Bereich B: Aerosol- und Ionentransport

Projekt B1 (Zoltan Takats/Klaus-Peter Hinz): ‚Optimierter Transport und Einleitung von Ionen und Aerosolen durch flexible Leiter'

Die Überführung der erzeugten Ionen oder Neutralteilchen aus der Atmosphäre in das Hochvakuum des Analysators stellt den kritischen Prozessbereich jedes mobilen Massenspektrometers dar. Neutrale oder geladene Moleküle bzw. neutrale oder geladene Mikropartikel sind dabei vom Ort des Entstehens unter Atmosphärendruck möglichst verlustfrei zur Eintrittsöffnung des Massenspektrometers zu transportieren, dort gegebenenfalls zu ionisieren und sodann mit optimaler Transmission durch ein differenzielles Druckstufen-Einlasssystem zu führen, das die Ionen in das Hochvakuum des Massenanalysators überführt. Dabei spielen neben ionenoptischen Phänomenen vor allem gasdynamische Prozesse und Coulomb- Wechselwirkungen der Teilchen untereinander (Raumladungseffekte) sowie mit den Wänden der Transfereinheit eine entscheidende Rolle.

Während sich Trajektorien von einzelnen Ionen sehr gut mit verfügbaren Simulationsprogrammen berechnen und optimieren lassen, ist man im Falle gasdynamischer Effekte und höherer Ionendichten noch immer weitgehend auf individuelle Simulationsrechnungen und experimentelle Beobachtungen angewiesen. Erste Ansätze gasdynamischer Simulationen in Standard- Computerprogrammen sind mittlerweile erhältlich [CFD, Fluent Deutschland, Darmstadt]. Die Transmission heutiger kommerzieller Atmosphärendruck-Einlasssysteme von Massenspektrometern liegt bestenfalls bei 10-4 bis 10-3 und wurde noch vor etwa 10 Jahren mit lediglich 10-6 bestimmt.

Da die primäre Ionenausbeute aus Umgebungsproben (aufgrund der Unvorhersehbarkeit der Probeneigenschaften und Heterogenität und geometrischen Willkürlichkeit der Proben) ohnehin deutlich reduziert sein kann, kommt der Verbesserung des Ionentransfers zum und in das Massenspektrometer eine bedeutende Rolle zu. Hierzu wird im Rahmen des Projektes ein neues Konzept der Ionentransmission und des Atmosphärendruck-Einlasses umgesetzt. Das Prinzip dieses neuen Systems basiert auf einem kontinuierlichen helikalen Dipol-Ionenleiter, der die Ionen von Atmosphrendruck durch zwei Vorvakuum-Pumpstufen bis in ein Druckgebiet von etwa 1 mbar überführt. Helikale Dipol-Ionenleiter haben die herausragende Eigenschaft, auch bei höheren Drücken zu Ionentransmissions-Effizienzen zu führen, die vergleichbar sind mit denen von Vakuum-Multipol-Ionenleitern, wie sie in kommerziellen Massenspektrometern zur Ionenführung eingesetzt werden.

Das System besteht aus einer flexiblen Polymer-Röhre bestehen, die von einer Doppelhelix isolierter Kupferdrähte umgeben ist. Die beiden Stromkreise werden mit bipolarer Wechselspannung im Radiofrequenzbereich betrieben, so dass sich Pseudopotential-Felder entlang der zentralen Achse der Polymerröhre ergeben. Auf diese Weise werden die Ionen in der Mitte der Röhre gehalten und von einem Gasstrom (hervorgerufen durch einen Druckgradienten) bis in den Hochvakuumbereich des Massenspektrometers geleitet. Die Länge der Transferstrecke kann nach bisherigen Erkenntnissen nahezu beliebig verlängert werden, ohne dass sich die Gesamttransmission merklich verschlechtert. Je nach eingesetzter primärer Ionen- und Neutralteilchen-Erzeugung ist eine Nachionisation am Ende der Transferstrecke vor Eintritt in den Massenanalysator notwendig. Im Falle der mikrowellenbasierten Materialablation beispielsweise kann eine Nachionisation in einem Venturi-Pumpensystem über eine Sekundäre Elektrospray-Ionisation erfolgen oder über eine Koronaentladung initiiert werden.

Neben der optimierten Ionentransmission wird diesem Projekt auch die Transmission von Aerosol-Partikeln thematisiert. Die Behandlung von luftgetragenen Mikropartikeln nimmt nicht nur im Kontext Atmosphären- oder umweltchemischer Untersuchungen eine zentrale Rolle ein, sondern stellt sich ebenso bei jeglicher Art der Substanz-Ablation aus festen Proben bei Atmosphärendruck-Massenspektrometern als entscheidende Aufgabe dar. Zur Optimierung der Partikeltransmission aus der Umgebung ins Hochvakuum eines Aerosol-Laser-Massenspektrometers werden bislang so genannte aerodynamische Linsen entwickelt, die für einen vorgegebenen Partikelgrößenbereich aufgrund gasdynamischer Manipulation eine maximale Partikeltransmission erreichen sollen. Dabei werden die Saugleistungen mehrerer Pumpstufen so angepasst, das für eine gewählte Strömungsgeometrie bestimmte Teilchengrößen minimal abgesaugt und stattdessen optimal in die Ionenquelle des Massenspektrometers überführt werden. Dieses Konzept der gasdynamischen Partikelführung wird mit dem Konzept der helikalen Ionenleiter verknüpft, um einerseits die signifikanten Strömungskräfte in helikalen Ionenleitern zu kontrollieren und zu optimieren und andererseits die Transmission von (in der Regel elektrisch geladenen) Partikeln weiter zu verbessern.

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