DE19629134C1 - Vorrichtung zur Überführung von Ionen und mit dieser durchgeführtes Meßverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überführung von Ionen, die in Ionenquellen erzeugt werden, in Massenspektrometer.

Die Erzeugung von Ionen innerhalb von Ionenfallen hat den Nachteil, daß die zu ionisierende Probe in die Ionenfalle eingebracht werden muß. Als Ionenfallen sind hier sowohl die Quadrupol-Hochfrequenz-Ionenfallen nach Paul, als auch elektromagnetische Ionen-Cyclotron-Fallen nach Penning zu verstehen. Für große Moleküle, die beim Erhitzen zerfallen, gibt es alternative Ionisationsmethoden wie Elektrospray oder Laserdesorptions-Ionisation (auch Matrixunterstützte La­ serdesorption = matrix assisted laser desorption ionization = MALDI). Diese Methoden werden in einer externen Ionenquelle viel einfacher angewandt als in oder direkt an der Ionenfalle selbst. Bei Ionenquellen, die Ionen außerhalb des Vakuumsystems eines Massenspektrometers erzeugen, z. B. beim Atmosphären­ druck (atmospheric pressure ionization = API), werden diese Ionen dann durch eine spezielle Kapillare in das Vakuumsystem des Massenspektrometers über­ führt. Elektrospray-Ionisierung (ESI) und Ionisierung durch ein induktiv-gekoppeltes Plasma (inductively coupled plasma = ICP) und Chemische Ionisation unter Atmosphärendruck (atmospheric pressure chemical ionization = APCI) gehören dazu. ESI hilft bei der Ionisation von Substanzen mit hohem Molekulargewicht, ICP wird bei der Analyse von anorganischen Verbindungen angewandt. APCI ionisiert Gasmoleküle durch Ionen-Molekul-Reaktionen (Chemische Ionisation), wobei die Primärionen durch eine Corona-Entladung erzeugt werden. Bei der Ionen-Cyclotron-Resonanz (ICR)-Spektrometrie besteht zusätzlich die Anfor­ derung, daß die Messung unter UItrahochvakuumbedingungen, wie z. B. bei 10^-8- 10^-9 mbar, stattfinden soll, um die besten Resultate zu erzielen. Die Anwendung der oben angeführten Methoden ist jedoch mit einer starken Druckerhöhung im Vakuumsystem verbunden. Deshalb werden differentiell-gepumpte externe Ionenquellen bei ICR-Spektrometern besonders oft verwendet.

In der Massenspektrometrie hat man seit Jahren Ionenleitanordnungen benutzt, um Ionen zwischen zwei Teilen des Spektrometers zu überführen. In der ICR-Massenspektrometrie wurden verschiedene Quadrupol-Ionenleitsysteme einge­ führt, um die in einer externen Ionenquelle gebildete Ionen in die ICR-Falle zu übertragen. Die Ionen werden hier nach ihrer Erzeugung aus der Quelle mit Hilfe eines Ionenleitsystems in das Magnetfeld eingeführt, in der sich die ICR-Falle befindet.

Peter H. Dawson erwähnt in seinem Buch "Quadrupole Mass Spec­ trometry and Its Applications" (Elsevier, 1976, Seite 35) gekrümmte Quadrupol- Ionenleitanordnungen. Gekrümmte Multipole werden zum ersten Mal im U.S. Patent 3,473,020 beschrieben. In diesem Patent geht es um einen nicht-magne­ tischen Massenanalysator, der aus linearen und gekrümmten Elektroden aufgebaut ist. Die Erfindung wird an Beispielen von einem Quadrupol, einem Dipol, und einem Monopol, dargestellt. Die Verwendung von ge­ krümmten Elektroden hat den Vorteil, daß dadurch ein rauscharmes Massen­ spektrum entsteht. Neutrale Teilchen und Photonen bewegen sich nämlich unbeeinflußt von elektrischen Feldern geradeaus weiter, kommen nicht mehr in die Nähe des Detektors und verursachen deshalb kein Rauschen.

Ein System, das eine Mehrzahl von verschiedenen Ionenquellen für ein Massen­ spektrometer kombiniert, ist in der japanischen Patentanmeldung JP 53-33 689 (A2) beschrieben worden. Allerdings setzt dieser Quellenkomplex keine Multi­ pol-Ionenleitvorrichtungen ein. Diese Quellen produzieren kontinuierlich Ionen. Durch Anlegen geeigneter Potentiale an einem Paar von Deflektionselektroden werden hier Ionen in das Massenspektrometer überführt.

