EP0503748A2

EP0503748A2 - Method for generating ions, specially for a mass spectrometer such as a time-of-flight mass spectrometer, from thermally instable, non-volatile, large molecules

Info

Publication number: EP0503748A2
Application number: EP92250055A
Authority: EP
Inventors: Rüdiger Dr. Frey; Armin Dr. Holle; Gerhard Weiss
Original assignee: Bruken Franzen Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1992-03-07
Publication date: 1992-09-16
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: EP0669638A1; DE59207642D1; EP0503748B1; EP0503748A3; US5294797A; DE4108462C2; DE4108462A1

Abstract

A method for generating ions, especially for a mass spectrometer, such as a time-of-flight mass spectrometer, from thermally unstable, non-volatile large molecules, in which a sample substance having the molecules is subjected to energy pulses by means of which molecules are released from the sample substance, and in which the released molecules are taken by a jet of a carrier gas and are cooled during its expansion as well as subsequently being ionised in an ionisation space, characterised in that the molecules are ionised by electron impact; in that the radiation density of the electrons which are used for the ionisation is selected such that a potential trough is produced, at the focus of the electron beam, whose depth is greater than the translation energy of the molecule ions in the carrier gas flow; in that the molecule ions generated by the electron impact ionisation are collected in the potential trough in each case for a specific period of time; and in that the molecule ions which are in each case collected in the potential trough are accelerated in a pulsed manner out of the ionisation chamber, and an apparatus especially for carrying out this method. <IMAGE>

Description

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, sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen, insbesondere für ein Massenspektrometer, wie Flugzeitmassenspektrometer, aus thermisch instabilen nichtflüchtigen großen Molekülen, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Trägergasstrahles, einer Energieguelle zum Desorbieren von Molekülen aus dem Probenmaterial und einer Einrichtung zum Einbringen von Probenmaterial in den Trägergasstrahl, insbesondere zur Durchführung des vorstehend angegebenen Verfahrens.The invention relates to a method for generating ions, in particular for a mass spectrometer, such as time-of-flight mass spectrometer, from thermally unstable, non-volatile large molecules, in which a sample substance containing the molecules is exposed to energy pulses, by means of which molecules are released from the sample substance, and in which the released substances Molecules entrained by a jet of a carrier gas and cooled during its expansion and subsequently ionized in an ionization space, and a device for generating ions, in particular for a mass spectrometer, such as time-of-flight mass spectrometer, made of thermally unstable, non-volatile large molecules, with a device for generating a carrier gas jet, an energy source for desorbing molecules from the sample material and a device for introducing sample material into the carrier gas jet, in particular for carrying out the method specified above.

Aus der DE-PS 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.From DE-PS 38 00 504 a method of the generic type is known in which the molecules are desorbed by a laser beam. It is used to convert, in particular, large molecules into the gas phase before the molecules are brought into a chemical state by means of a subsequent ionization process, in which they are only accessible for mass spectrometric analysis. This takes advantage of the fact that the internal energy absorbed by the molecules through the desorption in the carrier gas jet is greatly reduced, so that the molecules are strongly cooled and their thermal decomposition is largely prevented. This desorption method is suitable for liquid and solid sample substances, and it has proven to be advantageous to accommodate the molecules of the sample substance in a matrix that decomposes easily thermolytically.

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.A device with which this desorption process can be carried out is described in the magazine "ANGEWANDTE CHEMIE" 1988, pages 461 et seq. The sample substance is placed in front of the opening of a nozzle from which the carrier gas emerges. By using infrared laser light, the molecules of the sample substance are desorbed into the expanding beam of the carrier gas. This cools the internal degrees of freedom of the molecules and the molecules are transported further by the carrier gas jet. Usually this is Device operated as a pulsed system, which consists of a pulsed valve for generating the carrier gas jet and a laser for desorption of the neutral molecules. Since the molecules are transported on as a beam, or in the pulse mode as a particle packet, it is possible to keep this desorption process spatially separate from the ionization process that now follows.

