EP2206139A2 - Method and device for detecting at least one target substance - Google Patents

Method and device for detecting at least one target substance

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Publication number
EP2206139A2
EP2206139A2 EP08843560A EP08843560A EP2206139A2 EP 2206139 A2 EP2206139 A2 EP 2206139A2 EP 08843560 A EP08843560 A EP 08843560A EP 08843560 A EP08843560 A EP 08843560A EP 2206139 A2 EP2206139 A2 EP 2206139A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solvent
molecules
target substances
evaporation
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08843560A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Englmann
Philippe Schmitt-Kopplin
Istvan GEBEFÜGI
Heinz Frisch
Wolfgang Dietz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH filed Critical Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Publication of EP2206139A2 publication Critical patent/EP2206139A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H01J49/162Direct photo-ionisation, e.g. single photon or multi-photon ionisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H01J49/164Laser desorption/ionisation, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI]

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the detection of at least one target substance according to the first and the eleventh patent claim.
  • Mass spectrometers are well known for the analysis of chemical substances from gases or dusts in various types.
  • WO05 / 047848 describes a process in which a solution with a target substance is evaporated in a microchannel structure and supplied with a carrier gas for ionization of a corona zone. This is followed by detection of the ions.
  • the object of the invention is to propose a method and an apparatus for the detection of at least one target substance, which differs from the prior art by a significantly increased resolving power in the detection limit and in the selectivity distinguishes.
  • the invention relates to a method for the detection of at least one target substance and to an apparatus for carrying out the method.
  • the method comprises a transfer of molecules of at least one of the target substances into a gaseous state and a subsequent spectrometric detection of the molecules, preferably by means of a mass spectrometer.
  • An essential feature is that the transfer of the molecules comprises a soluble mixing, an aerosol formation and evaporation of at least one of the target substances with a solvent, wherein the molecules are integrated into a gas phase.
  • the soluble mixing of the molecules comprises in solution bringing the target substance or substances into a solvent, which presupposes a solubility of the target substance with the solvent in the liquid and / or gaseous state. Only within the scope of an advantageous embodiment does this exclude emulsifying or dispersing a portion of the target substance into the solvent. In that case, only a selective soluble mixing of a part of the target substance takes place, while the remaining other part of the target substances is insoluble in the solvent and consequently does not become molecularly distributed in the solvent.
  • a targeted utilization of temperature-dependent solubilities of a target substance with the solvent takes place, with an admixture of this target substance in the solvent being determined solely by the selection and setting of a specific mixing temperature. between a soluble and an insoluble, eg emulsifying interference.
  • a further advantageous embodiment comprises a soluble mixing of one or more target substances with the solvent in the presence of an additional carrier substance, wherein the carrier substance is preferably soluble as a particle or as a liquid in the solvent and adsorbs the molecules.
  • the adsorption preferably takes place before the mixing.
  • the adsorbed target substances are then transported via the dissolving carrier substances in the solvent, homogeneously, preferably distributed as molecules or molecular groups, and thus in the case of insolubility with the solvent, ideally molecularly mixed.
  • Micromixers disclosed by way of example in DE 199 28 123 A1, advantageously promote continuous spontaneous simultaneous mixing of two liquids.
  • HPLC high performance liquid chromatography apparatus
  • electrophoretic separators e.g., based on capillary electrophoresis
  • the invention also includes the use of a plurality of solvents, wherein preferably one or more target substances are mixed separately into each solvent and the resulting solutions are then combined.
  • Another essential feature of the invention comprises aerosol formation by an aerosol former.
  • this is done by droplet formation by means of a dispenser, wherein a predetermined number of droplets preferably with the same droplet size (10 to 200 pL, preferably 20 to 100 pL, more preferably between 30 and 80 pL, more preferably 40 to 60 pL volume) and substance mixture ratio ( Target substances and solvents) can be produced, or together with a mixing by means of a two- or multi-fluid nozzle.
  • Dispensers are suitable both for atomization of the solution after mixing as well as by separate atomization of the solvent to be mixed and target substances in a common aerosol cloud. It is within the invention to promote the formation of aerosol by additional measures on the aerosol, for example by applying the liquid or solution to be dispersed with ultrasonic waves or electric charges (Elekt- rospray), wherein similarly electrically charged liquid particles not only repel each other, but also be electrically attracted in an electric field to a counter electrode such as by a heating element in the aforementioned evaporation device.
  • ultrasonic waves or electric charges Elekt- rospray
  • aerosol formation can also be achieved by means of bubble bursting, in which a bubbling, boiling or otherwise gas bubble-forming liquid comprising solvent and all or only some of the target substances are arranged in an open vessel.
  • the forming gas bubbles rise to the liquid surface and burst there, which are released by the thereby relaxing bubble surface aerosol droplets.
  • the target substances in the liquid mix in the formation in the gas volumes or at the adjacent to the gas volumes liquid interfaces of the bubbles and are released when bursting out there from there with the solvent as aerosol drops in the ambient atmosphere.
  • Additional substances in the solution such as surface-active substances (eg surfactants, foaming agents) with possible structure-specific affinities for the target substance influence or promote a selective concentration of the target substance in the bubbles and in the droplets that arise during bubble bursting.
  • surface-active substances eg surfactants, foaming agents
  • foaming agents with possible structure-specific affinities for the target substance influence or promote a selective concentration of the target substance in the bubbles and in the droplets that arise during bubble bursting.
  • an optional direct evaporation of the foam on the preheated heating element surface can also be used for targeted enrichment and measurement of the target substances.
  • Another essential feature of the invention comprises evaporation of the solvent present as an aerosol with the target substance (s).
  • the evaporation is preferably carried out thermally on a Schuelementober Structure with a surface temperature preferably above the boiling temperature of the solvent, wherein the target substances are preferably transported molecularly from the solvent gases and spread in gaseous form. If the surface temperature is below a boiling temperature of one of the target substances, aerosol fractions (i.e., not single molecules or molecular groups) from that target substance are selectively or not significantly significantly evaporated more slowly, e.g. on the Schuelementober Design and are kept away or separated in this way from the forming gas phase. This effect can be achieved e.g.
  • the enriched target substances are convertible into the gas phase and thus are advantageously in concentrated form for further analysis, e.g. available in a mass spectrometer. In this way not only the detection limits of certain target substances can be shifted downwards, but also a material separation of target substance groups, in particular with many target substances, can be realized.
  • Increased integral or selective adhesion to at least one of the target substances is achievable by treatment or coating of the heating element surface.
  • a functional coating with nanoparticles or a polymer adsorption coating (containing or consisting of nanoparticles) can be used.
  • Kel or chemical polymer adsorption coating to a concentration of the target substances with an increased adsorption tendency.
  • the target substances concentrated over a certain time can also be detected quantitatively on the coated or treated heating element surface as a closed sample by a further analysis method.
  • Evaporation of an aerosol which has arisen due to bursting of gas bubbles rising in liquid, is preferably carried out by means of a heating element arranged above the liquid surface.
  • the heating element surface is preferably arranged horizontally.
  • Another embodiment comprises an open-pore heating element, wherein the aerosol passes through the open pores and is thereby evaporated.
  • the open porosity form the heating capillaries whose walls represent the Schuelementoberfest and possibly in o. G. Senses are coated or treated. By a vacuum suction, the aerosol is sucked through the heating capillaries.
  • the open-pore heating element is preferably arranged plate-shaped above the surface of the liquid.
  • the invention further comprises ionization and means for ionizing molecules or molecular groups of the target substance in the gas phase into ions.
  • the ionization is preferably carried out as photoionization, preferably with a laser light VUV or UV source.
  • the laser light VUV or UV source serves not only for photoionization, but also for integral or local heating of the heater surface, either as a single or as an additional energy source.
  • the invention comprises a spectrometric detection as well as a mass spectrometer for carrying out this detection. It is within the scope of the invention to use the method and apparatus for the quantitative detection of certain biological or biochemical substances such as axeropthenes, retinols, terpineols, citrals, geranylacetates, nootkationse, bisabolenes or decanes as the target substance in absolute form or from a substance mixture, wherein the Heating element surfaces can also be formed by natural or processed sample surfaces up to parts of the carcass or tissue samples and can be heated by light irradiation, for example.
