DE4401604A1 - Kombiniertes Flüssigkeitschromatograhie-Massenspektrometer für Elektrospray- und Teilchenstrahlverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Einführen von Proben in ein Massenspektrometer und insbesondere eine Massenspektro­ metervorrichtung, welche sowohl mit dem Elektrospray- als auch mit dem Teilchenstrahl-Kopplungsverfahren arbeiten kann.

Massenspektrometrie (MS) ist seit langer Zeit ein allgemein anerkanntes Analyseverfahren zum Gewinnen von qualitativer und quantitativer Information aus einer Probe. Massenspek­ trometrie wird allgemein verwendet, um das Molekulargewicht zu bestimmen, chemische Strukturen zu identifizieren und die Zusammensetzung von Mischungen genau zu bestimmen. Massen­ spektrometrie wird in der biologischen Forschung zunehmend wichtig für das Bestimmen der Struktur von organischen Mole­ külen auf der Grundlage des Fragmentierungsmusters von Ionen, die beim Ionisieren von Probenmolekülen gebildet wer­ den.

Eine gut bekannte Analysetechnik, welche ein Trennungsver­ fahren mit einer analytischen Nachweisvorrichtung kombi­ niert, ist die Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS). Bei diesem Verfahren kann die Gaschromatographie die Trennung von hinreichend flüchtigen Verbindungen bewir­ ken, die dann ionisiert und durch Massenspektrometrie analy­ siert werden. GC/MS hat sich als die maßgebliche Analyse­ technik für geeignete Verbindungen etabliert, d. h. für Ver­ bindungen mit einer hinreichenden Flüchtigkeit für die Tren­ nung durch Gaschromatographie und die Ionisierung durch her­ kömmliche Elektronenstoßverfahren oder chemische Ionisie­ rungsverfahren in der Gasphase, die in der Massenspektrome­ trie verwendet werden. Ein solches etabliertes Mittel mit einem weiten Anwendungsbereich ist für nichtflüchtige Ver­ bindungen und Mischungen nicht bekannt.

Die Verbindung von Massenspektrometern mit Flüssigkeitschro­ matographiesystemen führte zu einem wertvollen Instrument für die Identifizierung organischer Verbindungen. Der ein­ zigartige Wert der Flüssigkeitschromatographie-Trennungssy­ steme liegt in ihrer Fähigkeit, Lösungen, die Mischungen von organischen Verbindungen enthalten, in flüssige Fraktionen aufzutrennen, welche einzelne Verbindungen enthalten. Das Ergebnis einer Flüssigkeitschromatographie-Säule ist jedoch eine flüssige Lösung der zu analysierenden Verbindung oder der zu analysierenden Verbindungen in einem Elutionsmittel, welche sich auf Umgebungsdruck befindet, während das Massen­ spektrometer Verbindungen in einem Hochvakuumsystem analy­ siert. Das Verdampfen des aus einem Elutionsmittel bestehen­ den Lösungsmittels und das Zuführen der aus der Lösung be­ freiten Teilchen zu dem Massenspektrometer in einer geeigne­ ten Form brachte ernsthafte Schwierigkeiten mit sich, welche die Empfindlichkeit des Massenspektrometers begrenzten und einen effizienten Betrieb stark komplizierten. Derzeit sind Teilchenstrahl (PB) - und Umgebungsdruck-Elektrosprayioni­ sierung (Electrospray Atmospheric Pressure Ionization/ES- API) -Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie (LC/MS) die zwei am meisten verbreiteten Kopplungstechniken.

Bei der ES-API-LC/MS erzeugt ein Elektrospray-Zerstäuber ein Aerosol aus geladenen Tröpfchen bei Umgebungsdruck, aus dem desorbierte geladene Analyte abgetrennt werden. Diese Ionen werden dann elektrostatisch durch einen Mehrstufen-Separator geschickt, in welchem der Enddruck auf ungefähr 10^-5 Torr re­ duziert ist.

