DE202010017766U1

DE202010017766U1 - Nutzung von Gasströmungen in Massenspektrometern

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Publication number: DE202010017766U1
Application number: DE202010017766U
Authority: DE
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: GB2494228A; US8941058B2; GB2494228B; GB201206836D0; US20120228492A1; WO2011061147A1

Abstract

Ein Massenspektrometer mit einer Laval-Düse für die Erzeugung eines Überschallgasstrahls, um Ionen in einem Feinvakuum zwischen etwa 102 und 10–1 Pascal zu führen, das einen Kompression-Trichter für den Transport von Ionen in eine Kammer höheren Drucks umfasst.

Description

Erfindungsbereich
Die Erfindung bezieht sich auf die Führung von Ionen in Massenspektrometern, insbesondere in HF-Multipolsystemen, und auf HF-Quadrupol-Massenfilter und ihren Betrieb.
Stand der Technik
Zur Nomenklatur: Wenn hier der allgemeine Begriff „HF-Multipol-System” gebraucht wird, so bezieht sich das auf alle Arten von Systemen, welche Ionen durch die Verwendung von Pseudopotentialen in der Nähe ihrer Achse zusammenhalten können, einschließlich Multipol-Stabsystemen, Ionenführungssystemen mit Doppel- oder Mehrfach-Helices, mit gestapelten Ringblenden oder Blendenstapeln anderer Formen. Eingeschlossen sind auch die weithin bekannten „Ionentrichter”, die aus Ringblenden mit kontinuierlich verringerten Innendurchmessern bestehen, in denen die Ionen durch Gleichspannungen zum engen Ausgang getrieben werden, wobei die Gleichspannungen den Hochfrequenzspannungen überlagert sind. Der Begriff „HF-Multipol-Stabsystem” bezieht sich auf alle Systeme, die aus symmetrisch rund um eine Achse angeordneten Polstäben bestehen, wie Hexapol- oder Oktopol-Stabsystemen mit sechs oder acht Polstäben. Wenn HF-Multipol-Stabsysteme in einem mittleren Vakuum (einem Vakuum eines mittleren Druckbereichs) betrieben werden, zeigen sie einen Effekt, der „Stoßfokussierung” genannt wird. „Stoßfokussierung” bedeutet, dass die radialen Bewegungen der Ionen durch Stöße mit den leichten Restgasmolekülen gedämpft werden, so dass sich die Ionen unter der Wirkung des Pseudopotentials längs der Achse des Systems sammeln. Der Begriff „HF-Quadrupol-Stabsystem” bezieht sich auf ein System aus genau vier Polstäben; diese erzeugen in ihrem Querschnitt ein zweidimensionales HF-Quadrupolfeld. Das Pseudopotential dieses Quadrupolfelds zeigt die stärksten Kräfte auf die Ionen in Richtung auf die Achse, daher zeigt ein solches System auch die stärkste Stoßfokussierung aller HF-Multipol-Stabsysteme. Durch die simultane Anwendung von defokussierenden Gleichspannungen und fokussierenden Hochfrequenzspannungen wird das HF-Quadrupol-Stabsystem zu einem „Massenfilter”, das so eingestellt werden kann, dass nur Ionen eines kleinen Bereichs Δ(m/z) rund um eine ladungsbezogene Masse m/z durchgelassen werden, während alle anderen Ionen destabilisiert werden, an die Polstäbe anstoßen und so ausgefiltert werden (m = physikalische Masse, z = Anzahl der überschüssigen Elementarladungen des Ions).
Definition der Druckbereiche:

Grobvakuum: 3 × 10 – 10² Pascal (300–1 mbar) 0.3 μm–0.1 mm mittl. freie Weglänge
Feinvakuum: 102 – 10^–1 Pascal (1–10^–3 mbar) 0.1–100 mm mittlere freie Weglänge
Hochvakuum: 10^–1–10^–5 Pascal (10^–3–10^–7 mbar) 100 mm–1 km mittl. freie Weglänge
Ultrahochvakuum: 10^–5–10^–10 Pascal (10^–7–10^–12 mbar) 1 km–10⁵ km mittl. freie Weglänge

Die Druckbereiche sind natürlicherweise nicht präzise voneinander trennbar. In englischsprechenden Ländern wird der Bereich, der das Grobvakuum und das Feinvakuum umfasst, als „rough vacuum” bezeichnet. Im Grobvakuum herrscht rein viskoser Gasfluss, im Feinvakuum geht der Gasfluss von viskoser Strömung zur Knudsen-Strömung und dann zur molekularen Strömung über; im Hochvakuum und Ultrahochvakuum ist nur molekulare Strömung zu finden.
Moderne Massenspektrometer sind oft mit Ionenquellen ausgestattet, die die Analysensubstanzen an Atmosphärendruck ionisieren (10⁵ Pascal). Diese Massenspektrometer benötigen differenzielle Pumpsysteme, die das für die Massenanalysatoren erforderliche Hochvakuum (10^–1 bis 10^–5 Pascal) oder Ultrahochvakuum (10^–5 bis 10^–9 Pascal) herstellen. Differentielle Pumpsysteme benötigen eine Reihe von bis zu fünf Pumpstufen mit stufenweise über viele Zehnerpotenzen abfallenden Drücken. Die Pumpstufen sind durch feine Öffnungen voneinander getrennt, durch die die Ionen hindurchtreten müssen. In Tandem-Massenspektrometern sind sogar vor dem Massenanalysator noch Massenfilter für Auswahl und Selektierung von Eltern-Ionen eingesetzt, die ebenfalls nur unter Hochvakuum (< 10^–3 Pascal) arbeiten, und nachfolgend Zellen für die Fragmentierung der Eltern-Ionen durch Stöße oder Reaktionen mit Ionen anderer Polarität, die wiederum einen höheren Druck im Feinvakuumgebiet (~10^–1 Pascal) verlangen. Dieses Auf und Ab des Drucks wird über die genannten differenziellen Pumpsysteme und durch die gezielte Zuführung von Gasen hergestellt, meist ohne dass sich die Hersteller der Massenspektrometer über Vermutungen hinaus über die Strömungsverhältnisse im Massenspektrometer, über „Winde und Stürme”, im Klaren sind.
Die Gasströmungen im Massenspektrometer, die Winde und die Stürme, im Besonderen die Stürme durch die kleinen Öffnungen zwischen den Pumpstufen, beeinflussen aber die Bewegungen der Ionen zumindest im Bereich der viskosen und der Knudsen-Strömung, also im Feinvakuumbereich. Seitlich in nicht reproduzierbarer Weise abgelenkte Gasströmungen, beispielsweise durch winzige Grate an Öffnungen, oder stark turbulente Gasströmungen können zu unerklärlichem Verhalten der Ionen führen, bis hin zur Funktionsuntüchtigkeit des Massenspektrometers.
Im Allgemeinen bemüht man sich, die Ionen möglichst rasch durch den Feinvakuumbereich in den Hochvakuumbereich zu transportieren, in dem eine große freie Weglänge herrscht und die Ionen durch ionenoptische Mittel weitgehend ohne Stöße geführt werden können. Im Hochvakuum wird von räumlich kurzen, elektrischen Beschleunigungen und freien Flügen der Ionen durch ihre Inertia Gebrauch gemacht. Das Gebiet des Feinvakuums wird allenfalls zur Messung von Ionenmobilitäten, aber nicht für die massenspektrometrische Separation der Ionen verschiedener Massen gebraucht. Eine Ausnahme bilden die Hochfrequenz-Ionenfallen.
Wie schon beschrieben, haben sich die Hersteller von Massenspektrometern im Allgemeinen nicht viel um die Gasflussbedingungen gekümmert. In den letzten Jahren haben jedoch einige akademische Arbeitsgruppen willentlich Überschallgasstrahlen erzeugt, um Ionen zu führen und oder sie sogar in Quadrupol-Massenfilter einzuführen.
Das Dokument US 2006/015169 A1 (B. A. Collings et al.) beschreibt ein Massenspektrometer, in dem Ionen einer Ionenquelle durch eine Einlassöffnung in die Vakuumkammer gelangen, bevor sie zur Massenanalyse an einen Massenanalysator geschickt werden. Die Einlassöffnung ist in Form einer Überschalldüse gestaltet, so dass bei geeignetem Druck in der Vakuumkammer ein Überschallgasstrahl erzeugt wird, der Ionen bis zur Mach-Grenze in seinem Strahl hält. Diese Ionenführung mit vorgegebenem Querschnitt und der radialen Begrenzung kann die Ionen durch die Vakuumkammer führen. Dadurch kann die Transmission zwischen Ionenquelle und Massenanalysator erhöht werden. Multipolsysteme können verwendet werden, die Ionen einzufangen.
