DE202011102073U1

DE202011102073U1 - Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung

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Publication number: DE202011102073U1
Application number: DE201120102073
Authority: DE
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2011-10-10
Anticipated expiration: 2021-06-21

Abstract

Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400), die folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuse (402), das eine Kammer (404) aufweist; eine Ioneneinlassstruktur (416), die eine Probenahmeöffnung (440) aufweist, die koaxial zu einer Probenahmeachse (406) ist und mit der Kammer (404) kommuniziert; eine Elektrode (420), die eine Elektrodenbohrung (518) aufweist und von der Ioneneinlassstruktur (416) beabstandet ist, wobei zwischen der Ioneneinlassstruktur (416) und der Elektrode (420) eine Ionisationsregion (436) definiert ist; eine aufgeweitete Struktur (490), die koaxial um die Ioneneinlassstruktur (416) herum angeordnet ist und sich entlang einer Auswärtsrichtung erstreckt, die eine radiale Komponente relativ zu der Probenahmeachse (406) umfasst; eine Probenausgabevorrichtung (408), die in der Kammer (404) angeordnet ist und in einem Winkel zu der Probenahmeachse (406) orientiert ist, um einen Probenstrom zu der Ionisationsregion (436) hin zu lenken; und einen Gasdurchgang (452), der dazu konfiguriert ist, einen Gasstrom von einer Gasquelle zu der Kammer (404) zu...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Atmosphärendruck-Ionisation, wie sie beispielsweise bei einer Ionenquelle implementiert werden kann, die eine Schnittstelle mit einem analytischen Instrument wie z. B. einem Massenspektrometer liefert.
Bestimmte Techniken der analytischen Chemie wie beispielsweise Massenspektrometrie (MS) erfordern, dass Komponenten einer Probe vor der Analyse ionisiert werden. Allgemein umfasst MS eine Vielzahl instrumenteller Verfahren einer qualitativen oder quantitativen Analyse, die ermöglichen, dass ionisierte Spezies von Analyten (d. h. interessierende Probenmoleküle) nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis aufgelöst werden. Zu diesem Zweck wandelt ein MS-System bestimmte Komponenten einer Probe in Ionen um, sortiert, trennt oder filtert die Ionen auf der Basis ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses und verarbeitet die resultierende Ionenausgabe (z. B. den Ionenstrom oder -fluss) nach Bedarf, um ein Massenspektrum zu erzeugen. Üblicherweise ist ein Massenspektrum eine Serie von Höchstwerten (Peaks), die die jeweilige Häufigkeit geladener Komponenten als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses angeben.
Ein typisches MS-System umfasst eine Probenquelle, eine Ionenquelle oder Ionisationseinrichtung, einen oder mehrere Massenanalysatoren, einen Ionendetektor, einen Signalprozessor, eine Auslese-/Anzeigeeinrichtung und eine elektronische Steuerung wie z. B. einen Computer. Das MS-System umfasst ferner ein Vakuumsystem, um den bzw. die Massenanalysator(en) in einer kontrollierten, evakuierten Umgebung einzuschließen. Bei Atmosphärendruck-Ionisationstechniken (API-Techniken, API = atmospheric-pressure ionisation) wird das der Ionenquelle bereitgestellte Probenmaterial in einer Ionisationskammer, die von den evakuierten Regionen des Massenanalysators getrennt ist, bei oder nahezu bei Atmosphärendruck ionisiert. Ionen, die in der Atmosphärendruck-Ionisationskammer erzeugt werden, werden über eine Probenahmeöffnung in die evakuierte Umgebung des Massenspektrometers transportiert. API-Techniken sind besonders sinnvoll, wenn gewünscht ist, Massenspektrometrie mit einer analytischen Trenntechnik wie z. B. Flüssigchromatographie (LC – liquid chromatography) zu koppeln. Beispielsweise kann der Eluent aus einer LC-Säule als Probenquelle dienen, die in die Ionisationskammer führt. Üblicherweise besteht der Ablauf (das Eluat) aus einer Flüssigphasenmatrix aus Analyten und Mobile-Phase-Material (z. B. Lösungsmitteln, Zusatzstoffen, Puffern).
Beispiele von API-Techniken umfassen Elektrospray-Ionisation (ESI – electrospray ionization), chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI – atmospheric-pressure chemical ionization), Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI – atmospheric-pressure photo-ionization), Laserionisation bei Atmosphärendruck (APLI – atmospheric-pressure laser ionization) und Matrix-unterstützte Laser-Desorption/-Ionisation bei Atmosphärendruck (AP-MALDI – atmospheric-pressure matrix-assisted laser desorption/ionization). API-Techniken wie diese sind bekannt und müssen deshalb nicht ausführlich beschrieben werden.
Im Fall von ESI wird eine flüssige Probe durch eine Elektrospraynadel in die Ionisationskammer eingebracht. Ein Spannungspotential wird zwischen der Nadel und einer Nebenelektrode (oder Gegenelektrode) in der Ionisationskammer angelegt um ein elektrisches Feld in der Ionisationskammer herzustellen. Das elektrische Feld induziert eine Ladungsakkumulation an der Oberfläche der Flüssigkeit bei oder in der Nähe der Spitze der Nadel, und die flüssige Probe wird in Form hoch geladener Tröpfchen (Elektrospray) aus der Nadel ausgebracht. Das Aufbrechen des Flüssigkeitsstroms in eine Masse aus feinen Tröpfchen bzw. Aerosol kann durch eine Zerstäubungstechnik unterstützt werden, die pneumatische, Ultraschall-, thermische oder elektrostatische Mittel beinhaltet. Beispielsweise kann eine pneumatische Zerstäubung implementiert werden, indem ein Schlauch koaxial zu der Elektrospraynadel bereitgestellt wird und indem ein Inertgas wie z. B. Stickstoff koaxial zu der Probenflüssigkeit ausgebracht wird. Ein elektrisches Feld lenkt die geladenen Tröpfchen von der Spitze der Elektrospraynadel in Richtung der Probenahmeöffnung, die von der Ionisationskammer zu dem Massenspektrometer führt. Die Tröpfchen durchlaufen einen Desolvatisierungs- oder Ionenverdampfungsprozess, während sie durch die Ionisationskammer wandern. Während in den Tröpfchen enthaltenes Lösungsmittel verdampft, werden die Tröpfchen kleiner. Außerdem können die Tröpfchen infolge von abstoßenden Coulomb-Kräften, die sich an die Kohäsionskräfte der Tröpfchen annähern, aufbrechen und in noch kleinere Tröpfchen geteilt werden. Letztlich werden geladene Analytmoleküle (Analytionen) von den Oberflächen der Tröpfchen desorbiert. In jüngerer Zeit wurden ein geringes Fließvermögen aufweisende Elektrospray- und Nanoelektrospray-Techniken entwickelt. Ein geringes Fließvermögen aufweisende Elektrospray- und Nanoelektrospray-Techniken beinhalten, dass man die flüssige Probe mit einer im Mikrobereich oder im Nanobereich liegenden Fließgeschwindigkeit durch eine eine kleine Bohrung aufweisende Nadel (oder Probenausgabevorrichtung) fließen lässt. Diese Techniken können insofern vorteilhaft sein, als eine geringere Probenmenge erforderlich ist, keine unterstützte Zerstäubung erforderlich ist, um feine Tröpfchen zu bilden, Ionen hauptsächlich durch den Mechanismus der Zonenverdampfung aus der Probe freigesetzt werden und ein höheres Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) der Ionen erzielt werden kann.
Bei jeder API-Technik treten im Idealfall nur die Analytionen in das Massenspektrometer ein, und nicht die anderen Komponenten des Probensprays wie z. B. neutrale solvatisierte Tröpfchen oder Luft oder Sauerstoff. Zu diesem Zweck wird ein Strom eines inerten (und üblicherweise erhitzten) Trocknungsgases wie z. B. Stickstoff in die Ionisationskammer eingebracht, um die Verdampfung von Lösungsmittel zu unterstützen und/oder das Lösungsmittel von der Probenahmeöffnung, die in das Massenspektrometer führt, weg zu treiben sowie die Verdampfung und Desolvatisierung von Ionen aus dem Probenspray zu unterstützen. Herkömmlicherweise wird das Trocknungsgas in einer Gegenflussbeziehung zu dem Spray durch eine oder zwei Mündungen eingebracht, während sich das Spray der Probenahmeöffnung nähert. Alternativ dazu wird das Trocknungsgas als Vorhang vor der Probenahmeöffnung eingebracht. Bei herkömmlichen API-Vorrichtungen ist die Geschwindigkeit und der Weg des in die Ionisationskammer eintretenden Gases nicht bezüglich eines Sammelns von Analytionen und eines Erzeugens eines guten Ionensignals aus dem Probenmaterial optimiert. Das Trocknungsgas mit hoher Geschwindigkeit erzeugt eine unerwünschte Gasturbulenz in der Ionisationskammer, die den Sprühnebel der Probe stört, besonders bei Implementierungen, bei denen der Sprühnebel der Probe ein Elektrospray oder Nanoelektrospray mit niedriger Strömungsrate ist. Außerdem hat man festgestellt, dass die Geometrie der Ionisationskammer und der darin enthaltenen Komponenten wie beispielsweise der Nebenelektrode – sowie die Geschwindigkeit, der Turbulenzgrad und der Weg des Trocknungsgases – vor der Nebenelektrode eine einen niedrigen Druck aufweisende Gasstagnationszone erzeugen. In dieser Stagnationszone strömt wenig oder kein Gas. Auch bewegt sich die Stagnationszone in Wellen in den Sprühnebel der Probe hinein und aus demselben heraus, wodurch sie den Sprühnebel der Probe beträchtlich stört und zu seiner Instabilität beiträgt. Überdies wird das Trocknungsgas auf eine Weise gelenkt, die die Ionisationskammer nicht gleichmäßig erhitzt, und der Großteil der Ionisationskammer kann dabei unerhitzt bleiben. Folglich kann es bei manchen Entwürfen schwierig sein, einen stabilen, einheitlichen Sprühnebel der flüssigen Probe aus der Probenausgabevorrichtung zu erzielen und eine gleichmäßig erhitzte Umgebung zu erzielen, die dazu dienlich ist, die Erzeugung von Ionen und insbesondere Ionen hoher Masse zu unterstützen. Außerdem ermöglicht der instabile Sprühnebel der Probe, dass manche der Tröpfchen in die Kapillare und folglich den Massenanalysator des Massenspektrometers eintreten. Der Eintritt von Tröpfchen in das Massenspektrometer ist äußerst unerwünscht, da diese Tröpfchen eine Verunreinigung der Einlassteile des Massenspektrometers verursachen, was wiederum ein häufigeres Reinigen dieser Teile erfordert und eine damit verbundene Ausfallzeit bedeutet. Überdies beeinträchtigen diese Tröpfchen das Ionensignal, von dem analytische Daten abgeleitet werden, und verringern die Sensibilität des Massenspektrometers.