Bei einem Ionenfallen-Massenspektrometer, wie z. B. Fouriertransform-Ionen- Cyclotron-Resonanz (FTICR) Spektrometer, werden oft verschiedene Ionen­ quellen benutzt, um Ionen zu erzeugen. Von gasförmigen Substanzen oder von Substanzen, die sich leicht in die Gasphase überführen lassen, werden durch Elektronenionisierung (EI) positive oder negative Ionen produziert. Durch Ionen- Molekül-Reaktionen können in einer Ionenquelle von Primärionen, z. B. aus einem ionisierten Gas, sekundäre Ionen erzeugt werden (Chemische Ionisation, CI). Alternative Ionisationsmethoden wie Laserdesorptions-Ionisation (LDI), matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisation (MALDI), Elektrospray- Ionisation (ESI) und Ionisation durch Beschuß mit schnellen Atomen (Fast Atom Bombardment = FAB) bilden eine ganze Palette von Möglichkeiten und Techniken, die man mit einem FTICR-Spektrometer oder einem Hochfrequenz-Ionenfallen-Massenspektrometer verwenden kann. Beson­ ders MALDI und ESI werden in den letzten Jahren immer mehr angewand, um größere organische Moleküle von biologischer Bedeutung zu analysieren. Diese Ionenquellen werden normalerweise einzeln in die externe Quellenregion des jeweiligen Massenspektrometers angebracht, und ein Quellenwechsel ist mit einer Unterbrechung des Vakuums verbunden. Durch komplizierte mechanische Anordnungen lassen sich manche Ionenquellen kombinieren, wie zum Beispiel EI- und CI-Quellen, manchmal auch eine MALDI-Quelle zusammen mit EI und CI. Diese Kombinationen haben jedoch immer den Nachteil, daß die Funktionen der beteiligten Quellen durch Kompromisse beschrankt werden. Andererseits verhindern die Betriebsbedingungen einer Quelle einen sofortigen Einsatz der anderen Quelle in der Kombination. Unmittelbar nach MALDI-Experimenten mit einer MALDI/EI-Quelle kann man z. B. mit EI-Massenspektrometrie oft nicht anfangen, da die kombinierte Ionenquelle nun mit Matrixmolekülen kontaminiert ist. Diese gelangen langsam in die Gasphase, wenn die Elektronenquelle eingeschaltet wird. Ein Ausheizen der Ionenquelle löst oft das Problem, bedeutet jedoch einen Zeitverlust im Routinebetrieb.

Die Aufgabe der Erfindung ist eine neue Anordnung zu Kopplung verschiedener Ionenquellen mit verschiedenen Massenspektrometern sowie ein Meßverfahren für eine derartige Kopplung.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1 bzw. 9 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die Betätigung der Hochfrequenz-Multipol-Anordnungen kann durch externe Bewegungsüberträger erfolgen. Eine Translationsbewegung wird zum Beispiel durch einen Balg in das Vakuumsystem übertragen, wo es - im Falle der rotierbaren Multipol-Ionenleitvorrichtung - in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird.

Rotierbar oder verschiebbar ausgelegte gekrümmte Multipolsysteme können auch Ionen zwischenspeichern, wie es in dem U.S. Patent 5,179,278 für ein Multipol-Einlaß-System - allerdings nur für einen linearen Multipol - beschrieben worden ist. Dafür werden an beiden Enden des ge­ krümmten Multipols Endplatten in Form von Lochblenden angebracht, die die Ionen in die Mitte des Multipols zurückreflektieren. Durch Pulsen der positiven Spannung einer dieser Endplatten auf null oder auf kleine negative Werte, kön­ nen akkumulierte positive Ionen in die entsprechende Richtung freigesetzt werden.

Im Falle einer rotierbaren Multipolanordnung, die mehrere Ionenquellen mit einem Massenspektrometer verbindet, hat diese Speicherfunktion den Vorteil, daß Ionen aus einer Quelle im Multipol akkumuliert werden können, wonach der gekrümmte rotierbare Multipol rotiert wird und weitere Ionen aus einer zweiten Quelle dazu addiert werden können. So können zum Beispiel Ionen, die nur durch eine bestimmte Ionisationsmethode erzeugt werden können, mit Ionen anderer Herkunft zusammen in einem Ionenfallen-Massenspektrometer gemessen werden. Ein praktisches Beispiel wäre die einfache Erzeugung von Polyethylenglykol-Ionen mit Hilfe einer MALDI-Quelle. Polyethylenglykole mit verschiedenem Polymerisationsgrad liefern peakreiche Muster mit bekannten Massen in ausgewählten Massenbereichen, die für eine Massenkalibrierung des Massenspektrometers sehr geeignet sind. Leider gibt es keine so gute Kalibriersubstanzen, die so günstig durch Elektrospray ionisiert werden. Deshalb ist eine gleichzeitige Messung der Ionen aus MALDI- und ESI-Quellen manchmal eine Lösung für diese Probleme in der Massenspektrometrie.

