Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss hoher effektiver Ionentemperaturen auf die Ionenmobilität, Clusterbildung, -dissoziation und deren Dynamik sowie Fragmentierung mittels hochauflösender Hochenergie-Ionenmobilitätsspektrometrie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318063177

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Vorhabens wurden neben der sehr anspruchsvollen hardwaretechnischen Umsetzung eines hochauflösenden Hochenergie-Ionenmobilitätsspektrometers (engl.: High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer, HiKE-IMS) auch eingehende grundlegende Untersuchungen zum HiKE-IMS und der im HiKE-IMS ablaufenden Gasphasenreaktionen durchgeführt. Verglichen mit klassischen IMS zeichnet sich das HiKE-IMS durch einen geringen Betriebsdruck von 10 bis 40 mbar aus, sodass sich Ionisationsprozesse, Clusterbildung, -dissoziation und Fragmentierung durch Energieeintrag gezielt steuern lassen. Dies ist nicht nur wissenschaftlich hochinteressant, sondern erhöht die Zuverlässigkeit der Substanzidentifikation in der Anwendung deutlich. Zudem sind durch die Steuerung der Ionisationsprozesse Substanzen, die sich in klassischen IMS per chemischer Gasphasenionisation nicht ionisieren lassen, wie Benzol, jetzt bis in den einstelligen ppbV-Bereich nachweisbar. Der Energieeintrag lässt sich entweder in Form der reduzierten elektrischen Feldstärke E/N, mit der elektrischen Feldstärke E und der Teilchendichte N, bei konstanter absoluter Temperatur oder als Änderung der effektiven Ionentemperatur angeben, wenn sich sowohl die reduzierte elektrische Feldstärke als auch die absolute Temperatur ändern. Eine Betrachtung der Ionenmobilität bei gleichzeitiger Änderung der absoluten Temperatur und der reduzierten elektrischen Feldstärke zeigt, dass nur die effektive Ionentemperatur die Ionenmobilität beeinflusst. Weiterhin wurden die Betriebsparameter, wie Druck und E/N, der im HiKE-IMS eingesetzten Koronaentladungsquelle variiert und die sich jeweils einstellende Reaktantionenpopulation untersucht sowie ein analytisches Modell zur Menge der verfügbaren Reaktantionen entwickelt. Mit Hilfe eines analytischen Modells zur Bestimmung des Auflösungsvermögens unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren konnte erstmals ein HiKE-IMS mit einem Auflösungsvermögen > 200 realisiert werden. Mit diesem System war es möglich, Isotopologe trotz ihres identischen Kollisionsquerschnitts zu trennen, bei denen alle Kohlenstoffatome durch 13C-Atome ersetzt wurden. Auf technischer Ebene sei hervorgehoben, dass neben dem Aufbau unterschiedlich konstruierter HiKE-IMS auch ein neuartiges Ionentor inklusive Ansteuerungselektronik entwickelt wurde. Mit diesem Ionentor können schmale Ionenpakete ohne Diskriminierung langsamer Ionen trotz extrem kurzer Öffnungszeiten von nur 1 µs in die Driftröhre eingelassen werden. Das Prinzip dieses Ionentors, kommt inzwischen auch bei IMS mit Elektrosprayionisationsquellen zur Anwendung, um größere Ionen trotz kurzer Ionentoröffnungszeiten sensitiv nachweisen zu können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Simple Analytical Model for Predicting the Detectable Ion Current in Ion Mobility Spectrometry Using Corona Discharge Ionization Sources. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 29(7), 1425-1430.
  Kirk, Ansgar Thomas; Kobelt, Tim; Spehlbrink, Hauke & Zimmermann, Stefan
  
• High-Resolution High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer Based on a Low-Discrimination Tristate Ion Shutter. Analytical Chemistry, 90(9), 5603-5611.
  Kirk, Ansgar T.; Grube, Denise; Kobelt, Tim; Wendt, Cornelius & Zimmermann, Stefan
  
• Measurement of protonated water clusters using High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry (HiKE-IMS)”, International Mass Spectrometry Conference 2018, Florence
  A.T. Kirk, M. Allers & S. Zimmermann
  
• A study of the reactant ion population generated by corona discharge ionization in air using High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry (HiKE-IMS), International Conference on Ion Mobility Spectrometry 2019, Hannover
  M. Allers, A.T. Kirk, C. Schaefer & S. Zimmermann
  
• Investigation of the mobility shift of isotopologues in a High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer, International Conference on Ion Mobility Spectrometry 2019, Hannover
  C. Schaefer, A.T. Kirk & S. Zimmermann
  
• Ion Mobility Shift of Isotopologues in a High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer (HiKE-IMS) at Elevated Effective Temperatures. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 31(10), 2093-2101.
  Schaefer, Christoph; Kirk, Ansgar T.; Allers, Maria & Zimmermann, Stefan
  
• Influence of Reduced Field Strength on Product Ion Formation in High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry (HiKE-IMS). Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 32(7), 1810-1820.
  Schaefer, Christoph; Allers, Maria; Kirk, Ansgar T.; Schlottmann, Florian & Zimmermann, Stefan
  
• Challenges and opportunities for coupling Hadamard transform multiplexing with High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer, International Conference on Ion Mobility Spectrometry 2022, Memphis
  C.N. Naylor, B.H. Clowers, F. Schlottmann & S. Zimmermann
  
• Determination of ionization mechanisms of aniline using a High-Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer (HiKE- IMS), IMS users’ meeting 2022, Unna
  C.N. Naylor, C. Schaefer, A.T. Kirk & S. Zimmermann
  
• Fragmentation of product ions in High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry, International Mass Spectrometry Conference 2022, Maastricht
  C. Schaefer, F. Schlottmann & S. Zimmermann
  
• High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry – Mass Spectrometry investigations of four inhalation anaesthetics: isoflurane, enflurane, sevoflurane and desflurane. International Journal of Mass Spectrometry, 475, 116831.
  Weiss, Florentin; Schaefer, Christoph; Ruzsanyi, Veronika; Märk, Tilmann; Eiceman, Gary; Mayhew, Chris A. & Zimmermann, Stefan
  
• Hochenergie-Ionenmobilitätsspektrometer (HiKE-IMS) aus Leiterplatten und mit einem Betriebsdruck von bis zu 60 mbar für die schnelle Vor- Ort-Analytik, IMS users’ meeting 2022, Unna
  F. Schlottmann, A. Bohnhorst, C. Schaefer, F. Ziegert-Kuehn, B. Ungethuem, A. Walte & S. Zimmermann
  
• Influence of Sample Gas Humidity on Product Ion Formation in High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry (HiKE-IMS). Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 33(6), 1048-1060.
  Schaefer, Christoph; Schlottmann, Florian; Kirk, Ansgar T. & Zimmermann, Stefan
  
• Lowering the detection limits by implementing Hadamard transform multiplexing with High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometry, International Mass Spectrometry Conference 2022, Maastricht
  C.N. Naylor, B.H. Clowers, F. Schlottmann & S. Zimmermann
  
• A High Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer for Operation at Higher Pressures of up to 60 mbar. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 34(5), 893-904.
  Schlottmann, Florian; Schaefer, Christoph; Kirk, Ansgar T.; Bohnhorst, Alexander & Zimmermann, Stefan
  
• The origin of isomerization of aniline revealed by high kinetic energy ion mobility spectrometry (HiKE-IMS). Physical Chemistry Chemical Physics, 25(2), 1139-1152.
  Naylor, Cameron N.; Schaefer, Christoph; Kirk, Ansgar T. & Zimmermann, Stefan