Angesichts des Vorstehenden besteht ein fortdauerndes Erfordernis von API-Vorrichtungen, die sich der oben erwähnten Probleme annehmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtungen sowie ein Massenspektrometriesystem mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
Die Aufgabe wird durch Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtungen gemäß Anspruch 1 und 27 sowie durch ein Massenspektrometriesystem gemäß Anspruch 24 gelöst.
Um insgesamt oder teilweise auf die vorstehenden Probleme und/oder andere Probleme, auf die Fachleute eventuell gestoßen sind, einzugehen, liefert die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Vorrichtungen, Instrumente und/oder Einrichtungen, wie sie bei nachstehend dargelegten Implementierungen beispielhaft beschrieben werden.
Gemäß einer Implementierung umfasst eine Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (API-Vorrichtung) ein Gehäuse, eine Ioneneinlassstruktur, eine Elektrode, eine Probenausgabevorrichtung und einen Gasdurchgang. Das Gehäuse umfasst eine Kammer. Die Ioneneinlassstruktur umfasst eine Probenahmeöffnung, die zu einer Probenahmeachse koaxial ist und mit der Kammer kommuniziert. Die Elektrode umfasst eine Elektrodenbohrung und ist von der Ioneneinlassstruktur beabstandet. Eine Ionisationsregion ist zwischen der Ioneneinlassstruktur und der Elektrode definiert. Die aufgeweitete Struktur ist koaxial um die Ioneneinlassstruktur herum angeordnet und erstreckt sich entlang einer Auswärtsrichtung, die eine radiale Komponente relativ zu der Probenahmeachse umfasst. Die Probenausgabevorrichtung ist in der Kammer angeordnet und ist in einem Winkel zu der Probenahmeachse orientiert, um einen Probenstrom zu der Ionisationsregion hin zu lenken. Der Gasdurchgang ist zum Lenken eines Gasstroms von einer Gasquelle zu der Kammer konfiguriert. Die aufgeweitete Struktur bildet einen Abschnitt des Gasdurchgangs, der sich ringförmig um die Probenahmeachse herum und entlang der Auswärtsrichtung erstreckt. Das Gas strömt durch den Abschnitt, um die aufgeweitete Struktur herum und auf die Ionisationsregion und die Elektrodenbohrung zu.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung eine Innenwand. Die Innenwand und eine oder mehrere Innenoberflächen des Gehäuses schließen die Kammer ein. Die aufgeweitete Struktur und die Innenwand bilden auf zusammenwirkende Weise den Abschnitt des Gasdurchgangs, der sich ringförmig um die Probenahmeachse herum erstreckt.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung einen Gasverteiler. Der Gasverteiler umfasst einen ausgefüllten Raum (einen Luftraum, ein Plenum), der koaxial zu der Probenahmeachse ist und mit der Gasquelle kommuniziert, sowie eine Mehrzahl von Auslässen, die um die Probenahmeachse herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und mit dem Abschnitt kommunizieren.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die Elektrode einen zylindrischen Abschnitt, durch den sich die Elektrodenbohrung erstreckt. Der zylindrische Abschnitt umfasst eine Endoberfläche, die der Ionisationsregion zugewandt ist, eine laterale Oberfläche, die koaxial zu der Elektrodenbohrung ist, und einen ringförmigen Übergang zwischen der Endoberfläche und der lateralen Oberfläche. Der ringförmige Übergang ist abgerundet, wobei der zylindrische Abschnitt frei von scharfen Kanten ist.
Gemäß einer anderen Implementierung ist eine Innenwand der API-Vorrichtung zwischen der Kammer und einer evakuierten Region eines Massenspektrometers angeordnet.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die Ioneneinlassstruktur eine Probenahmebohrung, die mit der Probenahmeöffnung kommuniziert, und ein Innendurchmesser der Probenahmebohrung ist größer als ein Innendurchmesser der Probenahmeöffnung.
Gemäß einer weiteren Implementierung umfasst die API-Vorrichtung eine Ionentransporteinrichtung, die sich durch eine Innenwand des Gehäuses hindurch erstreckt, und die Ionentransporteinrichtung umfasst einen oder mehrere Kanäle, die mit der Probenahmebohrung kommunizieren.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung eine Spannungsquelle, die in Signalkommunikation mit der Ioneneinlassstruktur steht und zum Erzeugen eines elektrischen Feldes konfiguriert ist, das eine räumliche Verteilung und Polarität aufweist, die Ionen einer ausgewählten Polarität zu der Probenahmeöffnung hin anzieht.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung eine erste Spannungsquelle, die in Signalkommunikation mit der Ioneneinlassstruktur steht und zum Anlegen einer Spannung im Bereich von 100 V bis 6.000 V konfiguriert ist, und eine zweite Spannungsquelle, die in Signalkommunikation mit der Elektrode steht und zum Anlegen einer Spannung konfiguriert ist, die im Bereich von 100 V bis 1.000 V geringer ist als die an die Ioneneinlassstruktur angelegte Spannung.
Gemäß einer anderen Implementierung ist die Elektrodenbohrung koaxial zu der Probenahmeachse.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die aufgeweitete Struktur eine der Kammer zugewandte erste Außenoberfläche, die Ioneneinlassstruktur weist eine der Kammer zugewandte zweite Außenoberfläche auf, und die erste Außenoberfläche stößt in einem glatten Übergang an die zweite Außenoberfläche an.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die aufgeweitete Struktur eine der Kammer zugewandte Außenoberfläche, und die Außenoberfläche weist eine Krümmung auf. Bei manchen Implementierungen weist die Krümmung zumindest zwei Wendepunkte entgegengesetzter Vorzeichen auf.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die Auswärtsrichtung, entlang derer sich die aufgeweitete Struktur erstreckt, zusätzlich eine axiale Komponente auf, und zumindest ein Abschnitt der aufgeweiteten Struktur erstreckt sich in einem nicht neunzig Grad betragenden Winkel bezüglich der Probenahmeachse zu einer Innenwand des Gehäuses hin.
Gemäß einer anderen Implementierung ist die Probenausgabevorrichtung im Wesentlichen orthogonal zu der Probenahmeachse orientiert.
Gemäß einer anderen Implementierung weist die Probenausgabevorrichtung einen Innendurchmesser im Bereich von 700 nm bis 35.000 nm auf.
Bei manchen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung zum Ausgeben des Probenstroms in die Kammer bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min konfiguriert. Bei anderen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung zum Ausgeben des Probenstroms in die Kammer bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 5 μl/min konfiguriert. Bei anderen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung zum Ausgeben des Probenstroms in die Kammer bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min konfiguriert.
Gemäß einer anderen Implementierung endet der Abschnitt des Gasdurchgangs an einem ringförmigen Gasauslass, der mit der Kammer kommuniziert, und der ringförmige Gasauslass ist zwischen einem Rand der aufgeweiteten Struktur und einer Innenwand des Gehäuses definiert.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung einen Gaseinlass, der sich durch eine Innenwand des Gehäuses hindurch erstreckt und mit dem Gasdurchgang kommuniziert. Bei manchen Implementierungen umfasst die Ioneneinlassstruktur eine ringförmige Aussparung, der Gaseinlass umfasst eine zylindrische Struktur, die sich in die ringförmige Aussparung hinein erstreckt, und die ringförmige Aussparung und die zylindrische Struktur definieren auf zusammenwirkende Weise eine Gasstrecke, die axial von dem Gaseinlass hin zu der Ionenauslassstruktur verläuft, wonach sie in einem Winkel zu der Probenahmeachse zu dem Gasdurchgang hin verläuft. Bei manchen Implementierungen umfasst der Gasdurchgang einen Gasverteiler. Der Gasverteiler kann einen ausgefüllten Raum, der mit der ringförmigen Aussparung kommuniziert, und eine Mehrzahl von Auslässen und radialen Löchern, die um die Probenahmeachse herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und mit dem Abschnitt kommunizieren, umfassen.
Bei manchen Implementierungen ist der Gasdurchgang zum Bewegen des Gasstroms in die Kammer bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 1,0 m/s konfiguriert. Bei anderen Implementierungen ist der Gasdurchgang zum Bewegen des Gasstroms in die Kammer bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 0,5 m/s konfiguriert.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst ein Massenspektrometriesystem (MS-System) eine API-Vorrichtung gemäß einer beliebigen der hierin offenbarten Implementierungen. Das MS-System kann ferner eine Ionentransporteinrichtung, die mit der Probenahmeöffnung kommuniziert und sich durch eine Innenwand des Gehäuses hindurch erstreckt, und ein Massenspektrometer, das mit der Ionentransporteinrichtung kommuniziert und durch die Innenwand von der Kammer getrennt ist, umfassen.
