DE3013620A1

DE3013620A1 - Probeneingabevorrichtung fuer massenspektrometer

Info

Publication number: DE3013620A1
Application number: DE19803013620
Authority: DE
Inventors: Attilio Melera; Armand Neukermans
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-04-09
Publication date: 1980-12-04
Also published as: JPS55156859A; FR2457562A1; GB2050686A

Description

Int. Az.: Case 1353 ^T —- 2. April 1980

Hewlett-Packard Company

PROBENEINGABEVORRICHTUNG FÜR MASSENSPEKTROMETER

Für die Eingabe von flüssigen Proben in den Quellenbereich eines Massenspektrometers und insbesondere für den Anschluß eines Massenspektrometer an den Ausgang eines Flüssigkeitschromatographen sind verschiedene Vorrichtungen entwickelt worden. Eine Zusammenfassung findet sich in "Instrumental Applications in Forensic Drug Chemistry , Proceedings of the International Symposium", 29. und 30. Mai 1978, herausgegeben von Klein, Kruegel und Sobol. Unter den dort beschriebenen Methoden zur Eingabe des Ausflusses eines Flüssigkeitschromatographen in das Massenspektrometer sind mehrere, bei denen die den Flüssigkeitschromatographen verlassende Flüssigkeit sofort an oder in der Nähe der Spitze einer Kapillare verdampft wird. Die Probe wird dadurch gasförmig in die Massenspektrometer-Quelle eingegeben. Systeme dieser Art sind auch beschrieben in der US-PS 3 997 298 und in "Analytical Chemistry", Band 50, Nr. 4, April 1978.

Der Nachteil solcher Systeme besteht darin, daß die Kapillare häufig durch Proben- und Lösungsmittelrückständen verstopft wird. Dies geschieht offensichtlich dann, wenn an der Lösungsmittel/Dampf-Grenze innerhalb der Kapillarenspitze bei Erhöhung der Temperatur über den Siedepunkt des Lösungsmittels eine Verdampfung auftritt.

Ein weiteres bekanntes System, bei dem die Flüssigkeit aufgeheizt und verdampft wird, ist beschrieben in einer Abhandlung von H.R. Udseth, R.G. Orth und J.H. Futrell mit dem Titel "An LC-MS

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Interface", vorgelegt auf der Annual Conference on Mass Spectrometry, St. Louis, Missouri im Juni 1978.

In "Analytical Chemistry", Band 51, Nr. 1, Januar 1979 ist schließlich ein System beschrieben, bei dem mit der Flüssigkeit ein Trägergas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt, wodurch ein Aerosol entsteht, welches in einen Pumpbereich gesprüht wird, wo das leichter flüchtige Lösungsmittel herausgepumpt wird. Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß es Unterschiede zugunsten schwer flüchtiger Stoffe macht, während die leichter flüchtigen Stoffe bevorzugt zusammen mit dem Lösungsmittel abgepumpt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung gemäß Anspruch 1 die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Eingabe von flüssigen Proben in ein Massenspektrometer zu schaffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zunächst ein stark gebündelter Strahl von sehr feinen Flüssigkeitströpfchen erzeugt, die die zu analysierende Probe enthalten. Der Flüssigkeitsstrahl wird vor der Einspritzung in das Massenspektrometer verdampft, was vorzugsweise dadurch geschieht, daß der Strahl in eine Entlösungskammer gesprüht wird, die vor dem Quellenbereich des Massenspektrometers liegt. Wenn, das Massenspektrometer zur Analyse des Ausflusses eines Flüssigkeitschromatographen benutzt wird, bestehen die Tröpfchen aus der in der Trägerflüssigkeit gelösten Probensubstanz. Der Strahl von Flüssigkeitströpfchen verdampft, wenn er durch die Entlösungskammer geht, so daß eine gasförmige Mischung von Lösungsmittel- und Probenmolekülen in die Quelle des Massenspektrometers eintritt. Das Lösungsmittel kann so gewählt werden, daß das Massenspektrometer eine Spektralcharakteristik für chemische Ionisation

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(CI) des zu analysierenden gelösten Stoffes erzeugt. Erfindungsgemäß findet die Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen während des Durchgangs durch die Entlösungskammer statt. Bei Benutzung in Verbindung mit einem Flüssigkeitschromatographen löst die vorliegende Erfindung das Problem des Verstopfens bei den bekannten Systemen, da die Flüssigkeit nicht in oder in der Nähe der Austrittsspitze verdampft wird.

Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das System so aufgebaut, daß kein Lösungsmittel oder gelöster Stoff während des Durchtritts durch die Entlösungskammer aus dieser herausgepumpt wird. Dadurch wird eine Benachteiligung leicht flüchtiger Stoffe vermieden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 eine Probeneingabe- und Entlösungskammer, mittels welcher flüssige Proben in ein Massenspektrometer eingegeben werden können;

und

Figur 2 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Länge der Entlösungskammer veränderlich ist.

