DE19618323C2 - Vorrichtung zur Eigenerzeugung von Ionen für die Massenspektrometrie von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Massenspektrometrie und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus interessierenden flüssigen Lösungen zur Analyse durch die Massenspektrometrie.

Um die Informationen in den Massenspektren einer Verbindung auszunutzen, ist es notwendig, Ionen zu erzeugen. Herkömmli­ che Massenspektrometer arbeiten mit einem Ionenstrahl, der von dem Material abgeleitet wird, das analysiert werden soll, indem der Strahl elektromagnetisch, elektrostatisch oder auf eine Art und Weise, die von dem Masse-zu-Ladungs- Verhältnis der Ionen in dem Strahl abhängt, abgelenkt wird, oder indem die Übergangszeiten der Ionen in einem gepulsten Strahl gemessen werden. Proben, die mit einem Massenspektro­ meter analysiert werden sollen, werden vor der Einführung in den Abschnitt eines Massenspektrometers, das die Massenana­ lyse des Ionenstrahls durchführt, im allgemeinen in Ionen umgewandelt.

Ionisierende Flüssigkeitsproben waren eine anhaltende Her­ ausforderung, speziell als der Bedarf nach Anwendbarkeit und Empfindlichkeit stets zunahm. Viele interessierende Proben sind bei Umgebungstemperaturen weder ausreichend flüchtig, um ein Gas zu bilden, noch sind sie bei erhöhten Temperatu­ ren ausreichend thermisch stabil, um ihren Zustand ohne eine thermische Zerlegung von flüssig zu gasförmig zu ändern. Die Zustandsänderung ist üblicherweise bei den meisten herkömm­ lichen Flüssigkeitseinlaßsystemen erforderlich. Mehr als 90% der 12 Millionen Verbindungen bei der American Chemical Society Registry of Organic Compounds sind nicht in der La­ ge, ihren Zustand ohne eine thermische Zerlegung zu ändern. Diese Begrenzung verhindert die Anwendung von Ionisations­ verfahren, beispielsweise den Beschuß von Gasmolekülen mit Ionen oder Elektronen sehr hoher Energie, um zusätzliche Io­ nen zu bilden, wie beispielsweise bei der Elektronenstoßio­ nisation, oder das Einbringen chemisch reaktiver Ionen hoher Energie in die Gasphase, wie z. B. Fast Atom Bombardment (FAB) oder Desorption Chemical Ionization. Bei Forschungsan­ wendungen, beispielsweise der Gebietgiftstoffanalyse, oder bei Anwendungen, die eine Ultraempfindlichkeit erfordern (beispielsweise der Erfassung kleiner Moleküle von Glycin bei der Aminosäurenanalyse) stellt die Analyse stets zuneh­ mende Herausforderungen.

Es existieren Techniken zum Erzeugen von Ionendämpfen aus Verbindungen einer geringen Flüchtigkeit (d. h. eine Elektro­ zerstäubungsionisation, eine Feldionisation, eine Laser-un­ terstützte Felddesorption, eine Plasmadesorption). Das Er­ zeugen von Ionen durch die externe Anwendung einer Ladung ist nicht gleichmäßig erfolgreich, da nicht alle Verbindun­ gen bis zu einem hohen Grad ionisiert werden können. Bis heute weisen alle bekannten Verfahren Begrenzungen auf, und keines ist für alle Typen von Verbindungen brauchbar.

Die US-A-4,968,885 betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Einbringung eines Flüssigkeitsstromes in ein Massenspektrometer. Grundsätzlich führt die Vorrichtung die Prozesse der Aerosolerzeugung und die Erfassung der gelösten Partikel durch. Die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen dienen dazu, aus einem Flüssigkeitsstrom, welcher beispielsweise von einem Gaschromatographen her­ rührt, ein Aerosol zu erzeugen. Die Aerosolerzeugung erfolgt hierbei durch einen konzentrischen Fluß des Flüssigkeits­ stromes durch die Kapillare und des Gasstromes durch eine Kapillare. Das Gas wird durch direkten Kontakt mit einer Heizquelle geheizt und an die Flüssigkeit übertragen, um so den Grad der Verdampfung während des Aerosolerzeugungs­ prozesses festzulegen. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ist die Kapillare von einer weiteren Kapillare umgeben, und die weitere Kapillare ist mittels der Leistungsversor­ gung und einer Steuerungsschaltung auf eine vorbestimmte Temperatur geheizt, um so den oben beschriebenen Heizeffekt in dem Gasstrom herbeizuführen. Das Aerosol wird an einem Punkt erzeugt und entlang einer Achse in Richtung des Flusses durch das Schutzgas eingeschlossen. Mit anderen Worten kann festgestellt werden, daß am Punkt in den Fig. 1 und 2 bereits das Aerosol austritt und von dem Gas umschlossen wird. Es muß jedoch deutlich hervorgehoben werden, daß an dieser Stelle keinerlei Ionisation erfolgt, vielmehr erfolgt diese erst in einer Ionisationskammer 60, wie sie beispiels­ weise anhand der Fig. 3 bis 5 beschrieben ist. Wie sich aus Spalte 12, Zeilen 41 bis 46 deutlich ergibt, tritt in die Ionisationskammer, genauer gesagt in den Ionisations­ bereich ein angereicherter Partikelstrom ein, wobei die An­ reicherung des erzeugten Aerosols im Bereich zwischen dem Austritt der Aerosolerzeugungsvorrichtung und der Ionisa­ tionsregion erfolgt. Zur Ionisation werden herkömmliche Prozesse verwendet. Wie sich aus Fig. 3 bis 5 ergibt, ist es zur Durchführung des Ionisationsprozesses erforderlich, an die Zieloberfläche eine entsprechende Spannung anzulegen.

