Bestimmung von Ionenakzeptanzverteilungen in der Atmospheric Pressure Laser Ionisation Mass Spectrometry (APLI-MS)

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1 Bergische Universität Wuppertal Bachelor Thesis Bestimmung von Ionenakzeptanzverteilungen in der Atmospheric Pressure Laser Ionisation Mass Spectrometry (APLI-MS) Erfassung, Auswertung, Anwendung ausgeführt am Fachbereich C der Bergischen Universität Wuppertal unter der Anleitung von Prof. Dr. Thorsten Benter durch Walter Wißdorf Mat.Nr.: XXXXXX August-Oktober 2006

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3 Zusammenfassung Atmospheric Pressure Laser Ionization (APLI) ist eine neue Atmosphärendruck- Ionisationsmethode, bei der Laserlicht zur resonanzverstärkten Multiphotonen Ionisation (REMPI) verwendet wird. Neben vielen weiteren experimentellen Möglichkeiten erlaubt diese Methode die Bestimmung der Ionenakzeptanzverteilung (IAD), also die Messung der raumaufgelösten Massensignale, welche für viele Anwendungen von großem Wert sind. Im Zuge dieser Arbeit wurde der experimentelle Rahmen geschaffen, um IAD in zwei und drei Raumdimensionen zu bestimmen. Dies beinhaltet Entwurf, Aufbau und Validierung der experimentellen Anordnung und die Konzeption und Implementierung eines Datenverarbeitungs- und Visualisierungs-Systems. Mit dem entstandenen experimentellen Aufbau wurden zweidimensionale und dreidimensionale IAD mit Hilfe von Einfarbenanregung gemessen und die Ergebnisse interpretiert. Weiterhin wurden vorbereitende Experimente zur dreidimensionalen IAD Messung mit Hilfe einer Zweifarben-Anregung durchgeführt. Ausgehend von den bei diesen Experimenten gewonnen Ergebnissen und deren Interpretation, werden Schlussfolgerungen für weitere Untersuchungen gezogen und mögliche Erweiterungen und Verbesserungen für die dargestellte Methode der IAD-Messung entwickelt. Danksagung Mein tiefer Dank gilt Matthias Lorenz für die interessante und angenehme Zusammenarbeit Prof. Dr. Thorsten Benter für die investierte Zeit und die Unterstützung der Laborbesatzung von H13.13 für die angenehme Atmosphäre, die interessante Zusammenarbeit und die Unterstüzung im Laser 1 -Labor den Arbeitsgruppen Physikalische Chemie und Analytik für die freundliche Aufnahme in ihrer Mitte Nina für alles 1 frei nach Dr. Evil i

4 Erklärung Ich versichere an Eides statt, daß ich die von mir vorgelegte Arbeit selbständig angefertigt und andere als die angegebenen Hilfsmittel nicht benutzt sowie jede wörtlich oder inhaltlich übernommene Stelle kenntlich gemacht habe. Neuss, den 10. November 2006 Walter Wißdorf ii

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung, Motivation und Zielsetzung der Arbeit 1 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung Ionisation bei Atmosphärendruck Eigenschaften von API-Quellen Atmospheric pressure laser ionization (APLI) Das Prinzip von APLI Eigenschaften, Vorteile und Möglichkeiten von APLI Vergleich von APLI mit anderen Atmosphärendruck Ionisationsmethoden APLI und massenselektive Detektion Ionenakzeptanzverteilung Experimenteller Aufbau Übersicht über das Experiment APLI Quelle Laser Strahlführung und Synchronisation Optiken zur IAD Messung Synchronisation der Laser Massenspektrometer Chemikalien Software Ergebnisse und Diskussion Verarbeitung und Darstellung der Daten Datenverarbeitung Visualisierung von Ionenakzeptanz-Verteilungen Durchführung der IAD Bestimmungen Ergebnisübersicht Probleme und Lösungen Interpretation und Diskussion Validität der zweidimensionalen IAD-Bestimmungen APLI Ionenquelle und IAD Mechanistische Betrachtungen iii

6 Inhaltsverzeichnis 4.4 Dreidimensionale IAD Einfarbenanregung Zweifarbenanregung Ausblick Weiterentwicklungs-Ansätze von APLI Weiterentwicklung der IAD Bestimmung Neue Anwendungsmöglichkeiten der IAD Messung und Kombinationsmöglichkeiten Technische Weiterentwicklung der IAD Bestimmung Anhang 60 Abkürzungsverzeichnis 67 Sachregister 69 Literaturverzeichnis 70 iv

7 1 Einleitung, Motivation und Zielsetzung der Arbeit Im Jahre 2005 wurde eine neue Atmosphärendruck-Ionisationsmethode zur Anwendung in der Massenspektrometrie vorgestellt [1]. Diese sehr leistungsfähige, laserbasierte Methode (Atmospheric Pressure Laser Ionization, APLI ) ist das Produkt einer Kooperation der Arbeitsgruppen Physikalische und Analytische Chemie der Bergischen Universität Wuppertal und eignet sich vor allem zur Kombination mit Flüssigphasen-Trennmethoden (LC, CE). Sie ergänzt daher die bisher vorhandenen Atmosphärendruck-Methoden ESI (Electrospray Ionization), APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) und APPI (Atmospheric Pressure Photoionization) um die effektive Ionisation unpolarer Substanzen. Die APLI-Entwicklung ist gekennzeichnet durch die intensive Verknüpfung von Grundlagenforschung und Anwendungsentwicklung. Der ionenproduzierende Prozess der Methode basiert auf der resonanzverstärkten Mehrphotonenionisation (REMPI ); daher müssen die Grundlagen der Spektroskopie und Moleküldynamik in besonderem Maße berücksichtigt werden. Die Kopplung der Ionisationsmethode mit der Chromatographie eröffnet der Methode mit LC-MS (Liquid Chromatography Mass Spectrometry) ein breites, anwendungsorientiertes Einsatzgebiet. LC-MS hat als leistungsfähige Routinemethode eine enorme Bedeutung und ist heute in nahezu jedem modernen analytischen Labor anzutreffen. Während sowohl die etablierten Methoden ESI, APCI und APPI als auch APLI ihre Leistungsfähigkeit im analytischen Labor gezeigt haben, ist das Verständnis der komplexen Vorgänge auf molekularer Ebene in einer Atmosphärendruck- Ionenquelle bei weitem nicht auf belastbare Grundlagen gestellt. Sämtliche Prozesse, welche zu unterdrückten oder sogar fehlenden Ionensignalen im Massenspektrum führen, obwohl alle thermodynamischen und moleküldynamischen Parameter gegen eine solche Beobachtung sprechen, fasst man in der Analytik häufig unter dem Begriff Matrixeffekte zusammen. Es sind diese Matrixeffekte, die im Zentrum der APLI-Forschungstätigkeit in der Arbeitgruppe Physikalische Chemie stehen. Um sie zu verstehen, müssen die Ionenproduktion, Ionen- Molekülreaktionen sowie der Einfluss externer Geräteparameter wie Fluiddynamik und Elektrodynamik verstanden werden. Dieses große und sehr komplexe Arbeitsgebiet wird noch viel Forschungstätigkeit verlangen. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Verfahren weiter entwickelt werden, dass sich als sehr geeignetes Werkzeug für die oben genannten Untersuchungen herausgestellt 1

8 1 Einleitung, Motivation und Zielsetzung der Arbeit hat: Die Messung der Ionenakzeptanzverteilung (Ion Acceptance Distribution, IAD) in der Quelle. Bei der Anwendung dieses Verfahrens stellen die Werte der unabhängigen Experimentvariablen zusammen mit den aufgenommen Massenspektren mehrdimensionale Datenfelder dar. Zur Interpretation der Ergebnisse müssen die Daten visualisiert werden. Genau hier setzt die vorliegende Arbeit an: Eine der zentralen Aufgabe ist die Erstellung eines Visualisierungsssyste, das möglichst unmittelbar und aus unterschiendlichen Betrachtungswinkeln eine Analyse der komplexen Rohdaten erlaubt. Unter Verwendung der neuen Software sollen darüber hinaus IAD Messungen unter variierten Randbedingungen durchgeführt werden, um ein tieferes Verständnis für die Einflüsse der Quellenparameter zu erlangen. 2

9 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung Die Ionisation von Molekülen und Atomen ist eine wichtige Problemstellung in der Chemie. Ionisation, also die Erzeugung von geladenen Teilchen, ist die Voraussetzung für viele moderne Analyse- und Untersuchungsverfahren. Aus diesem Grund hat die Vielfalt an Methoden zur Ionisation heute eine große Bandbreite erreicht. Es gibt sehr allgemein und einfach anzuwendende Ionisationsverfahren aber ebenso gibt es hochspezifische und komplizierte Verfahren, die dafür in ihrem Anwendungsbereich oft beeindruckende Ergebnisse liefern. Trotz der enormen technischen Entwicklung der vergangenen Jahre und der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Verfahren, ist das Forschungs-Feld der Ionisation noch immer ein lohnender Bereich für neue Entwicklungen. Längst nicht alle Anwendungsbereiche werden von den bestehenden Methoden gut abgedeckt und die parallele Entwicklung in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Chromatographie, stellen oft neue Anforderungen an etablierte Ionisationsmethoden. 2.1 Ionisation bei Atmosphärendruck Eine Möglichkeit zur Klassifikation von Ionisationsmethoden ist der in der Ionenquelle herrschende Druck. Dies ist sinnvoll, da dieser ein wichtiges Kriterium für die Verwendungsmöglichkeiten der Methode darstellt. Insbesondere bei der Kombination mit der Flüssigkeitschromatographie (LC) und Kapillarelektrophorese (CE) erweisen sich viele Niederdruck-Ionenquellen als ungeeignet. Die Verknüpfung von chromatographischen Trennsystemen mit Ionenquellen ist aber ein sehr wichtiges Anwendungszenario, da dies die wertvolle Möglichkeit eröffnet, mehrdimensionale Analyseverfahren zu etablieren. Eine der bedeutendsten Kombinationen dieser Art ist die Kopplung von LC oder CE mit der Massenspektrometrie (MS). Eine Ionenquelle für diese Anwendung muss einige besondere Anforderungen erfüllen. Zunächst muss sie kontinuierlich arbeiten können, da von den vorgelagerten Trennstufen ein kontinuierlicher Substanzfluss in die Ionenquelle transportiert wird. Nichtkontinuierliche Ionisationsverfahren lassen sich daher kaum mit vernünftigem Aufwand und ohne gravierende Nachteile in Kauf nehmen zu müssen mit LC oder CE Systemen verknüpfen. Verfahren wie die Felddesorption (FD) scheiden daher als sinnvolle Kombination aus. 3

10 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung Ein weiteres Problem ist die große Menge des Lösungsmittels bzw. der Pufferlösung, in welcher die Analyten bei LC und CE Verfahren vorliegen. Traditionelle Ionisationsmethoden wie Elektronenstoß Ionisation (EI) und Chemische Ionisation (CI) sind Gasphasen Verfahren, die einen sehr geringen Druck in der Ionenquelle erfordern. Im Inneren einer solchen Einheit herrschen Hochvakuum- Bedingungen, typischerweise also ein Druck von unter 10 6 mbar [2], da in beiden Fällen von einer Glühkathode emittierte und beschleunigte Elektronen zur Primärionisation verwendet werden. Bei EI werden diese Elektronen, die normalerweise eine Energie von 70 ev besitzen, direkt zur Ionisation verwendet, indem sie mit dem Analyten stoßen und so Elektronen aus dessen Hülle schlagen. Bei CI ionisieren die beschleunigten Elektronen zunächst ein Reaktand-Gas, welches im Überschuss im Vergleich zum Analyten vorliegt. Die entstehenden Reaktandgas- Ionen ionisieren dann ihrerseits den Analyten durch nachfolgende Reaktionen, wie zum Beispiel Protonenübertragungen. Da sich die niedrigen Drücke im Inneren einer solchen Ionenquelle aber nur schwer aufrechterhalten lassen, wenn man Flussraten im Maßstab von einigen Mikrolitern pro Minute in die Quelle gibt, kann man EI und CI nicht mit LC bzw. CE kombinieren. Ein weiteres Problem der beiden Ionisationsmethoden ist, dass viele sehr große und damit thermisch labile Moleküle nicht ionisiert werden können, da sie beim Verdampfen zerstört werden. Andere Ionisationsmethoden wie continuous flow FAB (Fast Atom Bombardement) oder LSIMS (Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry) sind zwar prinzipiell mit LC oder CE kombinierbar, haben aber spezielle Probleme wie zum Beispiel geringe Empfindlichkeit, hohe Kosten, großer apparativer Aufwand und schwierigere Bedienung [2][3][4]. Atmosphärendruck Ionisationsmethoden (API-Methoden) haben diese Probleme nicht. Bei ihnen ist die direkte und daher einfache Kopplung mit LC- und CE- Systemen möglich. AP-Ionenquellen arbeiten robust, sie sind wenig fehleranfällig und bieten eine hohe Ionisierungs-Effektivität. Der Anteil der erfolgreich ionisierten Analytmoleküle, kann bei Atmosphärendruck um das fache größer sein als in einer Niederdruck-Quelle ([3] S. 33), was zu sehr großen Empfindlichkeiten führt. Momentan gibt es im Wesentlichen vier verschiedene API-Methoden, welche sich in Bezug auf die Anwendbarkeit auf einzelne Analyt-Gruppen und den zugrunde liegenden Ionisierungsmechanismus deutlich unterscheiden. Eine gewisse Sonderstellung nimmt dabei Elektrospray-Ionisation (ESI) ein. Hier gelangt die Analyt-Lösung durch eine Metallkapillare in die Ionisierungsregion. Zwischen dieser Kapillare und einer Gegenelektrode in der Ionenquelle wird eine Hochspannung angelegt, was zur Ionisation des Analyten in der flüssigen Phase führt. Durch das starke elektrische Feld an der Kapillarspitze werden feine Tröpfchen der Lösung versprüht, welche durch die zunehmende Verdampfung von Lösungsmittel und durch Zerreißen immer kleiner werden. Am Ende dieses Prozesses zerplatzen die Tröpfchen durch ihre hohe Oberflächenladung und Ionen werden freigesetzt. 4

11 2.1 Ionisation bei Atmosphärendruck Die restlichen drei API-Methoden (APCI, APPI, APLI) sind hingegen keine Spray-Methoden im engeren Sinne. Hier wird die Analyt-Lösung in einer Nebulizer genannten Einheit pneumatisch zerstäubt und das Lösungsmittel durch beheizte Rohrwandungen verdampft; der Analyt wird also ungeladen in die Gasphase überführt, in der dann die eigentliche Ionisation statt findet. Die drei genannten Methoden unterscheiden sich grundsätzlich nur bei der Wahl der in der Gasphase verwendeten Ionisationsmethode. APCI verwendet, ähnlich wie CI, eine Hilfssubstanz zur Ladungsübertragung auf den Analyten. Die initiale Ionisation dieser Substanz findet bei APCI durch eine Koronaentladung statt. APPI verwendet die direkte oder indirekte (im Falle von Dopant Assisted APPI, DA-APPI) Photoionisation des Analyten. Bei APLI schließlich findet die Ionisation durch resonanzverstärkte Multiphotonen Ionisation (REMPI) mit Hilfe von Laserlicht statt. Betrachtet man die Effektivität der vier API-Methoden in Bezug auf einzelne Analyt-Klassen, wird deutlich, dass vor allen die Polarität des Analyt ein Kriterium ist welche Methode eingesetzt werden sollte. Grundsätzlich ist ESI sehr effektiv bei polaren Substanzen, APCI eignet sich für mittelpolare Analyte während das Einsatzgebiet von APPI und APLI die Ionisation unpolarer Substanzen ist. Die Sonderstellung von ESI unter den genannten Methoden wird durch zwei weitere bemerkenswerte Fähigkeiten noch unterstrichen. Die Methode kann auch sehr große und daher thermisch labile Moleküle unzerstört ionisieren und bildet dabei mehrfach geladene Ionen. Daher ist es mit ESI möglich große Biopolymere, wie etwa Proteine, mit Massenanalysatoren nachzuweisen, deren nomineller Massenbereich unter der Masse des jeweiligen Moleküls liegt. Insgesamt haben die vielen Vorteile moderner API-Methoden maßgeblich zu deren Verbreitung beigetragen. Sie sind zu einem sehr wichtigen Werkzeug für analytische Routineaufgaben geworden Eigenschaften von API-Quellen Im Vergleich zu Niederdruck-Quellen ergibt sich bei API-Systemen das besondere Problem, dass Ionen unter Atmosphärendruck-Bedingungen erzeugt, dann aber möglichst verlustarm in den Hochvakuumteil eines Detektors bzw. eines Massenanalysators überführt werden sollen. Typischerweise wird dieses Problem durch schrittweises Absenken des Drucks in Vorpumpstufen gelöst [4][3]. Die im AP-Teil gebildeten Ionen gelangen durch sehr kleine Öffnungen und geeignete Ionenoptiken durch diese Pumpstufen in den Hochvakuumteil. Der Abkühlung durch adiabatische Expansion, welche zur Clusterbildung führt, kann dabei durch ein beheiztes Transferrohr oder einem warmen Gasstrom entgegengewirkt werden [3]. Mit ähnlichen angewärmten Gasströmen wird oft auch im Atmosphärendruck- Bereich der Ionenquelle der Bildung von Clustern entgegengewirkt und die Verdampfung des Lösungsmittels unterstützt. Die genaue Geometrie von kommerziell erhältlichen AP-Quellen ist natürlich Gegenstand fortschreitender Optimie- 5

