[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Ionen, insbesondere für ein
Massenspektrometer, wie Flugzeitmassenspektrometer, aus thermisch instabilen nichtflüchtigen
großen Molekülen, bei dem eine die Moleküle aufweisende Probensubstanz Energiepulsen
ausgesetzt wird, durch welche Moleküle aus der Probensubstanz freigesetzt werden,
und bei dem die freigesetzten Moleküle von einem Strahl eines Trägergases mitgenommen
und bei dessen Expansion gekühlt sowie anschließend in einem Ionisationsraum ionisiert
werden.
[0002] Aus der DE-A-38 00 504 ist ein Verfahren der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem
die Desorption der Moleküle durch einen Laserstrahl erfolgt. Es dient zum Überführen
insbesondere großer Moleküle in die Gasphase, bevor die Moleküle mittels eines anschließend
durchgeführten Ionisationsvorganges in einen chemischen Zustand gebracht werden, in
dem sie erst einer massenspektrometrischen Analyse zugänglich werden. Dabei wird ausgenutzt,
daß die von den Molekülen durch die Desorption aufgenommene innere Energie im Trägergasstrahl
stark reduziert wird, so daß die Moleküle stark abgekühlt werden und deren thermische
Zersetzung weitgehend verhindert wird. Dieses Desorptionsverfahren ist für flüssige
und feste Probensubstanzen geeignet, wobei es sich als günstig herausgestellt hat,
die Moleküle der Probensubstanz in einer Matrix unterzubringen, die sich thermolytisch
leicht zersetzt.
[0003] Eine Vorrichtung, mit der dieses Desorptionsverfahren durchgeführt werden kann, ist
in der Zeitschrift "ANGEWANDTE CHEMIE" 1988, Seiten 461 ff., in dem Übersichtsartikel
"Die Multiphotonen-Ionisation (MUPI)-Massenspektrometrie", beschrieben. Die Probensubstanz
wird dabei vor die Öffnung einer Düse gebracht, aus der das Trägergas austritt. Durch
Verwendung von Infrarot-Laserlicht werden die Moleküle der probensubstanz in den expandierenden
Strahl des Trägergases desorbiert. Dadurch werden die inneren Freiheitsgrade der Moleküle
abgekühlt, und die Moleküle werden von dem Trägergasstrahl weitertransportiert. Üblicherweise
wird diese Vorrichtung als gepulstes System betrieben, das aus einem gepulsten Ventil
zum Erzeugen des Trägergasstrahles und einem Laser zur Desorption der neutralen Moleküle
besteht. Da die Moleküle als Strahl, bzw. im Pulsbetrieb als Teilchenpaket, weitertransportiert
werden, ist es möglich, diesen Desorptionsprozeß räumlich getrennt von dem nunmehr
nachfolgenden Ionisationsprozeß zu halten.
[0004] In der Veröffentlichung "Laser desorption jet-cooling of organic molecules" (Applied
Physics B, Band B41, Nr. 6, Seiten 395 - 403) wird die Kühlwirkung des Trägergasstrahles
auf die desorbierten Moleküle untersucht. Auch wird die Nachweisempfindlichkeit der
verwendeten Anlage, in der ein Laser zur Ionisation der Moleküle verwendet wird, gemessen.
[0005] Für die massenspektrometrische Untersuchung der betrachteten großen Moleküle hat
sich die Einphotonen- oder Multiphotonen-Ionisation bewährt. Da die Wellenlänge der
eingestrahlten Photonen auf die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und einem
angeregten Zustand des neutralen Moleküls abgestimmt werden kann, ist es möglich,
die Ionisation selektiv nur der zu untersuchenden Moleküle vorzunehmen; die Trägergasteilchen
bleiben dabei in ihrem neutralen Zustand und beeinflussen die nachfolgenden Untersuchungsergebnisse
nicht.
[0006] Obwohl die Multiphotonen-Ionisations-Massenspektrometrie erfolgreich betrieben wird,
ist sie doch für einige Problemstellungen nicht anwendbar, da oftmals eine lediglich
selektive Anregung der neutralen Moleküle nicht genügend Information zur gewünschten
Strukturaufklärung des Moleküls liefern kann, weil bei unbekannten Molekülen die zu
wählende Anregungswellenlänge nicht hinreichend vorherbestimmbar ist. Auch hat sich
herausgestellt, daß einige Substanzen auf die dargestellte Weise nur schwer ionisiert
werden können.
[0007] Es sind Ionisationsverfahren bekannt, die nicht-selektiv wirken. Dazu zählt die Elektronenstoß-Ionisation.
Für große Moleküle, wie im vorliegenden Fall, sind derartige Verfahren jedoch nicht
anwendbar, da sie zu einer starken Fragmentierung des Moleküls führen. Zudem würden
auch die Trägergasteilchen ionisiert, was zu Sättigungseffekten, elektrostatischer
Abstoßung und damit zu schlechter Auflösung und ungenügender Empfindlichkeit der Analyse
führte. Solche Einflüsse sind schon deswegen nicht vernachlässigbar, da die Trägergasteilchen
gegenüber den zu untersuchenden Molekülen in mindestens tausendfach höherer Konzentration
vorliegen.
