WO2010031387A1 - Distinguishing an enantiomers with the aid of broadband femtosecond circular-dichroism mass spectrometry - Google Patents

Distinguishing an enantiomers with the aid of broadband femtosecond circular-dichroism mass spectrometry Download PDF

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WO2010031387A1
WO2010031387A1 PCT/DE2009/001290 DE2009001290W WO2010031387A1 WO 2010031387 A1 WO2010031387 A1 WO 2010031387A1 DE 2009001290 W DE2009001290 W DE 2009001290W WO 2010031387 A1 WO2010031387 A1 WO 2010031387A1
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WO
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laser
circularly polarized
mass
ionization
laser radiation
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PCT/DE2009/001290
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Karl-Michael Weitzel
Gunter Urbasch
Hans Georg Breunig
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Philipps-Universität Marburg
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
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    • 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
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    • H01J49/164Laser desorption/ionisation, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI]

Definitions

  • the present invention provides an apparatus and method for discriminating enantiomers using broadband femtosecond circular dichroism laser ionization mass spectrometry.
  • Laser pulses with a central wavelength between 200 nm and 1100 nm are used to ionize the sample to be examined. The generated in this way
  • the present invention relates to the fields of chemistry, biology and biochemistry, physics and instrumental analysis.
  • CD spectroscopy circular dichroism spectroscopy
  • Conventional CD spectroscopy relies on single-photon absorption, and information about the mass of the sample being studied is intrinsically impossible. With this method, only previously identified chemical substances can be distinguished into R and S enantiomers. In the same way, no spectrally high-resolution information is obtained which made it possible to distinguish between chemically similar substances.
  • Conventional CD spectrometers usually operate in the wavelength range between 200 nm and 1100 nm. During the measurement with conventional CD spectrometers, there is a constant change between RCPL and LCPL, i. between right- and left-circularly polarized light (right / left circularly polarized light).
  • Multi-photon ionization (MPI) in CD spectroscopy is also known.
  • MPI Multi-photon ionization
  • a Bornschlegl “Circular Dichroism Laser Mass SDectrometry: Differentiation of 3-Methylcyclopentanone Enantio-
  • CD-LAMS circular dichroic laser mass spectrometry
  • Previously known CD spectrometers are based on a one-photon excitation of the sample to be examined.
  • the spectral resolution is essentially of the order of one nanometer. Since time-continuous UV-VIS-N I R lamps are generally used as the light source, ionization of the sample molecules is not possible due to insufficient light intensity.
  • the chemical identity of the sample must be determined in a separate procedure. For mixtures of substances, prior separation is required.
  • the peak intensities attainable with such lasers are in the range of 10 8 to 10 10 W / cm 2 . Ionization of the sample under these conditions is only possible via a resonance enhancement, ie if the set wavelength matches the molecule exactly.
  • CD spectroscopy circular dichroism spectroscopy
  • mass spectrometry in such a way that separation of substance mixtures is no longer necessary.
  • fs laser pulses are used whose temporal pulse duration is shorter than 200 fs in relation to a bandwidth-limited pulse and whose spectral bandwidth is correspondingly large.
  • the pulse duration is about a factor of 10 6 smaller in the femtosecond laser than in a nanosecond laser.
  • peak intensities of 10 12 W / cm 2 and larger This allows a very efficient ionization of the sample.
  • the ions thus generated are analyzed directly by mass spectrometry.
  • the enantiomer-specific light-matter interaction is used directly
  • Object of the present invention is to provide a device for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation and a method for distinguishing enantiomers using this device, which is also suitable for use in previously unknown substance mixtures and manages without upstream separation process.
  • the object of providing a novel apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation is achieved according to the invention by a device comprising an fs laser radiation source,
  • an ion detector wherein the sample inlet, ion source, mass analyzer and ion detector are located in the evacuated main chamber of the mass spectrometer;
  • the laser radiation source is a laser system for generating laser pulses in the femtosecond range, the laser pulse duration ( ⁇ ) based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse less than or equal to 200 fs and its central wavelength ( ⁇ ) 200 nm to 1,100 nm, the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is selected from bandwidths which are less than or equal to 40 nm and bandwidths which are greater than 40 nm,
  • the laser pulses are passed through means for generating circular polarization which allow switching between right and left circularly polarized light,
  • the circularly polarized femtosecond laser radiation obtained in this way is directed via the laser window into the main chamber of the mass spectrometer with the aid of a beam guiding optical system and focused by means of focusing optics, and wherein
  • the present invention for the first time provides a combination of circularly polarized femtosecond laser radiation with laser ionization mass spectrometry (LIMS) in a circular dichroic application.
  • LIMS laser ionization mass spectrometry
  • the laser pulse duration ( ⁇ ), based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse is less than or equal to 200 fs. Assuming a temporal Gaussian pulse profile, this corresponds to a frequency blur of 2.2 THz. At a central wavelength ( ⁇ ) of 800 nm this corresponds to a spectral bandwidth (BB, full width at half maximum) in the wavelength domain of greater than or equal to 5 nm, at 200 nm a BB greater than or equal to 0.3 nm and at 1100 nm a BB greater than or equal to 9 nm.
  • BB spectral bandwidth
  • the expert is aware that the shortest possible pulse duration ( ⁇ ) and associated spectral bandwidth of a laser are inversely proportional to each other. He is also aware of how the associated shortest possible pulse duration can be determined for a given spectral bandwidth. These pulses serve as a basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement, which generally does not correspond to the spectral range of the pulses.
  • the device according to the invention for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation and the method according to the invention for distinguishing enantiomers by means of this device are explained below, the invention encompassing all the preferred embodiments listed below individually and in combination with one another.
  • fs laser pulses circularly polarized ultrashort femtosecond laser pulses whose central wavelengths are in the range between 200 nm and 1100 nm.
  • the sample to be examined is ionized with a circularly polarized femtosecond laser pulse whose bandwidth is less than or equal to 40 nm.
  • wavelength dependencies can be observed.
  • a variation of the wavelength is appropriate.
  • the wavelength suitable for ionizing a particular analyte need not be known in advance. Bandwidths less than or equal to 40 nm are referred to in the context of the present invention as "small bandwidths".
  • the sample to be examined is ionized with circularly polarized femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is greater than 40 nm.
  • Femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is greater than 40 nm is hereinafter referred to as "broadband femtosecond laser radiation" or "laser radiation having a large spectral bandwidth”.
  • This broadband radiation is used to ionize the sample to be examined.
  • it is not necessary for the wavelength suitable for the ionization of a specific analyte to be known in advance since, due to the large spectral bandwidth, the wavelengths suitable for the particular molecule to be investigated are intrinsically contained. This applies in particular to spectral bandwidths greater than 100 nm, which are subsequently referred to as "white light continuous" in accordance with the designation customary in the prior art.
  • the sample to be examined is ionized with circularly polarized femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is a white light continuum, i. where the bandwidth is greater than 100 nm.
  • the central wavelengths of these femtosecond laser pulses are in the range between 200 nm and 1,100 nm.
  • White light laser radiation in a broad spectral range between 200 nm and 1100 nm can be generated, for example - as explained below - by the interaction of the radiation with noble gas ("filament formation", “self-phase modulation”).
  • laser pulses of a bandwidth of less than or equal to 40 nm are to be measured
  • further laser systems can be optically pumped with the femtosecond laser pulses, whereby in the other laser systems by optically correct laser systems.
  • metric processes light of different wavelengths is created and amplified (optical parametric amplifiers).
  • analyte refers to a single substance to be tested, and each of these analytes may be independent of the others of chemical, biological or biochemical nature.
  • the sample to be tested may be a single analyte or a mixture of several analytes, and any analyte present in the sample may be enantiomerically pure or as an enantiomeric mixture.
  • the sample is ionized by means of circularly polarized femtosecond laser radiation.
  • the resulting ions are analyzed directly by mass spectrometry
  • the femtosecond laser pulse guarantees the intensity necessary for the ionization and fragmentation of the substances to be investigated.
  • a switch is made between RCPL and LCPL, i. between right- and left-circularly polarized light (right / left circulary polarized light), and the respective ion yield measured.
  • the radiation source is a laser system for generating laser pulses in the femtosecond range.
  • laser systems are selected whose pulse duration is less than or equal to 200 femtoseconds with respect to a bandwidth limited (Fourier transform limited) pulse.
  • Ti: sapphire lasers are suitable.
  • the means for generating femtosecond laser radiation in the range of wavelengths from 200 nm to 1100 nm are selected from nonlinear optical interaction processes with which the spectral position can be shifted and the spectral width of the output pulses can be increased, such as the interaction within a plasma filament, gas-filled hollow fibers or white light generation by self-phase modulation in liquids or solids.
  • the means for generating broadband femtosecond laser radiation is one or more plasma filaments.
  • the means for producing broadband femtosecond laser radiation are gas-filled hollow fibers.
  • the hollow fibers are a single hollow fiber or two sequentially passed through hollow fibers.
  • the filling gas in these gas-filled hollow fibers is a noble gas.
  • the means for producing bandwidths less than or equal to 40 nm is a combination of generating a white light continuum with a downstream spectral shaping process, which can be achieved by filters or pulse shaper.
  • the circular polarization of the laser pulses is generated, for example, by means of a Fresnel rhombus, a K prism, a quarter wave plate, a photoelastic modulator, two Pockels cells or a Pockels cell in conjunction with a quarter wave plate.
  • the circular polarization of the laser pulses is generated by means of a Pockels cell in conjunction with a quarter wave plate.
  • the circular polarization of the laser pulses is generated by means of a Fresnel rhombus.
  • the use of a scraper ring results in a beam offset, which must be compensated by deflecting optics. This compensation of the beam offset when using a Fresnelrhombus is known in the art and can be applied without departing from the scope of the claims.
  • the circular polarization of the laser pulses is generated with the aid of a photoelastic modulator.
  • photoelastic modulators require a synchronization of laser pulse train and modulator frequency or phase position of the modulation. This happens because the injection of the pulse to be amplified from the oscillator laser of the laser system into the amplifier laser is not via the divider circuit of the amplifier laser but via a gate circuit controlled by the photoelastic modulator, and those skilled in the art can apply these methods of synchronization, without the scope to leave the claims.
  • the circular polarization of the femtosecond laser beam is achieved by transmission of the pulses through a quarter-wave plate.
  • a quarter-wave plate Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right-handed or left-circularly polarized light is produced.
  • the quarter wave plate is stored so that it can be rotated, for example by means of a computer-controlled mechanical device to switch between right and left polarized light can.
  • the polarization state of the transmitted light is checked by means of a polarizer.
  • the circularly polarized laser pulses thus generated are focused within a vacuum apparatus, for example by means of a concave mirror.
  • Sample inlet, ion source, mass analyzer and ion detector are located in the main chamber of the mass spectrometer.
  • the sample inlet may be, for example, but not exhaustive, a capillary or a molecular jet.
  • the person skilled in the art is aware by which device one can introduce the sample to be analyzed into the main chamber of a mass spectrometer. He may use these devices without departing from the scope of the claims.
  • an ion source is understood to be the location within the main chamber of the mass spectrometer at which the analytes are ionized by interaction with the focused femtosecond laser radiation.
  • Mass analyzers known to those skilled in the art may be used, for example time-of-flight mass spectrometers (TOF-MS) and quadrupole mass analyzers.
  • TOF-MS time-of-flight mass spectrometers
  • quadrupole mass analyzers for example time-of-flight mass spectrometers (TOF-MS) and quadrupole mass analyzers.
  • the TOF mass analyzer is preferred, since the entire time-of-flight mass spectrum can be measured there essentially with one laser pulse.
  • the quadrupole mass analyzer for each mass at least one laser pulse is necessary because in the alternating field between the quadrupole rods m / z selection takes place, so that intrinsically only ions with a defined ratio m / z of mass (m) to Charge (z) can go through the field.
  • the term "mass" is also used in abbreviated form.
  • the ion detector is selected, for example but not exhaustively, from microchannel plates (MCP), channeltron, secondary electron multipliers, daly-type detectors, scintillation counters. In the case of a TOF-MS, microchannel plates are preferred.
  • the electronic measuring device for measuring and recording the signals generated by the ion detector for example, but not exhaustive, selected from a digital oscilloscope, a transient recorder, a box-car integrator or a digitizer.
  • the digital oscilloscope is preferred here.