Bei manchen Implementierungen umfasst das MS-System eine Probenquelle, die dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min durch die Probenausgabevorrichtung fließen zu lassen. Bei anderen Implementierungen umfasst das MS-System eine Probenquelle, die dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 5 μl/min durch die Probenausgabevorrichtung fließen zu lassen. umfasst das MS-System eine Probenquelle, die dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min durch die Probenausgabevorrichtung fließen zu lassen
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst eine Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (API-Vorrichtung) eine Probenausgabevorrichtung, eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Probenstroms mit einem elektrostatischen Feld sowie einen Gasdurchgang. Die Probenausgabevorrichtung ist zum Ausbringen eines Probenstroms in eine Ionisationsregion konfiguriert, die sich zwischen einer Ioneneinlassstruktur und einer Nebenelektrode in einer Kammer befindet. Die Einrichtung zum Beaufschlagen des Probenstroms mit einem elektrostatischen Feld kann eine Einrichtung sein, die zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die Probenausgabevorrichtung, die Ioneneinlassstruktur und die Nebenelektrode konfiguriert ist, so dass Ionen erzeugt werden und entlang einer Probenahmeachse in die Ioneneinlassstruktur eintreten. Der Gasdurchgang ist dazu konfiguriert, ein Trocknungsgas in einer Mehrzahl radialer Richtungen relativ zu der Probenahmeachse und hin zu der Ionisationsregion fließen zu lassen. Die Nebenelektrode umfasst eine Bohrung, durch die ein Teil des Trocknungsgases strömt.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst der Gasdurchgang einem ringförmigen Abschnitt zwischen einer aufgeweiteten Struktur und einer Innenwand der Kammer. Die aufgeweitete Struktur erstreckt sich koaxial um die Ioneneinlassstruktur herum.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst der Gasdurchgang einen ausgefüllten Raum und eine Mehrzahl radialer Löcher, die mit dem ausgefüllten Raum und mit dem ringförmigen Abschnitt kommunizieren. Der ausgefüllte Raum und die radialen Löcher sind koaxial zu der Probenahmeachse.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst die API-Vorrichtung eine Einrichtung, um das Trocknungsgas in einen Kontakt mit einer Rückseite der Ioneneinlassstruktur gegenüber der Ionisationsregion strömen zu lassen, um eine Richtung des Trocknungsgases zu ändern und um das Trocknungsgas in den ausgefüllten Raum strömen zu lassen.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst der Gasdurchgang einen ausgefüllten Raum, eine Mehrzahl radialer Löcher, die mit dem ausgefüllten Raum kommunizieren, und einen radial gerichteten Abschnitt, der mit den radialen Löchern kommuniziert.
Bei manchen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung dazu konfiguriert, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min auszubringen. Bei anderen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung dazu konfiguriert, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 5 μl/min auszubringen. Bei anderen Implementierungen ist die Probenausgabevorrichtung dazu konfiguriert, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min auszubringen.
Bei manchen Implementierungen ist der Gasdurchgang dazu konfiguriert, das Trocknungsgas bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 1,0 m/s von dem Gasdurchgang in die Kammer strömen zu lassen. Bei anderen Implementierungen ist der Gasdurchgang dazu konfiguriert, das Trocknungsgas bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 0,5 m/s von dem Gasdurchgang in die Kammer strömen zu lassen.
Andere Einrichtungen, Vorrichtungen, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten nach eingehender Betrachtung der folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung einleuchten. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in der vorliegenden Beschreibung enthalten sein sollen, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen sollen und durch die beiliegenden Patentansprüche geschützt werden sollen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei das Hauptaugenmerk stattdessen darauf gelegt wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten entsprechende Teile. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Massenspektrometriesystems (MS-Systems), bei dem eine Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (API-Vorrichtung), wie sie hierin offenbart ist, arbeiten kann;
2 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung, die bei einem analytischen System wie beispielsweise dem in 1 veranschaulichten MS-System verwendet werden kann;
3 eine Querschnittsansicht einer bekannten API-Vorrichtung, die Linien veranschaulicht, die einen Gasfluss zeigen;
4 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung, wie sie hierin offenbart ist, gemäß einer Implementierung, die Linien veranschaulicht, die einen Gasfluss zeigen; und
5 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung, wie sie hierin offenbart ist, gemäß anderen Implementierung.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung ist der Begriff „Atmosphärendruck” nicht auf einen genauen Wert für Atmosphärendruck wie beispielsweise 1 Atmosphäre (760 Torr) auf Meeresspiegel beschränkt. Stattdessen schließt der Begriff „Atmosphärendruck” allgemein auch jeglichen Druck ein, der im Wesentlichen bei (d. h. etwa um, ungefähr bei oder nahe bei) Atmosphärendruck liegt. Demgemäß schließt „Atmosphärendruck” allgemein einen Bereich von Drücken von etwa 720 Torr bis etwa 800 Torr ein.
1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines analytischen Systems, z. B. eines Massenspektrometriesystems (MS-Systems) 100, bei dem Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (API-Vorrichtung) 104, wie sie hierin offenbart ist, arbeiten kann. Das MS-System 100 kann allgemein eine Probenquelle 108, die API-Vorrichtung 104 und ein Massenspektrometer 112 umfassen. Die Probenquelle 108 kann eine beliebige Einrichtung sein, die dazu konfiguriert ist, der API-Vorrichtung 104 einen Strom 116 aus Probenmaterial (bzw. einen Probenstrom) zu liefern. Als Beispiele kann die Probenquelle 108 einem Massenvolumen, einer Probensonde oder einem Flüssigkeitshandhabungssystem zugeordnet sein. Bei Kopplungstechniken (hyphenated techniques) kann die Probenquelle 108 der Ausgabe eines analytischen Trenninstruments wie beispielsweise eines gaschromatographischen (GC-)Instruments, eines flüssigchromatographischen (LC-)Instruments, eines Kapillar-Elektrophorese-(CE-)Instruments, eines Kapillar-Elektrochromatographie-(CEC-)Instruments oder dergleichen zugeordnet sein. Die Probenquelle 108 kann auch einem mikrofluidischen oder nanofluidischen Chip zugeordnet sein, wie er beispielsweise in der U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2007/0221839 oder in dem U.S.-Patent Nr. 5,658,413 , deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, offenbart ist. Der Fluss des Probenmaterials zu der API-Vorrichtung 104 kann durch jegliches Mittel bewirkt werden, beispielsweise durch Pumpen, Kapillarwirkung oder eine elektrisch unterstützte Technik.
Die API-Vorrichtung 104 ist eine Ionenquelle, die dazu konfiguriert ist, Analytionen 120 aus dem von der Probenquelle 108 empfangenen Probenstrom 116 zu erzeugen und die erzeugten Ionen 120 in das Massenspektrometer 112 zu lenken. Nicht-einschränkende Beispiele der API-Vorrichtung 104 werden nachstehend näher beschrieben, insbesondere im Zusammenhang mit ein geringes Fließvermögen aufweisenden Elektrospray-Ionisation und Nanoelektrospray-Ionisation (oder „Nanospray”-Ionisation), aber nicht beschränkt auf diese. Das MS-System 100 umfasst zusätzlich eine Trocknungsgasquelle 124 zum Liefern eines Stroms 128 von Trocknungsgas an die API-Vorrichtung 104. Die Trocknungsgasquelle 124 kann eine Heizeinrichtung 132 zum Erhitzen des Trocknungsgases auf eine gewünschte Temperatur umfassen, die bei manchen Implementierungen gemäß einem vorbestimmten Temperaturprofil variiert werden kann. Das Trocknungsgas kann ein beliebiges chemisch inertes Gas sein, das zur Verwendung bei API geeignet ist, wobei einige wenige nicht-einschränkende Beispiele Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Argon (Ar) sind. In Abhängigkeit von der jeweiligen Implementierung kann die Trocknungsgasquelle 124 als Bestandteil der API-Vorrichtung 104 angesehen werden.
Das Massenspektrometer 112 umfasst allgemein einen Massenanalysator 136 und einen Ionendetektor 140. Der Massenanalysator 136 kann eine beliebige Einrichtung sein, die dazu konfiguriert ist, Analytionen auf der Basis ihrer jeweiligen Masse zu trennen, zu sortieren oder zu filtern. Beispiele von Massenanalysatoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, mehrpolige Elektrodenstrukturen, Ionenfallen, Flugzeit-Komponenten (TOF-Komponenten, TOF = time of flight), elektrostatische Analysatoren (ESAs – electrostatic analyzers) und magnetische Sektoren. Der Ionendetektor 140 kann eine beliebige Einrichtung sein, die dazu konfiguriert ist, den Fluss (oder Strom) von nach Masse unterschiedenen Ionen 144, die aus dem Massenanalysator 136 ausgegeben werden, zu sammeln und zu messen. Beispiele von Ionendetektoren umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Elektronenvervielfacher, Photovervielfacher und Faraday-Becher.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Zusammensetzung des Probenmaterials, der Art und Weise, auf die das Probenmaterial der API-Vorrichtung 104 bereitgestellt wird, oder jeglichen bestimmten Parametern wie z. B. der Strömungsrate, dem Druck und der Viskosität allgemein keine Einschränkung auferlegt, wenn nichts anderes angegeben ist. Bei einer typischen Implementierung ist das der API-Vorrichtung 104 bereitgestellte Probenmaterial vorwiegend ein Fluid, das vorwiegend in der flüssigen Phase vorliegt. Beispielsweise kann das Probenmaterial eine Matrix sein, bei der Analytkomponenten (d. h. interessierende Moleküle) anfänglich in einem oder mehreren Lösungsmitteln gelöst oder durch andere Arten von Mobilphasenkomponenten getragen werden. Zusätzlich zu Lösungsmitteln können auch andere nicht-analytische Komponenten (das heißt Komponenten, für die keine Analyse gewünscht wird und/oder eine Einbringung in das Massenspektrometer 112 allgemein nicht gewünscht wird) vorliegen, beispielsweise Bindemittel, Puffer, Zusatzstoffe, Dotierungsmittel oder dergleichen. Je nach der Lage eines gegebenen Teils an Probenmaterial in der API-Vorrichtung 104 oder nach dem Verfahrensabschnitt, in dem die Ionisation auftritt, kann das Probenmaterial vorwiegend lediglich Ionen oder Ionen in Kombination mit anderen Komponenten wie beispielsweise geladenen und/oder neutralen Tröpfchen, geladenem und/oder neutralem Dampf, Gas oder dergleichen aufweisen. Demgemäß kann der Begriff „Probenmaterial” oder „Probe”, wie er hierin verwendet wird, allgemein als fließendes Material bezeichnet werden, das Analyten umfasst, die in der Lage sind, in einer API-Vorrichtung ionisiert zu werden, und das ansonsten nicht durch eine bestimmte Phase, Form oder Zusammensetzung eingeschränkt ist.