[0008] Aus der DE-A-873 765 ist die Verwendung der Elektronenstoß-ionisation bekannt, jedoch
führt die Kombination dieser Vorgehensweise mit einem Verfahren, wie es aus der DE-A-36
19 886 vorbekannt ist, lediglich zu stark fragmentierten Ionen im niedrigen Massenbereich,
so daß sich hiermit also keine großen, thermisch labile, nicht-flüchtige Moleküle,
wie z. B. Peptide, untersuchen lassen.
[0009] In der Veröffentlichung "Analytical Instrumentation", Band 16, Nr. 1, 1987 wird auf
den Seiten 93a bis 115 ein Verfahren für die Laserdesorption mit Ionisation in einem
Schritt beschrieben. Dieses Verfahren wird durch den Umbau einer Apparatur zur Ionisierung
von flüchtigen Substanzen durch Elektronenstöße ermöglicht. Damit kann mit solch einer
modifzierten Apparatur auch die oben beschriebene selektive Ionisationsmethode durchgeführt
werden.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren mit einem
vom Desorptionsprozeß getrennten Ionisationsprozeß dahingehend weiterzubilden, daß
Ionen aus thermisch instabilen, nicht-flüchtigen großen Molekülen bereitgestellt werden
können, wobei eine nicht-selektive Ionisationsmethode eingesetzt werden kann.
[0011] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in Weiterbildung des gattungsgemäßen Verfahrens
dadurch gelöst, daß die Moleküle durch Elektronenstoß ionisiert werden; daß die Strahlungsdichte
der für die Ionisation verwendeten Elektronen so gewählt wird, daß im Fokus des Elektronenstrahles
eine Potentialmulde erzeugt wird, deren Tiefe größer als die Translationsenergie der
Molekülionen im Trägergasstrom ist; daß die durch die Elektronenstoßionisation erzeugten
Molekülionen in der Potentialmulde jeweils für einen bestimmten Zeitraum gesammelt
werden; und daß die jeweils in der Potentialmulde gesammelten Molekülionen gepulst
aus der Ionisationskammer herausbeschleunigt werden.
[0012] Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung sind Gegenstand
der entsprechenden Unteransprüche.
[0013] Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es gelingt, entgegen
dem verbreiteten Vorurteil der Fachwelt auch instabile Moleküle mittels Elektronenstoß
zu ionisieren, wobei diese Möglichkeit dadurch geschaffen wird, daß der "Jet"-Strahl,
der mittels des gattungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird, eine derartige Abkühlung
der innerhalb des Strahles nur sehr geringe Relativbewegungen ausführenden schweren
Moleküle, die später ionisiert werden sollen, herbeiführt, daß sie bei der Elektronenstoßionisation
nicht zerfallen. Die zusätzliche Maßnahme des gepulsten Abziehens der ionisierten
Moleküle, welche durch die Erzeugung der Potentialmulde einstellbarer Tiefe ermöglicht
wird, fördert in erfindungswesentlicher Weise die Nachweisempfindlichkeit im Massenspektrometer
und damit die Auflösung.
[0014] Erfindungsgemäß werden Moleküle also durch Elektronenstoß ionisiert, wobei als Trägergas
vorzugsweise Helium und/oder Neon verwendet wird/werden; die Energie der Elektronen
im Elektronenstrahl liegt dabei natürlich vorzugsweise unterhalb der Ionisationsenergie
des Trägergases.
[0015] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die gesamten Vorteile der bekannten Technik
der Laserverdampfung mit anschließender Kühlung genutzt werden, um thermisch instabile,
nicht flüchtige Moleküle zu untersuchen, die derartigen Analyseverfahren sonst nicht
zugänglich wären. Da die inneren Energien der Moleküle durch die Kühlung erheblich
verringert sind, führt auch die anschließende Elektronenstoß-Ionisation zu weniger
Fragmenten, als üblicherweise erwartet werden. Die Vorteile der räumlichen Trennung
von Verdampfung und Ionisation können beibehalten werden - Flexibilität in der Konstruktion
von Desorptions- und Ionisationssystem ohne Notwendigkeit struktureller Kompromisse;
kein Verdrecken der Ionenquelle durch desorbiertes Probenmaterial; bei der Desorption
gebildete Ionen (im Gegensatz zu neutralen Probenmolekülen) erreichen nicht die Ionenquelle
-, wobei gute Ausbeuten zu erzielen sind. Durch Verwendung der Edelgase Helium oder
Neon als Trägergas wird die Entstehung von Trägergasionen verhindert oder zumindest
sehr stark unterdrückt. Beide Edelgase haben ein sehr hohes Ionisierungspotential
(24.6 eV bzw. 21.6 eV), so daß sie bei Elektronenenergien unterhalb dieser Ionisierungspotentiale,
wie sie vorzugsweise zur Anwendung kommen, praktisch nicht ionisiert werden. Die zu
untersuchenden Moleküle, mit einem Ionisierungspotential in der Größenordnung von
etwa 10 eV, werden bei den genannten Elektronenenergien hingegen bereits sehr gut
ionisiert.
[0016] Ein massenspektrometrisches Nachweisverfahren, das die Pulsstruktur der Ionenerzeugung
nutzt, ist die Flugzeit- oder Time-Of-Flight (TOF)-Massenspektrometrie. Grundsätzlich
hat ein Flugzeit-Massenspektrometer den Vorteil, daß mit jedem Puls ein vollständiges
Massenspektrum registriert wird. Darüber hinaus verfügt die Flugzeitmassenspektrometrie
über eine physikalische Eigenschaft, die sie zur Untersuchung von großen Molekülen
besonders geeignet macht. Die Auflösung nimmt nämlich mit wachsender Masse zu.