ES-API ist ein "weiches" Ionisierungsverfahren. Für Verbin­ dungen mit geringem Molekulargewicht erzeugt es typischer­ weise einfach geladene molekulare Ionen und einfache Spek­ tren. Ein Merkmal der ES-API ist ihre Fähigkeit, mehrfach geladene Ionen bei Verbindungen mit hohem Molekulargewicht zu erzeugen. Dies macht die ES-API für die Analyse von Ver­ bindungen mit Molekulargewichten geeignet, die weit jenseits des nominalen Massenbereichs eines Quadrupol-Analysators liegen. Bei den meisten Konstruktionen kann durch Einstellen von bestimmten Potentialen eine strukturell signifikante Fragmentierung durch CID (collision induced dissociation) bei der Kopplungseinrichtung erzeugt werden. ES-API ist am besten für polare Verbindungen, insbesondere mit hohem Mole­ kulargewicht, geeignet. Derzeitige Kopplungseinrichtungen arbeiten bei relativ geringen Flußraten (< 100 µl/min), ob­ wohl die Konzentrationsabhängigkeit impliziert, daß höhere Flußraten ohne einen Verlust an Empfindlichkeit aufgetrennt werden könnten. Die meisten ES-API-Konstruktionen verwenden ein Mehrstufen-Druckverringerungssystem. Manche Kon­ struktionen verwenden eine leistungsfähige Kryopumpeinrich­ tung.

Bei den PB-LC/MS-Systemen wird zunächst ein Aerosol durch einen Zerstäuber erzeugt, das aus Helium-Dispersionsgas und Tröpfchen besteht, welche relativ geringe Konzentrationen an Analyt enthalten, das in Flüssigkeitschromatographie-Ausfluß gelöst ist. Das Aerosol wird in eine geheizte Lösungstrenn­ kammer injiziert, in der die flüchtigen Bestandteile der Tröpfchen (hauptsächlich HPLC-Ausfluß) verdampft werden, was zu einer Mischung aus Heliumgas, Lösungsmitteldampf und vom Lösungsmittel befreiten Analytteilchen führt. Diese Mischung tritt dann in einen Zweistufen-Impulsseparator ein, in wel­ chem die weniger massiven Bestandteile (wie der Lösungsmit­ teldampf und das Heliumgas) abgepumpt werden, während die massiveren Teilchen durch das System hindurch- und in die Massenspektrometerquelle hineinlaufen, wo die Teilchen ver­ dampft, ionisiert und hinsichtlich ihrer Masse analysiert werden. Der Impulsseparator dient auch als Druckverringe­ rungs- und Probenanreicherungseinrichtung, weil der größte Teil des Gases und des Lösungsmittels abgepumpt werden, wäh­ rend der größte Teil der Probe in das Massenspektrometer eintritt.

PB-LC/MS ist in der Lage, klassische, in Bibliotheken nach­ schlagbare Elektronenstoß(EI)- oder chemische Ionisie­ rungs(CI)-Spektren zu erzeugen. Weil das Teilchen­ strahlverfahren auf Gasphasen-Ionisierungsverfahren beruht, müssen die Proben einen gewissen Grad an Flüchtigkeit auf­ weisen. Obwohl diese Flüchtigkeit wesentlich geringer sein kann, als dies für die GC/MS-Analyse erforderlich ist, können vollständig nichtflüchtige Proben nicht analysiert werden. Weiterhin können auch diejenigen Proben, welche eine ausrei­ chende Flüchtigkeit aufweisen, für die El-Analyse in thermi­ scher Hinsicht zu labil sein. In diesem Fall kann die Ver­ wendung von chemischer Ionisierung die analytische Verwen­ dungsfähigkeit auf Kosten der strukturellen Information er­ weitern. PB-LC/MS ist am besten für nicht polare Verbindun­ gen mit einem Molekulargewicht von weniger als 1.000 amu und geringer Flüchtigkeit geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vielsei­ tiges Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie (LC/- MS)-Kopplungssystem zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LC/MS-Vorrichtung zu schaffen, welche sowohl mit Elektro­ spray- als auch mit Teilchenstrahl-Kopplungseinrichtungen arbeiten kann.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die vorliegende Er­ findung gelöst, welche teilweise auf der Entdeckung basiert, daß die Ahnlichkeiten zwischen Elektrospray- und Teilchen­ strahlkopplungseinrichtungen in einem einzigen System aus­ genutzt werden können, welches strukturelle Elemente ent­ hält, die beiden Verfahren gemeinsam sind. Die vorliegende Erfindung macht es unnötig, zwei vollständig getrennte ES- und PB-LC/MS-Systeme zu haben.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet die erfindungs­ gemäße ES/PB-LC/MS-Vorrichtung strukturelle Elemente, welche mit beiden Betriebsarten vereinbar sind, wie ein Gehäuse für einen Impulsseparator, Pumpenverbindungen, Pumpen für den Impulsseparator, einen Anschluß an das Massenspektrometer- Vakuumsystem, einen Massenspektrometer-Analysator, einen Detektor, ein Thermostat- und Vakuumsystem. Für jeden Modus gibt es ein eigenes "Vorderende". Im Fall des Teil­ chenstrahlverfahrens umfaßt dies einen Zerstäuber, eine Lö­ sungstrennkammer und eine Düse. Für das ES-API-Verfahren enthält das "Vorderende" eine Elektrospray-Nadel, ein Stick­ stoff-Gegenstrom-Trockengas und eine Eintrittskapillare.

