Bei dem genannten Stand der Technik werden die Moleküle der Probensubstanz Energiepulsen ausgesetzt, durch welche Molekü­ le aus der Probensubstanz freigesetzt werden und im Gasstrahl eines Trägergases weitertransportiert werden. Anschließend werden die neutralen Probenmoleküle im Fokus eines Elektro­ nenstrahls ionisiert und in einem Massenspektrometer nachge­ wiesen.

Die Elektronenstoßionisation, obgleich mit niederenerge­ tischen Elektronen durchgeführt, führt jedoch i. a. zu Anre­ gungen im Molekül und damit zu einem nicht geringen Teil zur Fragmentierung der Probenmoleküle.

Bei anderen bekannten Systemen zum massenspektrometri­ schen Nachweis von organischen Molekülen mit einer Masse zwi­ schen 100 und einigen 100 000 Dalton werden daher die Proben­ moleküle in einem Schritt desorbiert (in die Gasphase ge­ bracht) und ionisiert. Die entsprechenden Ionisations- Verfahren basieren auf a) dem Protonieren und b) dem Deproto­ nieren des zu untersuchenden Moleküls in einer speziellen Ma­ trix. Die beiden Verfahren werden als MALDI-Verfahren (matrix assisted laser desorption/ionization) bezeichnet.

In "Methods Utilizing Low and Medium Laser Irradiance" von A. Vertes und R. Gijbels in "Laser Ionization Mass Analy­ sis", Hrsg. Akos Vertes, Renaat Gijbels, John Wiley Sons, New York 1993, S. 127 bis 175, wird ein Überblick über das MALDI- Verfahren gegeben. Das auf Protonieren basierende Verfahren eignet sich insbesondere für Peptide, die ein N-Atom aufwei­ sen. Zur Protonierung werden die Peptide in eine Matrix ein­ gebaut. Die Matrix hat die Aufgabe, die zu untersuchenden Mo­ leküle auf Abstand voneinander zu halten, damit die sonst starken intermolekularen Bindungen aufgebrochen werden und die Moleküle als einzelne Massen nachgewiesen werden. Außer­ dem gibt die Matrix ein H⁺-Ion an das Molekül ab, das sich vorzugsweise an das N-Atom im Molekül anlagert. Schließlich absorbiert die Matrix das eingestrahlte Laserlicht, so daß die Matrixmoleküle desorbieren, wobei Probenmoleküle in die Gasphase mitgerissen werden. Die Molekülionen in der Gasphase werden dann in einem Massenspektrometer nachgewiesen.

Das Verfahren, das sich besonders für den Nachweis von sauren Molekülen (z. B. mit einer -COOH Gruppe, bei der das H abgetrennt wird und in der Matrix verbleibt) eignet und ins­ besondere beim Nachweis von Nukleotiden verwendet wird, ba­ siert auf der Deprotonierung der Probenmoleküle. Dabei wird das Molekül ebenfalls in eine Matrix eingebaut. In der Matrix gibt das Probenmolekül ein H⁺-Ion an die Matrix ab, das Elek­ tron verbleibt am Molekülionenrumpf. Mittels Laserdesorption werden wie bei dem Verfahren mit der Protonierung des Proben­ moleküls das Probenmolekül und die Matrix in die Gasphase ge­ bracht und in einem konventionellen Massenspektrometer nach­ gewiesen.

Der Nachteil bei den genannten bisher bekannten Nachweis­ systemen, die auf der Methode der Protonierung bzw. Deproto­ nierung beruhen, liegt darin, daß für jedes Molekül je nach seinen Eigenschaften ein eigenes Verfahren gesucht, eine spe­ ziell geeignete Matrix gewählt werden muß. Es können nicht alle Moleküle mit dem gleichen Verfahren nachgewiesen werden.

Die Erfindung hat daher zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. der die Moleküle in einem großen Massenbereich der Massenspektroskopie zugänglich ge­ macht werden, ohne daß komplizierte molekülspezifische Präpa­ rationsschritte erforderlich werden.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch erreicht. Die Unteran­ sprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. auf bevorzugte Ausführungsformen der Vorrich­ tung.

