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(11) | EP 0 822 573 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Kollisionszelle mit integriertem Ionenselektor für Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer |
| (57) In einem Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer sollen nachzuweisende Ionen durch Zusammenstöße
mit einem Kollisionsgas fragmentiert werden. Um die Fragment-Ionen eindeutig ihren
Primärionen zuordnen zu können, muß mittels eines Ionenselektors, z.B. eines Schaltgitters,
aus dem Primärionenspektrum ein bestimmtes Ion ausgewählt werden. Wenn ein Kollisionsbereich und ein Ionenselektor im Flugzeit-Massenspektrometer eingebaut werden sollen, so bedingen sie durch ihre räumliche Ausdehnung eine Verringerung der Empfindlichkeit des Massenspektrometers. Dies läßt sich vermeiden, indem man den Ionenselektor in den Kollisionsbereich integriert. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Kollisionszell für Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
[0002] Bei Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometern gibt es generell mindestens zwei Flugstrecken, auf welchen Ionen durch ihre unterschiedlichen Flugzeiten ihrer Masse nach aufgetrennt werden. Dabei bildet immer der Endort der vorangehenden Flugstrecke den Startort der folgenden.
[0003] Üblicherweise wird mittels der ersten Flugstrecke eine bestimmte Ionenmasse vorselektiert, welche entweder vor oder nach der Selektion einer beliebigen Wechselwirkung unterworfen wird. Diese Wechselwirkung kann z.B. die Einwirkung eines Laserstrahls sein, das Kreuzen mit einem zweiten Ionenstrahl oder auch das Durchfliegen einer Zelle mit Kollisionsgas sein.
[0004] Die Selektion bzw. Auswahl einer bestimmten Ionenmasse am Endort einer Flugstrecke kann nach dem Stand der Technik durch eine Reihe von Methoden bewirkt werden:
- Sind die Flugstrecken orthogonal zueinander angeordnet, so kann die Selektion am Ende der einen bzw. am Anfang der folgenden Flugstrecke dadurch bewirkt werden, daß zum Ankunfts-Zeitpunkt einer bestimmten Ionenmasse die an diesem Ort plazierte Ionenquelle des folgenden Flugzeit-Massenspektrometers angeschaltet wird, was die Ablenkung und den Einschuß genau dieser Ionenmasse in das folgende Flugzeit-Massenspektrometer bewirkt.
- Sind die Flugstrecken kolinear zueinander angeordnet, so kann am Ende der einen bzw.
am Anfang der folgenden Flugzstrecke eine Vorrichtung zum gepulsten Ablenken der Ionen
vorgesehen werden:
a) Eine solche Vorrichtung kann z.B. aus zwei zueinander parallel angeordneten Platten bestehen, welche normalerweise auf unterschiedlichen Potentialen liegen, wodurch die hindurchfliegenden Ionen abgelenkt werden. Werden diese Platten nun kurzzeitig auf gleiches Potential gelegt, so kann nur die Ionenmasse passieren, welche sich gerade kurz vor den Platten befindet und währdend der Passage kein ablenkendes Feld spürt.
b) Eine solche Vorrichtung kann auch durch zwei kammartige Strukturen bewirkt werden, deren Zähne aus feinen Drähten bestehen, wobei die Zähne der einander gegenüberliegenden kammartigen Strukturen mittig ineinander greifen und alle zu jeweils einer kammartigen Struktur gehörenden Zähne elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Werden diese beiden Strukturen auf Potentiale gelegt, die in ihrem Wert symmetrisch zum Potential der Driftstrecke sind, so heben sich die von den beiden kammartigen Strukturen erzeugten elektrischen Felder schon in sehr kurzem Abstand auf. Ein solches Ionenschaltgitter kann schon mit vergleichsweise geringen Spannungen durchtretende Ionen so stark ablenken, daß sie den Bahnbereich der Flugstrecken verlassen. Außerdem beeinflußt dieses Schaltgitter nur die Ionen in seiner allernächsten Nähe, was eine Selektion mit hoher Massenauflösung der gewünschten Ionenmasse bewirkt. Ein solches Ionenschaltgitter ist beispielsweise in der Veröffentlichung von D.J. Beussman et al. beschrieben. (Analytical Chemistry, Bd. 67, Seiten 3952-3957, 1995)
[0005] Durch die nach oder vor der Selektion ausgeführte Wechselwirkung wird der innere Zustand der selektierten Ionenmasse geändert. Meist wird Energie zugeführt, um einen Zerfall dieser Ionenmasse in Bruchstücke zu bewirken. Die Massen dieser Bruchstücke lassen dann oft Rückschlüsse auf den Aufbau der ursprünglichen Ionenmasse zu und dienen so der Strukturaufklärung komplexer Moleküle. Die Massen dieser Bruchstücke werden nun durch Messen der Flugzeit in der zweiten Flugstrecke des Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometers bestimmt.