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.Single-photon or multiphoton ionization has proven itself for the mass spectrometric analysis of the large molecules under consideration. Since the wavelength of the irradiated photons can be matched to the energy difference between the ground state and an excited state of the neutral molecule, it is possible to selectively ionize only the molecules to be examined; the carrier gas particles remain in their neutral state and do not influence the subsequent test results.

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.Although multiphoton ionization mass spectrometry is operated successfully, it cannot be used for some problems, because often only a selective excitation of the neutral molecules cannot provide enough information for the desired structural elucidation of the molecule, because the unknown excitation wavelength is not sufficient for unknown molecules can be predetermined. It has also been found that some substances are difficult to ionize in the manner shown.

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.Ionization processes are known which act non-selectively. This includes electron impact ionization. However, such methods cannot be used for large molecules, as in the present case, since they lead to severe fragmentation of the molecule. In addition, the carrier gas particles would also be ionized, leading to saturation effects, electrostatic repulsion and thus to poor resolution and insufficient Sensitivity of the analysis led. Such influences cannot be neglected, because the carrier gas particles are at least a thousand times higher than the molecules to be examined.

Aus der DE-PS 873 765 ist die Verwendung der Elektronenstoßionisation bekannt, jedoch führt die Kombination dieser Vorgehensweise mit einem Verfahren, wie es aus der DE-OS 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.From DE-PS 873 765 the use of electron impact ionization is known, however the combination of this procedure with a method as it is known from DE-OS 36 19 886 only leads to highly fragmented ions in the low mass range, so that this is So no large, thermally labile, non-volatile molecules, such as B. peptides.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß Ionen aus thermisch instabilen, nicht-flüchtigen großen Molekülen bereitgestellt werden können, wobei eine nicht-selektive Ionisationsmethode eingesetzt werden kann.The object of the invention is to further develop the generic method in such a way that ions can be provided from thermally unstable, non-volatile large molecules, a non-selective ionization method being able to be used.

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.According to the invention, this object is achieved in a further development of the generic method in that the molecules are ionized by electron impact; that the radiation density of the electrons used for the ionization is selected so that a potential well is generated in the focus of the electron beam, the depth of which is greater than the translation energy of the molecular ions in the carrier gas stream; that the molecular ions generated by the electron impact ionization are each collected in the potential well for a certain period of time; and that the molecular ions collected in each case in the potential well are pulsed out of the ionization chamber.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.Particularly preferred embodiments of the method according to the invention are the subject of the corresponding subclaims.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Ionisationskammer vorgesehen ist, die eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für einen Teilchenstrahl aufweist, wobei eine Elektronenquelle so angeordnet ist, daß der von dieser erzeugte Elektronenstrahl innerhalb der Ionisationskammer auf die Bahn des Teilchenstrahles fokussiert ist; daß die Einrichtung zum Erzeugen des Trägergasstrahles eine Austrittsöffnung für den Trägergasstrahl aufweist; und daß in der Nähe der Austrittsöffnung ein Probenträger angeordnet ist, auf dem das Probenmaterial angebracht ist.The device according to the invention is characterized in that an ionization chamber is provided which has an inlet opening and an outlet opening for a particle beam, an electron source being arranged such that the electron beam generated by the latter is focused within the ionization chamber on the path of the particle beam; that the device for generating the carrier gas jet has an outlet opening for the carrier gas jet; and that a sample carrier is arranged in the vicinity of the outlet opening, on which the sample material is attached.

Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred embodiments of the device according to the invention are the subject of the dependent claims.

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 Anziehens 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.The invention is based on the surprising finding that, contrary to the widespread prejudice of the professional world, it is also possible to ionize unstable molecules by means of electron impact, this possibility being created by the fact that the "jet" beam, which is generated by the generic method, a such cooling of the heavy molecules, which only carry out very small relative movements within the beam and which are later to be ionized, brings about that they do not disintegrate during electron impact ionization. The additional measure of pulsed attraction of the ionized molecules, which is made possible by the generation of the potential well of adjustable depth, promotes the detection sensitivity in the mass spectrometer and thus the resolution in a manner essential to the invention.