12 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung rung auf verschiedene Einsatzbereiche. Sie hat deshalb eine große Variationsbreite erreicht. Im Gegensatz zu Niederdruck-Ionenquellen, in denen die Bewegungen der Ionen von den vorhandenen elektrischen Feldern dominiert werden, sind die Verhältnisse in API Quellen deutlich komplexer. Bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur beträgt die Teilchendichte innerhalb einer solchen Quelle rund 2, Teilchen pro cm 3, wenn man für diese Schätzung ideales Verhalten der beteiligten Gase annimmt. Diese große Dichte führt zu häufigen Stößen der Teilchen untereinander. Die Stoßzahlen für Stickstoff bei Atmosphärendruck betragen beispielsweise Größenordnungen um 10 9 s 1, was zu einer ungefähren mittleren freien Weglänge von unter 100 nm führt [5]. Diese überschlagsmäßigen Betrachtungen zeigen schon einige wichtige Eigenschaften: Ionen in API-Quellen können sich nicht frei bewegen, sie stoßen mindestens einige 10 4 mal mit anderen Teilchen in der Quelle, bevor sie in den Hochvakuumteil eines nachfolgenden Detektors überführt werden. Dies hat Folgen: Im Gegensatz zur Situation im Vakuum wird die Bewegung von Ionen unter Atmosphärendruck auch durch die Bewegung der umgebenden Gasteilchen stark beeinflusst. Die Ionen-Trajektorien resultieren bei diesen Bedingungen aus einer Überlagerung zwischen dem Einfluss der bestehenden elektrischen Potentialen auf die Ionen und den Gasströmungen in der Ionenquelle. Modelle für die Simulation der Bewegungen von Ionen in einer AP-Quelle müssen also die Simulation von Ionentrajektorien in elektrischen Feldern und fluiddynamische Simulation vereinigen. Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen AP- und Niederdruck-Ionenquellen ergibt sich ebenfalls aus der großen Stoßzahl. Aufgrund der vielen Stöße sind auch Reaktionen zwischen den gebildeten Ionen und dem umgebenden Gas möglich, während im Vakuum ein Großteil der Ionen ohne Stöße und damit ohne Reaktionsmöglichkeit mit einem Partner, in einen Detektor überführt wird. In Vakuum- Ionenquellen beobachtet man daher fast nur unimolekulare Reaktionen der Molekülionen, wie beispielsweise Fragmentierungsreaktionen und Umlagerungen. Die Ionenausbeute wird in API Quellen hingegen von deutlich komplexeren Zusammenhängen bestimmt als in Niederdruck-Quellen. Neben dem eigentlichen ionenbildenden Prozess, der Probenverdampfung, den Gasströmungen und den elektrischen Feldern hat hier auch die Zusammensetzung der in der Quelle vorhandenen Atmosphäre einen enormen Einfluss. Diese besteht aus der Matrix des Analyten, den eingesetzten Trockengasen und möglichen Verunreinigungen. Unter AP-Bedingungen gewinnen aufgrund der großen Stoßzahlen, bi- oder trimolekulare Reaktionen enorm an Bedeutung. Beispielsweise können selbst kleine Verunreinigungen im Trockengas tiefe Spuren in den resultierenden Massenspektren hinterlassen, wenn sie ausreichend reaktiv sind. Aufgrund der bei LC/CE Kopplung typischerweise relativ großen Menge der flüssigen Matrix, gewinnen Ionen-Molkeülreaktionen mit Matrix-Molekülen oft eine große Bedeutung in API-Quellen, was meist unter dem Begriff Matrixeffekt 6

13 2.2 Atmospheric pressure laser ionization (APLI) zusammengefasst wird. 2.2 Atmospheric pressure laser ionization (APLI) Atmospheric pressure laser ionization (APLI) ist der Name einer neuen AP Ionisations-Methode, welche erst in den letzten Jahren entwickelt wurde. Sie bietet einige besondere Vorteile gegenüber anderen AP Methoden und erlaubt durch die Bestimmung der Ionenakzeptanz-Verteilung (IAD, Ion Acceptance Distribution) Einblicke und Betrachtungsmöglichkeiten, welche in dieser Form bisher keine andere Methode liefern kann Das Prinzip von APLI Das Grundprinzip von APLI ist die Ionisation des Analyten durch resonanzverstärkte Multiphotonen-Ionisation (REMPI), eine besondere Form der Photoionisation. Bei der einfachen Photoionisation (PI) werden durch eingestrahltes Licht Elektronen aus dem elektronischen Grundzustand in das Ionisations-Kontinuum angehoben. Folglich muss die Energie der eingestrahlten Photonen mindestens der Energiedifferenz zwischen Grundzustand und Ionisierungspotential der Valenzelektronen des jeweiligen Analyten entsprechen, um eine Ionisierung zu ermöglichen. Die Wellenlänge des dafür nötigen Lichtes ist aufgrund der hohen Ionisierungsenergien typischerweise recht kurz. Organische Moleküle haben beispielsweise Ionisierungsenergien um 8 ev [6], was Vakuum-UV (VUV) Lichtquellen für die Photoionisation erfordert. Bei genügend hohen Photonenflussraten in der Ionisierungsregion, gibt es eine weitere Möglichkeit der Photoionisation, die Multiphotonen Ionisation (MPI). Bei ihr absorbiert ein Analyt zwei oder mehr Photonen, um die Ionisierungsschwelle zu erreichen. Dabei verläuft die Absorption über extrem kurzlebige (τ s), sogenannte virtuelle Zustände. Reale quantenmechanische Zwischenzustände des Moleküls sind bei diesem Mechanismus also nicht als Stufen nötig. Allerdings müssen die Photonen praktisch gleichzeitig absorbiert werden, was sehr große Leistungsdichten der Lichtquelle erfordert. Bei der resonanzverstärkten Multi-Photonen Ionisation schließlich handelt es sich, wie der Name schon nahe legt, ebenfalls um einen Mechanismus, bei dem mehrere Photonen absorbiert werden, um die Ionisierungsenergie zu erreichen. Im Gegensatz zu MPI existieren aber bei den Stufen der mehrfachen Absorption reale Zwischenzustände des Analyten. Die Lebensdauer dieser Zwischenzustände ist sehr viel größer als die von virtuellen Zuständen (τ 10 9 s), daher müssen die Photonen nicht quasi-simultan absorbiert werden. Aus diesem Grund kann die Photonen-Flussdichte in der Quelle zwar um Größenordnungen geringer sein als bei MPI [7], dennoch kommen nur Laser als Lichtquelle für diese Methode 7

14 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung Abbildung 2.1: Überblick über einige Möglichkeiten der Photoionisation in Frage, da auch hier Leistungsdichten in der Größenordnung um 1 MW cm 1 benötigt werden. Bei REMPI gibt es verschiedene Möglichkeiten, über welche Energiestufen die Ionisierung erreicht werden kann. Die Schritte können gleich groß sein; dann handelt es sich um bzw. um 1-Farben 2-Photonen (1c2p) REMPI. Die Schritte können aber auch unterschiedlich groß sein, dann betrachten wir bzw. 2-Farben 2-Photonen (2c2p) REMPI. Weiterhin kann sich eine der Stufen aus einer MPI Absorption zusammensetzen, ein Beispiel für diesen Fall ist bzw. 1-Farben 3-Photonen (1c3p) REMPI. Neben diesen Möglichkeiten existieren noch sehr viele weitere, da natürlich auch drei oder mehr Wellenlängen eingesetzt werden können beziehungsweise weitere Zwischenstufen und Multiphotonen- Absorptionen auf dem Weg zur Ionisierung möglich sind. Abbildung 2.1 gibt einen schematischen und stark vereinfachten Überblick über PI, MPI und einige REMPI Möglichkeiten. REMPI ist ein sehr weites Feld und kann für viele spektroskopische Zwecke eingesetzt werden. Für den Einsatz in einer APLI Quelle treten diese Möglichkeiten allerdings in den Hintergrund Eigenschaften, Vorteile und Möglichkeiten von APLI REMPI ist eine Methode, welche viele spektroskopische Untersuchungen erlaubt. Im Zuge von APLI ist allerdings vor allem eine große Ionenausbeute und einfache Anwendbarkeit wichtig. Aus diesem Grund kommt zunächst eine 1+1 REMPI Anregung für APLI in Frage, denn diese ist am einfachsten zu realisieren. Die Leistungsdichte des verwendeten Lasers muss nicht so hoch sein wie bei anderen REMPI Anregungen und man benötigt nur eine Lichtquelle. Unter Atmo- 8

15 2.2 Atmospheric pressure laser ionization (APLI) sphärendruck und bei erhöhter Temperatur werden die Strukturen in den Absorptionsspektren der Analyte in der Regel zu großen Banden verbreitert. Dieser Umstand kommt APLI sehr entgegen, denn er erlaubt es mit Lasern fester Frequenz ganze Substanzgruppen zu ionisieren, wenn diese passende spektroskopische Eigenschaften haben. Bei Anregung im nahen UV sind viele aromatische Kohlenwasserstoffe ideale Kandidaten für eine Ionisation per APLI, da sie passende Ionisationspotentiale haben, in diesem Bereich gut absorbieren und ausreichend stabile Zwischenzustände aufweisen. Da REMPI trotz der Verbreiterung der spektralen Strukturen eine relativ große Selektivität aufweist und die Ionisation direkt am Analyt stattfindet, ermöglicht APLI hohe Empflindlichkeiten bei relativ großer Selektivität. Dennoch können Störungen auftreten, welche die Ionenausbeute verringern. Ein typisches Beispiel für einen derartigen Vorgang ist die Dissoziation von Molekülen, die durch die Anregung eines Elektrons auf einen antibindenden Zwischenzustand ausgelöst wird [7]. Weitere Interferenzen setzen auch der maximal möglichen Leistungsdichte des Lichts eine Grenze, da bei sehr großen Photonendichten auch Matrixbestandteile ionisiert oder stark angeregt werden können und die Verhältnisse insgesamt sehr unübersichtlich werden. Ionisierungsmechanismen, welche über nicht resonante Multiphotonen-Absorption verlaufen, sind wegen der dafür nötigen hohen Leistungsdichte wenig für APLI geeignet und die gezielte Fragmentation von Analyten ist ebenfalls problematisch. Aus diesem Grund wird APLI in erster Linie als eine weiche Ionisationsmethode verwendet. Da APLI eine Atmosphärendruck-Methode ist, bietet sich eine Kombination mit LC und CE Systemen geradezu an. Ein Vorteil dabei ist, dass sich APLI Quellen gut in bestehende Systeme integrieren lassen, unter Umständen können bestehende API-Quellen einfach umgerüstet werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich aus der Kombination mit der Gaschromatographie, der Verwendung anderer REMPI Mechanismen mit Hilfe abstimmbarer Laser zur Erweiterung der direkt ionisierbaren Stoffe oder durch REMPI Label. Solche Label sind effektiv durch REMPI ionisierbare Substanzen, welche an die interessanten Analyte in einem Probenvorbereitungsschritt angekoppelt werden. Auf diese Weise ermöglichen sie die Ionisierung vieler verschiedener Analyte durch APLI, welche nicht direkt zugänglich wären. Eine bislang einmalige Eigenschaft von APLI ist, dass es die Methode erlaubt, die Ionenakzeptanzverteilung in einer Ionenquelle zu bestimmen. Diese Möglichkeit eröffnet viele neue Wege, die komplexen Vorgänge innerhalb einer AP-Ionenquelle besser zu verstehen, wie in 2.3 auf Seite 13 genauer dargestellt wird Vergleich von APLI mit anderen Atmosphärendruck Ionisationsmethoden Um APLI in die bestehenden API Methoden einzuordnen, bietet sich ein Vergleich der Stärken und Schwächen der einzelnen Verfahren an. Ein wichtiger 9

16 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung Punkt dabei ist die Betrachtung der Substanzklassen, für die das jeweilige Verfahren gute Ergebnisse liefert. ESI ist eine Methode, die polare Substanzen mit enorm großer Effizienz ionisieren kann. Daher ist APLI kein direkter Konkurrent, denn die beiden Methoden haben völlig andere Substanzklassen zum Ziel. Die oben genannten, zusätzlichen Vorteile von ESI, wie Mehrfachionisierung, können mit APLI ebenfalls nicht erreicht werden. Die beiden Methoden stehen sich also nicht in Konkurrenz gegenüber, vielmehr können sie in einer gemeinsamen Ionenquelle kombiniert werden, was zu erweiterten Anwendungsmöglichkeiten führt [8]. Auch APCI und APLI stehen sich nicht direkt gegenüber, denn APCI eignet sich vor allem für polare Substanzen mit einem Molekulargewicht bis etwa 1500 Dalton ([3] S. 45), welche kein Zielgebiet für APLI darstellen. Allerdings kann man auch hier über Kombinationsmöglichkeiten der beiden Verfahren nachdenken. Genauer zu betrachten sind schließlich APPI und APLI, da beide Methoden unpolare Substanzen ionisieren können. Vergleicht man beide Verfahren, fällt auf, dass direkte APPI, also die Photoionisation des Analyten durch eine VUV Entladungslampe mit etwa 10 ev Photonenenergie, nur geringe Empfindlichkeiten vorweisen kann. Aus diesem Grund wird oft eine Hilfssubstanz (Dopant) verwendet, die im Überschuss vorliegend, vom VUV Licht ionisiert wird und ihre Ladung durch Ion-Molekül Reaktionen auf den Analyten überträgt. Da hier, abgesehen von der Primärionen-Bildung, ein ähnliches Verfahren wie bei APCI vorliegt, wundert es wenig, dass die Empfindlichkeiten bei unpolaren Substanzen klein sind [8]. Ein möglicher Grund für die geringe Effizienz der direkten APPI ist, zumindest bei der LC-APPI Kopplung, die starke Absorption des eingesetzten VUV Lichtes durch typische LC-Lösungsmittel, wie beispielsweise Acetonitril, n-hexan oder Tetrachlormethan, so dass es nur wenige Milimeter in die Quelle eindringen kann [8]. Damit steht in den Bereichen der Quelle, aus denen Ionen mit hoher Effizienz in den Detektor gelangen können, kein Licht für die direkte Ionisation zur Verfügung. Weiterhin können die durch die Absorption des VUV Lichtes hoch angeregten Matrixkomponenten zu komplexen Reaktionen in der Ionenquelle führen, welche schwierig vorherzusehen und zu interpretieren sind. APLI umgeht dieses grundlegende Problem, da hier Photonen deutlich geringerer Energie verwendet werden. Beim einfachen 1+1 REMPI halbiert sich die nötige Energie auf etwa 5 ev und in diesem Bereich sind die typischen Matrixkomponenten nahezu transparent. Daher ist die direkte Ionisation des Analyten ohne störende Absorptionen möglich. Die mit APLI im Vergleich zu APPI erreichbaren, viel größeren Empfindlichkeiten haben allerdings ihren Preis in Form der großen Selektivität bei APLI. Mit 1+1 REMPI lässt sich nur eine recht kleine Substanzgruppe, vor allem aromatische Kohlenwasserstoffe, mit hoher Effektivität ionisieren. Dies ist einerseits ein Vorteil gegenüber der unselektiven APPI Methode beim Nachweis eben dieser Substanzen aus komplexen Mischungen, andererseits ist es ein großer Nachteil, 10

