DE3802720A1

DE3802720A1 - Loesungsanalysier-massenspektrometer

Info

Publication number: DE3802720A1
Application number: DE3802720A
Authority: DE
Inventors: David Spencer Jones; Russel Paul Atherton; Mark Andrew Mcdowall
Original assignee: VG INSTRUMENTS GROUP Ltd CRAWLEY WEST SUSSEX GB; VG Instruments Group Ltd
Current assignee: Fisons Ltd
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1988-08-11
Also published as: GB8802015D0; US4891515A; GB2207548B; GB2207548A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Massenspektrometer, die für die Analyse von Lösungen einer Probe in einer Flüssigkeit oder einem superkritischen Fluidlösungsmittel bestimmt sind, in denen die Probe ionisiert wird durch

a) Teilchenbeschuß oder chemische Ionisierung initiiert durch Teilchen- oder Elektronenbeschuß oder durch
b) eine elektrische Entladung und/oder ein Flüssig keitsionisierungsverfahren, wie das "Thermosprüh"- Ionisieren.

Massenspektrometer, die für die Analyse von kleinen Proben mengen geeignet sind, die in einem Lösungsmittel, typischer weise einem Extraktionsmittel einer Flüssigkeit oder einer superkritischen Fluidchromatographie enthalten sind, sind bekannt. Bei einem derartigen Spektrometer wird die zu ana lysierende flüssige Lösung in die Ionenquelle des Spektro meters über eine stark erwärmte Kapillarröhre eingebracht, die bewirkt, daß der Großteil des Lösungsmittels verdampft, und die Ionisierung des Gelösten wird typischerweise ent weder durch "Thermosprüh" (siehe weiter unten) - Ionisieren oder durch chemische Ionisierung bewirkt, die durch Elek tronenbeschuß initiiert wird. Ein derartiges Massenspektro meter wird von Garteiz, D.A. und Vestal, M.L. in L.C., 1986, Band 3(4) Seiten 334-346 beschrieben und es kann Massenspek tren von vielen thermisch labilen oder nichtleichtflüchtigen gelösten Stoffen erzeugen. Es ist daher insbesondere für die Analyse von biochemischen Stoffen geeignet.

Bei einem anderen derartigen Massenspektrometer wird der von einem superkritischen Fluidchromatographen kommende Teil dekomprimiert und in die Ionenquelle des Spektrometers eingeführt. Die Verwendung eines superkritischen Fluidchro matographen anstelle eines Flüssigkeitschromatographen ist unter gewissen Bedingungen vorteilhaft, da zum einen der Trennwirkungsgrad der superkritischen Fluidchromatographie häufig äußerst hoch ist und zum anderen sich einfacher eine wirksame Grenzfläche zum Spektrometer aufbauen läßt. Ein ty pischer superkritisches Fluidchromatograph-Massenspektrome ter wird von Smith, R.D. Fjeldsted, J.G. und Lee, M.L. in J. Chromatography, 1982, Band 247, Seiten 231-243 beschrie ben. Die Ionisierung des vom Chromatographen kommenden Teils wird typischerweise durch einen Elektronenstrahl von einem Filament bewirkt, der außerhalb der Ionenkammer der Quelle angeordnet ist. Alternativ jedoch kann auch eine Glühent ladung verwendet werden, wie dies beispielsweise in unserer schwebenden britischen Patentanmeldung 8716252, angemeldet am 10. Juli 1987, beschrieben ist.

Das "Thermosprüh"-Ionisierungsverfahren, das von M.L.Vestal in Int.J. Mass Spectrom. and Ion Phys., 1983, Band 46, Seiten 193-196 beschrieben ist, ist insbesondere zur Verwen dung bei wäßrigen Lösungen oder bei Lösungsmitteln geeignet, die hochpolare organische Materialien enthalten. Ionen, die sich häufig mit Molekülen des Lösungsmittels agglomerieren, werden direkt von den verdampfenden Tropfen des Lösungsmit tels gebildet und diese Ionen zeigen eine äußerst geringe Zersplitterungsneigung. Die Effizienz der "Thermosprüh"- Ionisierung ist jedoch gering, wenn Lösungsmittel mit gerin ger Polarität verwendet werden, und es wird nach einer alter nativen Methode zur Ionisierung beim Vorhandensein derar tiger Umstände gesucht. Zweckmäßigerweise erfolgt diese mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der von einem erhitzten Faden erzeugt wird, der außerhalb der Quelle angeordnet ist. Der Elektronenstrahl, der typischerweise rechtwinklig zu dem Strahl der Tropfen gerichtet wird, der in der Ionenquelle gebildet wird, bewirkt eine Ionisierung des Lösungsmittel dampfes und erzeugt Reaktivionen. Diese Reaktivionen rea gieren anschließend mit neutralen gelösten Molekülen und er zeugen durch einen chemischen Ionisationsprozeß Ionen, die charakteristisch für den gelösten Stoff sind.

In einigen Fällen wird eine andere Methode zur Ionisierung, zweckmäßigerweise eine Plasmaentladung, angewandt. Dies kann in Ergänzung zu dem "Thermosprüh"-Ionisierungsverfahren verwendet werden und sie stellt die wichtigste Methode zur Ionisierung in den Fällen dar, bei denen die Effizienz der "Thermosprüh"-Ionisierung gering ist (siehe beispielsweise Vestal, C.H., Garteiz, D.A., Smit, R. und Blackley, C.R., 33rd Ann. Confr. on Mass Spectrom. and Allied Topics, San Diego, 1985, Seiten 771-2).

Sowohl die Thermosprüh- als auch die superkritischen Fluid chromatograph-Massenspektrometer können starke Lösungs ströme oder Fluide aufnehmen, vorausgesetzt, daß der Thermo sprüh-Strahl oder das expandierte Fluid in eine Ionisierungs kammer eingebracht werden, die im wesentlichen von dem rest lichen Teil des Vakuumsystems des Spektrometers hermetisch dicht abgeschlossen ist, so daß man eine beträchtliche Druck differenz zwischen dem Innenraum der Kammer und dem Spektro metervakuumsystem aufrechterhalten kann. Typischerweise kann der Druck in der Ionisierungskammer zwischen 1 und 20 mbar liegen, während jener des Vakuumsystems niedriger als 10^-3 mbar sein sollte. Die Ionisierungskammer selbst wird gesondert mit Hilfe einer mechanischen Vakuumpumpe evakuiert, die über eine Leitung mit großer Öffnungsweite (typischerweise 1 cm im Durchmesser) angeschlossen ist.

In den Fällen, bei denen entweder die reine "Thermosprüh"- Ionisierung oder eine Entladeionisierung zur Anwendung kommt, ist die Ionisierungskammer vollständig gegenüber dem Vakuumsystem des Massenspektrometers abgesehen von der Aus trittsöffnung für die Ionen abgedichtet. Wenn jedoch ein elektronen-emittierender Faden vorgesehen ist, um die "Thermo sprüh"-Ionisierung zu unterstützen oder die Durchführung des üblichen Arbeitens eines superkritischen Fluidchromato graph-Massenspektrometers zu ermöglichen, so ist es wesent lich, daß dieser Faden außerhalb der Kammer im Bereich nie drigen Drucks angeordnet ist, um ein frühzeitiges Versagen zu vermeiden. Folglich muß eine zusätzliche Öffnung im Kammerkörper vorgesehen sein, die ermöglicht, daß die Elektro nen in die Kammer eintreten können. Als eine Alternative zum Vorsehen eines Fadens kann die Ionisierung durch einen Strahl von neutralen Atomen oder Ionen bewirkt werden, die ebenfalls in die Ionenquelle über eine Öffnung eintreten können. Wenn man einen externen Faden verwendet, ähnelt eine Ionenquelle sehr stark einer Ionenquelle der Bauart, bei der eine direkt gekoppelte Flüssigkeitseinleitung vorgesehen ist und die von Arpino und Guiochon (Anal. Chem., 1979, Band 51 (7) Seite 683A) beschrieben ist, abgesehen von der Tatsache, daß eine zusätzliche Erwärmung der Einlaßkapillare vorgesehen ist. Wie von Arpino erläutert, ist der Strom der Lösung in eine Quelle dieser Art auf einen niedrigen Wert begrenzt, da es schwierig ist, eine adäquate Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Vakuumsystem aufrechtzuerhal ten, wenn sowohl eine Elektroneneintrittsöffnung als auch eine Ionenaustrittsöffnung vorgesehen sind. Bei den von Arpino be schriebenen Quellen ist eine Cryopumpe in der Nähe der Ionen quelle installiert, so daß der Lösungsmitteldampf kondensiert und auf Teilen der Pumpe gefroren wird, wenn dieser die Ionen quelle verläßt, wobei sich ein niedrigerer Druck im Vakuum system des Spektrometers aufrechterhalten läßt. Ein solches System jedoch macht eine regelmäßige Reinigung erforderlich und sie ist unzweckmäßig und teuer zu betreiben. Sie wurde nicht im Hinblick auf die Anwendung mit Ionenquellen der zu Rede stehenden Art selbst dann nicht angebracht, wenn diese mit elektronen-emittierenden Fäden ausgestattet sind, wobei dann die Notwendigkeit des Vorsehens einer Elektronen eintrittsöffnung gegeben ist. Daher ist die maximale Durch flußrate der Lösung oder des Fluids in derartige Quellen begrenzt.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Massenspektrometer bereit zustellen, das fähig ist, eine Lösung zu ionisieren durch