In Figur 1 ist eine Flüssigkeitschromatograph/Massenspektrometer-Interface-Einrichtung 11 des allgemeinen Typs dargestellt, der in einer Abhandlung mit dem Titel "A new LC-MS System" von J. Serum und A. Mel era beschrieben ist, die auf dem ASNS-Meeting am 1. Juni 1978 vorgelegt wurde. Eine flüssige Probe 13 wird in die Interface-Einrichtung 11 eingespritzt. Die Flüssigkeit kann

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dabei der Ausfluß eines Flüssigkeitschromatographie-Systems sein. Die Probe 13 wird durch eine Röhre 15 in eine Kammer 17 gefördert, welche im wesentlichen ein volumetrischer Bereich ist, dessen Grenzen durch eine Metallmembran 19 auf der einen Seite und eine Fläche 21 eines Rückhalteelementes 23 auf der anderen Seite definiert werden. Die Membran 19 enthält in ihrer Mitte ein Loch 20, dessen Innendurchmesser typischerweise zwischen 5 μηι und 25 pm liegt. Die Membran 19 wird mittels einer Kappe 25 an ihrem Platz gehalten, welche auf das Rückhai tee!ement 23 aufgeschraubt ist.

Auch die Kappe 25 enthält ein zentrales Loch 27 mit einem Innendurchmesser zwischen ungefähr 0,13 und 0,64 mm liegt. Ein O-Ring 29 sorgt für eine Vakuumabdichtung. Um eine Verstopfung des Loches 20 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, ein Filter vorzusehen. Im vorliegenden Fall befindet sich am Eingang zum Loch 20 ein dünnes Filterelement 28 aus porösem Tetrafluoräthylen.

Die Temperatur in der Kammer 17 wird derart geregelt, daß die darin befindliche Lösung unterhalb ihres Siedepunktes gehalten wird, so daß sie in Form von Flüssigkeitströpfchen und nicht gasförmig austritt. Eine Temperaturregelung kann dadurch bewirkt werden, daß eine Flüssigkeit 30 (z.B. Wasser) durch ein Kanal in einen Bereich 33 geleitet wird, der über eine Wand 35 des Rückhalteelementes 23 mit der Kammer 17 in Kontakt ist. Wie durch die großen Pfeile in Figur 1 angedeutet ist, fließt Wasser durch den Kanal 31 in die Vorrichtung und durch einen größeren Kanal 33 zurück.

Die oben beschriebene Interface-Vorrichtung 11 kann als Bauteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden, indem man die Größe des Loches 20 in der Membran 19, die Durchflußmenge der Probensubstanz 13 und die Temperatur des in dem Kanal 31 fließenden Kühlmittels so auswählt, daß ein Strahl von sehr feinen FTüssigkeitströpfchen kontinuierlich gebildet wird und

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durch die Öffnung 27 aus der Interface-Vorrichtung 11 ausgesprüht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Tröpfchen in der Größe von 10 pm bis 50 μιη erzeugt unter Benutzung eines Loches 20 mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 5 pm und 20 pm. Die Probendurchflußmenge liegt dabei zwischen 15 μΐ/min und 40 μΐ/min, und die Wassertemperatur zwischen 10⁰C und 4O⁰C. Die Vorrichtung 11 ist mit einer Entlösungskammer 37 verbunden. Mit Entlösungskammer ist eine Kammer gemeint, in der die Tröpfchen unter dem Einfluß erhöhter Temperatur und niedrigen Druckes ihr Lösungsmittel verlieren, wenn sie die Kammer passieren. Ein Strahl von Fllissigkeitströpfchen 39 wird dementsprechend von der Interfacevorrichtung 11 in die Kammer 37 gesprüht, die nicht reagierende Wände, z.B. aus Gold haben sollte. Temperaturendruck in der Kammer 37 sind vorzugsweise geregelt, so daß ein "Einfrieren" der Tröpfchen vermieden wird. In den in Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen wird der Druck in der Kammer 37 im wesentlichen durch die Menge der einströmenden Flüssigkeit sowie der Ausströmmenge des Gases aus der Kammer 37 in den Quellenbereich des Massenspektrometers (in Figur 2 mit 45 bezeichnet) bestimmt. Im Beispiel eines Strahls aus Cortisol als gelöster Stoff in einem Lösungsmittel aus Acetonitril und Wasser im Verhältnis 1:1 sind Temperaturen zwischen 250⁰C und 350⁰C und Drücke zwischen 10 Torr und 50 Torr zweckmäßig. Die Länge der Kammer 37 ist so gewählt, daß sich für Tröpfchen verschiedener Stoffzusammensetzung, Größe- oder Folgefrequenz ein optimales Entlösungsmuster ergibt. Für den obengenannten gelösten Stoff und das Lösungsmittel wurden gute Ergebnisse mit einer etwa 2 cm langen Kammer erzielt.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsfcrm, bei der die Länge der Kammer dadurch verändert werden kann, daß die Interface-Einrichtung 11 bis zu einer gewünschten Tiefe in die Kammer 37 eingeschoben wird. Es kann z.B. eine mechanische Verbindung, etwa eine Schraubverbindung zwischen der Interface-Einrichtung 11 und der Kammer 37 benutzt werden, mit der die Einschubtiefe einstellbar ist. In