Die WO 95/19638 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung von Ionen aus einer Flüssigkeit. Hierbei wird eine zu analysierende Flüssigkeitsprobe beispielsweise von einem Chromatographen mittels einer kapillaren Röhre in eine Kammer eingebracht, wobei die Flußrate der Flüssigkeit durch die kapillare Röhre mittels einer Pumpe bestimmt wird. Derjenige Abschnitt der kapillaren Röhre, welcher in die Kammer eintritt, besteht aus einem leitfähigen Material und weist einen Anschluß auf, welcher mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Der andere Anschluß der Spannungsquelle und eine in der Kammer enthaltene Platte liegen auf Masse. Mittels einer weiteren Röhre, die koaxial mit einer Kapil­ lare ist, und diese umgibt, wird ein Zerstäubungsgasfluß in die Kammer geführt, um eine Zerstäubung des aus der Kapil­ lare austretenden Fluids zu bewirken. Die so erzeugten Tröpfchen werden durch die an der Kapillare anliegende Spannung geladen und bei der Verdampfung der Tröpfchen werden aus diesen Ionen gelöst, welche in Richtung einer Öffnung in der Platte laufen, um anschließend auf einen Mas­ senanalysator zu treffen. Ferner ist ein weiterer Gaszufluß vorgesehen, mittels dem ein geheizter Gasfluß in dem Bereich in der Kammer gerichtet wird, um so eine schnelle Verdamp­ fung der erzeugten Tröpfchen sicherzustellen.

Die US-A-4,298,795 betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Einbringen von Proben in ein Massenspektrometer, bei dem, wie es beispielsweise anhand der Fig. 1 und der Fig. 2 gezeigt ist, zunächst eine flüssige Probe von einem Gaschromatographen über eine Kapillare einer Düse zugeführt wird. Die Kapillare ist innerhalb einer größeren Kapillare angeordnet, durch welche ein Heliumgasstrom ebenfalls zu der Düse geleitet wird. Die Düse ist in eine Zerstäubungskammer gerichtet, und an dem Ausgang, an dem sich die beiden Kapil­ laren treffen, wird ein Aerosol gebildet. Das in der Kammer erzeugte Aerosol wird anschließend über eine weitere Kapil­ lare der Ionisationskammer des Massenspektrometers zuge­ führt. Aus dieser Konfiguration ergibt sich bereits, daß die Ionisation nicht während der Bildung des Aerosols erfolgt, sondern tatsächlich erst in der Ionisationskammer, wenn in diese das Aerosol eingebracht wird. Aus Fig. 3, linker Abschnitt, ergibt sich die Konfiguration der Ionisations­ kammer im Detail, und es wird deutlich, daß auch dort eine Spannung an die entsprechenden Elektroden anzulegen ist, um überhaupt eine Ionisation herbeizuführen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus einer flüssigen Probe zu schaffen, das die Analyse aller Verbindungstypen ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die hierin gelehrte Erfindung liefert eine Vorrichtung zum Bilden von Ionen aus einer Flüssigkeit und zum Einbringen der Ionen in ein Massenspektrometer. Die Ionenbildung wird ohne die Anwendung eines äußeren elektrischen Felds er­ reicht, wobei sie nur die Wechselwirkung eines konzentri­ schen Gasflusses um den flüssigen Probenstrom und den flüssigen Strom mit den geeigneten relativen Geschwindig­ keiten benötigt, um Ionen mittels einer triboelektrischen oder reibungsmäßigen Aufladung zu erzeugen.