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.According to the invention, molecules are thus ionized by electron impact, helium and / or neon preferably being used as the carrier gas; the energy of the electrons in the electron beam is of course preferably below the ionization energy of the carrier gas.

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.With the method according to the invention, the entire advantages of the known technique of laser evaporation with subsequent cooling can be used to investigate thermally unstable, non-volatile molecules that would otherwise not be accessible to such analysis methods. Since the internal energies of the molecules are significantly reduced by cooling, the subsequent electron impact ionization also leads to fewer fragments than is usually expected. The advantages of the spatial separation of evaporation and ionization can be maintained - flexibility in the design of the desorption and ionization system without the need for structural compromises; no staining of the ion source by desorbed sample material; Ions formed during desorption (in contrast to neutral sample molecules) do not reach the ion source - whereby good yields can be achieved. By using the noble gases helium or neon as carrier gas, the generation of carrier gas ions is prevented or at least very strongly suppressed. Both noble gases have a very high ionization potential (24.6 eV or 21.6 eV), so that they are practically not ionized at electron energies below these ionization potentials, as are preferably used. The molecules to be investigated, with an ionization potential of the order of about 10 eV, on the other hand, are already very well ionized with the electron energies mentioned.

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.A mass spectrometric detection method that uses the pulse structure of ion generation is time-of-flight (TOF) mass spectrometry. Basically, a time-of-flight mass spectrometer has the advantage that a complete mass spectrum is registered with each pulse. In addition, time-of-flight mass spectrometry has a physical property that makes it particularly suitable for the study of large molecules. The resolution increases with increasing mass.

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.However, a good resolution when examining the molecular ions with a time-of-flight mass spectrometer can only be achieved if the molecular ions start at a point (t <5ns) that is as precisely defined as possible in the smallest possible space (<1mm). In general, it is therefore not possible to use the entire sample contained in a gas jet.

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.However, it has been shown that the sensitivity of the arrangement can be increased if the radiation density of the electrons used for the ionization is chosen such that a potential well is generated in the focus of the beam. The neutral molecules to be examined fly into the focus of the electron beam, are ionized there, but can then - in the ionized state - no longer leave the focus. They are collected in a spatially limited volume over a relatively long period of up to 100 µs. The ionized molecules collected in this way can each be subtracted as a "package" with a precisely defined start time. B. 50 ns after the end of the collection (switching off the electron beam) the end plate is switched to 0 V and thereby the ionized molecules are accelerated into the mass spectrometer. This pulsed "packet transmission" enables a good yield with high resolution (as is customary for laser ionization) and at the same time high sensitivity (as is characteristic of electron impact ionization) to be achieved.

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.Light pulses generated by laser can also be used as energy pulses for desorption; continuously operating lasers are also suitable. The wavelengths used range from micrometers down to a few tens of nanometers. The energy pulses can also be applied by bombardment with ions or neutral particles.

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.In a special embodiment of the invention, the sample is optionally ionized by electron impact or by photon excitation in the same ionization space. The sample to be examined therefore only has to be prepared once and let into the ionization space and can then be examined using the advantages of both ionization methods. This ensures that one and the same sample is examined using both measurement methods. It is advantageous if both the photon beam is pulsed and the gaseous sample is supplied in a pulsed manner, the ionization processes having to be switched in a correspondingly synchronized manner. The switching frequency is only limited by the time required to record the spectrum and evaluate it.