[0006] Müssen noch mehr Einzelheiten als nur die Massen der Bruchstücke bestimmt werden, so können die Bruchstücke selbst einer weiteren Wechselwirkung unterworfen werden, man kann nach Durchfliegen der zweiten Flugstrecke eine bestimmte Ionenmasse herausfiltern, deren Bruchstücke man dann in der dritten Flugstrecke bestimmt.
[0007] Soll der selektierten Ionenmasse durch Wechselwirkung mit einem Kollisionsgas Energie zugeführt werden, so werden in den meisten Fällen die Gase Helium, Stickstoff, oder Argon verwendet, wobei sich in vielen Untersuchungen Helium als das günstigste Kollisionsgas erwiesen hat. Zum Stand der Technik finden sich zwei Anordnungen, welche Kollisionsgas in einem Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer zur Erzeugung von Fragment-Ionen verwenden:
a) B. Spengler et al. (Journal of Physical Chemistry, Bd. 96, Seiten 9678 - 9684, 1992) untersuchen die Fragmentation des Moleküls Cytochrom C, indem sie verschiedene Gase bis zu einem Druck von 4·10-5 mbar in die Flugstrecke ihres Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometers einlassen.
b) T.J. Cornish et al. (Rapid Communications in Mass Spectrometry, Bd. 7, Seiten 1037-1040, 1993) untersuchen die Fragmentation von Molekülen in ihrem Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer, indem sie mittels einer gepulsten Düse Argon oder Helium in eine Kollisionszelle einlassen, welche sich zwischen den beiden Flugstrecken ihrer Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer-Anordnung befindet.
[0008] B. Spengler et al. haben hierbei die einfachste Ausführungsform gewählt. Das Kollisionsgas einfach in die Driftstrecke des Flugzeit-Massenspektrometers einzulassen, stellt die billigste, und am leichtesten zu realisierende Möglichkeit dar, Fragmente durch Stöße mit Gasmolekülen oder -Atomen zu erzeugen. Nachteilig ist allerdings, daß bei Helium, dem am häufigsten verwendeten Kollisionsgas nicht soviel Gas in die Driftstrecke eingelassen werden kann, so daß eine ausreichende Anzahl der Primärionen fragmentierbar wäre. Der Helium-Gasdruck, der notwendig für eine ausreichende Fragmentation wäre, würde elektrische Entladungen im Flugzeit-Massenspektrometer hervorrufen, welche seine Funktion beeinträchtigen würden, unter Umständen auch zur Zerstörung von Komponenten, insbesondere des Detektors führen könnten.
[0009] Bei Vielkanalplatten, welche häufig in den Detektoren der Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden, wird als maximaler Arbeitsdruck 10-4 mBar angegeben. Elektrische Entladungen an hochspannungsführenden Bauteilen können ab einem Druck von ca. 10-3 mBar auftreten.
[0010] T.J. Cornish et al. können auch mit Helium als Kollisionsgas ausreichende Fragmentation bei den zu untersuchenden Ionenmassen hervorrufen. Dies wird hier erreicht, indem sie mit einer gepulsten Düse einen Heliumstrahl hoher Dichte in die Kollisionszelle einlassen. Durch ausreichende Wartezeit bis zum nächsten Primärionenpuls wird ein Druckanstieg im Flugzeit-Massenspektrometer verhindert, der elektrische Entladungen bzw. Zerstörungen an Komponenten des Instruments hervorrufen könnte. Durch die niedrige Repetitionsfrequenz infolge der langen Wartezeiten zwischen Primärionenpulsen wird jedoch die Empfindlichkeit des Flugzeit-Massenspektrometers in kaum vertretbarer Weise herabgesetzt.
[0011] Sowohl eine Kollisionszelle als auch der weiter oben beschriebene Ionenselektor sind jedoch Einrichtungen, die stets eine gewisse räumliche Ausdehnung aufweisen und somit durch die Verlängerung der Flugstrecken im allgemeinen zu einer Verringerung der Empfindlichkeit des Massenspektrometers beitragen, zumal wenn beide Einrichtungen in einem Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz kommen sollen. Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer anzugeben, das bei größtmöglicher Massenauflösung und Empfindlichkeit sowohl eine Kollisionszelle als auch einen Ionenselektor enthält.