a) einen Teilchenbeschuß oder eine chemische Ionisierung, die durch Teilchen- oder Elektronenbeschuß initiiert wird, oder durch
b) eine elektrische Entladung und/oder eine Flüssigkeits ionisierungsmethode wie die "Thermosprüh"-Ionisie rung,

wobei das Spektrometer eine verbesserte Lösungsdurchflußraten akzeptants hat. Hierzu wird ein Massenspektrometer angegeben, das zur Analyse einer Probe in einer Fluidlösung geeignet ist, wobei der Spektrometer eine Massenanalysiereinrichtung, eine Probenionenerzeugungseinrichtung, die eine Ionisierungskammer aufweist und eine Einrichtung zum Erwärmen der Fluidlösung und zum Expandieren derselben in die Kammer aufweist, wobei die Kammer mit einer Austrittsöffnung versehen ist, durch die Ionen zu der Massenanalysiereinrichtung durchgehen kön nen, ferner eine Eintrittsöffnung, durch die Elektronen oder Teilchen in die Kammer gelangen können, um eine Ionisierung der darin befindlichen Moleküle zu bewirken, und wobei eine Öffnungsschließeinrichtung vorgesehen ist, die derart ar beitet, daß sie die Eintrittsöffnung verschließen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung weist der Spektrometer auf:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen der Fluidlösung und zum Expandieren derselben in die Ioni sierungskammer,
b) eine Einrichtung zum Evakuieren der Ionisierungs kammer,
c) eine Austrittsöffnung, die in einer Wand der Ionisierungskammer angeordnet ist, durch die in der Ionisierungskammer vorhandene Ionen zu der Massenanalysiereinrichtung durchgehen können,
d) eine Eintrittsöffnung, die in einer Wand der Ioni sierungskammer angeordnet ist, durch die Elektronen oder Teilchen (z.B. neutrale Atome oder Ionen) entweder in die Ionisierungskammer eintreten können und die bewirken, daß wenigstens einige der Mole küle ionisiert werden, die in der Ionisierungskammer vorhanden sind, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung, die in der Nähe der Eintrittsöffnung angeordnet ist und derart arbeitet, daß die Eintrittsöffnung geschlossen wird, wenn die Ionisierung durch die Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildungsform ist das Massenspektrometer so eingerichtet, daß es für Analysen einer Probe geeignet ist, die in einer flüssigen Lösung gelöst ist, und es weist auf:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen der flüssigen Lösung und zum Expandieren derselben mittels einer Sprüheinrichtung, die derart ausgelegt ist, daß sich diese in die Ionisierungskammer in Form eines Nebels sprüht, der Lösungsmittel dampf und Tropfen aufweist, und die die Moleküle der Probe enthalten,
b) eine Einrichtung zum Evakuieren der Ionisierungs kammer,
c) eine Austrittsöffnung, die in einer Wand der Kammer angeordnet ist, durch die in der Kammer vorhandene Ionen zu der Massenanalysiereinrichtung durchgehen können,
d) eine Eintrittsöffnung, die in der Wand der Kammer angeordnet ist, durch die Elektronen oder Teilchen (z.B. neutrale Atome oder Ionen) in die Kammer ein treten können und bewirken können, daß wenigstens einige in der Kammer vorhandene Moleküle ionisiert werden, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung, die in der Nähe der Eintrittsöffnung angeordnet ist und derart arbeitet, daß die Eintrittsöffnung geschlossen wird, wenn die Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform des Massenspektrome ters ist derart ausgelegt, daß sie für die Analyse einer im Extraktionsmittel von einem superkritischen Fluidchroma tographen gelösten Probe geeignet ist und es weist auf:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen des austretenden Stroms und zum Expandieren desselben in die Ioni sierungskammer,
b) eine Einrichtung zum Evakuieren der Ionisierungs kammer,
c) eine Austrittsöffnung, die in einer Wand der Ioni sierungskammer angeordnet ist, durch die in der Kammer vorhandene Ionen zu einer Massenanalysier einrichtung durchgehen können,
d) eine Eintrittsöffnung, die in der Wand der Kammer angeordnet ist, durch die Elektronen oder Teilchen (z.B. neutrale Atome oder Ionen) in die Ionisierungs kammer eintreten können und bewirken können, daß wenigstens einige der in der Ionisierungskammer vor handenen Moleküle ionisiert werden, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung, die in der Nähe der Eintrittsöffnung angeordnet ist und derart ar beitet, daß die Eintrittsöffnung geschlossen wird, wenn die Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

Bei dem Spektrometer nach der Erfindung ist die Öffnungs schließeinrichtung vorzugsweise mit einer Betätigungseinrich tung versehen, die betätigt werden kann, um die Eintritts öffnung zu schließen oder zu öffnen, wobei beispielsweise die Schließeinrichtung bewegt wird, um die Öffnung abzudecken oder freizulegen.

Das Spektrometer nach der Erfindung weist ebenfalls vorzugs weise eine Elektronen- oder Teilchenerzeugungseinrichtung, z.B. eine Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls oder eines Strahls von Ionen oder neutralen Atomen, auf. Wenn beispielsweise die ionisierenden Teilchen Elektronen sind, können diese von einem erhitzten Faden emittiert werden, der außerhalb der Ionisierungskammer angeordnet ist, und die Eintrittsöffnung kann einen Schlitz in einer Wand der Kammer aufweisen. Wenn die Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht benötigt wird, und wenn beispielsweise entweder die Thermosprüh-Ionisierung oder die Entladeionisie rung verwendet wird, kann die Eintrittsöffnung, die zum Einleiten von Elektronen oder anderen Teilchen, wie neutra len Atomen oder Ionen in die Ionisierungskammer erforderlich ist, verschlossen werden. Da diese Öffnung üblicherweise größer als die Austrittsöffnung ist, durch die die Ionen austreten, wird durch das Schließen derselben die Austritts rate des Lösungsmittels oder des Fluiddampfes aus der Kammer in das Vakuumsystem des Massenspektrometers beträchtlich re duziert und man kann höhere Durchflußraten der flüssigen Lösung oder des Fluids bei der Anwendung zulassen.

Es hat sich gezeigt, daß bei üblichen Thermosprüh-Massen spektrometern, die mit einer zusätzlichen Eintrittsöffnung versehen sind, die Lösungsmitteldurchflußrate insbesondere bei Lösungen stark begrenzt ist, die einen großen Anteil an Wasser enthalten. Auch hat sich gezeigt, daß im allgemeinen eine chemische Ionisierung initiiert durch Elektronenstoß oder eine Ionisierung durch Teilchenbeschuß bei derartigen Lösungen nicht erforderlich ist, da die Effizienz der "Ther mosprüh"-Ionisierung am höchsten bei wäßrigen Lösungen ist. Daher ist es von Vorteil, wenn man die Eintrittsöffnungen verschließen kann, wenn die "Thermosprüh"-Ionisierung für sich alleine ausreicht, wodurch ermöglicht wird, daß die Durchflußrate der Lösung erhöht werden kann, ohne eine Cryo pumpe zu verwenden.

Bei einem superkritischen Fluidmassenspektrometer können in ähnlicher Weise größere Fluidströme in die Ionenquelle hinein zugelassen werden, wenn die Öffnung nach der Erfindung ge schlossen ist und die Ionisierung wird ohne die Verwendung eines Elektronenstrahls oder irgendwelchen anderen Teilchen bewirkt, die außerhalb der Ionisierungskammer erzeugt wer den.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildungsform sind Elektro deneinrichtungen in der Ionisierungskammer vorgesehen, so daß eine Glühentladung in der Kammer beim Anlegen eines entspre chend geeigneten elektrischen Potentials an die Elektroden einrichtungen erzeugt werden kann. Vorzugsweise jedoch nicht not wendigerweise bilden die Elektrodeneinrichtungen die Einrich tung zum Expandieren der Fluidlösung, die elektrisch von der Wand der Ionisierungskammer isoliert ist. Ein geeignetes elek trisches Potential wird zwischen der Einrichtung zum Expandie ren der Fluidlösung und der Wand der Ionisierungskammer ange legt, wodurch eine Glühentladung erzeugt wird, die eine Ioni sierung der Probenmoleküle bewirkt.