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.In contrast to the prior art, as stated, an electron source and a photon source are provided for one and the same ionization chamber and can be operated optionally for ionizing the gaseous sample within the ionization chamber, the ionization preferably taking place in a pulsed manner. In the apparatuses known hitherto, the photon ionization was carried out in a constant electric field, the necessary, precisely defined starting time of the ions being determined by means of laser pulses which were measured over time. Such a procedure is impractical for electron impact ionization. If one would like to switch easily between electron impact ionization and photon ionization, this can only be done by carrying out the photon ionization not in a standard manner but in a manner adapted to the apparatus for electron impact ionization.

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.For the switchover, it is also important that the adjustment and thus also the mass calibration of the downstream mass spectrometer do not have to be changed. Only like that Repetition rates of the order of 20 Hz can be achieved, so that it is possible to switch from molecules to be examined for each pulse packet. To achieve this, the ions must be ionized at exactly the same time, in the same volume and at exactly the same potential. In addition to carrying out the ionization within an ionization chamber for the different ionization processes, it is advantageous that the electron beam emitted by the electron source and the photon beam emitted by the photon source are focused essentially on the same area of the ionization chamber. If the electron beam and the laser beam are set up to be adjustable, the necessary settings can be carried out relatively easily during the operation of the device.

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.It has already been stated above that the photon ionization is also carried out under the same conditions as the electron impact ionization. For this purpose, the ionization chamber is advantageously an ionization chamber set to a positive potential, the end plate of which, ie the area in which the ionized molecules leave the ionization chamber, can be acted upon separately. The starting time for the ions released from the ionization chamber is then determined by the fact that this end plate is at ground potential, i.e. is switched to 0 V. Of course, it is also possible within the concept of the invention to switch the end plate to a potential other than 0 V, provided that this is only chosen so that it is suitable for accelerating the ions into the mass spectrometer. At the time the end plate is switched to the acceleration potential, the ions start their flight in the acceleration field thus created in the mass spectrometer connected downstream of the ionization chamber.

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.According to a preferred embodiment of the invention Electron source and / or photon source, as already explained, operated in a pulsed manner so that a time-of-flight mass spectrometer can be used as the mass spectrometer, with which a complete mass spectrum can be recorded for each ion packet.

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 eines ersten Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Durchführung 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 eines zweiten Ausführungsbeispieles 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-Ionisations-Spektrum (MPI) als auch das Elektronenstoß-Ionisations-Spektrum (EI) dargestellt sind.

Further features and embodiments of the invention result from the claims and from the following description, in which exemplary embodiments are explained in detail with reference to the schematic drawing. It shows:

Fig. 1: the schematic structure of a first embodiment of an apparatus for performing the method according to the invention;
Fig. 2: a detailed view of the device in the region of the sample substance to be evaporated;
Fig. 3: an intensity-time diagram for the electron beam used;
Fig. 4: a voltage-time diagram for the acceleration plate from the device of Figure 1;
Fig. 5: a raw data spectrum of the non-volatile substance mesoporphyrin, air and benzene being added to the carrier gas jet (helium) for test purposes;
Fig. 6: the raw data spectrum of the non-volatile, thermally unstable peptide Trp-Met-Asp-Phe-NH₂;
Fig. 7: the schematic structure of a second embodiment of an apparatus for performing a further embodiment of the method according to the invention;
Fig. 8: 7 obtained raw data spectra for the thermally unstable peptide Trp-Pro-Leu-Gly-Amid, both the multiphoton ionization spectrum (MPI) and the electron impact ionization spectrum (EI) are shown; and
Fig. 9: a raw data spectrum obtained with the device of Fig. 7, the thermally unstable Peptides Pro-Phe-Gly-Lys-Acetate, again showing both the multiphoton ionization spectrum (MPI) and the electron impact ionization spectrum (EI).