Das Dokument US 2009/0212210 A1 (A. Finlay et al.) beschreibt ein Vakuum-Interface für ein Massenspektrometer in Form einer divergierenden Düse (einer „Laval-Düse”), die einen Überschallgasstrahl erzeugt. Das Vakuum-Interface kann verwendet werden, um einen Ionenstrahl aus einer Ionenquelle bei Atmosphärendruck in das Vakuum einzuführen, für die Analyse durch einen Massenanalysator. In einer Ausführungsform ist der Überschallgasstrahl direkt in einen Quadrupol-Massenanalysator gerichtet, aber das Dokument sagt nichts über den Druck im Überschallgasstrahl oder im Massenanalysator.
Im Dokument US 2004/0011955 A1 (Y. Hirano et al.) ist ein Ionen-Anlagerungs-Massenspektrometer beschrieben, in dem sich zwischen einer ersten und einer zweiten Vakuumkammer eine Trennwand mit einer Düse befindet. Wenn die Knudsenzahl der Düse nicht größer als 0,01, und der Druck in der zweiten Kammer nicht höher als ein Zehntel des Drucks in der ersten Kammer ist, wird ein Überschallgasstrahl gebildet. Probengas und Metall-Ionen werden in die Region des Überschallgasstrahls eingeführt, wodurch Metall-Ionen an die Probengasmoleküle angelagert werden. Der Überschallgasstrahl ist auf einen Quadrupol-Massenanalysator gerichtet, welcher mit einem Druck zwischen 10^–3 und 10^–1 Pascal betrieben wird. Es wird aber nicht mitgeteilt, ob der Massenanalysator am oberen Ende des Druckbereichs richtig funktioniert.
Überschallgasstrahlen im Feinvakuum haben Mindestgeschwindigkeiten von 300 Meter pro Sekunde, die Geschwindigkeit kann sich bis zu einem Maximum von 800 Meter pro Sekunde erstrecken. Bei einem Druck von ungefähr 10^–1 Pascal nimmt der Strahl für gewöhnlich eine Geschwindigkeit von 600 bis 700 Meter pro Sekunde an. Werden die Ionen mit einem solchen Überschallgasstrahl durch ein Massenfilter geführt, so ist die Geschwindigkeit zu hoch für eine gute Massenauswahl, da die Ionen zu wenige HF-Zyklen erleben, bevor sie das Massenfilter wieder verlassen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, Konstruktion und Betrieb von solchen Massenspektrometern zu vereinfachen, die einerseits mit Ionenquellen mit Drücken über 100 Pascal und andererseits mit Quadrupol-Massenfiltern für die Auswahl von Eltern-Ionen für eine nachfolgende Fragmentierung der Eltern-Ionen oder mit Quadrupol-Massenanalysatoren arbeiten. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, Gasströmungen im Massenspektrometer nutzbar zu machen, und zwar sowohl Überschallgasstrahlen wie auch Unterschallgasflüsse.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Hauptsache stellt die Erfindung ein Massenspektrometer mit einem HF-Quadrupol-Massenfilter oder einem HF-Quadrupol-Massenanalysator zur Verfügung, das im Feinvakuum betrieben wird, wobei ein laminarer Gasfluss mäßiger Geschwindigkeit eingesetzt wird, um die Ionen durch das Massenfilter zu treiben. Vorzugsweise Werden Vakuumdrücke zwischen 0,5 und 10 Pascal angewendet und Stickstoff, Wasserstoff oder Helium als Gas eingesetzt. Es können vor und nach dem HF-Quadrupol-System HF-Führungssysteme eingesetzt werden, die mit den gleichen Drücken betrieben werden können und nicht durch feine Öffnungen abgetrennt werden müssen. Dem Quadrupol-Massenfilter kann ein weiteres HF-Multipol-System folgen, wiederum mit dem etwa gleichen Druck betrieben, das als Fragmentierungszelle eines Tandem-Massenspektrometers zur Fragmentierung ausgewählter Eltern-Ionen dient. Auch in diesem HF-Multipol-System werden die Ionen durch einen Gasfluss geführt, wobei dieser derselbe Gasfluss, aber auch unter Zuführung eines zweiten Gasflusses zwischen den Multipol-Systemen ein kombinierter Gasfluss sein kann. Für bessere Stoßfragmentierung (CID) können für den zweiten Gasfluss schwerere Gase wie Stickstoff oder Argon verwendet werden, um die Stöße energiereicher zu machen. Für Elektronentransfer-Dissoziation (ETD) können geeignete negative Ionen aus einer zweiten Ionenquelle in den zweiten Gasfluss eingeschleust werden. Massenfilter und Fragmentierungszelle können mit einer engen Hülle umgeben sein, um den Gasfluss verlustarm zu halten.
Auf diese Weise wird das übliche Auf und Ab des Vakuumdrucks in Tandem-Massenspektrometern vollständig vermieden. Der Druck im Vakuumsystem fällt nun kontinuierlich von der Ionenquelle, oft an Atmosphärendruck, zum Massenfilter, zur Fragmentierungszelle und weiter zum Massenanalysator. Der Gasfluss für die Führung der Ionen durch Massenfilter und Fragmentierungszelle kann leicht durch Öffnungen richtiger Größe zwischen den Pumpstufen erzeugt und eingestellt werden. Durch den Betrieb des Massenfilters mit einem bewegten Gas im Feinvakuumbereich ist es möglich, mehrere differentielle Pumpstufen und mehrere Generatoren für Beschleunigungsspannungen einzusparen, was besonders für Triple-Quad Massenspektrometer, aber auch für Flugzeit- oder Ionenzyklotron-Massenspektrometer interessant ist, wenn diese mit Massenfiltern für die Auswahl der Eltern-Ionen und mit Fragmentierungszellen ausgestattet sind.
Ein HF-Quadrupol-Stabsystem, das mit Gleichspannungen und Hochfrequenzspannungen als Massenfilter verwendet wird, arbeitet gegen die Erwartungen der Fachleute auch im Feinvakuumgebiet, wenn ein Gasfluss angemessener Geschwindigkeit die Ionen längs der Achse durch das Massenfilter führt. In Massenspektrometern nach dem Stand der Technik sind die Massenfilter in einer Vakuumkammer angeordnet, in denen ein Druck von tiefer als 10^–3 Pascal herrscht, so dass die Ionen nach kurzer Beschleunigung praktisch frei von Stößen durch das Massenfilter fliegen können. Wenn stattdessen die Ionen durch einen Gasfluss mit der gleichen oder sogar geringeren Geschwindigkeit durch das Massenfilter geführt werden, so können auch im Feinvakuum Ionen des ausgewählten Massenbereichs erfolgreich durch das Massenfilter transportiert werden, während die anderen Ionen durch die gemeinsame Wirkung von Gleichspannung und Hochfrequenzspannung ausgefiltert werden.
Diese Verwendung von Gasströmungen kann durch andere Arten von Gasflüssen im Feinvakuumgebiet ergänzt werden, einschließlich Überschallgasstrahlen, beispielsweise in Kombination mit HF-Ionenführungssystemen für den Transport von Ionen. Die Ionen können radial in den Hochfrequenz-Multipol-Systemen durch Stoßfokussierung zusammengehalten werden. Überschallgasstrahlen können beispielsweise durch Laval-Düsen erzeugt und für den verlustfreien Einschuss in HF-Multipol-Systeme verwendet werden, ein normalerweise schwieriger Prozess. Auch können Ionen mittels eines Überschallgasstrahls durch einen Verdichtungstrichter in ein Gebiet höheren Drucks geschoben werden, ohne durch elektrische Felder nachhelfen zu müssen. Andererseits lassen sich Ionen durch gebogene oder gewinkelte Hochfrequenz-Multipol-Systeme aus den Gasstrahlen herauslösen, um sie Detektoren oder Massenanalysatoren zuzuführen, wobei der Gasstrahl in eine spezielle Pumpkammer geleitet wird, woraus er abgepumpt werden kann, ohne den Rest des Vakuumsystems mit der Gaslast zu belasten.