2 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung 200, die bei einem analytischen System wie z. B. dem in 1 veranschaulichten MS-System 100 verwendet werden kann. Die API-Vorrichtung 200 umfasst allgemein ein Gehäuse 202, das eine Ionisationskammer (bzw. Kammer) 204 einschließt. Die API-Vorrichtung 200 umfasst auch eine Ionisationseinrichtung, die eine Probenausgabevorrichtung 208 umfasst, die in der Ionisationskammer 204 angeordnet ist (in derselben positioniert ist oder sich in dieselbe hinein erstreckt), um einen Probenstrom auszugeben. Bei den hierin gelehrten Implementierungen kann der Probenstrom austauschbar auch als Säule, Strahl oder Spray bezeichnet werden, wobei dem Grad der Divergenz (falls vorhanden) des Probenstroms oder der Menge, der Größe oder der Verteilung von Flüssigkeitströpfchen und Gasdämpfen in dem Probenstrom keinerlei Einschränkung auferlegt wird. Die API-Vorrichtung 200 umfasst ferner in der Ionisationskammer 204 positionierte Elektroden zum Erzeugen elektrostatischer Felder, die dahin gehend fungieren, Ionen aus dem Probenstrom zu extrahieren, extrahierte Ionen hin zu einem Ioneneinlass 212 vorzuspannen, der zu einem Massenspektrometer 112 (1) führt, oder beides. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfassen die Elektroden eine Primärelektrode 216 und eine Nebenelektrode 220. Es können zusätzliche Elektroden vorgesehen sein, einschließlich elektrisch leitfähiger Innenoberflächen und anderer in der Ionisationskammer 204 angeordneter struktureller Komponenten. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfasst die Primärelektrode 216 auch den Ioneneinlass 212, der zu dem Massenspektrometer 112 führt.
Im Betrieb wird eine Spannung an die Probenausgabevorrichtung 208 angelegt, um das durch die Probenausgabevorrichtung 208 strömende Probenmaterial aufzuladen. Jeweilige Spannungen werden auch an die Primärelektrode 216 und die Nebenelektrode 220 angelegt, um elektrostatische Felder gewünschter räumlicher Verteilungen und Polaritäten zu erzeugen. Das Anlegen von Spannungen ist in 2 schematisch durch Spannungsquellen 224, 226, 228 gezeigt, die mit der Probenausgabevorrichtung 208, der Primärelektrode 216 bzw. der Nebenelektrode 220 in Signalkommunikation stehen. Die Spannungsquellen 224, 226, 228 sind üblicherweise Gleichspannungsquellen (DC-Spannungsquellen, DC = direct-current, Gleichstrom) (oder gleichgerichtete Äquivalente von Gleichspannungsquellen). Der Art der verwendeten Spannungsquellen 224, 226, 228 wird allgemein keine Einschränkung auferlegt, ebenso wenig wie eingeschränkt wird, ob die einzelnen Spannungsquellen 224, 226, 228 gesonderte Komponenten oder Bestandteil eines einzelnen Moduls sind, das zum Anlegen ausgewählter Spannungen an verschiedene Elektroden konfiguriert ist. Die Einrichtungen, die zum Anlegen von Spannungen an elektrisch leitfähige Komponenten von Ionenquellen verwendet werden, können von Fachleuten ohne weiteres ermittelt werden.
Die API-Vorrichtung 300 eines bekannten Entwurfs wird mm unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben, um das Verständnis des hierin gelehrten Gegenstands zu erleichtern. 3 ist eine Querschnittsansicht der bekannten API-Vorrichtung 300. Die API-Vorrichtung 300 umfasst ein (nicht gezeigtes) Gehäuse, das eine Ionisationskammer 304 einschließt. Die API-Vorrichtung 300 befindet sich neben einem Massenspektrometer 312. Eine oder mehrere Innenwände 310 in dem Gehäuse isolieren die evakuierten Regionen des Massenspektrometers 312 auf fluidische Weise von der Ionisationskammer 304. Eine Probenausgabevorrichtung 308 ist in der Ionisationskammer 304 positioniert und kommuniziert mit einer (nicht gezeigten) Probenquelle. Durch die Probenquelle bereitgestelltes Probenmaterial strömt durch die Probenausgabevorrichtung 308. Die Probenausgabevorrichtung 308 wird durch eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle mit Energie versorgt, wodurch Komponenten des Probenmaterials aufgeladen werden, während es durch die Probenausgabevorrichtung 308 strömt. Das Probenmaterial wird in Form eines Probensprays, das eine Mischung aus geladenen und neutralen Komponenten enthält, aus der Spitze der Probenausgabevorrichtung 308 ausgebracht. Bei der spezifisch veranschaulichten Konfiguration kann das Probenmaterial bei einer niedrigen Strömungsrate aus der Probenausgabevorrichtung 308 ausgebracht werden. Somit kann das Probenspray als ein geringes Fließvermögen aufweisendes Elektrospray für Strömungsrateen von 20 μL oder weniger oder ein Nanoelektrospray (oder „Nanospray”) für Strömungsrateen von 5 μL oder weniger bezeichnet werden.
Die API-Vorrichtung 300 umfasst ferner eine Ioneneinlassstruktur 316 und eine in der Ionisationskammer 304 positionierte Nebenelektrode 320. Die Ioneneinlassstruktur 316 dient als Primärelektrode zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in der Ionisationskammer 304 und befindet sich zu diesem Zweck in Signalkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle. Die Nebenelektrode 320 befindet sich ebenfalls in Signalkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle. Im Betrieb werden Spannungspotentiale zwischen der Probenausgabevorrichtung 308 und der Ioneneinlassstruktur 316 und zwischen der Probenausgabevorrichtung 308 und der Nebenelektrode 320 eingerichtet. In einem typischen Fall weisen die an die Probenausgabevorrichtung 308, die Ioneneinlassstruktur 316 und die Nebenelektrode 320 angelegten Spannungen eine negative Polarität auf, um positive Ionen anzuziehen. Jedoch wird man verstehen, dass positive Spannungen verwendet werden können, um negative Ionen anzuziehen. Die Ioneneinlassstruktur 316 und die Nebenelektrode 320 sind einander zugewandt und durch eine Ionisationsregion 336 getrennt. Die Probenausgabevorrichtung 308 ist dahin gehend orientiert, das Probenspray in die Ionisationsregion 336 zu lenken, wo es mit einem elektrostatischen Feld beaufschlagt wird, das eine ausreichende Stärke aufweist, um Analytionen aus dem Probenspray zu extrahieren. Die Ioneneinlassstruktur 316 umfasst eine Probenahmeöffnung (oder einen Ioneneinlass) 340, die (bzw. der) der Ionisationskammer 304 zugewandt ist, und eine Probenahmebohrung 342, die mit der Probenahmeöffnung 340 kommuniziert. Die Höhe der an die Ioneneinlassstruktur 316 angelegten Spannung ist höher als die Höhe der an die Probenausgabevorrichtung 308 bzw. die Nebenelektrode 320 angelegten Spannung, wodurch Ionen zu der Probenahmeöffnung 340 hin vorgespannt werden. Die Probenahmebohrung 342 kommuniziert wiederum mit einer Kapillare 346, die sich durch die Innenwand 310 hindurch in das Massenspektrometer 312 erstreckt. Die Kapillare 346 kann eine oder mehrere Kapillarbohrungen 348 umfassen. Somit strömen Ionen, die durch die Probenahmeöffnung 340 gelangen, über die Kapillarbohrung(en) 348 durch die Probenahmebohrung 342 und in die evakuierten Regionen des Massenspektrometers 312.