  • Evidence includes in vitro studies of body fluids as well as in situ studies.
  • Fig.l a first embodiment with uncoated heating element
  • FIG. 3 shows a third embodiment with rising and bursting on a liquid surface gas bubbles for aerosol formation
  • FIG. 5 shows an embodiment with an evaporation device with laser scanner
  • Figure 6 is a determined within the scope of the invention mass spectrum for a drop of a 1 mg / L solution of D10-pyrene in methanol and
  • the exemplary embodiments of a device for the detection of at least one target substance comprise a dispenser 1 (FIGS. 1, 2, 4 and 5) or a gas bubble 6 forming liquid 7 (FIG. 3) as aerosol former , which is aligned with its main radiation direction 2 of the aerosol on the Schuelementober Design 3.
  • a gas phase cloud 4 is formed by evaporation, which is then irradiated with a light beam 5 from a laser, UV or VUV source 8 and ionizes the molecules of the target substances.
  • the ionized molecules are withdrawn from the gas phase cloud and forwarded to a mass spectrometer 11
  • Fig. 2 shows by way of example a coating 9 on the heating element 10, e.g. one of the abovementioned functional coating with nanoparticles (compare FIGS. 4 c and d).
  • the heating of the heating element surface 3, i. the surface exposed to evaporation for the aerosol is thus indirectly through the coating.
  • Fig.l, 4a, 4c and 5 show embodiments in which the light beam 5 is directed to the Schuelementober Structure 3 and is heranziehbar as a separate or additional heating for the evaporation. In these cases they are also part of the evaporation device.
  • the light beam 5 shows an exemplary embodiment in which the light beam 5 follows a cell-shaped scanning movement 12 on the heating element surface and thus, with time resolution, brings only the substances which are directly irradiated with solvent onto the surface regions for evaporation.
  • Such an embodiment is preferably suitable for Adsorptionsuntersuchungen of target substances on natural or post-processing surface with several different surface areas as Bankelementober Diagram.
  • the heating of the heating elements is preferably carried out exclusively by the light beam. - S -
  • 4 a to c show by way of example devices in which the molecules are aspirated in the gas phase through a capillary 14 and forwarded to the mass spectrometer 11.
  • 4a shows an embodiment in which the capillary terminates in the gas phase cloud 4, preferably at or as close as possible to the point on the heating element at which the gas phase is formed by evaporation.
  • FIG. 4 b shows by way of example an embodiment with evaporation chamber 13 (closed system) in contrast to all other systems shown.
  • the capillary 14 may be separated from an ionization chamber 15 with ionizing means, e.g. a laser, UV or VUV source 8 (see Fig.
  • a preferred embodiment comprises a capillary 14 with integrated ionization chamber 15 and GC capillary 16, wherein the ionization chamber downstream of one or more GC capillaries and the mass spectrometer 11 is connected directly upstream (see Figure 4d).
  • FIG. 6 reflects the sensitivity of the method. It was according to a device. Fig.l, with laser ionization ie with an evaporation of single drops (drop volume 52.5 pL) determined by a dispenser on an uncoated heating element surface. The result represents the resolution of a single drop of a solution of 1 mg / L DlO pyrene in methanol as peak 19. Even with the evaluation of a drop, this peak stands out significantly over the signals surrounding it; the method has a high sensitivity, ie a low detection limit.
  • FIG. 6 can be considerably accelerated with a rapid separation with a UPLC system (Ultra Performance Liquid Chromatography) as follows.
  • Starting product was a mixture of several polyscyclic aromatic hydrocarbons (PAH), which was initially supplied to the UPLC separation.
  • PAH polyscyclic aromatic hydrocarbons
  • the separated PAH to be tested are then mixed in a ratio of between 30 and 100% in acetonitriles at a flow rate of 0.9 mL / min in 0.5 min, followed by an isocratic flow (100% acetonitrile) of 0.2 min for homogenization , In this way, a D10-pyrene fraction of 52.5 pL (1
  • Drop from a total fraction of the starting product of 1080 ⁇ l, with e.g. dosing with a dispenser, ionizing with a UV source of the type mentioned in the beginning, detecting with an ICR-FT mass spectrometer and measuring a spectrum acc. Determine Fig.6.
  • the aforementioned procedure is characterized by a careful task and treatment of the biomolecules on the one hand and the isolation of the substance in a very short time on the other hand and thus also allows the detection, for example, also atmospheresensible or otherwise sensitive substances for the identification of metabolites (Metabolomics), respiratory condensates , Cerebrospinal fluid (cerebrospinal fluid) or microbiopsy specimens.
  • the risk of thermal decomposition during ionization of the molecules is thus benso reduced as a fragmentation of the substances to be examined.
  • the generally small sample volume required for a reliable analysis enables important future applications such as microtechnical analysis systems (LabOnChip), for example, a substance separation in fluidic chips in a confined space or with large throughputs for the isolation of trace constituents with very low concentrations.
  • LabOnChip microtechnical analysis systems
  • the very high separation efficiency in a very short time and the required need for analytes after the separation in the picoliter range are advantageous.
  • FIGS. 7a to 7c show spectra, likewise determined in a device according to FIG. Fig.l, but with UV ionization.
  • 100 and 12O 0 C were selected (see Fig.7a, b and c).
  • the solution used as the model substance consisted of 10 mg / L N-acyl homoserine lactone (HSL) with carbon chains with 4, 6, 8, 10, 12 and 14 carbon chain length (in Figure 7a to c as c4 to cl4) in methanol , where the proportions of the respective chain lengths in the solution were identical in all three experiments.
  • HSL are signal substances that play an important role in the inter-bacterial communication of some bacteria.
  • a selectivity of the HSL given by the temperature of the heating element surface is clearly recognizable as a function of the chain length. While short-chain HSL, in particular the C4 and C6-HSL outweigh predominantly at evaporation temperatures up to 100 0 C (see FIG. 7a and b), they occur at 12O 0 C compared to the longer-chain cl2 and C14-HSL in the background (see FIG. Fig.7c). While C14-HSL practically at 80 0 C does not occur (see FIG. 7a) in appearance, it forms the highest peak at 120 0 C.
  • This experimental example illustrates the possibility of controlling the selectivity using the example of a temperature dependence of a solution with several target substances. Higher temperatures increasingly evaporate the larger molecules of more polar target substances, while shorter-chain target substances have lower thermal stability and lower temperatures evaporate. This selectivity can also be used to confine initially unknown target substances in a solution.

Abstract

The invention relates to a method for detecting at least one target substance, comprising the steps of converting molecules of at least one of the target substances to a gaseous state and a spectrometric detection of the molecules. The aim of the invention is to significantly increase the resolution of the method with regard to its detection limit and selectivity. The invention is characterized in that the conversion includes mixing/dissolving, forming an aerosol and evaporating at least one of the target substances with a solvent, the molecules being integrated into a gas phase, and the spectrometric detection includes an ionization of the molecules in the gas phase to give ions.

Description

Verfahren und Vorrichtung für den Nachweis von mindestens einer Ziel- substanzMethod and device for the detection of at least one target substance
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für den Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz gemäß des ersten bzw. des elften Patentanspruchs.The invention relates to a method and a device for the detection of at least one target substance according to the first and the eleventh patent claim.
Bei Nachweisen der vorgenannten Art werden im Rahmen alle oder ein Teil von Substanzen erfasst, die aus einem Gemisch als Moleküle in einen gasförmigen Zustand überführbar sind, ionisiert und einem anschließenden Nachweis in einem Massensprektrometer zugeführt werden. Massenspektrometer sind für die Analyse von chemischen Substanzen aus Gasen oder aus Stäuben in verschiedenen Bauformen hinlänglich bekannt .In the case of detection of the aforementioned type, all or part of substances which can be converted from a mixture into a gaseous state as molecules are ionized and supplied to a subsequent detection in a mass spectrometer. Mass spectrometers are well known for the analysis of chemical substances from gases or dusts in various types.