Die Anwendung von Entlade ionisierungsverfahren dieser Art sind in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 2 52 758 und unserer schweben den britischen Patentanmeldung 87 16 252 beschrieben, die am 10. Juli 1987 angemeldet wurde. Alternativ kann eine gesonderte Elektrode vorgesehen sein, wie dies für die Thermosprüh-Quelle von Vestal, C.H., Garteiz, D.A., Smit, R. und Blackley, C.R., 33rd Ann. Confr. on Mass Spectrom. and Allied Topics, Mai 1985 (San Diego, U.S.A.) Seiten 771-2 vorgeschlagen wird.

Das so vorgesehene Glühentladungsionisierungsverfahren wird bei der Erfindung in den Fällen angewandt, bei denen entweder die superkritische Fluidchromatographie verwendet wird oder bei denen eine adäquate Ionisierung nicht allein durch die "Thermosprüh"-Ionisierung erreicht werden kann. Daher ermög licht dieses Merkmal der Erfindung, daß man höhere Durch flußraten des Fluids oder der nicht-wäßrigen Lösungen im Ver gleich zu den bei bisher üblichen Spektrometern möglichen zulassen kann, wobei nach wie vor eine Ionisierung unter Verwendung eines erhitzten Fadens mit geringeren Durch flußraten gegebenenfalls verwendet werden kann.

Vorzugsweise weist die Öffnungsschließeinrichtung ein Gleit stück auf, das mit einer Öffnung versehen ist, die dazu dient, die Wirkgröße der Eintrittsöffnung zu bestimmen. Das Gleitstück befindet sich in der Nähe einer größeren Öffnung in der Wand der Ionisierungskammer und es kann derart angeordnet werden, daß seine Öffnung mit der Öffnung fluchtet oder mit einem massiven Teil des Gleitstücks fluchtet, so daß die Öff nung geschlossen wird. Das Gleitstück wird vorzugsweise mit Hilfe eines flexiblen Bowdenzugs betätigt, der an einer Be tätigungseinrichtung angebracht ist, die an einer Vakuumumhül lung des Spektrometers vorgesehen ist. Die Betätigungseinrich tung kann manuell oder elektrisch in Abhängigkeit von einem Signal von einem Rechner bedient werden, der üblicherweise zur Steuerung des Spektrometers Verwendung findet.

Die schwebende britische Patentanmeldung mit der Nummer 87 16 252 befaßt sich mit einem Massenspektrometer, das für die Analyse einer Probe bestimmt ist, die ein superkritisches Fluid aufweist und insbesondere befaßt sie sich mit einem Massenspektrometer, das eine direkte Kopplung mit einem super kritischen Fluidchromatographen ermöglicht.

Die kombinierte Flüssigkeitschromatographie-Massenspektro metrie (LC-MS) ist potentiell eine äußerst wirkungsvolle Tech nik. Sie ist aber Beschränkungen durch die begrenzten Be triebsbedingungen unterworfen, die sich jeweils durch die unterschiedlichen Arten der verfügbaren Grenzstellen erge ben. Vorhandene LC-MS Grenzflächen sind nur im Zusammenhang mit speziellen Probenarten oder mit gewissen Arten von Lö sungsmitteln erfolgversprechend und bisher gibt es keine vollständige universelle LC-MS Grenzfläche.

Die superkritische Fluidchromatographie (SFC) stellt eine effizientere Alternative zur Flüssigkeitschromatographie dar und Grenzflächen für die direkte Kopplung eines super kritischen Fluidchromatographen und eines Massenspektrome ters sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:.

1) Wright, Kalinoski, et al, J. High Res.Chrom. und Chrom. Commun. 1986, Band 9, Seiten 145-153;
2) Randall, Wahrhaftig, Rev. Sci. Instrum. 1981 Band 52 (9) Seiten 1283-1295;
3) Smith, Fjeldsted, Lee, J. Chromatogr. 1982 Band 247, Seiten 231-243;
4) Smith, Felix, Fjeldsted, Lee, Anal. Chem. 1982, Band 54 (11) Seiten 1883-5.

Bei diesen üblichen SFC-MS Instrumenten wird wenigstens etwas des von dem Chromatographen abgehenden Teils in eine übliche Elektronenstoß- oder chemische Ionisierungsionen quelle geleitet, die sich im Massenspektrometer befindet. Unglücklicherweise sind diese Ionisierungstechniken und viele biochemische Substanzen ungeeignet, für die die Ver wendung eines SFC-MS Instruments eine zweckmäßige Alternative zu LC-MS darstellen würde.

Daher zielt die Erfindung darauf ab, ein Massenspektrometer für die Analyse von Proben bereitzustellen, die in einem superkritischen Fluid gelöst sind, welches fähig ist, einen größeren Bereich von Verbindungen als bei üblichen Instru menten zu ionisieren. Ferner bezweckt die Erfindung, eine Kombination aus superkritischem Fluidchromatographen und Massenspektrometer bereitzustellen, das ein verbessertes Leistungsvermögen im Vergleich zu üblichen Spektrometern hat.

Hierzu wird ein Massenspektrometer zur Analyse einer Probe angegeben, die in einem superkritischen Fluid gelöst ist, wobei das Spektrometer aufweist:

a) eine Druckreduziereinrichtung zum Expandieren des superkritischen Fluids in eine Ionisierungskammer, die im wesentlichen unterhalb des Atmosphärendrucks steht;
b) eine Einrichtung zum Ionisieren von wenigstens einigen Proben in der Ionisierungskammer, und
c) eine Extrkationseinrichtung von der Ionisierungs kammer, mittels der anschließend eine Massenanaly sierung wenigstens einiger der Ionencharakteristika der Probe durchgeführt wird, die man durch die Ioni sierungseinrichtung erhalten hat, wobei sich das Massenspektrometer dadurch auszeichnet, daß die Einrichtung zur Ionisierung eine Glühentladeeinrich tung aufweist, die in der Ionisierungskammer bleibt.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform eines superkritischen Fluidchromatograph-Massenspektrometers wird der von einem superkritischen Fluidchromatographen kommende Teilchenstrom direkt zu der Druckreduziereinrichtung geleitet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Druckreduziereinrichtung in der Nähe der Ionisierungskammer angeordnet und weist eine kurze nicht-viskose Verengung auf, die die Expansion des superkritischen Fluids ohne einen dazwischenliegenden Flüssigkeits-Gas-Übergang ermöglicht.

Eine entsprechende Verengung kann eine Membrane aufweisen, die eine kleine mittels Laser gebohrte Öffnung (typischer weise mit einem Durchmesser von 2-5 µm) hat. Es ist wichtig, daß das Totvolumen zwischen der SFC Säule und der Druckre duziereinrichtung selbst so gering wie möglich ist, wenn die Auflösung des Chroma tographen nicht beeinträchtigt werden soll. Daher wird eine kurze Verengung mit einer kleinen Öffnung im Vergleich zu einer langen Kapillare mit einer schmalen Bohrung bevorzugt. Jedoch wird die Verwendung einer solchen Kapillare nicht ausgeschlossen und sie kann tatsächlich unter gewissen Um ständen Vorteile haben (siehe z.B. Chester, Innis and Owens, Anal. Chem. 1985, Band 57, Seiten 2243-47).

Gemäß bevorzugten Ausbildungsformen bleibt die Glühentlade einrichtung zwischen wenigstens zwei Elektrodeneinrichtungen aufrechterhalten, von denen wenigstens eine die Druckredu ziereinrichtung aufweist oder dieser unmittelbar benachbart liegt.

Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Analysieren einer Probe bereitgestellt, die in einem superkritischen Fluid gelöst ist, wobei das Ver fahren die Schritte aufweist:

a) Reduzieren des Drucks des superkritischen Fluids und Expandieren wenigstens etwas von diesem in die Gas- oder Dampfphase und unter Einleitung in eine Ionisierungskammer, die unter unter atmosphärischem Druck steht, und
b) Ionisieren wenigstens einiger Proben, die von der Ionisierungskammer abgezogen werden und anschlies sendes Durchführen einer Massenanalyse von wenig stens einigen der so gebildeten Ionen,

wobei sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, daß die Ionisierung durch eine Glühentladeeinrichtung durch geführt wird, die sich in der Ionisierungskammer befindet.