Die API-Vorrichtung 300 umfasst ferner einen Gasdurchgang 352, der einen Trocknungsgasfluss 328 von einer geeigneten (nicht gezeigten) Trocknungsgasquelle empfängt. Der Gasdurchgang 352 endet an einem Gasauslass 354 in der Ionisationskammer 304. Von der Trocknungsgasquelle verläuft der Weg des Trocknungsgases durch eine Öffnung der Innenwand 310 hindurch und aus dem Gasauslass 354 heraus. Der Gasauslass 354 stellt üblicherweise eine einzelne Öffnung, wie veranschaulicht, oder zwei Öffnungen dar. Die Geschwindigkeit des Trocknungsgases in der bekannten API-Vorrichtung 300, während das Trocknungsgas in die Ionisationskammer 304 eintritt, liegt üblicherweise im Bereich von 5 m/s bis 15 m/s, wobei 15 m/s üblich ist. Wie oben erwähnt wurde, steuern bekannte API-Vorrichtungen wie z. B. die in 3 veranschaulichte die Geschwindigkeit (bzw. die Strömungsrate) oder die Richtung des Trocknungsgases, während es in die Ionisationskammer 304 eintritt, nicht ausreichend, wodurch eine übermäßige Turbulenz in und eine ungleichmäßige und unzureichende Erhitzung der Ionisationskammer 304 bewirkt wird. Außerdem ist die Nebenelektrode 320 üblicherweise als einfacher Zylinder geformt, der eine Endoberfläche 358, die der Ioneneinlassstruktur 316 zugewandt ist, und eine laterale Oberfläche 360, die an einer scharfen Kante an die Endoberfläche 358 angrenzt, aufweist. Wie veranschaulicht ist, kann die Grenzflächenregion zwischen der Endoberfläche 358 und der lateralen Oberfläche 360 angeschrägt sein, um einen Gasfluss um die Nebenelektrode 320 herum zu verbessern, die angeschrägte Geometrie liefert jedoch zusätzliche scharfe Kanten. Somit ist der Teil des Trocknungsgases, der um die Nebenelektrode 320 herum (und somit nahe bei dem Probenspray) fließt, wobei dieser Teil in 3 mit 364 bezeichnet wird, äußerst turbulent und weist eine hohe Geschwindigkeit auf. Wie ebenfalls oben erwähnt wurde, tritt im Betrieb eine konische, einen niedrigen Druck aufweisende Gasstagnationszone 366 vor der Nebenelektrode 320 auf, in der wenig oder kein Gas fließt. Die Stagnationszone 366 bewegt sich in Wellen in das Probenspray hinein und aus demselben heraus und stabilisiert folglich das Probenspray. Überdies wird das Trocknungsgas nicht gelenkt, um die Ionisationskammer 304 gleichmäßig zu erhitzen. Folglich erhält die bekannte API-Vorrichtung 300 nicht ein stabiles, einheitliches Probenspray oder eine gleichmäßig erhitzte Umgebung aufrecht, das bzw. die die Erzeugung von Ionen hoher Masse fördern würde. Wie ebenfalls oben erwähnt wurde, ermöglicht das instabile Probenspray, dass nicht-analytische Tröpfchen und Luft/Sauerstoff in das Massenspektrometer 312 eintreten.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung 400 gemäß einer hierin gelehrten Implementierung. Die API-Vorrichtung 400 umfasst ein Gehäuse 402, das eine oder mehrere Innenoberflächen (z. B. 468, 470, 472) umfasst, die eine Ionisationskammer 404 einschließen. Die API-Vorrichtung 400 befindet sich neben einem Massenspektrometer 412. Eine oder mehrere Innenwände 410 in dem Gehäuse 402 trennen das Massenspektrometer 412 von der Ionisationskammer 404 und definieren mit der bzw. den Innenoberfläche(n) (z. B. 468, 470, 472) auf zusammenwirkende Weise die Ionisationskammer 404. Eine Probenausgabevorrichtung 408 ist in der Ionisationskammer 404 positioniert und kann sich in Position für eine Fluidkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Probenquelle befinden und in Signalkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle stehen. Das Probenmaterial wird als elektrisch geladener Probenstrom (bzw. als elektrisch geladene(r, s) Probensäule, Probenstrahl oder Probenspray), der (bzw. die bzw. das) ein Gemisch aus geladenen und neutralen Komponenten enthält, aus der Spitze der Probenausgabevorrichtung 408 ausgebracht. Bei manchen Implementierungen ist das Probenmaterial ein ein geringes Fließvermögen aufweisendes Elektrospray, das mit einer Strömungsrate von 20 μl/min oder weniger aus der Probenausgabevorrichtung 408 ausgebracht wird, oder ein Nanospray, das mit einer Strömungsrate von 5 μl/min oder weniger aus der Probenausgabevorrichtung 408 ausgebracht wird, oder ein Nanospray, mit einer Strömungsrate von 1 μl/min oder weniger aus der Probenausgabevorrichtung 408 ausgebracht wird. Bei diesen ein geringes Fließvermögen aufweisenden Implementierungen kann der Innendurchmesser der Probenausgabevorrichtung 408 im Bereich von beispielsweise 700 nm bis 35.000 nm (0,7 μm bis 35 μm) liegen.
Die API-Vorrichtung 400 umfasst ferner eine Ioneneinlassstruktur 416 und eine Nebenelektrode 420, die in der Ionisationskammer 404 positioniert sind. Zu Referenzzwecken kann die Ioneneinlassstruktur 416 als auf einer Probenahmeachse 406 befindlich bezeichnet werden. Im vorliegenden Beispiel befindet sich die Nebenelektrode 420 ebenfalls auf der Probenahmeachse 406. Bei anderen Implementierungen kann die Nebenelektrode 420 von der Probenahmeachse 406 versetzt (jedoch allgemein parallel zu derselben) sein oder in einem Winkel zu der Probenahmeachse 406 positioniert sein. Die Ioneneinlassstruktur 416 steht in Signalkommunikation mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle und fungiert als Primärelektrode zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes. Spannungspotentiale werden zwischen der Probenausgabevorrichtung 408 und der Ioneneinlassstruktur 416 und zwischen der Probenausgabevorrichtung 408 und der Nebenelektrode 420 eingerichtet. Die resultierenden elektrostatischen Felder extrahieren Ionen aus dem Probenstrom. Die Ioneneinlassstruktur 416 und die Nebenelektrode 420 sind einander zugewandt und sind über eine axiale Entfernung (entlang der Probenahmeachse 406, die aus der Perspektive der 4 horizontal ist) durch einen Zwischenraum, der als Ionisationsregion (oder Ionisationszone) 436 bezeichnet werden kann, voneinander getrennt. Die Spitze (der Auslass) der Probenausgabevorrichtung 408 kann in einem geringen Abstand über der Ionisationsregion 436 und in einer dazwischenliegenden axialen Position relativ zu der Ioneneinlassstruktur 416 und der Nebenelektrode 420 angeordnet sein. Die Probenausgabevorrichtung 408 (oder zumindest die Spitze der Probenausgabevorrichtung 408) ist dahin gehend orientiert, den Probenstrom in die Ionisationsregion 436 zu lenken. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die Probenausgabevorrichtung 408 orthogonal (90 Grad) zu der Probenahmeachse 406 orientiert. Allgemeiner gesagt kann die Probenausgabevorrichtung 408 im Wesentlichen orthogonal (90 ± 20 Grad) zu der Probenahmeachse 406 sein, während die Probenausgabevorrichtung 408 bei anderen Implementierungen in einem größeren Winkel relativ zu der Probenahmeachse 406 orientiert sein kann.
Die an die Ioneneinlassstruktur 416 angelegte Spannung kann beispielsweise im Bereich von 100 V bis 6.000 V liegen. Die an die Nebenelektrode 420 angelegte Spannung kann beispielsweise im Bereich von 100 V bis 1.000 V geringer sein als die an die Ioneneinlassstruktur 416 angelegte Spannung. Die elektrostatischen Felder, die sich aus dem Anlegen von Spannungen dieser Größen ergeben, ermöglichen – wenn sie mit der geringen Strömungsrate des Probenmaterials aus der Probenausgabevorrichtung 408 gekoppelt sind – dass Ionen direkt von der Oberfläche des aus der Probenausgabevorrichtung 408 austretenden Probenstroms extrahiert werden. Bei dieser Konfiguration wurde beobachtet, dass der Großteil der Ionen an oder in der Nähe der Spitze der Probenausgabevorrichtung 408 freigesetzt wurde.
Die Ioneneinlassstruktur 416 umfasst eine Probenahmeöffnung (oder einen Ioneneinlass) 440, die (bzw. der) der Ionisationskammer 436 zugewandt ist und koaxial zu der Probenahmeachse 406 ist. Somit gelangen Analytionen entlang der Probenahmeachse 406 durch die Probenahmeöffnung 440 hindurch. Die Ioneneinlassstruktur 416 umfasst ferner eine Probenahmebohrung 442, die mit der Probenahmeöffnung 440 kommuniziert und sich durch einen Körper der Ioneneinlassstruktur 416 hindurch erstreckt. Die Probenahmebohrung 442 kommuniziert wiederum mit einer Ionentransporteinrichtung, die sich durch die Innenwand 410 hindurch in das Massenspektrometer 412 erstreckt. Die Ionentransporteinrichtung kann eine beliebige Komponente oder Kombination von Komponenten sein, die zum Transportieren von Ionen aus der Atmosphärendruck-Ionisationskammer 404 in die evakuierte Region des Massenspektrometers 412 geeignet ist bzw. sind. Demgemäß kann die Ionentransporteinrichtung eine oder mehrere Leitungen und/oder Optikeinrichtungen wie z. B. Linsen umfassen. Bei der vorliegenden Implementierung ist oder umfasst die Ionentransporteinrichtung eine Kapillare 446. Die Kapillare 446 kann eine oder mehrere Kapillarbohrungen 448 umfassen. Der Innendurchmesser der Probenahmeöffnung 440 kann derselbe sein wie oder kann geringer oder wesentlich geringer sein als der Innendurchmesser der Probenahmebohrung 442. Die Probenahmeöffnung 440 kann eine einzelne Öffnung sein oder kann eine Anordnung von mehreren Öffnungen sein oder kann ein elektrisch leitfähiges Geflecht oder Sieb (Gitter) zum Begradigen äquipotentieller Feldleitungen umfassen. Der Druckgradient zwischen den Enden der Kapillare 446 kann ausreichend sein, um die Ionen durch die Kapillare 446 zu ziehen, oder die Kapillare 446 kann durch eine Spannung einer geeigneten Höhe und Polarität, die seitens einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle angelegt wird, vorgespannt werden. Die Ioneneinlassstruktur 416 umfasst ferner eine Außenoberfläche 474, die der Ionisationskammer 404 zugewandt ist. Die Außenoberfläche 474 kann die Probenahmeöffnung 440 umfassen – das heißt, die Probenahmeöffnung 440 kann deckungsgleich zu der Außenoberfläche 474 sein, in derselben gebildet sein oder sich durch dieselbe hindurch erstrecken. Die Außenoberfläche 474 fungiert als Primärelektrode und als Sprühschutz.