17 2.2 Atmospheric pressure laser ionization (APLI) wenn man andere Substanzgruppen nachweisen möchte. Eine mögliche Abhilfe für dieses Problem ist die schon erwähnte Verwendung von REMPI-Labeln oder von Mehrfarben-Anregung. Beides ist zwar mit größerem Aufwand verbunden, erlaubt aber eine Vielzahl interessanter Anwendungen, die mit dem unspezifischen APPI nicht möglich sind APLI und massenselektive Detektion Die wichtigste Anwendung für APLI ist der Einsatz als Ionenquelle in einem Massenspektrometrie-System. Die durch APLI erzeugten Ionen werden in diesem Fall in einem Massenanalysator nach Masse getrennt und nachgewiesen. APLI ist eine gepulste Ionisationsmethode, da die verwendeten Laser gepulst arbeiten. Dies hat Folgen für eine nachfolgende massenselektive Detektion, denn nicht jeder Massenanalysator ist für die Verwendung mit APLI gut geeignet. Grundsätzlich gibt es zwei Typen von Massenanalysatoren, also von Einrichtungen, die Ionen in Abhängigkeit von ihrem Masse-Ladungs Verhältnis trennen können: Gepulste und scannende. Gepulste Analysatoren nehmen diskrete Ionen- Pakete aus einer Quelle auf und analysieren diese, was eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt. Es können alle Ionen-Massen gleichzeitig mit einer festen Taktfrequenz analysiert werden. Im Gegensatz dazu arbeiten scannende Analysatoren wie ein Masse-Filter. Zu einem bestimmten Zeitpunkt gelangen nur Ionen mit einer einzigen Masse durch den Analysator zu einem Detektor. Ein komplettes Massenspektrum wird hier aufgenommen, indem der Analysator durch alle Massen des Aufnahmebereichs hindurchscannt. Beispiele für scannende Analysatoren sind Quadropol und Sektorfeld-Systeme. Der wichtige Unterschied zwischen den beiden Verfahren in Bezug auf APLI ist, dass scannende Analysatoren normalerweise auf einen kontinuierlichen Ionenstrom aus einer Quelle angewiesen sind. Kann eine Ionisationsmethode nur einen gepulsten Ionenstrom anbieten, hängt das Verhalten des Gesamtsystems von den Puls- und Scanfrequenzen der Quelle und des Analysators ab. Die Folge einer unglücklichen Kombination können im schlimmsten Fall völlig falsche Massenspektren sein. Wenn Puls- und Scanfrequenz beispielsweise in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, würden im Massespektrum ganze Teilbereiche unterdrückt, da nur zu bestimmten Zeitpunkten des Scans Ionen zur Verfügung gestellt werden. Für eine Verknüpfung zwischen APLI-Quellen und scannenden Analysatoren muss also das genaue Verhalten der beiden Komponenten miteinander beachtet werden, für Routineaufgaben ist eine solche Kombination mangels Erfahrung daher momentan wenig geeignet. Die für die Kombination mit APLI wichtigeren gepulsten Analysatoren zählen drei wichtige Vertreter: Ion-Trap (Ionenfallen), Ion Cyclotron Resonance (ICR) bzw. Fourier Transform-ICR (FT-ICR) und Time of Flight (TOF) Analysatoren. Ion-Traps basieren konzeptionell auf einem ähnlichen Prinzip wie Quadrupol Systeme. Sie besitzen eine rotationssymmetrische Geometrie, die aus ei- 11

18 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung ner ringförmigen Elektrode besteht und von zwei ellipsoidförmigen Elektroden nach oben und unten begrenzt wird. Durch die an diese Elektroden angelegten Wechsel- und Gleichspannungen entsteht ein elektrisches Feld in der Ionenfalle, welches Ionen speichern kann. Für die Massenanalyse wird ein Paket aus Ionen in die Falle eingebracht. Hier bewegen sie sich zunächst auf stabilen Trajektorien. Dann werden Ionen mit bestimmten Massen gezielt auf instabile Bahnen gelenkt, indem die Amplitude und die Frequenzen der an den Elektroden anliegenden Wechselspannungen verändert werden. Diese Ionen verlassen die Falle durch eine Öffnung und können detektiert werden. Ionenfallen sind typische Routine-Analysatoren, sie sind kompakt, recht einfach aufgebaut und daher preiswert. Allerdings haben Ionenfallen einige gravierende Nachteile: Sie bieten nur geringe Auflösungen, können nur einen recht begrenzten Massenbereich und diesen nur in einzelnen Segmenten analysieren. Für ein komplettes Massenspektrum über den gesamten möglichen Bereich müssen also mehrere Teilspektren ermittelt werden. Das instrumentelle Gegenteil zu einer Ionenfalle ist ein (FT-)ICR Analysator. Auch hier werden Ionen in einer Art Falle gespeichert, allerdings wird bei ICR zur Speicherung ein starkes Magnetfeld verwendet. Die Ionen bewegen sich innerhalb dieses Feldes auf stabilen Kreisbahnen mit einer Kreisfrequenz, die hier Zyklotronfrequenz genannt wird und vom Masse-Ladungs-Verhältnis abhängt. Durch elektromagnetische Wechselfelder mit den Zyklotronfrequenzen, welche im Bereich von Radiostrahlung liegen, können Ionen auf größere Bahnen gebracht werden, auf denen sie sich nachweisen lassen [9]. Beim klassischen ICR-MS wird eine einzelne Anregungsfrequenz verwendet, die Ionen verschiedener Masse werden also einzeln angeregt. Bei FT-ICR wird hingegen ein breitbandiger Anregungspuls benutzt, alle Ionen gemeinsam angeregt und ein Zerfallssignal der Anregung gemessen. Durch eine Fourier-Transformation lässt sich aus diesem zeitvarianten Signal das Massespektrum rekonstruieren. (FT-)ICR Geräte bieten extreme Auflösungen von über bei einem großen nutzbaren Massenbereich. Für breite Routineanwendungen sind sie dennoch nicht geeignet, da sie große supraleitende Magnete und einen enormen instrumentellen Aufwand erforden. Für einfachere Aufgaben sind solche Geräte schlicht viel zu teuer. Time of Flight Analysatoren eigenen sich hingegen nahezu ideal für eine Kopplung mit APLI. Das Prinzip bei diesen Analysatoren ist im Grunde recht einfach. Ein Ionenpaket erhält durch ein Beschleunigungpotenzial E eine gemeinsame kinetische Energie E k. Für die kinetische Energie eines Ions gilt (m =Masse, z= Ladungszahl des Ions, e=elementarladung, v=geschwindigkeit) [2]: E k = mv2 2 = zee (2.1) Für die Geschwindigkeit ergibt sich daraus: 12

19 2.3 Ionenakzeptanzverteilung v = 2zeE m (2.2) Die vom Masse-Ladungs Verhältnis abhängigen Geschwindigkeiten lassen sich bestimmen, indem die Flugzeiten der beschleunigten Ionen durch ein feldfreies Driftrohr gemessen wird. Dazu werden die Ionen normalerweise durch einen elektrischen Extraktionspuls aus einer Ionenquelle oder einem orthogonal zur Flugrichtung verlaufenden kontinuierlichen Ionenstrahl beschleunigt. Leichte Ionen erreichen schnell einen Detektor am Ende des Rohres, schwere Ionen brauchen wegen ihrer niedrigeren Geschwindigkeit länger. Für die Flugzeit t durch einen feldfreien Raum der Länge d gilt: t = d v = d m z m = 2eE z a (2.3) Dabei ist a eine Konstante, die von der Konfiguration des Analysators abhängt. Dieses Prinzip bietet einige Vorteile gegenüber anderen Analysatoren. TOF Systeme sind sehr empfindlich, da im Idealfall alle Ionen eines Paketes beim Detektor ankommen und der messbare Massenbereich ist im Prinzip unbegrenzt. Problematisch ist die Auflösung von TOF Analysatoren, da die Laufzeitdifferenzen zwischen Ionen bei schwereren Ionen kleiner werden, wie Gleichung 2.3 nahelegt. Begrenzt wird die Auflösung neben den technischen Möglichkeiten Zeitdifferenzen aufzulösen, durch alle Einflüsse, welche eine Geschwindigkeits-Dispersion von Ionen mit gleichem Masse-Ladungs Verhältnis in Flugrichtung erzeugen. Dazu zählen beispielsweise die Länge des Extraktionspulses, die Raumverteilung der Ionen bei der Beschleunigung und die Verteilung der kinetischen Energie der Ionen. Durch technische Verbesserungen wie beispielsweise der Einsatz von elektrostatischen Reflektoren (Reflektrons), die die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen mit gleichem Masse-Ladungsverhältnis fokussieren, konnte die Auflösung entscheidend verbessert werden. Mit Hilfe moderner Signalverarbeitungstechnologie sind TOF Instrumente heute in der Lage, mit einer Frequenz von einigen khz gut aufgelöste Massenspektren mit Auflösungen bis etwa 10 4 aufzunehmen, was sehr gute Signal zu Rausch Verhältnisse (SNR) ermöglicht. 2.3 Ionenakzeptanzverteilung Mit dem Begriff Ionenakzeptanzverteilung (Ion Acceptance Distribution, IAD) ist die Verteilung der Massesignale, in Abhängigkeit vom Ort der Ionisation innerhalb der Ionenquelle gemeint. Anders formuliert beschreibt diese Verteilung, wie gut Raumbereiche in der Ionenquelle vom Detektor gesehen werden. Mathematisch ist die IAD also eine drei- oder vierdimensionale, skalare Funktion in Abhängigkeit vom Ort mit zwei oder drei Raumrichtungen (x, y bzw. x, y, z) und 13

20 2 Grundlagen der APLI und der IAD Bestimmung der Masse (m). In Gebieten, die geringe Signale bei IAD Messungen ergeben, werden entweder keine Ionen erzeugt oder sie erreichen den Detektor nicht. Eine weiterer Begriff aus diesem Bereich ist das Dynamische Ionenakzeptanzvolumen (DIAV). Es ist als das Volumen in der Quelle, in dem die Signalintensität mindestens 1 e des maximalen Signals beträgt, definiert. Das DIAV gibt Aufschluss über einen Raumbereich, aus dem ein signifikantes Signal erhalten werden kann, während die IAD die gesamte raumaufgelöste Signalverteilung darstellt. Die Möglichkeit der Bestimmung der IAD ist eine besondere Eigenschaft von APLI, die bisher keine andere API Methode besitzt, da diese keine ausreichend große ortsaufgelöste Ionisation ermöglichen. Bei APLI hingegen lässt sich das Gebiet, in dem Primärionen durch Laserlicht gebildet werden durch geeignete Optiken leicht in seiner Größe variieren und im Raum verschieben. Dies ist vor allem aus zwei Gründen möglich: Zunächst schnüren sich fokussierte Laserstrahlen, die durch das Modell der Gaußstrahlen beschrieben werden, im Fokusbereich nur bis auf einen bestimmten Durchmesser zusammen (Strahltaille). In diesem Gebiet liegen fast ebene Wellenfronten vor und der Strahldurchmesser ändert sich nur sehr wenig[10]. Weiterhin muss eine minimale Photonenflussdichte vorhanden sein, um den ionenproduzierenden REMPI Prozess zu ermöglichen. Diese liegt in der Größenordnung von 10 6 W cm 1. Daher werden in den wenig fokussierten Bereichen des Laserstrahls keine oder nur sehr wenige Ionen erzeugt, wenn hier die Leistungsdichte gering genug ist. Beide Faktoren zusammen ermöglichen eine Größenbestimmung des Gebietes, in dem Ionen erzeugt werden können. Um IAD Messungen in einer Ebene aufzunehmen, muss diese Ionisationsregion zweidimensional verschoben werden. Dreidimensionale Messungen sind im Prinzip auf analoge Weise, durch Verschiebung der Ionisierungsebene in der dritten Dimension, möglich. Eine weitere Variante für dreidimensionale Messungen ist die Verwendung von 1+1 REMPI in einem Zweifarben-Experiment mit einem passenden Analyten. In diesem Fall können Ionen nur in der Kreuzungsregion entstehen, in welcher sich zwei Laserstrahlen mit verschiedenen Frequenzen überlagern. Beeinflusst wird die Ionenakzeptanz-Verteilung durch die Verhältnisse innerhalb der APLI Quelle, also durch Faktoren, wie sie schon in beschrieben wurden. Aus diesem Grund ist die IAD Bestimmung ein interessantes Werkzeug, um eine APLI Quelle zu optimieren. Für den analytischen Einsatz einer APLI Quelle geben IAD Messungen darüber Aufschluss, an welchem Ort in der Quelle ein optimales Signal erzeugt werden kann. Weiter ist es mit ihnen möglich, die Auswirkungen auf das ortsaufgelöste Signal durch Veränderungen der Gasströme, der elektrischen Felder oder der Atmosphäre in der Quelle unmittelbar zu beobachten. Dies sind Erkenntnisse die auch Rückschlüsse auf die Verhältnisse in anderen AP-Ionenquellen zulassen. Neben diesen eher methodenorientierten Anwendungen ermöglichen IAD Messungen mit einem MS auch mechanistische Einblicke in die Vorgänge in einer AP- LI Quelle, da massen- und ortsaufgelöste Verteilungen interessante Rückschlüsse auf die Erzeugungswege der beobachteten Ionen zulassen. 14

21 3 Experimenteller Aufbau Im Folgenden wird der experimentelle Aufbau beschrieben, mit dem die zweiund dreidimensionalen Ionenakzeptanz-Bestimmungen durchgeführt wurden. 3.1 Übersicht über das Experiment Das Experiment ist eine direkte Realisation der in 2.3 formulierten Konzepte. Der experimentelle Aufbau besteht aus vier Grundkomponenten: Der eigentlichen APLI Ionenquelle, einem Massenspektrometer als Detektor, zwei Lasern und einer mit einem Rechner steuerbaren Optik zur Laserstrahl-Führung. Abbildung 3.1 auf der nächsten Seite gibt einen schematischen Überblick über den Aufbau des kompletten Experiments zur dreidimensionalen Zweifarben-Messung. Alle weiteren Messungen wurden mit Teilmengen dieses Aufbaus durchgeführt. Für zweidimensionale Messungen wird ein Laserstrahl durch eine Linse geschickt und in die Ionenquelle fokussiert. Um den fokussierten Strahl zu bewegen, wird die Linse in den beiden zur Strahlachse orthogonalen Dimensionen verschoben. Der Laserstrahl trifft nun nicht mehr mittig auf die Linse, wird aber weiterhin in ihren Brennpunkt gelenkt, so dass der Fokus in einer Ebene bewegt werden kann. Abbildung 3.2 auf Seite 17 skizziert dieses Prinzip. Um dreidimensionale Messungen durchzuführen, kann man das gerade vorgestellte Prinzip erweitern, indem man die Linse auch in der dritten Dimension bewegt, unter der Voraussetzung, dass die Ionisationszone in Strahlrichtung klein genug ist. Diese Forderung kann allerdings nicht ohne Weiteres erfüllt werden, wie in 3.3 genauer erläutert wird. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung einer Zweifarben-Anregung. Dabei werden zwei orthogonale Laserstrahlen mit unterschiedlichen Farben, ein bandförmiger und der aus der eben beschriebenen, zweidimensionalen Messung, zur Überlagerung gebracht. Im Kreuzungsbereich entsteht eine Ionisationszone, in der ein Analyt der für eine solche Zweifarben-Anregung empfindlich ist, ionisiert werden kann. Durch Verschiebung der Laserstrahlen kann die dreidimensionale Ionenakzeptanzverteilung aufgenommen werden, wenn der Analyt ausschließlich in der Kreuzungszone ionisiert wird. 15