Aus der US 6.797.944 ist ein Verfahren zur Laserdesorption bekannt, bei dem Substanzen durch Einwirkung eines gepulsten Infrarotlichts von einer Oberfläche zur Weiterleitung zu einem chemischen Analysesystem, wie z.B. ein Massenspektrometer molekular oder atomar desor- biert werden. Durch die Pulslänge und Pulswiederholungsrate lassen sich bestimmte Substanzen selektiv desorbieren.From US 6,797,944 a method of laser desorption is known in which substances are formed by the action of a pulsed infrared light from a surface for transmission to a chemical analysis system, e.g. a mass spectrometer can be desorbed molecularly or atomically. Due to the pulse length and pulse repetition rate, certain substances can be selectively desorbed.
Ferner wird in der WO05/047848 ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Lösung mit einer Zielsubstanz in einer Mikrokanalstruktur verdampft und mit einem Trägergas zur Ionisierung einer Corona-Zone zugeführt wird. Anschließend erfolgt ein Nachweis der Ionen.Furthermore, WO05 / 047848 describes a process in which a solution with a target substance is evaporated in a microchannel structure and supplied with a carrier gas for ionization of a corona zone. This is followed by detection of the ions.
Ein Nachweis einer Vielzahl von Zielsubstanzen in einem Gemisch erfordert jedoch nicht nur eine signifikant erhöhte Selektivität des zur Anwendung kommenden Verfahrens, sondern auch erweiterte Nachweisgrenzen.However, detection of a large number of target substances in a mixture requires not only a significantly increased selectivity of the method used, but also extended detection limits.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz vorzuschlagen, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch ein signifikant erhöhtes Auflösungsvermögen in der Nachweisgrenze sowie in der Selektivität auszeichnet.Based on this, the object of the invention is to propose a method and an apparatus for the detection of at least one target substance, which differs from the prior art by a significantly increased resolving power in the detection limit and in the selectivity distinguishes.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 11 gelöst. Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The object is achieved with a method and a device having the features of claims 1 and 11, respectively. The referenced to this subclaims give advantageous embodiments again.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für den Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .The invention relates to a method for the detection of at least one target substance and to an apparatus for carrying out the method.
Das Verfahren umfasst eine Überführung von Molekülen mindestens einer der Zielsubstanzen in einen gasförmigen Zustand sowie einen anschließenden spektrometrischen Nachweis der Moleküle, vorzugsweise mit Hilfe eines Massenspektrometers .The method comprises a transfer of molecules of at least one of the target substances into a gaseous state and a subsequent spectrometric detection of the molecules, preferably by means of a mass spectrometer.
Ein wesentliches Merkmal ist, dass die Überführung der Moleküle eine lösliche Vermischung, eine Aerosolbildung und Verdampfung mindestens einer der Zielsubstanzen mit einem Lösungsmittel umfasst, wobei die Moleküle in eine Gasphase integriert werden.An essential feature is that the transfer of the molecules comprises a soluble mixing, an aerosol formation and evaporation of at least one of the target substances with a solvent, wherein the molecules are integrated into a gas phase.
Die lösliche Vermischung der Moleküle umfasst eine in Lösung Bringung der Zielsubstanz oder der Zielsubstanzen in ein Lösungsmittel, was eine Löslichkeit der Zielsubstanz mit dem Lösungsmittel im flüssigen und/oder gasförmigen Zustand voraussetzt. Nur im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung schließt dies ein Einemulgieren oder Ein- dispergieren eines Teils der Zielsubstanz in das Lösungsmittel aus. In dem Falle erfolgt nur eine selektive lösliche Vermischung eines Teils der Zielsubstanz, während der verbleibende andere Teil der Zielsubstanzen mit dem Lösungsmittel unlöslich ist und folglich sich nicht im Lösungsmittel molekular verteilt. In einer weiteren bevorzugten Form erfolgt eine gezielt Ausnutzung von sich temperaturabhängigen Löslichkeiten einer Zielsubstanz mit dem Lösungsmittel, wobei eine Einmischung dieser Zielsubstanz in das Lösungsmittel allein durch die Wahl und Einstellung einer bestimmter Vermischungstempera- turen zwischen einer löslichen und einer unlöslichen, z.B. emulgie- renden Einmischung erfolgt .The soluble mixing of the molecules comprises in solution bringing the target substance or substances into a solvent, which presupposes a solubility of the target substance with the solvent in the liquid and / or gaseous state. Only within the scope of an advantageous embodiment does this exclude emulsifying or dispersing a portion of the target substance into the solvent. In that case, only a selective soluble mixing of a part of the target substance takes place, while the remaining other part of the target substances is insoluble in the solvent and consequently does not become molecularly distributed in the solvent. In a further preferred form, a targeted utilization of temperature-dependent solubilities of a target substance with the solvent takes place, with an admixture of this target substance in the solvent being determined solely by the selection and setting of a specific mixing temperature. between a soluble and an insoluble, eg emulsifying interference.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst eine lösliche Vermischung einer oder mehrerer Zielsubstanzen mit dem Lösungsmittel in der Gegenwart einer zusätzlichen Trägersubstanz, wobei die Trägersubstanz vorzugsweise als Partikel oder als Flüssigkeit im Lösungsmittel löslich ist und die Moleküle adsorbiert. Die Adsorption erfolgt bevorzugt vor der Vermischung. Bei der Vermischung werden dann die adsorbierten Zielsubstanzen über die sich lösenden Trägersubstanzen im Lösungsmittel transportiert, homogen, vorzugsweise als Moleküle oder Molekülgruppen verteilt und so auch im Falle einer Unlöslichkeit mit dem Lösungsmittel im Idealfall molekular eingemischt.A further advantageous embodiment comprises a soluble mixing of one or more target substances with the solvent in the presence of an additional carrier substance, wherein the carrier substance is preferably soluble as a particle or as a liquid in the solvent and adsorbs the molecules. The adsorption preferably takes place before the mixing. During the mixing, the adsorbed target substances are then transported via the dissolving carrier substances in the solvent, homogeneously, preferably distributed as molecules or molecular groups, and thus in the case of insolubility with the solvent, ideally molecularly mixed.
Eine Vermischung erfolgt vorzugsweise kontinuierlich durch Zusammenführung der Zielsubstanzen und des Lösungsmittels. Mikro- vermischer, beispielhaft offenbart in der DE 199 28 123 Al, fördern in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche spontane Simultanvermischung zweier Flüssigkeiten.Mixing is preferably carried out continuously by combining the target substances and the solvent. Micromixers, disclosed by way of example in DE 199 28 123 A1, advantageously promote continuous spontaneous simultaneous mixing of two liquids.
Ferner stellt eine zusätzliche Ausstattung der Mischvorrichtung mit einer Trennvorrichtung wie z.B. HPLC (Vorrichtung zur Hochleistungsflüssigkeitchromatographie) oder elektrophoretische Trennvorrichtungen (z.B. auf der Basis einer Kapillarelektrophorese) zur Separierung von mehreren Zielsubstanzen vor oder nach der Vermischung mit den Lösungsmitteln eine zusätzliche Ausführungsform dar.Furthermore, an additional equipment of the mixing device with a separation device such. HPLC (high performance liquid chromatography apparatus) or electrophoretic separators (e.g., based on capillary electrophoresis) for separating a plurality of target substances before or after mixing with the solvents is an additional embodiment.
Die Erfindung schließt auch die Verwendung von mehreren Lösungsmitteln mit ein, wobei bevorzugt in jedes Lösungsmittel eine oder mehrere Zielsubstanzen separat eingemischt werden und die entstandenen Lösungen anschließend zusammengeleitet werden.The invention also includes the use of a plurality of solvents, wherein preferably one or more target substances are mixed separately into each solvent and the resulting solutions are then combined.