Fig. 1 stellt schematisch die Funktionsweise eines rotierbar ausgelegten ge­ krümmten Multipols dar.

Fig. 2 stellt schematisch die Funktionsweise eines verschiebbar ausgelegten Multipolsystems dar.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung des gekrümmten Multipols.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Anwendung, bei der eine Elektrospray-Ionenquelle und eine MALDI-Ionenquelle mit einem Hochfrequenz-Ionenfallen-Massenspek­ trometer gekoppelt ist.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, in dem eine Ionenquelle mit Hilfe einer gekrümmten Ionenleitanordnung, die in einem rotierbaren Gerüst eingebaut ist, für zwei verschiedene Massenspektrometer vorgesehen ist.

Fig. 6 zeigt ein System bestehend aus zwei massenspektrometrischen Anord­ nungen und zwei Ionenquellen. Durch unabhängige Rotation zweier hintereinan­ dergeschalteter gekrümmter Multipol-Ionenleitvorrichtungen läßt sich hier jede Quelle mit jedem Massenspektrometer verbinden.

Fig. 7 ist eine Beispiel für den Fall, daß eine rotierbare Ionenleitvorrichtung aus einem schräg aufgestellten linearen Multipol besteht.

Fig. 8 erläutert das Verfahren, bei dem mit einer gekrümmten rotierbaren Hochfrequenz-Multipol-Anordnung nacheinander Ionen aus zwei Ionenquellen akkumuliert und gemeinsam gemessen werden können.

Eine Ausführungsform, die hier geschildert wird, bezieht sich auf eine gekrümm­ te und rotierbar ausgelegte Hochfrequenz-Hexapol-Ionenleitanordnung, die sich zwischen Ionenquellen und Massenspektrometern integrieren läßt. Eine weitere Ausführungsform, besteht aus einem Satz von Multipol-Ionenleitanordnungen, die gemeinsam auf eine Plattform montiert sind, und von denen mindestens eine ge­ krümmt ist. Hier geschieht der Umschaltvorgang durch ein Verschieben dieser Plattform, wobei jetzt ein in eine andere Richtung gekrümmter Multipol die Ionenleitung übernimmt. Sowohl in der rotierbar als auch in der verschiebbar ausgelegten Version sind nur HF oder auch HF/DC-Betrieb der Multipole in Betracht zu ziehen, um für eine möglichst effiziente Ionenüberführung zu sorgen.

Bei kleinen Winkeln kann ein schräg montierter und rotierbar oder verschiebbar ausgelegter linearer Multipol den gekrümmten ersetzen. Hier macht die Rotationsachse des linearen Multipols einen von null verschiedenen Winkel mit dessen Longitudinalachse.

Eine spezielle Ausführung der Erfindung ist, daß die rotierbar gelagerte Ionen­ leitvorrichtnng nur als ein Teil des Ionenleitsystems benutzt wird. Ein Beispiel ist eine Anordnung bestehend aus einer Elektrospray- und einer MALDI-Ionenquel­ le, die an eine Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle angeschlossen sind. Die bei­ den Quellen können über eigene lineare Multipol-Ionenleitvorrichtungen verfügen, die in der Nähe der Ionenfalle zusammentreffen. Der gekrümmte rotierbare Multipol ist hier nur auf der kurzen Strecke zwischen den Enden der indivi­ duellen Multipol-Ionenleitnngen und der Ionenfalle eingesetzt. Das beschriebene System kann genauso auch für ein Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massenspektrome­ ter verwendet werden, wo die rotierbare Anordnung vor die Standard-Ionentrans­ ferstrecke des ICR-Spektrometers angebracht wird.

Fig. 1 stellt schematisch die Funktionsweise eines rotierbar ausgelegten ge­ krümmten Multipols dar. (1) ist die erste Ionenquelle, (2) ist die zweite Ionen­ quelle, (3) ist die rotierbare, gekrümmte Multipol-Ionenleitvorrichtung und (4) die Hochfrequenz-Ionenfalle als Beispiel für ein Massenspektrometer. In der Fig. 1a verbindet die Ionenleitvorrichtung die erste Ionenquelle mit dem Massen­ spektrometer. In der Fig. 1b ist sie um 180° gedreht und verbindet jetzt die zweite Quelle mit dem Massenspektrometer. (5) ist die Rotationsachse des Mul­ tipols in dieser Ausführung. Es ist selbstverständlich, daß sich hier sowohl die Ionenleitvorrichtung als auch die Ionenfalle im Vakuumsystem befinden. Die all­ gemein dargestellten Ionenquellen sind auch - je nach Art - wenigstens teilweise im Vakuumsystem plaziert.