Ein neuartiger Aspekt der hierin gelehrten Erfindung ist die Anwendung des triboelektrischen Effekts in einer echten Mi­ kroumgebung. Der triboelektrische Effekt ist allgemein als die "Reibungselektrizität" bekannt, die Aufladung von zwei unterschiedlichen Objekten, die aneinander reiben oder in einer relativen Bewegung zueinander sind, und das Scheren der Elektronen von einem Teil zu einem anderen. Der Aufla­ dungseffekt kann ohne weiteres mit Seide und Glas demon­ striert werden. Bei der hierin gelehrten Erfindung sind die Substanzen in einer Relativbewegung das Gas und die Flüssig­ keit. Die Innovation ermöglicht die Beseitigung einer gegen­ wärtig erforderlichen, äußeren Aufladung, um Ionen vor der Massenanalyse aus flüssigen Proben zu erzeugen, ebenso wie die wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit verglichen mit Systemen mit äußerer Aufladung, die gegenwärtig verwendet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1A und 1B eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer mikro-pneumatischen Zerstäubungsvorrichtung und einer konzentrischen, geheizten Verdampfungsvorrichtung gemäß der Erfin­ dung; und

Fig. 3, 3A und 3B graphische Darstellungen von Ionen-Mengen­ daten, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden.

Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei Fig. 1A schematisch ein LC/MS 10 zeigt, das angepaßt ist, um die Merkmale der vorliegenden Erfindung einzuschließen. Das zugrundeliegende LC/MS-Gerät wird von der Hewlett- Packard Company unter dem Produktnamen 1090A/5989B verkauft. Dasselbe weist einen Flüssigkeitseinlaß 20 für einen LC-Aus­ fluß oder eine andere flüssige Probe auf, wobei eine erste Pumpe 22 mit dem Einlaß 20 gekoppelt ist, die wirksam ist, um einen positiven Druck auf der Probe zu erzeugen. Die LC- Ausflußrate des Flusses beträgt allgemein 0,100 bis 5000 Mi­ kroliter pro Minute und typischerweise 1000 Mikroliter pro Minute. Mit dem Flüssigkeitseinlaß ist eine röhrenförmige Kammer 25 gekoppelt, durch die die Flüssigkeit fließt, wobei mit der Außenseite der röhrenförmigen Kammer 25 ein Gasein­ laß 30 strömungsmäßig nachgeschaltet gekoppelt ist, wodurch Gas auf eine konzentrische Art und Weise in eine ringförmige Kammer 32, die die röhrenförmige Kammer 25 umgibt, einge­ bracht wird, und wobei ferner stromabwärts eine mikropneu­ matische Zerstäubungsvorrichtung 40 mit der röhrenförmigen Kammer, die den Flüssigkeitsfluß enthält, gekoppelt ist, derart, daß an der Auslaßöffnung 52 oder dem Eingang in die Ionenkammer 60, dem Punkt, an dem die röhrenförmige Kammer 25 endet und der Flüssigkeitsfluß auf den Gasfluß 50 trifft, der triboelektrische Effekt derart wirksam ist, daß Ionen 62 in Mengen erzeugt werden, die zwischen 10^-12 und 10^-6 Ampere meßbar sind, und die Ionen die Ionenkammer 60 betreten.

Im Betrieb strömt die Flüssigkeitsprobe, die analysiert wer­ den soll, durch den Flüssigkeitseinlaß 20 in die röhrenför­ mige Kammer 25. An einem stromabwärts angeordneten Punkt bringt der Gaseinlaß 30 ein inertes Gas, üblicherweise Stickstoff, unter einem Druck von typischerweise 69 N/cm² (100 psi) auf eine solche Art und Weise ein, daß sich das Gas in die Richtung des Flüssigkeitsflusses, jedoch in einer konzentrischen ringförmigen Kammer 32 bewegt. Der Druck, der auf das fließende Gas und die Flüssigkeit ausgeübt wird, wird durch eine zweite Pumpe 31 geliefert, die einen kompri­ mierten Gaszylinder (nicht gezeigt) aufweist, wobei die zweite Pumpe gesteuert wird, um Geschwindigkeiten von mehr als 100 m pro Sekunde zu erzeugen.