  • the received and measured signals are stored and evaluated by means of a computer. It is known to the person skilled in the art that the intensity of laser pulses can fluctuate if necessary.
  • the time-of-flight mass spectra are averaged over several laser pulses in order to improve the signal-to-noise ratio. Furthermore, a part of the laser pulse is passed to a detector with a beam splitter, which measures the intensity of the pulse. In the evaluation program of the computer, the associated ion counting rates are correlated with the present pulse intensity.
  • the known signals can be advantageously stored in a database.
  • This database contains CD values and fragmentation patterns of known substances. It is particularly advantageous if a CD value is present not only for the respective parent ion of the known substances, but also for the fragment ions. If there are already relevant data in the database for the currently received and measured signals of unknown substances, then the unknown substances can be identified in this way.
  • the method according to the invention for distinguishing enantiomers by means of the device according to the invention for femtosecond circular dichroism laser ionization mass spectrometry comprises the following steps:
  • the method according to the invention is carried out with the aid of the device according to the invention.
  • the time-of-flight mass spectra are averaged over a plurality of laser pulses as described above in order to improve the signal-to-noise ratio.
  • time-of-flight mass spectra of the sample to be examined and an achiral reference substance for the two circular polarizations are measured.
  • the mass spectrum contains a parent ion peak and, as a rule, fragment ion peaks.
  • an overlay of mass spectra results.
  • an assignment to a substance becomes possible via the detected mass peaks (parent ion peak plus fragmentation pattern).
  • the mass peaks of an optically active substance show different ion yields for left- and right-circularly polarized light. From this difference, a CD value can be calculated.
  • a component of the evaluation method according to the invention is the determination of the CD value for all the ions observed.
  • the CD value of a substance is calculated according to
  • CD 2 (YRX YL (YL + YR), the YL and YR are the left- and right-lonenausbeuten for circularly polarized light.
  • the evaluation i. the assignment of substances to certain mass peaks begins at the largest observed mass.
  • the substance belonging to this mass is identified by comparison with corresponding values from a database.
  • the evaluation works iteratively to smaller masses.
  • Flight time (t) and mass per charge (m / z) are linked by a relationship: t ⁇ (m / z) 1/2 .
  • the time-of-flight spectrum can thus be converted into a mass-to-charge spectrum.
  • the count rate of the mother ion signal is calculated numerically in the known mass as an integral under the time-of-flight mass spectrum.
  • the integration limits are set manually either automatically or on the basis of the known sample substances investigated.
  • the method according to the invention is carried out with femtosecond laser radiation whose bandwidth is less than or equal to 40 nm. This is particularly advantageous if it is already known that the sample to be investigated is an enantiomeric mixture of a single substance and the enantiomeric purity is to be measured.
  • the method according to the invention is carried out with femtosecond laser radiation whose bandwidth is greater than 40 nm. This is particularly advantageous if the composition of the sample to be examined is not known in advance. In the case of samples of unknown composition, the use of white light laser radiation is most preferred.
  • the apparatus and method of the invention can be used to identify and distinguish enantiomers.
  • R and S enantiomers can also be identified in previously unknown substance mixtures and the proportion of each enantiomer in this mixture can be determined without a separation process being necessary.
  • Apparatus and method according to the present invention allow to carry out the recording of mass spectra and the determination of CD values simultaneously. embodiments
  • Laser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as the basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement.
  • the amplifier pulses optically pumped another laser system (optical parametric amplifier, TOPAS, Light Conversion).
  • TOPAS optical parametric amplifier
  • femtosecond pulses with a central wavelength in the near UV range of 311 nm and 324 nm as well as only once frequency doubling femtosecond pulses with a central wavelength of 650 nm were generated and amplified. These pulses were suitable for the study of the example substance methylcyclopentanone.
  • the laser pulses were circularly polarized by transmission through an achromatic quarter-wave plate. Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right- or left-circularly polarized light is produced.
  • the quarter-wave plate was stored so that it could be rotated by means of a stepper motor. This allowed switching between left and right circularly polarized light.
  • the orientation of the quarter-wave plate and the polarization state of the transmitted light was checked by means of a polarizer.
  • the circularly polarized laser pulses generated in this way were guided through a window into a vacuum apparatus by means of beam guiding optics and focused within the vacuum apparatus with the aid of a concave mirror with a focal length of 75 mm.
  • time of flight mass spectrometer TOF spectrometer
  • the gaseous sample were at a pressure of 4x10 "6 mbar.
  • TOF spectrometer time of flight mass spectrometer
  • the time-of-flight mass spectrum can be converted into a mass spectrum via a quadratic relationship.
  • the mass spectrum of methylcyclopentanone measured at a laser central wavelength of 650 nm is shown in FIG.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • Laser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as the basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement. With the amplifier pulses, another laser system (optical parametric amplifier, TOPAS, Fa. Light Conversion) was optically pumped. By twice doubling the frequency of the so-called signal pulses, femtosecond pulses with a central wavelength in the near UV range of 311 nm and 324 nm as well as only once frequency doubling femtosecond pulses with a central wavelength of 650 nm were generated and amplified. These pulses were suitable for the study of the example substance methylcyclopentanone.
  • the laser pulses were circularly polarized by transmission through an achromatic quarter-wave plate. Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right- or left-circularly polarized light is produced.
  • the quarter-wave plate was stored so that it could be rotated by means of a stepper motor. This allowed switching between left and right circularly polarized light.
  • the orientation of the quarter-wave plate and the polarization state of the transmitted light was checked by means of a polarizer.
  • the circularly polarized laser pulses generated in this way were guided through a window into a vacuum apparatus by means of beam guiding optics and focused within the vacuum apparatus with the aid of a concave mirror with a focal length of 75 mm.
  • the vacuum apparatus contained a time-of-flight mass spectrometer (TOF spectrometer), the gaseous sample and reference substance xylene with a total pressure of 4x10 " ⁇ mbar.
  • TOF spectrometer time-of-flight mass spectrometer
  • the ion yields of the parent ions of methylcyclopentanone and xylene were measured for left- and right-handed circularly polarized laser radiation.
  • the optically inactive substance XyIoI was simultaneously measured and used as a reference. Due to the mass-selective measurement, the recording of ion signals of several substances of different mass is possible.
  • Laser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as a basis for generating laser radiation by means of filament formation.
  • the original laser pulses of the central wavelength of 800 nm were focused with a lens of the focal length of 1 m into an argon-filled chamber.
  • the spectrum of the pulses broadened due to self-phase modulation in a filament.
  • the broadening of the pulse spectrum measured with a spectrometer as a function of the pressure of the argon in the chamber is shown in FIG. Also shown is the spectrum of the original laser pulses with a central wavelength of 800 nm. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Laser beam focused broadband circularly polarized femtosecond laser beam
  • Laser window
  • Fig. 1 shows schematically the structure of the device according to the invention, wherein the mass spectrometer is a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS).
  • TOF-MS time-of-flight mass spectrometer
  • laser pulses are generated in the femtosecond range.
  • the laser pulses are passed through means for generating broadband femtosecond laser radiation (2) and through means for circular polarization (3).
  • the broadband circularly polarized femtosecond laser radiation obtained in this way is directed in the direction of the laser window (7) with the aid of beam guiding optics (4) and focused with the aid of focusing optics (5).
  • the focused broadband circularly polarized laser beam (6) enters the main chamber (8) of the mass spectrometer via the laser window (7).
  • the sample passes through the sample inlet (9) into the main chamber (8) and is ionized by the laser beam (6).
  • the ions (12) are accelerated toward the ion detector (13).
  • the signals generated by the ion detector (13) are registered via an electronic measuring device (14) and evaluated by means of a computer (15).
  • Fig. 2 shows schematically a section of a FIugzeit- mass spectrometer, as it was used in the embodiments 1 to 2.
  • the lens system (20) consisted of three lenses L1, L2 and L3.
  • the tension distance (19) between L1 and L2 had a length of 1, 5 cm
  • the voltage difference ⁇ U between L1 and L2 was 500 V.
  • the acceleration distance (18) between L2 and L3 also had a length of 1, 5 cm; the voltage difference ⁇ U between L2 and L3 was 2 kV.
  • the ion source (10) was between L1 and L2.
  • the flight tube (Drift zone) (17) had a length of 57 cm.
  • the ion detector (13) are microchannel plate detectors (MCPs).
  • Figure 3 shows a mass spectrum of methylcyclopentanone taken at 650 nm center wavelength. The ion yield of each fragment ion was plotted against m / z. Both the parent ion and the fragment ions are visible.
  • FIG. 4 shows the wavelength-dependent resulting circular dichroism of the ion yields of methylcyclopentanone as a function of the wavelength.
  • Fig. 5 shows the broadening of the pulse spectrum measured with a spectrometer as a function of the pressure of argon in the filament chamber. Also shown is the spectrum of the original laser pulses with a central wavelength of 800 nm. It is a: spectrum of the output pulse b: broad spectrum of the pulse for an argon pressure of 1 bar c: broader spectrum of the pulse for an argon pressure of 2 bar

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Abstract

The present invention provides an apparatus and a method for distinguishing enantiomers with the aid of broadband femtosecond circular-dichroism laser-ionization mass spectrometry. In this case, an fs laser system is used, the laser pulse duration (τ) of which is less than or equal to 200 fs, with respect to a bandwidth-limited pulse, and the central wavelength (λ) of which is in the range between 200 nm and 1.100 nm. The spectral bandwidth of the laser pulse is chosen from bandwidths of less than or equal to 40 nm and those of more than 40 nm. The laser pulses are circular-polarized, in which case it is possible to change between right-hand and left-hand circular-polarized light. The circular-polarized fs laser pulses are used directly for ionization, wherein the light material interaction is enantiomium-specific. There is therefore no need for separation of substance mixtures. The wavelength which is appropriate for ionization of a specific analyte need never be known in advance: for bandwidths of less than or equal to 40 nm, the wavelength is varied in order to determine the appropriate wavelength. For bandwidths of more than 40 mm, the wavelength which is appropriate for the respective molecule is intrinsically contained in the spectrum. The sample to be examined and an achiral reference substance are examined simultaneously in the flight-time mass spectrometer for both circular polarizations. For a given ionization wavelength and polarization of the laser pulse, each flight-time mass spectrum obtained in this way was not only substance-specific but also enantiomium-specific. The apparatus according to the invention and the associated method combine CD spectroscopy and mass spectrometry and are suitable for identification and examination of enantiomers even in previously unknown substance mixtures.

Description

15 15
Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe der breitbandigen Femtosekunden-Circulardichroismus-MassenspektrometrieDifferentiation of enantiomers using broadband femtosecond circular dichroism mass spectrometry
20 Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe der breitbandigen Femtosekunden- Circulardichroismus-Laserionisations-Massenspektrometrie bereit. Es werden Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge zwischen 200 nm und 1.100 nm eingesetzt, um die zu untersuchende Probe zu ionisieren. Die auf diese Weise erzeugten lo-The present invention provides an apparatus and method for discriminating enantiomers using broadband femtosecond circular dichroism laser ionization mass spectrometry. Laser pulses with a central wavelength between 200 nm and 1100 nm are used to ionize the sample to be examined. The generated in this way
25 nen werden unmittelbar massenspektrometrisch analysiert. Da die Enantiomeren- spezifische Licht-Materie-Wechselwirkung direkt zur Ionisation genutzt wird, ist eine vorherige Trennung von Substanzgemischen nicht mehr erforderlich. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in zuvor unbekannten Substanzgemischen anwendbar. Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung25 NEN are analyzed directly by mass spectrometry. Since the enantiomer-specific light-matter interaction is used directly for ionization, a prior separation of mixtures of substances is no longer required. In addition, the method according to the invention can also be used in previously unknown substance mixtures. Description and introduction of the general field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft die Gebiete Chemie, Biologie und Biochemie, Physik und instrumenteile Analytik.The present invention relates to the fields of chemistry, biology and biochemistry, physics and instrumental analysis.