Das erste Ausführungsbeispiel der 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 bar eingestellt; grundsätzlich kann es zweckmäßig sein, den Druck je nach Anforderung zwischen 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.The first exemplary embodiment of the device for generating ions from thermally unstable, non-volatile large molecules by the method according to the invention, which is shown in FIG. 1, comprises a device 1 for generating a carrier gas jet, from which the carrier gas jet is controlled by a pulsed valve with a nozzle 10 , exits in a vacuum. When helium is used as the carrier gas, a gas pulse with a length of 1 µs to 10 ms is generated, a pulse length of 500 µs or less being optimal for most purposes. A helium inlet pressure of about 2 bar is set on the high pressure side of the valve; in principle, it can be advisable to keep the pressure between 0.2 bar and 200 bar depending on the requirements. The nozzle 10 has an opening with a diameter of 0.2 mm, which can also be varied in the size range from 0.01 to 1 mm. The valve or nozzle 10 is opened electromagnetically.

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.A gas pulse generated in this way is also called a supersonic jet. The carrier gas atoms move at approximately the same speed, the relative thermal movement of the atoms being relatively low. As a result, the beam has a low temperature in the order of 1 K.

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 CO₂-Laser, gepulstes Infrarotlicht als Photonenstrahl 2 auf den Probenträger 3 bzw. die darauf befindliche Probe gestrahlt.In the immediate vicinity of the opening of the nozzle 10 there is a sample carrier 3 with a sample attached to it, which sample can either be solid or liquid, it also being possible to incorporate this sample into a matrix. Approximately perpendicular to the beam emerging from the nozzle 10, pulsed infrared light is emitted from a suitable light source, for example from a CO₂ laser, as a photon beam 2 onto the sample carrier 3 or the sample located thereon.

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 CO₂-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.A lens 20 is provided for focusing the photon beam 2. The pulse of this photon beam 2 is synchronized in time with the pulse of the carrier gas emerging from the nozzle 10. A suitable pulse length for a CO₂ laser with a wavelength of 10.6 µm is 10 µs. The material to be examined is preferably desorbed into the space in front of the nozzle 10 by the incident photon beam 2. First of all, all degrees of freedom of the molecules, namely degrees of freedom of rotation, vibration and translation, are excited; the energy contained therein will then cool down sharply in the particle beam, the supersonic jet. This largely prevents the thermally unstable molecules from decaying.

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.The molecules desorbed from the sample carrier 3 are now in the gaseous state and are largely in the carrier gas jet emerging from the nozzle 10. Together with the carrier gas, the molecules are transported as a particle beam 4 to a wiper or skimmer 5, which only allows the central area of the particle beam 4 to pass. The "peeled" portion of the particle beam 4 must be pumped out for reasons of vacuum technology and is therefore no longer available for analysis.

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.The skimmer 5 consists essentially of a hollow cone placed on a flat wall 50, the tip of which is formed into an opening 51, the diameter of which is selected in accordance with the cross section of the particle beam 4 to be masked out. It is thus achieved that a particle beam aligned almost exactly in a preselected direction finally enters the ionization region.

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.The ionization takes place within an ionization chamber 7. The front wall 70 of the ionization chamber 7 is aligned with the nozzle 10 and the opening 51 of the skimmer 5, an inlet opening 71 through which the particle beam 4 enters. Impinging the particle beam 4 perpendicularly, a pulsed electron beam 6 is introduced into the ionization chamber 7, the focus 61 of which is set so that it lies on the path of the particle beam 4. The electron beam is pulsed with a length of 10 ns to 100 microseconds, the pulse being synchronized with the time span in which the particle "packet" is flying by. The ionization chamber 7 is at a positive potential of approximately 1000 V.

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.The energy of the electrons introduced in the electron beam 6 can be regulated from a few eV to 100 eV. These electrons now ionize the molecules to be examined by electron impact. If the energy of the electrons is selected in the order of magnitude of 25 eV, the particles of the carrier gas are not ionized, so that there is no later falsification of the result in the mass spectrometric analysis.

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.The radiance of the electrons is so high that in the focus 61 of the electron beam 6 a potential well or potential can be built up that is deep enough for the ionized molecules, i.e. molecular cations, which initially move at the speed of the particle beam 4 for a short time catch. In this way, the molecular ions to be examined are collected in a spatially limited volume.