[0012] Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer solchermaßen weiterzubilden, daß mit vertretbarem technischen Aufwand und ohne Einbußen bei der Massenauflösung oder Empfindlichkeit ein ausreichender Druck des Kollisionsgases für die verschiedenen Möglichkeiten zur Fragmentation zur Verfügung steht. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von Kollisionsgaszelle und Ionenselektor anzugeben, die ein großes Druckgefälle zwischen Kollisionsbereich und übrigem Massenspektrometer bewirkt, und dennoch eine hohe Empfindlichkeit des Massenspektrometers erlaubt.
[0013] Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und der Unteransprüche gelöst.
[0014] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Kollisionsgaszelle und Ionenselektor als eine Einheit aufgebaut, was die kürzestmögliche Anordnung beider Elemente auf einer Flugstrecke des Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometers darstellt. Diese kürzestmögliche Anordnung beider Elemente ergibt nun die maximale unter diesen Bedingungen erzielbare Empfindlichkeit des Massenspektrometers.
[0015] Dadurch, daß die Kollisionszelle auf diese Weise nun vergleichbar nahe am Abzugsvolumen des Flugzeit-Massenspektrometers angeordnet ist, können auch bei großer Divergenz des Ionenbahnen die Querschnitte der Strömungsimpedanzen an der Kollisionszelle und zwischen den verschiedenen Kammern des Massenspektrometers kleiner gewählt werden ohne die Empfindlichkeit herabzusetzen.
[0017] Im Folgenden wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele die Erfindung näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kollisionszelle mit integriertem Ionenselektor als Teil eines Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometers.
Fig. 2 ein Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ein Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0018] In Fig. 1 ist eine Kollisionszelle 22 mit integriertem Ionenselektor 23 als Teil eines Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometers in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Ionenselektor, der in der Form eines Ionenschaltgitters dargestellt ist, wird von den Keramikringen 27 getragen. Die Kollisionszelle selbst besteht aus den beiden Hälften 22a, 22b, welche durch eine beliebige Vorrichtung zum Klemmen, die hier nicht gezeigt werden muß, mit den Keramikringen des Ionenselektors zusammengehalten werden können. Da die beiden Hälften der Kollisionszelle aus Metall gefertigt werden können, läßt sich diese gesamte Einheit auch auf einfache Weise innerhalb des Flugzeit-Massenspektrometers befestigen. Das Kollisionsgas wird über die Gasleitung 24 zugeführt, die ihren Durchtritt möglichst nahe an dem Ionenselektor hat, welcher in der hier gezeigten Ausführung in einer zur ionenoptischen Achse senkrechten Ebene liegt und die Kollisionszelle in zwei symmetrische Hälften teilt. Dadurch, daß das Kollisionsgas nahe der Mitte der Kollisionszelle zugeführt wird, wird in der Mitte der maximal mögliche Druck erzeugt, gleichzeitig bei minimaler Gasbelastung der Streukammer. Anstelle eines Schaltgitters kann auch die eingangs erwähnte Vorrichtung zweier paralleler Platten verwendet werden.
[0019] Fig. 2 zeigt ein Flugzeit-Flugzeit-Massenspektrometer mit einer erfindungsgemäßen Kollisionszelle als eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind die Ionenquellenkammer 1 mit der Ionenquelle 21, und dem darin enthaltenen Abzugsvolumen 11. Die Ionenquellenkammer ist mit einer Pumpe 6 verbunden, die ein Vakuum, vorzugsweise unterhalb 10-6 mBar erzeugt. Zum Start-Zeitpunkt der Massenanalyse werden von dem zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahl 10 die am Detektor 34 nachzuweisenden Ionen aus dem Abzugsvolumen heraus auf ihrer Bahn 12 ins Flugzeit-Massenspektrometer gestartet.
[0020] Kurz hinter der Ionenquellenkammer ist die Streukammer 2 angeordnet, verbunden über das Verbindungsrohr 4, welches gleichzeitig als Strömungsimpedanz zwischen beiden Kammern dienen kann. In der Streukammer befindet sich die Kollisionszelle 22. Über eine Gasleitung 24 und das Dosierventil 25 wird das Kollisionsgas zugeführt. Die Streukammer ist mit einer Pumpe 7 verbunden, die ein Vakuum, vorzugsweise unterhalb 10-5 mBar erzeugt. Innerhalb der Kollisionszelle ist, wie bereits beschrieben, ein Ionenselektor 23 angeordnet.