Stand der TechnikState of the art
Die Unterscheidung von Enantiomeren - besonders in unbekannten Substanzgemischen - gestaltet sich heute noch sehr aufwändig. Derzeit erfordert die Kombination von chemischer Analyse einerseits und Bestimmung der Enantiomeren- reinheit andererseits getrennte Arbeitsschritte: Zunächst muss das Substanzgemisch getrennt werden, beispielsweise mittels Gaschromatographie (GC) oder Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC), dann wird die Enantiomerenrein- heit bestimmt und, falls nötig, anschließend eine chemische Analyse durchgeführt, beispielsweise mittels Massenspektrometrie.The distinction between enantiomers - especially in unknown substance mixtures - is still very complicated today. Currently, the combination of chemical analysis on the one hand and determination of the enantiomeric purity on the other hand requires separate steps: First, the substance mixture must be separated, for example by gas chromatography (GC) or high performance liquid chromatography (HPLC), then the enantiomeric purity is determined and, if necessary , followed by a chemical analysis, for example by mass spectrometry.
Dem Fachmann ist bekannt, dass sich die Enantiomerenreinheit eines Gemisches beispielsweise mit Hilfe der CD-Spektroskopie (Circulardichroismus- Spektroskopie) bestimmen lässt. Die konventionelle CD-Spektroskopie beruht auf Einphotonen-Absorption, und eine Information über die Masse der untersuchten Probe ist intrinsisch nicht möglich. Mit dieser Methode können nur für zuvor identifizierte chemische Substanzen R- und S-Enantiomer unterschieden werden. E- benso wird keine spektral hochauflösende Information erhalten, die eine Unterscheidung chemisch ähnlicher Substanzen ermöglichte. Konventionelle CD- Spektrometer arbeiten üblicherweise im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 1.100 nm. Während der Messung mit konventionellen CD-Spektrometem wird ständig zwischen RCPL und LCPL gewechselt, d.h. zwischen rechts- und links- zirkular polarisiertem Licht (right / left circularly polarized light).It is known to the person skilled in the art that the enantiomeric purity of a mixture can be determined, for example, by means of CD spectroscopy (circular dichroism spectroscopy). Conventional CD spectroscopy relies on single-photon absorption, and information about the mass of the sample being studied is intrinsically impossible. With this method, only previously identified chemical substances can be distinguished into R and S enantiomers. In the same way, no spectrally high-resolution information is obtained which made it possible to distinguish between chemically similar substances. Conventional CD spectrometers usually operate in the wavelength range between 200 nm and 1100 nm. During the measurement with conventional CD spectrometers, there is a constant change between RCPL and LCPL, i. between right- and left-circularly polarized light (right / left circularly polarized light).
Auch die Mehrphotonenionisation (MPI) in der CD-Spektroskopie ist bekannt. So wird beispielsweise in U Boesl von Grafenstein, A Bornschlegl: „Circular Dichroism Laser Mass SDectrometry: Differentiation of 3-Methylcyclopentanone Enantio- mers." ChemPhysChem 2006, 7, 2085-2087 die Verwendung der circulardichroi- schen Laser-Massenspektrometrie (CD-LAMS) zur Unterscheidung von Enantio- meren beschrieben. Die Anregung der Methylcyclopentanone erfolgt mit einem schmalbandigen Nanosekunden-Laser, wobei - wie üblich - die Laserwellenlänge genau passend zu dem anzuregenden Übergang eingestellt wird.Multi-photon ionization (MPI) in CD spectroscopy is also known. For example, in U Boesl von Grafenstein, A Bornschlegl: "Circular Dichroism Laser Mass SDectrometry: Differentiation of 3-Methylcyclopentanone Enantio- "ChemPhysChem 2006, 7, 2085-2087 describes the use of circular dichroic laser mass spectrometry (CD-LAMS) to distinguish enantiomers." The methylcyclopentanones are excited with a narrow-band nanosecond laser, whereby - as usual - the laser wavelength is set exactly matching the transition to be excited.
Bisher bekannte CD-Spektrometθr basieren auf einer Einphotonenanregung der zu untersuchenden Probe. Die spektrale Auflösung liegt im Wesentlichen in der Größenordnung von einem Nanometer. Da als Lichtquelle in der Regel zeitlich kontinuierliche UV-VIS-N I R-Lampen eingesetzt werden, ist eine Ionisation der Probenmoleküle auf Grund zu geringer Lichtintensität nicht möglich. Die chemische Identität der Probe muss in einem separaten Verfahren bestimmt werden. Bei Substanzgemischen ist hier eine vorherige Separation erforderlich.Previously known CD spectrometers are based on a one-photon excitation of the sample to be examined. The spectral resolution is essentially of the order of one nanometer. Since time-continuous UV-VIS-N I R lamps are generally used as the light source, ionization of the sample molecules is not possible due to insufficient light intensity. The chemical identity of the sample must be determined in a separate procedure. For mixtures of substances, prior separation is required.
Bekannt ist des Weiteren ein Verfahren zur Laserionisations- Massenspektrometrie, in dem zirkulär polarisierte Nanosekundenlaserpulse verwendet werden, deren Bandbreite im Bereich von Bruchteilen von Nanometern liegt; und zwar im Allgemeinen im Bereich von 0,01 nm. Sie werden üblicherweise zum Zweck hoher spektraler Auflösung eingesetzt. Die mit derartigen Lasern erreichbaren Spitzenintensitäten (peak intensities) liegen im Bereich von 108 bis 1010 W/cm2. Eine Ionisation der Probe ist unter diesen Bedingungen nur über eine Resonanzverstärkung möglich, d.h. wenn die eingestellte Wellenlänge exakt zum Molekül passt.Also known is a method for laser ionization mass spectrometry, in which circularly polarized nanosecond laser pulses are used whose bandwidth is in the range of fractions of nanometers; generally in the range of 0.01 nm. They are commonly used for the purpose of high spectral resolution. The peak intensities attainable with such lasers are in the range of 10 8 to 10 10 W / cm 2 . Ionization of the sample under these conditions is only possible via a resonance enhancement, ie if the set wavelength matches the molecule exactly.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das damit durchführbare Verfahren ü- berwinden die Nachteile des Standes der Technik, indem erstmals spektral breit- bandige Circulardichroismus-Spektroskopie (CD-Spektroskopie) und Massenspektrometrie dergestalt miteinander kombiniert werden, dass eine Trennung von Substanzgemischen nicht mehr erforderlich ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren werden fs-Laserpulse eingesetzt, deren zeitliche Pulsdauer bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten Puls kürzer als 200 fs ist und deren spektrale .Bandbreite dementsprechend groß ist. Die Pulsdauer ist beim Femtosekundenlaser etwa um einen Faktor 106 kleiner als bei einem Nanosekundenlaser. Es ergeben sich erreichbare Spitzenintensitäten von 1012 W/cm2 und größer. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Ionisation der Probe. Die so erzeugten Ionen werden unmittelbar massenspektrometrisch analysiert. Die Enantiomeren-spezifische Licht-Materie-Wechselwirkung wird direkt zur Ionisation genutzt, so dass eine Trennung von Substanzgemischen nicht mehr erforderlich ist. The device according to the invention and the method that can be carried out thereby overcome the disadvantages of the state of the art by combining for the first time spectrally wideband circular dichroism spectroscopy (CD spectroscopy) and mass spectrometry in such a way that separation of substance mixtures is no longer necessary. In the device according to the invention and the associated method, fs laser pulses are used whose temporal pulse duration is shorter than 200 fs in relation to a bandwidth-limited pulse and whose spectral bandwidth is correspondingly large. The pulse duration is about a factor of 10 6 smaller in the femtosecond laser than in a nanosecond laser. There are achievable peak intensities of 10 12 W / cm 2 and larger. This allows a very efficient ionization of the sample. The ions thus generated are analyzed directly by mass spectrometry. The enantiomer-specific light-matter interaction is used directly for ionization, so that a separation of mixtures of substances is no longer required.
Aufgabetask
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Laserionisations- massenspektrometrie mittels zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung sowie ein Verfahren zur Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe dieser Vorrichtung bereitzustellen, welches auch zur Anwendung in zuvor unbekannten Substanzgemischen geeignet ist und ohne vorgeschaltete Trennverfahren auskommt.Object of the present invention is to provide a device for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation and a method for distinguishing enantiomers using this device, which is also suitable for use in previously unknown substance mixtures and manages without upstream separation process.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Aufgabe der Bereitstellung einer neuen Vorrichtung zur Laserionisationsmas- senspektrometrie mittels zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung umfassend - eine fs-Laserstrahlungsquelle,The object of providing a novel apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation is achieved according to the invention by a device comprising an fs laser radiation source,
- einen Probeneinlass,a sample inlet,
- eine lonenquelle,an ion source,
- einen Massenanalysator- a mass analyzer
- einen lonendetektor, wobei sich Probeneinlass, lonenquelle, Massenanalysator und lonendetektor in der evakuierten Hauptkammer des Massenspektrometers befinden;an ion detector, wherein the sample inlet, ion source, mass analyzer and ion detector are located in the evacuated main chamber of the mass spectrometer;
- einem elektronischen Messgerät zur Aufzeichnung der vom lonendetektor generierten Signale,an electronic measuring device for recording the signals generated by the ion detector,
- einem Computer zur Auswertung und Speicherung der empfangenen Signale,a computer for evaluating and storing the received signals,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
- es sich bei der fs-Laserstrahlungsquelle um ein Lasersystem zur Erzeugung von Laserpulsen im Femtosekundenbereich handelt, dessen Laserpulsdauer (τ) bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier-transform-limited) Puls kleiner oder gleich 200 fs und dessen Zentralwellenlänge (λ) 200 nm bis 1.100 nm beträgt, - die spektrale Bandbreite der zur Ionisation eingesetzten Femtosekundenla- serpulse ausgewählt wird aus Bandbreiten, die kleiner oder gleich 40 nm sind, und Bandbreiten, die größer 40 nm sind,- It is at the fs laser radiation source is a laser system for generating laser pulses in the femtosecond range, the laser pulse duration (τ) based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse less than or equal to 200 fs and its central wavelength (λ) 200 nm to 1,100 nm, the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is selected from bandwidths which are less than or equal to 40 nm and bandwidths which are greater than 40 nm,
- die Laserpulse durch Mittel zur Erzeugung zirkularer Polarisation geleitet wer- den, die ein Wechseln zwischen rechts- und links-zirkular polarisiertem Licht gestatten,the laser pulses are passed through means for generating circular polarization which allow switching between right and left circularly polarized light,
- die so erhaltene zirkulär polarisierte Femtosekundenlaserstrahlung mit Hilfe einer Strahlführungsoptik über das Laserfenster in die Hauptkammer des Massenspektrometers gelenkt und mit Hilfe einer Fokussierungsoptik fokus- siert wird, und wobeithe circularly polarized femtosecond laser radiation obtained in this way is directed via the laser window into the main chamber of the mass spectrometer with the aid of a beam guiding optical system and focused by means of focusing optics, and wherein
- unter lonenquelle derjenige Ort innerhalb der Hauptkammer des Massenspektrometers verstanden wird, an dem die Analyten durch Wechselwirkung mit der fokussierten Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert werden.- Under ion source that location within the main chamber of the mass spectrometer is understood, at which the analytes are ionized by interaction with the focused femtosecond laser radiation.
Die vorliegende Erfindung stellt erstmals eine Kombination zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung mit der Laserionisationsmassenspektrometrie (LIMS) in einer circulardichroischen Anwendung bereit.The present invention for the first time provides a combination of circularly polarized femtosecond laser radiation with laser ionization mass spectrometry (LIMS) in a circular dichroic application.
Bisher bekannte CD-Spektrometer betrachten Einphotonenanregungen der zu untersuchenden Probe und verwenden als Lichtquelle im Allgemeinen zeitlich kontinuierliche UV-VIS-NIR-Lampen. Wegen der zu geringen Lichtintensität ist eine Ionisation der Probenmoleküle nicht möglich. Daher ist hier ein separates Verfahren notwendig, um die chemische Identität der Probe zu bestimmen. Im Falle von Substanzgemischen ist zudem vorher eine Trennung des Gemisches in Einzelsubstanzen erforderlich.Previously known CD spectrometers consider one-photon excitations of the sample to be examined and generally use time-continuous UV-VIS-NIR lamps as the light source. Because of the low light intensity, ionization of the sample molecules is not possible. Therefore, a separate procedure is needed to determine the chemical identity of the sample. In the case of substance mixtures, a separation of the mixture into individual substances is also required beforehand.
