DE19705762C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Gasstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Erzeugen von Gasstrahlen und insbesondere zum Aufbereiten von Probenmolekülkomplexen in der Gasphase für ihren analytischen Nachweis. Das Verfahren eignet sich insbe­ sondere für die Massenspektrometrie auf dem Gebiet der phar­ mazeutischen Qualitätskontrolle, im medizinischen/biologi­ schen Bereich, dem Gebiet des Umweltschutzes mit Wasser- und Bodenanalytik und auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik.

Das Erzeugen von Gasstrahlen für den analytischen Nachweis von Probenmolekülkomplexen in der Gasphase beinhaltet das Freisetzen von Probenmolekülen in die Gasphase, das Erzeugen und Freisetzen in die Gasphase von Primärionen aus einem Io­ nendonator und das Durchmischen der Probenmoleküle und der Primärionen in der Gasphase. Ein derartiges Verfahren ist aus US 5 485 016 bekannt. Nach diesem Stand der Technik erfolgt das Aufbereiten in einem Massenspektrometer mit einem Ionen­ bildungsbereich, einem Reaktionsbereich und einem Massenana­ lysebereich. In dem Ionenbildungsbereich wird Ionenbildungs­ gas durch einen Ionisator erzeugt, so dass Primärionen ent­ stehen. Diese Ionenbildungsgas strömt zusammen mit Primärio­ nen in den Reaktionsbereich und wird mit einem zu untersu­ chenden Probengas vermischt. Verunreinigungen in dem zu un­ tersuchenden Probengas werden ionisiert und nachgewiesen.

Dieses Verfahren ist jedoch nur bei bekannten Verunreini­ gungen anwendbar, bei denen die Primärionen entsprechend ge­ wählt werden können. Ein Nachweis, bei dem die Effizienz un­ abhängig von der nachzuweisenden Verunreinigung ist, ist bei diesem Stand der Technik nicht möglich.

Ferner ist aus DE 38 09 504 C1 ein Verfahren zum Verdamp­ fen einer Probensubstanz bekannt. Dazu wird die Probensub­ stanz mit einem Matrixmaterial vermischt, das aus mindestens einer thermolytisch leicht in gasförmige Moleküle zerfallen­ den Verbindung besteht, und anschließend mit einem ersten La­ ser bestrahlt. Wird das Gemisch Laserstrahlimpulsen eines zweiten Lasers ausgesetzt, zerfällt zunächst das thermoly­ tisch instabile Matrixmaterial und setzt dadurch die einge­ betteten Moleküle der Probensubstanz frei. Die Probensubstanz befindet sich bei der entsprechenden Vorrichtung auf einem Probenträger unterhalb einer Überschall-Strahldüse und wird mit einem IR-Laser bestrahlt. Die durch einen zweiten Laser erzeugten Kationen werden in einem Flugzeitmassenspektrometer analysiert.

Die Hauptschwierigkeit bei der massenspektrometrischen A­ nalyse 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 neutralen Molekülen großen Molekulargewichts ist aus DE 32 24 801 C2 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 C2. 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 Elektronenstrahls ionisiert und in einem Massenspektrometer nachge­ wiesen.

Die Elektronenstoßionisation, obgleich mit niederenergeti­ schen Elektronen durchgeführt, führt jedoch i. a. zu Anregun­ gen im Molekül und damit zu einem nicht geringen Teil zur Fragmentierung der Probenmoleküle.

Bei anderen bekannten Systemen zum massenspektrometrischen Nachweis von organischen Molekülen mit einer Masse zwischen 100 und einigen 100.000 u (atomare Masseneinheiten) werden daher die Probenmoleküle in einem Schritt desorbiert (in die Gasphase gebracht) und ionisiert. Die entsprechenden Ionisa­ tions-Verfahren basieren auf a) dem Protonieren und b) dem Deprotonieren des zu untersuchenden Moleküls in einer spe­ ziellen Matrix. Die beiden Verfahren werden als MALDI- Verfahren (matrix assisted laser desorption/ionization) be­ zeichnet.

In "Methods Utilizing Low and Medium Laser Irradiance" von A. Vertes und R. Gijbels in "Laser Ionization Mass Analysis", 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 Elekt­ ron 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 Prä­ parationsschritte erforderlich werden.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 9 erreicht. Die Unter­ ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. auf bevorzugte Ausführungsformen der Vorrich­ tung.