Wie in dem vergrößerten Abschnitt von Fig. 1B gezeigt ist, ist der triboelektrische Effekt an dem Punkt wirksam, an dem der Gas- und der Flüssigkeits-Fluß einander berühren 50. Die Reibung der zwei Ströme mit unterschiedlichen Geschwindig­ keiten, die einander berühren, bewirkt das Scheren von Ionen 62 aus dem Flüssigkeitsstrom, wobei diese Ionen die Ionen­ kammer 60 an dem Kammereingang 52 betreten. Die Kammer ist über Umgebungstemperatur gehalten, abhängig von der Flüssig­ keitsflußrate und der Wärmekapazität der Flüssigkeit, die verwendet wird, um die Anzahl von Ionen, die an dem Einlaß des Massenspektrometers ankommen, zu maximieren.

Typischerweise ist der Flüssigkeitseinlaß eine Röhre mit ei­ nem inneren Durchmesser von 100 µm. Die Röhre ist unter Ver­ wendung entweder eines leitenden oder eines nicht-leitenden Polymermaterials, beispielsweise KEL-F, Polyamid oder ande­ ren Materialien, die den Druck aushalten können, an ihrem Ende bezüglich der Röhre abgedichtet. Die Röhre kann entwe­ der eine leitende Röhre oder eine nicht-leitende Röhre sein, beispielsweise eine Nadelrohrleitung aus rostfreiem Stahl oder eine Quarzglas-Rohrleitung. Andere Rohrleitungs- oder Kanalbildungs-Materialien können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeiten der hohen Flüssig­ keits-Gas-Geschwindigkeiten beibehalten werden. Die röhren­ förmige Kammer 25 weist üblicherweise eine Länge von etwa 1 cm auf, wobei die Länge im allgemeinen in einem Bereich zwischen 0,2 bis 6 cm liegt, wobei dieselbe jedoch eine be­ liebige Länge, die für das Gerät geeignet ist, sein kann. Der Gaseinlaß 30 ermöglicht, daß ein Gas, typischerweise Stickstoff, von einer Gasquelle (nicht gezeigt) eingebracht wird; die Quelle ist mit dem Gaseinlaß 30 verbunden. Andere Gase können verwendet werden. Der Stickstoff wird unter ei­ nem Druck 7,5 × 10⁵ Pascal (7,5 Bar) in den ringförmigen Raum der äußeren Röhre 32 geliefert, wobei eine hohe Gasge­ schwindigkeit über die gesamte Länge der äußeren Röhre 32 erzeugt wird. Eine richtige Gasgeschwindigkeit ist der Schlüssel, um Ionen über den triboelektrischen Effekt zu er­ zeugen. Wenn die Gasgeschwindigkeit unter 100 m pro Sekunde abfällt, beispielsweise in der obigen Rohrleitungsgeometrie, fällt die Anzahl von Ionen steil ab, wobei die Erzeugung von Ionen von der Vorrichtung reduziert wird. Der Flüssigkeits­ fluß kann in einem geringen Bereich von mehreren Nanolitern pro Minute liegen, und kann nach oben 5.000 Mikroliter pro Minute erreichen. Das Gas fließt in der röhrenförmigen Kam­ mer 32, einer äußeren Röhre, die konzentrisch um die röhren­ förmige Kammer 25, die die Flüssigkeit enthält, verläuft. Das Gas fließt mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 800 m/s. Eine typische Ionenproduktion liegt in der Größenord­ nung von 30 bis 100 Nanoampere.

Die Zerstäubungsvorrichtung 40 ist von dem Typ einer pneu­ matischen Zerstäubungsvorrichtung, der konzentrische Röhren enthält.

Die Ionenerzeugung findet an dem Berührungspunkt des konzen­ trisch mit einer hohen Geschwindigkeit fließenden Gases und der Flüssigkeit (dem Berührungspunkt 50) statt, der ferner der Punkt ist, an dem Ionen aufgrund des triboelektrischen Effekts losgeschert werden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Ionen von den Tröpfchen, von dem Scheren der Tröpfchen und der Trennung der Ionen von den Tröpfchen, wenn die Tröpfchen verdampfen, ausgestoßen. Die Verbindungsionen­ kammer 60 verbindet den Ionenausgang oder den Ionenkammer­ eingang 52 mit dem Massenspektrometereinlaß 70 oder einer anderen Ionensammlungsvorrichtung einhüllend.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, betreten die durch den triboelektrischen Effekt gebildeten Ionen 62 nach der Zerstäubungsvorrichtung zuerst eine Verstärkungseinrichtung und spezieller eine geheizte Säule 55, wobei die geheizte Säule 55 die Ionen 62 zu der inneren Ionenkammer 60 führt. Die geheizte Säule 55 weist vorzugsweise einen Durchmesser von 0,8 mm auf und ist 25 mm lang (obwohl die Abmessungen in einem Bereich von einem Durchmesser von etwa 0,1 mm bis zu einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von näherungsweise 250 mm liegen können). Die Kammer ist aus einer inneren Röhre gebildet, vorzugsweise aus einem isolierenden und leitenden Material, beispielsweise einer Keramik, kann jedoch aus einem Leiter hergestellt sein, beispielsweise rostfreiem Stahl, oder aus Quarzglas, Glas oder einem Polymer, beispielsweise Polyamid. Die Kammer wird steuerbar auf Temperaturen geheizt, die aus­ reichend Wärme liefern, um die Flüssigkeit zu verdampfen. Typische Temperaturen für eine Flußrate von 1 Milliliter pro Minute der Flüssigkeit wären 400 Grad Celsius. Geringere Flußraten weisen proportional geringere Temperaturen auf. Die Temperaturbereiche ändern sich gemäß der Menge und der Wärmekapazität der verwendeten Flüssigkeit.