Dagegen werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren fs-Laserpulse eingesetzt. Dabei ist die Laserpulsdauer (τ), bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier-transform-limited) Puls kleiner oder gleich 200 fs. Bei Annahme eines zeitlich Gauss-förmigen Pulsprofils entspricht dies einer Frequenzunschärfe von 2,2 THz. Bei einer Zentralwellenlänge (λ) von 800 nm entspricht dies einer spektralen Bandbreite (BB, volle Breite bei der Hälfte des Maximums) in der Wellenlängendomäne von größer oder gleich 5 nm, bei 200 nm einer BB von größer oder gleich 0,3 nm und bei 1.100 nm einer BB von größer oder gleich 9 nm. Dem Fachmann ist bekannt, dass kürzest mögliche Pulsdauer (τ) und zugehörige spektrale Bandbreite eines Lasers einander umgekehrt proportional sind. Ihm ist auch bekannt, wie bei gegebener spektraler Bandbreite die zugehörige kürzest mögliche Pulsdauer ermittelt werden kann. Diese Pulse dienen als Grundlage zur Erzeugung von Laserstrahlung in dem für die eigentliche Messung benötigten Spektralbereich, der im Allgemeinen nicht dem Spektralbereich der Pulse entspricht.In contrast, fs laser pulses are used in the device according to the invention and the associated method. In this case, the laser pulse duration (τ), based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse is less than or equal to 200 fs. Assuming a temporal Gaussian pulse profile, this corresponds to a frequency blur of 2.2 THz. At a central wavelength (λ) of 800 nm this corresponds to a spectral bandwidth (BB, full width at half maximum) in the wavelength domain of greater than or equal to 5 nm, at 200 nm a BB greater than or equal to 0.3 nm and at 1100 nm a BB greater than or equal to 9 nm. The expert is aware that the shortest possible pulse duration (τ) and associated spectral bandwidth of a laser are inversely proportional to each other. He is also aware of how the associated shortest possible pulse duration can be determined for a given spectral bandwidth. These pulses serve as a basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement, which generally does not correspond to the spectral range of the pulses.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe dieser Vorrich- tung sind nachfolgend erläutert, wobei die Erfindung alle nachfolgend aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen einzeln und in Kombination miteinander um- fasst.The device according to the invention for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation and the method according to the invention for distinguishing enantiomers by means of this device are explained below, the invention encompassing all the preferred embodiments listed below individually and in combination with one another.
Überraschend wurde gefunden, dass die Licht-Materie-Wechselwirkung auch bei Verwendung von Femtosekundenlaserpulsen, die sich direkt zur Ionisation nutzen lassen, Enantiomeren-spezifisch ist. Dadurch ist es erstmalig möglich, Enantiomeren zu unterscheiden und zu identifizieren, ohne dass eine Trennung von Substanzgemischen erforderlich ist.Surprisingly, it has been found that the light-matter interaction is enantiomer-specific even when using femtosecond laser pulses that can be used directly for ionization. This makes it possible for the first time to distinguish enantiomers and to identify, without a separation of mixtures of substances is required.
Hierbei werden zirkulär polarisierte ultrakurze Femtosekundenlaserpulse (fs- Laserpulse) eingesetzt, deren Zentralwellenlängen im Bereich zwischen 200 nm und 1.100 nm liegen.In this case, circularly polarized ultrashort femtosecond laser pulses (fs laser pulses) are used whose central wavelengths are in the range between 200 nm and 1100 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zu untersuchende Probe mit ei- nem zirkulär polarisierten Femtosekundenlaserpuls ionisiert, dessen Bandbreite kleiner oder gleich 40 nm ist. In diesem Fall sind Wellenlängenabhängigkeiten zu beobachten. Zur Untersuchung dieser Wellenlängenabhängigkeit ist eine Variation der Wellenlänge zweckmäßig. Die zur Ionisierung eines bestimmten Analyten passende Wellenlänge muss jedoch nicht vorab bekannt sein. Bandbreiten kleiner oder gleich 40 nm werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „kleine Bandbreiten" bezeichnet.In a preferred embodiment, the sample to be examined is ionized with a circularly polarized femtosecond laser pulse whose bandwidth is less than or equal to 40 nm. In this case, wavelength dependencies can be observed. To study this wavelength dependence, a variation of the wavelength is appropriate. However, the wavelength suitable for ionizing a particular analyte need not be known in advance. Bandwidths less than or equal to 40 nm are referred to in the context of the present invention as "small bandwidths".
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zu untersuchende Probe mit zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert, deren spektrale Bandbreite größer als 40 nm ist. Femtosekundenlaserstrahlung, deren spektrale Bandbreite größer als 40 nm ist, wird nachfolgend als „breitbandige Femtosekundenlaserstrahlung" oder „Laserstrahlung mit großer spektraler Bandbreite" bezeichnet. Diese breitbandige Strahlung wird verwendet, um die zu untersuchende Probe zu ionisieren. In dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, dass die zur Ionisierung eines bestimmten Analyten passende Wellenlänge vorab bekannt ist, da auf Grund der großen spektralen Bandbreite die für das jeweilige zu untersuchende Molekül passenden Wellenlängen intrinsisch enthalten sind. Dies gilt insbesondere für spektrale Bandbreiten größer als 100 nm, die nachfolgend im Einklang mit der im Stand der Technik üblichen Bezeichnung als „Weißlichtkonti- nuum" bezeichnet werden.In a further preferred embodiment, the sample to be examined is ionized with circularly polarized femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is greater than 40 nm. Femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is greater than 40 nm is hereinafter referred to as "broadband femtosecond laser radiation" or "laser radiation having a large spectral bandwidth". This broadband radiation is used to ionize the sample to be examined. In this embodiment, it is not necessary for the wavelength suitable for the ionization of a specific analyte to be known in advance since, due to the large spectral bandwidth, the wavelengths suitable for the particular molecule to be investigated are intrinsically contained. This applies in particular to spectral bandwidths greater than 100 nm, which are subsequently referred to as "white light continuous" in accordance with the designation customary in the prior art.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die zu untersuchende Probe mit zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert, bei deren spektraler Bandbreite es sich um ein Weißlichtkontinuum handelt, d.h. bei dem die Bandbreite größer als 100 nm ist.In a particularly preferred embodiment, the sample to be examined is ionized with circularly polarized femtosecond laser radiation whose spectral bandwidth is a white light continuum, i. where the bandwidth is greater than 100 nm.
Unabhängig davon, ob die zirkulär polarisierte Femtosekundenlaserstrahlung, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörigen, nachfolgend erläuterten Verfahren verwendet wird, große oder kleine Bandbreiten aufweist, liegen die Zentralwellenlängen dieser Femtosekundenlaserpulse im Bereich zwischen 200 nm und 1.100 nm.Irrespective of whether the circularly polarized femtosecond laser radiation used in the apparatus according to the invention and the associated method explained below has large or small bandwidths, the central wavelengths of these femtosecond laser pulses are in the range between 200 nm and 1,100 nm.
Weißlicht-Laserstrahlung in einem breiten Spektralbereich zwischen 200 nm und 1.100 nm kann beispielsweise - wie nachfolgend erläutert - durch die Wechsel- Wirkung der Strahlung mit Edelgas („Filamentbildung", „Selbst-Phasenmodulation") erzeugt werden.White light laser radiation in a broad spectral range between 200 nm and 1100 nm can be generated, for example - as explained below - by the interaction of the radiation with noble gas ("filament formation", "self-phase modulation").
Soll dagegen mit Laserpulsen einer Bandbreite kleiner oder gleich 40 nm gemessen werden, so lassen sich mit den Femtosekundenlaserpulsen weitere Lasersysteme optisch pumpen, wobei in den weiteren Lasersystemen durch optisch para- metrische Prozesse Licht anderer Wellenlänge entsteht und verstärkt wird (Optische parametrische Verstärker).If, on the other hand, laser pulses of a bandwidth of less than or equal to 40 nm are to be measured, further laser systems can be optically pumped with the femtosecond laser pulses, whereby in the other laser systems by optically correct laser systems. metric processes light of different wavelengths is created and amplified (optical parametric amplifiers).
In der vorliegenden Erfindung bezeichnet „Analyt" eine einzelne zu untersuchende Substanz. Dabei kann jeder dieser Analyten unabhängig von den anderen chemischer, biologischer oder biochemischer Natur sein.In the present invention, "analyte" refers to a single substance to be tested, and each of these analytes may be independent of the others of chemical, biological or biochemical nature.
Bei der zu untersuchenden Probe kann es sich um einen einzigen Analyten oder um ein Gemisch mehrerer Analyten handeln, wobei jeder in der Probe enthaltene Analyt enantiomerenrein oder als Enantiomerengemisch vorliegen kann. Bei allen Ausführungsformen wird die Probe mit Hilfe von zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert. Die so erhaltenen Ionen werden unmittelbar massenspektrometrisch analysiertThe sample to be tested may be a single analyte or a mixture of several analytes, and any analyte present in the sample may be enantiomerically pure or as an enantiomeric mixture. In all embodiments, the sample is ionized by means of circularly polarized femtosecond laser radiation. The resulting ions are analyzed directly by mass spectrometry
Bei der hier vorgestellten Vorrichtung und dem damit durchführbaren Verfahren garantiert der Femtosekundenlaserpuls die Intensität, die zur Ionisation und Fragmentierung der zu untersuchenden Substanzen notwendig ist. Während der Bestrahlung mit den Femtosekundenlaserpulsen wird zwischen RCPL und LCPL gewechselt, d.h. zwischen rechts- und links-zirkular polarisiertem Licht (right / left circuiarly polarized light), und die jeweilige lonenausbeute gemessen.In the device presented here and the method that can be carried out with it, the femtosecond laser pulse guarantees the intensity necessary for the ionization and fragmentation of the substances to be investigated. During irradiation with the femtosecond laser pulses, a switch is made between RCPL and LCPL, i. between right- and left-circularly polarized light (right / left circulary polarized light), and the respective ion yield measured.
Es ist bekannt, dass alle optisch aktiven Substanzen unterschiedliche Absorptionskoeffizienten für rechts- bzw. links-zirkular polarisiertes Licht besitzen. Der Ein- fluss des Circulardichroismus macht sich in der Intensität des lonensignals bemerkbar, da der CD-Effekt zu unterschiedlichen lonenausbeuten der Enantiome- ren führt und sich daher unterschiedliche CD-Werte bestimmen lassen. Zudem besitzt jedes Fragmention einer Substanz einen spezifischen CD-Wert.It is known that all optically active substances have different absorption coefficients for right- or left-circularly polarized light. The influence of the circular dichroism can be seen in the intensity of the ion signal, since the CD effect leads to different ion yields of the enantiomers and therefore different CD values can be determined. In addition, each fragment ion of a substance has a specific CD value.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich Massentrennung und CD-Effekt gleichzeitig, so dass eine Trennung von Substanzgemischen nicht notwendig ist. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Strahlungsquelle um ein Lasersystem zur Erzeugung von Laserpulsen im Femtosekundenbereich. Hierfür werden solche Lasersysteme ausgewählt, deren Pulsdauer kleiner oder gleich 200 Femtosekun- den bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier-transform-limited) Puls beträgt. Geeignet sind beispielsweise, aber nicht erschöpfend, Ti:Saphir-Laser.In the device according to the invention and the method according to the invention, mass separation and CD effect result simultaneously, so that a separation of substance mixtures is not necessary. According to the invention, the radiation source is a laser system for generating laser pulses in the femtosecond range. For this purpose, laser systems are selected whose pulse duration is less than or equal to 200 femtoseconds with respect to a bandwidth limited (Fourier transform limited) pulse. For example, but not exhaustive, Ti: sapphire lasers are suitable.