Beschreibung der Abbildungen
stellt ein Tandem-Massenspektrometer mit Massenfilter (12), Fragmentierungskammer (14) und Flugzeitmassenspektrometer (23–27) mit mehrfacher Anwendung erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen dar. Die Elektrosprüh-Ionenquelle (1) mit Sprühkapillare (2) stellt in bekannter Weise eine Wolke (3) von Ionen in Umgebungsgas her. Die Ionen wandern durch elektrische Felder geführt (nicht gezeigt). durch das zugeführte Schutzgas (4) zur Lavaldüse (5), die aus dem eingesaugten Schutzgas (4) mit den Ionen einen Überschallgasstrahl (6) von etwa 200 Pascal Druck generiert, der nach Durchquerung der Vakuumkammer im Verdichtungstrichter (7) verdichtet und durch die Vorpumpe (28) abgesaugt wird, ohne dass seine Gasfracht das Vakuumsystem des Massenspektrometers wesentlich belastet. Durch eine Elektrode (8) werden die Ionen aus dem Überschallgasstrahl (6) herausgetrieben und dem Ionentrichter (9) zugeführt. Der Ionentrichter (9) geht in ein Quadrupol-Stabsystem (10) über, das die Ionen in der Achse sammelt und zur Düse (11) leitet. Die Düse (11) erzeugt nach einer kurzen Übergangsphase den laminaren Gasfluss mit einem Druck von etwa zwei Pascal, der die Ionen für die Auswahl von Eltern-Ionen durch das Quadrupol-Massenfilter (12) transportiert und sie durch die Zusammenführung (13) zum Quadrupol-Stabsystem (14) der Fragmentierungszelle führt, alle durch die Umhüllung (17) eingeschlossen. Eine Spannung zwischen der Zusammenführung (13) und dem Quadrupol-Stabsystem (14) der Fragmentierungszelle gibt erforderlichenfalls den Ionen die gewünschte Stoßenergie für eine stoßinduzierte Fragmentierung (CID = collisionally induced decomposition). Die Fragment-Ionen wandern mit dem Gas zur Lavaldüse (18), die den Überschallgasstrahl (19) erzeugt, der aus dem gebogenen Führungsquadrupol (21) austritt und vom Gasreflektor (22) in Richtung auf die Vakuumpumpe abgelenkt wird. Der Ionenstrahl (20) wird vom Führungsquadrupol (21) der Linseneinheit (23) zugeführt, die einen sehr feinen Ionenstrahl erzeugt, aus dem Abschnitte durch den Pulser (24) senkrecht zur bisherigen Flugrichtung als Ionenstrahl (25) ausgepulst, im Reflektor (26) reflektiert und vom Ionendetektor (27) zeitaufgelöst detektiert werden. Statt mit CID, können ausgewählte Eltern-Ionen auch durch Elektronentransfer-Dissoziation fragmentiert werden, wobei negative Reaktant-Ionen in der Elektronenanlagerungs-Ionenquelle (16) erzeugt und durch die Düse (15) von einem zweiten Gasfluss in die Zusammenführung (13) geführt werden.
zeigt schematisch eine Lavaldüse (42) mit einem Einlauftrichter (41) in einer Trennwand (40) zwischen zwei Gebieten verschiedenen Drucks. Ist die Form der Düsenerweiterung richtig auf das Druckverhältnis angepasst, so entsteht ein scharf begrenzter, parallel verlaufender Überschallgasstrahl (43), in dem mitlaufende Ionen durch ein Hochfrequenz-Quadrupol-Stabsystem mit Polstäben (44) zusammengehalten und in die Achse des Stabsystems stoßfokussiert werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Lavaldüse aus einem hochohmig leitenden Dielektrikum, weil dann das Hochfrequenzwechselfeld durch das Material hindurchreicht.
stellt dar, wie ein Überschallstrahl (53) durch eine Verdichtungsdüse in einer Trennwand (52) zwischen zwei Gebieten verschiedenen Drucks verdichtet wird, so dass das Gas des Überschallgasstrahls (53) in das Gebiet (54) höheren Drucks transportiert wird. Die Ionen im Überschallgasstrahl, die durch das Quadrupolsystem (50) in die Achse stoßfokussiert sind, werden ebenfalls in das Gebiet (54) höheren Drucks transportiert. Solange im engsten Querschnitt der Verdichtungsdüse noch mindestens lokale Schallgeschwindigkeit herrscht, kann die Verdichtungsdüse das Gas des Überschallgasstrahls aufnehmen und weiterleiten; es tritt also zumindest in der Achse kein Stau auf.
In ist dargestellt, wie ein Überschallgasstrahl (61) in einem Quadrupolsystem (60) durch einen Gasabstreifer (64) beschnitten wird, wobei das abgestreifte Gas durch eine Verdichterdüse (63) in eine Pumpkammer (65) geleitet und von dort abgepumpt werden kann. Da sowohl die Verdichterdüse (63) wie auch der Gasabstreifer (64) aus hochohmig leitendem Dielektrikum bestehen, können die Stäbe des Quadrupolsystems (60) durch ihre Haltewände hindurchgeführt werden, ohne dass das Hochfrequenzfeld wesentlich gestört wird. Der beschnittene Überschallgasstrahl muss in einer Umgebung gleichen Drucks weiterlaufen.
Die zeigt, wie ein Überschallgasstrahl (72) in einem Quadrupolsystem (70) beschnitten werden kann, wonach der ausgeschnittene Teilstrom in einer Lavaldüse zu einem neuen Überschallgasstrahl geformt wird, der jetzt an niedrigeren Umgebungsdruck angepasst ist und das Quadrupolsystem (71) durchfliegt.
zeigt die seitliche Zuführung von Ionen durch ein Quadrupol-Stabsystem (84) in einen Überschallgasstrahl (82), der sich in einem Hexapol-Stabsystem (83) befindet. Die beiden verbundenen Multipol-Systeme dienen als Gaszusammenführung. Man kann Quadrupol- und Hexapol-Stabsysteme so zusammenschließen, dass sie mit der gleichen Hochfrequenzspannung betrieben werden können (siehe dazu beispielsweise GB 2 415 087 B oder US 7,196,326 B2 ; J. Franzen und E. N. Nikolaev, 2004). In dieser Weise können Ionen in einen ionenfreien Gasstrahl eingeführt werden; interessanter ist aber beispielsweise die Zuführung von negativen Reaktant-Ionen in einen Gasfluss, der positive Analyt-Ionen transportiert, um die positiven Analyt-Ionen durch Elektronentransfer-Dissoziation (ETD) zu fragmentieren. Diese Art der Zusammenführung von Gasflüssen ist aber nur eine von mehreren Möglichkeiten; wie der Fachmann weiß, können Gasflüsse oder Ionen auf mehrere Weisen lateral zugeführt werden.
In ist dargestellt, wie ein Überschallgasstrahl (92) Ionen über einen Verdichtungstrichter (95) in eine dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle (97) schiebt und gleichzeitig den Arbeitsdruck in der Ionenfalle (97) herstellt. Hier ist es zweckmäßig, den Überschallgasstrahl (92) mit der Lavaldüse (91) aus Helium herzustellen, da die Ionenfalle (97) am besten mit Helium als Gas zur Dämpfung der Ionenschwingungen arbeitet. Die in ihren Bewegungen gedämpften Ionen sammeln sich dann in einer kleinen Wolke (100) im Zentrum der Ionenfalle (97). Sie können dann mit bekannten Verfahren massensequentiell ausgeworfen und über Konversionsdynode (98) und Channeltron (99) als Massenspektrum gemessen werden.
zeigt das Schema eines gegenüber dem Stand der Technik außerordentlich vereinfachten Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometers („Triple-Quad”), das hier im Feinvakuum von etwa einem Pascal Druck betrieben wird. Die Düse (101) erzeugt den Überschallgasstrahl (102), der sich durch die drei Quadrupolsysteme (104), (105) und (106) fortsetzt, aber das gekrümmte Quadrupolsystem (107) geradeaus verlässt, während der Ionenstrahl (103) dem gekrümmten Quadrupolsystem folgt und auf den Detektor (108) auftrifft. Das Selektions-Quadrupol (104) isoliert die ausgewählte Elternionensorte, deren Ionen durch eine Spannung zwischen dem Selektions-Quadrupol (104) und dem Fragmentierungs-Quadrupol (105) beschleunigt in das Fragmentierungs-Quadrupol eingeschossen und dort durch Stöße mit den Gasmolekülen des Gasstrahls (102) fragmentiert werden. Die Fragment-Ionen werden durch den Gasstrahl in das Analysator-Quadrupol-System transportiert, wo sie nach ladungsbezogenen Massen m/z analysiert und im Detektor (108) gemessen werden. Betriebsweise und Anwendungsgebiete dieses Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometers, das auf dem Markt unter allen Massenspektrometern in höchsten Stückzahlen vertrieben wird, sind dem Fachmann bekannt.