Im folgenden wird unter "Quasiionisierung" von Probenmo­ lekülen die Bildung von Molekül komplexen aus einem Ion, dem sogenannten Primärion, und einem neutralen Probenmolekül (in der Gasphase) verstanden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Quasiionisierung von Probenmolekülen werden Primärionen aus einem Ionendonator erzeugt und in einer Kammer in die Gasphase freigesetzt. Au­ ßerdem werden zu untersuchende Probenmoleküle in gasförmigem Zustand in die Kammer gebracht, oder es wird eine Probe mit zu untersuchenden Probenmolekülen in der Kammer verdampft, so daß die zu untersuchenden Moleküle ebenfalls in die Gasphase gelangen und sich mit den Primärionen vermischen. In der Gas­ phase kommt es zur Wechselwirkung der Moleküle und Ionen, und es bilden sich Ion-Molekülkomplexe. Durch Expansion eines Ga­ ses wird ein Gasstrahl in der Kammer erzeugt. Das Gemisch aus Probenmolekülen und Primärionen wird in diesem Überschall­ strahl mitgerissen. Dadurch werden die Teilchen, d. h. Pro­ benmoleküle und Primärionen auf im wesentlichen dieselbe Ge­ schwindigkeit gebracht und damit die Zeit und die Wahrschein­ lichkeit für ihre Wechselwirkung beträchtlich erhöht. Mit an­ deren Worten, die Dichte der Probenmoleküle und der Primärio­ nen bleibt über einen größeren räumlichen und zeitlichen Be­ reich gleich. Darüber hinaus werden die sich bildenden Primä­ rion - Probenmolekülkomplexe im Gasstrahl abgekühlt, so daß innere Energie abgeführt wird und die Komplexe stabilisiert werden. Ferner werden die Primärion - Probenmolekülkomplexe mit dem Gasstrahl aus dem Wechselwirkungsbereich heraustrans­ portiert und z. B. in ein Massenspektrometer gebracht.

Als Ionendonator zur Erzeugung von Primärionen wird vor­ zugsweise ein Salz verwendet, aus dem Primärionen z. B. mit­ tels Laserdesorption oder Teilchenbeschuß oder mittels Entla­ dung in die Gasphase (Sputtern, FAB) gebracht werden. Die Primärionen können atomare Ionen oder molekulare Ionen sein. Ferner können die Ionen Kationen bzw. Anionen sein. Die Er­ finder haben festgestellt, daß sich atomare Kationen beson­ ders leicht an andere, neutrale Moleküle in einem Gasstrahl anlagern. Für die Erzeugung von atomaren Kationen in der Gas­ phase mit Laserdesorption eignen sich als Ionendonator beson­ ders gut Cäsiumsalze und insbesondere Cäsiumjodid CsI, Cäsi­ umchlorid CsCl und Cäsiumbromid CsBr, bei denen Cs⁺ in die Gasphase freigesetzt wird.

Die Verdampfung von Probenmolekülen erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels Laserdesorption der Probe, obgleich dies grundsätzlich auch mit dem Aufheizen der Probe mit einer Heizvorrichtung oder mit Teilchenbeschuß möglich ist. Die Probenmoleküle können dabei je nach ihren Eigenschaften in einer festen oder flüssigen Trägersubstanz gelöst sein.

Das Verfahren kann optimiert werden, indem Ionendonator und Probe vor der Messung vermischt werden, gemeinsam auf den Probenhalter gebracht werden und in der Kammer Probenmoleküle und Primärionen gemeinsam mittels Laserdesorption in die Gas­ phase gebracht werden. Ist dies dagegen nicht möglich, so müssen zwei Energiequellen vorgesehen sein, eine für die Ver­ dampfung der Probe und eine für die Bildung von Pimärionen.

Bei der Laserdesorption wird vorzugsweise mit gepulsten Lasern gearbeitet, um die Probenmoleküle geringerer thermi­ scher Belastung auszusetzen als dies der Fall mit Lasern im Dauerstrichbetrieb ist. Daher wird bei einer bevorzugten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein hochauflö­ sendes Flugzeit-Massenspektrometer, insbesondere Reflektron- Flugzeit-Massenspektrometer verwendet, das gepulst be­ trieben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen umfaßt in einer Kammer einen Probenhalter zur Aufnahme einer Probe und/oder zur Aufnahme eines Ionendona­ tors. Der Probe wird mit einer Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen der Probe Energie zugeführt, so daß die Probenmo­ leküle in die Gasphase übergehen. Mit derselben oder einer weiteren Verdampfungsvorrichtung wird dem Ionendonator Ener­ gie zugeführt, so daß aus dem Ionendonator Primärionen in die Gasphase treten und sich mit den Probenmolekülen in der Gas­ phase vermischen. Mit einer Düsenvorrichtung wird ein Gasstrahl erzeugt, der die Primärionen und die Probenmoleküle auf im wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit bringt, so daß die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Primärion- Proben­ molekülkomplexen erheblich steigt.

Als Verdampfungsvorrichtung kann je nach Molekül und Io­ nendonator eine Laservorrichtung, ein Ofen oder eine Teil­ chenkanone bzw. Entladungsvorrichtung vorgesehen sein.

Die Verdampfungsvorrichtung bzw. die Düsenvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstrahls ist vorzugsweise gepulst ans teuer­ bar. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Vorrich­ tung zum Quasiionisieren ein Massenspektrometer das nachge­ schaltet wird, so daß eine Analysatorvorrichtung für den mas­ senspektrometrischen Nachweis von Probenmolekülen geschaffen wird. Insbesondere kann das Massenspektrometer ein Flugzeit- Massenspektrometer oder Reflektron-Flugzeit-Massenspektro­ meter hoher Auflösung sein, wobei der Gasstrahl die Primärion- Probenmolekülkomplexe z. B. zu einem Massenspektrometer transportiert.