22 3 Experimenteller Aufbau Abbildung 3.1: Schematischer Überblick über den experimentellen Aufbau 16

23 3.2 APLI Quelle Abbildung 3.2: Strahlführung durch eine Linse 3.2 APLI Quelle Eine APLI Quelle besteht aus der eigentlichen Quellenkammer und aus Lasern, welche zur Ionisation genutzt werden. Der in den Messungen verwendete Prototyp einer APLI Quelle unterscheidet sich kaum von anderen API Quellen. Er ist im Wesentlichen eine Aluminiumkammer mit UV-durchlässigen Quarz Fenstern, die auf das Einlass-System des verwendeten Massenspektrometers aufgesetzt werden kann. Da unter Atmosphärendruck ionisiert wird, muss diese nicht vakuumdicht sein. Auf die Oberseite der Quelle kann der zum Massenspektrometer gehörige, kommerziell gefertigte Nebulizer aufgesetzt werden. Dieser lässt sich um etwa 11 Millimeter in der Mittelachse der Quelle verschieben und dient der Injektion flüssiger Proben in die Quelle. Eine Metallkapillare führt in ihn hinein, in einer Einbuchtung an seiner Unterseite findet dann durch einen kozentrischen warmen Stickstoff-Strom, das Nebulizer-Gas, die Zerstäubung der Analytlösung statt. Zur Desolvatation der Analytlösung kann der ganze Nebulizer-Block bis auf eine Temperatur von etwa 400 C aufgeheizt werden. Die Laserstrahlung tritt durch zwei Quarzglas-Fenster in die Quelle ein. In ihren vorderen Teil ragt der schon zum Massenspekrometer gehörige Sample-Cone. Dieser besteht aus einem kozentrischem Spray-Shield aus Edelmetall und dem eigentlichen Einlass in den Vakuumteil des MS, eine Glaskapillare, die an ihrer vorderen Spitze eine Endkappe (Capillary-Cap) aus Metall trägt. Zur Detektion von Kationen können das Spray-Shield und die Endkappe mit einer negativen Spannung bis zu einigen kv geladen werden, welche der Ionenbeschleunigung und Fokussierung dient. Unter dem Sprayshield tritt ein weiterer Gasstrom, das sogenannte Dry-Gas, ebenfalls angewärmter Stickstoff, heraus, welcher vor allem der Lösungsmittel-Verdampfung dient. 17

24 3 Experimenteller Aufbau Tabelle 3.1: Eckdaten der eingesetzten Laser-Systeme [11][12] OPTex COMPex 102 Excimer KrF 2 XeCl 2 λ (nm) max. Pulsenergie (mj) max. Pulsfrequenz (Hz) Pulsdauer (ns) Strahlprofil (mm 2 ) Laser Zu einer APLI Quelle gehört ein passendes Lasersystem. Für eine Zweifarbenanregung sind sogar zwei Laser mit verschiedenen Wellenlängen nötig. Dazu kommen in den dieser Arbeit zugrundeliegenden Experimenten zwei Excimer-Laser von Lambda Physik zum Einsatz: ein OPTex und ein COMPex System. Die Eckdaten der beiden verwendeten Laser-Systeme finden sich in Tabelle Strahlführung und Synchronisation Für die Ionenakzeptanzverteilungs-Bestimmung müssen die ionisierenden Laserstrahlen fokussiert und geführt werden. Von den vielen möglichen Optiken für diesen Zweck werden im Zuge dieser Arbeit drei verschiedene, aber aufeinander aufbauende, verwendet. Die gemeinsame Aufgabe besteht darin, die Laserstrahlung in einen bekannten und verschiebbaren Raumbereich zu fokussieren, um ortsaufgelöste Verteilungen messen zu können. Weiterhin müssen die Laserpulse auch zeitlich fokussiert in der Ionisationszone ankommen, die Laser müssen daher präzise synchronisiert werden Optiken zur IAD Messung Ein einfacher Ansatz für die Bestimmung von zweidimensionalen Ionenakzeptanzverteilungen ist die in 3.1 erwähnte Sammellinse, welche senkrecht zur Strahlachse bewegt werden kann. Um mit dieser Optik IAD-Messungen durchzuführen, wird der Strahl des OPTex-Lasers mit einer Irisblende auf ein kreisförmiges Profil mit einem Durchmesser von 5 mm begrenzt. Dieser Strahl wird dann mit einem Spiegel umgelenkt und durch eine Sammellinse mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Brennweite von 125 mm geschickt. Diese Linse ist auf ein mit Schrittmotoren ausgerüsteten Verfahrtisch montiert und kann rechnergesteuert bewegt werden. Die Einrichtung erlaubt einen Verfahrweg von 2,3 cm in beiden Richtungen. Dafür legen die Motoren jweils 230 Schritte zurück. Der gesamte Linsenträger 18

25 3.3 Strahlführung und Synchronisation kann parallel zur Strahlachse auf einer Schiene manuell bewegt werden. Durch Verschieben in dieser Richtung wird der Fokus in die zentrale Längsebene der Ionenquelle gebracht. Bei mittiger Position der Linse auf dem Verfahrtisch befindet sich der Fokus in der Höhe der Einlasskapillare, etwa 2 mm vom Spray Shield entfernt. Die Ausrichtung des Strahls wird vor und während der Messreihen mit Hilfe eines Testträgers überprüft. Dieser kann statt des Nebulizers in die Quelle eingesetzt werden und trägt an seiner Unterseite einen Metallstreifen, der genau in der Mittelebene in die Quelle eintaucht. Auf ihm kann ein Papierstreifen befestigt werden, in dem der fokussierte Laserstrahl ein Testmuster erzeugen kann. Mit diesen Mustern wird die Position und Ausrichtung des Ionisationsbereiches bestimmt. Allerdings ist diese Geometrie mit einigen Problemen verbunden. Schon wenn man die Strahlform innerhalb der Quelle näherungsweise mit Hilfe der geometrischen Optik beschreibt, eine für diese Betrachtungen ausreichende Näherung, wird das Hauptproblem dieser Anordnung deutlich: Die großen Leistungsdichten erzeugen im Strahl eine sehr ausgedehnte Ionisationszone. Für den verwendeten OPTex Laser ergibt eine einfache Überschlagsrechnung schon für den unfokussierten Strahl eine Leistungsdichte von über 1 MW cm 2. In früheren APLI- Experimenten konnte gezeigt werden, dass diese Intensität für 1+1 REMPI vollkommen ausreicht. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass im gesamten vom Strahl durchleuchteten Volumen Ionisation durch Einfarben-REMPI stattfinden kann. Da der Strahl die Quelle schräg durchleuchtet, werden bei dieser Anordnung folglich keine zweidimensionalen Verteilungen in der zentralen Längsebene der Quelle gemessen, sondern die Ionenakzeptanzverteilung zweidimensionaler Projektionen von schrägen Ausschnitten des Ionisationsvolumens. Abbildung 3.3 auf der nächsten Seite stellt diesen Umstand graphisch dar. Solche Projektionen sind, je nach Stärke des entstehenden Fehlers, sehr viel schwieriger zu interpretieren als Verteilungen in einer dünnen Ebene, können aber in vielen Zusammenhängen dennoch sehr aufschlussreich sein. Daher wurden im Zuge dieser Arbeit einige Verteilungen mit dieser Methode bestimmt und die Ergebnisse analysiert. Eine mögliche Verbesserung ergibt sich aus der drastischen Minderung der Pulsenergie des Lasers, welche durch absorbierende Filter erreicht wurde. Schätzt man die Leistungsdichten wieder mit der geometrischen Optik ab, ergibt sich, dass die Pulsenergien auf eine Größenordung von höchstens 10 3 mj abgesenkt werden müssen. Bei derart kleinen Leistungsdichten ist zu erwarten, dass die Ionisationszone auf eine Ebene mit einem Querschnitt im Zentimeterbereich begrenzt wird, die allerdings keine scharfen Ränder senkrecht zur Strahlachse besitzt. Auf diese Weise können durch Verschiebungen der Linse parallel zur Strahlachse prinzipiell auch dreidimensionale Messungen durchgeführt werden. Gelänge dies, würde gleichzeitig ein Problem gelöst und die Methode um eine Dimension erweitert. Die Absenkung der Pulsenergie und die sehr viel kleinere Ionisationszone erfordern allerdings eine starke Anhebung der Analytkonzentration um weiterhin relativ 19

26 3 Experimenteller Aufbau Abbildung 3.3: Ist die Leistungsdichte so hoch, dass im gesamten Strahl, nicht nur in der eingeschnürten Fokuszone, Ionisation stattfindet, erhält man durch das schräge Durchleuchten der Ionenquelle Signale, die nicht der IAD in der Fokusebene entsprechen; Stattdessen bestimmt man die IAD der skizzierten Bereiche. Bei naiver Auswertung anhand der Linsenposition kommt es zu Fehlinterpretationen große Ionen-Signale zu erhalten. Die Begrenzung der Pulsenergie wird im Experiment durch drei UG5 Glasfilter (zweimal 4 mm und einmal 5 mm Schichtdicke) erreicht, welche hintereinander in den Strahlengang gebracht werden und die Pulsenergie in den geforderten Bereich absenken sollten. Hinter dem dritten Filter ist sie so gering, dass sie sich mit dem Leistungsmesskopf des Typs Ophir PE25 nicht mehr bestimmen lies. Laut der Spezifikation des Messkopfes sollte die Pulsenergie somit unter 15 µj liegen [13]. Eine weitere Möglichkeit, die oben genannten Probleme des Einfarbenverfahrens mit hoher Leistung zu umgehen und dreidimensionale IAD zu bestimmen ist die Zwei-Farben-Anregung durch gekreuzte Laserstrahlen. Mit einem Analyt, welcher nur durch Anregung mit zwei verschiedenen Wellenlängen ionisiert werden kann, kann man auf diese Weise eine räumlich scharf begrenzte Ionisationszone erreichen, die in ihrem Inneren eine große Leistungsdichte bietet. Wie in 3.1 schon angerissen, wird aus dem rechteckigen Strahlprofil des COMPex Lasers durch Schlitzblenden und eine Zylinderlinse mit einer Größe von mm und einer Brennweite von 1,5 m ein schmales Band geformt. Dieses Band wird senkrecht zum OPTex-Strahl in die Quelle gelenkt, dabei kann der letzte Umlenkspiegel im Strahlengang durch einen Schrittmotor um 23 mm bewegt werden. Um repräsentative Messergebnisse sicherzustellen, muss die Homogenität des Laserbandes beziehungsweise dessen Leistungsprofil bestimmt werden. Dies geschieht ebenfalls mit Hilfe des oben erwähnten pyroelektrischen Leistungsmesskopfes. Dieser wird mit einer Blende versehen, welche in einen rechteckigen Aus- 20

27 3.3 Strahlführung und Synchronisation E (mj) ! s (mm) Abbildung 3.4: Ergebnis einer Energie-Profilmessung des Laserbandes im Fokusbereich der Zylinderlinse schnitt mit einer Kantenlänge von 4 1 mm Strahlung passieren lässt. Um das vertikale Leistungsprofil des Laserbandes messen zu können, wird der Messkopf im Fokusbereich durch das Band bewegt. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen, dass die Strahlhomogenität ausreichend ist. Das Band weist einen Bereich von über 15 mm auf, in dem die Leistungsdichte sehr groß und dabei relativ stabil ist. Abbildung 3.4 zeigt das Ergebnis einer exemplarischen Messung. Im Gegensatz zu den dreidimensionalen Messungen mit nur einem Laser, erweist sich bei den Zweifarben-Messungen das schräge Durchleuchten der Quelle mit dem OPTex-Strahl als problematisch, da es zu Verzerrungen kommt, wenn Bereiche ausserhalb der zentralen Längsebene der Quelle betrachtet werden. Abbildung 3.5 auf der nächsten Seite skizziert dieses Problem. Von der Strahlachse des OPTex-Systems aus betrachtet, ergibt sich eine perspektivische Verfälschung der gemessenen Ionisationsvolumen, welche allerdings bei der Datenauswertung mathematisch kompensiert werden kann. Die Schrittmotoren wurden bei allen Aufbauten durch ein einfaches Computerprogramm gesteuert, das eine Steuerdatei mit Steuerbefehlen ( Scanfile ), welche die anzufahrende Position und die dort zu verweilende Zeit enthält, sequenziell ausführt. 21

28 3 Experimenteller Aufbau Abbildung 3.5: Außerhalb der Mittel-Längsebene der Quelle bewegt sich die Ionisationszone aus der der Zentralachse der Linse heraus und ihre Größe ändert sich. Dies muss bei der Auswertung beachtet und ggf. kompensiert werden Synchronisation der Laser Da die Pulsdauern der beiden Excimer-Laser mit ns sehr kurz, die Zeit zwischen den Pulsen mit 50 ms bei 20 Hz im Vergleich dazu aber sehr lang ist, müssen die Laser genau synchronisiert werden, da Ionisierung nur stattfindet, wenn Licht beider Farben gleichzeitig vorhanden ist. Als Quelle der Triggersignale für die Laser dient ein Delay-Generator des Typs Perkin Elmer 9550A, welcher einen internen Taktgenerator besitzt. Die elektrischen Ausgangssignale des Delay- Generators können im Falle des COMPex direkt verwendet werden. Für den OPTex Laser müssen sie durch eine selbst gebaute Wandlereinheit in ein optisches Signal umgesetzt werden. Um die nötigen Verzögerungszeiten zu bestimmen, werden die beiden Laserstrahlen im Bereich der Ionenquelle auf eine fluoreszierende Fläche gelenkt. Das gemeinsame Fluoreszenzsignal wird durch einem Photomultiplier des Typs IP-28 in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt, welches auf einem Oszilloskop dargestellt werden kann. Die Pulsbreiten der detektierten Fluoreszenzsignale bewegen sich im Bereich von 100 ns, sind also etwa zehnmal so groß wie die eigentlichen Laserpulse. Daher werden die vorderen Flanken der Fluoreszenzpulse aufeinander synchronisiert. Die genauen Verzögerungszeiten variieren mit verschiedenen Konfigurationen der optischen Sendeeinrichtung für den OPTex Laser, bleiben aber Variation der Taktfrequenzen und Pulsenergien weitestgehend stabil. 3.4 Massenspektrometer Als Detektor wurde ein orthogonales Time of Flight Massenspektrometer des Typs microtof der Firma Bruker eingesetzt. Dieses für den Routineeinsatz ent- 22