Vorzugsweise hat die Glühentladeeinrichtung einen Kathoden dunkelraum und das superkritische Fluid wird direkt in den Kathodendunkelraum expandiert.

Die Verwendung einer Glühentladeeinrichtung zur Ionisierung der Probe ermöglicht die Ionisierung von biochemischen Stof fen mit hohem Molekulargewicht und thermischer Labilität ohne eine starke Zersplitterung, die sich bei der Ionisierung von Proben mit Hilfe einer üblichen Elektronenstoß- oder chemischen Ionisierungsquelle ergibt. Auch hat sich gezeigt, daß, wenn das superkritische Fluid direkt in den Kathoden dunkelraum der Entladeeinrichtung expandiert wird, eine größere Anzahl von Verbindungen mit Erfolg ohne eine über mäßige Zersplitterung ionisiert werden können, und daß man einen größeren Bereich von Fluiddurchflußraten und Verbindungen hierbei verwenden kann.

Die Glühentladeeinrichtung entlädt vorzugsweise in der Ioni sierungskammer zwischen den beiden Elektroden und wird zwi schen diesen gehalten, zwischen denen eine Potentialdiffe renz von etwa 500 V anliegt. Zweckmäßigerweise wird der Druck in der Ionisierungskammer zwischen 1 und 100 mbar gehalten und ein Strom von 0,1-10 mA fließt zwischen den Elektroden. Bei einer bevorzugten Ausbildungsform kann die Druckredu ziereinrichtung eine elektrisch leitende Düse oder eine Membrane aufweisen, die ein oder mehrere kleine Öffnungen ent hält und die die Kathodenelektrode der Entladeeinrichtung darstellt, wodurch sichergestellt wird, daß das Fluid direkt in den Kathodenraum der Entladeeinrichtung expandiert wird. Alternativ kann die Druckreduziereinrichtung aus einer Quartz-, Siliziumdioxid- oder Glas-Kapillarröhre bestehen, die an einem Ende, abgesehen von ein oder mehreren durch messerklein bemessenen Öffnungen dicht verschlossen ist. Diese können typischerweise einen Durchmesser von 1-10 µm haben. Diese Kapillarröhre wird axial in einen hohlen, elek trisch leitenden Zylinder oder ein Rohr eingeführt, das die Kathodenelektrode bildet. Auf diese Weise wird eine Elektrodeneinrichtung in der Nähe der Öffnung(en) gebildet und das superkritische Fluid wird direkt in den Kathoden dunkelraum expandiert. Das Ende der Kapillarröhre kann zu sätzlich metallisiert sein, um eine elektrisch leitende Fläche zu haben, die auf Kathodenpotential gehalten werden kann, wodurch Störungen der Glühentladeeinrichtung durch die Auf ladung vermieden werden, die bei einer unbehandelten Fläche entstehen können.

Bei der zuletzt genannten Auslegungsform kann das Totvolumen zwischen der SFC Säule und der Ionisierungskammer im wesent lichen dadurch eliminiert werden, daß die Kapillarröhre die Säule selbst ist. Das Dichtungsmaterial kann sich dann we nigstens bis zu einem Haltering erstrecken, der sich im In nern der Röhre unmittelbar der Öffnung benachbart befindet. Alternativ kann eine Mikrokapillar SFC Säule in einer kleinen Öffnung enden, die in die Ionisierungskammer führt, so daß man eine kleine Öffnung erhält, die in die Ionisierungskammer führt, sowie ein Totvolumen von nahezu Null.

Die Ionen können aus der Ionisierungskammer durch irgendeine geeignete Methode abgezogen werden. Typischerweise ist ein Probenahmekonus mit einer kleinen Öffnung an seiner Spitze wie bei einem üblichen LC-MS Massenspektrometer der "Thermo sprüh"-Bauart vorgesehen. Diese ist typischerweise stromab der Druckreduziereinrichtung unter Durchgang durch die Wand der Ionisierungskammer angebracht, wobei ihre Achse im we sentlichen senkrecht zur Achse der Druckreduziereinrichtung (d.h. der Achse längs der das Fluid in die Kammer expandiert wird) angeordnet. Die Öffnung im Konus führt in eine zweite evakuierte Kammer, die irgendeine geeignete Massenanalysierungs einrichtung, wie z.B. eine Vierpol- oder eine magnetische Sektoranalysiereinrichtung gegebenenfalls, enthält.

Die Wahl des Abstandes zwischen der Expandiereinrichtung und dem Probenahmekonus ist für den effizienten Betrieb des Spektrometers von Bedeutung. Dieser wird vorzugsweise der art eingestellt, daß die Übertragung der Ionencharakteristika der Probe von der Ionisierungskammer in die Massenanalysier einrichtung maximal ist. Zweckmäßigerweise ist der Abstand zwischen der Sprüheinrichtung und der Öffnung dadurch ver stellbar, daß eine Einrichtung zur Einstellung der Länge der Druckreduziereinrichtung (und/oder ihrer Verbindungskapillaren) vorgesehen ist, die in die Ionisierungskammer ragt. Typischer weise ist ein Abstand von 3-6 mm zwischen der Druckreduzier einrichtung und der Öffnung in dem Probenahmekonus geeignet.

Bei einer Vierpolmassenanalysiereinrichtung wird das Poten tial der Wände der Ionisierungskammer und des Probenahmekonus auf der Ionenenergiemassenanalysiereinrichtung gehalten, die üblicherweise nahe bei Erdpotential liegt. Die Anodenelektrode der Glühentladeeinrichtung weist vorzugsweise die Wänder der Ionisierungskammer auf, so daß die Kathodenelektrode etwa auf -500 Volt bezüglich Masse liegt. Eine ähnliche Auslegung kann bei einer magnetischen Sektormassenanalyseneinrichtung zur Anwendung kommen. In diesem Fall jedoch werden die Wände der Ionisierungskammer (die ebenfalls die Anode bilden) auf einer Beschleunigungsspannung des Spektrometers bezüglich Masse gehalten, die sich typischerweise auf +4 bis +8 kV be läuft.

Um eine Kondensation des überkritischen Fluids in die Flüssig phase während der Druckreduzierstufe zu verhindern, wird vorzugsweise der Druckreduziereinrichtung und ihrer Ver bindungskapillaren (falls diese vorgesehen ist) zugeführt. Eine typische Arbeitstemperatur für diese Bauteile beläuft sich auf etwa 200°C. Dies hängt natürlich von der Durchfluß rate und der Zusammensetzung des superkritischen Fluids ab.

Ebenfalls abhängig von der Zusammensetzung des Fluids und von der Pumpgeschwindigkeit in der Ionisierungskammer ist die Durchflußrate des superkritischen Fluids, das in das Spektrometer eingeleitet werden kann. Typischerweise kann man eine Säulendurchflußrate von 10-100µl min^-1 akzeptieren. Größere Durchflußraten können mit einer SFC-MS Grenzfläche mit geteilter Form verwendet werden, wie dies beispielsweise von Chester, Innis and Owens (Anal. Chem. 1985, Band 57, Seite 2243) und Randall und Wahrhaftig (Rev. Sci. Instrum., 1981, Band 52 (9), Seiten 1283-95) beschrieben wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzug ten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beige fügte Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Massenspektro meters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht einer Entladeionisationsquelle, die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet ist,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Auslegungsform eines Teils der Entladeionisierungsquelle, die in Fig. 2 gezeigt ist,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer relativen Aus bildungsform eines Teils der Entladeionisierungs quelle, die in Fig. 2 gezeigt ist,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Massenspektro meters nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine Detailansicht des Spektrometers nach Fig. 5.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist ein Massenspektrometer 1 eine Entladequelle und eine Massenanalysiereinrichtung 3 auf. Die Quelle 2 ist in einem Gehäuse 4 enthalten, das mit Hilfe einer Vakuumpumpe 5 evakuiert ist, die den Druck im Gehäuse 4 auf unter 10^-3 mbar bringt. Die Analysiereinrich tung 3 ist in einem Gehäuse 6 enthalten, das an dem Gehäuse 4 mit Hilfe einer Flanschverbindung 7 angebracht ist. Eine Va kuumpumpe 8 wird verwendet, um den Druck im Gehäuse 6 unter 10^-5 mbar zu halten. Die Massenanalysiereinrichtung 3 kann irgendeine übliche Massenanalysiereinrichtung enthalten, die beispielsweise von einer Vierpolmassenanalysiereinrichtung, magnetischen Sektormassenanalysiereinrichtungen mit großer und niedriger Auflösung, einer Flugzeitmassenanalysierein richtung oder einem Ionencyclotronresonanzspektrometer ge bildet werden kann.