Zur Verbesserung der Auflösung im Massenspektrometer wer­ den in einer bevorzugten Ausführungsform die Primärion- Pro­ benmolekülkomplexe in einem elektrischen Feld nachbeschleu­ nigt, bevor sie in das Massenspektrometer gelangen. Dazu weist die erfindungsgemäße Analysatorvorrichtung für den mas­ senspektrometrischen Nachweis von Probenmolekülen Abzugsblen­ den zwischen dem Wechselwirkungsbereich der Primärionen und Probenmoleküle und dem Massenspektrometer auf, an die eine Gleichspannung oder eine Folge von Spannungspulsen angelegt wird. Insbesondere kann dabei ein Abzug der Ionen aus dem Gasstrahl unter einem vorgegebenen Winkel gegenüber der Achse des Gasstrahls vorgesehen sein, damit eine Trennung von neu­ tralen Molekülen und Ionen erfolgt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Analysatorvorrichtung be­ steht darin, daß die zu untersuchenden Probenmoleküle sehr schonend quasiionisiert werden, so daß die Wahrscheinlichkeit für das Fragmentieren des Moleküls deutlich verringert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Quasiionisieren beliebiger Moleküle möglich, wobei für nahezu jede Molekülart die Effizienz sehr hoch ist. Es muß nicht wie beim MALDI- Verfahren nach dem Stand der Technik ein spezifisches Verfah­ ren für jedes Molekül ausgewählt werden, je nachdem ob es sich um ein saures, ein basisches, ein Polymer-Molekül oder um ein sonstiges Kohlenwasserstoffmolekül handelt. Außerdem haben die Erfinder festgestellt, daß sich mit der besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen und der besonders be­ vorzugten Ausführungsform des Verfahrens fast ausschließlich einfach geladene Komplexe bilden, so daß das mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gewonnene Massenspektrum sehr einfach zu interpretieren ist. Zur Bestimmung von Masse und relativer Häufigkeit der Moleküle wird ein Massenspektrometer verwendet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale der Erfindung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Proben­ molekülen beschrieben, wobei auf die Zeichnungen Bezug genom­ men wird.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen und deren Nachweis in einem Massenspek­ trometer;

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen;

Fig. 3a und 3b zeigt zur Erläuterung der Effizienz der Kationenerzeugung ein Flugzeitspektrum der bei drei verschie­ denen Ionendonatoren freigesetzten Kationen bzw. das dazuge­ hörige Flugzeitspektrum eines Probenmoleküls mit jeweils ei­ nem angelagerten Kation;

Fig. 4 zeigt ein Flugzeit-Massenspektrum von Gramicidin S mit Csr als angelagertem Ion, das mit einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung aufgenommen wurde.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Quasiionisieren von (unbekannten) Probenmolekülen in der Kammer 1. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Kammer 1 eine Vakuumkammer. Obgleich die Quasiionisa­ tion auch in einer Kammer mit einem Druck möglich ist, der nur wenig unter dem Atmosphärendruck liegt, hat sich für die Massenspektrometrie die Verwendung einer Vakuumkammer auch für die Quasiionisation als vorteilhaft herausgestellt. Die Vakuumkammer 1 ist in zwei Bereiche 1a und 1b unterteilt. Der erste, linke Bereich 1a ist die Skimmerkammer. Sie enthält einen Probenhalter 2, eine Düse 5 und einen Skimmer 8. Die Einzelheiten der genannten Vorrichtungen werden in Fig. 2 ge­ zeigt und weiter unten erläutert. Aus der Düse 5 tritt unter Expansionsdruck ein Gas oder Trägergas in die Skimmerkammer 1a aus. Der Expansionsdruck entspricht der Druckdifferenz zwischen Vordruck des Trägergases und dem Druck in der Kam­ mer. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung war das Trägergas Argon und betrug der Vor­ druck 3 bar bei vernachlässigbarem Druck in der Kammer. Das Trägergas kühlt bei der Expansion stark ab. Es reißt geladene oder ungeladene Moleküle in der Kammer mit und transportiert sie zu einer Öffnung zwischen der Skimmerkammer 1a und einer Massenspektrometriekammer 1b. Dabei werden einerseits die Probenmoleküle gekühlt, wodurch die Anlagerungswahrschein­ lichkeit für Primärionen erhöht wird, andererseits werden Probenmoleküle und Primärionen mit nahezu gleicher Geschwin­ digkeit transportiert, so daß die Wechselwirkungszeit und da­ mit ebenfalls die Wechselwirkungseffizienz erhöht wird. Schließlich werden die neu gebildeten Adduktionen im Gasstrahl gekühlt und stabilisiert.

Die Erfinder fanden, daß mit einem Überschallgasstrahl die Anlagerungseffizienz ganz wesentlich verbessert werden kann. Bei der beschriebenen Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung wurde daher ein Überschallstrahl verwendet.