29 3.5 Chemikalien worfene Gerät kann Massenspektren in einem Bereich von Da mit einer Massenauflösung größer als (FWHM) aufnehmen [14]. Dabei erreicht es große Aufzeichnungsfrequenzen von mindestens 20 Hz, wobei für jedes aufgezeichnete Spektrum intern viele Spektren gemittelt werden. Die interne Sampling- Frequenz des MS liegt dabei im khz-bereich. Die weiteren Details des Geräts (Massengenauigkeit etc.) sind für die Experimente dieser Arbeit nur von sehr untergeordneter Bedeutung, da die IAD Bestimmungen mit bekannten Analyten durchgeführt und nur die Signale der Analyte und deren Reaktionsprodukte betrachtet werden. Die Synchronisation zwischen Massenspektrometer und Optik wurde manuell hergestellt. Dafür wurde die Datenaufzeichnung des MS und einige Sekunden später dann ebenfalls das Scanprogramm der Optik von Hand gestartet. Die Zeitdifferenz zwischen den beiden Starts wurde an den MS-Kontrollen für die Auswertung abgelesen und notiert. 3.5 Chemikalien Sämtliche bei den Einfarbenmessungen eingesetzte Chemikalien besitzen einen chromatographietauglichen Reinheitsgrad und wurden aus dem kommerziellen Chemikalienhandel bezogen. Einzige Analyte bei diesen Messungen sind Nikotin und Benz[a]pyren, übliche Lösungsmittel sind Acetonitril und n-heptan, teilweise in Kombination mit Toluol oder D 2 O. Tabelle 3.2 gibt einen Überblick über die Herkunft und die Reinheit der verwendeten Chemikalien. Die Strukturen der Substanzen finden sich in Abbildung 3.6 auf der nächsten Seite Tabelle 3.2: Überblick über die eingesetzten Chemikalien Substanz Hersteller Reinheit n-heptan Fisher Scientific UK Limited, Leicestershire, UK 99% n-heptan Merck KGaA, Darmstadt, Deutschland 99% Acetonitril Honeywell Riedel de Haën, Seelze, Deutschland 99,9% Toluol Merck KGaA, Darmstadt, Deutschland 99,9% Benz[a]pyren Sigma-Aldrich Chemie GmbH, München, Deutschland 98 % Nikotin Sigma-Aldrich Chemie GmbH, München, Deutschland 98 % Stickstoff AIR LIQUIDE Deutschland GmbH, Düsseldorf, Deutschland 5.0 (99,999 %) 23

30 3 Experimenteller Aufbau H N Acetonitril N N Nikotin Benz[a]pyren Toluol Heptan Abbildung 3.6: Die wichtigsten während den Einfarben-Messungen verwendeten Chemikalien 3.6 Software Zur Datenauswertung, Visualisierung und Implementierung eines spezialisierten Visualisierungssystems für dreidimensionale IAD (IAD-Explorer, siehe ) und des Kontrollprogramms der Optik wurden folgende Software und Programm- Bibliotheken verwendet: microtof Control v.1.1 (Bruker Daltonics Inc.) Data Analysis v.3.3 (Bruker Daltonics Inc.) TCL/TK v.8.4 VTK (Visualization Toolkit) v.5.0, (Kitware Inc.) Paraview v (Kitware Inc.) Matlab 6.5 (The MathWorks Inc.) verschiedene VisualBasic und Basic Versionen 24

31 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Verarbeitung und Darstellung der Daten Der wichtigste Sinn des Menschen ist zweifellos das Sehen. Visuell sinnvoll aufbereitete Daten können sehr viel schneller und effektiver verstanden und interpretiert werden; ein Umstand, der sich bei räumlichen Verteilungen, wie die IAD eine ist, noch eindringlicher zeigt als bei abstrakteren Daten. Aus diesem Grund liegt ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Visualisierung der durch IAD Messungen ermittelten Verteilungen. Dabei soll ein Rahmen geschaffen werden, der es erlaubt, die Rohdaten in leicht zu interpretierende Bilder umzusetzen. Allerdings müssen in diesem Zusammenhang weitere Anforderungen beachtet werden: Die Visualisierung soll valide Ergebnisse liefern, die auch die Qualität der zugrundeliegenden Rohdaten darstellt. Dies hilft falschen Interpretationen, welche leicht durch unpassende oder falsche Darstellung erzeugt werden können, vorzubeugen. Die verwendete Visualisierungstechnologie soll weiterhin leistungsfähig, einfach zu verwenden, robust, leicht erweiterbar, portierbar und möglichst ressourcenschonend sein. Es gilt also einen komplexen Katalog zu erfüllen Datenverarbeitung Um eine ortsaufgelöste Ionenakzeptanz-Verteilung bestimmen zu können, muss eine Beziehung zwischen den vom Massenspektrometer aufgenommenen Spektren und dem Ort der Ionisation hergestellt werden. Mit der vorhandenen Ausrüstung ergeben sich zwei mögliche Verfahren der Verknüpfung zwischen Optik und MS: Synchronisation über eine Zeitmessung und die direkte Synchronisation über ein Taktsignal. Die einfachere und hier ausschließlich angewandte Variante verwendet die Zeit als Basis. Dazu analysiert man die Steuerdatei (Scanfile), welche ein Steuerprogramm für die Optik definiert. In dieser Datei sind Befehle enthalten, welche Schrittmotorpositionen angefahren und wie lange diese beibehalten werden sollen. Die Kontrollsoftware der Optik arbeitet diese Anweisungen sequenziell ab. Damit ist definiert, korrekte Funktion des Systems vorausgesetzt, welche Koordinaten zu welcher Zeit, relativ zum Startzeitpunkt des Scan-Programms, von den Lasern ausgeleuchtet werden. Startet man nun die Datenaufnahme des Massenspektrometers und das Scan-Programm synchronisiert zueinander, kann man sehr leicht aus den zeitaufgelösten Massenspektren und der Scan-Datei ortsaufgelöste Massenspektren rekonstruieren. Dazu muss man nur aus allen Massen- 25

32 4 Ergebnisse und Diskussion spektren, welche zu einem bestimmten Ort gehören, die also im entsprechenden Zeitintervall liegen, ein gemitteltes Spektum bilden und dieses in einer geeigneten Datenstruktur, sinnvollerweise also eine zwei- oder dreidimensionale Matrix, ablegen. Abbildung 4.1 verdeutlich dieses Prinzip graphisch. Abbildung 4.1: Umwandlung einer Zeitaufgelösten Massenspur in eine IAD. Die Verknüpfung zwischen Zeit und Ort wird über das Steuerdatei der Optik hergestellt. Problematisch ist dieser Ansatz vor allem aus drei Gründen: Die Zeit wird in zwei unabhängigen Programmen, welche typischerweise auch auf getrennten Rechnern ausgeführt werden, gemessen. Die Zeitmessung kann, beispielsweise durch die beteiligten Systemuhren, ungenau sein, so dass bei längeren Messungen eine zunehmende Differenz zwischen den Programmen entsteht, was unter ungünstigen Umständen zu Fehlinterpretationen, mindestens aber zu Problemen bei der Auswertung führt. Eine weitere relevante Ungenauigkeit entsteht beim rein manuellen Starten des Scans durch den unter Umständen recht großen zufälligen Fehler, der bei der Datenverarbeitung allerdings relativ einfach ausgeglichen werden kann. Eine andere mögliche Fehlerquelle ist eine nicht auszuschließende Fehlfunktion der Optik-Mechanik. Ein Beispiel für ein solchen Fall wäre ein Verfahrschlitten der sich verklemmen kann und nicht seine vorgesehene Position erreicht. Da es bislang keine Kontrollsysteme gibt um solche Fälle zu erkennen, wurden die Messungen normalerweise augenscheinlich überwacht und die Funktion der Optik regelmässig überprüft. Das Ergebnis der Datenverarbeitung sind die eigentlichen Ionenakzeptanzverteilungen, also raumaufgelöste Massenspektren in Form von drei oder vierdimensionalen Skalarfeldern. Abbildung 4.2 auf der nächsten Seite zeigt die für die Auswertung gewählte Definition der Raumachsen. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt dabei unmittelbar vor dem Sample-Cone in seiner Mittelachse. Bei den für diese Arbeit durchgeführten Messungen wurden allerdings nie ganze Massenspektren verarbeitet, sondern nur die interessanten Massenspuren der Analyten, was Speicherplatz und Verarbeitungszeit spart. Das Auswertungspro- 26

33 4.1 Verarbeitung und Darstellung der Daten Abbildung 4.2: Definition der Raumachsen an der Ionenquelle gramm für diese Aufgabe wurde in Matlab implementiert und stellt eine direkte Realisation des gerade vorgestellten Prinzips dar. Der Quellcode findet sich in Listing 6.1 im Anhang. Anzumerken ist, dass alle in dieser Arbeit gezeigten dreidimensionalen Datensätze aus mehreren zweidimensionalen Messungen zusammengefügt wurden, da bislang weder die Datenverarbeitungs- noch die Steuerungssoftware der Optik um die dritte Raumdimension ergänzt wurden. Dies ist für zukünftige Experimente allerdings recht einfach möglich Visualisierung von Ionenakzeptanz-Verteilungen Visualisierung zwei- und dreidimensionaler Verteilungen Wie schon erwähnt ordnen Ionenakzeptanzverteilungen jedem Punkt im zweibzw. dreidimensionalen Raum ein Massenspektrum zu. Es werden folglich skalare Daten in einem abstrakten Raum mit bis zu vier Dimensionen erhalten, welche es darzustellen gilt. Dies ist kein triviales Problem, denn Menschen leben in einer dreidimensionalen Welt und können auch nur in drei Dimensionen ihre Umwelt wahrnehmen. Selbst einfache vierdimensionale Objekte lassen sich daher nicht vollständig darstellen. Ein vierdimensionaler Würfel beispielsweise kann nicht gezeichnet oder als Modell gebaut werden, obwohl er mathematisch sehr leicht zu beschreiben ist. Vollständig darstellen lassen sich nur dreidimensionale Schnitte durch diesen Würfel. Ionenakzeptanzverteilungen in drei Raumdimen- 27

34 4 Ergebnisse und Diskussion sionen haben analoge Eigenschaften: Es ist nicht möglich, eine solche Verteilung vollständig in einem einzigen Bild zu visualisieren, sondern man muss Dimensionen reduzieren, beispielsweise indem Schnitte durch geeignete Dimensionen betrachtet werden oder man kann zu abstrakten visuellen Codierungen greifen. Eine zweidimensionale IAD lässt sich hingegen vollständig in einem dreidimensionalen Bild darstellen. Dennoch ist auch dies mit Problemen verbunden, da die Abbildungen normalerweise auf einer zweidimensionalen Projektionsfläche wie Bildschirm oder Papier dargestellt werden und eine Raumdimension somit verloren geht. Eine angemessene Darstellung, welche die beabsichtige Aussage des Bildes unterstreicht, ist also in jedem Fall nötig. Im Gegensatz zu den Raumdimensionen, spielt die Masse eine besondere Rolle bei Ionenakzeptanzverteilungen. Oft besteht die Massedimension nur aus einigen wenigen Massenspuren und nicht aus vollständigen Massenspektren. Daher bietet sich ein Schnitt durch diese Dimension an, zumal Schnitte durch eine Raumdimension mit verschiedenen sichtbaren Massen nur schwer zu verstehen sind. Bei IAD in drei Raumrichtungen erhält man durch diese Schnitte dreidimensionale Verteilungen, jeweils eine für jede betrachtete Masse. Intuitiv verständlich können solche dreidimensionalen Skalarfelder, die typischerweise unscharf begrenzt sind, durch Volume Rendering dargestellt werden. Dabei wird jedem Punkt eines Gitters, welches in das darzustellende Volumen gelegt wird, ein Farb- und ein Transparenzwert zugeordnet. Diese diskreten Punkte im Raum werden als Voxel bezeichnet, ein Zusammenschluss aus den Wörtern volumetric und Pixel. Ganz ähnlich wie die Pixel eines gerasterten, zweidimensionalen Bildes, stellen sie die Bildelemente eines dreidimensionalen, volumetrischen Bildes dar. Um solche Bilder schließlich darzustellen, das eigentliche Rendering, muss die Interaktion zwischen den Voxeln, Lichtquellen und einer Betrachter-Kamera simuliert werden. Es existieren verschiedene Algorithmen für diesen Prozess, die meist recht starke Vereinfachungen durchführen um die Berechnung zu beschleunigen. Beispielsweise wird die Streuung von Licht an den Voxeln normalerweise nicht beachtet, es gibt keine selbstleuchtenden Voxel und Schattenwurf wird, wenn überhaupt, nur mit vereinfachten Methoden berechnet. Die Schwere dieser Einschränkungen nimmt allerdings in jüngerer Zeit mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Computer-Hardware ab und die Berechnungsmodelle werden zunehmend aufwändiger [15]. Ist Volume Rendering in Echtzeit möglich, so ist es ideal für die IAD Visualisierung, da die Daten direkt umgesetzt werden können und die Darstellungsmethode dem intuitiven menschlichen Verständnis sehr entgegen kommt. Dabei bietet sich an, vor allem den Transparenzkanal der Voxel zu verwenden, indem eine geeignete Transferfunktion die Intensität des betrachteten Massesignals in die optische Dichte der Voxel umsetzt. Die Farbe der Voxel kann dann zur Unterstüzung ebenfalls durch das Massesignal bestimmt werden, aber auch andere Funktion des Raumes lassen sich durch sie darstellen. Abbildung 4.3 zeigt Beispiele volu- 28

35 4.1 Verarbeitung und Darstellung der Daten Abbildung 4.3: Zwei Beispiele für Volume Rendering; Die Bedeutung der Farbund Transparenz-Transferfunktionen für die Wirkung der Darstellung tritt deutlich hervor (Rendering unter VTK 5.0, links ein durch eine mathematische Funktion erzeugter Datensatz, rechts ein IAD-Datensatz) metrischer Darstellungen. Die intuitive Zugänglichkeit von Echtzeit Volume Rendering basiert maßgeblich auf der Möglichkeit, die Daten von allen Seiten zu betrachten, zu drehen und verschiedene Betrachtungswinkel zu wählen. Mit geeigneten Transferfunktionen und passenden Perspektiven ist diese Darstellungsmethode aber auch für den Druck gut geeignet. Eine weitere Darstellungsmöglichkeit für IAD sind dreidimensionale Konturen, die auch Iso-Flächen (bzw. Iso-Surfaces) genannt werden. Hier werden Punkte im Volumen mit gleichem Funktionswert durch eine Fläche miteinander verbunden. Für das Rendering solcher polygonaler Flächen gibt es, im Gegensatz zum Volumetric Rendering, komplexe und dabei hochoptimierte Berechnungsmodelle, die oft durch moderne Graphikhardware beschleunigt werden. Man kann sie selbst mit realistischer Beleuchtung und in großer Auflösung auch auf Arbeitsplatzrechnern noch in Echtzeit darstellen. Für analytische Betrachtungen der Daten eigenen sich Iso-Flächen besser als volumetrische Darstellungen, da Funktionswerte- Niveaus direkt miteinander verglichen werden können. Allerdings sind sie auch abstrakter, der direkte Blick auf das gesamte Aussehen der IAD geht verloren. Die dritte typische Darstellungsweise für volumetrische Daten sind zweidimensionale Schnitte durch das Volumen, welche oft parallel zu den Raumachsen ausgerichtet werden. Um die Funktionswerte an der Schnittfläche darzustellen wird 29