gibt die berechnete Form einer Lavaldüse wieder, wobei die Berechnung auf einer vorgegebenen glatten (stetigen und stetig differenzierbaren) Druckkurve zwischen den beiden Druckkammern beruht.
zeigt das so genannte „Ausströmdiagramm” für kompressible Gase (hier für Stickstoff) aus einem Gebiet mit Druck p₀, Dichte ρ₀ und Temperatur T₀. Der lokale Druck p/p₀, die lokale Dichte ρ/ρ₀ und die lokale Temperatur T/T₀ sind über der relativen Gasgeschwindigkeit ω aufgetragen, bei der die lokale Gasgeschwindigkeit w auf die lokale Schallgeschwindigkeit a* im engsten Querschnitt der Düse bezogen wird (ω = w/a*). Die Kurve der Stromdichte ψ = ρ × w ist hier auf die Stromdichte ψ* im engsten Querschnitt bezogen. Für das Ausströmen von Stickstoff ins Vakuum ergibt sich für den Überschallgasstrahl eine maximale Geschwindigkeit w_max = 2,4368 × a*.
Für ausströmende Luft unter Normalbedingungen (1000 Hektopascal, 20°Celsius) beträgt die maximale Geschwindigkeit der Moleküle des Überschallgasstrahls w_max = 792 Meter pro Sekunde.
zeigt ein stark vereinfachtes Einlasssystem für Ionen einer Atmosphären-Ionenquelle (API) in ein Massenfilter (115). Die Ionen der API-Ionenquelle werden wie gewöhnlich durch eine Einlass-Kapillare (110) in die erste Stufe (11) eines differentiellen Pumpsystems eingebracht, außerhalb der Achse eines Ionentrichters (112). Die Ionen werden durch den Ionentrichter zur Düse (113) geführt, die den ersten Teil einer Laval-Düse bildet, der aber der zweite Teil der Erweiterung fehlt. Wenn diese Düse (113) richtig konstruiert ist, erzeugt sie im Massenfilter (115) einen Gasstrahl, der schnell zerfällt und schnell in einen laminaren Gasfluss übergeht, der die Ionen für viele Perioden der Hochfrequenzspannung im Massenfilter hält. Der Gaseinlass (117) erlaubt es, das Gas, das durch die Einlasskapillare (110) eintritt, durch ein für die Funktion des Massenfilters geeigneteres Gas zu ersetzen, beispielsweise durch Helium oder Wasserstoff. Die Pumpe (116) evakuiert diese erste Pumpstufe. Die Hülle (114) schließt die Elektroden des Massenfilters ein, um den Gasfluss innerhalb des Massenfilters zu halten.
Beste Ausführungsformen
Wie oben schon angegeben, stellt die Erfindung ein Massenspektrometer zur Verfügung, das mit einem HF-Quadrupol-Stabsystem im Feinvakuum als Massenfilter oder Massenanalysator arbeitet, wobei ein Gasfluss die Ionen durch das Quadrupol-Stabsystem transportiert. Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Tandem-Massenspektrometer zur Verfügung, in dem ein HF-Quadrupol-Stabsystem im Feinvakuum als Massenfilter arbeitet, wobei ein Gasfluss moderater Geschwindigkeit die Ionen durch das Massenfilter treibt und in dem ein Multipol-Stabsystem im gleichen Feinvakuum als Fragmentierungszelle dient. Der Gasfluss wird durch eine Düse in der Wand zwischen zwei differentiellen Pumpstufen erzeugt. Damit die Ionen in die Düse eintreten, können die Ionen durch ein HF-Multipol-Stabsystem, das sich direkt vor der Düse befindet, stoßfokussiert werden.
Der Gasfluss wird durch die Druckdifferenz und den inneren Querschnitt der Düse geformt. Ionerhalb des HF-Quadrupol-Massenanalysators oder Massenfilters wird ein laminarer Gasfluss erzeugt, dessen Geschwindigkeit von der Menge des fließenden Gases und dem inneren Querschnitt des HF-Quadrupol-Systems abhängt. Vorzugsweise ist das Quadrupol-Stabsystem mit einer engen Hülle umgeben, die den Gasfluss führt. Der laminare Gasfluss hat eine maximale Geschwindigkeit in der Achse, in radialer Richtung auf die Polstäbe zu fällt die Geschwindigkeit schnell ab. Die Gasgeschwindigkeit sollte im Bereich von 1 bis 100 Meter pro Sekunde liegen, eine günstige Geschwindigkeit ist etwa 10 Meter pro Sekunde. Wenn die Düse nicht klein genug gemacht werden kann, kann die Gasgeschwindigkeit zu hoch für eine gute Massenauswahl werden, aber dann kann ein Teil des Gases durch Löcher in der Umhüllung nach außen abgeführt werden.
In dieser Weise betrifft die Erfindung Quadrupol-Massenfilter, die im Feinvakuum arbeiten. Nach dem Stand der Technik werden Massenfilter nur im Hochvakuum eingesetzt. Damit die Ionen gut selektiert werden, müssen sie mindestens einige Hundert Zyklen der Hochfrequenzspannung im Massenfilter durchlaufen, je mehr, umso besser. Sie müssen daher relativ langsam, das heißt mit niedrigen kinetischen Energien, eingeschossen werden, normalerweise nur mit wenigen Elektronenvolt. Sie haben aber ein ungünstiges Akzeptanzprofil für die eingeschossenen Ionen, besonders für solche mit niedriger Einschussenergie; daher werden viele Ionen gar nicht in das Massenfilter eingelassen. Es sind in der Vergangenheit große Anstrengungen unternommen worden, beispielsweise durch Brubaker-Vorfilter oder Röhrchen aus „leaky dielectric”, die Einschuss-Ausbeute zu verbessern. Werden sie dagegen von einem feinen Gasstrahl aus einer feinen Düse injiziert, so werden sie praktisch verlustfrei in das Massenfilter geschoben, auch gegen abweisende Pseudopotenziale im Streufeld des Eingangsbereichs des Quadrupol-Stabsystems.
Obwohl es weithin bekannt ist, dass zweidimensionale und dreidimensionale HF-Ionenfallen nur dann gut arbeiten, wenn sie mit Gas eines Druckes im Feinvakuumgebiet gefüllt sind, ist es für viele Fachleute überraschend, dass ein Massenfilter auch im Feinvakuum funktioniert. Das Gegenspiel von Fokussierung und Defokussierung, von radialer Stabilisierung durch die Hochfrequenzspannung und Destabilisierung durch die Gleichspannung, arbeitet aber auch im Feinvakuumbereich; hier einerseits auf Grund der hohen Ionenmobilität und andererseits wegen der immer noch relativ großen mittleren freien Weglänge der Ionen. Es arbeitet umso besser, je kühler das Gas ist, da dann die Ionenmobilität groß ist. Bei einem Druck von zwischen 0,5 und 5 Pascal beträgt die mittlere freie Weglänge zwischen etwa 20 und 2 Millimeter, auch wenn die Teilchendichte mit 10¹⁴ bis 10¹⁵ Molekülen pro Milliliter recht hoch ist. Die Ionen müssen für ihre Selektion genügend Perioden der Hochfrequenzspannung erleben. Da aber die maximale Geschwindigkeit bei etwa 800 Meter pro Sekunde liegt, und selbst kurze Quadrupol-Massenfilter meist mindestens etwa 16 Zentimeter lang sind, erleben sie bei einer Hochfrequenzspannung von etwa einem Megahertz mindestens 200 Perioden, also genug für eine gute Ionenselektion. Bei einer Geschwindigkeit von 10 Meter pro Sekunde, einem kurzen Massenfilter von nur 10 Zentimeter Länge und einer HF-Frequenz von einem Megahertz erleben die Ionen 10000 HF-Perioden, weitaus genug für eine gute Selektion.
Diese Betriebsbedingungen scheinen sogar besser zu wirken als ein Betrieb im Hochvakuum. Im Hochvakuum haben einige Ionen beliebiger Masse die Chance, ungestört genau längs der Achse zu fliegen; diese Ionen bilden ein Untergrundrauschen, das nur durch sehr lange Quadrupol-Systeme erniedrigt werden kann. Im Feinvakuum hingegen haben diese Ionen keine Chance zum ungestörten Hindurchfliegen, weil sie vielfache Stöße erleiden und so in Bereiche hinein abgelenkt werden, wo die HF- und DC-Potentiale wirksam sind. Es wird so eine Filterung hoher Qualität bereits in kurzen Quadrupol-Stabsystemen erreicht.