Gemeinsam mit oder nach der löslichen Vermischung erfolgt eine Aerosolbildung, bei der die Zielsubstanzen mit dem oder den Lösungsmitteln zu einem Aerosol zerstäubt werden. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung umfasst die Aerosol - bildung durch einen Aerosolbildner. Vorzugsweise erfolgt dies durch Tröpfchenbildung mittels Dispensor, wobei eine vorgegebene Anzahl von Tröpfchen vorzugsweise mit gleich bleibender Tröpfchengröße (10 bis 200 pL, vorzugsweise 20 bis 100 pL, weiter bevorzugt zwischen 30 und 80 pL, weiter bevorzugt 40 bis 60 pL Volumen) und Substanzgemischverhältnis (Zielsubstanzen und Lösungsmittel) erzeugbar sind, oder zusammen mit einer Vermischung mittels einer Zwei- oder Mehrstoffdüse. Dispensoren eignen sich sowohl für eine Zerstäubung der Lösung nach einer Vermischung wie auch durch separate Zerstäubung der zu mischenden Lösungsmittel und Zielsubstanzen in eine gemeinsame Aerosol- wölke. Es liegt innerhalb der Erfindung, die Aerosolbildung durch zusätzliche Maßnahmen am Aerosolbildner durch zu fördern, beispielsweise durch eine Beaufschlagung der zu dispergierenden Flüssigkeit oder Lösung mit Ultraschallwellen oder durch elektrischen Ladungen (Elekt- rospray) , wobei gleichartig elektrisch geladene Flüssigkeitspartikel sich nicht nur gegenseitig abstoßen, sondern auch in einem elektrischen Feld über zu einer Gegenelektrode wie z.B. durch ein Heizelement in der vorgenannte Verdampfungsvorrichtung elektrisch angezogen werden.Together with or after the soluble mixing takes place an aerosol formation in which the target substances are atomized with the solvent (s) to form an aerosol. Another essential feature of the invention comprises aerosol formation by an aerosol former. Preferably, this is done by droplet formation by means of a dispenser, wherein a predetermined number of droplets preferably with the same droplet size (10 to 200 pL, preferably 20 to 100 pL, more preferably between 30 and 80 pL, more preferably 40 to 60 pL volume) and substance mixture ratio ( Target substances and solvents) can be produced, or together with a mixing by means of a two- or multi-fluid nozzle. Dispensers are suitable both for atomization of the solution after mixing as well as by separate atomization of the solvent to be mixed and target substances in a common aerosol cloud. It is within the invention to promote the formation of aerosol by additional measures on the aerosol, for example by applying the liquid or solution to be dispersed with ultrasonic waves or electric charges (Elekt- rospray), wherein similarly electrically charged liquid particles not only repel each other, but also be electrically attracted in an electric field to a counter electrode such as by a heating element in the aforementioned evaporation device.
Alternativ ist eine Aerosolbildung auch über eine Vorrichtung durch Blasenplatzen realisierbar, bei der eine sprudelnde, siedenden oder eine in sonstiger Weise Gasbläschen bildende Flüssigkeit, umfassend Lösungsmittel und alle oder nur ein Teil der Zielsubstanzen in einem offenen Gefäß angeordnet ist. Die sich bildenden Gasbläschen steigen zu der Flüssigkeitsoberfläche und zerplatzen dort, wobei durch die sich dabei entspannende Bläschenoberfläche Aerosoltropfen freigesetzt werden. Die Zielsubstanzen in der Flüssigkeit mischen sich bei der Bildung in die Gasvolumina oder an den an die Gasvolumina angrenzenden Flüssigkeitsgrenzflächen der Bläschen ein und werden beim Zerplatzen vorn dort aus mit dem Lösungsmittel als Aerosoltropfen in die Umgebungsatmosphäre freigesetzt. Zusätzliche Stoffe in der Lösung wie oberflächenaktiven Substanzen (z.B. Tenside, Schäumungsmittel) mit möglichen Struktur- spezifischen Affinitäten zur Zielsubstanz beeinflussen oder fördern eine selektive Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in den Blasen und in den beim Blasenplatzen entstehenden Tröpfchen. Ebenso lässt sich eine optionale direkte Verdampfung des Schaums an der vorgewärmten Heizelementoberfläche auch für eine gezielte Anreicherung und Messung der Zielsubstanzen heranziehen.Alternatively, aerosol formation can also be achieved by means of bubble bursting, in which a bubbling, boiling or otherwise gas bubble-forming liquid comprising solvent and all or only some of the target substances are arranged in an open vessel. The forming gas bubbles rise to the liquid surface and burst there, which are released by the thereby relaxing bubble surface aerosol droplets. The target substances in the liquid mix in the formation in the gas volumes or at the adjacent to the gas volumes liquid interfaces of the bubbles and are released when bursting out there from there with the solvent as aerosol drops in the ambient atmosphere. Additional substances in the solution, such as surface-active substances (eg surfactants, foaming agents) with possible structure-specific affinities for the target substance influence or promote a selective concentration of the target substance in the bubbles and in the droplets that arise during bubble bursting. Likewise, an optional direct evaporation of the foam on the preheated heating element surface can also be used for targeted enrichment and measurement of the target substances.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung umfasst eine Verdampfung des als Aerosol vorliegenden Lösungsmittels mit der oder den Zielsubstanzen. Die Verdampfung erfolgt vorzugsweise thermisch auf einer Heizelementoberfläche mit einer Oberflächentemperatur bevorzugt oberhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels, wobei sich die Zielsubstanzen bevorzugt molekular von den Lösungsmittelgasen transportiert werden und sich gasförmig ausbreiten. Liegt die Oberflächentemperatur unterhalb einer Siedetemperatur eines der Zielsubstanzen, werden Aerosolanteile (d.h. keine Einzelmoleküle oder Molekülgruppen) aus dieser Zielsubstanz selektiv nicht oder signifikant langsamer verdampft, verbleiben länger z.B. auf der Heizelementoberfläche und werden auf diese Weise von der sich bildenden Gasphase ferngehalten oder abgetrennt. Diesen Effekt kann man z.B. auch für eine selektive Anreicherung einer bestimmten Zielsubstanz auf der Heizelementoberfläche ausnutzen. Durch ein impulsweises Aufheizen zur Verdampfung sind die angereicherten Zielsubstanzen in die Gasphase überführbar und stehen somit vorteilhaft in aufkonzentrierter Form einer weiteren Analyse z.B. in einem Massenspektrometer zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich nicht nur die Nachweisgrenzen bestimmter Zielsubstanzen nach unten verschieben, sondern auch eine stoffliche Auftrennung von Zielsubstanzgruppen insbesondere bei vielen Zielsubstanzen realisieren.Another essential feature of the invention comprises evaporation of the solvent present as an aerosol with the target substance (s). The evaporation is preferably carried out thermally on a Heizelementoberfläche with a surface temperature preferably above the boiling temperature of the solvent, wherein the target substances are preferably transported molecularly from the solvent gases and spread in gaseous form. If the surface temperature is below a boiling temperature of one of the target substances, aerosol fractions (i.e., not single molecules or molecular groups) from that target substance are selectively or not significantly significantly evaporated more slowly, e.g. on the Heizelementoberfläche and are kept away or separated in this way from the forming gas phase. This effect can be achieved e.g. also for a selective enrichment of a specific target substance on the Heizelementoberfläche exploit. By pulsed heating for evaporation, the enriched target substances are convertible into the gas phase and thus are advantageously in concentrated form for further analysis, e.g. available in a mass spectrometer. In this way not only the detection limits of certain target substances can be shifted downwards, but also a material separation of target substance groups, in particular with many target substances, can be realized.