[0017] Allerdings kann eine gute Auflösung bei der Untersuchung der Molekülionen mit einem
Flugzeitmassenspektrometer auch nur dann erreicht werden, wenn die Molekülionen zu
einem möglichst genau definierten Zeitpunkt ( t < 5ns) auf einem möglichst kleinen
Raum ( < 1mm) starten. Im allgemeinen ist es deshalb nicht möglich, die gesamte in
einem Gasstrahl enthaltene Probe auszunutzen.
[0018] Es hat sich aber gezeigt, daß die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert werden
kann, wenn die Strahlungsdichte der für die Ionisation verwendeten Elektronen so gewählt
wird, daß im Fokus des Strahles eine Potentialmulde erzeugt wird. Die zu untersuchenden
neutralen Moleküle fliegen in den Fokus des Elektronenstrahles, werden dort ionisiert,
können jedoch dann-im ionisierten Zustand - den Fokus nicht mehr verlassen. Sie werden
also in einem räumlich begrenzten Volumen über einen relativ langen Zeitraum von bis
zu 100 µs gesammelt. Die so gesammelten ionisierten Moleküle lassen sich jeweils als
"Paket" mit exakt definierter Startzeit abziehen, wobei z. B. 50 ns nach dem Ende
des Sammelns (Abschalten des Elektronenstrahles) die Abschlußplatte auf 0 V geschaltet
wird und hierdurch die ionisierten Moleküle in das Massenspektrometer beschleunigt
werden. Durch diese gepulste "Paketübertragung" läßt sich eine gute Ausbeute mit hoher
Auflösung (wie für Laser-Ionisation üblich) bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit
(wie für Elektronen-Stoßionisation charakteristisch) erzielen.
[0019] Als Energiepulse für die Desorption können im übrigen mit Laser erzeugte Lichtpulse
verwendet werden; dabei sind auch kontinuierlich arbeitende Laser geeignet. Die eingesetzten
Wellenlängen liegen dabei im Bereich von Mikrometern bis hinab zu einigen zehn Nanometern.
Die Energiepulse können auch durch Beschuß mit Ionen oder Neutralteilchen aufgebracht
werden.
[0020] Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird wahlweise eine Ionisation
der Probe durch Elektronenstoß oder durch Photonenanregung in demselben Ionisationsraum
durchgeführt. Die zu untersuchende Probe muß daher nur einmal präpariert und in den
Ionisationsraum eingelassen werden und kann anschließend unter Ausnutzen der Vorteile
beider Ionisationsverfahren untersucht werden. Dabei ist also sichergestellt, daß
ein- und dieselbe Probe mit beiden Meßmethoden untersucht wird. Vorteilhaft ist es
dabei, wenn sowohl der Photonenstrahl gepulst ist als auch die gasförmige Probe gepulst
zugeführt wird, wobei die Ionisationsverfahren entsprechend synchronisiert geschaltet
werden müssen. Die Umschaltfrequenz ist dabei lediglich durch die für die Aufnahme
des Spektrums und dessen Auswertung benötigte Zeit begrenzt.
[0021] Im Gegensatz zum Stand der Technik sind, wie ausgeführt, für ein und dieselbe Ionisationskammer
eine Elektronenquelle und eine Photonenquelle vorgesehen, die zur Ionisierung der
gasförmige Probe innerhalb der Ionisationskammer wahlweise betreibbar sind, wobei
die Ionisierung vorzugsweise pulsförmig erfolgt. In den bisher bekannten Apparaturen
wurde die Photonen-Ionisation in einem konstanten elektrischen Feld durchgeführt,
wobei die notwendige genau definierte Startzeit der Ionen durch zeitlich entsprechend
bemessene Laserpulse festgelegt wurde. Für die Elektronenstoß-Ionisation ist eine
solche Vorgehensweise unzweckmäßig. Wenn man zwischen Elektronenstoß-Ionisation und
Photonen-Ionisation problemlos umschalten möchte, kann dies nur dadurch geschehen,
daß die Photonen-Ionisation nicht standardmäßig, sondern an die Apparatur für die
Elektronenstoß-Ionisation angepaßt durchgeführt wird.
[0022] Für die Umschaltung ist es weiterhin wichtig, daß die Justierung und damit auch die
Masseneichung des nachgeschalteten Massenspektrometers nicht verändert werden müssen.
Nur so können Wiederholraten in der Größenordnung von 20 Hz erreicht werden, so daß
bei jedem Pulspaket aus zu untersuchenden Molekülen umgeschaltet werden kann. Um dies
zu erreichen, müssen die Ionen exakt zur vergleichbaren Zeit, exakt in demselben Volumen
und exakt auf demselben Potential ionisiert werden. Neben dem Durchführen der Ionisation
innerhalb einer Ionisationskammer für die unterschiedlichen Ionisationsverfahren ist
dazu vorteilhaft, daß der von der Elektronenquelle ausgesandte Elektronenstrahl und
der von der Photonenquelle ausgesandte Photonenstrahl im wesentlichen auf denselben
Bereich der Ionisationskammer fokussiert sind. Sind der Elektronenstrahl und der Laserstrahl
justierbar eingerichtet, so kann man die erforderlichen Einstellungen während des
Betriebes der Vorrichtung relativ einfach durchführen.