Um den Betrieb des Massenfilters zu verbessern, kann ein leichtes Gas verwendet werden, die Ionen anzutreiben, wie beispielsweise Helium oder sogar Wasserstoff. Das Gas kann durch eine Einrichtung zum Austausch der Gase um die Düse (113) herum eingeführt werden, wie in gezeigt. Üblicherweise transportiert reiner Stickstoff die Ionen durch die Einlass-Kapillare (110) in die erste Vakuumkammer (11). Dieser Stickstoff kann um die Düse (113) zum Massenfilter (115) herum mit Hilfe des Einlasses (117) durch Helium oder Wasserstoff ersetzt werden. Es spielt dabei keine Rolle, ob der Ersatz vollständig ist oder nicht, ein hoher Anteil an Helium oder Wasserstoff verbessert bereits das Filtern. Für leichte Gase kann der Druck innerhalb des Massenfilters etwas zu höheren Werten korrigiert werden.
Für diesen Betrieb des Massenfilters im Feinvakuum ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden des Massenfilters und die Haltestruktur für die Elektroden eine enge, geschlossene Umhüllung bilden, aus der das Gas nicht austreten kann. Geschlossene Quadrupol-Stabsysteme sind als Stand der Technik seit langer Zeit bekannt.
In Tandem-Massenspektrometern vereinfacht der Betrieb eines Massenfilters im Feinvakuum die Kette der Pumpstufen in kostensparender Weise. Es braucht vor und nach dem Massenfilter keine Zwischenpumpstufe für den Übergang ins Hochvakuum eingebaut zu werden. Das ist besonders für Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer ein gravierender Vorteil, aber gleichermaßen auch für Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF-MS) oder Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS), die mit Elternionen-Selektoren und Fragmentierungszellen ausgestattet sind. Darüber hinaus können auch einige Spannungsgeneratoren für die Lieferung der Beschleunigungsspannungen eingespart werden, weil der Gasfluss den Transport der Ionen übernimmt.
In Tandem-Massenspektrometern nach dem Stand der Technik folgt dem Massenfilter üblicherweise eine Stoßzelle für Fragmentierungen unter höherem Druck. Meistens ist die Fragmentierungszelle ein Quadrupol-Stabsystem mit demselben Querschnitt wie dem des selektierenden Massenfilters. In Massenspektrometern nach dem Stand der Technik müssen die Ionen aus dem Massenfilter gegen den rückwärts gerichteten Gasfluss, der aus der Stoßzelle bläst, in diese Stoßzelle hinein transportiert werden, was besondere Maßnahmen erfordert. Diese Maßnahmen schließen für gewöhnlich das Einfügen einer kompletten Zwischendruckstufe ein, mit zusätzlicher Ionenführung, zusätzlichen Wandöffnungen, zusätzlicher Elektronik für die Ionenführung, und Spannungsgeneratoren für die Beschleunigung der Ionen gegen den Gasfluss. Alle diese Maßnahmen können durch die Erfindung entfallen, da das HF-Quadrupol-Stabsystem, das als Stoßzelle verwendet wird, in dem gleichen Feinvakuum wie das Massenfilter betrieben werden kann, ohne durch besondere Öffnungen abgetrennt zu sein.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Fragmentierung der ausgewählten Eltern-Ionen. Beispielsweise kann eine Spannung zwischen etwa 30 und 200 Volt die Ionen so in die Fragmentierungszelle hinein beschleunigen, dass sie durch eine Vielzahl an Stößen mit den Gasmolekülen des Gasflusses fragmentieren. In einer anderen Ausführungsart können die Ionen durch eine Anregungswechselspannung, die an den Polstäben des Multipol-Stabsystems der Hochfrequenzspannung überlagert wird, resonant angeregt werden. Die angeregten Ionen erleben viele Stöße mit den Gasmolekülen und zerfallen, wenn sie genügend innere Energie gesammelt haben.
Wenn ein leichtes Gas wie Helium oder Wasserstoff im Massenfilter verwendet wird, kann die Stoßfragmentierung in der Fragmentierungszelle unmöglich werden, weil durch die Stöße mit den leichten Gasmolekülen keine oder nur wenig Energie in die Ionen transferiert wird. Um die Stoßfragmentierung zu verbessern, kann ein zweiter Gasfluss mit schwereren Gasmolekülen in den ersten Gasfluss eingebracht werden, zum Beispiel ein Gasfluss mit Stickstoff, Kohlendioxid oder sogar Argon. Die Einführung kann durch ein Zusammenführungssystem vorgenommen werden, wie es in dargestellt ist. Das schwere Gas kann aber auch in einer Gasaustauschvorrichtung eingeführt werden, die der in ähnlich ist und für die Düse (15) in angewendet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Fragmentierung mehrfach positiv geladener Eltern-Ionen ist die Dissoziierung durch Elektronentransfer, der durch geeignete negative Ionen bewirkt wird. Die negativen Reaktant-Ionen können seitlich in den Hauptstrom des Gases durch das Zusammenführungssystem (13) in eingeführt werden. Es kann auch ein verbundenes Multipol-Stabsystem mit einem gesonderten Gasfluss als Zusammenführungssystem verwendet werden, wie in gezeigt. Die negativen Ionen werden seitlich durch einen zweiten Gasfluss eingeführt, der mit dem ersten Gasfluss zusammenfließt. Die negativen Reaktant-Ionen können in einer speziellen Elektronenanlagerungs-Ionenquelle in so großen Mengen erzeugt werden, dass Verluste während des Zusammenführens keine entscheidende Rolle spielen. Wenn die Fragmentierungszelle durch eine enge Umhüllung eingeschlossen ist, werden sich die beiden Gasflüsse zu einem einzigen laminaren Gasfluss vereinigen, und die positiven und negativen Ionen werden sich durch Stoßfokussierung schnell vermischen.
Der beschriebene Einsatz relativ langsamer Gasflüsse in dem HF-Quadrupol-Massenfilter bedeutet nicht, dass die Erzeugung und Verwendung von Überschallgasstrahlen in vielen Apparaturen und Verfahren innerhalb von Massenspektrometern nicht vorteilhaft wären.
Einige erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen mit Überschallgasstrahlen wie auch mit laminaren Strömungen sollen hier anhand des Tandem-Massenspektrometers beschrieben werden, das in dargestellt ist. Das Tandem-Massenspektrometer enthält, wie es oft zu finden ist, ein Quadrupol-Massenfilter (12), dessen Funktionsweise im Feinvakuumbereich eben umrissen wurde, eine Fragmentierungskammer (14) und ein Flugzeitmassenspektrometer (23–27) mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF). Trotz seiner Ähnlichkeit mit Massenspektrometer nach dem Stand der Technik ist es doch durch die mehrfache Anwendung erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen sehr ungewöhnlich.
In dem Massenspektrometer der erzeugt eine Elektrosprüh-Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) in bekannter Weise eine Wolke (3) von Ionen in Umgebungsgas. Das Umgebungsgas ist meist Laborluft, die aber auch Lösungsmittel der Sprühflüssigkeit enthält. Die Ionen werden durch elektrische Felder, die nicht eingezeichnet sind, aufgrund ihrer Mobilität durch das Gas zur Lavaldüse (5) geführt. Dabei wird das Umgebungsgas durch zugeführtes Schutzgas (4), meist Reinstickstoff, ausgetauscht.