Die Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer er­ findungsgemäßen LC/MS-Vorrichtung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung der Fig. 1, welche in eine Elektrospray-Kopplungsein­ richtung gekoppelt ist;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung der Fig. 1, welche an eine Teilchenstrahl-Kopplungs­ einrichtung gekoppelt ist;

Fig. 4A und 4B sind Schnittansichten von Teilchenstrahl-Quel­ lensonden.

Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Fest­ stellung, daß es viele Ähnlichkeiten zwischen Elektrospray- und Teilchenstrahl-Kopplungseinrichtungen gibt und daß ein einziges System, welches die gemeinsamen strukturellen Ele­ mente enthält, die Effizienz und Leistungsfähigkeit der LC/MS deutlich erhöht. Das erfindungsgemäße System umgeht die Notwendigkeit, zwei vollständig getrennte ES- und PB- LC/MS-Systeme zu haben.

Die Ähnlichkeit zwischen dem Teilchenstrahl- und dem Elek­ trosprayverfahren beginnt bei der Tatsache, daß beide Syste­ me auf einem Verfahren zur Probenanreicherung über einer großen Druckdifferenz beruhen. Im Fall von PB erzeugt ein Zerstäuber eine Probe, welche ein Aerosol enthält, welches in Lösungsbestandteile aufgetrennt wird, um eine Mischung von aus der Lösung befreiten Teilchen und Dampf zu erzeugen, die sich bei ungefähr bei 200 Torr Druck befindet. Ein Zweistufen-Impulsseparator entfernt den Dampf und verringert den Druck auf ungefähr 10^-5 Torr (vgl. Brandt et al., US-PS-4 863 491, erteilt am 5. September 1989, auf welches hiermit zur Bezugnahme ausdrücklich verwiesen wird). Im Fall von ES-API erzeugt ein Elektrospray-Zerstäuber ein Aerosol von geladenen Tröpfchen bei Umgebungsdruck, welches geladene Analyte enthält. Diese Ionen werden elektrostatisch durch einen Impulsseparator, üblicherweise mit zwei Stufen, ge­ schickt, in welchem der Druck ebenfalls auf ungefähr 10^-5 Torr verringert wird. Bei beiden Methoden werden überschüs­ siges Gas und überschüssiger Lösungsmitteldampfaus dem Sy­ stem entfernt, indem die Gasdiffusionseigenschaften von Überschallstrahlen in Impulsseparatoren ausgenützt werden. Das Teilchenstrahlverfahren erzeugt ein angereichertes Ana­ lyt aufgrund des relativ großen Impulses der Analytteilchen, welche anschließend verdampft und ionisiert werden müssen, während die ES-API das Analyt über die Manipulation der ge­ ladenen Analyte in elektrischen Feldern anreichert.

Hinsichtlich der Geräte stellen die zwei Zugänge sehr ähn­ liche Anforderungen. Beide Systeme verwenden typischerweise Quadrupol-Analysatorsysteme, weil erstens die Auflösung ei­ ner Einheit üblicherweise ausreichend ist, zweitens geringe­ re Ionenquellenspannungen verwendet werden und drittens kei­ ne allzu hohen Anforderungen an das Vakuum gestellt werden. Andere Arten von Analysatoren können ebenfalls verwendet werden. Die Vielseitigkeit beider Systeme kann erhöht wer­ den, indem sowohl positive als auch negative Ionenmoden ver­ wendet werden, obwohl dies nicht nötig ist, um die Erfindung durchzuführen. Das PB-Verfahren erfordert ein kleines, aber endliches Maß an Flüchtigkeit und dementsprechend im allge­ meinen Probenmoleküle, welche mindestens in dem Bereich von 1.000 amu liegen, während der Bereich für ES-API bei 2.000 amu oder darüber liegt. Beide Systeme benötigen weiterhin ein Linsensystem, um Ionen, gleichviel, wo diese erzeugt werden, in den Quadrupol hinein zu fokussieren. Unter der Voraussetzung gleicher Anforderungen an die Druckverringe­ rung für beide Moden geht man davon aus, daß ein nichtdif­ ferentiell gepumptes Hochvakuumsystem mit einer Diffusions­ pumpe oder Turbopumpe mittlerer Größe für beide ausreichend ist.

