Triple-Quadrupol-Massenspektrometer

Teil-1: Steigerung der Sensitivität

Triple-Quadrupol-Systeme sind in der LC-MS/MS die Standardinstrumente für die quantitative Analytik. Neue Technologien, schnellere Elektronik und innovative Software-Entwicklungen zeigen sich in deutlich gesteigerter Nachweisempfindlichkeit, höherer Selektivität und in erweiterten Funktionalitäten der aktuellen Modelle. Durch diese Fortschritte helfen moderne Triple-Quadrupol-Massenspektrometer auch bei der automatischen Verifizierung und steigern den Probendurchsatz. Einige der wichtigsten Features sollen hier skizziert werden.

Die Auswahl beschränkt sich bewusst auf Triple-Quad-Geräte, da sie als der "Gold-Standard" für hochempfindliches und präzises Quantifizieren gelten und sich zunehmend in Routinelabors durchsetzen. Auf spezielle Neuerungen, wie die Orbitrap-Technik (besondere Art von Ionenfalle mit ähnlichem Prinzip wie Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-MS (FT-ICR-MS); Orbitraps von Thermo Fisher Scientific nutzen im Vergleich dazu anstatt eines Magnetfeldes ein elektrostatisches Feld und kommen daher ohne die teure Kühlung mit flüssigem Helium aus oder die aktuelle Synapt-Generation von Waters (Kombination von hochauflösender, orthogonal-beschleunigender TOF-Technik mit verbesserter Ionenmobilitätsspektrometrie) kann aus Platzgründen nicht eingegangen werden. Gleiches gilt für die zunehmend weiter verbreiteten Tandemmassenspektrometer mit Time-of-Flight-Technik (TOF), die sich besonders für Non-Target-Screenings eignen und von vielen Herstellern angeboten werden. Features, welche die beschriebenen Sensitivitätsverbesserungen betreffen, werden auch oft von TOF-Modellen genutzt.

Hinweis: Diese Darstellung von aktuellen Features ist als Überblick konzipiert und erhebt schon wegen des rasch wachsenden Marktes keinesfalls Anspruch auf Vollständigkeit. Der verständlicherweise begrenzte Umfang des Artikels führt zwangsweise zu einer subjektiven Auswahl des Autors und erlaubt leider keine ausführliche Darstellung aller Features aller Anbieter in gleichem Ausmaß. Weder Auswahl, noch Umfang und Reihenfolge stellen in irgendeiner Form eine Wertung oder ein Ranking von Produkten oder Herstellern dar. Alle Abbildungen (siehe ©-Angaben) und manche Funktionsbeschreibungen wurden zum Teil von den Herstellern übernommen, adaptiert und gegebenenfalls zur besseren Veranschaulichung modifiziert.

Die klassische lineare Anordnung der drei Quadrupole wurde durch Biegen des Ionenstrahls von Thermo Fisher Scientific um 90° und von AB Sciex um 180° abgewandelt (quadratischer Formfaktor; Bild 1), um den Platzbedarf zu minimieren und störende Neutralteilchen zu eliminieren (reduzierter Signaluntergrund). Je kompakter der Formfaktor der Bauart, desto günstiger sind auch die Voraussetzungen für das (schnelle) Erreichen des notwendigen hohen Vakuums. Shimadzu baut das Modell (LCMS-8080) im sogenannten Tower-Design gleich in die Höhe und erreicht damit den kleinsten "Foot Print" der Triple-Quad-Geräte.

Die Neuentwicklungen der renommierten Hersteller von Triple-Quad-Systemen stellen die derzeit höchste Sensitivitätsstufe dieser Geräteklasse dar und können durch neue verbesserte Elektronikkomponenten sehr schnelle Polaritätswechsel vollziehen.

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Polarity Switching

Die Bilder finden Sie in unserer Bildergalerie "Triple-Quadrupol-Massenspektrometer".

Bei vielen Substanzklassen wie Pestiziden und Mykotoxinen können nicht alle Zielanalyten ausschließlich im positiven bzw. negativen Ionenmodus mit ausreichender Empfindlichkeit gemessen werden. Um Doppelanalysen, d.h. eigene Läufe im positiven und negativen Modus zu vermeiden, haben die Hersteller bei aktuellen Systemen die Polaritätswechsel ("Polarity Switching") durch leistungsfähigere Elektronik beschleunigt.

So benötigt Thermo 100 ms (Vantage) bzw. 20 ms (Quantiva), Agilent hat die Schaltzeiten bei allen Systemen seit 2012 auf 30 ms beschleunigt und AB Sciex kommt jetzt mit 50 ms (5500) bzw. beim neuesten Modell (6500) mit nur noch 20 ms aus. Bruker steigt mit 25 ms (Evoq) am Triple-Quad-Markt ein, Waters kostet die Umschaltung auch nur 20 ms (Xevo) und Shimadzu schaltet mit 5 ms und einer Scangeschwindigkeit von 30000 u/s (LCMS-8050) derzeit am schnellsten.