Die geheizte Säule ist durch eine Rückkopplungssteuerung ge­ steuert, wobei die Temperatur eingestellt werden kann, um die Temperatur innerhalb plus oder minus 1 Prozent zu hal­ ten. Obwohl diese geheizte Säule nicht notwendig ist, hilft die Säule dabei, die Produktion von Ionen auf einen konstan­ ten Pegel zu steuern.

Die Elektrode 75 dient dazu, die Ionen auf den MS-Einlaß zu fokussieren. Typische Spannungen der Diode liegen in einem Bereich von 1.000 bis 5.000 Volt relativ zu dem Einlaß 70.

Die Ergebnisse, die in den Fig. 3A und 3B gezeigt sind, zei­ gen Ergebnisse von der massenspektrometrischen Analyse von Proben, die durch die Vorrichtung und gemäß dem Verfahren, die hierin gemäß der vorliegenden Erfindung gelehrt werden, gehandhabt wurden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus einer flüssigen Probe, wobei die Ionen zur Massenanalyse geeignet sind, mit folgenden Merkmalen:
einer röhrenförmigen ersten Kammer (25), die an einem Ende mit einem Einlaß (20) für die flüssige Probe ver­ sehen ist und die am anderen Ende mit ihrer Auslaß­ öffnung in einer Düse einer Zerstäubungsvorrichtung (40) endet;
einer ersten Pumpe (22), um die flüssige Probe durch den Einlaß (20) in die röhrenförmige erste Kammer (25) einzubringen und steuerbar in einem Flüssigkeitsproben­ strom durch die röhrenförmige erste Kammer (25) und aus der Düse zu befördern;
einer ringförmigen zweiten Kammer (32), die die röhren­ förmige erste Kammer (25) konzentisch umgibt und die an einem Ende eine Gaseinlaßöffnung (30) und am anderen Ende eine Gasauslaßöffnung aufweist, welche in der Düse der Zerstäubungsvorrichtung (40) endet, wobei die Düse der Zerstäubungsvorrichtung (40) durch die Auslaßöf­ fnung der röhrenförmigen ersten Kammer (25) und der un­ mittelbar benachbarten Gasauslaßöffnung der ringför­ migen zweiten Kammer (32) gebildet und in einer Düsen­ vorrichtung (52) angeordnet ist, die in und durch das Gehäuse der Zerstäubungsvorrichtung (40) gebildet ist,
einer zweiten Pumpe (31), die an der Gaseinlaßöffnung (30) der ringförmigen zweiten Kammer (32) befestigt ist und einen steuerbaren Gasfluß in der ringförmigen zwei­ ten Kammer (32) bewirkt, der aus der Gasauslaßöffnung der ringförmigen zweiten Kammer (32) in die Düse ein­ tritt, wobei die Strömungsrichtungen in den beiden Kammern (25, 32) übereinstimmen und der Unterschied der Strömungsgeschwindigkeiten derart steuerbar ist, daß am Ende (50) der Düse wegen des Unterschiedes der Strö­ mungsgeschwindigkeiten zwischen Gas und Flüssigkeit aufgrund des triboelektrischen Effekts Ionen der flüs­ sigen Probe erzeugt und in eine Ionenkammer (60) dis­ pergiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die relative Ge­ schwindigkeit des Gases bezüglich der Flüssigkeit in dem Bereich von etwa 80 m/s bis 800 m/s liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine geheizte Kanalvorrichtung (55) aufweist, die mit der Düsenvorrichtung (52) gekoppelt und auf einer Tempera­ tur gehalten ist, um die Flüssigkeit zu verdampfen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kanalvorrich­ tung (55) eine Röhre aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Zwischen­ verbindung zwischen der Ionenkammer (60) und einem Ein­ laß (70) keiner Massenanalysatorvorrichtung (80) auf­ weist.