Von der Düse stromabwärts gesehen befindet sich vor der Öffnung ein Skimmer 8. Dieser Skimmer 8 "schält" Teilchen des Gasstrahls mit einer bestimmten Divergenz, d. h. Teilchen mit einem Winkel zwischen Flugbahn und der Zentralachse des Gasstrahls, der größer als ein vorgegebener Wert ist, ab und verhindert, daß sie in die Massenspektrometriekammer 1b ge­ langen. Diese in der Skimmerkammer 1a verbleibenden Teilchen werden durch eine oder mehrere Vakuumpumpen 4 abgepumpt. Der Druck in der Skimmerkammer 1a ist daher gewöhnlich etwas hö­ her als in der Massenspektrometriekammer 1b. In die Massen­ spektrometriekammer 1b tritt nur ein sehr dünner Strahl von Teilchen mit einer sehr engen Winkelverteilung ein.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmole­ külen befindet sich in der Massenspektrometriekammer 1b ein Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometer 10. In diesem wer­ den die Ionen zunächst durch den Potentialunterschied zwi­ schen zwei oder mehreren Abzugsblenden 9 nachbeschleunigt. Anschließend werden sie aus ihrer ursprünglichen Flugrichtung durch Reflektorblenden 11 abgelenkt, so daß sie auf einen De­ tektor 12 treffen, mit dem sie nachgewiesen werden. Die Funk­ tionsweise und der Arbeitsbereich dieser Reflektor-Flugzeit- Massenspektrometer ist von U. Boesl, R. Weinkauf und E. W. Schlag in "Reflectron Time-of-Flight Mass Spectrometry and Laser Excitation for the Analysis of Neutrals, Ionized Mo­ lecules and Secondary Fragments", Int. Jour. Mass Spectrom. Ion Proc., Bd. 112, 1992, Seite 121 ff. beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird. Das Hochvakuum in der Massen­ spektrometriekammer 1b wird durch eine oder mehrere weitere Vakuumpumpen 4 aufrechterhalten.

In Fig. 2 ist die Vorrichtung zum Quasiionisieren mit der Düse 5 und dem Probenhalter 2 im Detail gezeigt. Auf dem Pro­ benhalter 2 befindet sich bei dieser Ausführungsform der Er­ findung sowohl die Probe (eingebettet in einer Trägersub­ stanz) als auch der Ionendonator. In der dargestellten Aus­ führungsform der Erfindung ist der kombinierte Probenhalter und Ionendonatorträger 2 eine motorgetriebene Schraubspindel, auf die die Probe oder das Gemisch aus Probe und Ionendonator als Flüssigkeit aufgetragen wird und die während der Messung weitergedreht wird, um laufend ausreichend und gleichmäßig Probenmaterial zur Verfügung zu stellen. Bei dem Aufbringen des Gemisches aus Probe und Ionendonator auf den kombinierten Probenhalter und Ionendonatorträger 2 ist das Mischen ein dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschalteter Schritt. Bei dem Mischen, das außerhalb der Vakuumkammer 1 unter Normalbedin­ gungen erfolgt, wird die zu untersuchende Probe mit der Trä­ gersubstanz und dem jeweiligen Ionendonator in geeigneten Lö­ sungsmitteln gelöst. Die Lösung aus Probe, Trägersubstanz und Ionendonator wird mit einem Elektrosprayverfahren oder durch Eintauchen der Schraubspindel 2 auf die Schraubspindel aufge­ bracht. Beim Elektrosprayverfahren werden kleine Tröpfchen durch ein zwischen Spitze und Probehalter angelegtes Feld aus einer Spritze herausgezogen. An der Luft (Normaldruck) schrumpfen die Tröpfchen und explodieren, wenn sie eine be­ stimmte kritische Größe erreicht haben. Durch das angelegte Feld werden die Tröpfchen und auf den Probehalter gelenkt und sehr homogen über den Probenhalter 2 verteilt, so daß sich eine besonders homogene, feste amorphe Schicht auf der Schraubspindel 2 ergibt. Die Homogenität der Probenschicht und eine langsame Schraubenbewegung der Schraubspindel 2 er­ laubt je nach Dimension des Probenhalters und Beschaffenheit der Probe eine stabile und konstante Verdampfung bis über ei­ ne Stunde. Die Probe kann jedoch mit dem Ionendonator auch einfach gemischt, zermahlen und anschließend am Probenhalter 2 fixiert werden. Als Material für die Trägersubstanz können z. B. Moleküle mit aromatischen Gruppen, Zucker o. ä. einge­ setzt werden, die verglichen mit den Probenmolekülen niedrige Molmassen haben.