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.The pulse duration of the electron beam 6 is adjusted so that the pulse is ended when the collection is also finished. A few 10 ns later, the end plate 73 closing the ionization chamber 7 is switched to 0 V in less than 5 ns. At this point in time, the molecular ions start their flight in the resulting acceleration field from the collection point in focus 61 to the outlet opening 72 in the end plate 73 Time of flight mass spectrometer.

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.Figure 2 shows the space in front of the nozzle 10 of the device for generating a carrier gas jet. The jet 4 emerges as a pulse packet from the nozzle 10 and passes the sample substance 30 on the sample carrier 3 from the molecules to be examined. Synchronized with the carrier gas pulse packet, a photon pulse 2 is irradiated, which causes the molecules to be desorbed from the sample substance or from the sample carrier 3. The molecules diffuse into the particle beam and are carried by it in the direction of the skimmer or the ionization chamber.

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.FIG. 3 shows the intensity-time diagram of the electron beam which effects the ionization of the molecules in the ionization chamber. The pulse has steep edges and is kept constant over the period of time required for ionization.

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.After switching off the electron beam pulse (Figure 3), the potential of the end plate of the Faraday cage, as shown in Figure 4, is switched off within a very short time, so that there is also a steep-edged pulse, which over a period of z. B. 20 µs is kept at 0 V, which is sufficient to generate the field required for the acceleration of the molecular ions; of course, instead of 0 V, the end plate can also be switched to another potential suitable for accelerating the molecular ions.

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.FIG. 5 shows a raw data spectrum of the non-volatile substance mesoporphyrin. Air and benzene are mixed with the carrier gas helium (with the mass / charge ratio m / z = 4). These admixtures result in peaks in the range of m / z = 28 and a relatively precisely defined peak at m / z = 78.

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.Although a high fraction of fragments usually occurs during electron impact ionization, while the ionized molecule cannot usually be observed, a well-formed peak is obtained here at m / z = 566.3, the existence of which is due to the cooling of those to be investigated previously Molecules is evoked. The mass spectrum (isotope distribution) in the vicinity of the molecular ion peak is shown in higher resolution in the same figure in detail.

Figur 6 zeigt ein Rohdatenspektrum des thermisch instabilen Peptides Trp-Met-Asp-Phe-NH₂. 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.Figure 6 shows a raw data spectrum of the thermally unstable peptide Trp-Met-Asp-Phe-NH₂. Here, too, a peak can be found for the corresponding molecular ion (m / z = 596.4), which has never occurred before without the combination of electron impact ionization with preceding cooling.

Das in Figur 7 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach 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.The further exemplary embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 7 comprises an ionization chamber 7, the front wall or plate 70 of which is provided with an inlet opening 71 through which the molecules 4 to be examined can enter in the form of a continuous beam or as a particle packet. An end plate 73 is provided opposite the front plate 70 and has an outlet opening 72 aligned with the inlet opening 71.

Für manche Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn die zu untersuchenden Moleküle nicht auf der von Eintrittsöffnung 71 und Austrittsöffnung 72 definierten Achse einströmen, sondern durch Diffusion von allen Seiten in die Ionisationskammer 7 gelangen.For some applications it can be advantageous if the molecules to be examined do not flow in on the axis defined by the inlet opening 71 and outlet opening 72, but instead reach the ionization chamber 7 from all sides by diffusion.

Sobald sich die zu untersuchenden Moleküle in der Ionisationskammer 7 befinden, wird der Ionisationsvorgang eingeleitet.As soon as the molecules to be examined are in the ionization chamber 7, the ionization process is initiated.

Beispielsweise kann zunächst die Ionisation durch Elektronenstoß erfolgen. Dazu wird ein Elektronenstrahl 6 auf das Zentrum der Ionisationskamner räumlich fokussiert, wobei die Energie der Elektronen von einigen eV bis hinauf zu 100 eV regelbar ist.For example, ionization by electron impact can initially respectively. For this purpose, an electron beam 6 is spatially focused on the center of the ionization chamber, the energy of the electrons being adjustable from a few eV up to 100 eV.