[0023] Es wurde weiter oben schon ausgeführt, daß auch die Photonen-Ionisation unter denselben
Bedingungen wie die Elektronenstoß-Ionisation durchgeführt wird. Vorteilhaft ist dazu
die Ionisationskammer eine auf positives Potential gelegte Ionisationskammer, dessen
Abschlußplatte, also der Bereich, in dem die ionisierten Moleküle die Ionisationskammer
verlassen, separat beaufschlagbar ist. Die Startzeit für die aus der Ionisationskammer
entlassenen Ionen wird dann dadurch festgelegt, daß diese Abschlußplatte innerhalb
sehr kurzer Zeit auf Erdpotential, d.h. auf 0 V geschaltet wird. Natürlich ist es
innerhalb des Erfindungsgedankens auch möglich, die Abschlußplatte auf ein von 0 V
verschiedenes Potential zu schalten, sofern dieses nur so gewählt wird, daß es zur
Beschleunigung der Ionen in das Massenspektrometer geeignet ist. Zum Zeitpunkt des
Schaltens der Abschlußplatte auf das Beschleunigungspotential starten die Ionen in
dem somit entstandenen Beschleunigungsfeld ihren Flug im der Ionisationskammer nachgeschalteten
Massenspektrometer.
[0024] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Elektronenquelle und/oder
Photonenquelle, wie bereits dargelegt, gepulst betrieben, so daß als Massenspektrometer
ein Flugzeitmassenspektrometer eingesetzt werden kann, mit dem zu jedem Ionenpaket
ein komplettes Massenspektrum aufgezeichnet werden kann.
[0025] Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen
Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung eines ersten Ausführungsbeispieles
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 2
- eine Detailansicht der Vorrichtung im Bereich der zu verdampfenden Probensubstanz;
- Fig. 3
- ein Intensitäts-Zeit-Diagramm für den verwendeten Elektronenstrahl;
- Fig. 4
- ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Beschleunigungsplatte aus der Vorrichtung nach
Figur 1;
- Fig. 5
- ein Rohdatenspektrum der nichtflüchtigen Substanz Mesoporphyrin, wobei dem Trägergasstrahl
(Helium) zu Testzwecken Luft und Benzol beigemischt wurde;
- Fig. 6
- das Rohdatenspektrum des nicht-flüchtigen, thermisch instabilen Peptids Trp-Met-Asp-Phe-NH2;
- Fig. 7
- den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 8
- mit der Vorrichtung von Fig. 7 erhaltene Rohdatenspektren für das thermisch instabile
Peptid Trp-Pro-Leu-Gly-Amid, wobei sowohl das Multiphotonen-Ionisationsspektrum (MPI)
als auch das Elektronenstoß-Ionisations-Spektrum (EI) dargestellt sind; und
- Fig. 9
- ein Rohdatenspektrum, erhalten mit der Vorrichtung von Fig. 7, des thermisch instabilen
Peptides Pro-Phe-Gly-Lys-Acetat, wobei wiederum sowohl das Multiphotonen-IonisationsSpektrum
(MPI) als auch das Elektronenstoß-Ionisations-Spektrum (EI) dargestellt sind.
[0026] Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus thermisch instabilen, nichtflüchtigen
großen Molekülen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die in Figur 1 dargestellt
ist, umfaßt eine Einrichtung 1 zur Erzeugung eines Trägergasstrahles, aus der der
Trägergasstrahl, gesteuert von einem gepulsten Ventil mit Düse 10, in ein Vakuum austritt.
Bei Verwendung von Helium als Trägergas wird dabei ein Gaspuls der Länge 1 µs bis
10 ms erzeugt, wobei eine Pulslänge von 500 µs oder weniger für die meisten Zwecke
optimal ist. Auf der Hochdruckseite des Ventils wird ein Helium-Vordruck von etwa
2 x 10
5 Pa (2 bar) eingestellt; grundsätzlich kann es zweckmäßig sein, den Druck je nach
Anforderung zwischen 2 x 10
4 - 2 x 10
7 Pa (0,2 bar bis 200 bar) zu halten. Die Düse 10 hat eine Öffnung mit einem Durchmesser
von 0,2 mm, der aber auch im Größenbereich von 0,01 bis 1 mm variiert werden kann.
Das Öffnen des Ventils beziehungsweise der Düse 10 geschieht elektromagnetisch.
[0027] Ein auf diese Weise erzeugter Gaspuls wird auch Überschallstrahl genannt. Dabei bewegen
sich die Trägergasatome mit etwa gleicher Geschwindigkeit, wobei die relative thermische
Bewegung der Atome verhältnismäßig gering ist. Demzufolge hat der Strahl eine niedrige
Temperatur in der Größenordnung von 1 K.
[0028] In unmittelbarer Nähe der Öffnung der Düse 10 befindet sich ein Probenträger 3 mit
darauf angebrachter Probe, die entweder fest oder flüssig sein kann, wobei es auch
möglich ist, diese Probe in eine Matrix einzubauen. Etwa senkrecht zum aus der Düse
10 austretenden Strahl wird aus einer geeigneten Lichtquelle, beispielsweise aus einem
CO
2-Laser, gepulstes Infrarotlicht als Photonenstrahl 2 auf den Probenträger 3 bzw. die
darauf befindliche Probe gestrahlt.