Die Lösungsmittel, die bei den beiden Systemen verwendet werden, sind ähnlich, wobei Wasser vorherrschend ist, obwohl es oft schwierig ist, mit wäßrigen Lösungen zu arbeiten. Allgemein funktionieren organische Lösungsmittel gut. Im Fall der ES-API muß das Lösungsmittel jedoch ausreichend polar sein, um Ladungen zu tragen, obwohl hochleitende ge­ pufferte Lösungsmittel problematisch sind. In beiden Fällen sind nichtflüchtige Puffer problematisch, obwohl sie bei der ES-API nicht vollständig ausgeschlossen sind.

Während es Unterschiede zwischen dem Elektrospray- und dem Teilchenstrahlverfahren gibt, implementiert die vorliegende Erfindung diese Unterschiede, ohne die Kosten wesentlich zu erhöhen. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Verfah­ ren ist das Ionisierungsverfahren. ES-API ist ein Ionisie­ rungsverfahren, bei welchem am Anfang erzeugte geladene Ana­ lytmoleküle durch einen Impulsseparator manipuliert werden, um die Probenanreicherung zu beeinflussen. Dementsprechend werden die einzelnen Komponenten des Systems auf verschiede­ nen Potentialen relativ zueinander gehalten. Demgegenüber befinden sich die Komponenten eines PB-LC/MS-Systems alle auf dem Erdpotential. Darüber hinaus ist das PB-Verfahren ein Transportverfahren, welches eine Ionenquelle benötigt, um die Probenteilchen zu verdampfen und zu ionisieren. Wei­ terhin verwendet man bei der ES-API normalerweise elektroni­ sche Steuersysteme, die bei dem PB-Verfahren nicht benötigt werden.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den zwei Systemen besteht darin, daß Ionen sich den Quadrupolen je­ weils aus verschiedenen Winkeln nähern. Um das Fokussieren von Ionen in den Quadrupol hinein bei der ES-API zu verein­ fachen, befindet sich die Ionenquelle auf der Achse der Qua­ drupolelektroden. Bei dem PB-Verfahren treten dagegen Teil­ chen typischerweise in das Vakuumsystem im rechten Winkel zu den Quadrupolelektroden ein, wo sie auf ein Target auftref­ fen und verdampft, ionisiert und über einen Reflektor in den Quadrupol getrieben werden.

Die Flußbereiche der zwei Systeme bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind ebenfalls verschieden. Für PB liegt die Flußrate beim Eintreten in den Zerstäuber zwischen 0,1 ml/min und 0,5 ml/min. Da PB ein massenempfindlicher Detek­ tor ist, führt das Aufspalten der Ströme aus der Flüssig­ keitschromatographie zu proportional verringerten Detek­ tionsgrenzen. Bei der ES-API liegt die Flußrate beim Ein­ tritt in den Zerstäuber zwischen 1 und 100 µl/min.