Die API-Vorrichtung 400 umfasst ferner einen Gasdurchgang 452, der einen Trocknungsgasfluss von einer geeigneten Trocknungsgasquelle (nicht gezeigt) empfängt. Der Gasdurchgang 452 kann durch verschiedene Strukturen gebildet sein und endet an einem Gasauslass 454 in der Ionisationskammer 404. Das Trocknungsgas strömt entlang einem Strömungsweg 428, der allgemein von der Trocknungsgasquelle durch einen Gaseinlass 478 hindurch in den Gasdurchgang 452 und aus dem Gasauslass 454 heraus verläuft. Der Gasdurchgang 452 umfasst einen nach außen gerichteten Abschnitt (oder einen radial gerichteten Abschnitt) 482. Der nach außen gerichtete Abschnitt 482 ist um die Probenahmeachse 406 herum ringförmig oder abgelenkt (swept) und erstreckt sich auch in Auswärtsrichtungen relativ zu der Probenahmeachse 406. In dem vorliegenden Kontext bedeutet der Begriff „Auswärtsrichtungen” oder „radiale Richtungen”, dass der Strömungsweg durch den nach außen gerichteten Abschnitt 482 zumindest eine radiale (orthogonale) Komponente relativ zu der Probenahmeachse 406 aufweist und eine axiale Komponente haben kann, aber nicht muss. Hier wird die axiale Komponente aus der Perspektive der Zeichnungsebene der 4 betrachtet. Das Vorliegen einer nicht null betragenden axialen Komponente bedeutet, dass der nach außen gerichtete Abschnitt 482 in einem nicht neunzig Grad betragenden Winkel relativ zu der Probenahmeachse 406 orientiert ist, d. h. entweder zu der Innenoberfläche 410 des Gehäuses 406 hin oder weg von derselben abgewinkelt ist, wiederum aus der Perspektive der Zeichnungsebene der 4 betrachtet. Der Begriff „Auswärtsrichtungen” oder „radiale Richtungen” bedeutet ferner, dass das Trocknungsgas entlang vieler Radien strömen kann, die von der Probenahmeachse 406 nach außen (oder radial) gerichtet sind. Anhand dieser Konfiguration tritt das Trocknungsgas in den Auswärts-(oder radialen)Richtungen in die Ionisationskammer 404 ein, wonach das Trocknungsgas durch Innenoberflächen des Gehäuses 402, beispielsweise durch eine oder mehrere obere Innenoberflächen (z. B. 468, 470) und eine oder mehrere untere Innenoberflächen (z. B. 472) umgeleitet wird, wie durch Strömungslinien 486 in 4 gezeigt ist. Auch strömt ein Teil des Trocknungsgases entlang oder in unmittelbarer Nähe zu einer Mehrzahl oder allen der Innenoberflächen, die die Ionisationskammer 404 definieren, wodurch er in einen guten thermischen Kontakt mit diesen Innenoberflächen tritt und diese gleichmäßig erhitzt.
Bei der vorliegenden Implementierung umfasst die API-Vorrichtung 400 eine aufgeweitete Struktur 490, die koaxial um die Probenahmeachse 406 und die Ioneneinlassstruktur 416 herum angeordnet ist. Die aufgeweitete Struktur 490 kann an der Ioneneinlassstruktur 416 befestigt sein, wobei die aufgeweitete Struktur 490 in diesem Fall als Bestandteil oder Erweiterung der Ioneneinlassstruktur 416 angesehen werden kann. Die aufgeweitete Struktur 490 umfasst eine Außenoberfläche 492, die zu der Ionisationskammer 404 hin ausgerichtet ist, eine gegenüberliegende Außenoberfläche 494, die zu der Innenwand 410 hin ausgerichtet ist, und einen Rand 496 an dem Übergang zwischen den zwei Außenoberflächen 492 und 494. Die Übergänge zwischen diesen Außenoberflächen 492 und 494 und dem Rand 496 sind glatt oder abgerundet, d. h. ohne scharfe Kanten. Die Außenoberfläche 492, die der Ionisationskammer 404 zugewandt ist, kann ohne einen nennenswerten Zwischenraum oder eine nennenswerte Überhöhung zwischen diesen zwei Außenoberflächen 492 und 472 an die Außenoberfläche 474 der Ioneneinlassstruktur 416 anstoßen, wodurch ein glatter Übergang zwischen den zwei Außenoberflächen 492 und 472 bereitgestellt wird und örtlich begrenzte Turbulenz in diesem Bereich vermieden wird. Die der Ionisationskammer 404 zugewandte Außenoberfläche 492 kann gekrümmt sein. Die Krümmung der Außenoberfläche 492 kann einen oder mehrere Wendepunkte umfassen, die glatt oder abgerundet (d. h. ohne scharfe Kanten) sind. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfasst die Außenoberfläche 492 zwei Wendepunkte entgegengesetzter Vorzeichen, d. h. ein Teil der Außenoberfläche 492 ist konvex, während der andere Teil konkav ist. Die Innenwand 410 und die der Innenwand 410 zugewandte Außenoberfläche 494 können auf zusammenwirkende Weise den ringförmigen, nach außen gerichteten (oder radial gerichteten) Abschnitt 482 des Gasdurchgangs 452 bilden oder definieren. Der Gasauslass 454 des Gasdurchgangs 452 befindet sich zwischen dem Rand 496 und der Innenwand 410 und ist eine ringförmige Mündung. Bei dem veranschaulichten Beispiel erstreckt sich die aufgeweitete Struktur 490 in einem Winkel zu der Innenwand 410 hin, d. h. die Auswärtsrichtung weist in diesem Fall sowohl eine radiale Komponente als auch eine axiale Komponente auf. Folglich verjüngt sich die Strömungsquerschnittfläche des ringförmigen, nach außen gerichteten Abschnitts 482 des Gasdurchgangs 452 nach unten hin, bis sie an dem Gasauslass 454 endet.
Auch bei der in 4 veranschaulichten Implementierung umfasst die API-Vorrichtung 400 einen Gasverteiler 502, der koaxial um die Probenahmeachse 406 herum angeordnet ist und einen Teil des Gasdurchgangs 452 bildet. Der Gasverteiler 502 umfasst einen ringförmigen ausgefüllten Raum 504, der mit der Trocknungsgasquelle kommuniziert, und eine Mehrzahl von in einer Wand des ausgefüllten Raums 504 gebildeten radialen Löchern 506. Die radialen Löcher 506 sind um die Probenahmeachse 406 herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und kommunizieren mit dem nach außen gerichteten Abschnitt 482 des Gasdurchgangs 452. Bei manchen nicht-einschränkenden Beispielen liegt die Anzahl radialer Löcher 506 im Bereich von 10 bis 30. Bei manchen nicht-einschränkenden Beispielen liegt der Innendurchmesser jedes radialen Lochs 506 im Bereich von 1 mm bis 5 mm. Bei manchen Implementierungen unterscheidet sich der Innendurchmesser eines oder mehrerer der radialen Löcher 506 von dem Innendurchmesser der anderen radialen Löcher 506. Die radialen Löcher 506 gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung des Trocknungsgases in den nach außen gerichteten Abschnitt 482 und unterstützen ein Verringern der Geschwindigkeit des Trocknungsgases. Auch bei dem vorliegenden Beispiel umfasst die API-Vorrichtung 400 ferner eine Leitung, die als Gaseinlass 478 dient und sich an der Innenwand 410 befindet. Die Rückseite (die von der Ionisationskammer 404 abgewandte Seite) der Ioneneinlassstruktur 416 umfasst eine ringförmige Aussparung 510, die koaxial zu der Probenahmeachse 406 ist. Der Gaseinlass 478 umfasst bei diesem Beispiel eine zylindrische Struktur, die sich in die ringförmige Aussparung 510 hinein erstreckt. Demgemäß verläuft der Strömungsweg des Trocknungsgases bei diesem Beispiel von der Trocknungsgasquelle durch eine Struktur 514 des Massenspektrometers 412 hindurch, durch den Gaseinlass 478 hindurch und in die ringförmige Aussparung 510 hinein zu der Rückseite der Ioneneinlassstruktur 416. Da sich der Gaseinlass 478 in die ringförmige Aussparung 510 hinein erstreckt, nimmt der Strömungsweg des Trocknungsgases eine Biegung und verläuft dann von der ringförmigen Aussparung 510 aus durch den ausgefüllten Raum 504, durch die radialen Löcher 506, durch den nach außen gerichteten Abschnitt 482 und durch den Gasauslass 454 in die Ionisationskammer 404 hinein.
Infolge der Konfiguration des Gasdurchgangs 452 strömt das Trocknungsgas bei niedriger Geschwindigkeit in die Ionisationskammer 404, strömt mit geringer Turbulenz durch die Ionisationskammer 404, gelangt in einen guten thermischen Kontakt mit den Innenoberflächen des Gehäuses 402 und verteilt gleichmäßig Wärmeenergie an die Ionisationskammer 404, wie durch Strömungslinien 486 in 4 schematisch gezeigt ist. In dem vorliegenden Kontext kann die niedrige Geschwindigkeit des den Gasauslass 454 verlassenden Trocknungsgases allgemein im Bereich von 5 m/s bis 15 m/s liegen. Bei Implementierungen, die ein ein geringes Fließvermögen aufweisendes Elektrospray oder Nanospray beinhalten, kann die niedrige Geschwindigkeit des den Gasauslass 454 verlassenden Trocknungsgases im Bereich von 0,01 m/s bis 1,0 m/s liegen. Bei manchen Implementierungen kann die niedrige Geschwindigkeit des den Gasauslass 454 verlassenden Trocknungsgases im Bereich von 0,01 m/s bis 0,5 m/s liegen. Der Gasdurchgang 452 kann dazu konfiguriert sein, die Strömung des Trocknungsgases von einer anfänglich hohen Geschwindigkeit in Strömungsrichtung (z. B. an dem Gaseinlass 478 oder dem Auslass der Trocknungsgasquelle) bis zu der langsamen Geschwindigkeit zu verlangsamen. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des Trocknungsgases, während es durch den Gaseinlass 478 gelangt, im Bereich von 5 m/s bis 15 m/s liegen. Außerdem stellte man fest, dass die verbesserte Strömung des Trocknungsgases die Durchschnittstemperatur des Volumens der Ionisationskammer 404 um etwa 20°C erhöht. Bei manchen Implementierungen liegt die Durchschnittstemperatur des Volumens der Ionisationskammer 404 während des Betriebs im Bereich von 10°C bis 125°C. Die erhöhte Temperatur verbessert die Sensibilität des Massenspektrometers 412, insbesondere bezüglich Ionen mit hoher Masse. Die geringen Gasgeschwindigkeiten verringern die Turbulenz und führen zur Erzeugung eines einheitlichen, konstanten Probenstroms. Folglich kann die Intensität des erfassen Ionensignals sogar um beispielsweise das Fünffache erhöht werden.