[0029] Zum Fokussieren des Photonenstrahls 2 ist eine Linse 20 vorgesehen. Der Puls dieses
Photonenstrahls 2 ist zeitlich mit dem aus der Düse 10 austretenden Puls des Trägergases
synchronisiert. Eine geeignete Pulslänge für einen CO
2-Laser mit der Wellenlänge des Lichtes von 10,6 µm ist 10 µs. Durch den auftreffenden
Photonenstrahl 2 wird das zu untersuchende Material bevorzugt in den Raum vor der
Düse 10 desorbiert. Zunächst sind sämtliche Freiheitsgrade der Moleküle, nämlich Rotations-,
Vibrations- und Translationsfreiheitsgrade, angeregt; die darin enthaltene Energie
wird anschließend im Teilchenstrahl, dem Überschallstrahl, stark abkühlen. Dadurch
wird ein Zerfall der thermisch instabilen Moleküle weitgehend verhindert.
[0030] Die vom Probenträger 3 desorbierten Moleküle liegen nun im gasförmigen Zustand vor
und befinden sich zum größten Teil im aus der Düse 10 austretenden Trägergasstrahl.
Zusammen mit dem Trägergas werden die Moleküle als Teilchenstrahl 4 auf einen Abstreifer
oder Skimmer 5 transportiert, der lediglich den zentralen Bereich des Teilchenstrahles
4 durchläßt. Der "abgeschälte" Anteil des Teilchenstrahles 4 muß aus vakuumtechnischen
Gründen abgepumpt werden und steht somit für die Analyse nicht mehr zur Verfügung.
[0031] Der Skimmer 5 besteht im wesentlichen aus einem auf eine ebene Wand 50 aufgesetzten
Hohlkegel, dessen Spitze zu einer Öffnung 51 ausgebildet ist, deren Durchmesser entsprechend
dem Querschnitt des auszublendenden Teilchenstrahles 4 gewählt ist. Somit wird erreicht,
daß ein nahezu genau in einer vorgewählten Richtung ausgerichteter Teilchenstrahl
schließlich in den Ionisationsbereich eintritt.
[0032] Die Ionisation findet innerhalb einer Ionisationskammer 7 statt. Die Frontwand 70
der Ionisationskammer 7 weist, ausgerichtet mit der Düse 10 und der Öffnung 51 des
Skimmers 5, eine Eintrittsöffnung 71 auf, durch die der Teilchenstrahl 4 eintritt.
Senkrecht auf den Teilchenstrahl 4 auftreffend wird ein gepulster Elektronenstrahl
6 in die Ionisationskammer 7 eingeführt, deren Fokus 61 so eingestellt ist, daß er
auf der Bahn des Teilchenstrahles 4 liegt. Der Elektronenstrahl ist zeitlich mit einer
Länge von 10 ns bis 100 µs gepulst, wobei der Puls auf die Zeitspanne, in der das
Teilchen-"Paket" vorbeifliegt, synchronisiert ist. Die Ionisationskammer 7 befindet
sich auf einem positiven Potential von etwa 1000 V.
[0033] Die Energie der im Elektronenstrahl 6 eingebrachten Elektronen ist von einigen eV
bis 100 eV regelbar. Diese Elektronen ionisieren nun die zu untersuchenden Moleküle
durch Elektronenstoß. Wenn die Energie der Elektronen in der Größenordnung von 25
eV gewählt wird, werden die Teilchen des Trägergases nicht ionisiert, so daß sich
später keine Verfälschungen des Ergebnisses bei der massenspektrometrischen Analyse
ergeben.
[0034] Die Strahldichte der Elektronen ist so hoch, daß sich im Fokus 61 des Elektronenstrahles
6 eine Potentialmulde oder Potentialkuhle aufbauen kann, die tief genug ist, um die
ionisierten Moleküle, also Molekülkationen, die sich zunächst mit der Geschwindigkeit
des Teilchenstrahles 4 bewegen, für kurze Zeit zu fangen. So werden die zu untersuchenden
Molekülionen in einem räumlich begrenzten Volumen gesammelt.
[0035] Die Pulsdauer des Elektronenstrahls 6 ist so angepaßt, daß der Puls beendet ist,
wenn auch das Sammeln beendet ist. Einige 10 ns später wird die die Ionisationskammer
7 verschließende Abschlußplatte 73 in weniger als 5 ns auf 0 V geschaltet. Zu diesem
Zeitpunkt starten die Molekülionen vom Sammelpunkt im Fokus 61 zur Austrittsöffnung
72 in der Abschlußplatte 73 hin in dem entstandenen Beschleunigungsfeld ihren Flug
im Flugzeitmassenspektrometer.
[0036] Figur 2 zeigt den Raum vor der Düse 10 der Einrichtung zur Erzeugung eines Trägergasstrahles.
Der Strahl 4 tritt als Pulspaket aus der Düse 10 aus und passiert die auf dem Probenträger
3 befindliche Probensubstanz 30 aus den zu untersuchenden Molekülen. Synchronisiert
mit dem Trägergas-Pulspaket wird ein Photonenpuls 2 eingestrahlt, der die Desorption
der Moleküle aus der Probensubstanz bzw. vom Probenträger 3 bewirkt. Die Moleküle
diffundieren in den Teilchenstrahl hinein und werden von diesem in Richtung auf den
Skimmer bzw. auf die Ionisationskammer getragen.