Die Entladeionisierungsquelle 2 ist detailliert in Fig. 2 gezeigt. Sie weist eine Ionisierungskammer 9 auf, die in einem Ionisierungsblock 10 ausgebildet ist, und die über eine Leitung 11 mit großer Öffnung mit Hilfe einer mechani schen Vakuumpumpe 12 (Fig. 1) evakuiert ist. Die Pumpe 12 hat ein ausreichendes Leistungsvermögen, um sicherzustellen, daß der Druck im Innern der Kammer 9 während des Arbeitens innerhalb des gewünschten Bereiches bleibt. In den meisten Fällen ist das Potential des Blocks 10 nicht an Masse gelegt, so daß die Leitung bzw. das Rohr 11 auch einen rohrförmigen Isolator 13 aufweist. Typischerweise kann das Rohr 11 aus einem rostfreien Stahlrohr hergestellt sein, das etwa einen Durch messer von 10 mm hat und der Isolator 13 kann ein PTFE-Rohr aufweisen. Auch ist es erwünscht, daß ein flexibler Abschnitt in dem Rohr 13 vorgesehen ist, um geringfügige Fehlausrich tungen der Befestigungsöffnung 14 am Gehäuse 4 und dem Ioni sierungsblock 14 ausgleichen zu können. Dies wird auf einfache Weise erreicht, wenn der Isolator 13 ein kurzes Stück eines PTFE-Rohrs ist. In alternativer Weise kann das rostfreie Stahlrohr 11 weggelassen werden, und der Isolator 13 kann sich durch die Öffnung 14 erstrecken, um eine direkte Verbin dung mit der Pumpe 12 herzustellen.

Der Ionisierungsblock 10 wird von einem Quellenbefestigungs flansch 15 mit Hilfe von vier Quellenhaltestangen 16 ge tragen. Jede Haltestange weist einen massiven keramischen Stab auf, auf dem eine Mehrzahl von rohrförmigen, keramischen Distanzstücken passend angebracht sind. Die fokussierenden und abwendenden Elektroden 17 sind auf den Stäben 16 zwischen diesen Distanzstücken gelagert.

Der Quellenbefestigungsflansch 15 ist seinerseits an einem Flansch 18 angebracht, der an die Innenwand des Gehäuses 4 angeschweißt ist, und enthält eine kleine Öffnung 19, durch die in der Quelle 2 gebildete Ionen in die Massenanalysier einrichtung 3 gelangen können. Wenn die Analysiereinrichtung 3 eine magnetische Sektoranalysiereinrichtung ist, ist die Öffnung 19 ein kleiner rechteckförmiger Schlitz, der typischer weise Abmessungen von 0,1×5 mm hat. Außerhalb des Gehäuses 4 können Einrichtungen zur Einstellung der Breite des Schlitzes vorgesehen sein. Wenn die Analysiereinrichtung 3 eine Vierpol analysiereinrichtung ist, wird die Öffnung 19 typischerweise von einem kleinen runden Loch gebildet.

Ein Probenahmekonus 20 bzw. ein Trichter, der an seiner Spitze eine kleine Öffnung 21 (typischerweise mit einem Durchmesser von 0,3 mm) enthält, ist in den Ionisierungsblock 10 einge setzt, so daß seine Spitze in die Ionisierungskammer 9 ragt.

In der Kammer 9 gebildete Ionen treten über die Öffnung 21 aus und werden auf die Öffnung 19 in dem Befestigungsflansch 15 mit Hilfe des durch die Elektroden 17 erzeugten elektrischen Feldes fokussiert bzw. gebündelt. Diese Elektroden sind mit einer entsprechenden elektrischen Stromversorgung über Durch führungsisolatoren (nicht gezeigt) verbunden, die in die Wand des Gehäuses 4 eingesetzt sind und sie arbeiten auf üb liche Weise.

Das superkritische Fluid, das die zu analysierende Probe ent hält, und das typischerweise von dem aus dem superkritischen Fluidchromatographen abfließenden Teil gebildet wird, wird mit Hilfe der Pumpeinrichtung 22 (Fig. 1) über Rohre 23 und 24 mit einer kleinen Öffnungsweite in die Entladungsionisierungs quelle 2 gepumpt. Wenn die Leitungen bzw. Rohre 23 und 24 aus Metall bestehen, kann ein Isolierrohr 25, das typischerweise aus Quartz, Glas oder PTFE hergestellt ist, zwischen die Rohre 23 und 24 eingesetzt werden und es kann mit diesen über Kupp lungen 26 und 27 verbunden werden. Hierdurch erhält man eine elektrische Isolierung zwischen der Pumpeinrichtung 22 und dem Ionisierungsblock 10 der Entladequelle 2, die auf hohem Potential insbesondere dann liegen kann, wenn die Analysier einrichtung 3 eine magnetische Sektoranalysiereinrichtung ist. Hierbei wird ermöglicht, daß die Pumpeinrichtung 22 auf Masse potential liegt. Typischerweise ist die Pumpeinrichtung 22 ein superkritischer Fluidchromatograph und der hiervon ab gehende Strom kann typischerweise Carbondioxid unter einem Druck von 10-50 Atmosphären und ein Polmodifiziermittel wie Methanol enthalten. Die Rohre 23, 24 und 25 sollten vorzugs weise erwärmt werden. Ein elektrisches Heizband oder einfach ein Ofen kann hierfür zweckmäßigerweise verwendet werden. Das Volumen der Rohre 23, 24 und 25 sollte so klein wie möglich gemacht werden, um den Verlust bezüglich der Auflösung bei der Chromatographie minimal zu halten und ihr Innendurchmesser sollte 0,15 mm nicht überschreiten.

Das mit der schmalen Bohrung versehene Rohr 24 wird in ein Rohr 28 mit einer großen Bohrung eingesetzt, die mit dem Ende des Rohrs 24 an der Druckreduziereinrichtung 29 im Innern der Kammer 9 verbunden ist. Die Druckreduziereinrichtung 29 wird nachstehend näher beschrieben. Ein elektrischer Isolator 30 schließt das Rohr 28 in dem Ionisierungsblock 10 dicht ab und bildet eine elektrische Isolierung zwischen denselben. Das Rohr 24 wird vorzugsweise durch einen elektrischen Strom erwärmt, der durch dieses über das Rohr 28 von einer Heizener gieversorgungseinrichtung 31 geht. Zweckmäßigerweise sind das Rohr 24 mit kleiner Bohrung und das Rohr 28 mit großer Bohrung aus rostfreiem Stahl hergestellt.

Das Rohr 28 wird durch einen zweiten elektrischen Isolator 32 gestützt, der in eine Öffnung am Gehäuse 4 eingesetzt ist, sowie durch eine Rohrverbindung 33, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Der Abstand zwischen der Druckreduziereinrich tung 29 und der Öffnung 21 in dem Probenahmekonus 20 wird dadurch eingestellt, daß die Mutter auf dem Rohrverbinder 33 gelöst und das Rohr 28 in der Kupplung verschoben wird, bis man den gewünschten Abstand erreicht hat, und anschließend wird die Mutter wieder angezogen. Um diese zu erleichtern, ist der Endring in dem Verbinder 33 vorzugsweise aus PTFE hergestellt. Für den optimalen Betrieb sollte der Abstand auf einen Bereich zwischen 3 und 6 mm eingestellt sein.

Eine Glühentladeeinrichtung 34, die einen Kathodendunkelraum 35 hat, wird zwischen wenigstens zwei Elektrodeneinrichtun gen gebildet. Wie bereits erläutert worden ist, erhält man einen weiteren Vorteil, wenn man die Druckreduziereinrich tung 29 zur Kathodenelektrode macht und dies wird bei der Ausbildungsform nach Fig. 2 bewerkstelligt. Bei der Ausbil dungsform nach Fig. 2 weist die Kathode die Druckreduzier einrichtung 29 an dem Ende des Rohrs 24 auf und eine Anode, die den Ionisierungsblock 10 aufweist, ist vorgesehen.