Fig. 2 stellt schematisch die Funktionsweise des verschiebbar ausgelegten Multipolsystems dar. (1) ist wieder die erste Ionenquelle, (2) ist die zweite Ionenquelle, (6) der zur ersten Ionenquelle berichtete Multipol, (7) der zur zwei­ ten Ionenquelle gerichtete Multipol. (8) ist eine Plattform, worauf die beiden Mul­ tipole montiert sind, und (9) die Bewegungsrichtung der Plattform. (10) stellt die Austrittsrichtung der Ionen aus dem gebogenen Multipol dar, die zum Massenspektrometer führt. In der Fig. 2a entnimmt der Multipol die in der ersten Quelle gebildeten Ionen. Durch Verschiebung der Plattform nach unten (Fig. 2b) kann auf die zweite Quelle umgeschaltet werden. Es versteht sich auch hier, daß sich sowohl die Ionenleitvorrichtung als auch die Ionenfalle im Vakuumsystem befinden. Die allgemein dargestellten Ionenquellen sind auch - je nach Art - wenigstens teilweise im Vakuumsystem plaziert.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung des gekrümmten Multipols. (11) ist ein gekrümmter Hexapol, der an den Platten (12) und (13) montiert ist. Die Rotationsachse des Systems ist (14). (15) ist die Eintrittsrichtung der Ionen und (16) deren Austrittsrichtung, die in diesem Fall identisch zu der Rotations­ achse (14) ist.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Anwendung mit einer Elektrospray-Ionenquelle (17) einer MALDI-Ionenquelle (18) und einem Hochfrequenz-Ionenfallen- Massenspektrometer (19). Der gekrümmte Multipol (20) ist in einem mechanischen Gerüst (21), ähnlich zu dem in der Fig. 3, rotierbar um eine Achse (22) gelagert und übernimmt hier die Ionenleitung nur entlang einer kurzen Teilstrecke zwischen der Ionenquelle und der Ionenfalle (19). Die Ionen, die aus den Quellen austreten, werden zuerst durch herkömmliche statische Multipol-Ionenleitvorrichtungen (23 und 24) transportiert. In der abgebildeten Position überführt die rotierbare Ionenleitvorrichtung nur die Ionen, die in der MALDI-Quelle gebildet werden-in die Ionenfalle. Durch eine 180°- Rotation mit einer mechanischen Umschaltanordnung (25) kann der gekrümmte Hexapol für die Überführung von Ionen aus der Elektrosprayquelle (17) einge­ setzt werden. (26) ist die Elektrospraynadel, (27) die Eintritts­ kapillare, (28) der Skimmer, (29) die Pumpleitung der ersten differentiell ge­ pumpten Stufe, (30) die Pumpleitung der zweiten differentiell gepumpten Stufe, (31) Pumpleitung des Vakuumsystems der Ionenfalle, (32) die Pumpleitung der MALDI-Quelle, (33) der Probenhalter für MALDI, (34 und 35) Fokussierblenden, (36) das Laserfenster und (37) der Laserstrahl, der auf die Probe trifft.

Diese Abildung stellt ein Beispiel für einen Einschuß von Ionen in eine Ionenfalle dar. Jeder Fachmann könnte das hier abgebildete Hochfrequenz-Ionenfallen- Spektrometer durch ein Ionen-Cyclotron-Resonanz-Spektrometer ersetzen.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, in dem eine Ionenquelle (38) mit Hilfe einer gekrümmten Ionenleitanordnung (39), die in einem rotierbaren Gerüst (40) eingebaut ist, für zwei verschiedene Massenspektrometer vorgesehen ist. (41) ist ein Quadrupol-Massenspektrometer, (42) das Quadrupol-Massenfilter, (43) der Sekundärionenvervielfacher, (44) die Ablenkplatte, (45 und 46) sind Fokussierblenden, (47) eine lineare Ionenleitvorrichtung, die die aus dem gekrümmten Multipol austretenden Ionen weiter zum Massenfilter überführt. In der abgebildeten Position werden die Ionen in das Quadrupol- Massenspektrometer überführt. Durch eine Rotation mit Hilfe der mechanischen Umschaltvorrichtung (48) kann der gekrümmte Multipol so umgeschaltet werden, daß die Ionen in die Ionentransferstrecke (49 und 50) des ICR-Spektrometers (51) eingeführt werden, wodurch sie in die ICR-Falle (52) gelangen, die sich in einem starken Magneten (53) befindet. Dieser Magnet (53) ist in der Figur nur teilweise gezeichnet.