Die Lavaldüse (5) generiert aus dem eingesaugten Schutzgas (4), das inzwischen die eingewanderten Ionen enthält, einen Überschallgasstrahl (6). Hat die Lavaldüse (5) beispielsweise einen engsten Durchmesser von 0,5 Millimeter, und herrscht in der ersten Vakuumkammer ein Druck von 200 Pascal, so saugt sie 2,4 Liter Gas pro Minute an, und es entsteht bei einer gut geformten Lavaldüse (5) ein gebündelter, paralleler Überschallstrahl (6) von 2,4 Millimeter Durchmesser. Bei einem engsten Durchmesser in der Lavaldüse (5) von 0,6 Millimeter wird aus 3,4 Liter Gas pro Minute ein Überschallstrahl (6) von 2,9 Millimeter Durchmesser, wenn die Lavaldüse (5) für diesen Fall richtig geformt ist. Hat das Schutzgas (4) (meist Stickstoff) eine Temperatur von 300 Kelvin, so folgt daraus eine Geschwindigkeit des Überschallgasstrahls (6) von rund 700 Meter pro Sekunde; die Temperatur im Überschallgasstrahl beträgt etwa 50 Kelvin. Der Überschallgasstrahl (6) durchquert die Vakuumkammer und tritt durch den Verdichtungstrichter (7) in eine Kammer ein, wo das Gas unter Erwärmung so weit verdichtet wird, dass es durch eine Vorpumpe (28) abgesaugt werden kann, ohne durch seine Gasfracht das Vakuumsystem des Massenspektrometers wesentlich zu belasten. Es können bei richtiger Bemessung aller Düsen weit über 90 Prozent des Gases durch die Vorpumpe abgepumpt werden. Würde das durch die Lavaldüse (5) eingesaugte Gas noch wesentliche Anteile an polaren Lösungsmitteln oder Wasser enthalten, so würden diese, unterstützt durch die als Kondensationskeime wirkenden Ionen, zu kleinen, extrem harten Eiskristallen gefrieren, die dann mit der Geschwindigkeit eines Gewehrgeschosses in den Verdichtungstrichter treffen und diesen rasch ausfräsen würden. Der Austausch des Umgebungsgases durch Schutzgas ist also wichtig, trotzdem sollte der Verdichtungstrichter aus einem extrem harten Material gefertigt sein, beispielsweise aus Titan.
Beträgt die Strecke zwischen Lavaldüse (5) und Verdichtungstrichter (7) etwa sieben Zentimeter, so durchqueren die Moleküle im Überschallgasstrahl diese Stecke in etwa 100 Mikrosekunden. In dieser Zeit müssen die Ionen aus dem Überschallgasstrahl herausgeführt werden. Das ist möglich, weil die Ionen durch die niedrige Temperatur im Überschallgasstrahl eine hohe Mobilität haben, so dass sie durch ein elektrisches Feld von etwa zehn bis dreißig Volt pro Zentimeter in dieser Zeit herausgedrückt werden können. Dieses elektrische Feld wird durch die Elektrode (8) erzeugt, in Verbindung mit dem Potenzial des Ionentrichters (9). Gegebenfalls kann auch eine zweite Elektrode auf der anderen Seite des Überschallgasstrahls (6) in Form eines sehr feinen Gitters angebracht werden. Der Ionentrichter, dessen Betriebsweise jedem Fachmann bekannt ist, führt die Ionen über das Ionen fokussierende Quadrupol-Stabsystem (10) zur nächsten Düse (11).
Die Düse (11) erzeugt aus dem Gas mit einem Primärdruck von 200 Pascal einen Gasstrahl, der das HF-Quadrupol-Stabsystem (12) durchläuft. Wenn die Düsen (11), (15) und (18) richtig dimensioniert sind, kann ein laminarer Gasstrahl mit einer Geschwindigkeit von 10 Meter pro Sekunde mit einem Druck von etwa zwei Pascal im Massenfilter (12) erzeugt werden. Je nach analytischer Aufgabe werden entweder alle Ionen oder auch nur Ionen eines ausgewählten Massenbereichs Δ(m/z) um eine ladungsbezogene Masse m/z herum weitergerührt. Die Ionen werden durch ein weiteres Fokussierungsquadrupol (13), der auch als Zusammenführungssystem funktioniert, im Gasstrahl nachfokussiert und zur Fragmentierungszelle (14) geführt, die ebenfalls als Multipol-Stabsystem ausgeführt ist und in der die Ionen fragmentiert werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Massenfilter (12), Zusammenführungssystem (13) und Fragmentierungszelle (14) durch eine enge Hüllkammer (17) eingeschlossen.
Sollen Tochterionenspektren aufgenommen werden, so werden die Eltern-Ionen im Massenfilter (12) in bekannter Weise ausgewählt und von allen anderen Ionen befreit, so dass nur die ausgewählten Elternionen in die Stoßkammer (14) transportiert werden. Sollen keine Ionen selektiert werden, so kann das Massenfilter durch Abschalten, der Gleichspannungen als einfaches Führungs-Quadrupolsystem dienen, es werden dann alle Ionen in die Stoßkammer transportiert. Der Betrieb eines Massenfilters mit einem Druck von zwei Pascal, also einer Teilchendichte von 5 × 10¹⁴ Moleküle pro Milliliter, ist sehr ungewöhnlich; er wird möglich durch die hohe Mobilität der Ionen bei der niedrigen Temperatur und der mittleren freien Weglänge der Ionen, die immerhin noch etwa fünf Millimeter beträgt. Der Betrieb kann, wie oben beschrieben, durch die Verwendung eines leichten Gases noch verbessert werden. Wird als Massenfilter ein Quadrupol-Stabsystem mit sechs bis acht Millimeter innerem Durchmesser, etwa 100 Millimeter Länge und einer Betriebsfrequenz von etwa einem Megahertz eingesetzt, erleben die Ionen mehr als 10000 Perioden der Hochfrequenzspannung, weitaus genug für eine gute Selektivität.
Sollen die Ionen in der Fragmentierungszelle (14) einer Stoßfragmentierung (CID) unterworfen werden, so gibt eine Beschleunigungsspannung zwischen 30 und 200 Volt zwischen der Zusammenführung (13) und dem Multipol-Stabsystem (14) den Ionen die erwünschte kinetische Energie für die Stöße. Es findet keine Fragmentierung statt, wenn diese Spannung abgeschaltet ist. Die Ionen und gegebenenfalls die Fragment-Ionen werden durch das Multipol-Stabsystem (14) zusammengehalten und durch den Gasfluss gut fokussiert der Laval-Düse (18) zugeführt. In einer alternativen Ausführungsform der Stoßfragmentierung werden die Ionen resonant in radialer Richtung zu Schwingungen angeregt, und zwar durch eine Anregungswechselspannung, die an mindestens ein Paar der Polstäbe des Multipol-Stabsystems angelegt wird.
Wenn die ausgewählten Eltern-Ionen durch Elektronentransfer-Dissoziation (ETD) fragmentiert werden sollen, können die dazu notwendigen negativen Reaktant-Ionen in der Elektronenanlagerungs-Ionenquelle (16), die mit einem Druck von etwa 200 Pascal arbeitet, hergestellt werden. Die negativen Reaktant-Ionen können mit einem zweiten Gasfluss durch die Düse (15) in das Zusammenführungssystem (13) transportiert werden, wobei sich der zweite Gasfluss mit dem ersten Gasfluss aus der Düse (11) vereinigt. Die negativen und die positiven Ionen mischen sich schnell durch die Stoßfokussierung und beginnen mit der Fragmentierung durch Elektronenübertragung.
Die Lavaldüse (18) generiert aus dem Gas in der durch die Umhüllung (17) eingeschlossenen Stoßkammer (14) mit etwa zwei Pascal Druck den Überschallgasstrahl (19). Hat die Lavaldüse einen engsten Durchmesser von 1,5 Millimeter und herrscht ein Ausgangsdruck von 0,02 Pascal, so wird ein Überschallgasstrahl (19) von 4,3 Millimeter Durchmesser erzeugt. Dieser Überschallgasstrahl (19) transportiert das Gas aus der Stoßkammer (14) in ein gekrümmtes Ionenführungssystem (23), welches die Ionen aus dem Überschallgasstrahl (19) heraus- und durch das Ionenlinsensystem (23) dem Flugzeitmassenanalysator (24–27) zuführt. In dieser Weise drückt der Überschallgasstrahl (19) nicht mit seinem Vorwärtsdruck auf das Linsensystem.
Die Linseneinheit (23) formt einen sehr feinen Ionenstrahl, aus dem in bekannter Weise einzelne Abschnitte durch den Pulser (24) senkrecht zur bisherigen Flugrichtung als Ionenstrahl (25) ausgepulst, im Reflektor (26) nach Geschwindigkeiten fokussierend reflektiert und vom Ionendetektor (27) zeitaufgelöst detektiert werden. Die Betriebsweise eines solchen Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss ist jedem Fachmann bekannt. Ungewöhnlich ist hier nur, dass die Lochblenden der Linseneinheit (23), die auch als Trennung zum Vakuumsystem des Flugzeitmassenspektrometers dient, nicht unter dem Vorwärtsdruck des aus der Stoßkammer ausströmenden Gases stehen, so dass im Prinzip auch die Pumpe (33) des Flugzeitmassenspektrometers kleiner gewählt werden kann.