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.If the inlet of the molecules to be examined takes place in a pulsed manner, the electron beam 6 is also switched on in pulsed operation, the pulse duration being from 10 ns to approximately 100 μs.

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.In order to achieve a good resolution when examining the molecular ions with a time-of-flight mass spectrometer, the molecular ions must start at a point (t <5 ns) that is as precisely defined as possible in a space that is as small as possible (<1 mm). In general, it is not possible to meet these conditions and to use the entire sample contained in a gas jet. However, it has been shown that the sensitivity of the arrangement can be increased if the radiation density of the electrons used for the ionization is selected such that a potential well is generated in the focus 61 of the beam. The neutral molecules to be examined fly into the focus of the electron beam 6, are ionized there, but then - in the ionized state - can no longer leave the focus 61. They are collected in a spatially limited volume over a relatively long period of up to 100 µs.

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.After the electron impact ionization has ended, the end plate 73 of the ionization chamber 7 is switched to 0 V approximately 10 ns later, this switching taking place in less than 5 ns. This provides the start pulse for the ions for their flight in the time-of-flight mass spectrometer.

Einige µs später wird die Ionisationskammer 7 wieder insgesamt auf positives Potential gelegt, beispielsweise auf 600 V. Anschließend kann die Photonen-Ionisation vorgenommen werden. Dazu wird ein gepulster Laserstrahl 4a in die Ionisationskammer 1 eingestrahlt. Die verwendeten Laserpulse haben eine typische Dauer von 5 ns.A few microseconds later, the ionization chamber 7 is again placed at positive potential overall, for example at 600 V. The photon ionization can then be carried out. For this purpose, a pulsed laser beam 4a is irradiated into the ionization chamber 1. The laser pulses used have a typical duration of 5 ns.

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.In the case of photon ionization, the short duration of the laser pulses alone would ensure a precisely defined starting time for the ions, so that the ionization chamber 7 with the closing plate 73, which can be acted upon separately, would not be required. However, it would not be possible to switch easily between electron impact ionization and photon ionization if one had to use different spatial arrangements for both ionization methods. It would also be possible per se to keep the end plate at constant potential in the case of photon ionization, but in practice there are variable potential distributions which make it necessary to readjust the mass spectrometer. Therefore, the start pulse for the ionized molecules is also given for the photon ionization by switching the end plate 73 to 0 V, which takes place under the same conditions as previously described in connection with the electron impact ionization.

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.In the device according to FIG. 1, the focus of the electron beam 6 and the focus of the photon beam 4a coincide in a region 61 which lies on the path of the molecules to be examined.

Fig. 8 zeigt Rohdatenspektren für das thermisch instabile Peptid Trp-Pro-Leu-Gly-Amid. Das Multiphotonen-Ionisations-Spektrum (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.8 shows raw data spectra for the thermally unstable peptide Trp-Pro-Leu-Gly-Amid. The multiphoton ionization spectrum (MPI) shows a well-formed peak at the corresponding molecular ion (m / z = 447.4), which is less developed in the electron impact ionization spectrum (EI). The two opposing spectra clearly show that different fragments are obtained in different proportions. Both spectra were under exact same experimental conditions with the same sample, the inventive rapid switching between the photon ionization and the electron impact ionization being carried out. Laser desorption in a supersonic jet, which is suitable for thermally unstable molecules, was used as the inlet system.

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.FIG. 9 shows the raw data spectra of Pro-Phe-Gly-Lys acetate, the spectra again being recorded on the one hand by multi-photon ionization (MPI) and on the other hand by electron impact ionization (EI). The same experimental conditions were observed using the same sample. Again it was quickly switched between photon ionization and electron impact ionization. It can be seen that smaller fragments are obtained with the electron impact ionization, so that it becomes clear here that the two spectra obtained with different ionization methods advantageously complement one another.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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

The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments.