Die Mittel zur Erzeugung von Femtosekundenlaserstrahlung im Bereich der Wellenlängen von 200 nm bis 1100 nm werden ausgewählt aus nichtlinearen optischen Wechselwirkungsprozessen, mit denen die spektrale Lage verschoben und die spektrale Breite der Ausgangspulse vergrößert werden kann, wie der Wechselwirkung innerhalb eines Plasma-Filaments, gasgefüllten Hohlfasern oder der Weißlichterzeugung durch Selbstphasenmodulation in Flüssigkeiten oder Festkörpern. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Mitteln zur Erzeu- gung breitbandiger Femtosekundenlaserstrahlung um ein oder mehrere Plasma- Filamente.The means for generating femtosecond laser radiation in the range of wavelengths from 200 nm to 1100 nm are selected from nonlinear optical interaction processes with which the spectral position can be shifted and the spectral width of the output pulses can be increased, such as the interaction within a plasma filament, gas-filled hollow fibers or white light generation by self-phase modulation in liquids or solids. In a preferred embodiment, the means for generating broadband femtosecond laser radiation is one or more plasma filaments.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Mitteln zur Erzeugung breitbandiger Femtosekundenlaserstrahlung um gasgefüllte Hohlfasern. Bei den Hohlfasern handelt es sich um eine einzige Hohlfaser oder um zwei nacheinander durchlaufene Hohlfasern. Das Füllgas in diesen gasgefüllten Hohlfasern ist ein Edelgas.In a further preferred embodiment, the means for producing broadband femtosecond laser radiation are gas-filled hollow fibers. The hollow fibers are a single hollow fiber or two sequentially passed through hollow fibers. The filling gas in these gas-filled hollow fibers is a noble gas.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Mitteln zur Erzeugung von Bandbreiten kleiner oder gleich 40 nm um eine Kombination aus der Erzeugung eines Weißlichtkontinuums mit einem nachgeschalteten spektralen For- mungsprozess, der durch Filter oder Pulsformer erzielt werden kann.In a preferred embodiment, the means for producing bandwidths less than or equal to 40 nm is a combination of generating a white light continuum with a downstream spectral shaping process, which can be achieved by filters or pulse shaper.
Erfindungsgemäß wird die zirkuläre Polarisation der Laserpulse beispielsweise mit Hilfe eines Fresnelrhombus, eines K-Prismas, einer Viertelwellenplatte, eines photoelastischen Modulators, zweier Pockelszellen oder einer Pockelszelle in Verbin- düng mit einer Viertelwellenplatte erzeugt.According to the invention, the circular polarization of the laser pulses is generated, for example, by means of a Fresnel rhombus, a K prism, a quarter wave plate, a photoelastic modulator, two Pockels cells or a Pockels cell in conjunction with a quarter wave plate.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zirkuläre Polarisation der Laserpulse mit Hilfe einer Pockelszelle in Verbindung mit einer Viertelwellenplatte erzeugt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zirkuläre Polarisation der Laserpulse mit Hilfe eines Fresnelrhombus erzeugt. Die Verwendung eines Fres- nelrhombus führt zu einem Strahlversatz, der durch Umlenkoptik kompensiert werden muss. Diese Kompensation des Strahlversatzes bei Verwendung eines Fresnelrhombus ist dem Fachmann bekannt und kann ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen angewendet werden.In a preferred embodiment, the circular polarization of the laser pulses is generated by means of a Pockels cell in conjunction with a quarter wave plate. In a further preferred embodiment, the circular polarization of the laser pulses is generated by means of a Fresnel rhombus. The use of a scraper ring results in a beam offset, which must be compensated by deflecting optics. This compensation of the beam offset when using a Fresnelrhombus is known in the art and can be applied without departing from the scope of the claims.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zirkuläre Polarisation der Laserpulse mit Hilfe eines photoelastischen Modulators erzeugt. Dem Fachmann ist bekannt, dass photoelastische Modulatoren eine Synchronisation von Laser- pulszug und Modulatorfrequenz bzw. Phasenlage der Modulation erfordern. Dies geschieht dadurch das die Injektion des zu verstärkenden Pulses aus dem Oszillatorlaser des Lasersystems in den Verstärkerlaser nicht über die Teilerschaltung des Verstärkerlasers sondern über eine Tor-Schaltung gesteuert durch den photoelastischen Modulator erfolgt, und der Fachmann kann diese Methoden der Synchronisation anwenden, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.In a further preferred embodiment, the circular polarization of the laser pulses is generated with the aid of a photoelastic modulator. It is known to the person skilled in the art that photoelastic modulators require a synchronization of laser pulse train and modulator frequency or phase position of the modulation. This happens because the injection of the pulse to be amplified from the oscillator laser of the laser system into the amplifier laser is not via the divider circuit of the amplifier laser but via a gate circuit controlled by the photoelastic modulator, and those skilled in the art can apply these methods of synchronization, without the scope to leave the claims.
Besonders bevorzugt wird die zirkuläre Polarisation des Femtosekundenla- serstrahls durch Transmission der Pulse durch ein Viertelwellenplättchen erreicht. Abhängig vom Winkel zwischen der eingehenden linearen Polarisationsrichtung und der schnellen Achse des Viertelwellenplättchens entsteht so rechts- oder links-zirkular polarisiertes Licht. Das Viertelwellenplättchen wird dabei so gelagert, dass es beispielsweise mit Hilfe einer computergesteuerten mechanischen Vorrichtung gedreht werden kann, um zwischen rechts- und links-polarisiertem Licht umschalten zu können. Der Polarisationszustand des transmittierten Lichts wird mit Hilfe eines Polarisators überprüft. Die so erzeugten zirkulär polarisierten Laserpulse werden innerhalb einer Vakuumapparatur fokussiert, beispielsweise mit Hilfe eines Hohlspiegels.Particularly preferably, the circular polarization of the femtosecond laser beam is achieved by transmission of the pulses through a quarter-wave plate. Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right-handed or left-circularly polarized light is produced. The quarter wave plate is stored so that it can be rotated, for example by means of a computer-controlled mechanical device to switch between right and left polarized light can. The polarization state of the transmitted light is checked by means of a polarizer. The circularly polarized laser pulses thus generated are focused within a vacuum apparatus, for example by means of a concave mirror.
Probeneinlass, lonenquelle, Massenanalysator und lonendetektor befinden sich in der Hauptkammer des Massenspektrometers.Sample inlet, ion source, mass analyzer and ion detector are located in the main chamber of the mass spectrometer.
Beim Probeneinlass kann es sich beispielsweise, aber nicht erschöpfend, um eine Kapillare oder eine Molekularstrahldüse handeln. Dem Fachmann ist bekannt, durch welche Vorrichtung man die zu analysierende Probe in die Hauptkammer eines Massenspektrometers einführen kann. Er kann diese Vorrichtungen verwenden, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.The sample inlet may be, for example, but not exhaustive, a capillary or a molecular jet. The person skilled in the art is aware by which device one can introduce the sample to be analyzed into the main chamber of a mass spectrometer. He may use these devices without departing from the scope of the claims.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter lonenquelle derjenige Ort innerhalb der Hauptkammer des Massenspektrometers verstanden, an dem die Analy- ten durch Wechselwirkung mit der fokussierten Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert werden.For the purposes of the present invention, an ion source is understood to be the location within the main chamber of the mass spectrometer at which the analytes are ionized by interaction with the focused femtosecond laser radiation.
Es können dem Fachmann bekannte Massenanalysatoren verwendet werden, beispielsweise Flugzeit-Massenanalysatoren (Time-of-Flight Mass Spectrometer, TOF-MS) und Quadrupol-Massenanalysatoren.Mass analyzers known to those skilled in the art may be used, for example time-of-flight mass spectrometers (TOF-MS) and quadrupole mass analyzers.
Dabei ist der TOF-Massenanalysator bevorzugt, da dort im Wesentlichen mit einem Laserpuls das gesamte Flugzeitmassenspektrum gemessen werden kann. Dagegen ist beim Quadrupol-Massenanalysator für jede Masse mindestens ein Laserpuls notwendig, denn im Wechselfeld zwischen den Quadrupol-Stäben findet eine m/z-Selektierung statt, so dass intrinsisch jeweils nur Ionen mit einem definierten Verhältnis m/z von Masse (m) zu Ladung (z) das Feld durchlaufen können. In der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden im Falle des Verhältnis- ses von Masse zu Ladung auch verkürzend von „Masse" gesprochen.In this case, the TOF mass analyzer is preferred, since the entire time-of-flight mass spectrum can be measured there essentially with one laser pulse. In contrast, in the quadrupole mass analyzer for each mass at least one laser pulse is necessary because in the alternating field between the quadrupole rods m / z selection takes place, so that intrinsically only ions with a defined ratio m / z of mass (m) to Charge (z) can go through the field. In the present invention, in the following, in the case of the ratio of mass to charge, the term "mass" is also used in abbreviated form.
Der lonendetektor wird beispielsweise, aber nicht erschöpfend, ausgewählt aus Mikrokanalplatten (MCP, Micro-Channel Plate), Channeltron, Sekundärelektronenvervielfacher, Daly-type Detektoren, Szintillationszähler. Dabei sind im Falle eines TOF-MS Mikrokanalplatten bevorzugt.The ion detector is selected, for example but not exhaustively, from microchannel plates (MCP), channeltron, secondary electron multipliers, daly-type detectors, scintillation counters. In the case of a TOF-MS, microchannel plates are preferred.
Das elektronische Messgerät zur Messung und Aufzeichnung der vom lonendetektor generierten Signale wird beispielsweise, aber nicht erschöpfend, ausgewählt aus einem digitalen Oszilloskop, einem Transientenrekorder, einem Box- Car-Integrator oder einem Digitizer.The electronic measuring device for measuring and recording the signals generated by the ion detector, for example, but not exhaustive, selected from a digital oscilloscope, a transient recorder, a box-car integrator or a digitizer.
Dabei ist das digitale Oszilloskop bevorzugt.The digital oscilloscope is preferred here.
Die empfangenen und gemessenen Signale werden mit Hilfe eines Computers gespeichert und ausgewertet. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Intensität von Laserpulsen gegebenenfalls schwanken kann.The received and measured signals are stored and evaluated by means of a computer. It is known to the person skilled in the art that the intensity of laser pulses can fluctuate if necessary.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden daher die Flugzeitmassenspektren über mehrere Laserpulse gemittelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Weiterhin wird mit einem Strahlteiler ein Teil des Laserpulses auf einen Detektor geführt, der die Intensität des Pulses misst. Im Auswertungsprogramm des Computers werden die zugehörigen lonenzählraten mit der vorliegenden Pulsintensität korreliert.In a further preferred embodiment, therefore, the time-of-flight mass spectra are averaged over several laser pulses in order to improve the signal-to-noise ratio. Furthermore, a part of the laser pulse is passed to a detector with a beam splitter, which measures the intensity of the pulse. In the evaluation program of the computer, the associated ion counting rates are correlated with the present pulse intensity.
Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass man die empfangenen und gemessenen Signale mit bekannten Signalen vergleichen kann. Die bekannten Signale lassen sich vorteilhaft in einer Datenbank abspeichern. Diese Datenbank enthält CD- Werte und Fragmentierungsmuster bekannter Substanzen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nicht nur zum jeweiligen Mutterion der bekannten Substanzen ein CD-Wert vorliegt, sondern auch zu den Fragmentionen. Gibt es zu den aktuell empfangenen und gemessenen Signalen unbekannter Substanzen bereits entsprechende Daten in der Datenbank, so lassen sich die unbekannten Substanzen auf diese Weise identifizieren.It is readily apparent that one can compare the received and measured signals with known signals. The known signals can be advantageously stored in a database. This database contains CD values and fragmentation patterns of known substances. It is particularly advantageous if a CD value is present not only for the respective parent ion of the known substances, but also for the fragment ions. If there are already relevant data in the database for the currently received and measured signals of unknown substances, then the unknown substances can be identified in this way.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Femtosekunden-Circulardichroismus- Laserionisationsmassenspektrometrie umfasst folgende Schritte:The method according to the invention for distinguishing enantiomers by means of the device according to the invention for femtosecond circular dichroism laser ionization mass spectrometry comprises the following steps:
- Erzeugung zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung, wobei die La- serpulse eine Zentralwellenlänge (λ) zwischen 200 nm und 1.100 nm und eine- Generation of circularly polarized femtosecond laser radiation, wherein the laser pulses a central wavelength (λ) between 200 nm and 1100 nm and a
Laserpulsdauer (τ) kleiner oder gleich 200 fs, bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier-transform-limited) Puls, aufweisen, und wobei zwischen rechts- und links-zirkular polarisiertem Licht gewechselt wird,Laser pulse duration (τ) less than or equal to 200 fs, based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse, and wherein between right and left circularly polarized light is changed,
- Einbringen der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achiraler Referenzsubstanzen in die Gasphase,Introducing the sample to be examined and one or more achiral reference substances into the gas phase,
- Einführen der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achiraler Referenzsubstanzen in die Hauptkammer eines Massenspektrometers, Bestrahlung der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achiraler Referenzsubstanzen mit der zirkulär polarisierten Femtosekundenlaserstrah- lung,Introducing the sample to be examined and one or more achiral reference substances into the main chamber of a mass spectrometer, Irradiation of the sample to be examined and one or more achiral reference substances with the circularly polarized femtosecond laser radiation,
Detektion der lonenausbeuten und der Massen pro Ladung der gebildeten Ionen und Berechnung ihrer CD-Werte,Detecting the ion yields and the masses per charge of the ions formed and calculating their CD values,
Speicherung der Massenspektren und der zugehörigen CD-Werte, Auswertung der gemessenen Daten.Storage of the mass spectra and the associated CD values, evaluation of the measured data.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.The method according to the invention is carried out with the aid of the device according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Flugzeitmassenspektren wie oben beschrieben über mehrere Laserpulse gemittelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the time-of-flight mass spectra are averaged over a plurality of laser pulses as described above in order to improve the signal-to-noise ratio.