Erreicht wird das bei Shimadzu dank einer sogenannten "Bypass"-Stromversorgung, die schon nach sehr kurzer Zeit ein stabiles Spannungsniveau für reproduzierbare Signalflächen im negativen sowie positiven Modus bereitstellt. Die patentierte Technologie erlaubt hohe Scangeschwindigkeiten bei gleichbleibenden 0,1 Da Scanabständen. Dank eines angelegten Spannungsausgleichs werden die Ionen beschleunigt, wodurch diese hohen Scanraten ohne den sonst üblichen Empfindlichkeitsverlust erreicht werden können.

Chip-Technologie

Speziell für die Nanospray-LC-MS hat Agilent die "Microfluidic-Chip"-Technologie entwickelt. Direkt an die Elektrospray-Ionenquelle (ESI) gekoppelt, kommen sie mit den sehr geringen Flussraten einer Sensitivitätssteigerung unmittelbar entgegen.

Auf den Leiterbahnen des HPLC-Chips lassen sich Anreicherungs- und Trennsäulen, Nanospray-Tip inklusive Fittings und Verbindungskapillaren integrieren. Sie sind so ausgelegt, dass komplette Workflows mit Nano- und Picoflussraten abgebildet werden können. Das Chip-Modul wird in einen sogenannten "Chip-Cube" gesteckt, der direkt am Massenspektrometer montiert ist. Mittels Stator- und (Doppel-)Rotoranschluss übernimmt er vom automatischen Laden des Chips bis zum High Pressure Flow Switching die Kontrolle über alle Abläufe (Bild 2).

Sensitivität

Auf dem Wunschzettel der Anwender stehen hohe Nachweisempfindlichkeit und Selektivität ganz oben. Die Entwicklung einer Analysenmethode ist letztlich vom Streben nach möglichst hoher Selektivität geprägt. Stellt das Analysengerät eine genügend hohe Selektivität, d.h. Diskriminierung von Störsubstanzen zur Verfügung, kann der Gesamtaufwand der Methode reduziert werden. Das kann im Idealfall sogar den sogenannten "Dilute and Shoot"-Ansatz ermöglichen. D.h. die Probe wird nach der Extraktion nur verdünnt, bevor sie dem Gerät "zugemutet" wird.

Bei komplexen Gemischen von Zielanalyten wie z.B. Pestiziden oder Mykotoxinen, die sehr unterschiedlichen chemischen Klassen angehören, stellt schon die vollständige Extraktion aller Zielanalyten eine Herausforderung dar. Eine gemeinsame Aufreinigung (Clean up) lässt meist zu wünschen übrig oder ist oft auch gar nicht möglich. Durch die enorme Belastung mit simultan eluierenden Matrixbestandteilen treten in der Ionenquelle jedoch die gefürchteten Matrixeffekte auf. Das äußert sich meist in einer Reduktion (Ion Suppression) und seltener in einer Erhöhung der Ionisierungsrate (Ion Enhancement) von Zielanalyten durch simultan eluierende Matrixbestandteile.

In beiden Fällen kann die Quantifizierung durch solche Matrixeffekte erheblich beeinträchtigt werden. Der Einfluss der Störstoffe kann bei Dilute and Shoot durch entsprechende Verdünnung der Messlösungen reduziert werden. Nicht zuletzt deshalb ist die Steigerung der Nachweisempfindlichkeit bei neuen Geräten so dringend erwünscht.

Um die Sensitivität bzw. das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, wird technisch an drei Stellen angesetzt (veranschaulicht am Beispiel des sogenannten "IonDrive"-Konzeptes von AB Sciex):

  • Erhöhung der Ionisationsrate.
  • Verbesserung der Ionen-Transmissionseffizienz.
  • Empfindlichkeitssteigerung der Detektion von Ionen im Elektronmultiplier.

Systembedingt wird leider nur ein Bruchteil der eluierenden Analyten tatsächlich in verwertbare Ionen überführt (Ionisierungsrate 0,1 ... 1 %). Durch effizienteren Wärmetransfer (stärkere/größere Heizelemente) wird versucht, mehr Analyten rascher in die Dampfphase zu bringen (Bild 3; gelb gekennzeichneter, verbreiterter, heißer Stickstoffstrom). Der resultierende, größere Verdampfungsbereich sollte im Betrieb auch robuster gegen Fluktuationen von Eluenten- und Gasflüssen sein.

Agilent hat zur Erhöhung der Ionisationsrate die sogenannte "Jet-Stream"-Technik in Verwendung, die man sich als eine Art achsiale "thermische Einfassung" des dispergierenden ESI-Sprays vorstellen darf. Durch den umhüllenden und damit fokussierenden N2-Strom soll eine effizientere Verdampfung des Lösungsmittels und eine engere ionenreiche Zone entstehen (Bild 4).