[0037] Figur 3 zeigt das Intensitäts-Zeitdiagramm des Elektronenstrahls, der die Ionisierung
der Moleküle in der Ionisationskammer bewirkt. Der Puls ist steilflankig und wird
über den für die Ionisation benötigten Zeitraum konstant gehalten.
[0038] Nach Abschalten des Elektronenstrahl-Pulses (Figur 3) wird das Potential der Abschlußplatte
des Faraday-Käfigs, wie in Figur 4 gezeigt, innerhalb sehr kurzer Zeit abgeschaltet,
so daß sich hier ebenfalls ein steilflankiger Puls ergibt, der über einen Zeitraum
von z. B. 20 µs auf 0 V gehalten wird, welcher ausreicht, das für die Beschleunigung
der Molekülionen erforderliche Feld zu erzeugen; natürlich kann die Abschlußplatte
statt auf 0 V auch auf ein anderes zur Beschleunigung der Molekülionen geeignetes
Potential geschaltet werden.
[0039] Figur 5 zeigt ein Rohdatenspektrum der nichtflüchtigen Substanz Mesoporphyrin. Dabei
sind dem Trägergas Helium (mit dem Masse-Ladung-Verhältnis m/z = 4) Luft und Benzol
beigemischt. Diese Beimischungen ergeben Peaks im Bereich von m/z = 28 sowie einen
relativ genau definierten Peak bei m/z = 78.
[0040] Obwohl bei der Elektronenstoß-Ionisation üblicherweise ein hoher Fragmentanteil auftritt,
während das ionisierte Molekül in der Regel nicht beobachtet werden kann, erhält man
hier einen gut ausgebildeten Peak bei m/z = 566,3, dessen Existenz durch die zuvor
durchgeführte Kühlung der zu untersuchenden Moleküle hervorgerufen wird. Das Massespektrum
(Isotopenverteilung) in der Umgebung des Molekülion-Peaks ist in höherer Auflösung
derselben Figur im Detail dargestellt.
[0041] Figur 6 zeigt ein Rohdatenspektrum des thermisch instabilen Peptides Trp-Met-Asp-Phe-NH
2. Auch hier ist ein Peak beim entsprechenden Molekülion (m/z = 596,4) festzustellen,
der zuvor ohne die Kombination der Elektronenstoß-Ionisation mit vorangehender Kühlung
niemals aufgetreten ist.
[0042] Die in Figur 7 dargestellte Vorrichtung für ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung umfaßt eine Ionisationskammer 7, deren Frontwand oder -platte 70 mit einer
Eintrittsöffnung 71 versehen ist, durch den die zu untersuchenden Moleküle 4 in Form
eines kontinuierlichen Strahles oder als Teilchenpaket eintreten können. Der Frontplatte
70 gegenüberliegend ist eine Abschlußplatte 73 vorgesehen, die eine mit der Eintrittsöffnung
71 ausgerichtete Austrittsöffnung 72 aufweist.
[0043] Sobald sich die zu untersuchenden Moleküle in der Ionisationskammer 7 befinden, wird
der Ionisationsvorgang eingeleitet.
[0044] Beispielsweise kann zunächst die Ionisation durch Elektronenstoß erfolgen. Dazu wird
ein Elektronenstrahl 6 auf das Zentrum der Ionisationskammer räumlich fokussiert,
wobei die Energie der Elektronen von einigen eV bis hinauf zu 100 eV regelbar ist.
[0045] Wenn der Einlaß der zu untersuchenden Moleküle gepulst erfolgt, wird auch der Elektronenstrahl
6 im Pulsbetrieb zugeschaltet, wobei die Pulsdauer von 10 ns bis etwa 100 µs betragen
kann.
[0046] Um eine gute Auflösung bei der Untersuchung der Molekülionen mit einem Flugzeitmassenspektrometer
zu erreichen, müssen die Molekülionen zu einem möglichst genau definierten Zeitpunkt
( t < 5 ns) auf einem möglichst kleinen Raum (< 1 mm) starten. Im allgemeinen ist
es nicht möglich, diese Bedingungen einzuhalten und die gesamte, in einem Gasstrahl
enthaltene Probe auszunutzen. Es hat sich aber gezeigt, daß die Empfindlichkeit der
Anordnung gesteigert werden kann, wenn die Strahlungsdichte der für die Ionisation
verwendeten Elektronen so gewählt wird, daß im Fokus 61 des Strahles eine Potentialmulde
erzeugt wird. Die zu untersuchenden neutralen Moleküle fliegen in den Fokus des Elektronenstrahles
6, werden dort ionisiert, können jedoch dann - im ionisierten Zustand - den Fokus
61 nicht mehr verlassen. Sie werden also in einem räumlich begrenzten Volumen über
einen relativ langen Zeitraum von bis zu 100 µs gesammelt.
[0047] Nachdem die Elektronenstoß-Ionisation beendet ist, wird die Abschlußplatte 73 der
Ionisationskammer 7 etwa 10 ns später auf 0 V geschaltet, wobei dieses Umschalten
in weniger als 5 ns stattfindet. Damit wird der Startimpuls für die Ionen für ihren
Flug im Flugzeitmassenspektrometer geliefert.