Die erfindungsgemäße kombinierte ES /PB-LC/MS-Vorrichtung enthält verschiedene strukturelle Elemente, welche für beide Betriebsarten anwendbar sind. Diese Elemente umfassen: ein Gehäuse für einen Impulsseparator, Pumpenverbindungen, Pum­ pen für den Impulsseparator, einen Anschluß an das Vakuumsy­ stem des Massenspektrometers, einen Massenspektrometer-Ana­ lysator, einen Detektor und ein Thermostat- und Vakuum­ system. Wie genauer beschrieben wird, ist die erfindungsge­ mäße Vorrichtung dafür konstruiert, daß sie verschiedene "Vorderenden"-Geräte aufnimmt, welche zusammen mit der Vor­ richtung verwendet werden. Im Falle von PB umfaßt das "Vor­ derende" einen Zerstäuber, eine Lösungstrennkammer und eine Düse. Für ES-API umfaßt das "Vorderende" eine Elektrospray- Nadel, ein Stickstoff-Gegenstrom-Trockengas und eine Ein­ trittskapillare.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen LC/MS-Vorrichtung, welche eine Gehäuse für einen Im­ pulsseparator 100, ein Düsengehäuse 120, ein Gehäuse für den Massenanalysator (oder das Spektrometer) 160 und ein Vakuum- Untersystem umfaßt, das Pumpen 130, 140 und 190 einschließt. An einem Ende des Gehäuses für den Impulsseparator 100 ist eine erste Düse (Abscheider) 110 angebracht. Das Gehäuse für den Impulsseparator ist über die Leitung 131 mit der Pumpe 130 verbunden. Die Düsen sind in Reihe angeordnet, so daß die zweite Düse (Abscheider) 125 direkt hinter der Düse 110 liegt, so daß die Öffnung 126 direkt hinter der Öffnung 111 liegt. (In anderen Ausführungsformen kann der Impulssepara­ tor mehr als zwei Düsen umfassen, die in Reihe angeordnet sind. Zum Beispiel gäbe es bei einem Dreistufen-Impulssepa­ rator einen dritten Abscheider, der sich direkt hinter dem zweiten Abscheider befände. In diesem Zusammenhang wird aus­ drücklich auf das US-Patent 4 980 057 von Dorn et al. zur Bezugnahme verwiesen, das am 25. Dezember 1990 erteilt wur­ de). Das Gehäuse für den Impulsseparator 100 weist eine Öff­ nung 127 und ein Befestigungselement 128 auf. Der Druck in der Kammer 129 des Gehäuses des Impulsseparators 100 wird durch die Pumpe 140 reguliert, welche mit der Kammer 129 über die Leitung 142 verbunden ist. Wie man aus den Zeich­ nungen erkennt, besitzt jeder Abscheider eine konische Oberfläche, welche sich radial zu einem Scheitelabschnitt hin verengt, der die Düsenöffnung definiert. Weiterhin weist jeder Scheitelabschnitt zu der Öffnung 127 hin, in welche eine Kopplungseinrichtung eingeführt werden soll.

In der Kammer 155 des Massenspektrometergehäuses befinden sich eine Mehrzahl von Fokussierungsplatten (Linsen) 165, Quadrupol-Stabelektroden 170 und ein Detektor 180. Die Kam­ mer ist über die Leitung 191 mit der Pumpe 190 verbunden. Die Anschlußöffnung 141 kann eine EI- oder CI-Quellensonde für den Teilchenstrahlmodus wie nachstehend beschrieben auf­ nehmen. Ein Analysator mit magnetischer Ablenkung, ein Flug­ zeit(TOF)-Analysator, ein Fouriertransformations-Analysator oder eine andere Art eines Massenanalysators kann anstelle des Quadrupol-Massenanalysators verwendet werden.

Die LC/MS-Vorrichtung der Fig. 1 kann dafür angepaßt wer­ den, entweder als PB-LC/MS- oder als ES-LC/MS-Vorrichtung zu arbeiten. In dem ES-Modus, der in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Elektrospray-Quellenmodul (Elektrospray-Kopplungsein­ richtung) 200 in die LC/MS-Vorrichtung über die Öffnung 127 des Impulsseparatorgehäuses eingeführt. Im Betrieb tritt Analytlösung der Flüssigkeitschromatographie in den Zerstäu­ ber 210 ein. Danach wird die Lösung durch Elektrosprayen von der Nadel 211 in die Modulkammer 230 gespritzt. Um positive Ionen zu erzeugen, wird die Nadelspitze 211 auf einem höhe­ ren Potential als der Einlaß der Kapillarröhre 220 gehalten, durch welchen Tröpfchen, Ionen und Gase eintreten. Im all­ gemeinen besitzt die Glaskapillare 220 ein metallisiertes Einlaßende 221 und ein metallisiertes Austrittsende 222.