Fig. 6 zeigt ein System bestehend aus zwei massenspektrometrischen Anord­ nungen und zwei Ionenquellen. Durch unabhängige Rotation zweier hintereinan­ dergeschalteter gekrümmter Multipol-Ionenleitvorrichtungen läßt sich hier jede Quelle mit jedem Massenspektrometer verbinden. In der abgebildeten Position werden Ionen aus der MALDI-Quelle in das Quadrupolmassenspektrometer transportiert. Alle Nummern die in dieser Figur benutzt worden sind, wurden schon in den vorhergehenden Absätzen beschrieben.

Fig. 7 ist ein Beispiel für den Fall, daß eine rotierbare Ionenleitvorrichtung nicht aus einem gekrümmten Multipol, sondern aus einem schräg aufgestellten linearen Multipol (57) besteht. Er ist um die Achse (58) rotierbar. (59) und (60) sind zwei Quellen die alternativ benutzt werden. (61) ist das Massenspektrometer.

Fig. 8 erläutert das Verfahren, bei dem in einem gekrümmten rotierbaren Multipol (62) Endplatten (63) und (64) benutzt werden, um Ionen im Multipol von zwei verschiedenen Quellen (65) und (66) zu akkumulieren (Speicherfunktion). Der Multipol kann dabei rotiert werden ohne die Ionen zu verlieren, so daß von der zweiten Quelle (66) weitere, auf andere Art erzeugte Ionen dazu auf­ addiert werden. Alle Ionen können nachher gemeinsam in das Massenspektro­ meter (67) eingeschossen und nachgewiesen werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Überführung von Ionen aus Ionenquellen in Massenspektro­ meter mit Hilfe von Ionenleitvorrichtungen, bestehend aus Hochfrequenz-Multi­ pol-Anordnungen, wobei Ionenquellen und Massenspektrometer in fester geometrischer Beziehung zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dieser Hochfrequenz-Multipol-Anordnungen beweglich relativ zu den Ionenquellen und Massenspektrometern ist, um Ionen aus jeweils einer Ionenquelle zu jeweils einem Massenspektrometer überführen zu können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfre­ quenz-Multipol-Anordnung mit gekrümmten stabförmigen Polen um die lineare Verlängerung der gekrümmten Longitudinalachse an einem Ende des Multipols rotierbar gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere gekrümmte Hochfrequenz-Multipol-Anordnungen, die auf einer verschiebbaren Plattform an einem Ende fest montiert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfre­ quenz-Multipol-Anordnung mit gekrümmten stabförmigen Polen um eine Achse, die einer Tangente an die gekrümmte Longitudinalachse entspricht, rotierbar gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfre­ quenz-Multipol-Anordnung mit gekrümmten stabförmigen Polen um die optische Achse des Massenspektrometereintritts rotierbar ist, so daß Ionen aus verschie­ denen Ionenquellen je nach Rotationswinkel in das Massenspektrometer über­ führt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfre­ quenz-Multipol-Anordnung mit gekrümmten stabförmigen Polen um die optische Achse des Ionenquellenausgangs rotierbar ist, so daß Ionen aus der Ionenquelle je nach Rotationswinkel in verschiedene Massenspektrometer überführt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gekrümmte, unabhängig voneinander beweglich ausgelegte Hochfrequenz-Multipol- Anordnungen in Serie geschaltet sind, um eine Kopplung zwischen mehreren Ionenquellen und mehreren Massenspektrometern zu ermöglichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gekrümmte Hochfrequenz-Multipol-Anordnungen an ihren beiden Enden mit Lochblenden vorgesehen sind, die eine Ionenakkumulation im Multipol und einen Pulsbetrieb der Ionenübertragung in das Massenspektrometer ermöglichen.

9. Verfahren zur massenspektrometrischen Messung von Ionen mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen aus mehreren Ionenquellen in einem rotierbaren gekrümmten Multipol mit der im Anspruch 8 beschriebenen Speicherfunktion aufaddiert werden, indem der rotierbare Multipol von einer Ionenquelle zur nächsten rotiert wird und aus diesen Ionen aufnimmt, die nachher zusammen in das Massenspektrometer eingeschossen werden, um gemeinsam nachgewiesen werden zu können.