36 4 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.4: Die Farbtransferfunktion hat einen großen Einfluss auf die Wahrnehmung der Darstellung, wie hier exemplarisch an einem zweidimensionalen Datensatz verdeutlicht wird eine Farbdarstellung auf die Fläche gezeichnet. Dies ist der erste Fall, bei welchem die Färbung eine zentrale Rolle in der IAD Visualisierung spielt. Bei der Umsetzung von Funktionswerten in Farbwerte ist eine sinnvolle Transferfunktion wichtig, welche Rücksicht auf die wahrnehmungs-psychologische Wirkung der resultierenden Farbverteilung nimmt. Abbildung 4.4 zeigt, wie unterschiedlich die Wirkungen verschiedener Farbtransferfunktionen sein können. Neben diesen grundlegenden Darstellungsmethoden kann man natürlich unzählige weitere Kombinationen und Abwandlungen der möglichen Visualisierungselemente entwickeln. Beispielsweise können verschiedene Grundelemente gemeinsam in einem Bild verwendet werden (Abbildung 4.5 auf der nächsten Seite gibt Beispiele) oder man kann Animationen erzeugen, so dass Zeit zu einer weiteren Dimension einer Darstellung wird. Auf der beiliegenden CD 1 finden sich unter anderem auch einige Beispielanimationen. Weiterhin lassen sich in Vorverarbeitungsschritten die verschiedensten mathematischen Operationen auf IADs anwenden. Beispiele dafür sind Differenzbildung, Interpolationen oder Gradientenbildung. Die Möglichkeiten sind äußerst vielfältig und hängen vor allem davon ab, welcher theoretische Inhalt durch die Darstellung unterstrichen werden soll. Die Wahl der Visualisierungsmethoden entscheidet darüber, welche Aspekte eines abstrakten Datensatzes betont und dem Verständnis zugänglich gemacht werden. Ganz ähnliche Überlegungen treffen auch auf zweidimensionale Ionenakzeptanzverteilungen zu. Typische Darstellungsarten solcher Daten sind farbige Flächenplots, Konturplots, ein Analogon zu Iso-Flächen und die oft verwendeten Gebirgsdarstellungen, zu denen es im dreidimensionalen Raum kein direktes Gegenstück gibt. 1 siehe auch 30

37 Verarbeitung und Darstellung der Daten Abbildung 4.5: Beispiele für die Kombination von Iso-Flächen, Konturlinien auf Schnitten durch das Volumen und direktem Volume Rendering (Rendering mit VTK 5.0 unter IAD-Explorer 0.3, Datensätze wie in Abbildung 4.3 auf Seite 29) x ! ! ! Abbildung 4.6: Typische Darstellungen für zweidimensionale IAD: Interpolierte Darstellung, Kontur-Plot mit eigezeichneten absoluten Werten und Gebirgs-Plot. Deutlich zu sehen ist, dass jede der Darstellungsformen andere Aspekte der zugrundeliegenden Daten betont 31

38 4 Ergebnisse und Diskussion Visualisierungssysteme und das Visualization Toolkit (VTK) Die Darstellung von Daten mit Hilfe eines Computers erfordert passende Software. Dabei muss zwischen verschiedenen Typen unterschieden werden: Es gibt kommerzielle Visualisierungsprogramme wie Sigmaplot, AVS/Express, Ensight oder Tecplot, die zunächst eine vorgegebene aber leistungsfähige Visualisierungsumgebung zur Verfügung stellen. Allerdings sind sie meist sehr teuer, oft nur für bestimmte Einsatzgebiete gedacht, daher teilweise unflexibel und erfordern lange Einarbeitungszeiten. Daneben gibt es Computeralgebra oder Numerik-Systeme, wie Maple, Mathematica, Matlab oder Mathcad, die Datenvisualisierung als Teilgebiet ihrer Fähigkeiten anbieten. Vor allem Matlab stellt eine leistungsfähige und sehr flexible Umgebung für die Verarbeitung und Darstellung von IADs zur Verfügung. Grundsätzliche Nachteile, wie hohe Anschaffungskosten, teilweise schlechte Erweiterbarkeit des Funktionsumfanges oder die nicht vorhandene Portierbarkeit auf andere Plattformen sind allerdings auch hier vorhanden. Eine elegante Lösung solcher Probleme bietet das Open Source Prinzip, also Software, deren Quellcode nicht nur öffentlich zugänglich, sondern auch vollkommen frei verwendet und bearbeitet werden darf. Unter den existierenden Open Source Projekten gibt es zwar mehrere freie Matlab Konkurrenten (Scilab, Ocatve mit Gnuplot oder Yorick) allerdings ist Matlab diesen im Bereich Visualisierung deutlich überlegen. Ein anderes freies Projekt vereinigt hingegen nahezu alle zu Beginn dieses Kapitels formulierten Forderungen an das Visualisierungssystem für dreidimensionale IAD und ist in Bezug auf Qualität und Funktionsumfang den kommerziellen Lösungen in weiten Teilen ebenbürtig: Das Visualization Toolkit (VTK). Im Grunde ist VTK eine in C++ implementierte Programm-Bibliothek, deren compilierter Kern auf andere plattformspezifischen Low-Level Graphikbibliotheken wie Open-GL, XGL oder Mesa-3D aufsetzt. Auf diese Weise ermöglicht VTK es, Anwendungen zu schreiben, die weitestgehend von der Plattform quelltextunabhängig und daher gut portierbar sind [16]. Dabei ist der Umfang des Toolkits sehr groß. Neben der reinen Datenvisualisierung bietet die Bibliothek Klassen und Algorithmen für die Bildverarbeitung, die Daten-Verarbeitung und eine große Anzahl an Import- und Export-Methoden für viele bekannte Dateiformate. Obwohl der Kern von VTK in C++ geschrieben ist und auf den jeweiligen Zielplattformen compiliert werden muss, kann VTK auch von anderen Programmierund Skriptsprachen verwendet werden. Dies wird durch eine interpretierte Ebene möglich, welche den Progammcode dieser Sprachen in entsprechenden Code des VTK-Kernels umsetzt. Zur Zeit werden Java, Python und TCL durch diese Ebene unterstützt, Sprachen die eine sehr schnelle Entwicklung selbst aufwändiger Programme inklusive einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) erlauben. Diese Sprachanbindungen erlauben eine enorme Flexibilität, welche mit VTK erreicht werden kann, ohne die typischen Nachteile einer reinen Bibliothek für eine Hochsprache wie C++ in Kauf nehmen zu müssen. VTK ist aus diesen Gründen eine 32

39 4.1 Verarbeitung und Darstellung der Daten Abbildung 4.7: U berblick u ber die Datenverarbeitung und die Visualisierungskomponenten sehr gu nstige Wahl fu r die Visualisierung von IAD im Rahmen dieser Arbeit. Da VTK trotz allem eine Bibliothek bleibt, ist ein Rahmenprogramm (Dataviewer ) no tig, um IAD-Daten darzustellen. Fu r VTK existieren zwei wichtige Vertreter solcher Viewer welche beide unter Open-Source Lizenzen stehen: Paraview vom VTK Entwickler Kitware [17] und mayavi [18]. Beide Werkzeuge stellen nahezu alle Fa higkeiten von VTK durch ihre GUI zur Verfu gung, mit Paraview lassen sich sogar Key-Frame gesteuerte Animationen erstellen und exportieren. Dennoch ist ein spezialisierter Viewer fu r dreidimensionale IAD wu nschenswert, da ein solches Programm die Arbeit mit den Verteilungen stark vereinfachen und beschleunigen kann, weil nur angemessene Visualisierungselemente und Darstellungsmethoden (eine spezialisierte Visualisierungs-Pipeline) in einem solchen Viewer zur Verfu gung stehen. Fu r besondere oder aufwa ndigere Visualisierungen ko nnen dann die beiden schon existierenden Viewer eigesetzt werden, was allerdings eine tiefere Einarbeitung erfordert. Die in dieser Arbeit vorgestellten zweidimensionalen IAD wurden nicht mit VTK sondern mit Hilfe von Matlab dargestellt. Listing 6.2 und 6.3 zeigen die Quelltexte der Module fu r Kontour bzw. interpolierte Plots. Abbildung 4.7 zeigt einen U berblick u ber das in dieser Arbeit verwendete Visualisierungs-System und seine Einzelkomponenten IAD-Explorer - ein Visualisierungswerkzeug Ein Prototyp eines Visualisierungswerkzeuges fu r dreidimensionale IAD ist der im Rahmen dieser Arbeit implementierte IAD-Explorer. Im folgenden Abschnitt sollen seine Eigenschaften und Fa higkeiten kurz dargestellt werden. Der erste Schritt auf dem Weg zu einem Viewer fu r Ionenakzeptanzverteilungen ist die Wahl eines geeigneten Dateiformates. Dabei erweist sich das native Dateiformat von VTK als sinnvoll. In ihm ko nnen viele verschiedene Datentypen wie 33

40 4 Ergebnisse und Diskussion beispielsweise Skalarfelder, Vektorfelder oder polygonale Daten abgelegt werden. Da VTK-Dateien nichts weiter als strukturierte Textdateien und zudem nahezu selbsterklärend sind, können sie sehr leicht bearbeitet und zwischen verschiedenen Plattformen oder Softwaresystemen ausgetauscht werden. Nun folgt die Wahl einer geeigneten Programmiersprache. Für die schnelle Implementierung eines funktionsfähigen Viewer Prototyps bieten sich die beiden Skriptsprachen Python und TCL zusammen mit dem GUI Werkzeug Toolkit (TK) an. Für den IAD-Explorer wurde TCL gewählt, da sich diese Sprache einfacherer als Python an TK anbinden lässt und große Mengen Beispielcode in ihr verfügbar sind. Das Ergebnis der Implementierung ist ein voll funktionsfähiger, weitgehend plattformunabhängiger Viewer, der nun genauer vorgestellt wird. Der IAD-Explorer besteht aus drei Programmfenstern. Eines enthält die Kontrollelemente, die anderen beiden enthalten VTK-Renderer, in ihnen spielt sich also die eigentliche Darstellung ab. Beide Graphik-Fenster sind gleichberechtigt und können zwei verschiedene Skalarfelder einer einzigen VTK-Datei darstellen. Die Idee dahinter ist, dass verschiedene Massenspuren zusammen in eine Datei geschrieben werden und direkt miteinander verglichen werden können. Abbildung 4.8 auf der nächsten Seite zeigt ein Bildschirmfoto des IAD-Explorers. Der zugrundeliegende Quelltext findet sich aufgrund seiner Länge nicht im Anhang, sondern auf der dieser Arbeit beiliegenden CD 2. Alle Darstellungselemente des Explorers verwenden die gleiche Transferfunktion für die Umsetzung der Sakalare in Farbwerte. Sie wandert im HSV-Farbraum bei voller Sättigung (Saturation) und voller Helligkeit (Value) durch alle Farbtöne (Hue). Dies ist sinnvoll, da Helligkeitsunterschiede bei dreidimensionalen Darstellungen, beispielsweise durch Schattenwurf, verfälscht werden können. Volumetrische Darstellungen sind im IAD-Explorer mit Hilfe des Texture Mapping- und des Raycasting-Ansatzes möglich. Beim Texture Mapping wird ein Stapel semitransparenter Ebenen in das Bild gezeichnet, die gemäß dem darzustellenden Datensatz texturiert werden. Dieses Verfahren liefert zwar etwas ungenauere Ergebnisse als Raycasting, ist aber durch die mögliche Hardware- Beschleunigung und den geringeren numerischen Aufwand sehr viel schneller. Raycasting hingegen simuliert entlang von aus der Betrachtungsebene in die Szene hineingeschossenen Strahlen die Interaktion der Voxel mit den vorhandenen Lichtquellen [19]. Dieses Verfahren liefert genauere Ergebnisse und ist durch verschiedene Simulationsmodelle auch vielseitiger als Texture-Mapping, benötigt allerdings auch deutlich längere Rendering-Zeiten. Die volumetrische Darstellung kann durch vier GUI-Elemente gesteuert werden. Zwei Slider variieren die Position und die Steilheit der Transferfunktion für die Transparenz der Voxel, mit einer Schaltfläche kann der einfache Schattenwurf (Shading) aktiviert werden und eine weitere schaltet zwischen Texture Mapping und Raycasting um. Das zweite Visualisierungselement des Explorers sind Iso-Flächen, deren skala- 2 siehe auch für den CD-Inhalt 34

41 4.1 Verarbeitung und Darstellung der Daten Abbildung 4.8: Der IAD-Explorer im Einsatz (unter Mac OSX 10.4) re Position (Isovalue) mit einem Slider verschoben werden kann. Vervollständigt werden die Darstellungen durch zu den Raumachsen parallele Schnittflächen, deren Position ebenfalls durch Slider verschoben werden kann. Diese Schnitte lassen sich auch in Form von Isolinien, wahlweise mit eingeblendeten Funktionswerten darstellen. Um die Vergleichbarkeit zwischen beiden dargestellten IAD zu verbessern, können die Kameras der beiden Renderer synchronisiert werden. Blickwinkeländerungen werden dann in beiden Rendering-Fenstern ausgeführt. Die Geometrie der Ionenquelle, also beispielsweise die Position des Sample-Cone oder des Sprayers, kann in einer eigenen Datei definiert und dem IAD-Explorer zur Darstellung übergeben werden. Die Textanmerkungen und die Farblegende (Scalarbar) können abgeschaltet werden. Schließlich lassen sich die erzeugten Bilder als PNG-Datei aus dem IAD-Explorer exportieren. Im jetzigen Stadium ist der IAD-Explorer ein funktionsfähiger Prototyp, der sich vor allem für die schnelle und unkomplizierte Darstellung von IAD während der laufenden Messungen eignet. Für aufwändigere Visualisierungen oder komplexe Animationen sei an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich auf die Open Source Viewer Paraview und mayavi verwiesen. 35

42 4 Ergebnisse und Diskussion 4.2 Durchführung der IAD Bestimmungen In diesem Teil werden kurz die durchgeführten Messreihen vorgestellt und Probleme beziehungsweise deren Lösung erläutert Ergebnisübersicht Grob lassen sich die durchgeführten Messungen in 4 Gruppen aufteilen. Zunächst wurden die Eigenschaften der Ionenquelle mit zweidimensionalen IAD Messungen untersucht. Dazu wurde der Einfluss der Quellen-Parameter wie Gasflüsse, elektrische Spannungen oder Nebulizer-Position auf die IADs einer Lösung von Benz[a]pyren und Nikotin in Acetonitril untersucht. Die Ergebnisse dieser Bestimmungen wurden dann als Grundlage verwendet, um mechanistische Betrachtungen der Vorgänge in der Ionenquelle durchzuführen. Dazu wurden IAD von Benz[a]pyren und Nikotin in verschiedenen chemischen Umgebungen, also in Gegenwart verschiedener Lösungsmittel oder potentieller Reaktionspartner, aufgenommen. Diese Einfarben-Messungen können direkt mit im Vorfeld dieser Arbeit an einer anderen APLI- Ionenquelle gewonnenen IAD Bestimmungen verglichen werden, was interessante Unterschiede zwischen den beiden Ionenquellen erkennen lässt. Im dritten Teil wurde die bestehende Optik für Messungen mit stark abgeschwächter Leistung des OPTex Lasers verwendet, um dreidimensionale Einfarben-Messungen durchzuführen. Dabei wurden vor allem Messungen aus dem ersten Teil mit niedriger Laserleistung wiederholt. Die Ergebnisse zeigen allerdings, dass unter den gegebenen Bedingungen eine dreidimensionale Einfarben- Bestimmung nicht möglich ist. Im letzten Teil wurde schließlich die dreidimensionale IAD-Bestimmung durch Zweifarbenanregung versucht. Hierfür waren dann die Synchronisation der Laser und Messungen der Strahlhomogenität des Laserbandes nötig. Neben diesen (eher technischen) Aufgaben gestaltete sich die Suche nach einem passenden Analyten für die nötige resonante Zweifarbenanregung durch die beiden Laser sehr viel schwieriger. Für diesen Zweck wurde das Verhalten einer ganze Reihe verschiedener Analyten und Lösungsmittel unter Zweifarben-Anregung untersucht. Dabei wurden einige Beobachtungen ermöglicht, welche nachträglich in den mechanistischen Betrachtungen des zweiten Teils einflossen Probleme und Lösungen Beschneidung des Laserstrahls bei den frühen Einfarben-Experimenten Während der ersten Einfarben-Messungen wurde der Laserstrahl des OPTex Systems durch den Linsenrand teilweise beschnitten. Dies hatte zur Folge, dass die 36