Eine Glühentladungsversorgungseinrichtung 36 erzeugt eine geeignete Potentialdifferenz, die an dem Rohr 24 (negativ) und Ionisierungsblock 10 (positiv) anliegt. Der Ionisierungs block 10 ist mit der Versorgungsquelle 36 über eine Durch führung 37 im Gehäuse 4 verbunden. Diese befindet sich eben falls auf der Beschleunigungsspannung des Massenspektrome ters, so daß die Versorgungseinrichtungen 31 und 36 fähig sein müssen, daß sie ein Potential von bis zu 8 kV über Masse stu fenlos geregelt erzeugen können, wenn die Analysiereinrichtung 3 eine magnetische Sektoranalysiereinrichtung ist.

In typischer Weise ist die Glühentladungsversorgungseinrich tung 36 fähig, ein Potential von etwa 500 Volt bei einem Strom von bis zu 10 mA zu erzeugen. Der Druck in der Kammer 9, die ebenfalls zweckmäßigerweise wie bei einer üblichen Ioni sierungsquelle erwärmt ist, kann sich auf einen Bereich zwi schen 100 mbar (beispielsweise bei Kohlendioxid) belaufen. Ein Entladestrom von 0,1-10 mA tritt in typischer Weise auf. Die Energieversorgungseinrichtung 36 sollte vorzugsweise hin sichtlich der Spannung regelbar sein, da die für den optimalen Betrieb erforderliche Potentialdifferenz von der Natur des vom SFC abgehenden Stromes und dem Druck in der Kammer 9 ab hängig ist. Der Entladestrom wird eingestellt und auf einem konstanten Wert derart gehalten, daß das "normale" Glühen der Entladung wenigstens teilweise die Druckreduziereinrich tung 29 überdeckt.

Die Erwärmungsversorgungseinrichtung 31 ist typischerweise fähig, daß sie bei einer niedrigen Potentialdifferenz einen Strom von bis zu 20A liefert, so daß das Rohr 24 mit der kleinen Bohrung auf die Temperatur erwärmt wird, die erfor derlich ist, um eine Verflüssigung des superkritischen Fluids zu verhindern. Typischerweise ist eine Leistung von 150 W geeignet. Diese hängt natürlich von dem Material ab, das für die Rohre 24 und 28 verwendet wird, sowie von den Querschnitts flächen. Die Temperatur, die erforderlich ist, um eine Ver flüssigung zu verhindern, läßt sich am besten experimentell bestimmen. Wenn sie zu niedrig ist, erhält man unregelmäßige und nicht wiederholbare Ergebnisse infolge eines Verlusts an Probematerial bei dem anschließenden Flüssig-Gas-Übergang.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird die Druckreduziereinrichtung 29 im Rohr 24 mit Hilfe einer Düse 28 gebildet, die in das Ende des Rohrs 24 eingeschraubt ist. Die Düse 38 enthält eine große (mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm) Öffnung 39 und legt eine dünne Membrane 40 fest, die eine mittels Laser gebohrte winzige Öffnung 41 hat, die einen Durchmesser von typischerweise 2-5 µm hat. Hierdurch erhält man eine sehr kurze, nicht-viskose Verengung, an der im wesentlichen die ge samte Druckreduktion des superkritischen Fluids auftritt, ohne Flüssig-Gas-Übergänge. Das Volumen der Verbindungsrohre 23 bis 25 kann jedoch in einigen Fällen zu einem unerwünschten Verlust an chromatographischer Auflösung führen und das Vorhandensein der erwärmten metallischen Flächen kann eine Zersetzung bei gewissen Proben bewirken. In diesen Fällen wird die Ausführung nach Fig. 4 bevorzugt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 weist eine alternative Ausbildungs form der Druckreduziereinrichtung 29 ein Rohr 28 auf, das mit einem Stopfen 24 verschlossen ist, in die das Rohr 24 mit einer kleinen Bohrung unter Erzielung eines vakuumdichten Verschlusses eingesetzt ist. Ein Längsstück einer Silizium dioxidkapillarröhre 43 (typischerweise mit einem Durchmesser von 0,1 mm) ist durch das Rohr 24 durchgeschraubt, so daß das Ende sich über den Verbinder 33 (Fig. 2) zu einer Stelle hinaus erstreckt, an der das Rohr 24 endet. Die Kapillare 43 er streckt sich über dieses Ende des Rohrs 24 hinaus und ist mit einer üblichen SFC Säule über eine entsprechend geeignete Schlauch- bzw. Rohrverbindung verbunden. Eine vakuumfeste Dich tung ist zwischen der Kapillare 43 und dem Ende des Rohrs 24 mit Hilfe einer ausgebohrten Rohrverbindung vorgesehen, durch die die Kapillare 43 ohne eine Unterbrechung geht. Endringe (die typischerweise aus PTFE bestehen) sind in die Rohrverbindung eingesetzt, um das Äußere des Rohrs 24 (das in der Verbindung endet) an einer Seite abzudichten und das Äußere der Kapillare 43 andererseits abzudichten. Auf diese Weise berührt der von SFC abgehende Strom lediglich Silizium dioxidoberflächen, wenn es von der Säule zu der Ionisierungs kammer 9 strömt.

Das Ende der Kapillare 43, das in die Ionisierungskammer 9 ragt, enthält wenigstens eine kleine Öffnung (mit einem Durch messer von 1-10 µm), an der der Großteil des Druckabfalls auftritt, wie dies bei der Membrane 40 bei der Ausbildungs form nach Fig. 3 der Fall ist. Die Siliziumdioxidöffnung kann dadurch hergestellt werden, daß die Kapillare 43 in eine ko nische Verengung gezogen wird. Vorzugsweise wird jedoch das Ende des Rohrs dicht verschlossen und dann flach geschliffen, bis eine sehr kleine Öffnung 44 gebildet wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Bei der Ausbildungsform nach Fig. 4 wird die Kathodenelektrode der Entladeeinrichtung von dem Rohr 24 wie bei der Ausbil dungsform nach Fig. 3 gebildet, so daß diese der Öffnung 44 in der Kapillare 43 benachbart liegt. Auf diese Weise wird der aus SFC ausströmende Teil in den Kathodendunkelraum der Entladeeinrichtung gemäß der bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung expandiert.

Obgleich vorangehend bevorzugte Ausbildungsformen der Erfin dung gezeigt und erläutert wurden, bei denen die Kathoden elektrode der Entladeeinrichtung die Druckreduziereinrich tung 29 aufweist, so ist dieser Umstand nicht zwingend not wendig. Eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich des Bereichs der Verbindungen, die analysiert werden können, im Vergleich zu üblichen SFC Massenspektrometern erhält man auch dann, wenn die Glühentladeeinrichtung 45 zwischen einer entfernt liegenden Kathodenelektrode und der Ioni sierungskammer 9 oder selbst dann, wenn zwei gesonderte Elek troden, die in der Kammer angeordnet sind, vorgesehen ist.

Nachstehend soll zuerst auf Fig. 5 Bezug genommen werden, in der ein Massenspektrometer 1′ schematisch gezeigt ist. Das Spektrometer weist eine Ionenquelle 2′ und eine Massen analysiereinrichtung 3′ auf, die jeweils in Vakuumgehäusen 4′ und 6′ untergebracht sind. Hochvakuumpumpen 5′ und 7′ sind vorgesehen, um die Gehäuse 4′ und 6′, wie gezeigt, zu evakuieren. Die Massenanalysiereinrichtung 3′ ist typischer weise eine übliche Vierpolanalysiereinrichtung und enthält einen Ionendetektor (nicht gezeigt). Die Gehäuse 4′ und 6′ sind durch eine Membran 8′ getrennt, die einen Befestigungs flansch 10′ trägt, der eine kleine Öffnung 9′ enthält, durch die Ionen von der Quelle 2′ zu der Analysiereinrichtung 3′ durchgehen können. Die Öffnung 9′ ist klein genug, um zu ermöglichen, daß der Druck im Gehäuse 6′ auf einem Wert konstant gehalten wird, der etwa das Zehnfache niedriger als jener im Gehäuse 4′ ist. Die Quelle 2′ wird von dem Flansch 10′ durch isolierte Stützen 11′ getragen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 weist die Ionenquelle 2′ einen Quellenkörper 12′ auf, der eine Ionisierungskammer 13′ um gibt. Eine Vakuumpumpe 14′ evakuiert die Kammer 13′ über eine Leitung 15′ mit großer Bohrung. Die Leitung 15′ kann einen elektrisch isolierenden Teil enthalten, so daß der Körper 12′ auf einem anderen Potential als das Gehäuse 4′ ist.