[0048] Einige µs später wird die Ionisationskammer 7 wieder insgesamt auf positives Potential
gelegt, beispielsweise auf 600 V. Anschließend kann die Photonen-Ionisation vorgenommen
werden.
[0049] Dazu wird ein gepulster Laserstrahl 4a in die Ionisationskammer 1 eingestrahlt. Die
verwendeten Laserpulse haben eine typische Dauer von 5 ns.
[0050] Bei der Photonen-Ionisation würde allein die kurze Dauer der Laserpulse für eine
genau definierte Startzeit der Ionen sorgen, so daß es der Ionisationskammer 7 mit
der separat beaufschlagbaren Abschlußplatte 73 nicht bedürfte. Allerdings wäre eine
problemlose Umschaltung zwischen Elektronenstoß-Ionisation und Photonen-Ionisation
nicht möglich, wenn man für beide Ionisationsverfahren unterschiedliche räumliche
Anordnungen verwenden müßte. Auch wäre es an sich möglich, bei Photonen-Ionisation
die Abschlußplatte auf konstantem Potential zu halten, wobei sich aber in der Praxis
veränderliche Potentialverteilungen ergeben, die eine Umjustierung des Massenspektrometers
notwendig machen. Daher wird auch für die Photonen-Ionisation der Startimpuls für
die ionisierten Moleküle durch das Schalten der Abschlußplatte 73 auf 0 V gegeben,
was unter denselben Bedingungen wie zuvor im Zusammenhang mit der Elektronenstoß-Ionisation
beschrieben geschieht.
[0051] Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 decken sich der Fokus des Elektronenstrahles 6 und
der Fokus des Photonenstrahles 4a in einem Bereich 61, der auf der Bahn der zu untersuchenden
Moleküle liegt.
[0052] Fig. 8 zeigt Rohdatenspektren für das thermisch instabile Peptid Trp-Pro-Leu-Gly-Amid.
Das Multiphotonen-IonisationsSpektrum (MPI) zeigt einen gut ausgebildeten Peak beim
entsprechenden Molekülion (m/z = 447,4), der beim Elektronenstoß-Ionisations-Spektrum
(EI) weniger stark ausgebildet ist. Die beiden sich gegenüberstehenden Spektren zeigen
deutlich, daß jeweils unterschiedliche Fragmente in unterschiedlichen Anteilen erhalten
werden. Beide Spektren wurden unter exakt denselben experimentellen Bedingungen mit
derselben Probe aufgenommen, wobei das erfindungsgemäße schnelle Umschalten zwischen
der Photonen-Ionisation und der Elektronenstoß-Ionisation vorgenommen wurde. Als Einlaßsystem
wurde die für thermisch instabile Moleküle geeignete Laser-Desorption in einem Überschallstrahl
benutzt.
[0053] Fig. 9 zeigt die Rohdatenspektren von Pro-Phe-Gly-Lys-Acetat, wobei die Spektren
wiederum einerseits durch Multi-Photonen-Ionisation (MPI) und andererseits durch Elektronenstoß-Ionisation
(EI) aufgenommen worden sind. Dabei wurden dieselben experimentellen Bedingungen unter
Verwendung derselben Probe eingehalten. Wieder wurde zwischen Photonen-Ionisation
und Elektronenstoß-Ionisation schnell umgeschaltet. Man erkennt, daß mit der Elektronenstoß-Ionisation
kleinere Fragmente erhalten werden, so daß gerade hier deutlich wird, daß sich die
beiden mit unterschiedlichen Ionisationsverfahren erhaltenen Spektren vorteilhaft
ergänzen.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0054]
- 1
- Einreichung zur Erzeugung eines Trägergasstrahles
- 2
- Photonenstrahl
- 3
- Probenträger
- 4
- Teilchenstrahl
- 4a
- Photonenstrahl
- 5
- Abstreifer (Skimmer)
- 6
- gepulster Elektronenstrahl
- 7
- Ionisationskammer
- 10
- gepulstes Ventil mit Düse
- 20
- Linse
- 30
- Probe
- 50
- Wand
- 51
- Öffnung
- 61
- Fokus
- 70
- Frontwand
- 71
- Eintrittsöffnung
- 72
- Austrittsöffnung
- 73
- Abschlußplatte
1. Verfahren zum Erzeugen von Ionen, insbesondere für ein Massenspektrometer, wie Flugzeitmassenspektrometer,
aus thermisch instabilen, nichtflüchtigen großen Molekülen, bei dem eine die Moleküle
aufweisende Probensubstanz Energiepulsen ausgesetzt wird, durch welche Moleküle aus
der Probensubstanz freigesetzt werden, und bei dem die freigesetzten Moleküle von
einem Strahl eines Trägergases mitgenommen und bei dessen Expansion gekühlt sowie
anschließend in einem Ionisationsraum ionisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Moleküle durch Elektronenstoß ionisiert werden; daß die Strahlungsdichte der für
die Ionisation verwendeten Elektronen so gewählt wird, daß im Fokus des Elektronenstrahles
eine Potentialmulde erzeugt wird, deren Tiefe größer als die Translationsenergie der
Molekülionen im Trägergasstrom ist; daß die durch die Elektronenstoßionisation erzeugten
Molekülionen in der Potentialmulde jeweils für einen bestimmten Zeitraum gesammelt
werden und daß die jeweils in der Potentialmulde gesammelten Molekülionen gepulst
aus der Ionisationskammer herausbeschleunigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der ionisierenden
Elektronen niedriger gewählt wird, als dies für die Ionisierung des Trägergases notwendig
wäre.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas Helium
und/oder Neon verwendet wird/werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
zum Freisetzen der Moleküle aus der Probensubstanz verwendeten Energiepulse mittels
Laser erzeugte Lichtpulse sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Freisetzen
der Moleküle aus der Probensubstanz verwendeten Energiepulse durch Beschuß mit Ionen
oder Neutralteilchen aufgebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle
zeitweilig durch Photonenanregung in demselben Ionisationsraum (7) ionisiert werden,
wobei die Photonen gepulst aufgegeben werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektronen gepulst aufgegeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmoleküle gepulst
zugeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Herausbeschleunigen
der Molekülionen bei Elektronenstoß- und/oder Photonenionisation aus der Ionisationskammer
(7) im selben Rhythmus erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multiphotonenanregung
verwendet wird.