43 4.2 Durchführung der IAD Bestimmungen Leistungsdichte des Lasers in einem Bereich im unteren rechten Rand des Messbereiches deutlich geringer als im restlichen Volumen war. Der Grund für dieses Problem war eine leicht fehlerhafte Ausrichtung des Umlenkspiegels im Strahlengang des OPTex Lasers, welche nach einigen Messungen bemerkt und behoben wurde. Bei den betroffenen IAD-Bestimmungen wurde der entsprechende Bereich bei der Darstellung ausgeblendet Synchronisation auf Zeitbasis Alle hier vorgestellten IAD-Messungen wurde mit Hilfe der in dargestellten Zeitsynchronisation zwischen MS und Optik gewonnen. Dabei kam es zu zwei störenden Effekten: Zunächst laufen die Uhren der beiden Computerprogramme offenbar zeitlich auseinander, was an einer zunehmenden Verzerrung des IAD Bildes zu erkennen ist. Abbildung 4.9 auf der nächsten Seite gibt ein Beispiel für diesen Effekt. Der Grund für diese Störung ist sehr wahrscheinlich eine ungenaue Zeitmessung mindestens einer der beiden beteiligten Rechner und möglicherweise Rundungs- oder andere Programmfehler in der Auswertungs-Software. Gegen Softwareprobleme spricht allerdings, dass mit verschiedenen Programmen, welche in verschiedenen Programmiersprachen implementiert und auf verschiedenen Computerarchitekturen ausgeführt wurden, nahezu gleiche Verzerrungen erhalten wurden. Eine Erklärung durch ungenaue Zeitmessung ist daher deutlich plausibler. Interessanterweise war der Effekt in relativ stark schwankender Ausprägung zu beobachten. Seine Auswirkungen auf die IAD-Verteilungen konnten daher bei der Auswertung oft durch leichte Verschiebungen des Startoffsets zwischen MS und Optik gemildert werden. Für die rein qualitativen Betrachtungen dieser Arbeit, ist diese Störung durchaus tolerabel. Auf eine Korrektur wurde während der Auswertung daher verzichtet. Weiterhin kam es zu einer Differenz zwischen dem erwarteten und beobachteten Offset zwischen den Startzeiten der MS-Datenaufzeichnung und dem Scanprogramm der Optik. Hier war eine zusätzliche Verzögerung von etwa 7 Sekunden zu beobachten. Wurde beispielsweise das Scanprogramm 60 Sekunden nach dem Beginn der Datenaufzeichnung des MS manuell gestartet, so war in der Auswertung ein Offset von etwa 67 Sekunden zu beobachten. Obwohl dies keine schwerwiegende Störung darstellt, ist es doch interessant, da die Ursache höchstwahrscheinlich in einer fehlerhaften Datenaufzeichnung oder Zeitanzeige des MS-Systems begründet liegt. Aus Zeitgründen wurde das Phänomen während dieser Arbeit nicht endgültig aufgeklärt Verlust der Laser-Synchronisation Während der Suche nach einem geeigneten Analyten für die IAD Messung mit zwei Lasern entstand die Vermutung, dass die fehlende Sichtbarkeit von 37

44 4 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.9: Beispiel für den zunehmenden Synchronisationsverlust zwischen Optik und MS. Deutlich sichtbar ist die zunehmende wellenförmige Verzerrung der IAD. Zweifarben-REMPI auf den Verlust der Synchronisation zurückzuführen sein könnte. Tatsächlich ergab die Kontrolle der Fluoreszenz-Signale, dass beide Laser zu diesem Zeitpunkt vollkommen desynchronisiert waren. Als Ursache konnte die mit einer Batterie versorgte optische Sendeeinheit des OPTex Lasers erkannt werden. Nachdem diese auf Netzversorgung umgestellt wurde, blieb der Zeitversatz zwischen Triggersignal und Laserpuls innerhalb der Fehlertoleranzen stabil. Damit wurde auch die zuverlässige Synchronisation zwischen den Lasern möglich. 4.3 Interpretation und Diskussion In diesem Teil werden interessante Ergebnisse der IAD-Bestimmungen im Detail vorgestellt und interpretiert. Die grundlegenden Fragen dieses Kapitels sind, ob die beobachteten Ionenakzeptanzverteilungen valide, also eine Aussagekraft im wissenschaftlichen Sinne haben und wenn ja, welche Rückschlüsse sie auf die Verhältnisse in der Ionenquelle zulassen Validität der zweidimensionalen IAD-Bestimmungen Ein großer Teil der hier vorgestellten IAD wurden durch zweidimensionale Messung mit hoher Leistungsdichte des anregenden Lasers gewonnen, mit allen in 38

45 4.3 Interpretation und Diskussion Abbildung 4.10: Maßstäbliche Skizze der Laserstrahlen für zweidimensionale IAD Messungen. Zu erkennen ist die recht gute räumliche Auflösung in der Nähe der zentralen Quellenachse (Strahlen durch rein geometrische Optik angenähert) beschriebenen Nachteilen. Die sich nun stellende Frage ist, welche Aussagekraft diese Messungen haben bzw. wie valide sie sind und für welche Schlussfolgerungen sie verwendet werden können. Betrachtet man die geometrischen Verhältnisse des experimentellen Aufbaus genauer, relativiert sich vor allem der schon erwähnte Umstand, dass nicht IAD in der zentralen Achse der Quelle, sondern von Projektionen der Ausschnitte quer durch das gesamte Ionisationsvolumen gemessen werden. Abbildung 4.10 zeigt eine maßstabsgetreue Skizze der Laserstrahlen, welche durch geometrische Optik angenähert wurden. Nimmt man nun an, dass die größten Signalintensitäten in der Nähe der zentralen Längsachse der Quelle zu erwarten ist, welche der Fokusebene der beweglichen Linse entspricht, ist die relativ gute räumliche Auflösung in dieser Zone zu erkennen. Rein qualitative Betrachtungen lassen sich also durchaus mit dem vorgestellten Verfahren zur zweidimensionalen IAD Messung in sinnvoller Weise durchführen APLI Ionenquelle und IAD Die Ionenakzeptanzverteilung ist eine direkte Manifestation der Verhältnisse in der Ionenquelle. Aus diesem Grund verwundet es nicht, dass Veränderung der physikalischen Bedingungen in der Quelle einen sehr großen Einfluss auf die IAD hat. Dies wird im Folgenden anhand einiger exemplarischer Ergebnisse und ihrer Interpretation gezeigt Einfluss der elektrischen Felder in der Quelle Die Trajektorien der Ionen in der vorliegenden APLI-Ionenquelle werden durch die Gasströmungen und die vorhandenen elektrischen Felder bestimmt. In der Quelle gibt es drei Potentiale die das elektrische Feld definieren: die metallene Spitze der Kapillare, welche in den Hochvakuumteil des MS führt, das äußere 39

46 4 Ergebnisse und Diskussion Spray-Shield, in der Kontrollsoftware des MS auch End-Cap genannt und das geerdete Metallgehäuse der Quelle. Die hier anliegenden Potentiale haben, wie erwartet, einen großen Einfluss auf die IADs von Benz[a]pyren und Nikotin. Abbildung 4.11 auf der nächsten Seite zeigt zwei IAD von Benz[a]pyren bei verschiedenen Spannungen an der Kapillar-Spitze. Bemerkenswert ist, dass sich die Form der IAD und die Signalintensitäten nur wenig ändern, vielmehr wird die gesamte Verteilung in größere Entfernungen vom Sample-Cone verschoben. In beiden Fällen sind ausgeprägte Maxima oberhalb der Cone-Achse und in einiger Entfernung vom MS-Einlass zu beobachten. Interessant ist, dass unmittelbar vor dem Sample-Cone nahezu kein Signal zu beobachten ist wenn am MS-Einlass stärkere negative elektrische Spannungen anliegen; ein Phänomen das sich sehr ähnlich auch bei den IAD von Nikotin zeigte. Für das Fehlen eines Signals direkt vor dem MS-Einlass gibt es mehrere mögliche Erklärungen: Der betrachtete Analyt könnte nicht direkt durch das Laserlicht, sondern indirekt durch chemische Reaktionen, welche durch das Laserlicht initiiert wurden, ionisiert werden. Da solche Reaktionen natürlich Zeit benötigen, in welcher sich die Reaktionspartner weiter bewegen, könnte dies zu einem Minimum vor dem Sample-Cone führen, welches sich durch Variation der elektrischen Felder verändern ließe. Gegen diese These spricht allerdings, dass die Radikal-Kationen (im Folgenden mit M + bezeichnet) von Benz[a]pyren, welche die einzigen beobachteten Ionen dieses Analyt waren, direkt durch Strahlungseinwirkung erzeugt werden. Der grundlegende Mechanismus dieser Photoionisation ist [20] : M + hν M + + e (4.1) wobei die Lichtabsorption bei APLI ein Mehrphotonen-Prozess ist. Für die Radikal-Kationen von Benz[a]pyren scheidet die oben formulierte Erklärung also aus. Da die IAD des [M + H] + -Ions (im Folgenden nur noch MH + genannt) des Nikotin, welches das Produkt einer Reaktion in der Ionenquelle ist, bei diesen Messungen den gezeigten Bildern von Benz[a]pyren sehr ähnlich ist, kann man annehmen, dass der Mechanismus der Ionenbildung hier nicht verantwortlich für das fragliche Minimum der IAD vor dem Sample-Cone ist. Eine weitere mögliche Erklärung für das Phänomen ist, dass aufgrund der Strömungsverhältnisse in der Quelle kein Analyt in die Zone vor dem Cone gelangt. Dies wird allerdings durch einzelne Messungen entkräftet, bei denen nach Abschaltung der elektrischen Felder unter den gleichen Strömungsverhältnissen ein Signal vor dem MS Einlass sichtbar wurde. Die naheliegenste Erklärung für die gezeigte IAD-Form ist, dass die Ionen aus der Zone vor dem Cone mit dem Spray-Shield oder der Metallkappe der Kapillare kollidieren und entladen werden, anstatt durch sie hindurch in das MS zu gelangen. Dies wird gestützt durch die Überlegung, dass die in der Quelle erzeugten Kationen durch die hohen negativen Spannungen stark auf die Sample-Cone 40

47 4.3 Interpretation und Diskussion Abbildung 4.11: Einfluß der elektrischen Potentiale in der Quelle: 2d Einfarben IAD von Benz[a]pyren (M + ) unter Variation der Capillary- Spannung Region beschleunigt werden. Um in das MS zu gelangen, müssen sie aber die im Vergleich sehr kleine Kapillare treffen, deren Öffnung selbst kein elektrischer Attraktor darstellt. Offenbar gibt es aufgrund der elektrischen und fluiddynamischen Verhältnisse keine günstigen Flugbahnen aus der Zone direkt vor dem Cone in das MS, wenn ein, im positiven Modus des MS negatives, elektrisches Potential auf dem Sprayshield und der Kapillarkappe liegt. Die Erhöhung der Spannung auf dem Spray-Shield (bzw. End-Cap) hat mit diesen Überlegungen gut zu erklärende Folgen, wie Abbildung 4.12 auf der nächsten Seite zeigt. Neben dem bemerkenswerten Minimum um die Cone-Achse, ist auch zu sehen, wie ein großes Potential auf dem Spray-Shield das gezeigte Volumen regelrecht leerfegt. Offenbar wird der elektrische Attraktor auf der Kapillar-Kappe und dem Sprayshield dann so groß, dass kaum noch Ionen in die Kapillare gelangen. Einen weiteren Hinweis geben frühere Messungen an einer anderen Ionenquelle, welche eine grundlegend andere Feld-Geometrie besitzt, in der die Felder allgemein schwächer sind und in der vor allem kein attraktives elektrisches Potential auf dem Sample-Cone liegt [21][22]. Hier ist das Maximum für die IAD von Radikal-Kationen in der Zone direkt am Sample-Cone zu beobachten und die Variation der elektrischen Felder hat einen weit weniger starken Einfluss. Dies sind Ergebnisse, welche recht gut zu der oben formulierte These passen. 41

48 4 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.12: Einfluß der elektrischen Potentiale in der Quelle: 2d Einfarben IAD von Nikotin (MH + ) unter Variation der Endplate- Spannung 42

49 4.3 Interpretation und Diskussion Abbildung 4.13: Einfluß der Variation des Dry-Gas Flusses auf die IAD von Benz[a]pyren (M + ) Einfluß der Gasflüsse und des Nebulizers Neben den elektrischen Feldern beeinflussen vor allem die Gasströmungen in der Quelle die Flugbahnen der Ionen. Daher ist zu erwarten, dass die Veränderung der Strömungsbedingungen einen ähnlich starken Einfluss auf die Form der IAD hat, wie die Veränderung der elektrischen Felder. In der untersuchten APLI-Quelle gibt es zwei Gasquellen: Das Nebulizer-Gas, welches die Injektionskapillare im Nebulizer kozentrisch umströmt und das Dry-Gas, welches unter dem Sprayshield hervortritt. Interessanterweise ist die Stärke des Einflusses dieser beiden Gasströme deutlich unterschiedlich. Wie Abbildung 4.13 zeigt, hat die Variation der Flussrate des Dry-Gas, sehr große Veränderungen sowohl hinsichtlich der Form als auch der Signalintensität der IAD von Benz[a]pyren (M + ) zur Folge. Wird der Dry-Gas Strom vollständig abgeschaltet, zeigt die IAD im Vergleich sehr kleine Signalintensitäten. Offenbar ist das Dry-Gas essentiell für eine erfolgreichen Transfer der Primärionen in den Masse-Analysator. Die Erhöhung des Druckes und damit die Flusssteigerung des Nebulizer-Gas hat hingegen nicht, wie zunächst erwartet, einen großen Einfluss auf die Ionenakzeptanzverteilung. Wie Abbildung 4.14 auf der nächsten Seite zeigt, bleibt die Form der Verteilung in diesem Fall nahezu identisch und auch die Signalintensitäten ändern sich nur wenig. Anscheinend wird die Position des IAD-Maximums durch die elektrischen Bedingungen dominiert. Ein höherer Druck des Nebulizer-Gas hat offenbar zur Folge, dass die Konzentration der Analytmoleküle im Bereich des IAD-Maximum und damit die Signalintensität sinkt. Der deutlich sichtbare Unterschied der Gestalt der in Abbildung 4.13 im linken Plot und in Abbildung 4.14 auf der nächsten Seite gezeigten Verteilungen ist auf die Veränderung der Nebulizer-Position zurückzuführen, der dritte wichti- 43

50 4 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.14: Einfluß des Nebulizergas-Drucks auf die IAD von Benz[a]pyren (M + ) ge Parameter welcher die Strömungsverhältnisse beinflusst. Abbildung 4.15 auf der nächsten Seite zeigt die Veränderung der IAD, wenn der Nebulizer in Richtung Sample-Cone bewegt wird. Der Nebulizer-Auslass kommt in dieser Position überhalb des gezeichneten Bereichs bei einem Abstand auf der horizontalen Achse von etwa 4,5 mm vom Ursprung zu liegen. In der hinteren Position liegt der Auslass etwa in einer Entfernung von 15,5 mm vom Ursprung der Graphik, also schon ausserhalb des gezeichneten Bereiches. Die Verschiebung des Nebulizers verändert, wie zu erwarten ist, die Gasströmungen in der Quelle stark. In vorderer Position des Nebulizers zeigt die IAD durch ihren langgezogenen Bereich deutlich dessen Position an. In hinterer Position ist die Form nicht so instruktiv. Zwar zeigt die IAD zwei auslaufende Bereiche, aber für diese lässt sich kein unmittelbarer Zusammenhang mit dem Nebulizer oder ähnlichem herstellen. Interessanterweise bleibt die Position des Maximums der IAD in beiden Fällen nahezu gleich, ein weiterer Hinweis auf die Dominanz der elektrischen Felder. Die Signalintensität hingegen sinkt in vorderer Position des Nebulizers leicht. Daher ist die hintere Nebulizer-Position, zumindest bei dieser Analytlösung, für die Optimierung der Quelle auf große Ionen-Signale im Zuge einer chemischanalytischen Anwendung sinnvoll. Insgesamt muss noch bemerkt werden, dass eine exakte Interpretation der genauen Strömungsverhältnisse nur anhand von IAD natürlich schwer möglich ist. Für solche Überlegungen müssten direkte Strömungsmessungen und 44