Das Elektrosprayen der Analytlösung erzeugt feine hochgela­ dene Tröpfchen. Diese Tröpfchen versuchen, den elektrischen Feldlinien zu folgen und wandern zu dem Einlaß 221 der Ka­ pillare durch einen entgegenlaufenden Strom eines Badegases (z. B. Stickstoff). Stickstoff tritt in die Kammer 230 über eine Öffnung von einer Badegasquelle 231 ein und tritt durch die Öffnung 232 aus. Die Tröpfchen verdampfen schnell und der Lösungsmitteldampf wird zusammen mit allem anderen unge­ ladenen Material durch den Strom des Badegases weggefegt. Desorbierte Ionen, die in der Nähe des Kapillareneinlasses ankommen, werden in trockenem Badegas mitgerissen, und in ein Zweistufen-Druckverringerungs-Untersystem transportiert.

Die desorbierten Ionen treten von dem Ausgang 222 in die Vakuumkammer 240 der ersten Stufe in einem Überschallstrahl des Trägergases ein. Ein Teil des freien Strahlflusses läuft durch die Öffnung 111 des Abscheiders 110 in die Vakuumkam­ mer 250 der zweiten Stufe und danach durch die Öffnung 126 des Abscheiders 125. Die meisten verbleibenden Lösungsmit­ telmoleküle, welche den Analytionen von Interesse anhaften, werden in dem Druckverringerungs-Untersystem entfernt.

Die Ionen, die durch die Öffnung 126 austreten, werden durch eine Gruppe von Linsen 165 in die Massenanalysekammer 155 fokussiert, wo ihr Verhältnis Masse/Ladung (m/Z) bestimmt wird. Bei einem Betrieb in dem ES-Modus ist die Öffnung 141 durch das Vorsatzstück 260 abgedichtet.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung besteht darin, daß die Vorrichtung mit geringen Abwand­ lungen zusammen mit vorhandenen ES- oder PB-Kopplungsein­ richtungen verwendet werden kann. Kommerzielle ES-Kopplungs­ einrichtungen, welche z. B. von Analytica of Branford, Inc. (Branford, Connecticut) oder von Vestec Corp. (Houston, Te­ xas) hergestellt werden, können ohne weiteres abgewandelt und als das in Fig. 2 gezeigte Elektrospray-Quellenmodul verwendet werden.

Wenn die LC/MS-Vorrichtung der Fig. 1 im Teilchenstrahlmo­ dus verwendet wird, wird, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Teil­ chenstrahl-Quellenmodul (Teilchenstrahl-Kopplungseinrich­ tung) 300 in die LC/MS-Vorrichtung eingeführt. Im Betrieb tritt Analytlösung der Flüssigkeitschromatographie in den Zerstäuber 310 ein, wo die flüssige Lösung zu Tröpfchen auf­ gebrochen wird. Durch eine Öffnung 311 in dem Zerstäuber wird ein Strom von Lösungsmitteltröpfchen in die zylindri­ sche Kammer 320 hineingeschleudert. Hier wird das Lösungs­ mittel verdampft, wobei ein Aerosol oder eine Suspension von Teilchen zurückbleibt, das einen kleinen Anteil an restli­ chem Lösungsmittel enthält. Die Mischung von Lösungsmittel­ dämpfen, Gasen und aus der Lösung befreiten Teilchen wird durch die konische Kollektorseite 321 der Düsenplatte 322 gesammelt und durch den Druckabfall über der Düse durch die Düse 323 als Überschallstrahl herausgeschleudert.

Die Mischung aus Gas und Teilchen läuft durch einen Zweistu­ fen-Impulsseparator, bei welchem die zweite Kammer ein höhe­ res Vakuum als die erste aufweist. (Ein Separator mit mehr als zwei Stufen kann verwendet werden.) Die in diesem Zusam­ menhang verwendete Bezeichnung "stromabwärts" ist so defi­ niert, daß sie die Richtung des Materialflusses von dem ge­ ringeren Vakuum zu dem höheren Vakuum bezeichnet. Die Teil­ chen bzw. die Dispersion wandern in die erste Kammer 330 des Impulsseparators hinein und durch sie hindurch, wo ein wei­ terer Teil der Lösungsmitteldämpfe und der anderen Gase aus der Mischung entfernt werden. Die Öffnung 111 des Ab­ scheiders der ersten Stufe besitzt einen derart bemessenen Durchmesser, daß Gase durch die konische Oberfläche des er­ sten Abscheiders abgelenkt werden.