Eine erhöhte integrale oder selektiv auf mindestens eine der Zielsubstanzen gerichtete Adhäsionsneigung ist durch eine Behandlung oder Beschichtung der Heizelementoberfläche erzielbar. Beispielsweise lässt eine funktionale Beschichtung mit Nanopartikel oder einer PoIy- mer-Adsorptionsbeschichtung (enthaltend oder bestehend aus Nanoparti- kel oder chemische Polymer-Adsorptionsbeschichtung) eine Aufkonzentrierung von den Zielsubstanzen mit einer erhöhten Adsorptionsneigung zu. Die über eine bestimmte Zeit aufkonzentrierten Zielsubstanzen sind auf der beschichteten oder behandelten Heizelementoberfläche als abgeschlossene Probe einem weiteren Analyseverfahren auch quantitativ erfassbar.Increased integral or selective adhesion to at least one of the target substances is achievable by treatment or coating of the heating element surface. For example, a functional coating with nanoparticles or a polymer adsorption coating (containing or consisting of nanoparticles) can be used. Kel or chemical polymer adsorption coating) to a concentration of the target substances with an increased adsorption tendency. The target substances concentrated over a certain time can also be detected quantitatively on the coated or treated heating element surface as a closed sample by a further analysis method.
Eine Verdampfung eines Aerosols, das durch ein Platzen von in Flüssigkeit aufsteigenden Gasbläschen entstanden ist, erfolgt vorzugsweise durch ein über der Flüssigkeitsoberfläche angeordnetes Heizelement. Die Heizelementoberfläche ist bevorzugt horizontal angeordnet.Evaporation of an aerosol, which has arisen due to bursting of gas bubbles rising in liquid, is preferably carried out by means of a heating element arranged above the liquid surface. The heating element surface is preferably arranged horizontally.
Eine weitere Ausführung umfasst ein offenporiges Heizelement, wobei das Aerosol durch die offenen Poren durchtritt und dabei verdampft wird. Die offene Porosität bilden dabei die Heizkapillaren, deren Wandungen die Heizelementoberflächen darstellt und ggf. im o. g. Sinne beschichtet oder behandelt sind. Durch eine Unterdruckansaugung wird das Aerosol durch die Heizkapillaren angesaugt. Bei der Ausführung mit einer Aerosolbildung durch aufsteigende platzende Gasbläschen ist das offenporige Heizelement vorzugsweise plattenförmig o- berhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet.Another embodiment comprises an open-pore heating element, wherein the aerosol passes through the open pores and is thereby evaporated. The open porosity form the heating capillaries whose walls represent the Heizelementoberflächen and possibly in o. G. Senses are coated or treated. By a vacuum suction, the aerosol is sucked through the heating capillaries. In the embodiment with an aerosol formation by ascending bursting gas bubbles, the open-pore heating element is preferably arranged plate-shaped above the surface of the liquid.
Die Erfindung umfasst ferner eine Ionisierung sowie Mittel zur Ionisierung von Molekülen oder Molekülgruppen der Zielsubstanz in der Gasphase zu Ionen. Die Ionisierung erfolgt vorzugsweise als Photoionisierung bevorzugt mit einer Laserlicht- VUV- oder UV-Quelle. In einer bevorzugten Ausführungsform dient die Laserlicht- VUV- oder UV- Quelle nicht nur der Photoionisierung, sondern auch der integralen oder lokalen Aufheizung der Heizelementoberfläche, entweder als einzige oder als zusätzliche Energiequelle.The invention further comprises ionization and means for ionizing molecules or molecular groups of the target substance in the gas phase into ions. The ionization is preferably carried out as photoionization, preferably with a laser light VUV or UV source. In a preferred embodiment, the laser light VUV or UV source serves not only for photoionization, but also for integral or local heating of the heater surface, either as a single or as an additional energy source.
Ferner umfasst die Erfindung einen spektrometrischen Nachweis sowie ein Massenspektrometer zur Durchführung dieses Nachweises. Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Verfahren und die Vorrichtung für den quantitativen Nachweis bestimmter biologischer oder biochemischer Substanzen wie Axeropthene, Retinole, Terpineole, Citrale, Ge- ranylacetate, Nootkatione, Bisabolene oder Decane als Zielsubstanz absolut oder aus einer Substanzmischung heranzuziehen, wobei die Heizelementoberflächen auch durch natürliche oder bearbeitete Probenoberflächen bis hin zu Pfanzenteilen oder Gewebeproben bildbar sind und z.B. durch Lichtanstrahlung erwärmbar sind. Der Nachweis schließt in vitro-Untersuchungen an Körperflüssigkeiten sowie in situ-Unter- suchungen mit ein.Furthermore, the invention comprises a spectrometric detection as well as a mass spectrometer for carrying out this detection. It is within the scope of the invention to use the method and apparatus for the quantitative detection of certain biological or biochemical substances such as axeropthenes, retinols, terpineols, citrals, geranylacetates, nootkationse, bisabolenes or decanes as the target substance in absolute form or from a substance mixture, wherein the Heating element surfaces can also be formed by natural or processed sample surfaces up to parts of the carcass or tissue samples and can be heated by light irradiation, for example. Evidence includes in vitro studies of body fluids as well as in situ studies.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention will be explained in more detail with reference to embodiments and figures. Show it
Fig.l ein erstes Ausführungsbeispiel mit unbeschichteten Heizelement,Fig.l a first embodiment with uncoated heating element,
Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit beschichteten Heizelement,2 shows a second embodiment with coated heating element,
Fig.3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit aufsteigenden und an einer Flüssigkeitsoberfläche zerplatzenden Gasbläschen zur Aerosolbildung,3 shows a third embodiment with rising and bursting on a liquid surface gas bubbles for aerosol formation,
Fig.4a bis c weitere Ausführungsbeispiele mit Ansaugkapillaren zu einem Massenspektrometer,4a to c further embodiments with Ansaugkapillaren to a mass spectrometer,
Fig.5 ein Ausführungsbeispiel mit einer Verdampfungsvorrichtung mit Laserscanner sowie5 shows an embodiment with an evaporation device with laser scanner and
Fig.6 ein im Rahmen der Erfindung ermitteltes Massenspektrum für einen Tropfen einer 1 mg/L-Lösung aus D10-pyrene in Methanol sowieFigure 6 is a determined within the scope of the invention mass spectrum for a drop of a 1 mg / L solution of D10-pyrene in methanol and
Fig.7a bis c jeweils ein im Rahmen der Erfindung ermitteltes Massenspektrum einer 10 mg/L HSL Standardlösung bei 800C (a) , 1000C (b) und 1020C (c) Verdampfungstemperatur. Wie in Fig.l bis 5 dargestellt, umfassen die Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung für den Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz einen Dispensor 1 (Fig.l, 2, 4 und 5) oder eine Gasbläschen 6 bildende Flüssigkeit 7 (Fig.3) als Aerosolbildner, der mit seiner Hauptstrahlrichtung 2 des Aerosols auf die Heizelementoberfläche 3 ausgerichtet ist. Trifft das Aerosol auf die Heizelementoberfläche 3, entsteht durch Verdampfung eine Gasphasenwolke 4, die dann mit einem Lichtstrahl 5 einer Laser- , UV- oder VUV-Quelle 8 angestrahlt wird und die Moleküle der Zielsubstanzen ionisiert. Die Ionisierten Moleküle werden aus der Gasphasenwolke abgezogen und in ein Mas- senspektrometer 11 weitergeleitet7a to c are each a determined within the scope of the invention mass spectrum of a 10 mg / L HSL standard solution at 80 0 C (a), 100 0 C (b) and 102 0 C (c) evaporation temperature. As illustrated in FIGS. 1 to 5, the exemplary embodiments of a device for the detection of at least one target substance comprise a dispenser 1 (FIGS. 1, 2, 4 and 5) or a gas bubble 6 forming liquid 7 (FIG. 3) as aerosol former , which is aligned with its main radiation direction 2 of the aerosol on the Heizelementoberfläche 3. When the aerosol hits the heating element surface 3, a gas phase cloud 4 is formed by evaporation, which is then irradiated with a light beam 5 from a laser, UV or VUV source 8 and ionizes the molecules of the target substances. The ionized molecules are withdrawn from the gas phase cloud and forwarded to a mass spectrometer 11
Fig.2 zeigt beispielhaft eine Beschichtung 9 auf dem Heizelement 10, z.B. eine der vorgenannten funktionale Beschichtung mit Nanopartikel (vgl. Fig.4c und d) . Die Aufheizung der Heizelementoberfläche 3, d.h. die für das Aerosol zur Verdampfung freiliegenden Oberfläche, erfolgt somit indirekt durch die Beschichtung.Fig. 2 shows by way of example a coating 9 on the heating element 10, e.g. one of the abovementioned functional coating with nanoparticles (compare FIGS. 4 c and d). The heating of the heating element surface 3, i. the surface exposed to evaporation for the aerosol is thus indirectly through the coating.