51 4.3 Interpretation und Diskussion Abbildung 4.15: Einfluß des Nebulizer-Position auf die IAD von Benz[a]pyren (M +, links: Nebulizer vorne, rechts: Nebulizer in hinterer Position ) strömungsdynamische Simulationen eine Grundlage bilden. Allerdings wird auch deutlich, dass die IAD ein Werkzeug zur Verifikation beziehungsweise Falsifikation von Interpretationen derartiger Untersuchungen bieten können. Bei allen Veränderungen der Gasströme und des Nebulizers, zeigten die IADs von Nikotin (MH + ) und Benz[a]pyren (M + ) weitestgehend analoges Verhalten. Wiederum war kein Einfluss durch die unterschiedlichen Mechanismen der Ionenbildung zu beobachten Einfluss des Ionentransfer Während der zweidimensionalen Messungen, wurden die Parameter der Ionentransferoptik des Massenspektrometers optimiert, um das Gerät empfindlicher für Ionen kleiner Masse zu machen. Diese Optimierung eröffnet die Möglichkeit, den Einfluss des Transfers der Ionen in den Masseanalysator auf die IAD zu untersuchten. Wie die Graphiken in Abbildung 4.16 auf der nächsten Seite deutlich zeigen, hat die Konfiguration der Transferoptik keine Bedeutung für die Gestalt der IAD von Nikotin. Statt dessen vergrößern sich die Signalintensitäten gleichmäßig um etwa das vierzigfache. Dieses Ergebnis ist in dieser Form auch zu erwarten, da die Transferoptik keinerlei Elemente besitzt, für die ein Einfluss auf die Ionenquelle anzunehmen ist. 45

52 4 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.16: Einfluss des Ionentransfers in das Massenspektrometer auf die IAD von Nikotin als MH +. Links und in der Mitte die IAD vor und nach der Optimierung der Transferparameter, rechts eine Darstellung der relativen Abweichung zwischen den IAD (Differenz der normierten Signale) Mechanistische Betrachtungen Neben den der Methodenentwicklung zuzuordnenden Analysen des Einflüsses der Quellen-Parameter, ermöglicht die Bestimmung von IAD auch chemischmechanistische Erkenntnisse. Neben den üblicherweise bei solchen Untersuchungen in einer Ionenquelle mit MS zur Verfügung stehenden Informationen, wie massenaufgelöste Signalintensität, Zusammensetzung der Analyt-Lösung oder die Parameter der Ionenquelle, ergibt die IAD-Messung ein raumaufgelöstes Massensignal, woraus sich viele wichtige Zusatzinformationen ergeben können. Beispielsweise lassen sich aufgrund der Flugzeit über räumliche Verteilungen Rückschlüsse auf Reaktionsgeschwindigkeiten gewinnen oder eine fehlende Ortsabhängigkeit der IAD deutet auf einen Ionisierungsmechanismus hin, welcher nicht unmittelbar durch den anregenden Laser ausgelöst wird. Für derartige Untersuchungen wurden wiederum Benz[a]pyren und Nikotin als Analyten ausgewählt. Dies ist sinnvoll angesichts der sehr unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Substanzen. Der initiale Ionisierungsmechanismus der Photoionisation und damit auch von APLI, ist in Gleichung 4.1 schon vorgestellt worden. Durch die Entfernung eines Elektrons werden zunächst Radikal-Kationen (M + ) gebildet. Tatsächlich wurden bei den dieser Arbeit zugrunde liegenden APLI Experimenten im Fall des unpolaren Benz[a]pyren ausschließlich dessen Radikal-Kationen beobachtet. Nikotin (M = 162 Da) hingegen ist ein Alkaloid, es ist basisch und relativ polar. Das Muster der bei APLI entstehenden Ionen ist bei dieser Verbindung komplexer als bei Benz[a]pyren. Man beobachtet zwar auch das M + des Nikotin aber zwei andere Ionen, die eine Masseeinheit leichter 46

53 4.3 Interpretation und Diskussion bzw. schwerer als Nikotin sind (161 Da, 163 Da), tauchen mit im Vergleich sehr viel stärkeren Signalen im Massespektrum der Kationen auf. Das mit Abstand größte Signal stammt dabei vom Quasimolekülion MH + des Nikotin. Bei allen Messungen war es mindestens eine Größenordnung größer zu beobachten als die anderen beiden Ionensignale. Für die offenbar sehr effektive Bildung dieses Ions, werden in der Literatur zwei grundlegende Mechanismen diskutiert. Die initial gebildeten Radikal-Kationen aus Reaktion 4.1 gehen dabei folgende Sekundärreaktionen ein [20][23]: M + + B [M H] + [B + H] + Deprotonierung (4.2) M + + R H [M + H] + + R H-Abstraktion (4.3) Das bedeutet, dass der Analyt, also Nikotin, zunächst primär ionisiert wird und dann eine Wassterstoffabstraktionsreaktion eingeht, durch eine andere ionisierte Spezies protoniert wird oder beides in Konkurrenz stattfindet um MH + -Ionen zu bilden. Es stellt sich nun die Frage, welche Reaktionspartner für die großen MH + Signale verantwortlich sind. Die naheliegenste Vermutung ist die Reaktion des Nikotins mit dem Lösungsmittel. Die IAD Messungen der Lösung von Nikotin und Benz[a]pyren in Acteonitril bzw. Heptan zeigen vor allem zwei Dinge: Zunächst wird die Bildung aller drei Ionen des Nikotin offensichtlich durch das Laserlicht initiiert, denn alle drei Spezies zeigen jeweils eine sehr ähnliche und stark ortsabhängige Akzeptanzverteilung. Weiterhin hat weder Acetonitril noch Heptan einen großen Einfluss auf die relativen Verhältnisse der Ionen, diese sind in beiden Lösungsmitteln recht ähnlich. Die Dominanz der MH + -Ionen in Heptan ist überraschend, da das vollkommen aprotische Heptan weder für eine Wasserstoffabspaltung durch Nikotin gemäß Reaktion 4.3 in Frage kommt, noch durch den eingesetzten Laser selbst ionisiert wird. Es muss also einen noch unbekannten Reaktionspartner für Nikotin entweder in der Ionenquelle selbst oder als Verunreinigung in einer der Chemikalien geben. Eine Möglichkeit für einen solchen Reaktionspartner ist Wasser, welches sich in der APLI-Quelle befindet. Für diese Vermutung sprechen mehrere Beobachtungen: In der Literatur gibt es Berichte über eine sehr effektive MH + Bildung durch Wasser [20] und eine Kontamination der Quelle mit Wasser ist aufgrund der experimentellen Gegebenheiten sehr wahrscheinlich. Weiterhin zeigen Messungen einer Lösung von Nikotin ( 25 µmol l 1 ), Benz[a]pyren ( 0, 04 µmol l 1 ) und Toluol ( 0.1 %vol) in Acetonitril unter Zugabe von 10 %vol D 2 O, dass schweres Wasser als effektive Deuterium-Quelle für Nikotin wirkt, wobei die Bildung des MD + offenbar auf Kosten der MH + Bildung geschieht, wie Abbildung 4.17 auf der nächsten Seite zeigt. Nimmt man nun ein zu D 2 O analoges Verhalten von Wasser an, so könnte dies der gesuchte Reaktionspartner für die MH + -Bildung sein; diese These muss allerdings in weitergehenden Untersuchungen überprüft werden. 47

54 4 Ergebnisse und Diskussion x 105 ohne D 2 O nach Zugabe von ~0.1 %vold 2 O counts (s!1 ) Masse (amu) Abbildung 4.17: Durchschnittliche Intensitäten der Ionen des Nikotin, in Ab- und Anwesenheit von D 2 O. Deutlich sichtbar ist die Steigerung des Signals auf 164 amu, welches in Abwesenheit von D 2 O nur von der natürlichen Isotopenverteilung herrührt. Eine weitere sehr interessante, allerdings relativ schwierig zu verstehende Beobachtung ergibt sich bei der Variation des Injektionsflusses einer Lösung von Nikotin ( 10 µmol l 1 ), Benz[a]pyren ( 0.04 µmol l 1 ), Toluol ( 0.1 %vol) und D 2 O ( 6 %vol) in Acetonitril. Tabelle 4.1 auf der nächsten Seite zeigt die durchschnittlichen Signale der relevanten Ionen bei verschiedenen Injektionsflüssen. Zu beachten ist bei diesen Daten, dass die MD + -Signale bei 400 und 500 µl min 1 durch den Anschlag des Detektors des MS im Maximum der IADs verfälscht sind. Die wahren Signale dieses Ion dürften bei diesen Flussraten spürbar größer sein. Hoch interessant ist, dass nur das MD + -Ion des Nikotins, welches durch eine Reaktion mit D 2 O entstanden sein muss, das zu erwartende Verhalten zeigt. Die intuitive Vermutung ist, dass eine deutliche Steigerung des Injektionsflusses auch mit einer, nicht zwangsläufig linear verlaufenden, Steigerung aller Ionen-Signale verbunden ist, da sich die Gesamtkonzentration der Analyt-Lösung in der Quelle erhöht. Abgesehen vom MD + zeigen die absoluten Signale der Ionen des Nikotins allerdings etwas anderes; sie sind weitgehend vom Injektionsfluss unabhängig oder sinken sogar mit größer werdendem Fluss. Ein besonders deutliches Beispiel für diesen Effekt stellt Abbildung 4.18 auf der nächsten Seite dar. Analoge Phänomene, beispielsweise der Verlust von Ionensignalen bei steigendem 48

55 4.3 Interpretation und Diskussion Tabelle 4.1: Ergebnis der Flussvariation einer Lösung von Nikotin, Benz[a]pyren, Toluol und D 2 O in Acetonitril (Ionensignale in 10 5 counts s 1, die eingeklammerten Daten sind zu niedrigeren Werten verfälscht) Fluss (µl l 1 ) Benz[a]pyren (M + ) Nikotin (M + ) Nikotin (MH + ) Nikotin (MD + ) 100 0,064 0, ,068 0, ,080 0, (6.86) 500 0,079 0, (6.90) 7 x MH + MD + 5 counts (s!1 ) Fluss (µl * min!1 ) Abbildung 4.18: Entwicklung der durchschnittlichen Signalintensitäten des MH + -Ion (163 Da) und des MD + -Ion (164 Da) des Nikotin mit steigendem Injektionsfluss in die Quelle 49

56 4 Ergebnisse und Diskussion Injektionsfluss in eine Ionenquelle, sind auch in der jüngeren Vergangenheit im Zuge der Forschung an APPI-Quellen beobachtet worden [24] [25] [26]. Die dort erhaltenen Ergebnisse sind durchaus auch für APLI relevant, denn im Grunde unterscheiden sich die beiden Methoden nur im Typ der initialen Photoionisation, danach sollten die Reaktionen in den Ionenquellen zumindest sehr ähnlich verlaufen. In Bezug auf die in den APPI-Forschungen entwickelten Thesen sind vor allem zwei Ergebnisse der hier durchgeführten IAD-Messungen interessant: Der in [24] vorgeschlagene Verlust von Ionen-Signal durch Schwächung des eingestrahlten Lichtes durch die zunehmende Lösungsmittelkonzentration kann bei APLI keinen spürbaren Einfluss haben, da die eingesetzten Lösungsmittel bei den verwendeten Wellenlängen (248 nm 308 nm) nahezu transparent sind [8]. Die zweite bemerkenswerte Beobachtung ist, dass die Form der IAD der einzelnen Ionen bei verschiedenen Flussraten nahezu unverändert bleibt. Egal welche Reaktionen oder Effekte für die Limitierung der Ionensignale verantwortlich sind, unter den gegebenen Bedingungen und den Verhältnissen in der Ionenquelle haben sie keinen sichtbaren Einfluss auf die Form der IAD. Hier wird wieder deutlich, dass die Bestimmung Ionenakzeptanzverteilung wertvolle Informationen liefert, welche eine Hilfe zur Überprüfung mechanistischer Thesen sein können. Die schon angesprochene Erzeugung von Ionen durch Toluol beruht auf seiner Wirkung als Dopant, also als Vermittler zwischen Photoionisation und Analyt. Toluol führt bei vielen Analyten zur starken Bildung des MH + -Ions. Der dafür angenommene Mechanismus entspricht Reaktion 4.2 auf Seite 47 [20][27], Toluol wird also selbst durch das Laserlicht ionisiert und protoniert dann den Analyt. Die Zugabe von Toluol bei den IAD-Messungen erzeugte, wie erwartet, starke Anstiege des MH + Signals von Nikotin. Dieses wird durch die Zugabe von circa 0.1 %vol Toluol etwa dreimal größer als ohne Dopant. Toluol ist also ganz offensichtlich in dieser Funktion wirksam und zeigt unter den Bedingungen der Messungen keine signifikante Änderung der IAD-Form. Die fehlende Differenz der räumlichen Ionenakzeptanzverteilungen zwischen Ionen, welche auf verschiedenem Weg entstanden sein müssen, ist bei dem größten Teil der Messungen an der vorgestellten APLI-Ionenquelle aufgetreten. Dass dies durchaus nicht selbstverständlich ist, zeigen die schon erwähnten früheren Ergebnisse an einer anderen Ionenquelle [21][22]. Hier waren deutliche räumliche und daher auch reaktionskinetische Differenzen zwischen den IADs verschiedener Ionen-Signale zu beobachten, welche in der Interpretation interessante Schlussfolgerungen ermöglichten. Dass solche Effekte in den dieser Arbeit zugrundeliegenden Messungen hingegen kaum zu sehen sind, liegt aller Wahrscheinlichkeit nach an dem stark unterschiedlichen Aufbau der Ionenquellen. Offenbar herrschen in der hier untersuchten Quelle Bedingungen, die die Ausbildung einer räumlichen Trennung unterdrücken bzw. deutlich erschweren. In einigen Messungen sind allerdings durchaus interessante Differenzen zwischen den IAD zu beobachten, wie Abbildung 4.19 auf der nächsten Seite zeigt. Hier ist die Verschiebung des Maximums nach oben und der deutlich flachere Anstieg, also die geringere Größe des 50

57 4.3 Interpretation und Diskussion Abbildung 4.19: IAD des MH + -Ions des Nikotin (links) und des M + -Ion des Benz[a]pyren (rechts), die Formdifferenzen und die unterschiedliche Lage der Maxima sind deutlich erkennbar Gradientenbetrages im Bereich des Maximums, bei den MH + -Ionen des Nikotin zu sehen. Eines der seltenen Beispiele für eine sehr deutliche Differenz zwischen den IAD zweier Ionen zeigt Abbildung 4.20 auf der nächsten Seite. Durch Tuning des MS auf den Nachweis kleiner Massen, ist es bei dieser Messung erstmalig gelungen, dass mit 92 amu relativ leichte Toluol bei einer IAD Bestimmung direkt im Vergleich zu einem durch die Dopantwirkung ionisierbaren Analyt, hier Nikotin, zu beobachten. Vergleicht man die beiden gezeigten IAD, fällt deutlich auf, dass sich die Ionensignale des Dopants und der hauptsächlich durch ihn ionisierten Ionen räumlich nahezu ausschließen. Dieser Effekt war ähnlich auch unter anderen elektrischen Bedingungen in der Ionenquelle zu beobachten, verdient also nähere Betrachtung. Die genaue Analyse und Interpretation dieser Beobachtungen und der ebenfalls sehr interessante Vergleich zwischen verschiedenen Ionenquellen würde den Rahmen dieser Arbeit allerdings bei weitem sprengen. Hier wurde in diesem Zusammenhang nur die Oberfläche der Vorgänge in den APLI-Quellen berührt. Dennoch zeigen die vorliegenden Ergebnisse deutlich, dass IAD-Messungen auch in zukünftigen Untersuchungen eine zentrale Rollen spielen werden und dass es sich lohnt, bei mechanistischen Untersuchungen den nötigen experimentellen Mehraufwand zu betreiben. 51