Beim Verlassen der ersten Kammer tritt die Dispersion in die zweite Kammer 140 ein, wo die Gase weiter expandiert und von den Teilchen getrennt werden. Die Mischung läuft weiter durch die Öffnung 126 des zweiten Abscheiders 125 hindurch. Die meisten restlichen Gase werden durch die konische Ober­ fläche des zweiten Abscheiders abgelenkt. Danach treten die Moleküle von Interesse in das Quellenvolumen des Massenspek­ trometers ein. In dem Quellenvolumen werden Teilchen zu Be­ ginn verdampft und danach werden die verdampften Teilchen durch Elektronenstoß oder chemische Mittel zu Ionen ioni­ siert, die dann in den Massenanalysator hinein fokussiert werden.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde die längliche Teilchen­ strahl/Elektronenstoß (EI/PB) -Quellensonde 350 in das System über die Vakuumschleuse bei Öffnung 141 (vgl. Fig. 1) einge­ führt, die im rechten Winkel zu der Quadrupolachse liegt. Fig. 4a ist eine vergrößerte Ansicht der Sonde, welche ein geheiztes Target oder Gitter 360, einen Heizfaden 361 und einen Kollektor 362 umfaßt.

Die Analytteilchen treten in das Quellenvolumen durch den Einlaß 363 ein. Das Target dient dazu, ankommende Analyt­ teilchen schnell zu gasförmigen Molekülen zu verdampfen, welche mit einem Strahl von Elektroden von dem geheizten Heizfaden bombardiert werden. Die Elektronen werden zu dem Kollektor geleitet. Die Analytionen treten durch die Öffnung 364 aus.

Wenn chemische Ionisierung (CI) verwendet wird, wird eine längliche CI-Teilchenstrahl-Quellensonde 270 wie in Fig. 4B gezeigt, anstelle der EI-Teilchenstrahlsonde in das System durch die Vakuumschleuse bei der Öffnung 141 eingeführt. Die CI-Teilchenstrahlsonde umfaßt ein geheiztes Target oder Git­ ter 380, einen Heizfaden 381 und einen Reagenzgaskanal 385. Eine Dichtung 383 ist an der Sonde befestigt und verläuft längs des Umfangs des Einlasses 386. Wie man sieht, ist die Austrittsöffnung 387 der CI-Teilchenstrahl-Quellensonde en­ ger als die Öffnung 364 der EI-Teilchenstrahl-Quellensonde. Das Target dient dazu, Analytteilchen zu verdampfen und Elektronen von dem geheizten Heizfaden werden dazu verwen­ det, auf die Reagenzgase (typischerweise Methan oder Ammo­ niak) aufzutreffen, die durch den Kanal 385 zugeführt wer­ den, und diese zu ionisieren. Die ionisierten Reagenzgase wiederum ionisieren das gasförmige Analytmolekül durch Pro­ tonübertragung. Die CI-Teilchenstrahl-Quellensonde paßt dicht auf die rückwärtige Oberfläche des zweiten Abscheiders und bewirkt eine undurchlässige Abdichtung, was zu einem hinreichend hohen Quellendruck für die chemische Ionisation führt. Im Fall von Elektronenstoß-Teilchenstrahlspektren wäre diese Dichtung nicht vorhanden, was zu einer dritten "Phantom"-Stufe der Impulstrennung führt. Mit Hinblick auf die ES-API-Ionisierungsmethode kann das CI-Teilchenstrahl­ verfahren überflüssig sein und dieses Dichtungssystem würde nicht benötigt werden. In der vorangehend gezeigten Ausfüh­ rungsform gibt es kein Isolierventil zwischen der Kopplungs­ einrichtung und dem Hochvakuum. Um von dem Teilchenstrahl­ verfahren zu dem Elektrosprayverfahren überzugehen, müßte daher das System entlüftet werden.

Obwohl die Erfindung vorangehend in Verbindung mit bevorzug­ ten konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte betont werden, daß die Beschreibung und die Beispiele dafür vorgesehen sind, die Erfindung zu illustrieren und nicht den Umfang der Erfindung einzuschränken, der durch den Umfang der Ansprüche festgelegt wird.