Wie ebenfalls in 4 veranschaulicht ist, ist durch die Nebenelektrode 420 hindurch eine Elektrodenbohrung 518 gebildet. Bei den vorliegenden Implementierungen ist die Elektrodenbohrung 518 eine axiale Bohrung, die koaxial zu der Probenahmeachse 406 ist. Wie durch die Strömungslinien angegeben ist, ist Trocknungsgas in der Ionisationskammer 404 in der Lage, durch die Elektrodenbohrung 518 zu fließen. Im Einzelnen wird das Trocknungsgas auf Grund eines Druckgradienten in der Richtung der Ionisationsregion 436 durch die Elektrodenbohrung 518 gezogen. Das heißt, das Trocknungsgas strömt von der Rückseite der Elektrodenbohrung 518 zu der Vorderseite (die der Ionisationsregion 436 zugewandt ist) der Elektrodenbohrung 518. Folglich wird die oben beschriebene, sich in Wellen bewegende Stagnationszone 366 (3), die sich in bekannten API-Vorrichtungen wie beispielsweise der in 3 veranschaulichten entwickelt, eliminiert, wodurch Turbulenz in dem Probenstrom in der Ionisationsregion 436 stark verringert oder eliminiert wird und verhindert wird, dass nicht-analytische Tröpfchen in das Massenspektrometer 412 eintreten. Außerdem kann die Nebenelektrode 420 ohne scharfe Kanten, Ecken oder andere abrupte geometrische Merkmale konfiguriert sein, was ebenfalls zur Verringerung oder Eliminierung von Turbulenz beiträgt. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die Nebenelektrode 420 (oder zumindest der Abschnitt der Nebenelektrode 420, der nahe bei der Ionisationsregion 436 liegt) allgemein zylindrisch, wobei eine Endoberfläche 458 der Ionisationsregion 436 zugewandt ist und eine laterale Oberfläche 460 koaxial zu der Probenahmeachse 406 ist. Eine abgerundete, ringförmige Region 520 grenzt mit der lateralen Oberfläche 460 derart an die Endoberfläche 458 an, dass die Nebenelektrode 420 in der Nähe der Ionisationsregion 436 keine scharfen Kanten aufweist.
Wie aus dem Vorstehenden offensichtlich wird, kann die API-Vorrichtung 400 eines oder mehrere der folgenden Attribute erzielen: das Trocknungsgas kann bei einer niedrigen Strömungsrate (und -geschwindigkeit) von dem Gasauslass 454 in die Ionisationskammer 404 strömen; der Gasdurchgang 452 kann die Geschwindigkeit des Trocknungsgases von einer relativ hohen anfänglichen Geschwindigkeit in Strömungsrichtung vor dem Gasdurchgang 452 zu einer niedrigen Geschwindigkeit an dem Gaseinlass 478 verringern; das Trocknungsgas kann über einen thermischen Kontakt mit der Rückseite der Ioneneinlassstruktur 416 eine kontinuierliche Wärmeübertragung an den festen Abschnitt der Ioneneinlassstruktur 416 bereitstellen, um die Ioneneinlassstruktur 416 auf einer erhöhten Temperatur zu halten, die die Ionenverdampfung fördert; das Trocknungsgas kann in einer Richtung, die von der Probenahmeöffnung 440 weg umgeleitet wird, in die Ionisationskammer 404 ausgebracht werden, und es wird kein Gegenstromgas benötigt, um Tröpfchen von der Probenahmeöffnung 440 fern zu halten; auf eine Ausbringung aus dem Gasauslass 454 hin kann das Trocknungsgas gleichmäßig durch die Ionisationskammer 404 verteilt werden, um das Volumen in der gesamten Ionisationskammer 404 und ihren verschiedenen Innenoberflächen gleichmäßig zu erhitzen; auf eine Ausbringung aus dem Gasauslass 454 hin kann das Trocknungsgas bei geringer Geschwindigkeit und mit beträchtlich verringerter Turbulenz durch die Ionisationskammer 404 strömen; und in der Ionisationsregion 436 zwischen der Ioneneinlassstruktur 416 und der Nebenelektrode 420 kann eine aerodynamisch ruhige Zone erzeugt werden, die die Sammlung von Analytionen aus dem Probenstrom verbessert, wobei keine sich in Wellen bewegende Stagnationszone existiert, die den Probenstrom stören würde.
Außerdem hat man bei bekannten API-Vorrichtungen wie beispielsweise der in 3 gezeigten festgestellt, dass die Stärke des elektrostatischen Feldes bei zumindest einem Teil des Probensprays zu hoch ist. Die übermäßig hohe Feldstärke erhöht die Raumladungsdichte in dem Probenspray und erhöht folglich die Feinverteilung der Ionen, was wiederum die Ionenmenge, die gesammelt und in die Probenahmeöffnung 340 gezogen werden soll, verringert. Im Vergleich dazu liefert eine Ionenquelle, die wie bei dem Beispiel der in 4 gezeigten API-Vorrichtung 400 implementiert ist, ein stärker optimiertes elektrostatisches Feld. Die Elektrodenbohrung 518 hat den Effekt, die Stärke des elektrischen Feldes in einem Teil des Probenstroms vor der Nebenelektrode 420 zu verringern. Diese verringerte Feldstärke senkt die Raumladungsdichte, was ermöglicht, dass mehr Ionen in die Kapillare 446 eintreten, indem die Feinverteilung, die durch ein Feld einer höheren Stärke bewirkt würde, verringert wird.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer API-Vorrichtung 500, wie sie hierin offenbart ist, gemäß einer anderen Implementierung. Bei dieser Implementierung umfasst die Ionentransporteinrichtung mehrere Kapillarbohrungen 548. Die Kapillarbohrungen 548 können wie bei dem veranschaulichten Beispiel in Umfangsrichtung um die Probenahmeachse 406 herum angeordnet sein. Der Innendurchmesser der Probenbohrung 442 ist groß genug, um eine gleichzeitige Fluidkommunikation mit allen Kapillarbohrungen 548 zu gewährleisten. Der Innendurchmesser der Probenahmeöffnung 440 kann derselbe sein wie der oder kann geringer oder wesentlich geringer sein als der Innendurchmesser der Probenahmebohrung 442. Die Probenahmeöffnung 440 kann eine einzelne Öffnung sein oder kann eine Anordnung mehrerer Öffnungen sein oder kann ein elektrisch leitfähiges Geflecht oder Sieb (Gitter) zum Begradigen äquipotentieller Feldleitungen umfassen. Die API-Vorrichtung 500 kann ansonsten genauso wie oder ähnlich wie die oben beschriebene und in 4 veranschaulichte API-Vorrichtung 400 konfiguriert sein.
Der vorliegende Gegenstand wurde oben vorwiegend im Kontext von ESI und insbesondere ein geringes Fließvermögen aufweisenden Elektrospray- und Nanospraytechniken beschrieben. Jedoch versteht es sich, dass ein(e) oder mehrere Komponenten oder Merkmale der hierin beschriebenen API-Vorrichtung 400 oder 500 in Verbindung mit anderen API-Techniken wie z. B. APCI, APPI, APLI und AP-MALDI verwendet werden können. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl die oben beschriebenen Implementierungen vorwiegend im Zusammenhang mit MS präsentiert wurden, die breiten Aspekte des Gegenstands auf andere Arten analytischer Instrumente oder, allgemeiner gesagt, auf jeglichen Prozess, der die Erzeugung von Ionen aus fließendem Probenmaterial bei Atmosphärendruck beinhaltet, anwendbar sein können.
Allgemein werden Begriffe wie beispielsweise „kommunizieren” und „in ... Kommunikation mit” (beispielsweise: eine erste Komponente „kommuniziert mit” oder „steht in Kommunikation mit” einer zweiten Komponente) hierin verwendet, um eine strukturelle, funktionelle, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehreren Komponenten oder Elementen anzugeben. Als solches soll die Tatsache, dass eine Komponente als mit einer zweiten Komponente kommunizierend bezeichnet wird, nicht die Möglichkeit ausschließen, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente vorhanden sein können und/oder denselben wirksam zugeordnet sein oder mit denselben in Eingriff stehen können.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird man verstehen, dass, wenn eine Schicht (oder ein Film, eine Region, ein Substrat, eine Komponente, eine Einrichtung oder dergleichen) als „auf” oder „über” einer anderen Schicht befindlich bezeichnet wird, diese Schicht direkt oder tatsächlich auf (oder über) der anderen Schicht vorhanden sein kann oder dass auch, alternativ dazu, dazwischen liegende Schichten (z. B. Pufferschichten, Übergangsschichten, Zwischenschichten, Opferschichten, Ätzstoppschichten, Masken, Elektroden, Zwischenverbindungen, Kontakte oder dergleichen) vorliegen können. Eine Schicht, die sich „direkt auf” einer anderen Schicht befindet, bedeutet, dass keine dazwischen liegende Schicht vorhanden ist, wenn nichts anderes angegeben ist. Man wird auch verstehen, dass, wenn eine Schicht als „auf” (oder „über”) einer anderen Schicht befindlich bezeichnet wird, diese Schicht die gesamte Oberfläche der anderen Schicht oder lediglich einen Teil der anderen Schicht bedecken kann. Man wird ferner verstehen, dass Begriffe wie beispielsweise „gebildet auf” oder „angeordnet auf” keinerlei Einschränkungen bezüglich bestimmter Verfahren eines Materialtransports, einer Aufbringung, Herstellung, Oberflächenbehandlung oder physischen, chemischen oder ionischen Verbindung oder Interaktion auferlegen sollen. Der Begriff „dazwischen eingefügt” wird auf ähnliche Weise interpretiert.
