Modulares Ionenmobilitäts-Massenspektrometer
Final Report Abstract
Am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik wurde ein ionenmobilitätsklassiertes Flugzeitmassenspektrometer (DMA-MS) zur Charakterisierung kleinster Teilchen/Cluster installiert. Das Gerät erweitert den unteren Messbereich für Nanopartikel bis in den molekularen Bereich und erlaubt für sehr kleine Teilchen eine Bestimmung der genauen atomaren Zusammensetzung auf Basis der Teilchenmassen. Aus den gleichzeitig ermittelten Teilchenmobilitäten lassen sich Aussagen über die Struktur der Teilchen treffen. Der Schwerpunkt der bisherigen Arbeiten lag dabei auf der Untersuchung des Transfers kleiner Teilchen mittels Elektrospray (ESI) aus der Flüssigphase in die Gasphase. Eine Analyse von Teilchensystemen in der Flüssigphase ist möglich, wenn solche Teilchen einzeln in den erzeugten Tropfen vorliegen und als Eintrocknungsreste dieser Tropfen untersucht werden können. Daraus ergeben sich die Anforderungen a) einer sehr hohen Erzeugungsrate möglichst eng verteilter Tropfen und b) einer sehr geringen Kontamination der zu untersuchenden Proben mit nicht flüchtigen gelösten Substanzen. Die Erzeugung sehr kleiner Tropfen in hoher Anzahl und mit enger Verteilungsbreite gelingt mit einem Elektrospray, der im Taylorkonus-Modus bei sehr geringen Volumenströmen betrieben wird, wobei Verdunstung des Lösemittelstroms auftritt. Diese Problematik wurde theoretisch analysiert und quantifiziert und praktisch durch Verwendung einer mit Lösemittel angereicherten Hüllgasströmung behoben. Unter Verwendung der Hüllströmungstechnologie lassen sich auch mit leichtflüchtigen Lösemitteln wie Methanol Volumenströme von weniger als 20nl/min kontrolliert im Cone-jet Modus versprühen. Im Rahmen dieser Entwicklung wurde entdeckt, dass Stoffaustausch zwischen dem Taylor-Konus und der dampfgesättigten Gasphase so effizient ist, dass organische Lösemittelkomponenten auch vollständig auf diesem Weg zugeführt werden können. In Verbindung mit der entwickelten hoch effizienten Sättiger-Technologie kann Kontamination, die aus den organischen Lösemittelbestandteilen entstammt, durch ausschließliche Zuführung organischer Lösemittelkomponenten über die Gasphase ausgeschlossen werden. Als weitere relevante Quelle von Kontamination wurde die elektrochemische Reaktion beim Eintritt des elektrischen Stroms in die Analytlösung identifiziert. Die Verwendung einer elektrochemiefreien Stromkopplungstechnik unterbindet Probleme wie Änderungen im pH-Wert und die Erzeugung nichtflüchtiger Kontamination auf diesem Weg vollständig. Die Kombination von elektrochemiefreier Probenzuführung und Gasphasensättigung führt zu einer Reinheit der erzeugten Tropfen, die es erlaubt nicht nur Spezies, die aus den erzeugten Elterntropfen im Rahmen von Coulomb-Explosionen entkommen sind, zu untersuchen, sondern auch die Eintrocknungsreste der Elterntropfen zu erfassen. Unter Verwendung der entwickelten Technologien ergibt sich erstmalst ein vollständiges Bild der Produkte eines Elektrosprayprozesses, auf dessen Basis zentrale Fragestellungen, wie z.B. die nach der Transferwahrscheinlichkeit einer Spezies aus einem Tropfen in die Gasphase beantwortet werden können. Bei der mobilitätsklassierten Massenspektrometrie (ESI-DMA-MS) wird der mittels Elektrospray (electrospray ionisation, ESI) in die Gasphase transferierte Analyt zunächst nach seiner elektrischen Mobilität klassiert, bevor seine Masse bestimmt wird. Die Mobilitätsklassierung erlaubt die Bestimmung des Kollisionsquerschnitts des Analyten und ermöglicht die Analyse einer wesentlich höheren Anzahl an Komponenten im Vergleich zur klassischen ESI-MS Analyse. Am Beispiel von Lysozym wurde gezeigt, dass die Erfassung von 50 verschiedenen Clusterspezies in unterschiedlichen Ladungszuständen mit Massen bis hinauf zu 900 kDa möglich ist. Direkt in der Gasphase generierte Teilchen (Heißdrahtgenerator) lassen sich mit sehr guten Signalhöhen mittels mobilitätsklassierter Massenspektrometrie erfassen. Die maximale, mit dieser Technologie erfassbare Teilchenmasse/-größe ist so groß, dass sich eine Überlappung mit dem durch klassische Aerosolmesstechnik erfassbaren Größenbereich ergibt und Teilchensysteme in diesem Sinne „lückenlos“ erfasst werden können. Für kleinere Cluster können die atomare Zusammensetzung und deren Einfluss auf den Mobilitätsquerschnitt gemessen werden. Die messtechnische Zugänglichkeit solcher Systeme ist damit gegeben, was Voraussetzung für die Untersuchung von Nukleations- und Reifungsprozessen ist.
Publications
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Ionomer and protein size analysis by analytical ultracentrifugation and electrospray scanning mobility particle sizer. European Biophysics Journal, 47(7), 777-787.
Wawra, Simon E.; Thoma, Martin; Walter, Johannes; Lübbert, Christian; Thajudeen, Thaseem; Damm, Cornelia & Peukert, Wolfgang
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The mass transfer at Taylor cones. Journal of Aerosol Science, 123, 39-51.
Lübbert, C. & Peukert, W.
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Analysis of ultrafine metal oxide particles in aerosols using mobility-resolved time-of-flight mass spectrometry. Journal of Aerosol Science, 137, 105438.
Domaschke, Maximilian; Lübbert, Christian & Peukert, Wolfgang
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How to avoid interfering electrochemical reactions in ESI‐MS analysis. Journal of Mass Spectrometry, 54(4), 301-310.
Lübbert, Christian & Peukert, Wolfgang