Fig.l, 4a, 4c und 5 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen der Lichtstrahl 5 auf die Heizelementoberfläche 3 gerichtet ist und als eigenständige oder zusätzliche Heizung für die Verdampfung heranziehbar ist. Sie sind in diesen Fällen auch Bestandteil der Verdampfungsvorrichtung.Fig.l, 4a, 4c and 5 show embodiments in which the light beam 5 is directed to the Heizelementoberfläche 3 and is heranziehbar as a separate or additional heating for the evaporation. In these cases they are also part of the evaporation device.
Fig.5 gibt ein Ausführungsbeispiel wieder, bei dem der Lichtstrahl 5 auf der Heizelementoberfläche einer zellenförmige Scanbewegung 12 folgt und damit zeitaufgelöst nur die unmittelbar mit Lösungsmittel angestrahlten Substanzen auf den Oberflächenbereiche zur Verdampfung bringt. Eine derartige Ausführungsform eignet sich bevorzugt für Adsorptionsuntersuchungen von Zielsubstanzen auf natürlichen oder nachbearbeiten Oberfläche mit mehreren unterschiedlichen Oberflächenbereichen als Heizelementoberfläche. Die Aufheizung der Heizelemente erfolgt bevorzugt ausschließlich durch den Lichtstrahl. - S -5 shows an exemplary embodiment in which the light beam 5 follows a cell-shaped scanning movement 12 on the heating element surface and thus, with time resolution, brings only the substances which are directly irradiated with solvent onto the surface regions for evaporation. Such an embodiment is preferably suitable for Adsorptionsuntersuchungen of target substances on natural or post-processing surface with several different surface areas as Heizelementoberfläche. The heating of the heating elements is preferably carried out exclusively by the light beam. - S -
Fig.4a bis c zeigen beispielhaft Vorrichtungen, bei denen die Moleküle in der Gasphase durch eine Kapillare 14 angesaugt werden und zum Massenspektrometer 11 weitergeleitet werden. Fig.4a (vgl. auch Fig.5) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kapillare in der Gasphasenwolke 4 endet, vorzugsweise an oder möglichst nahe an der Stelle auf dem Heizelement, an der die Gasphase durch Verdampfung entsteht. Fig.4b zeigt im Gegensatz zu allen anderen gezeigten Systemen beispielhaft ein Ausführungsbeispiel mit Verdampfungskammer 13 (geschlossenes System) . Ferner kann die Kapillare 14 auf ihrem Weg zum Massenspektrometer 11 von einer Ionisierungskammer 15 mit Ionisierungsmitteln wie z.B. einer Laser-, UV- oder VUV-Quelle 8 (vgl. Fig.4b) und/oder mit einer GC-Kapillaren 16 (vgl. Fig. 4c) versehen sein. Eine Hintereinanderschaltung der beiden vorgenannten Ionisierungskammer und GC-Kapiilare in der Kapillare ist grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge möglich. Die Wirksamkeit einer GC-Kapillare ist jedoch auch von einer Ionisierung der durchgeleiteten Substanzen abhängig, wobei eine Reproduzierbarkeit einer Substanzauftrennung insbesondere bei nicht ionisierten Substanzen gewährleistet ist. Daher umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eine Kapillare 14 mit integrierter Ionisierungskammer 15 und GC-Kapiilare 16, wobei die Ionisierungskammer einer oder mehrerer GC-Kapillaren nachgeschaltet und dem Massenspektrometer 11 direkt vorgeschaltet ist (vgl. Fig.4d) .4 a to c show by way of example devices in which the molecules are aspirated in the gas phase through a capillary 14 and forwarded to the mass spectrometer 11. 4a (see also Fig. 5) shows an embodiment in which the capillary terminates in the gas phase cloud 4, preferably at or as close as possible to the point on the heating element at which the gas phase is formed by evaporation. FIG. 4 b shows by way of example an embodiment with evaporation chamber 13 (closed system) in contrast to all other systems shown. Further, on its way to the mass spectrometer 11, the capillary 14 may be separated from an ionization chamber 15 with ionizing means, e.g. a laser, UV or VUV source 8 (see Fig. 4b) and / or with a GC capillaries 16 (see Fig. 4c) be provided. A series connection of the two aforementioned ionization chamber and GC Kapiilare in the capillary is basically possible in any order. However, the effectiveness of a GC capillary is also dependent on ionization of the substances passed through, with reproducibility of a substance separation being ensured, in particular in the case of non-ionized substances. Therefore, a preferred embodiment comprises a capillary 14 with integrated ionization chamber 15 and GC capillary 16, wherein the ionization chamber downstream of one or more GC capillaries and the mass spectrometer 11 is connected directly upstream (see Figure 4d).
Grundsätzlich ist aber auch eine Ionisierung von Molekülen an zwei Stellen, d.h. wie z.B. sowohl an der Heizelementoberfläche (vgl. Fig.l, 2, 3, 4a, 4c und 5) und in einer separaten Ionisierungskammer (vgl. Fig.4b und 4d) insbesondere in Kombination mit anderen Trennvorrichtungen wie z.B. eine GC-Kapillare für eine Optimierung der Selektivität des Verfahrens für bestimmte Zielsubstanzen nutzbar.In principle, however, it is also an ionization of molecules in two places, i. such as. both on the heater surface (see Figures 1, 2, 3, 4a, 4c and 5) and in a separate ionization chamber (see Figures 4b and 4d), especially in combination with other separation devices, e.g. a GC capillary can be used to optimize the selectivity of the method for specific target substances.
Fig.6, 7a bis c sowie 8 geben beispielhaft Massenspektren, d.h. die Intensitäten 18 aufgetragen über das Verhältnis aus Masse zu Ladung 17 wieder, wie sie bei Versuchen im Rahmen der Erfindung ermittelt wurden. Die für die Versuche herangezogenen Lösungsmittel sind kommerziell erhältliche Produkte von analytischer Qualität. Das in Fig.6 dargestellte Spektrum gibt die Sensitivität des Verfahrens wieder. Es wurde an einer Vorrichtung gem. Fig.l, mit Laserionisierung d.h. mit einer Verdampfung von Einzeltropfen (Tropfenvolumen 52,5 pL) durch einen Dispensor an einer unbeschichteten Heizelementoberfläche ermittelt. Das Ergebnis gibt die Auflösung eines einzigen Tropfens einer Lösung aus 1 mg/L DlO Pyren in Methanol als Peak 19 wieder. Dieser Peak ragt selbst bei der Auswertung eines Tropfens signifikant über die ihn umgebenden Signale heraus; das Verfahren weist eine hohe Sensitivität, d.h. eine niedrige Nachweisgrenze auf.6, 7a to c and 8 give by way of example mass spectra, ie the intensities 18 plotted against the ratio of mass to charge 17 again, as determined in experiments within the scope of the invention. The solvents used for the experiments are commercially available products of analytical quality. The spectrum shown in FIG. 6 reflects the sensitivity of the method. It was according to a device. Fig.l, with laser ionization ie with an evaporation of single drops (drop volume 52.5 pL) determined by a dispenser on an uncoated heating element surface. The result represents the resolution of a single drop of a solution of 1 mg / L DlO pyrene in methanol as peak 19. Even with the evaluation of a drop, this peak stands out significantly over the signals surrounding it; the method has a high sensitivity, ie a low detection limit.