Im folgenden wird unter "Quasiionisierung" von Probenmole­ külen die Bildung von Molekülkomplexen aus einem Ion, dem so­ genannten 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, Cäsiumchlorid 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 Ionendonators. Der Probe wird mit einer Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen der Probe Energie zugeführt, so dass die Probenmoleküle in die Gasphase übergehen. Mit derselben oder einer weiteren Verdampfungsvorrichtung wird dem Ionendonator Energie zugeführt, so dass aus dem Ionendonator Primärionen in die Gasphase treten und sich mit den Probenmolekülen in der Gasphase 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 ansteuer­ 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 massenspektrometrischen Nachweis von Probenmolekülen geschaf­ fen wird. Insbesondere kann das Massenspektrometer ein Flug­ zeit-Massenspektrometer oder Reflektron-Flugzeit-Mas­ senspektrometer hoher Auflösung sein, wobei der Gasstrahl die Primärion-Probenmolekülkomplexe z. B. zu einem Mas­ senspektrometer 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 neut­ ralen Molekülen und Ionen erfolgt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der er­ findungsgemäßen Vorrichtung und Analysatorvorrichtung besteht darin, dass die zu untersuchenden Probenmoleküle sehr scho­ nend 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 Mas­ senspektrometer;

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

Fig. 3a und 3b zeigt zur Erläuterung der Effizienz der Ka­ tionenerzeugung ein Flugzeitspektrum der bei drei verschiede­ nen Ionendonatoren freigesetzten Kationen bzw. das dazugehörige Flugzeitspektrum eines Probenmoleküls mit jeweils einem angelagerten Kation;

Fig. 4 zeigt ein Flugzeit-Massenspektrum von Gramicidin S mit Cs⁺ 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 damit ebenfalls die Wechselwirkungseffizienz erhöht wird. Schließlich werden die neu gebildeten Adduktionen im Gas­ strahl 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 Gas­ strahls, 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 Mas­ senspektrometriekammer 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 Detektor 12 treffen, mit dem sie nachgewiesen werden. Die Funktionsweise und der Arbeitsbereich dieser Reflektor- Flugzeit-Massenspektrometer ist von U. Boesl, R. Weinkauf und E. W. Schlag in "Reflectron Time-of-Flight Mass Spectro­ metry and Laser Excitation for the Analysis of Neutrals, Io­ nized Molecules and Secondary Fragments", Int. Jour. Mass Spectrom. Ion Proc., Bd. 112, 1992, Seite 121 ff. beschrie­ ben, worauf hiermit Bezug genommen wird. Das Hochvakuum in der Massenspektrometriekammer 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. eingesetzt 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 (be­ liebigen 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 Mas­ senspektrometer 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 im­ mer 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 Ionendona­ tor 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 Gas­ phase 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 Laserde­ sorption 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 Heiz­ vorrichtung verbunden sein, so dass aus ihm Ionen freigesetzt werden. Insbesondere kann hierfür eine Heizwendel aus Wolf­ ramdraht verwendet werden, die bis auf ca. 3000 K aufgeheizt 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 Molekülkomplexe dient der Gasstrahl zum Transport der Adduktionen in das eigentliche Mas­ senspektrometer. Der Gasstrahl wird durch Expansion eines Trägergases aus einer Düse 5 erzeugt. Die Düse 5 ist in der gezeigten Ausführungsform im wesentlichen eine Kammer mit ei­ ner einfachen Bohrung als Öffnung an einer Seite. Anstatt ei­ ner einfachen Bohrung kann aber auch eine Bohrung in Form ei­ ner 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 geschlossenem Zustand der Düse drückt der Stößel 5a gegen die Öffnung, so dass diese im wesentlichen dicht verschlossen ist und wenig oder kein Trägergas aus ihr austritt. Zu einem ers­ ten 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, werden 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 Anlagerun­ gen in dem Wechselwirkungsbereich stattfinden. Das Trägergas strömt aus und transportiert die Adduktionen in das eigentli­ che 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 Ausdehnungs­ front des im Vakuum ausströmenden Trägergases in etwa mit den in die Gasphase tretenden Probenmolekülen und Kationen zeit­ lich im Wechselwirkungsbereich 6a zusammentrifft und diese mitreißt. 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 (Proben­ molekül mit angelagertem Kation) in die Massenspektrometrie­ kammer 1b transportiert und mit dem oben beschriebenen Re­ flektron-Flugzeit-Massenspektrometer 10 nachgewiesen. Statt des Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometers kann auch je nach gewünschter Auflösung ein Aston- oder ein anderes Mas­ senspektrometer 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 u zusammensetzt aus der Masse des Probenmoleküls 656 u und der Masse des angelagerten Kations (hier Na²³, K³⁹ und Cs¹³³). Zur Bestimmung der Masse des gesuchten Probenmoleküls ist also die Masse des jeweiligen Kations abzuziehen. Das Alkaliatom Cs hat dabei den weiteren praktischen Vorteil gegenüber ande­ ren Alkaliatomen, dass nur ein Isotop natürlich vorkommt. Man hat daher im Massenspektrum keine "Aufspaltung" der Probenmo­ lekülmasse im Flugzeitspektrum aufgrund von verschiedenen I­ sotopenmassen der angelagerten Kationen, was die Auswertung der Massenspektren weiter vereinfacht.