Der Probenhalter 2 ist in einem Düsenaufsatz 6, der sich direkt vor der Düse 5 befindet, in einer Aufnahmenut 6c (beliebigen Querschnitts) untergebracht. Der Düsenaufsatz hat drei Bohrungen, die im wesentlichen jeweils senkrecht zuein­ ander stehen. Die erste Bohrung (beliebigen Querschnitts) stellt den Wechselwirkungsbereich 6a dar, der für das Durch­ mischen von (neutralen) Probenmolekülen und Kationen in der Gasphase dient und gleichzeitig die Expansionsrichtung des Trägergases vorgibt. Die zweite Bohrung ist ein Sichtkanal 6b (beliebigen Querschnitts). Seine Achse schneidet sich mit der Achse des Wechselwirkungsbereichs 6a in etwa in der Mitte des Düsenaufsatzes 6. Während die erste Bohrung selbstverständ­ lich durchgängig sein muß, damit die gebildeten Adduktionen von einem von der Düse 5 ausgehenden Gasstrahl zu dem Massen­ spektrometer 10 transportiert werden können, ist dies bei der zweiten Bohrung 6b nicht unbedingt erforderlich; sie kann blind in dem Düsenaufsatz 6 enden. Die dritte Bohrung ist die Aufnahmenut 6c für den Probenhalter 2. Diese Aufnahmenut 6c verläuft quer zu dem Wechselwirkungsbereich 6a und quer zum Sichtkanal 6b. Ihre Achse schneidet die Achse des Sichtkanals 6b in einem vorgegebenen Abstand unter dem Schnittpunkt der Achse des Wechselwirkungsbereichs 6a mit der des Sichtkanals 6b. Der Abstand ist vorzugsweise so gewählt, daß der Proben­ halter 2 im wesentlichen tangential zur ersten Bohrung 6a ge­ führt wird und die Aufnahmenut 6c über einen vorgegebenen Be­ reich zu dem Wechselwirkungsbereich 6a hin offen ist. Die Aufnahmenut 6c liegt dabei unterhalb des Wechselwirkungsbe­ reichs 6a, so daß sie durch den Wechselwirkungsbereich 6a nicht sichtbar ist und kein Hindernis für das expandierende Trägergas darstellt. In Fig. 2 ist mit dem Pfeil die Dreh­ richtung des Probenhalters 2 angezeigt.

Der (nicht dargestellte) Antriebsmotor für die Schraub­ spindel als Probenhalter 2 befindet sich in der Darstellung in Fig. 1 und Fig. 2 hinter der Zeichenebene. Er dreht den Probenhalter 2 und schiebt ihn gleichzeitig vor, so daß immer in etwa gleich viel Probenmaterial vorliegt. Als Motor kann insbesondere ein Schrittmotor verwendet werden.

Zum Überführen des Gemisches aus Probe und Ionendonator wird durch den Sichtkanal 6b Energie auf den Probenhalter 2 in der Aufnahmenut 6c gestrahlt. Dabei kann es sich um Licht oder Teilchen handeln. Bei instabilen Probenmolekülen - und das ist der überwiegende Teil der Proben, bei denen eine Ana­ lyse normalerweise durchgeführt wird - wird die Laserdesorp­ tion bevorzugt, um die Probenmoleküle in die Gasphase zu bringen. Vorzugsweise wird dabei der Laser gepulst, um die thermische Belastung der Probenmoleküle gering zu halten. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Licht 3 von der Laservorrichtung mit einer Linse 3a gebündelt. Durch die Lin­ se 3a wird der Laserstrahl auf die Probe fokussiert. Insbe­ sondere sind Brennweite und Abstand der Linse 3a von der Pro­ be so gewählt, daß die Probenmoleküle möglichst schonend in die Gasphase gebracht werden. In der Praxis hat sich dabei eine Einstellung bewährt, bei der der fokussierte Strahl eine Energie von 0,5 bis 2 mJ bei einer Pulsdauer von unter 200 ns und einen Durchmesser auf der Probe zwischen 10 und 250 µm hat.

In der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen liegen Probe und Ionendonator als Gemisch auf einem kombinierten Probenhalter und Ionendonatorträger 2 vor. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Quasiionisieren von Proben­ molekülen kann der Ionendonatorträger 2 jedoch auch ein sepa­ rater, von dem Probenhalter 2 unabhängiger z. B. muldenförmi­ ger Träger sein. Der Ionendonator wird mit Licht bestrahlt oder mit schnellen Atomen beschossen (FAB: fast atom bombard­ ment), so daß Primärionen durch Sputtern aus dem Ionendonator in die Gasphase überführt werden.

Bei größeren Entfernungen zwischen Probenhalter 2, dem Wechselwirkungsbereich 6a und dem Ionendonatorträger oder bei besonderer räumlicher Anordnung kann zusätzlich eine (nicht dargestellte) Blendenanordnung vorgesehen werden, um die Transporteffizienz der Kationen vom Ionendonator in den Wech­ selwirkungsbereich 6a zu verbessern.