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Figur 2 ist auch ein Heizelement 41, z.B. eine Infrarotheizung dargestellt, die zur Temperaturregelung in der Kammer 37 dient. Ein elektroakustischer Wandler 42, z.B. ein piezoelektrischer Wandler kann zur Stimulierung der Interface-Vorrichtung 11 be-S nutzt werden, um den Flüssigkeitsstrom in Tröpfchen gleicher Größe zu unterteilen. Bei dieser Betriebsweise ist die Entlösungszeit jedes Tröpfchens gleich, so daß keine übermäßige Hitze zur Verdampfung großer Tröpfchen benötigt wird.

Experimentell wurde herausgefunden, daß eine reibungselektrische Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der Ausgangsöffnung der Interface-Vorrichtung 11 eine erhebliche Aufladung des Tröpfchenstrahls bewirken kann. Zum Beispiel entsteht bei einer Strahlgeschwindigkeit von etwa 200 m/s ein Strom von etwa 1 nA bei einer Durchflußmenge von 40 μΐ/min durch das Loch 20 mit einem Durchmesser von 5 pm, wenn die oben als Beispiel genannte Lösung verwendet wird. Dieser Aufladeeffekt macht den Einbau eines Satzes elektrostatischer Platten möglich, mittels welcher die Partikel auf die Quelle 45 des Massenspektrometer fokussiert werden können. Ein anderer Effekt dieser Aufladung besteht darin, daß sich die Tröpfchen im Flug gegenseitig abstoßen, wodurch eine Tröpfchenvereinigung auf ein Minimum beschränkt wird. Außerdem steigt bei fortschreitender Entlösung die Oberflächenladungsdichte, wodurch Kräfte entstehen, die die Oberflächenspannung überschreiten. An diesem Punkt explodiert das Tröpfchen in kleinere Tröpfchen. Dieser Prozess kann sich dann wiederholen. Im Ergebnis wird dadurch der Verdampfungsvorgang beschleunigt.

Die bevorzugten Ausführungsformen gemäß Figuren 1 und 2 zeigen noch einen anderen Aspekt der Erfindung. Es ist nämlich nicht erforderlich, die Entlösungskammer 37 "leer zu pumpen", um eine Verdampfung zu erreichen. Die Kammer 37 stellt bei den darge-

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stellten Ausführungsformen also einen geschlossenen Bereich zwischen der Interface-Vorrichtung 11 und der Quelle 45 des Massenspektrometers dar. Alle gelösten und Lösungsmittelmoleküle im Tröpfchenstrahl können daher nach der Verdampfung potentiell in die Quelle 45 geleitet werden, ohne daß ein Unterschied zwischen mehr oder weniger flüchtigen Komponenten im Tröpfchenstrahl gemacht wird.

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Leerseite

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1J Eingabevorrichtung für flüssige Proben von in einem Lösungsmittel gelösten Stoffen in den Quellenbereich eines Massenspektrometer, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11) zur Bildung und Ausstoßung eines Tröpfchen-Strahls der Probenlösung sowie eine Einrichtung (37) zum Verdampfen der ausgestoßenen Tröpfchen und Einleitung zumindest eines Teils des verdampften Stoffes in den Quellenbereich (45) des Massenspektrometer.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung (37) eine sich an die Einrichtung (11) zur Bildung des Tröpfchenstrahls anschließende Kammer (37) aufweist, in die der Tröpfchenstrahl eingesprizt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-η e t , daß die Kammer (37) so geformt ist, daß sie im wesentlichen das gesamte verdampfte Material in den Quellenbereich (45) des Massenspektrometer leitet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) zur Bildung des Tröpfchenstrahls eine Eingabeeinrichtung (13) für die Probenlösung sowie eine Membran (19) mit einer öffnung (20) aufweist, die in Verbindung mit der Eingabeeinrichtung steht, wobei die Probenlösung durch die öffnung in Form des Tröpfchenstrahls ausgestoßen wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinrichtung (30, 31, 33) zur Aufrechterhaltung der Temperatur in der Einrichtung

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(11) zur Erzeugung des Tröpfchenstrahls unterhalb des Siedepunktes der Probenlösung, so daß der Ausstoß von Tröpfchen sichergestellt ist.

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