Die zu analysierende Lösung (Flüssigkeit oder superkritisches Fluid) wird durch eine Pumpe 16′ (die typischerweise ein Teil des Chromatographen für die Flüssigkeit oder das super kritische Fluid ist) über ein Verbindungsrohr 17′ mit einer schmalen Bohrung in eine beheizte Düse 18′ gepumpt, die zweckmäßigerweise das Ende des Rohrs 17′ aufweist, das auf entsprechende Weise bearbeitet ist. Das Rohr 17′ kann auch einen elektrisch isolierenden Teil aufweisen, so daß die Pum pe 16′ und der Körper 12′ auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Die beheizte Düse 18′ ist in einer Sonde bzw. einem Fühler 19′ koaxial angeordnet und an einem Stopfen 20′ durch Hartlöten oder Schweißen angebracht, der ebenfalls in das Ende der Sonde 19′ eingeschweißt ist. Ein isolierendes Rohr 21′ verhindert einen zufälligen elektrischen Kontakt zwischen dem Rohr 17′ und der Sonde 19′. Die Düse 18′ wird durch Durch gang eines elektrischen Stromes von einer Versorgungsquelle 15′ über das Rohr 17′, einen Stopfen 20′ und die Sonde 19′ er wärmt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Sonde 19′ ist derart ausgelegt, daß sie eine im wesent lichen vakuumfeste Dichtung mit einer Isolierhülse 22′ (die typischerweise aus PTFE oder Vespel besteht) bildet, die in den Körper 12′ eingesetzt ist. Die Sonde 19′ ist ferner der art ausgelegt, daß sie in eine übliche Vakuumeinschubverrie gelung (nicht gezeigt) eingesetzt werden kann, die am Gehäuse 4′ angebracht ist, so daß sie abgetrennt werden kann, wenn sie nicht erforderlich ist und durch eine Probeneinführsonde ersetzt werden kann.

Im Falle einer Thermosprüh-Ionenquelle weist die Düse 18′ eine Sprüheinrichtung auf, die derart ausgelegt ist, daß ein Strahl aus Tropfen in der Kammer 13′ wie bei einer üblichen Thermosprüh-Ionenquelle erzeugt wird, und der aus der Ver dampfung des Lösungsmittels resultierende Dampf wird durch die Pumpe 14′ geführt. Ein Extraktorkonus 23′, der in der Wand des Körpers 12′ angeordnet ist, enthält eine kleine Öffnung 24′ in seiner Spitze, über die Ionen aus der Kammer 13′ in Richtung des Pfeils 25′ austreten und in die Massen analysiereinrichtung 3′ gelangen. Eine Elektrode 26′, an der ein geeignetes elektrisches Potential anliegt, ist so ausgelegt, daß die durch die Öffnung 24′ gehenden Ionen in der Massenanalysiereinrichtung 3′ gebündelt werden.

Im Falle eines superkritischen Fluidchromatographie-Massen spektrometers sind das Rohr 17′ und die Düse 18′ auf übliche Art und Weise ausgelegt, um das Fluid auf einem möglichst kleinen Weg zu dekomprimieren, um hierdurch eine Phasen veränderung bei dem Dekompressionsprozeß zu vermeiden, der bekanntlich zu einem schlechten Leistungsverhalten führt.

Um eine durch Elektronenstoß injizierte chemische Ionisierung der Moleküle in der Kammer 13′ zu erzielen, ist ein Faden 27′ zwischen den beiden Fadenstützen 28′ angebracht, die ihrer seits an zwei Stäben 29′ angebracht sind, die in einen Keramik block 30′ eingegossen sind. Der Block 30′ ist seinerseits mit Hilfe einer Schraube an einer Befestigungsplatte 43′ angebracht, die mit weiteren Schrauben an dem Körper 12′ be festigt ist. Der elektrische Strom geht durch den Faden 27′ über die Stützen 28′ und die Stäbe 29′, so daß Elektronen emittiert werden. Einige dieser Elektronen gehen durch eine Elektroneneintrittsöffnung 31′ und eine Öffnung 40′ (im Kör per 12′) in die Kammer 13′. Eine geeignete Potentialdiffe renz (die sich typischerweise auf einige hundert Volt beläuft) ist zwischen dem Faden 27′ und dem Körper 12′ mit Hilfe einer Energieversorgungseinrichtung 32′ vorhanden, so daß die in die Kammer 13′ eintretenden Elektronen eine ausreichende Ener gie haben, um das Lösungsmittel oder Fluidmoleküle der Ioni sierungskammer durch Elektronenstoß zu ionisieren. Die erhal tenen Ionen stoßen mit Molekülen der in der Kammer 13′ vorhan denen Probe zusammen und bewirken eine Ionisierung der Proben moleküle durch einen chemischen Ionisierungsprozeß, wie dies bei dem üblichen Massenspektrometer mit direkter Flüssigkeits einleitung der Fall ist. Wenn alternativ der Druck in der Ionisierungskammer ausreichend niedrig ist, kann die Ionisie rung der Probenmoleküle direkt durch die Elektronen erfolgen.

Die Elektroneneintrittsöffnung 31′ ist in einer als Zinkboh rung ausgebildeten Öffnung in einem zylindrischen Stopfen 33′ angebracht, der gleitbeweglich in einer Bohrung 34′ im Körper 12′ eingesetzt ist. Das innere Teil 35′ eines flexi blen Bowdenzugs 36′ ist in einer Öffnung in dem Ende des Stopfens 33′ mit Hilfe einer Schraube 37′ festgelegt, und das äußere Teil des Zugs 36′ ist mittels Hartlöten in eine Hülse 38′ eingesetzt, die mit Hilfe von Schrauben 39′ fest mit dem Körper 12′ verbunden ist. Das Ende des Zugs 36′, das von der Ionenquelle entfernt liegt, ist mit einer geeigneten vakuum dichten Betätigungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die am Gehäuse 4′ angebracht ist. Diese Betätigungseinrichtung ist derart ausgelegt, daß der innere Teil 35′ zwischen zwei Positionen bewegbar ist, wobei in einer der Positionen die Öffnung 31′ wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet ist, so daß Elektronen in die Kammer 13′ eintreten können und wobei in der anderen Position die Öffnung 40′ im wesentlichen durch einen massiven Teil 41′ des Kolbens 33′ verschlossen ist. Die Tiefe der Bohrung 34′ ist derart, daß, wenn der Kolben 33′ vollständig eingerückt ist, die Öffnung 31′ korrekt so ange ordnet ist, daß sie mit dem Faden 27′ und der Öffnung 40′ fluchtet. Der Kolben 33′ ist an einer Drehbewegung durch den Kopf der Schraube 37′ gehindert, die sich in einem Schlitz befindet, der in dem Körper 12′ vorgesehen ist. Um die Gefahr des Festfressens des Kolbens 33′ in der Bohrung 34′ zu ver hindern, ist der Kolben 33′ mit Silber plattiert und die Boh rung 34′ ist stark poliert.

Auf diese Weise kann die Elektroneneintrittsöffnung in dem Quellenkörper 12′ geschlossen werden, wenn der Faden 27′ nicht verwendet wird, und zwar einfach dadurch, daß die Be tätigungseinrichtung von der Außenseite der Spektrometervakuum umschließung aus bedient wird, wodurch im wesentlichen der Strom des Lösungsmitteldampfes oder des Fluides aus der Kammer 13′ in das Gehäuse 4′ reduziert wird und daß ferner ermöglicht wird, daß man eine hohe Durchflußrate der Lösung verwenden kann. Wie im Zusammenhang mit der Thermosprühquelle erläutert worden ist, ist dies von großem Vorteil, wenn eine wäßrige Lösung mit einem großen Durchsatz eingeleitet werden kann, wobei unter diesen Bedingungen die Notwendigkeit des Vorsehens des Fadens 27′ vermindert wird, während zugleich der Anstieg des Drucks im Gehäuse 4′ möglicherweise der stärkste ist.

Um das Entladungsionisierungsverfahren der vorstehend genann ten Art anwenden zu können, kann ein entsprechendes elektri sches Potential von einer Energiequelle 44′ zwischen der Düse 18′ und dem Körper 12′ angelegt werden, so daß man eine Glühentladung im Dampf enthält, der in der Sprühkammer 13, vorhanden ist. Im Falle von Thermosprühquellen bildet diese Entladung eine weitere Methode zur Ionisierung, die das Thermo sprüh-Ionisierungsverfahren unterstützen (oder ersetzen) kann. Insbesondere in den Fällen ist dies zweckmäßig, bei denen die Durchflußrate einer nicht-wäßrigen Lösung in die Quelle 2′ so hoch ist, daß es notwendig ist, die Elektroneneintritts öffnung zu schließen, um den Druck um Gehäuse 4′ auf einem akzeptierbaren Wert zu halten. In einigen derartigen Fällen kann die "Thermosprüh"-Ionisierung für sich alleine nicht aus reichen und die Glühentladung kann als Ergänzung zusätzlich zur Anwendung kommen.