Werden Probenmoleküle und Primärionen getrennt in die Gasphase gebracht, so ist das Verfahren, mit dem die Probe in die Gasphase gebracht wird, unabhängig von dem Verfahren, mit dem die Kationen in die Gasphase gebracht werden. Zum Ver­ dampfen der Probe, d. h. um die Probenmoleküle in die Gaspha­ se zu bringen, kann daher statt eines Lasers für die Laser­ desorption eine Heizvorrichtung vorgesehen werden. Bei einer Heizvorrichtung ist diese wärmeleitend mit dem Probenhalter verbunden, und die Probenmoleküle werden durch die zugeführte Wärme in die Gasphase gebracht. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur bei leicht flüchtigen Molekülen.

Dementsprechend kann auch der Ionendonator mit einer Heizvorrichtung verbunden sein, so daß aus ihm Ionen freige­ setzt werden. Insbesondere kann hierfür eine Heizwendel aus Wolframdraht verwendet werden, die bis auf ca. 3000°K aufge­ heizt wird, wobei aus CsJ oder einem elementaren Cs-Kristall Cs⁺-Ionen freigesetzt werden.

Erfindungsgemäß gelangen die aus dem Ionendonator freige­ setzten Kationen in den Wechselwirkungsbereich 6a, in dem sie sich mit den neutralen Probenmolekülen in der Gasphase vermi­ schen, so daß es in dem Gasgemisch aus Probenmolekülen und Kationen zu Anlagerungen der Kationen an die Probenmoleküle und zur Bildung von Adduktionen kommt. Die Adduktionen in dem Wechselwirkungsbereich 6 und in dem im folgenden beschriebe­ nen Überschallstrahl sind hier als Punkte 7 dargestellt.

Neben der Funktion der Verbesserung der Wechselwirkung zwischen desorbierten Probenmolekülen und Ionen und gleich­ zeitiger Abkühlung der Molekül komplexe dient der Gasstrahl zum Transport der Adduktionen in das eigentliche Massenspek­ trometer. Der Gasstrahl wird durch Expansion eines Trägerga­ ses aus einer Düse 5 erzeugt. Die Düse 5 ist in der gezeigten Ausführungsform im wesentlichen eine Kammer mit einer einfa­ chen Bohrung als Öffnung an einer Seite. Anstatt einer einfa­ chen Bohrung kann aber auch eine Bohrung in Form einer Laval- Düse vorgesehen werden. Die Öffnung wird von einem Stößel 5a verschlossen. Der Stößel 5a besteht vorzugsweise aus Teflon oder aus Metall mit konisch zulaufender Spitze. Er wird auf einen (nicht dargestellten) induktiven Antrieb oder auf einen (nicht dargestellten) Piezokristall aufgeklebt. In geschlos­ senem Zustand der Düse drückt der Stößel 5a gegen die Öff­ nung, so daß diese im wesentlichen dicht verschlossen ist und wenig oder kein Trägergas aus ihr austritt. Zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird die Düse geöffnet, so daß die Gasfront in den Wechselwirkungsbereich einströmt. Zu einem Zeitpunkt t₂, der von der Gasdichte im Wechselwirkungsbereich abhängt, wer­ den die Probenmoleküle und Primärionen desorbiert, so daß sie sich in der Gasphase vermischen (wenn sie nicht bereits als Gemisch auf dem Probenhalter 2 vorliegen) und Anlagerungen in dem Wechselwirkungsbereich stattfinden. Das Trägergas strömt aus und transportiert die Adduktionen in das eigentliche Spektrometer.

Die Düse wird für Massenbestimmung über Flugzeitmessungen gepulst betrieben, d. h. sie wird nur kurz geöffnet und es strömt nur kurzzeitig Trägergas in die Vakuumkammer. Der Dü­ senstößel wird dabei so angesteuert, daß die Ausdehnungsfront des im Vakuum ausströmenden Trägergases in etwa mit den in die Gasphase tretenden Probenmolekülen und Kationen zeitlich im Wechselwirkungsbereich 6a zusammentrifft und diese mit­ reißt. Als Trägergas wird dabei vorzugsweise ein Edelgas wie Argon, Helium oder Neon oder ein anderes relativ inertes Gas wie Stickstoff N₂ verwendet.

Durch den Überschallstrahl werden die Adduktionen (Probenmolekül mit angelagertem Kation) in die Massenspektro­ metriekammer 1b transportiert und mit dem oben beschriebenen Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometer 10 nachgewiesen. Statt des Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometers kann auch je nach gewünschter Auflösung ein Aston- oder ein anderes Massenspek­ trometer verwendet werden.

In Fig. 3a ist zur Erläuterung der Effizienz bei der Er­ zeugung von Kationen aus Alkalihalogenidsalzen als Ionendona­ tor das Flugzeit-Massenspektrum von drei Kationen darge­ stellt. Das Spektrum wurde aufgenommen, indem eine Mischung der drei Alkalihalogenidsalze NaI, KI und CsI mit einem IR- Laser desorbiert wurden. Die drei Salze lagen dabei mit je­ weils gleichem molaren Anteil als 1 : 1 : 1-Gemisch vor. Wie aus Fig. 3a ersichtlich, ist die Effizienz bei der Erzeugung von Kationen unter den drei gezeigten Salzen bei CsI am höchsten. Neben den Iodidverbindungen haben sich auch die entsprechen­ den Chloridverbindungen bewährt.