1: Submission to generate a carrier gas jet
2nd: Photon beam
3rd: Sample holder
4th: Particle beam
4a: Photon beam
5: Scraper
6: pulsed electron beam
7: Ionization chamber
10th: pulsed valve with nozzle
20th: lens
30th: sample
50: wall
51: opening
61: focus
70: Front wall
71: Entrance opening
72: Outlet opening
73: End plate

Claims

Method for generating ions, in particular for a mass spectrometer, such as time-of-flight mass spectrometer, from thermally unstable, non-volatile large molecules, in which a sample substance containing the molecules is exposed to energy pulses, through which molecules are released from the sample substance, and in which the released molecules are emitted by a beam entrained with a carrier gas and cooled during its expansion and then ionized in an ionization space, characterized in that the molecules are ionized by electron impact; that the radiation density of the electrons used for the ionization is selected so that a potential well is generated in the focus of the electron beam, the depth of which is greater than the translation energy of the molecular ions in the carrier gas stream; that by electron impact ionization generated molecular ions are collected in the potential well for a certain period of time; and that the molecular ions collected in each case in the potential well are pulsed out of the ionization chamber.

Method according to Claim 1, characterized in that the energy of the ionizing electrons is chosen to be lower than would be necessary for the ionization of the carrier gas.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that helium and / or neon is / are used as carrier gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy pulses used to release the molecules from the sample substance are laser-generated light pulses.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the energy pulses used to release the molecules from the sample substance are applied by bombardment with ions or neutral particles.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molecules are ionized either by electron impact or by photon excitation in the same ionization space, the electrons and / or the photons being applied in a pulsed manner.

A method according to claim 6, characterized in that the sample molecules are supplied in a pulsed manner.

A method according to claim 6 or 7, characterized in that the accelerating out of the molecular ions collected in the potential well during electron impact and photon ionization takes place in the same rhythm.

Method according to one of Claims 6 to 8, characterized in that multiphoton excitation is used.

Device for generating ions, in particular for a mass spectrometer, such as time-of-flight mass spectrometer, from thermally unstable, non-volatile large molecules, with a device for generating a carrier gas jet, an energy source for desorbing molecules from the sample material and a device for introducing sample material into the carrier gas jet, in particular for carrying out the method according to any one of the preceding claims, characterized in that an ionization chamber (7) is provided which has an inlet opening (71) and an outlet opening (72) for a particle beam, an electron source being arranged in such a way that the electron source generated electron beam (6) is focused within the ionization chamber (7) on the path of the particle beam; that the device for generating the carrier gas jet (1) has an outlet opening for the carrier gas jet; and that in the vicinity of the outlet opening a sample carrier (3) is arranged on which the sample material is attached.

Device according to claim 10 for carrying out the method according to one of claims 6 to 9, characterized in that an electron source and a photon source are provided which can be operated optionally for ionizing the gaseous sample (4) within the ionization chamber (7).

Apparatus according to claim 11, characterized in that the electron source and the photon source for ionizing the gaseous sample (4) can be operated alternately within the ionization chamber (7).

Device according to claim 11 or 12, characterized in that the electron beam (6) emitted by the electron source and the photon beam (4a) emitted by the photon source are focused essentially on the same area (61) of the ionization chamber (7).

Apparatus according to claim 11 or 12, characterized in that the electron beam (6) emitted by the electron source and the photon beam (4a) emitted by the photon source are focused on mutually adjacent regions (61) of the ionization chamber (7).

Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the ionization chamber (7) is set to a positive potential and has a closing plate (73) which can be acted on separately.

Device according to one of claims 11 to 15, characterized in that the electron source and / or the photon source can be operated in a pulsed manner.

Device according to Claims 15 and 16, characterized in that the end plate (73) can be switched in the same rhythm in the case of electron impact and photon ionization.