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

und mit einer Masse von 1273 u (1140 (Gramicidin S) + 133 (Cs) u) dargestellt. Das Spektrum wurde mit CsI als Ionendo­ nator 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 bessere Ergebnisse erzielt werden, da durch das Mischen von Probe 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 Transportmechanis­ mus der Adduktionen in das Massenspektrometer, der erfin­ dungsgemäß über einen Gasjet erfolgt, unabhängig voneinander sind und damit jede Komponente für sich optimierbar ist, ge­ genseitige Beeinflussungen werden ausgeschlossen. Insbesonde­ re kann die Trägersubstanz derart gewählt werden, dass sie die Laserenergie optimal absorbiert. Das Absorptionsvermögen der Trägersubstanz kann dabei durch Farbstoffe noch verstärkt werden. Die Probenmoleküle selbst müssen nicht absorbieren, es genügt, dass die Strahlungsenergie zunächst von der Trä­ gersubstanz absorbiert wird. Beim Austritt der Trägersub­ stanzmoleküle in die Gasphase werden dann die Probenmoleküle in diese mitgerissen. Damit ergibt sich für den Fachmann un­ mittelbar ein breites Anwendungsspektrum für das erfindungs­ gemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

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 (14)

1. Verfahren zum Erzeugen von Gasstrahlen, deren Bestandteile Probenmoleküle enthalten, in einer Kammer (1a) mit den Schrit­ ten:
Freisetzen von Probenmolekülen in die Gasphase,
Erzeugen und Freisetzen in die Gasphase von Primärionen aus einem Ionendonator,
Durchmischen der Probenmoleküle und der Primärionen in der Gasphase,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gasstrahl (7) aus einem Trägergas erzeugt wird, das unter Expansionsdruck in die Kammer (1a) eintritt und sich durch die Expansion in der Kammer (1a) abkühlt,
die Probenmoleküle und die Primärionen von dem Trägergas mit­ gerissen, transportiert und abgekühlt werden, wobei es über einen vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Bereich zu Stoß­ prozessen zwischen Trägergas, Primärionen und Probenmolekülen kommt, so dass sich in dem Gasstrahl (7) Komplexe aus den Pro­ benmolekülen und den Primärionen bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärionen durch Laserdesorption des Ionendonators erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärionen durch Teilchenbeschuss des Ionendonators erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Probenmoleküle durch Laserdesorption der Probe in die Gas­ phase gebracht werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Bereitstellen von Alkaliverbindungen als Ionen­ donator.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliverbindungen Alkalihalogenide umfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalihalogenide Cs als Alkaliatom enthalten.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Gasstrahls (7) mit den Probenmolekülen und den Primärionen gepulst erfolgt.

9. Vorrichtung zum Erzeugen von Gasstrahlen, deren Bestandtei­ le Probenmoleküle enthalten, die in einer Kammer (1a) umfasst:
einen Probenhalter (2) zur Aufnahme einer Probe, die Probenmo­ leküle enthält,
einer Trägervorrichtung (2) für einen Ionendonator,
eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen der Probenmoleküle und/oder Verdampfen und Ionisieren des Ionendonators,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Düse (5, 5a) zum Erzeugen eines Gasstrahls (7) aus einem Trägergas vorgesehen ist, das unter Expansionsdruck in die Kammer (1a) eintritt und sich durch die Expansion in der Kam­ mer (1a) abkühlt,
der Düse (5, 5a) in Expansionsrichtung des Trägergases ein Dü­ senaufsatz (6) mit einem Wechselwirkungsbereich (6a) nachge­ ordnet ist, wobei
die Düse (5, 5a) für das Trägergas, der Wechselwirkungsbereich (6a) und die Trägervorrichtung (2) für den Ionendonator räum­ lich so angeordnet sind, dass die Probenmoleküle und die Pri­ märionen von dem Trägergas mitgerissen, transportiert und ab­ gekühlt werden, wobei es über einen vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Bereich zu Stoßprozessen zwischen Trägergas, Primärionen und Probenmolekülen kommt, so dass sich in dem Gasstrahl (7) Komplexe aus den Probenmolekülen und den Primär­ ionen bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung einen Laser umfasst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, dass die Verdampfungsvorrichtung und/oder die Düse (5, 5a) zum Erzeugen eines Gasstrahls gepulst ansteuerbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekenn­ zeichnet durch einen Skimmer (8) zum Verringern der mittleren Geschwindigkeit der Molekül-Primärion-Komplexe senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung im Gasstrahl (7).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekenn­ zeichnet durch mindestens eine Abzugsblende (9) hinter dem Skimmer (8) zum elektrostatischen Abziehen der Molekül-Pri­ märion-Komplexe aus dem Gasstrahl.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abzugsblende (9) so angeordnet ist, dass die Flugrichtung der durch die mindestens eine Abzugsblende (9) aus dem Gasstrahl (7) abgelenkten Molekül-Primärion-Kom­ plexe und die Flugrichtung der neutralen Moleküle im Gasstrahl (7) einen Winkel einschließen.