Eine Ermittlung eines Spektrums gem. Fig.6 lässt sich mit einer schnellen Trennungen mit einer UPLC-Anlage (Ultra Performance Liquid Chromatographie, HPLC Hochleistungsflüssigkeitschromatografie) wie folgt erheblich beschleunigen. Ausgangsprodukt war dabei eine Mischung aus mehreren polzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH), die zunächst der UPLC-Trennung zugeführt wurde. Die zu untersuchenden separierten PAH werden dann mit einem Mischungsverhältnis zwischen 30 und 100% in Acetonitrile bei einem Flussrate 0,9 mL/min in 0,5 min eingemischt, gefolgt von einem isokratischen Fluss (100% Acetonitril) von 0,2 min zur Homogenisierung. Auf diese Weise ließ sich innerhalb von 1,2 min eine D10-Pyren-Fraktion von 52,5 pL (1A determination of a spectrum gem. FIG. 6 can be considerably accelerated with a rapid separation with a UPLC system (Ultra Performance Liquid Chromatography) as follows. Starting product was a mixture of several polyscyclic aromatic hydrocarbons (PAH), which was initially supplied to the UPLC separation. The separated PAH to be tested are then mixed in a ratio of between 30 and 100% in acetonitriles at a flow rate of 0.9 mL / min in 0.5 min, followed by an isocratic flow (100% acetonitrile) of 0.2 min for homogenization , In this way, a D10-pyrene fraction of 52.5 pL (1
Tropfen) aus einer Gesamtfraktion am Ausgangsprodukt von 1080 μl isolieren, mit z.B. einem Dispensor dosieren, mit einer UV-Quelle der eingangs genannten Art ionisieren, mit ICR-FT-Massenspektrometer de- tektieren und ein Spektrum gem. Fig.6 ermitteln.Drop) from a total fraction of the starting product of 1080 μl, with e.g. dosing with a dispenser, ionizing with a UV source of the type mentioned in the beginning, detecting with an ICR-FT mass spectrometer and measuring a spectrum acc. Determine Fig.6.
Die vorgenannte Vorgehensweise zeichnet sich durch eine schonende Aufgabe und Behandlung der Biomoleküle einerseits und die Isolierung der Substanz in sehr kurzer Zeit andererseits aus und ermöglicht damit auch die Erfassung z.B. auch atmosphärensensibler oder anderweitig empfindlicher Stoffe für die Identifikation von Metaboliten (Me- tabolomics) , Atemluftkondensate, Liquor cerebrospinalis (Gehirn- Rückenmarks -Flüssigkeit) oder Mikrobiopsieproben. Die Gefahr einer thermischen Zersetzung bei der Ionisation der Moleküle wird damit e- benso reduziert wie eine Fragmentierung der zu untersuchenden Substanzen. Die für eine zuverlässige Analyse erforderliche grundsätzlich geringe Probenmenge ermöglicht wichtige zukünftige Anwendungen wie z.B. mikrotechnischer Analysesysteme (LabOnChip) , umfassend z.B. eine Substanztrennung in fluidischen Chips auf engstem Raum oder mit großen Durchsätzen zur Isolierung von Spurenbestandteilen mit sehr geringen Konzentrationen. Vorteilhaft sind insbesondere die sehr hohe Trennleistung in kürzester Zeit sowie der erforderliche Bedarf an A- nalyten nach der Trennung im Pikoliterbereich .The aforementioned procedure is characterized by a careful task and treatment of the biomolecules on the one hand and the isolation of the substance in a very short time on the other hand and thus also allows the detection, for example, also atmospheresensible or otherwise sensitive substances for the identification of metabolites (Metabolomics), respiratory condensates , Cerebrospinal fluid (cerebrospinal fluid) or microbiopsy specimens. The risk of thermal decomposition during ionization of the molecules is thus benso reduced as a fragmentation of the substances to be examined. The generally small sample volume required for a reliable analysis enables important future applications such as microtechnical analysis systems (LabOnChip), for example, a substance separation in fluidic chips in a confined space or with large throughputs for the isolation of trace constituents with very low concentrations. In particular, the very high separation efficiency in a very short time and the required need for analytes after the separation in the picoliter range are advantageous.
Fig.7a bis c zeigen dagegen Spektren, ermittelt ebenfalls in einer Vorrichtung gem. Fig.l, allerdings mit UV-Ionisierung. Als Verdampfungstemperaturen auf der Heizelementoberfläche wurden 80, 100 und 12O0C (vgl. Fig.7a, b bzw. c) gewählt. Die als Modellsubstanz herangezogene Lösung bestand aus 10 Mg/L N-Acyl-Homoserine Lacton (HSL) mit Kohlenstoffketten mit 4, 6, 8, 10, 12 und 14 Kohlenstoffatomen Kettenlänge (in Fig.7a bis c als c4 bis cl4) in Methanol, wobei die Anteile der jeweiligen Kettenlängen in der Lösung bei allen drei Versuchen identisch waren. HSL sind Signalsubstanzen, die in der interbakteriellen Kommunikation einiger Bakterien eine wichtige Rolle einnehmen. In den ermittelten Spektren ist eine durch die Temperatur der Heizelementoberfläche vorgegebene Selektivität der HSL in Abhängigkeit der Kettenlänge deutlich erkennbar. Während kurzkettige HSL, insbesondere die c4 und C6-HSL überwiegend bei Verdampfungstemperaturen bis 1000C überwiegen (vgl. Fig.7a und b) , treten sie bei 12O0C gegenüber den länger kettigen cl2 und C14-HSL in den Hintergrund (vgl. Fig.7c) . Während C14-HSL bei 800C praktisch nicht in Erscheinung tritt (vgl. Fig.7a), bildet sie bei 1200C den höchsten Peak. Dieses Versuchsbeispiel verdeutlicht die Möglichkeit einer Steuerung der Selektivität am Beispiel einer Temperaturabhängigkeit einer Lösung mit mehreren Zielsubstanzen. Höhere Temperaturen verdampfen dabei zunehmend auch die größeren Moleküle höherpolarigerer Zielsubstanzen, während kurzkettigere Zielsubstanzen eine geringere thermisch Stabilität aufweisen und bereits bei geringeren Temperaturen verflüchtigen. Diese Selektivität lässt sich auch für eine Eingrenzung zunächst unbekannter Zielsubstanzen in einer Lösung nutzen. FIGS. 7a to 7c, on the other hand, show spectra, likewise determined in a device according to FIG. Fig.l, but with UV ionization. As evaporation temperatures on the heating element surface 80, 100 and 12O 0 C were selected (see Fig.7a, b and c). The solution used as the model substance consisted of 10 mg / L N-acyl homoserine lactone (HSL) with carbon chains with 4, 6, 8, 10, 12 and 14 carbon chain length (in Figure 7a to c as c4 to cl4) in methanol , where the proportions of the respective chain lengths in the solution were identical in all three experiments. HSL are signal substances that play an important role in the inter-bacterial communication of some bacteria. In the determined spectra, a selectivity of the HSL given by the temperature of the heating element surface is clearly recognizable as a function of the chain length. While short-chain HSL, in particular the C4 and C6-HSL outweigh predominantly at evaporation temperatures up to 100 0 C (see FIG. 7a and b), they occur at 12O 0 C compared to the longer-chain cl2 and C14-HSL in the background (see FIG. Fig.7c). While C14-HSL practically at 80 0 C does not occur (see FIG. 7a) in appearance, it forms the highest peak at 120 0 C. This experimental example illustrates the possibility of controlling the selectivity using the example of a temperature dependence of a solution with several target substances. Higher temperatures increasingly evaporate the larger molecules of more polar target substances, while shorter-chain target substances have lower thermal stability and lower temperatures evaporate. This selectivity can also be used to confine initially unknown target substances in a solution.