Claims (9)

1. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System, welches für die Verwendung mit einer Teilchenstrahl-Kopp­ lungseinrichtung (300) oder einer Elektrospray-Kopplungsein­ richtung (200) eingerichtet werden kann und welches umfaßt:

• - ein Impulsseparatorgehäuse (100), welches eine oder mehrere Impulsseparatorkammern (240, 250, 330, 340) festlegt, wobei das Gehäuse dafür eingerichtet werden kann, mit einer Kopplungseinrichtung (200, 300) gekop­ pelt zu werden,
• - einen Impulsseparator, welcher eine oder mehrere Düsen (100, 125) und eine oder mehrere Pumpen (130, 140) um­ faßt,
• - ein Massenanalysatorgehäuse (160), welches eine Massen­ analysatorkammer (155) festlegt, wobei das Massenanaly­ satorgehäuse (160) mit dem Impulsseparatorgehäuse (100) verbunden ist,
• - eine Einrichtung zum Analysieren der Masse von Ionen (170, 180), wobei diese Massenanalyseeinrichtung sich in der Massenanalysatorkammer (155) befindet und
• - eine Einrichtung zum Fokussieren von Ionen (165) in diese Massenanalyseeinrichtung hinein.

2. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsseparator zwei oder mehr Düsen (110, 125) umfaßt, wobei jede Düse eine Öffnung (111, 126) aufweist und die Düsen (110, 125) in Reihe angeordnet sind.

3. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (110, 125) so angeordnet sind, daß sie eine Mi­ schung von gasförmigen Lösungsmittelmolekülen und Analytmo­ lekülen oder -ionen empfangen, welche von der Kopplungsein­ richtung (200, 300) emittiert wird, und daß die Düsen (110, 125) dafür eingerichtet sind, gasförmige Lösungsmittelmole­ küle abzutrennen und zu entfernen.

4. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Düse (110, 125) eine konische Oberfläche besitzt, welche sich radial zu einem Scheitelab­ schnitt verengt, welcher der Kopplungseinrichtung (200, 300) gegenübersteht, und daß dieser Scheitelabschnitt eine Öff­ nung (111, 126) festlegt.

5. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Massenanalysatorkammer (155) eine Öffnung (141) festlegt, welche dafür eingerichtet ist, eine Teilchenstrahl-Quellensonde (350, 370) aufzuneh­ men.

6. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenstrahl-Quellensonde (350, 370) eine Einrichtung zum Ionisieren der Analytmoleküle (360, 361, 362, 380, 381, 385) aufweist.

7. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Massenanalyseeinrichtung einen Quadrupol-Massenanalysator (170) umfaßt und daß die Fokussierungseinrichtung mehrere Linsen (165) umfaßt.

8. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung ein Teilchenstrahl-Quellenmodul (300) ist, welches eine Verdamp­ fungskammer (320) festlegt, wobei das Teilchenstrahl-Quel­ lenmodul umfaßt:
eine Zerstäubereinrichtung (310) zum Aufnehmen einer flüssi­ gen Lösung, welche Analyt- und Lösungsmittelmoleküle enthält und zum Ausstoßen eines Stroms aus diesen Analyt- und Lö­ sungsmittelmolekülen in die Verdampfungskammer (320), wobei die Verdampfungskammer (320) dafür eingerichtet ist, die Lösungsmittelmoleküle zu verdampfen und einen Strahl von Lösungsmitteldämpfen, Gasen und aus der Lösung befreiten Analytmolekülen zu einer Düse (110) des Impulsseparators hin auszustoßen.

9. Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung ein Elektrospray-Quellenmodul (200) ist, welches eine Modulkam­ mer (230) festlegt, wobei das Elektrospray-Quellenmodul um­ faßt:

• - eine Zerstäubereinrichtung (210) zum Aufnehmen einer flüssigen Lösung, welche Analyt- und Lösungsmittelmole­ küle enthält und zum Elektrosprayen der flüssigen Lö­ sung von einer Nadel: (211), welche an dem Zerstäuber (210) befestigt ist, in die Modulkammer (230), um ge­ ladene Tröpfchen zu bilden, welche Analytionen und Lö­ sungsmittelmoleküle enthalten,
• - eine Badegas-Quelle (231), welche in Verbindung mit der Modulkammer (230) steht, wobei diese Badegas-Quelle dafür eingerichtet ist, Badegas als Träger für einige der Lösungsmittelmoleküle zu liefern und
• - eine Kapillarröhre (220) mit einem Einlaß (221), wel­ cher die Analytionen von der Modulkammer (230) auf­ nimmt, und einem Auslaß (222), aus welchem die Analy­ tionen austreten.