Der Vorteil eines solchen Massenspektrometers besteht darin, dass ein differenzielles Pumpsystem mit erheblich kleinerer Kapazität verwendet werden kann. Neben den beiden Vorpumpen (28) und (29) sind im Prinzip nur zwei Turbomolekularpumpen (30) und (31) erforderlich. Diese Pumpen müssen in Stufe (29) einen Druck von 200 Pascal, in Stufe (30) einen Druck von 0,02 Pascal und in Stufe (31) einen Druck von 10^–5 Pascal aufrechterhalten. Auch die Elektronik zur Versorgung der Quadrupol-Stabsysteme und der zum Transport der Ionen durch die einzelnen Stationen zu schaffenden Potenzialdifferenzen kann wesentlich vereinfacht werden. Die Einsparungen betreffen also nicht nur die Pumpkapazitäten, sondern auch die elektronische Versorgung. Für das Massenfilter (13) wird wie üblich ein Hochfrequenzgenerator gebraucht, der auch überlagerte Gleichspannungen liefern kann.
Wie oben bereits angedeutet, können Überschallgasstrahlen für verschiedene Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden. Jeder Überschallgasstrahl kann auf verschiedene Weise durch verschiedenartige Vorrichtungen manipuliert werden. Dabei ist es ein Vorteil, dass sich eine Störung des Überschallgasstrahls niemals rückwärts in den Gasstrahl hinein auswirken kann, da sich alle Störungen höchstens mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen können. Auch gelten für Überschallgasstrahlen einige Gesetze nicht, die für Unterschallgasströmungen gelten. So ist für eine Rohrströmung im Unterschallbereich eine Erweiterung immer mit einer Verlangsamung und Druckerhöhung, eine Verengung mit einer Beschleunigung und Druckerniedrigung verbunden, wie man beispielsweise von einer Wasserstrahlpumpe oder einer Venturi-Düse weiß; für einen Überschallgasstrahl gilt aber das Gegenteil: eine Erweiterung ist mit einer Beschleunigung und Druckerniedrigung, eine Verengung dagegen mit einer Verlangsamung und Druckerhöhung verbunden.
Das kann beispielsweise dazu ausgenutzt werden, Ionen ohne Hilfe elektrischer Felder in ein Gebiet höheren Drucks zu schieben. In wird schematisch gezeigt, wie ein Überschallstrahl (53) durch eine Verdichtungsdüse in einer Trennwand (52) zwischen zwei Gebieten verschiedenen Drucks verdichtet wird, so dass das Gas des Überschallgasstrahls (53) in das Gebiet (54) höheren Drucks transportiert wird. Die Ionen im Überschallgasstrahl, die durch das Quadrupolsystem (50) in die Achse stoßfokussiert sind, werden ebenfalls in das Gebiet (54) höheren Drucks transportiert. Die Konstruktion der Verdichtungsdüse ist kritisch; der Trichter muss sehr schlank sein, damit das Gas nicht scharf abgelenkt wird. Solange im engsten Querschnitt der Verdichtungsdüse noch mindestens lokale Schallgeschwindigkeit herrscht, kann die Verdichtungsdüse Gas des Überschallgasstrahls aufnehmen und weiterleiten; es tritt also zumindest in der Achse kein Stau auf. Der Verdichtungsfaktor hängt stark von der Form der Verdichtungsdüse ab. Verdichtungsfaktoren von etwa zwei bis fünf lassen sich relativ einfach erzeugen; höhere Verdichtungsfaktoren erfordern höheren Aufwand durch Computer-Simulationen und Experimente. Unter dem Begriff „Verdichtungsdüse” oder „Verdichtungstrichter” sollen hier sehr verschiedenartige Formen zusammengefasst verstanden werden, auch wenn sie keine Trichterform haben, wie beispielsweise ein einfaches Loch in einer Wand, mit dem sich ebenfalls eine Verdichtung erzeugen lässt.
Man kann durch dieses Phänomen eine Stoßkammer schaffen, die keine zusätzliche Gasversorgung braucht. Im Inneren dieser Stoßkammer werden die Ionen radial durch ein Hochfrequenz-Multipol-Stabsystem zusammengehalten und axial durch die Gasbewegung geführt. Durch eine Potenzialdifferenz von etwa 30 bis 200 Volt zwischen Verdichtungstrichter und Stabsystem kann den Ionen die Stoßenergie zugeführt werden.
Da für manche Verwendungszwecke des Überschallgasstrahls die breiten Randgebiete stören, können diese auch durch Abstreifer beschnitten werden, wie schematisch in dargestellt. Dort wird ein Überschallgasstrahl (61) in einem Quadrupolsystem (60) durch einen Gasabstreifer (64) beschnitten, wobei das abgestreifte Gas durch eine Verdichterdüse (63) in eine Pumpkammer (65) geleitet wird und von dort abgepumpt werden kann. Wenn sowohl die Verdichterdüse (63) wie auch der Gasabstreifer (64) aus hochohmig leitendem Dielektrikum bestehen, können die Stäbe des Quadrupolsystems (60) durch ihre Haltewände hindurchgeführt werden, ohne dass das Hochfrequenzfeld wesentlich gestört wird. Der beschnittene Überschallgasstrahl muss in einer Umgebung gleichen Drucks weiterlaufen. Abstreifer sind insbesondere in Verbindung mit Verdichtungsdüsen interessant, weil sie den Verdichtungsfaktor erhöhen können, auch wenn dabei nicht die gesamte Gasmenge verdichtet wird.
Auch die Erneuerung von Überschallgasstrahlen zwischen Gebieten verschiedenen Drucks ist möglich. Die zeigt schematisch, wie ein Überschallgasstrahl (72) in einem Quadrupolsystem (70) beschnitten werden kann, wonach der ausgeschnittene Teilstrom in einer Lavaldüse zu einem neuen Überschallgasstrahl geformt wird, der jetzt an niedrigeren Umgebungsdruck angepasst ist und das Quadrupolsystem (71) durchfliegt.
Die Ionen werden üblicherweise in den Überschallgasstrahl eingeführt, indem sie schon im Gas vorhanden sind, aus dem der Überschallgasstrahl gebildet wird. Das muss jedoch nicht so sein. zeigt die seitliche Zuführung von Ionen durch ein Quadrupol-Stabsystem (84) in einen Überschallgasstrahl (82), der sich in einem Hexapol-Stabsystem (83) befindet. Man kann Quadrupol- und Hexapol-Stabsysteme (aber auch andere Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme wie beispielsweise zwei Quadrupol-Stabsysteme) so zusammenschließen, dass sie mit der gleichen Hochfrequenzspannung betrieben werden können. Die Ionen werden in einer eigenen Ionenquelle erzeugt und in einen zweiten Gasfluss verbracht, der in das zusammenführende Quadrupol-Stabsystem fließt. Der zweite Gasfluss schließt sich dann mit dem ersten Gasfluss zusammen.
Die seitliche Einführung von Ionen kann auch verwendet werden, um Ionen verschiedener Art zu mischen, eine ersten Art, die sich schon im ersten Gasfluss befindet, und eine zweite Art, die aus einer zweiten Ionenquelle hinzugefügt wird. Die Einführung ist am interessantesten für die Auslösung von Reaktionen zwischen Ionen verschiedener Polarität. Weil beide Ionenarten durch die Stoßfokussierung im Gasfluss unmittelbar zusammengeführt werden, beginnen die Reaktionen auch sofort. Solche Reaktionen können beispielsweise für die Elektronentransfer-Dissoziation (ETD) eingesetzt werden, wie oben bereits beschrieben. Die laterale Einführung kann zwischen einem Massenfilter und einer Fragmentierungszelle stattfinden, die gewöhnlich für Stoßfragmentierungen benutzt wird; eine solche Zelle lässt die Wahl zwischen Stoßfragmentierung und Fragmentierung durch Elektronenübertragung.