Die Auswertung der gemessenen Daten umfasst die folgenden Schritte: a) Umrechnung der Flugzeitspektren in Masse-pro-Ladung-Spektren (m/z- Spektren), wobei die Zählrate des Mutterionensignals bei der bekann- ten Masse als Integral unter dem Flugzeitmassenspektrum und die Flächen unter dem Maximum jeweils für rechts- und links-zirkular polarisiertes Licht berechnet werden, b) Ermittlung der aufgezeichneten Massen und der Massenausbeuten der untersuchten Probe für jede untersuchte Wellenlänge sowie für links- und rechts-zirkular polarisiertes Licht, beginnend bei den größten und endend bei den kleinsten Massen, c) Identifizierung der zu diesen Massen gehörenden Substanzen durch Vergleich mit Werten aus einer Datenbank, d) Wiederholung der Schritte b) und c) für die gleichzeitig in der Apparatur gemessenen achiralen Referenzsubstanzen, e) Berechnung des CD-Wertes bezüglich der lonenausbeuten gemäß CD = 2 (YL-YR) / (YL+YR), worin YL und YR die lonenausbeuten für links- bzw. rechts-zirkular polarisiertes Licht sind, für den Analyten und die Referenzsubstanzen.The evaluation of the measured data comprises the following steps: a) conversion of the time-of-flight spectra into mass-per-charge spectra (m / z spectra), where the count rate of the parent ion signal at the known mass is the integral below the time-of-flight mass spectrum and the areas b) Determination of the recorded masses and the mass yields of the examined sample for each examined wavelength as well as for left- and right-circularly polarized light, starting with the largest and ending at d) repetition of steps b) and c) for the achiral reference substances measured simultaneously in the apparatus, e) calculation of the CD value with respect to the ion yields according to CD = 2 (YL-YR) / (YL + YR), where Y L and YR are the ion yields for left-handed or right circularly polarized light, for the analyte and the reference substances.
Bei der Messung werden Flugzeitmassenspektren der zu untersuchenden Probe und einer achiralen Referenzsubstanz für die beiden zirkulären Polarisationen gemessen.In the measurement, time-of-flight mass spectra of the sample to be examined and an achiral reference substance for the two circular polarizations are measured.
Im Falle einer chemisch reinen Substanz (zu untersuchende Probe) enthält das Massenspektrum einen Mutter-Ionen-Peak sowie in der Regel Fragment-Ionen- Peaks. Bei einem Substanzgemisch ergibt sich eine Überlagerung von Massenspektren. In den Flugzeitmassenspektren wird über die detektierten Massenpeaks (Mutter-Ionen-Peak plus Fragmentierungsmuster) eine Zuordnung zu einer Substanz möglich. Die Massenpeaks einer optisch aktiven Substanz zeigen unter- schiedliche lonenausbeuten für links- und rechts-zirkular polarisiertes Licht. Aus diesem Unterschied lässt sich ein CD-Wert berechnen. Bestandteil des erfindungsgemäßen Auswertungsverfahrens ist die Ermittlung des CD-Wertes für sämtliche beobachtete Ionen.In the case of a chemically pure substance (sample to be examined), the mass spectrum contains a parent ion peak and, as a rule, fragment ion peaks. In the case of a mixture of substances, an overlay of mass spectra results. In the time-of-flight mass spectra, an assignment to a substance becomes possible via the detected mass peaks (parent ion peak plus fragmentation pattern). The mass peaks of an optically active substance show different ion yields for left- and right-circularly polarized light. From this difference, a CD value can be calculated. A component of the evaluation method according to the invention is the determination of the CD value for all the ions observed.
Der CD-Wert einer Substanz berechnet sich nachThe CD value of a substance is calculated according to
CD=2(YL- YRX(YL+YR), wobei YL und YR die lonenausbeuten für links- bzw. rechts- zirkular polarisiertes Licht sind.CD = 2 (YRX YL (YL + YR), the YL and YR are the left- and right-lonenausbeuten for circularly polarized light.
Die Auswertung, d.h. die Zuordnung von Substanzen zu bestimmten Massen- peaks, beginnt bei der größten beobachteten Masse. Die zu dieser Masse gehörende Substanz wird durch Vergleich mit entsprechenden Werten aus einer Datenbank identifiziert. Die Auswertung arbeitet sich iterativ zu kleineren Massen vor.The evaluation, i. the assignment of substances to certain mass peaks begins at the largest observed mass. The substance belonging to this mass is identified by comparison with corresponding values from a database. The evaluation works iteratively to smaller masses.
Flugzeit (t) und Masse pro Ladung (m/z) sind durch eine Beziehung miteinander verknüpft: t ~ (m/z)1/2. Das Flugzeitenspektrum lässt sich damit in ein Masse-pro- Ladung-Spektrum umrechnen. Die Zählrate des Mutterionensignals wird bei der bekannten Masse als Integral unter dem Flugzeitmassenspektrum numerisch berechnet. Die Integrationsgrenzen werden dabei entweder automatisch oder auf Grund der bekannten untersuchten Probensubstanzen manuell gesetzt. Das Aus- Werteprogramm berechnet die Flächen unter dem Maximum des Mutterionensignals für links- und rechts-zirkular polarisiertes Licht und gibt den CD-Wert bezüglich der lonenausbeuten CD=2(YL-YR)/(YL+YR) aus.Flight time (t) and mass per charge (m / z) are linked by a relationship: t ~ (m / z) 1/2 . The time-of-flight spectrum can thus be converted into a mass-to-charge spectrum. The count rate of the mother ion signal is calculated numerically in the known mass as an integral under the time-of-flight mass spectrum. The integration limits are set manually either automatically or on the basis of the known sample substances investigated. The end- Value program calculates the areas below the maximum of the parent ion signal for left- and right-circularly polarized light and outputs the CD value with respect to the ion yields CD = 2 (Y L -YR) / (YL + YR).
Genauso wird für das Mutterionensignal einer gleichzeitig in der Apparatur befind- liehen achiralen Referenzsubstanz vorgegangen. Weist diese Substanz einen CD- Wert ungleich Null auf, muss dieser von Intensitäts- und Qualitätsunterschieden des links- und rechts-zirkular polarisierten Lichtes hervorgerufen sein. Dieser CD Wert wird deshalb von dem CD-Wert der chiralen Substanz als Korrektur subtrahiert.The same procedure is followed for the parent ion signal of an achiral reference substance simultaneously present in the apparatus. If this substance has a non-zero CD value, it must be caused by intensity and quality differences of the left- and right-circularly polarized light. This CD value is therefore subtracted from the CD value of the chiral substance as a correction.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Femtosekundenlaserstrahlung durchgeführt, deren Bandbreite kleiner oder gleich 40 nm ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn bereits bekannt ist, dass es sich bei der zu untersuchenden Probe um ein Enantiomerengemisch einer einzigen Sub- stanz handelt und die Enantiomerenreinheit gemessen werden soll.In a preferred embodiment, the method according to the invention is carried out with femtosecond laser radiation whose bandwidth is less than or equal to 40 nm. This is particularly advantageous if it is already known that the sample to be investigated is an enantiomeric mixture of a single substance and the enantiomeric purity is to be measured.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Femtosekundenlaserstrahlung durchgeführt, deren Bandbreite größer als 40 nm ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe vorab nicht bekannt ist. Im Falle von Proben unbekannter Zusammensetzung ist die Verwendung von Weißlicht-Laserstrahlung ganz besonders bevorzugt.In a further preferred embodiment, the method according to the invention is carried out with femtosecond laser radiation whose bandwidth is greater than 40 nm. This is particularly advantageous if the composition of the sample to be examined is not known in advance. In the case of samples of unknown composition, the use of white light laser radiation is most preferred.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können zur Identifizierung und Unterscheidung von Enantiomeren verwendet werden. Dabei können R- und S-Enantiomere auch in zuvor unbekannten Substanzgemischen identifiziert und der Anteil jedes Enantiomeren in diesem Gemisch ermittelt werden, ohne dass ein Trennverfahren notwendig wäre. Vorrichtung und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestatten es, die Aufnahme von Massen- spektren und die Bestimmung von CD-Werten simultan durchzuführen. AusführungsbeispieleThe apparatus and method of the invention can be used to identify and distinguish enantiomers. In this case, R and S enantiomers can also be identified in previously unknown substance mixtures and the proportion of each enantiomer in this mixture can be determined without a separation process being necessary. Apparatus and method according to the present invention allow to carry out the recording of mass spectra and the determination of CD values simultaneously. embodiments
Ausführungsbeispiel 1 :Embodiment 1
Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Dauer von 45 Femtosekunden wurden mit Hilfe eines kommerziellen Femtosekundenlaser- Verstärkersystems (ODIN, Fa. Quantronix) erzeugt. Diese Pulse dienten als Grundlage zur Erzeugung von Laserstrahlung in dem für die eigentliche Messung benötigten Spektralbereich. Mit den Verstärkerpulsen wurde ein weiteres Laser- system (Optischer parametrischer Verstärker, TOPAS, Fa. Light Conversion) optisch gepumpt. Durch zweimalige Frequenzverdoppelung der austretenden sogenannten Signal-Pulse wurden Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge im nahen UV-Bereich von 311 nm und 324 nm sowie durch nur einmalige Frequenzverdopplung Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge von 650 nm erzeugt und verstärkt. Diese Pulse waren für die Untersuchung der Beispielsubstanz Methylcyclopentanon geeignet.Laser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as the basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement. The amplifier pulses optically pumped another laser system (optical parametric amplifier, TOPAS, Light Conversion). By twice doubling the frequency of the so-called signal pulses, femtosecond pulses with a central wavelength in the near UV range of 311 nm and 324 nm as well as only once frequency doubling femtosecond pulses with a central wavelength of 650 nm were generated and amplified. These pulses were suitable for the study of the example substance methylcyclopentanone.
Die Laserpulse wurden durch Transmission durch ein achromatisches Viertelwel- lenplättchen zirkulär polarisiert. Abhängig vom Winkel zwischen der eingehenden linearen Polarisationsrichtung und der schnellen Achse des Viertelwellenplätt- chens entsteht so rechts- oder links-zirkular polarisiertes Licht. Das Viertelwellen- plättchen wurde so gelagert, dass es mit Hilfe eines Schrittmotors gedreht werden konnte. Das erlaubte ein Umschalten zwischen links- und rechts-zirkular polarisiertem Licht. Die Ausrichtung des Viertelwellenplättchen und der Polarisationszu- Standes des transmittierten Lichtes wurde mit Hilfe eines Polarisators überprüft. Die so erzeugten zirkulär polarisierten Laserpulse wurden mittels einer Strahlführungsoptik durch ein Fenster in eine Vakuumapparatur geführt und innerhalb der Vakuumapparatur mit Hilfe eines Hohlspiegels der Brennweite von 75 mm fokus- siert. In der Vakuumapparatur befanden sich ein Flugzeitmassenspektrometer (TOF-Spektrometer) und die gasförmige Probe mit einem Druck von 4x10"6 mbar. Während der eigentlichen Messung wechselwirkte die Laserstrahlung im Fokusbereich des Hohlspiegels mit den Molekülen der gasförmigen Probe, wobei entstehende Ionen mit dem Flugzeitmassenspektrometer detektiert wurden. Das Flugzeitmassenspektrum kann über eine quadratische Beziehung in ein Massenspektrum umgerechnet werden. Das bei einer Laserzentralwellenlänge von 650 nm gemessene Massenspektrum von Methylcyclopentanon ist in Abb. 3 gezeigt.The laser pulses were circularly polarized by transmission through an achromatic quarter-wave plate. Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right- or left-circularly polarized light is produced. The quarter-wave plate was stored so that it could be rotated by means of a stepper motor. This allowed switching between left and right circularly polarized light. The orientation of the quarter-wave plate and the polarization state of the transmitted light was checked by means of a polarizer. The circularly polarized laser pulses generated in this way were guided through a window into a vacuum apparatus by means of beam guiding optics and focused within the vacuum apparatus with the aid of a concave mirror with a focal length of 75 mm. In the vacuum apparatus is a time of flight mass spectrometer (TOF spectrometer) and the gaseous sample were at a pressure of 4x10 "6 mbar. During the actual measurement interacted the laser radiation in the focal area of the concave mirror with the molecules of the gaseous sample, resulting ions detected with the flight mass spectrometer were. The time-of-flight mass spectrum can be converted into a mass spectrum via a quadratic relationship. The mass spectrum of methylcyclopentanone measured at a laser central wavelength of 650 nm is shown in FIG.