Zum Vergleich sind in Fig. 3b die Flugzeiten des Peptids H-Leu(4)-Trp-OH mit angelagertem Na⁺, K⁺ bzw. Cs⁺ dargestellt, wobei das Spektrum mit dem gleichen Ionendonator wie das Spektrum in Fig. 3a aufgenommen wurde. Das Mischungsverhält­ nis bei dem Probe-Ionendonator-Gemisch betrug bei der Messung Peptid:NaI : KI : CsI 1 : 1:1 : 1. Aus der Darstellung in Fig. 3b ist ersichtlich, daß die Anlagerungswahrscheinlichkeit für die Kationen Na⁺, K⁺ bzw. Cs⁺ im wesentlichen gleich ist, da die Größenverteilung in diesem Spektrum mit Probesubstanz der Größenverteilung im Kationenspektrum entspricht, und daß so­ mit für den Nachweis eines Probenmoleküls nur die Effizienz bei der Erzeugung von Kationen eine Rolle spielt.

Bei der Auswertung der Flugzeitspektren muß berücksich­ tigt werden, daß sich z. B. die Masse 679, 695 bzw. 789 Dal­ ton zusammensetzt aus der Masse des Probenmoleküls 656 Da und der Masse des angelagerten Kations (hier Na²³, K³⁹ und Cs¹³³). Zur Bestimmung der Masse des gesuchten Probenmoleküls ist al­ so die Masse des jeweiligen Kations abzuziehen. Das Alkali­ atom Cs hat dabei den weiteren praktischen Vorteil gegenüber anderen Alkaliatomen, daß nur ein Isotop natürlich vorkommt. Man hat daher im Massenspektrum keine "Aufspaltung" der Pro­ benmolekülmasse im Flugzeitspektrum aufgrund von verschiede­ nen Isotopenmassen der angelagerten Kationen, was die Auswer­ tung der Massenspektren weiter vereinfacht.

In Fig. 4 ist das Massenspektrum von (Gramicidin S)Cs⁺ mit der chemischen Formel

und mit einer Masse von 1273 Da (1140 (Gramicidin S) + 133 (Cs) Da) dargestellt. Das Spektrum wurde mit CsI als Io­ nendonator aufgenommen. Auffällig in diesem Spektrum ist, daß es offensichtlich kaum Fragmente des Probenmoleküls gibt: es tritt im wesentlichen, d. h. mit deutlich größerer Intensität gegenüber anderen Massen, nur die Masse des untersuchten Pro­ benmoleküls auf, kleinere Massen, die von einer Fragmentie­ rung des Probenmoleküls herrühren könnten und die häufig in Ionisationsspektren nach dem Stand der Technik auftreten, treten nicht auf.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Messung mit einem Gemisch aus Probe und Ionendonator. Die Verdampfung von Probenmolekülen und die Ionenbildung kann aber auch separat durchgeführt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß mit der Kodesorption bes­ sere Ergebnisse erzielt werden, da durch das Mischen von Pro­ be und Ionendonator bereits zu Beginn der Messung, also bei der Desorption eine besonders gute Durchmischung auch in der Gasphase erzielt wird.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, soll die Trä­ gersubstanz leicht verdampfbar sein, um die Desorption der Probenmoleküle zu unterstützen. Sie braucht keine ionisieren­ den Eigenschaften zu haben, so daß eine große Vielzahl von möglichen Trägersubstanzen zur Auswahl steht. Die Schritte des Trennens der Probenmoleküle voneinander (durch die Trä­ gersubstanz), der Absorption von zugeführter Energie, die für den Übergang in die Gasphase notwendig ist, und der Ionisati­ on der Probenmoleküle sind bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren vollkommen unabhängig voneinander. Dies bedeutet, daß die Probenmatrix, der Ionendonator und der Transportmechanismus der Adduktionen in das Massenspektrometer, der erfindungsge­ mäß über einen Gasjet erfolgt, unabhängig voneinander sind und damit jede Komponente für sich optimierbar ist, gegensei­ tige Beeinflussungen werden ausgeschlossen. Insbesondere kann die Trägersubstanz derart gewählt werden, daß sie die Lasere­ nergie optimal absorbiert. Das Absorptionsvermögen der Trä­ gersubstanz kann dabei durch Farbstoffe noch verstärkt wer­ den. Die Probenmoleküle selbst müssen nicht absorbieren, es genügt, daß die Strahlungsenergie zunächst von der Trägersub­ stanz absorbiert wird. Beim Austritt der Trägersubstanzmole­ küle in die Gasphase werden dann die Probenmoleküle in diese mitgerissen. Damit ergibt sich für den Fachmann unmittelbar ein breites Anwendungsspektrum für das erfindungsgemäße Ver­ fahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Bezugszeichenliste