Bezugszeichenliste :List of reference numbers:
1 Dispensor1 dispenser
2 Hauptstrahlrichtung2 main beam direction
3 Heizelementoberfläche3 heating element surface
4 Gasphasenwolke4 gas phase cloud
5 Lichtstrahl5 light beam
6 Gasbläschen6 gas bubbles
7 Flüssigkeit7 liquid
8 VUV-Quelle8 VUV source
9 Beschichtung9 coating
10 Heizelement10 heating element
11 Massenspektrometer11 mass spectrometers
12 Scanbewegung12 Scanning motion
13 Verdampfungskammer13 evaporation chamber
14 Kapillare14 capillaries
15 Ionisierungskammer15 ionization chamber
16 GC-Kapillare16 GC capillaries
17 Verhältnis aus Masse zu Ladung17 Ratio of mass to charge
18 Intensität18 intensity
19 Peak von DlO Pyren 19 peak of DlO Pyrene

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren für den Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz, umfassend a) eine Überführung von Molekülen mindestens einer der Ziel- substanzen in einen gasförmigen Zustand sowie b) einen spektrometrischen Nachweis der Moleküle, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Überführung eine lösliche Vermischung, Aerosolbildung und Verdampfung mindestens einer der Zielsubstanzen mit einem Lösungsmittel umfasst, wobei die Moleküle in eine Gasphase integriert werden, sowie d) der spektrometrische Nachweis eine Ionisierung der Moleküle in der Gasphase zu Ionen umfasst.1. A method for the detection of at least one target substance, comprising a) a transfer of molecules of at least one of the target substances in a gaseous state and b) a spectrometric detection of the molecules, characterized in that c) the transfer of a soluble mixing, aerosol formation and evaporating at least one of the target substances with a solvent, wherein the molecules are integrated into a gas phase, and d) the spectrometric detection comprises ionization of the molecules in the gas phase into ions.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vermischung mit dem Lösungsmittel selektiv nur einem Teil der Zielsubstanzen erfolgt, wobei der verbleibende Teil der Zielsubstanzen mit dem Lösungsmittel unlöslich ist.2. The method of claim 1, wherein the mixing with the solvent is selectively carried out only a part of the target substances, wherein the remaining part of the target substances is insoluble with the solvent.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Moleküle der Zielsubstanz vor der Vermischung mit dem Lösungsmittel mit einer zusätzlichen Trägersubstanz vermischt werden, wobei die Trägersubstanz mit dem Lösungsmittel löslich ist und die Moleküle adsorbiert.3. The method of claim 1 or 2, wherein the molecules of the target substance are mixed before mixing with the solvent with an additional carrier substance, wherein the carrier substance is soluble with the solvent and adsorbs the molecules.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Verdampfung auf einer Heizelementoberfläche mit einer Oberflächentemperatur oberhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels erfolgt .4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the evaporation takes place on a Heizelementoberfläche with a surface temperature above the boiling temperature of the solvent.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Oberflächentemperatur die Siedetemperatur mindestens einer Zielsubstanz nicht überschreitet. 5. The method of claim 4, wherein the surface temperature does not exceed the boiling temperature of at least one target substance.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei auf der Heizelementoberfläche mindestens eine der Zielsubstanzen durch eine erhöhte Adhäsionsneigung angebunden wird.6. The method of claim 4 or 5, wherein on the Heizelementoberfläche at least one of the target substances is bound by an increased adhesion tendency.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei alle oder nur ein Teil der Zielsubstanzen in einer Flüssigkeit als Lösungsmittel gelöst ist, in der sich Gasblasen mit Gasvolumina bilden, die Zielsubstanz sich bei der Bildung in die Gasvolumina oder an den an die Gasvolumina angrenzenden Flüssigkeitsgrenzflächen einmischt und die Aerosolbildung durch ein Zerplatzen der Gasblasen an der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, wherein all or only part of the target substances is dissolved in a liquid as a solvent in which gas bubbles form with gas volumes, the target substance in the formation in the gas volumes or adjacent to the gas volumes liquid interfaces mixes and the aerosol formation takes place by bursting of the gas bubbles on the liquid surface.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Ionisierung mittels einer Photoionisierung während und/oder nach der Verdampfung erfolgt, wobei die Zielsubstanzen und das Lösungsmittel auch unmittelbar vor und nach der Verdampfung von einer Laserlicht-, VUV- oder UV-Quelle bestrahlt werden.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the ionization by means of a photoionization during and / or after the evaporation takes place, wherein the target substances and the solvent are irradiated immediately before and after the evaporation of a laser light, VUV or UV source ,
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der für die Verdampfung erforderliche Energieeintrag durch die Laserlicht-, VUV- oder UV- Quelle erfolgt.9. The method of claim 8, wherein the required for the evaporation of energy input by the laser light, VUV or UV source.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Weiterleitung den verdampften Zielsubstanzen und den Lösungsmittel in eine Ionisierungskammer, in der die Zielsubstanzen und das Lösungsmittel nur nach der Verdampfung von einer Laserlicht-, VUV- oder UV-Quelle bestrahlt ionisiert werden.10. The method according to any one of the preceding claims 1 to 7, comprising forwarding the evaporated target substances and the solvent in an ionization chamber in which the target substances and the solvent are ionized irradiated only after evaporation from a laser light, VUV or UV source ,
11. Vorrichtung zum Nachweis von mindestens einer Zielsubstanz zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend a) eine Mischvorrichtung, ein Aerosolbildner (1) und eine Verdampfungsvorrichtung (3, 10) für das Lösungsmittel und Moleküle mindestens einer der Zielsubstanzen, b) eine Laserlicht-, VUV- oder UV-Quelle (8) für eine Photoionisierung der Moleküle zu Ionen sowie c) ein Massenspektrometer (11) zum spektroraetrischen Nachweis der Ionen.11. A device for detecting at least one target substance for carrying out a method according to one of the preceding claims, comprising a) a mixing device, an aerosol former (1) and an evaporation device (3, 10) for the solvent and molecules of at least one of the target substances, b) a laser light, VUV or UV source (8) for photoionization of the molecules into ions and c) a mass spectrometer (11) for the spectral detection of the ions.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mischvorrichtung und der Aerosolbildner eine Zweistoffdüse oder einen Dispensor (1) um- fasst .12. Device according to claim 11, wherein the mixing device and the aerosol former comprise a two-substance nozzle or a dispenser (1).
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mischvorrichtung und der Aerosolbildner eine Vorrichtung zur Aerosolbildung durch Blasenplatzen umfasst.13. The apparatus of claim 11, wherein the mixing device and the aerosol former comprises a device for aerosol formation by bubble bursting.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verdampfungsvorrichtung eine Heizelementoberfläche (3) umfasst.14. Device according to one of claims 11 to 13, wherein the evaporation device comprises a Heizelementoberfläche (3).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Heizelementoberfläche (3) eine funktionale Beschichtung (9) mit Nanopartikel oder einer Po- lymer-Adsorptionsbeschichtung zur Aufkonzentrierung von Zielsubstanzen aufweist.15. Device according to claim 14, wherein the heating element surface (3) has a functional coating (9) with nanoparticle or a polymer adsorption coating for concentration of target substances.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verdampfungsvorrichtung eine natürliche oder eine bearbeitete Oberfläche einer Probe mit Heizmitteln umfasst.16. Device according to one of claims 11 to 13, wherein the evaporation device comprises a natural or a machined surface of a sample with heating means.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Heizmittel eine Laserlicht-, VUV- oder UV-Quelle (8) umfassen.17. The apparatus of claim 16, wherein the heating means comprise a laser light, VUV or UV source (8).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Massenspektrometer eine auf die Verdampfungsvorrichtung gerichtete Ansaugkapillare (14) aufweist.18. Device according to one of claims 11 to 15, wherein the mass spectrometer has a directed to the evaporation device suction capillary (14).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Ansaugkapillare (14) einen Gaschromatographen (16) umfasst. 19. The apparatus of claim 18, wherein the suction capillary (14) comprises a gas chromatograph (16).
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Ansaugkapillare20. The apparatus of claim 18 or 19, wherein the Ansaugkapillare
(14) in eine abgeschlossene Ionisierungskammer (15) mit der Laserlicht-, VUV- oder UV-Quelle (8) ausmündet.(14) opens into a closed ionization chamber (15) with the laser light, VUV or UV source (8).
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Mischvorrichtung eine HPLC- oder eine elektrophoretische Trennvorrichtung umfasst. 21. Device according to one of claims 11 to 20, wherein the mixing device comprises an HPLC or an electrophoretic separation device.
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