Im Falle eines superkritischen Fluidchromatograph-Massenspektro meters kann die Entladung verwendet werden, um eine Ionisie rung entsprechend der schwebenden britischen Patentanmeldung No. 76 16 252 zu verwirklichen, so daß keine zusätzliche Ioni sierung durch Elektronen oder andere Teilchen erforderlich ist.

Auch ist noch zu erwähnen, daß es nicht wesentlich ist, daß das Rohr 17′ und die Düse 18′ als eine der Elektroden für die Entladung entweder beim Thermosprühprozeß oder beim superkritischen Fluidchromatographen verwendet wird. Eine zu sätzliche Elektrode 46′, die mittels einer Isolierhülse 48′ angebracht ist, kann vorgesehen sein, und ihre Versorgung 44′ kann über eine Leitung 47′ mit der Elektrode 46′ an stelle mit der Versorgung 45′ und dem Rohr 19′ verbunden sein.

Zusammenfassend wird ein Massenspektrometer 1′ angegeben, das für die Analyse eines aus einem Chromatographen austre tenden flüssigen oder superkritischen Fluidstromes geeignet ist. Um die Durchsatzrate des Fluids zu maximieren, die in der Ionisierungskammer 13′ aufgenommen werden kann, sind Öffnungsverschließeinrichtungen 13′ zwischen einer Elektro nen- oder Teilchenquelle 27′ und einer Eintrittsöffnung 40′ in der Ionisierungskammer vorgesehen, durch die Elektronen oder Teilchen in die Kammer eintreten können, wenn es er forderlich ist, die darin befindliche Probe zu ionisieren. Die Öffnungsschließeinrichtung ist so betätigbar, daß sich die Öffnung verschließen kann, wenn eine derartige Ioni sierung nicht erforderlich ist, so daß die maximale Durch flußrate in die Ionisierungskammer erhöht werden kann. Eine Probenionisierung kann dann mit Hilfe einer Glühentladung in der Kammer oder durch einen Flüssigionisierungsprozeß, wie der Thermosprüh-Ionisierung, bewirkt werden.

Claims

1. Massenspektrometer, das zur Analyse einer Probe in einer Fluidlösung eingerichtet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Spektrometer (1′) eine Massen analysiereinrichtung (3′), eine Probenionenerzeugungsein richtung (2′), die eine Ionisierungskammer (13′) aufweist, und eine Einrichtung zum Erwärmen der Fluidlösung und zum Expandieren derselben in die Kammer (13′) aufweist, wobei die Kammer (13′) mit einer Austrittsöffnung (40′) versehen ist, durch die Ionen zu der Massenanalysiereinrichtung (3′) durchgehen können, ferner mit einer Eintrittsöffnung (31′) versehen ist, durch die Elektronen oder Teilchen in die Kam mer (13′) gelangen können, um darin befindliche Moleküle zu ionisieren, und mit einer Öffnungsschließeinrichtung (33-36′) versehen ist, die derart arbeitet, daß die Ein trittsöffnung (31′) verschließbar ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen der Fluidlösung und zum Expandieren derselben in die Ioni sierungskammer (13′),
b) eine Einrichtung (14′) zum Evakuieren der Ioni sierungskamner (13′),
c) eine Austrittsöffnung (40′), die in einer Wand der Ionisierungskammer (13′) angeordnet ist, und durch die Ionen in der Ionisierungskammer (13′) zu der Massenanalysiereinrichtung (3′) durch können,
d) die Eintrittsöffnung (31′) in der Wand der Ioni sierungskammer (13′) angeordnet ist, durch die Teilchen in die Ionisierungskammer (13′) eintreten können, welche wenigstens einige der Moleküle ionisieren können, die in der Ionisierungskammer (13′) vorhanden sind, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung (33′-36′), die in der Nähe der Eintrittsöffnung (31′) angeordnet ist und derart arbeitet, daß die Eintrittsöffnung (31′) verschließbar ist, wenn die Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

3. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die für die Analyse einer Probe in einer flüssigen Lösung eingerichtet ist, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen der flüssigen Lösung und zum Expandieren derselben mittels einer Sprüheinrichtung (18′), die derart ausgelegt ist, daß sie die flüssige Lösung in die Ionisierungs kammer (13′) in Form eines Nebels sprüht, der Lösungsmitteldampf und Tropfen aufweist, die Molekü le der Probe enthalten,
b) eine Einrichtung (14′) zum Evakuieren der Ioni sierungskammer (13′),
c) eine Austrittsöffnung (40′), die in einer Wand der Kammer (13′) angeordnet ist, durch welche in der Kammer (13′) vorhandene Ionen zu der Massen analysiereinrichtung (3′) durch können,
d) eine Eintrittsöffnung (31′), die in einer Wand der Kammer (13′) angeordnet ist, durch die Elektronen oder Teilchen in die Kammer (13′) eintreten können und wenigstens einige der Moleküle ionisieren können, die in der Kammer (13′) vorhanden sind, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung (33′-36′), die in der Nähe der Eintrittsöffnung (31′) angeordnet ist und derart arbeitet, daß die Eintrittsöffnung (31′) verschließbar ist, wenn eine Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die für die Analyse einer Probe eingerichtet ist, die im von einem superkritischen Fluidchromatographen austretenden Strom gelöst ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrome ter aufweist:

a) eine Einrichtung zum Erwärmen des austretenden Stroms und zum Expandieren desselben in die Ionisierungskammer (13′),
b) eine Einrichtung (14′) zum Evakuieren der Ioni sierungskammer (13′),
c) eine Austrittsöffnung (40′), die in einer Wand der Ionisierungskammer (13′) angeordnet ist und durch die in der Kammer (13′) vorhandene Ionen zu der Massenanalysiereinrichtung (3′) durchgehen kön nen,
d) eine Eintrittsöffnung (31′), die in der Wand der Kammer (13′) angeordnet ist, durch die Elektronen oder Teilchen in die Ionisierungskammer (13′) eintreten können und wenigstens einige der Moleküle ionisieren können, die in der Ionisierungskammer (13′) vorhanden sind, und
e) eine Öffnungsschließeinrichtung (33′-36′), die in der Nähe der Eintrittsöffnung (31′) angeordnet ist und derart arbeitet, daß die Eintrittsöffnung (31′) verschließbar ist, wenn die Ionisierung durch Elektronen oder Teilchen nicht erforderlich ist.

5. Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2′, 27′) zur Erzeugung von Elektronen oder Teilchen, wobei die Einrichtung (2′, 27′) zur Erzeugung dieser Teilchen außerhalb der Ionisierungskam mer (13′) angeordnet ist.

6. Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Teilchen einen beheizbaren Faden (27′) aufweist, und daß die Eintrittsöffnung (31,) einen Schlitz aufweist, der derart ausgelegt ist, daß von dem Faden (27′) emittierte Elektronen in die Kammer (13′) eintreten können.

7. Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrodeneinrichtungen (17′, 18′; 46′) in der Ionisierungskammer (13′) vorgesehen sind, um eine Glühentladung in dieser zu erzeugen, wodurch die in der Ionisierungskammer (13′) vorhandenen Moleküle ionisiert werden.

8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtung von der Einrichtung (17′, 18′) zur Expansion einer Fluidlösung in die Ionisierungskammer (13′) gebildet wird.

9. Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsschließeinrichtung ein Gleitstück (33′) aufweist, das eine darin befindliche Öffnung (40′) hat, und das in der Nähe der Wand der Ioni sierungskammer (13′) angeordnet ist, in der die Eintritts öffnung (31′)ausgebildet ist, daß das Gleitstück (33′) zwi schen einer ersten Position, in der die Eintrittsöffnung (31′) im wesentlichen durch das Gleitstück (33′) verschlossen ist und einer zweiten Position bewegbar ist, in der die Eintritts öffnung (31′) mit der Öffnung (40′) fluchtet, und daß die Öffnungsschließeinrichtung mit einer Betätigungseinrichtung (36′) versehen ist, die derart bedienbar ist, daß das Gleit stück (33′) zwischen den Positionen verfahrbar ist.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (33′) zwischen der Wand der Ionisierungs kammer (13′) und einem Faden (27′) angeordnet ist, der zur Emission von Elektronen bestimmt ist, und daß die Öffnung (40′) in dem Gleitstück (33′), die in der Nähe der Wand angeordnet ist, kleiner als die Eintrittsöffnung (31′) in der dem Gleitstück (33′) benachbarten Wand bemessen ist.