1

Vakuumkammer

1

a Skimmerkammer

1

b Massenspektrometriekammer

2

Probenhalter/Ionendonatorträger

3

Licht zum Desorbieren der Probe

3

a Linse

4

Hochvakuumpumpe

5

(gepulste) Düse

5

a beweglicher Düsenstößel

6

Düsenaufsatz

6

a Wechselwirkungsbereich

6

b Sichtkanal

6

c Aufnahmenut

7

Überschallstrahl

8

Skimmer

9

Abzugsblenden

10

Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometer

11

Reflektorblenden

12

Detektor

Claims (21)

1. Verfahren zum Quasiionisieren von Probenmolekülen in der Gasphase mit den Schritten:
Erzeugen von Primärionen in der Gasphase in einer Kammer (1a);
Einlassen gasförmiger Probenmoleküle in die Kammer (1a) oder Verdampfen einer Probe mit Probenmolekülen in der Kammer (1a);
Erzeugen eines Gasstrahls (7) in der Kammer (1a), in dem sich Primärion-Probenmolekülkomplexe aus den Primärionen und den Probenmolekülen in der Gasphase bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Primärionen durch Laserdesorption eines Ionendonators erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Primärionen durch Teilchenbeschuß eines Ionendonators erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ato­ mare Ionen als Primärionen erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Ka­ tionen als Primärionen erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ionendonator ein Alkalihalogenid oder ein Gemisch von Alkalihalogeniden umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Ionendonator CsI und/oder CsCl und/oder CsBr umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Probenmoleküle durch Laserdesorption der Probe in die Gasphase gebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Probenmoleküle durch Teilchenbeschuß der Probe in die Gas­ phase gebracht werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Probenmoleküle in der Probe in einer festen oder flüssigen Trägersubstanz gelöst sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 10, soweit er sich auf Anspruch 2 bezieht, und 9 oder 10, soweit er sich auf Anspruch 3 bezieht, bei dem die Probenmoleküle und der Ionendonator als Gemisch in die Kammer (1a) gebracht wer­ den, so daß Primärionen und Probenmoleküle auf die gleiche Art erzeugt bzw. verdampft werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Öffnen einer Düse (5, 5a) zum Erzeugen des Gasstrahls (7) und/oder das Erzeugen der Primärionen und/oder das Verdampfen der Probenmoleküle gepulst erfolgt.

13. Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen, die in einer Kammer (1a) umfaßt:
wenigstens einen Probenhalter (2) zur Aufnahme einer Pro­ be, die Probenmoleküle umfaßt, und/oder eines Ionendona­ tors;
wenigstens eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen der Probe und/oder zum Erzeugen von Primärionen aus dem Ionendonator;
eine Düsenvorrichtung (5, 5a, 6, 6a, 6b, 6c) mit einer Düse (5, 5a) zum Erzeugen eines Gasstrahls (7).

14. Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen nach Anspruch 13, die eine Laservorrichtung zum Desorbieren der Probenmoleküle und/oder zum Erzeugen von Primärionen in der Gasphase umfaßt.

15. Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen nach Anspruch 13, bei der die Verdampfungsvorrichtung eine Heiz­ vorrichtung Desorbieren der Probenmoleküle und/oder zum Er­ zeugen von Primärionen umfaßt.

16. Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen nach Anspruch 13, bei der die Verdampfungsvorrichtung eine Ent­ ladungsvorrichtung zum Erzeugen der Primärionen umfaßt.

17. Vorrichtung zum Quasiionisieren von Probenmolekülen nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der mindestens eine Ver­ dampfungsvorrichtung und/oder die Düse (5, 5a) zum Erzeugen eines Gasstrahls gepulst ansteuerbar ist.

18. Analysatorvorrichtung für den massenspektrometrischen Nachweis von Probenmolekülen, die eine Vorrichtung zum Qua­ siionisieren der Probenmoleküle nach einem der Ansprüche 13 bis 17 und ein Massenspektrometer (1b, 10) umfaßt.

19. Analysatorvorrichtung nach Anspruch 18, die als Massen­ spektrometer (1b, 10) ein Reflektron-Flugzeit-Massen­ spektrometer umfaßt.

20. Analysatorvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der zwischen einem Wechselwirkungsbereich (6a) und dem Massen­ spektrometer (1b, 10) und insbesondere zwischen einem Skim­ mer (8) und dem Massenspektrometer (1b, 10) eine oder meh­ rere Abzugsblenden (9) angeordnet sind.

21. Analysatorvorrichtung nach Anspruch 20, bei der eine oder mehrere Abzugsblenden (9) so angeordnet sind, daß die Flugrichtung der durch die Abzugsblenden (9) aus dem Gasstrahl (7) abgelenkten Primärion-Probenmolekülkomplexe und die Flugrichtung der neutralen Moleküle im Gasstrahl (7) einen vorgegebenen Winkel einschließen.