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Dauer von 45 Femtosekunden wurden mit Hilfe eines kommerziellen Femtosekundenlaser- Verstärkersystems (ODIN, Fa. Quantronix) erzeugt. Diese Pulse dienten als Grundlage zur Erzeugung von Laserstrahlung in dem für die eigentliche Messung benötigten Spektralbereich. Mit den Verstärkerpulsen wurde ein weiteres Laser- System (Optischer parametrischer Verstärker, TOPAS, Fa. Light Conversion) optisch gepumpt. Durch zweimalige Frequenzverdoppelung der austretenden sogenannten Signal-Pulse wurden Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge im nahen UV-Bereich von 311 nm und 324 nm sowie durch nur einmalige Frequenzverdopplung Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge von 650 nm erzeugt und verstärkt. Diese Pulse waren für die Untersuchung der Beispielsubstanz Methylcyclopentanon geeignet.Laser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as the basis for generating laser radiation in the spectral range required for the actual measurement. With the amplifier pulses, another laser system (optical parametric amplifier, TOPAS, Fa. Light Conversion) was optically pumped. By twice doubling the frequency of the so-called signal pulses, femtosecond pulses with a central wavelength in the near UV range of 311 nm and 324 nm as well as only once frequency doubling femtosecond pulses with a central wavelength of 650 nm were generated and amplified. These pulses were suitable for the study of the example substance methylcyclopentanone.
Die Laserpulse wurden durch Transmission durch ein achromatisches Viertelwel- lenplättchen zirkulär polarisiert. Abhängig vom Winkel zwischen der eingehenden linearen Polarisationsrichtung und der schnellen Achse des Viertelwellenplätt- chens entsteht so rechts- oder links-zirkular polarisiertes Licht. Das Viertelwellen- plättchen wurde so gelagert, dass es mit Hilfe eines Schrittmotors gedreht werden konnte. Das erlaubte ein Umschalten zwischen links- und rechts-zirkular polarisierten Licht. Die Ausrichtung des Viertelwellenplättchen und der Polarisationszu- Standes des transmittierten Lichtes wurde mit Hilfe eines Polarisators überprüft. Die so erzeugten zirkulär polarisierten Laserpulse wurden mittels einer Strahlführungsoptik durch ein Fenster in eine Vakuumapparatur geführt und innerhalb der Vakuumapparatur mit Hilfe eines Hohlspiegels der Brennweite von 75 mm fokus- siert. In der Vakuumapparatur befanden sich ein Flugzeitmassenspektrometer (TOF-Spektrometer), die gasförmige Probe und als Referenzsubstanz XyIoI mit einem Gesamtdruck von 4x10 mbar. Während der eigentlichen Messung wechselwirkte die Laserstrahlung im Fokusbereich des Hohlspiegels mit den Molekülen der Gasphase, wobei entstehende Ionen mit dem Flugzeitmassenspektrometer detektiert wurden.The laser pulses were circularly polarized by transmission through an achromatic quarter-wave plate. Depending on the angle between the incoming linear polarization direction and the fast axis of the quarter-wave plate, right- or left-circularly polarized light is produced. The quarter-wave plate was stored so that it could be rotated by means of a stepper motor. This allowed switching between left and right circularly polarized light. The orientation of the quarter-wave plate and the polarization state of the transmitted light was checked by means of a polarizer. The circularly polarized laser pulses generated in this way were guided through a window into a vacuum apparatus by means of beam guiding optics and focused within the vacuum apparatus with the aid of a concave mirror with a focal length of 75 mm. The vacuum apparatus contained a time-of-flight mass spectrometer (TOF spectrometer), the gaseous sample and reference substance xylene with a total pressure of 4x10 mbar. During the actual measurement interacted the laser radiation in the focal area of the concave mirror with the molecules of the gas phase, resulting ions were detected with the flight mass spectrometer.
Die lonenausbeuten der Mutterionen von Methylcyclopentanon und XyIoI wurden für links- und rechts-zirkular polarisierte Laserstrahlung gemessen. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Methode und zur Minimierung von Messartefakten, die sich aus leicht unterschiedlichen linearen Anteilen in den links- und rechts-zirkular polarisierten Pulsen ergeben können wurde die optisch nicht aktive Substanz XyIoI simultan gemessen und als Referenz verwendet. Aufgrund der massenselektiven Messung ist die Aufnahme von lonensignalen mehrerer Substanzen unterschiedlicher Masse möglich. Der Wellenlängen abhängige resultierende oben definierte Circulardichroismus der lonenausbeuten der Enantiomere des Methylcyclopenta- nons wurde berechnet und ist in Abb. 4 dargestellt.The ion yields of the parent ions of methylcyclopentanone and xylene were measured for left- and right-handed circularly polarized laser radiation. To improve the accuracy of the method and to minimize measurement artifacts, which may result from slightly different linear contributions in the left and right circularly polarized pulses, the optically inactive substance XyIoI was simultaneously measured and used as a reference. Due to the mass-selective measurement, the recording of ion signals of several substances of different mass is possible. The wavelength-dependent resulting circular dichroism of the ion yields of the enantiomers of methylcyclopentanone, as defined above, was calculated and is shown in Figure 4.
Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3
Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Dauer von 45 Femtosekunden wurden mit Hilfe eines kommerziellen Femtosekundenlaser- Verstärkersystems (ODIN, Fa. Quantronix) erzeugt. Diese Pulse dienten als Grundlage zur Erzeugung von Laserstrahlung mittels Filamentbildung. Zur Filamentbildung wurden die ursprünglichen Laserpulse der Zentralwellenlänge von 800 nm mit einer Linse der Brennweite von 1 m in eine mit Argon gefüllte Kammer fokussiert. In der 150 cm langen Kammer verbreiterte sich das Spektrum der Pulse aufgrund von Selbstphasenmodulation in einem Filament. Die mit einem Spektrometer gemessene Verbreiterung des Pulsspektrums in Abhängigkeit des Druckes des Argons in der Kammer ist in Abb. 5 dargestellt. Ebenfalls dargestellt ist das Spektrum der ursprünglichen Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm. BezugszeichenlisteLaser pulses with a central wavelength of 800 nm and a duration of 45 femtoseconds were generated by means of a commercial femtosecond laser amplifier system (ODIN, Quantronix). These pulses served as a basis for generating laser radiation by means of filament formation. For filament formation, the original laser pulses of the central wavelength of 800 nm were focused with a lens of the focal length of 1 m into an argon-filled chamber. In the 150 cm long chamber, the spectrum of the pulses broadened due to self-phase modulation in a filament. The broadening of the pulse spectrum measured with a spectrometer as a function of the pressure of the argon in the chamber is shown in FIG. Also shown is the spectrum of the original laser pulses with a central wavelength of 800 nm. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1. Femtosekundenlaser1. femtosecond laser
2. Mittel zur Erzeugung breitbandiger Femtosekunden-Laserstrahlung 3. Mittel zur Erzeugung der zirkularen Polarisation2. means for generating broadband femtosecond laser radiation 3. means for generating the circular polarization
4. Strahlführungsoptik4. Beam guiding optics
5. Fokussierungsoptik5. Focusing optics
6. Laserstrahl (fokussierter breitbandiger zirkulär polarisierter Femtosekundenla- serstrahl) 7. Laserfenster6. Laser beam (focused broadband circularly polarized femtosecond laser beam) 7. Laser window
8. Hauptkammer des Massenspektrometers8. Main chamber of the mass spectrometer
9. Probeneinlass 10. lonenquelle9. Sample inlet 10. Ion source
11. Beschleunigungssystem 12. Ionen auf dem Weg zum lonendetektor 13. lonendetektor11. Acceleration system 12. Ions on the way to the ion detector 13. Ion detector
14. elektronisches Messgerät zur Messung der vom lonendetektor generierten Signale14. electronic measuring device for measuring the signals generated by the ion detector
15. Computer 16. zur Vakuumpumpe15. Computer 16. to the vacuum pump
17. Flugrohr des Flugzeit-Massenspektrometers (TOF)17. Flight tube of time-of-flight mass spectrometer (TOF)
18. Beschieunigungsstrecke18th Beschieunigungsstrecke
19. Zugstrecke19th train route
20. Linsensystem 21. Driftstrecke Abbildungslegenden20. Lens System 21. Drift Distance Figure legends
Abb. 1 :Fig. 1:
Abb. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei es sich beim Massenspektrometer um ein FIugzeit-Massenspektrometer (Time of Flight-Mass Spectrometer, TOF-MS) handelt.Fig. 1 shows schematically the structure of the device according to the invention, wherein the mass spectrometer is a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS).
Mit Hilfe des Lasersystems (1 ) werden Laserpulse im Femtosekundenbereich erzeugt. Die Laserpulse werden durch Mittel zur Erzeugung breitbandiger Femtose- kunden-Laserstrahlung (2) und durch Mittel zur zirkulären Polarisation (3) geleitet. Die so erhaltene breitbandige zirkulär polarisierte Femtosekunden-Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Strahlführungsoptik (4) in Richtung des Laserfensters (7) gelenkt und mit Hilfe einer Fokussierungsoptik (5) fokussiert. Der fokussierte breitbandige zirkulär polarisierte Laserstrahl (6) tritt über das Laserfenster (7) in die Hauptkammer (8) des Massenspektrometers ein. Die Probe gelangt über den Probeneinlass (9) in die Hauptkammer (8) und wird durch den Laserstrahl (6) ionisiert. Mit Hilfe des Beschleunigungssystems (11) werden die Ionen (12) zum lo- nendetektor (13) hin beschleunigt. Die vom lonendetektor (13) erzeugten Signale werden über ein elektronisches Messgerät (14) registriert und mit Hilfe eines Computers (15) ausgewertet.With the help of the laser system (1) laser pulses are generated in the femtosecond range. The laser pulses are passed through means for generating broadband femtosecond laser radiation (2) and through means for circular polarization (3). The broadband circularly polarized femtosecond laser radiation obtained in this way is directed in the direction of the laser window (7) with the aid of beam guiding optics (4) and focused with the aid of focusing optics (5). The focused broadband circularly polarized laser beam (6) enters the main chamber (8) of the mass spectrometer via the laser window (7). The sample passes through the sample inlet (9) into the main chamber (8) and is ionized by the laser beam (6). With the aid of the acceleration system (11), the ions (12) are accelerated toward the ion detector (13). The signals generated by the ion detector (13) are registered via an electronic measuring device (14) and evaluated by means of a computer (15).
Abb. 2Fig. 2
Abb. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem FIugzeit- Massenspektrometer, wie es in den Ausführungsbeispielen 1 bis 2 verwendet wurde. Das Linsensystem (20) bestand aus drei Linsen L1 , L2 und L3. Die Zugstrecke (19) zwischen L1 und L2 hatte eine Länge von 1 ,5 cm, die Spannungsdifferenz ΔU zwischen L1 und L2 betrug 500 V. Die Beschleunigungsstrecke (18) zwischen L2 und L3 hatte ebenfalls eine Länge von 1 ,5 cm; die Spannungsdifferenz ΔU zwischen L2 und L3 betrug 2 kV. Die lonenquelle (10) befand sich zwischen L1 und L2. Das Flugrohr (Driftstrecke) (17) hatte eine Länge von 57 cm. Beim lonendetektor (13) handelt es sich um Mikrokanalplatten-Detektoren (MCPs).Fig. 2 shows schematically a section of a FIugzeit- mass spectrometer, as it was used in the embodiments 1 to 2. The lens system (20) consisted of three lenses L1, L2 and L3. The tension distance (19) between L1 and L2 had a length of 1, 5 cm, the voltage difference ΔU between L1 and L2 was 500 V. The acceleration distance (18) between L2 and L3 also had a length of 1, 5 cm; the voltage difference ΔU between L2 and L3 was 2 kV. The ion source (10) was between L1 and L2. The flight tube (Driftstrecke) (17) had a length of 57 cm. The ion detector (13) are microchannel plate detectors (MCPs).