[0021] Über das Verbindungsrohr 5 ist die Reflektorkammer 3 angeschlossen. Um die eingeschossenen Ionen gegenüber Streufeldern des Detektors 34 abzuschirmen, kann man entweder ein Abschirmblech 31 zwischen der Ionenbahn und dem Detektor oder ein Einschußrohr 32 verwenden. Das Einschußrohr 32 wirkt mit dem Verbindungsrohr 5 zusammen als Gasströmungsimpedanz. Es kann, wie in Fig. 2 dargestellt, einen geringeren Querschnitt als das Verbindungsrohr 5 aufweisen. Es kann aber auch ein größerer Querschnitt gewählt werden. Durch Auswahl einen Einschußrohrs 32 mit vorgegebenem Querschnitt kann somit die Gasströmungsimpedanz in einem gewissen Bereich eingestellt werden. Die Ionen werden im Reflektor 33 um 180° umgelenkt und treffen auf einen Detektor 34, der sich in relativer Nähe zur Eintrittsöffnung der Reflektorkammer befindet. Die Reflektorkammer ist mit einer Pumpe 8 verbunden, die ein Vakuum, vorzugsweise unterhalb 10-6 mBar erzeugt.
[0022] Diese Anordnung schützt den Detektor und Reflektor vor zu hohen Drücken, wobei insbesondere der Detektor mit seinen Vielkanalplatten ein empfindliches Bauteil darstellt, an welchem zuerst Probleme durch einen Druck von mehr als 10-4 mBar entstehen würden. In dieser Ausführungsform befindet sich die Ionenquelle in einer eigenen Kammer, die einen eigenen Pumpstutzen aufweist, welche über eine Verbindung mit kleinem Gas-Leitwert an die Streukammer angeschlossen ist. Da auch an der Ionenquelle mit ihren spannungsführenden Elektroden bei Drücken von mehr als 10-3 mBar Entladungen auftreten können, kann es notwendig sein, den Restgasdruck in der Ionenquellenkammer zu reduzieren, wenn die Kollisionszelle mit Stoßgas beaufschlagt wird.
[0023] Fig. 3 zeigt eine weitere Verbesserung der in Fig. 2 gezeigten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier sind die Ionenquellenkammer und die Streukammer in eine Vakummkammer integriert, die mittels einer Blende 26, die auch als Elektrode der Ionenquelle dienen kann, in die beiden Bereiche aufgetrennt wird, welche eigene Pumpstuzen aufweisen, und die nur durch eine Strömungsimpedanz von kleinem Gas-Leitwert verbunden sind. Diese Strömungsimpedanz kann auch in eine Elektrode der Ionenquelle bzw. in die Blende eingearbeitet sein.
[0024] Innerhalb des Verbindungsrohrs 5 von der Streukammer 2 zur Reflektorkammer 3 bzw. des Einschußrohrs 32 in die Reflektorkammer ist ein Rohr 35 angeordnet. Dieses Rohr dient dazu, den Strömungswiderstand zwischen Streukammer und Reflektorkammer zu erhöhen. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform erstreckt es sich innerhalb sowohl des Verbindungsrohrs 5 als auch der Einschußrohrs 32 und hat demzufolge einen Durchmesser, der kleiner ist als die Durchmesser der beiden genannten Rohre. Das Rohr 35 kann sich aber auch nur innerhalb eines der beiden Rohre befinden. Das Rohr 35 bietet somit eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Gasströmungsimpedanz.
- einer Ionenquelle(21), einem Reflektor(33), einem Detektor(34),
- einer Kollisionszelle(22), in der ein Fremdgas enthalten ist, durch welches Primärionen infolge der Kollision mit Fremdatomen oder -molekülen in Fragment-Ionen zerfallen, und
- einem Ionenselektor(23) zur Auswahl solcher Primärionen, deren Fragmente nach Wechselwirkung in der Kollisionszelle nachgewiesen werden sollen
dadurch gekennzeichnet,daß der Ionenselektor(23) innerhalb der Kollisionszelle(22) angeordnet ist.
- daß das Massenspektrometer in Bereiche unterschiedlichen Druckes aufgeteilt ist, von denen jeder einen Anschluß für eine Vakuumpumpe(6,7,8) aufweist,
- daß diese Bereiche über Gas-Strömungsimpedanzen(4,5,32,35) verbunden sind,
- daß einer dieser Bereiche durch eine, den Reflektor(33) enthaltende Reflektorkammer(3) gebildet ist,
- daß ein weiterer Bereich durch die, die Kollisionszelle(22) enthaltende Streukammer(2) gebildet wird, und
- daß dieser Bereich in Flugrichtung der Ionen vor der Reflektorkammer(3) angeordnet ist.
- kleineren Durchmesser als das Verbindungsrohr(5) und/oder das Einschußrohr(32) aufweist, und
- innerhalb eines oder beider dieser Rohre angeordnet ist.