Man wird verstehen, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung verändert werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner dient die vorstehende Beschreibung lediglich dem Zweck der Veranschaulichung und nicht dem Zweck der Einschränkung – wobei die Erfindung durch die Patentansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5658413 [0047]

Claims

Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400), die folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuse (402), das eine Kammer (404) aufweist; eine Ioneneinlassstruktur (416), die eine Probenahmeöffnung (440) aufweist, die koaxial zu einer Probenahmeachse (406) ist und mit der Kammer (404) kommuniziert; eine Elektrode (420), die eine Elektrodenbohrung (518) aufweist und von der Ioneneinlassstruktur (416) beabstandet ist, wobei zwischen der Ioneneinlassstruktur (416) und der Elektrode (420) eine Ionisationsregion (436) definiert ist; eine aufgeweitete Struktur (490), die koaxial um die Ioneneinlassstruktur (416) herum angeordnet ist und sich entlang einer Auswärtsrichtung erstreckt, die eine radiale Komponente relativ zu der Probenahmeachse (406) umfasst; eine Probenausgabevorrichtung (408), die in der Kammer (404) angeordnet ist und in einem Winkel zu der Probenahmeachse (406) orientiert ist, um einen Probenstrom zu der Ionisationsregion (436) hin zu lenken; und einen Gasdurchgang (452), der dazu konfiguriert ist, einen Gasstrom von einer Gasquelle zu der Kammer (404) zu lenken, wobei die aufgeweitete Struktur (490) einen Abschnitt (482) des Gasdurchgangs (452) bildet, wobei sich der Abschnitt (482) ringförmig um die Probenahmeachse (406) herum und entlang der Auswärtsrichtung erstreckt und das Gas durch den Abschnitt (482) hindurch, um die aufgeweitete Struktur (490) herum und hin zu der Ionisationsregion (436) und der Elektrodenbohrung (518) strömt.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 1, bei der der Gasdurchgang (452) einen Gasverteiler (502), wobei der Gasverteiler (502) einen ausgefüllten Raum (504) aufweist, der koaxial zu der Probenahmeachse (406) ist und mit der Gasquelle kommuniziert, und eine Mehrzahl von Auslässen (506), die um die Probenahmeachse (406) herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und mit dem Abschnitt (482) kommunizieren, aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Elektrode (420) einen zylindrischen Abschnitt aufweist, durch den sich die Elektrodenbohrung (518) erstreckt, wobei der zylindrische Abschnitt eine der Ionisationsregion (436) zugewandte Endoberfläche (458), eine zu der Elektrodenbohrung (518) koaxiale laterale Oberfläche (460) und einen ringförmigen Übergang (520) zwischen der Endoberfläche (458) und der lateralen Oberfläche (460) aufweist und der ringförmige Übergang (520) abgerundet ist, wobei der zylindrische Abschnitt frei von scharfen Kanten ist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Innenwand (410) zwischen der Kammer (404) und einer evakuierten Region eines Massenspektrometers (412) angeordnet ist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Ioneneinlassstruktur (416) eine mit der Probenahmeöffnung (440) kommunizierende Probenahmebohrung (442) aufweist und ein Innendurchmesser der Probenahmebohrung (442) größer ist als ein Innendurchmesser der Probenahmeöffnung (440).
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 5, die eine Ionentransporteinrichtung (446) aufweist, wobei die Ionentransporteinrichtung (446) einen mit der Probenahmebohrung (442) kommunizierenden Kanal (448) aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 6, bei der die Ionentransporteinrichtung (446) eine Mehrzahl von mit der Probenahmebohrung (442) kommunizierenden Kanälen (548) aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Spannungsquelle (226) aufweist, die in Signalkommunikation mit der Ioneneinlassstruktur (416) steht und dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das eine räumliche Verteilung und Polarität aufweist, die Ionen einer ausgewählten Polarität zu der Probenahmeöffnung (440) hin anzieht.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine erste Spannungsquelle (226), die in Signalkommunikation mit der Ioneneinlassstruktur (416) steht und zum Anlegen einer Spannung im Bereich von 100 V bis 6000 V konfiguriert ist, und eine zweite Spannungsquelle (228), die in Signalkommunikation mit der Elektrode (420) steht und zum Anlegen einer Spannung konfiguriert ist, die im Bereich von 100 V bis 1000 V geringer ist als die an die Ionen-einlassstruktur (416) angelegte Spannung, aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Elektrodenbohrung (518) koaxial zu der Probenahmeachse (406) ist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die aufgeweitete Struktur (490) eine der Kammer (404) zugewandte erste Außenoberfläche (492) aufweist, die Ioneneinlassstruktur (416) eine der Kammer (404) zugewandte zweite Außenoberfläche (474) aufweist und die erste Außenoberfläche (492) in einem glatten Übergang an die zweite Außenoberfläche (474) anstößt.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die aufgeweitete Struktur (490) eine der Kammer (404) zugewandte Außenoberfläche aufweist und die Außenoberfläche eine Krümmung aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 12, bei der die Krümmung zumindest zwei Wendepunkte entgegengesetzter Vorzeichen aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Auswärtsrichtung, entlang derer sich die aufgeweitete Struktur (490) erstreckt, zusätzlich eine axiale Komponente umfasst, und bei der sich zumindest ein Abschnitt der aufgeweiteten Struktur (490) in einem nicht neunzig Grad betragenden Winkel bezüglich der Probenahmeachse (406) hin zu einer Innenwand (410) des Gehäuses (402) erstreckt.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) im Wesentlichen orthogonal zu der Probenahmeachse (406) orientiert ist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) einen Innendurchmesser im Bereich von 700 nm bis 35.000 nm aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min in die Kammer (404) auszugeben.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min in die Kammer (404) auszugeben.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der der Abschnitt (482) des Gasdurchgangs (452) an einem ringförmigen Gasauslass endet, der mit der Kammer (404) kommuniziert, wobei der ringförmige Gasauslass (454) zwischen einem Rand (496) der aufgeweiteten Struktur (490) und einer Innenwand (410) des Gehäuses (402) definiert ist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, die einen Gaseinlass (478) aufweist, der sich durch eine Innenwand (410) des Gehäuses (402) hindurch erstreckt und mit dem Gasdurchgang (452) kommuniziert.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 20, bei der die Ioneneinlassstruktur (416) eine ringförmige Aussparung (510) aufweist, der Gaseinlass (478) eine sich in die ringförmige Aussparung (510) hinein erstreckende zylindrische Struktur aufweist, und die ringförmige Aussparung (510) und die zylindrische Struktur auf zusammenwirkende Weise eine Gasstrecke definieren, die axial von dem Gaseinlass (478) hin zu der Ioneneinlassstruktur (416) verläuft, woraufhin sie in einem Winkel bezüglich der Probenahmeachse (406) hin zu dem Gasdurchgang (452) verläuft.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 21, bei der der Gasdurchgang (452) einen Gasverteiler (502) aufweist, wobei der Gasverteiler (502) einen mit der ringförmigen Aussparung (510) kommunizierenden ausgefüllten Raum (504) aufweist, und eine Mehrzahl von Auslässen (506) um die Probenahmeachse (406) herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und mit dem Abschnitt (482) kommunizieren.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der der Gasdurchgang (452) dazu konfiguriert ist, den Gasstrom bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 1,0 m/s in die Kammer (404) zu bewegen.
Massenspektrometriesystem (100), das die Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 19 bis 23 aufweist und ferner eine Ionentransporteinrichtung (446), die mit der Probenahmeöffnung (440) kommuniziert und sich durch eine Innenwand (410) des Gehäuses (402) erstreckt, und ein Massenspektrometer (412), das mit der Ionentransporteinrichtung (446) kommuniziert und durch die Innenwand (410) von der Kammer (404) getrennt ist, aufweist.
Massenspektrometriesystem (100) gemäß Anspruch 24, das eine Probenquelle (108) aufweist, die dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min durch die Probenausgabevorrichtung (408) strömen zu lassen.
Massenspektrometriesystem (100) gemäß Anspruch 24, das eine Probenquelle (108) aufweist, die dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min durch die Probenausgabevorrichtung (408) strömen zu lassen.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400), die folgende Merkmale aufweist: eine Probenausgabevorrichtung (408), die dazu konfiguriert ist, einen Probenstrom in eine Ionisationsregion (436) auszubringen, die zwischen einer Ioneneinlassstruktur (416) und einer Nebenelektrode (420) in einer Kammer (404) angeordnet ist; eine Einrichtung, um den Probenstrom mit einem elektrostatischen Feld zu beaufschlagen, indem sie jeweilige Spannungen an die Probenausgabevorrichtung (408), die Ioneneinlassstruktur (416) und die Nebenelektrode (420) anlegt, derart, dass Ionen erzeugt werden und entlang einer Probenahmeachse (406) in die Ioneneinlassstruktur (416) eintreten; und einen Gasdurchgang (452), der dazu konfiguriert ist, ein Trocknungsgas in einer Mehrzahl von radialen Richtungen relativ zu der Probenahmeachse (406) und in Richtung der Ionisationsregion (436) strömen zu lassen, wobei die Nebenelektrode (420) eine Bohrung (518) aufweist, durch die ein Teil des Trocknungsgases strömt.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 27, bei der der Gasdurchgang (452) einen ringförmigen Abschnitt (482) zwischen einer aufgeweiteten Struktur (490) und einer Innenwand (410) der Kammer (404) aufweist, wobei sich die aufgeweitete Struktur (490) koaxial um die Ioneneinlassstruktur (416) herum erstreckt.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 28, bei der der Gasdurchgang (452) einen ausgefüllten Raum (504) und eine Mehrzahl radialer Löcher (506), die mit dem ausgefüllten Raum (504) und mit dem ringförmigen Abschnitt (482) kommunizieren, aufweist, wobei der ausgefüllte Raum (504) und die radialen Löcher (506) koaxial zu der Probenahmeachse (406) sind.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß Anspruch 29, die eine Einrichtung aufweist, um das Trocknungsgas in einen Kontakt mit einer Rückseite der Ioneneinlassstruktur (416) gegenüber der Ionisationsregion (436) strömen zu lassen, um eine Richtung des Trocknungsgases zu ändern und um das Trocknungsgas in den ausgefüllten Raum (504) strömen zu lassen.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 30, bei der der Gasdurchgang (452) einen ausgefüllten Raum (504), eine Mehrzahl radialer Löcher (506), die mit dem ausgefüllten Raum (504) kommunizieren, und einen mit den radialen Löchern (506) kommunizierenden radial gerichteten Abschnitt (482) aufweist.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 20 μl/min auszubringen.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, bei der die Probenausgabevorrichtung (408) dazu konfiguriert ist, den Probenstrom bei einer Strömungsrate im Bereich von 0,0001 μl/min bis 1 μl/min auszubringen.
Atmosphärendruck-Ionisationsvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 33, bei der der Gasdurchgang (452) dazu konfiguriert ist, das Trocknungsgas bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,01 m/s bis 1,0 m/s aus dem Gasdurchgang (452) in die Kammer (404) strömen zu lassen.