Abb. 3Fig. 3
Abb. 3 zeigt ein mit 650 nm Zentralwellenlänge aufgenommenes Massenspektrum von Methylcyclopentanon. Dabei wurde die lonenausbeute jedes Fragmentions gegen m/z aufgetragen. Es sind sowohl das Mutterion als auch die Fragmentionen sichtbar.Figure 3 shows a mass spectrum of methylcyclopentanone taken at 650 nm center wavelength. The ion yield of each fragment ion was plotted against m / z. Both the parent ion and the fragment ions are visible.
Abb. 4Fig. 4
Abb. 4 zeigt den wellenlängig abhängigen resultierenden Circulardichroismus der lonenausbeuten von Methylcyclopentanon in Abhängigkeit von der Wellenlänge.FIG. 4 shows the wavelength-dependent resulting circular dichroism of the ion yields of methylcyclopentanone as a function of the wavelength.
Es istIt is
: (R)-(+)-3-Methylcyclopentanon: (R) - (+) - 3-methylcyclopentanone
■: racemisches 3-Methylcyclopentanon A : (S)-(+)-3-Methylcyclopentanon a: Δε: linearer Circulardichroismus■: racemic 3-methylcyclopentanone A: (S) - (+) - 3-methylcyclopentanone a: Δε: linear circular dichroism
Abb. 5Fig. 5
Abb. 5 zeigt die mit einem Spektrometer gemessene Verbreiterung des Pulsspektrums in Abhängigkeit des Druckes des Argons in der Filamentkammer. Ebenfalls dargestellt ist das Spektrum der ursprünglichen Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm. Es ist a: Spektrum des Ausgangspulses b: Verbreitertes Spektrum des Pulses für einen Argondruck von 1 bar c: Verbreitertes Spektrum des Pulses für einen Argondruck von 2 bar Fig. 5 shows the broadening of the pulse spectrum measured with a spectrometer as a function of the pressure of argon in the filament chamber. Also shown is the spectrum of the original laser pulses with a central wavelength of 800 nm. It is a: spectrum of the output pulse b: broad spectrum of the pulse for an argon pressure of 1 bar c: broader spectrum of the pulse for an argon pressure of 2 bar

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polari- sierter Femtosekundenlaserstrahlung umfassend1. Apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation comprising
- eine fs-Laserstrahlungsquelle,an FS laser radiation source,
- einen Probeneinlass,a sample inlet,
- eine lonenquelle,an ion source,
- einen Massenanalysator - einen lonendetektor, wobei sich Probeneinlass, lonenquelle, Massenanalysator und lonendetektor in der evakuierten Hauptkammer des Massenspektrometers befinden;a mass analyzer, an ion detector, wherein the sample inlet, ion source, mass analyzer and ion detector are located in the evacuated main chamber of the mass spectrometer;
- einem elektronischen Messgerät zur Aufzeichnung der vom lonendetek- tor generierten Signale,an electronic measuring device for recording the signals generated by the ion detector,
- einem Computer zur Auswertung und Speicherung der empfangenen Signale,a computer for evaluating and storing the received signals,
dadurch gekennzeichnet, dass - es sich bei der fs-Laserstrahlungsquelle um ein Lasersystem zur Erzeugung von Laserpulsen im Femtosekundenbereich handelt, dessen Laserpulsdauer (τ) bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier- transform-limited) Puls kleiner oder gleich 200 fs und dessen Zentralwellenlänge (λ) 200 nm bis 1.100 nm beträgt, - die spektrale Bandbreite der zur Ionisation eingesetzten Femtosekunden- laserpulse ausgewählt wird aus Bandbreiten, die kleiner oder gleich 40 nm sind, und Bandbreiten, die größer 40 nm sind,characterized in that - the fs laser radiation source is a laser system for generating laser pulses in the femtosecond range whose laser pulse duration (τ) is based on a bandwidth-limited (Fourier transform-limited) pulse less than or equal to 200 fs and whose central wavelength (λ ) Is 200 nm to 1100 nm, - the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is selected from bandwidths that are less than or equal to 40 nm, and bandwidths that are greater than 40 nm,
- die Laserpulse durch Mittel zur Erzeugung zirkularer Polarisation geleitet werden, die ein Wechseln zwischen rechts- und links-zirkular polarisier- tem Licht gestatten,- The laser pulses are passed through means for generating circular polarization, which allow a switching between right and left circularly polarized light,
- die so erhaltene zirkulär polarisierte Femtosekundenlaserstrahlung mit Hilfe einer Strahlführungsoptik über das Laserfenster in die Hauptkammer des Massenspektrometers gelenkt und mit Hilfe einer Fokussierungsoptik fokussiert wird, und wobei- The thus obtained circularly polarized femtosecond laser radiation using a beam guiding optics via the laser window in the main chamber directed by the mass spectrometer and focused by means of a focusing optics, and wherein
- unter lonenquelle derjenige Ort innerhalb der Hauptkammer des Mas- senspektrometers verstanden wird, an dem die Analyten durch Wechselwirkung mit der fokussierten Femtosekundenlaserstrahlung ionisiert werden.- Under ion source that location within the main chamber of the mass spectrometer is understood, at which the analytes are ionized by interaction with the focused femtosecond laser radiation.
2. Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polari- sierter Femtosekundenlaserstrahlung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite der zur Ionisation eingesetzten Femto- sekundenlaserpulse kleiner oder gleich 40 nm ist.2. Apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation according to claim 1, characterized in that the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is less than or equal to 40 nm.
3. Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polari- sierter Femtosekundenlaserstrahlung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite der zur Ionisation eingesetzten Femto- sekundenlaserpulse größer als 40 nm ist.3. Device for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation according to claim 1, characterized in that the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is greater than 40 nm.
4. Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polari- sierter Femtosekundenlaserstrahlung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite der zur Ionisation eingesetzten Femto- sekundenlaserpulse größer als 100 nm ist, so dass es sich dabei um ein Weiß- lichtkontinuum handelt.4. An apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation according to claim 3, characterized in that the spectral bandwidth of the femtosecond laser pulses used for the ionization is greater than 100 nm, so that it is a white light continuum.
5. Vorrichtung zur Laserionisationsmassenspektrometrie mittels zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugzeitmassenspektren über mehrere Laserpulse gemittelt werden und weiterhin mit Hilfe eines Strahlteilers ein Teil des Laserpulses auf einen Detektor geführt wird, der die Intensität dieses PuI- ses misst, und im Auswertungsprogramm des Computers die zugehörigen lo- nenzählraten mit der vorliegenden Pulsintensität korreliert werden. 5. Apparatus for laser ionization mass spectrometry by means of circularly polarized femtosecond laser radiation according to one of claims 1 to 4, characterized in that the time-of-flight mass spectra are averaged over a plurality of laser pulses and, with the aid of a beam splitter, a part of the laser pulse is guided to a detector which determines the intensity of this pulse. In the evaluation program of the computer, the associated pulse counting rates are correlated with the present pulse intensity.
6. Verfahren zur Unterscheidung von Enantiomeren mit Hilfe der Femtosekun- den-Circulardichroismus-Laserionisationsmassenspektrometrie umfassend folgende Schritte:6. A method of distinguishing enantiomers by femtosecond circular dichroism laser ionization mass spectrometry comprising the steps of:
- Erzeugung zirkulär polarisierter Femtosekundenlaserstrahlung, wobei die Laserpulse eine Zentralwellenlänge (λ) zwischen 200 nm und 1.100 nm und eine Laserpulsdauer (τ) kleiner oder gleich 200 fs, bezogen auf einen bandbreitenbegrenzten (Fourier-transform-limited) Puls, aufweisen, und wobei zwischen rechts- und links-zirkular polarisiertem Licht gewechselt wird, - Einbringen der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achira- ler Referenzsubstanzen in die Gasphase,Generation of circularly polarized femtosecond laser radiation, wherein the laser pulses have a central wavelength (λ) between 200 nm and 1100 nm and a laser pulse duration (τ) less than or equal to 200 fs, based on a bandwidth-limited (Fourier-transform-limited) pulse, and wherein between switching the right-hand and left-hand circularly polarized light, - introducing the sample to be examined and one or more achiral reference substances into the gas phase,
- Einführen der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achira- ler Referenzsubstanzen in die Hauptkammer eines Massenspektrome- ters, - Bestrahlung der zu untersuchenden Probe und einer oder mehrerer achi- raler Referenzsubstanzen mit der zirkulär polarisierten Femtosekundenlaserstrahlung,Introducing the sample to be examined and one or more achiral reference substances into the main chamber of a mass spectrometer, irradiating the sample to be examined and one or more achiral reference substances with the circularly polarized femtosecond laser radiation,
- Detektion der lonenausbeuten und der Massen pro Ladung der gebildeten Ionen und Berechnung ihrer CD-Werte, - Speicherung der Massenspektren und der zugehörigen CD-Werte,Detection of the ion yields and the masses per charge of the ions formed and calculation of their CD values, storage of the mass spectra and the associated CD values,
7. Auswertung der gemessenen Daten.7. Evaluation of the measured data.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die Auswertung der gemessenen Daten folgende Schritte umfasst: a) Umrechnung der Flugzeitspektren in Masse-pro-Ladung-Spektren (m/z-8. The method according to claim 6, wherein the evaluation of the measured data comprises the following steps: a) conversion of the time-of-flight spectra into mass-per-charge spectra (m / z)
Spektren), wobei die Zählrate des Mutterionensignals bei der bekannten Masse als Integral unter dem Flugzeitmassenspektrum und die Flächen unter dem Maximum jeweils für rechts- und links-zirkular polarisiertes Licht berechnet werden, b) Ermittlung der aufgezeichneten Massen und der Massenausbeuten der untersuchten Probe für jede untersuchte Wellenlänge sowie für links- und rechts-zirkular polarisiertes Licht, beginnend bei den größten und endend bei den kleinsten Massen, c) Identifizierung der zu diesen Massen gehörenden Substanzen durch Vergleich mit Werten aus einer Datenbank, d) Wiederholung der Schritte b) und c) für die gleichzeitig in der Apparatur gemessenen achiralen Referenzsubstanzen, e) Berechnung des CD-Wertes bezüglich der lonenausbeuten gemäßSpectra), where the count rate of the parent ion signal at the known mass is calculated as the integral below the time-of-flight mass spectrum and the areas below the maximum for right-handed and left-handed circularly polarized light, respectively b) Determination of the recorded masses and the mass yields of the examined sample for each wavelength and left- and right-circularly polarized light, starting with the largest and ending with the smallest masses, c) identification of substances belonging to these masses by comparison with values from a database, d) repetition of steps b) and c) for the achiral reference substances measured simultaneously in the apparatus, e) calculation of the CD value with respect to the ion yields according to
CD = 2 (YL-YR) / (YL+YR), worin YL und YR die lonenausbeuten für links- bzw. rechts-zirkular polarisiertes Licht sind, für den Analyten und die Referenzsubstanzen.CD = 2 (YL-YR) / (YL + YR) wherein YL and YR are the lonenausbeuten for left- or right-handed circularly polarized light for the analyte and the reference substances.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkulär polarisierte Femtosekundenlaserstrahlung eine Bandbreite kleiner oder gleich 40 nm aufweist.9. The method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that the circularly polarized femtosecond laser radiation has a bandwidth less than or equal to 40 nm.
10.Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkulär polarisierte Femtosekundenlaserstrahlung eine Bandbreite größer 40 nm aufweist.10.A method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that the circularly polarized femtosecond laser radiation has a bandwidth greater than 40 nm.
11.Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Identifizierung und Unter- Scheidung von Enantiomeren. 11.Use of the device according to one of claims 1 to 5 and the method according to one of claims 6 to 9 for the identification and sub-separation of enantiomers.
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