Diese Manipulationsverfahren für Gasstrahlen können in verschiedener Weise eingesetzt werden. So ist in schematisch dargestellt, wie ein Überschallgasstrahl (92) Ionen über einen Verdichtungstrichter (95) in eine dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle (97) schiebt und gleichzeitig den Arbeitsdruck in der Ionenfalle (97) herstellt. Hier ist es zweckmäßig, mit der Lavaldüse (91) den Überschallgasstrahl (92) aus Helium herzustellen, da die Ionenfalle (97) am besten mit Helium als Dämpfungsgas für die Ionenschwingungen arbeitet. Die in ihren Bewegungen gedämpften Ionen sammeln sich dann in einer kleinen Wolke (100) im Zentrum der Ionenfalle (97). Sie können dann mit bekannten Verfahren massensequentiell ausgeworfen und über Konversionsdynode (98) und Channeltron-Vervielfachter (99) als Massenspektrum gemessen werden. Die Ionen können in den Helium-Überschallgasstrahl beispielsweise seitlich eingeführt werden, wie es in dargestellt ist.
Auch andere Arten von Massenspektrometern können durch die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen verbessert werden, unter anderen auch das meistverkaufte Massenspektrometer: das Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer („Triple-Quad”). zeigt das Schema eines gegenüber dem Stand der Technik außerordentlich vereinfachten Massenspektrometers dieser Art. Alle drei Quadrupole werden hier, anders als im Stand der Technik, bei gleichem Druck von etwa zwei Pascal im Feinvakuum betrieben. Eine Düse (101) erzeugt einen Überschallgasstrahl (102), der sich durch alle drei geraden Quadrupolsysteme (104), (105) und (106) fortsetzt, aber das gekrümmte Quadrupolsystem (107) geradeaus verlässt, während der Ionenstrahl (103) dem gekrümmten Quadrupolsystem folgt und auf den Detektor (108) auftrifft. Betriebsweise und Anwendungsgebiete sind dem Fachmann bekannt, wenn hier auch die technischen Verfahren etwas anders ablaufen: Das Selektions-Quadrupol (104) isoliert wie bisher die ausgewählte Elternionensorte, hier aber im Feinvakuum. Die ausgewählten Ionen werden durch eine Spannung zwischen 30 und 200 Volt zwischen dem Selektions-Quadrupol (104) und dem Fragmentierungs-Quadrupol (105) beschleunigt und in das Fragmentierungs-Quadrupolsystem eingeschossen, das unter gleichem Druck operiert. Hier werden sie durch eine Vielzahl von harten Stößen mit den Gasmolekülen des Gasstrahls (102) fragmentiert. Die Fragmentionen werden durch den Gasstrahl in das Analysator-Quadrupolsystem transportiert, wo sie nach ladungsbezogenen Massen m/z selektiert und im Detektor (108) gemessen werden. Das Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer wird für gewöhnlich mit fest eingestellter Elternionenmasse und ebenfalls fest eingestellter, charakteristischer Tochterionenmasse als höchstempfindliches, substanzspezifisches Nachweisgerät in Verbindung mit Gas- oder Flüssigkeitschromatographen betrieben, wobei die Festeinstellungen auch getaktet verändert werden können (MRM = multi-reaction monitoring). Diese Massenspektrometer werden in großen Mengen für Reihenuntersuchungen zur Wirkung von Pharmaka und deren Metabolismus eingesetzt, wie sie für Zulassungen dieser Wirkstoffe vorgeschrieben sind.
Das Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer kann durch eine seitliche Einführung von Reaktant-Ionen, wie sie in gezeigt wird, für eine Elektronentransfer-Dissoziation im Fragmentierungs-Quadrupol verbessert werden.
Das Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer ist nur ein Beispiel für eine ganze Klasse von Tandem-Massenspektrometern. Die Kombination von Quadrupol-Massenfiltern und Quadrupol-Systemen für eine Ionenfragmentierung wird in einer Reihe verschiedenartiger Tandem-Massenspektrometern gebraucht, beispielsweise für Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss (Q-OTOF-MS, wie in gezeigt) oder Fourier-Transform Ionenzyklotron-Resonanz-Massenspektrometer (Q-FT-ICR-MS), welche beide eine höhere Massenauflösung bieten als Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer. Alle diese Massenspektrometer können durch die Anwendung dieser Erfindung stark vereinfacht werden. In allen diesen Massenspektrometern kann das wiederholte Auf und Ab des Drucks durch einen kontinuierlichen Abfall des Drucks zum Analysator hin ersetzt werden.
Für die Berechnung der Erzeugung eines Überschallgasstrahls bei gegebenem Anfangsdruck p₀, Enddruck und Temperatur des Gases vor der Düse können die bekannten Gleichungen der Gasdynamik herangezogen werden. Für eine Lavaldüse ist der engste Innendurchmesser 2r* durch den erwünschten Gasfluss gegeben; auch der optimale Durchmesser am Ausgang der Lavaldüse lässt sich mit diesen Gleichungen bestimmen. Die Temperatur im Überschallgasstrahl und seine Geschwindigkeit können ebenfalls berechnet werden. Für die optimale Form einer Lavaldüse wird meist das so genannte „Charakteristikenverfahren” eingesetzt, das die Form graphisch bestimmt. Es kann aber die Form einer günstigen Lavaldüse auch durch Vorgabe des Druckverlaufs p(x) in der Lavaldüse berechnet werden, wobei man sich der „Durchflussfunktion” Ω bedienen kann:
Im engsten Querschnitt gilt
Dabei ist p₀ der Druck vor der Düse, κ der Isentropenexponent des verwendeten Gases und x die Achsenkoordinate. Der Verlauf des Radius' r(x) der Lavaldüse ist durch r²(x) = r·2Ω_max/Ω(x) gegeben, wobei r* der durch den gewünschten Gasfluss gegebene Radius im engsten Querschnitt ist.
In ist die Form einer Lavaldüse wiedergegeben, die mit dieser Gleichung berechnet wurde, wobei eine glatte (stetige und stetig differenzierbare) Druckkurve p(x) zwischen den beiden Druckkammern vorgegeben wurde. Die Lavaldüse wurde dabei absichtlich so in Längsrichtung verzerrt, dass sie im Ausgangsbereich einen schlanken Kelch bildet. Das ist notwendig, weil sich sonst der Überschallgasstrahl vor seinem Austritt aus der Düse von der Wand abschält.
zeigt zur Vervollständigung das so genannte „Ausströmdiagramm” für kompressible Gase (hier für Stickstoff) aus einem Gebiet mit Druck p₀, Dichte ρ₀ und Temperatur T₀. Der lokale Druck p/p₀, die lokale Dichte ρ/ρ₀ und die lokale Temperatur T/T₀ sind über der relativen Gasgeschwindigkeit ω aufgetragen, bei der die lokale Gasgeschwindigkeit w auf die lokale Schallgeschwindigkeit a* im engsten Querschnitt der Düse bezogen wird (ω = w/a*). Die Kurve der Stromdichte ψ = ρ × w ist hier auf die Stromdichte ψ* im engsten Querschnitt bezogen. Für das Ausströmen von Stickstoff ins Vakuum ergibt sich für den Überschallgasstrahl eine maximale Geschwindigkeit w_max = 2,4368 × a*. Für ausströmende Luft unter Normalbedingungen (1000 Hektopascal, 20°Celsius) beträgt die maximale Geschwindigkeit der Moleküle des Überschallgasstrahls 792 Meter pro Sekunde. Ein Überschallgasstrahl bildet sich immer dann, ganz unabhängig von der Form der Düse, wenn im engsten Teil der Düse die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Eine Lavaldüse kann aber dem Überschallstrahl eine besonders günstige Form verleihen, in der alle Moleküle über den größten Teil des Querschnitts hinweg die gleiche Geschwindigkeit und die gleiche Richtung haben.
Der einschlägige Fachmann kann in Kenntnis der Erfindung weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür geeigneten Vorrichtungen entwickeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/015169 A1 [0008]
US 2009/0212210 A1 [0009]
US 2004/0011955 A1 [0010]
GB 2415087 B [0023]
US 7196326 B2 [0023]

Claims

Ein Massenspektrometer mit einer Laval-Düse für die Erzeugung eines Überschallgasstrahls, um Ionen in einem Feinvakuum zwischen etwa 10² und 10^–1 Pascal zu führen, das einen Kompression-Trichter für den Transport von Ionen in eine Kammer höheren Drucks umfasst.
Ein Massenspektrometer nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines einschließenden Gasflusses, um die Reibung zwischen dem Überschallgasstrahl und dem umgebenden Gas zu verringern.
Ein Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, mit einem gekrümmten oder gewinkelten HF-Multipol-Stabsystem zur Abtrennung der Ionen aus dem Überschallgasstrahl.
Ein Massenspektrometer nach einem der vorhergehendenden Ansprüche, worin die Laval-Düse aus einem dielektrischen Material hohen Widerstands gefertigt ist.