1. A method of generating ions from thermally unstable non-volatile large molecules,
particularly for a mass spectrometer such as a time-of-flight mass spectrometer, wherein
a sample substance comprising the molecules is exposed to energy pulses which liberate
molecules from the sample substance and wherein the liberated molecules are entrained
by a jet of a carrier gas and cooled on expansion thereof and subsequently ionised
in an ionisation chamber, characterised in that the molecules are ionised by electronic
impact; the radiation density of the electrons used for ionisation is chosen so that
a potential trough is generated in the focus of the electron jet, the depth of the
trough being greater than the translation energy of the molecule ions in the carrier-gas
jet; the molecule ions generated by electronic impact ionisation are collected in
the potential trough for a given time and the molecule ions collected in the potential
trough are accelerated in pulsed manner out of the ionisation chamber.
2. A method according to claim 1, characterised in that the energy of the ionising electrons
is chosen lower than necessary for ionising the carrier gas.
3. A method according to claim 1 or 2, characterised in that the carrier gas used is
helium and/or neon.
4. A method according to any of the preceding claims, characterised in that the energy
pulses used for liberating the molecules from the sample substance are laser-generated
light pulses.
5. A method according to any of claims 1 to 3, characterised in that the energy pulses
used for liberating the molecules from the sample substance are supplied by bombardment
with ions or neutral particles.
6. A method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the molecules are
periodically ionised by photon energisation in the same ionisation chamber (7), the
photons being delivered in pulsed manner.
7. A method according to any of the preceding claims, characterised in that the electrons
are delivered in pulsed manner.
8. A method according to claim 6 or 7, characterised in that the sample molecules are
supplied in pulsed manner.
9. A method according to any of claims 6 to 8, characterised in that the molecule ions
are accelerated by electronic impact and/or photon ionisation from the ionisation
chamber (7) at the same rhythm.
10. A method according to any of claims 6 to 9, characterised by use of multi-photon excitation.
1. Procédé pour générer des ions, en particulier pour un spectromètre de masse tel qu'un
spectromètre de masse à temps de vol, à partir de molécules de masse élevée, non volatiles
et thermiquement instables, dans lequel on expose une substance échantillon comportant
les molécules à des impulsions d'énergie par lesquelles des molécules sont libérées
de la substance échantillon, et dans lequel les molécules libérées sont entraînées
par un jet d'un gaz porteur, sont refroidies par la détente de ce gaz et sont ensuite
ionisées dans une chambre d'ionisation, caractérisé en ce que les molécules sont ionisées
par choc d'électrons, en ce que l'intensité spécifique du rayonnement des électrons
utilisés pour l'ionisation est choisie de manière telle qu'il se produit au foyer
du faisceau d'électrons un puits de potentiel dont la profondeur est plus grande que
l'énergie de translation des ions moléculaires dans le flux de gaz porteur, en ce
que les ions moléculaires produits par l'ionisation par choc d'électrons sont rassemblés
chaque fois dans le puits de potentiel pendant un intervalle de temps donné, et en
ce que les ions moléculaires rassemblés chaque fois dans le puits de potentiel sont
accélérés et expulsés de manière pulsée hors de la chambre d'ionisation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie des électrons ionisants
est choisie de façon à être inférieure à celle qui serait nécessaire pour l'ionisation
du gaz porteur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme gaz
porteur de l'hélium et/ou du néon.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les impulsions
d'énergie utilisées pour libérer les molécules de la substance échantillon sont des
impulsions lumineuses produites au moyen d'un laser.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les impulsions
d'énergie utilisées pour libérer les molécules de la substance échantillon sont obtenues
par bombardement avec des ions ou des particules neutres.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les molécules
sont ionisées de façon intermittente par excitation par photons dans la même chambre
d'ionisation (7), les photons étant fournis de manière pulsée.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrons
sont fournis de manière pulsée.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les molécules de l'échantillon
sont amenées de manière pulsée.
9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'accélération
d'expulsion des ions moléculaires hors de la chambre d'ionisation (7) par ionisation
par choc d'électrons et/ou par photons s'effectue avec le même rythme.
10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on utilise une
excitation par multiphotons.