Bruker nennt ihre diesbezügliche Technik "VIP" (Vacuum Insulated Probe), bei der eine spezielle Vakuum-Isolierung zum Einsatz kommt.

Bündelung dispergierender Ionen

Im Ringen um Empfindlichkeit ist es auch notwendig, den Ionenstrom von der Ionenquelle in den Hochvakuumteil durch "Aufbohren" des Orifice (Öffnung zwischen der Ionenquelle unter Normaldruck und dem Massenanalysator im Hochvakuum), bzw. Verwendung von 6-fachen Transferkapillaren (mehrere parallele Bohrungen beim Agilent 6490 sollen 10 mal so viel Ionen transferieren) zu erhöhen (Bild 12 linker Bereich). Um die dispergierenden Ionen wieder zu bündeln und möglichst vollständig zum MS-Analyzer zu transferieren, gehen die Hersteller teilweise unterschiedliche Wege.

Thermo setzt dabei auf einen mehrfach leicht abgewinkelten Weg durch eine Transferkapillare mit einem anschließenden Linsenstapel ("G2 Ion Optics" mit "S-Lens") (Bild 5).

Eine aktuelle Neuentwicklung von Thermo Scientific (TSQ Quantiva) verwendet einen sogenannten Electrodynamic Ion Funnel (EDIF) zur Fokussierung der Ionenwolke. Dabei ist dieses Design, wie in Bild 6 ersichtlich, trichterförmig abgewandelt worden. Der sogenannte "Neutral-Blocker" soll Interferenzen mit ungeladenen Teilchen unterbinden (Bild 7).

Der dispergierende Ionenstrahl wird bei AB Sciex durch die Ionenoptik "QJet 2" (Bild 1 links) bzw. neuerdings mittels "IonDrive™ QJet" refokussiert. Diese Weiterentwicklung nennt sich "Dual Stage RF Ion Guide", dessen erste Stufe eine größere Öffnung aufweist. In der zweiten Stufe verringert sich der Durchmesser, um eine bessere Fokussierung der Ionen in den Q0 hinein zu erzielen (Bild 8). Damit sollen mehr Ionen transferiert werden, aber weniger Neutralteilchen den Q0 erreichen.

Eine wichtige Rolle bei der Verdrängung von nicht-ionischen Störsubstanzen spielt z.B. bei AB Sciex der sogenannte Stickstoffvorhang (Bild 9). Ein ähnliches System verwendet auch Bruker (Bild 10).

Abgesehen von der Orifice-Bohrung und dem Fluss des Stickstoff-Stromes, spielt dabei die Breite des Curtain-Plate-Spaltes eine wichtige Rolle. Mit Hilfe von Computersimulationen (Bild 11) konnte gezeigt werden, dass unter den gegebenen Umständen eine Erweiterung des Querschnittes einen robusteren Schutz davor bieten kann, dass zu viel N2 in das Vakuum fließt.

Agilent hat zur Fokussierung dispergierender Ionen nach einer Transferkapillare mit sechs Bohrungen ein gestaffeltes 2-stufiges Linsensystem entwickelt, das als "Ion-Funnel" bezeichnet wird (Bild 12). Der achsiale Versatz des Hochdruck-Ionentrichters gegen den Niederdruck-Ionentrichter und der Hexabore-Transferkapillare soll verhindern, dass Neutralteilchen direkt in den MS-Analysator gelangen und das Rauschen erhöhen. Die beiden Ionentrichter bestehen aus gedruckten Schaltkreisen mit sehr kleinen Gold-Oberflächen und geringem kapazitiven Wiederstand. Dadurch wird ein schnelles Umschalten der Polarität gewährleistet. Durch gezielte Ansteuerung der einzelnen Elemente erreicht man die Fokussierung des Ionenstrahls (Bild 13).

Ein ähnliches Prinzip wird auch von Bruker beim neuen Evoq verwendet (Bild 14).

Zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Hochvakuums sind gerade bei Systemen mit größerem Öffnungsquerschnitt zwischen Ionenquelle (Normaldruck) und den Massenanalysatoren (Hochvakuum) stärkere bzw. manchmal sogar zwei Turbomolekularpumpen notwendig. Alle diese Maßnahmen zur Steigerung von Empfindlichkeit und Selektivität sind mit entsprechendem technischem Mehraufwand verbunden und schlagen sich entsprechend in den Kosten für diese hochempfindlichen Systeme nieder.

Dwell Time

Aber nicht nur Verbesserungen an der Hardware sind für Sensitivitätssteigerungen erforderlich, auch intelligente Software kann dazu beitragen. Um eine bestimmte, für die Definition eines Peaks notwendige Anzahl an Datenpunkten zu erreichen (z.B. 12 ... 20), muss bei der Registrierung mehrerer simultaner MRM-Spuren (Multiple Reaction Monitoring) die Verweilzeit (Dwell Time) jedes Überganges entsprechend reduziert werden. Das verschlechtert allerdings auch das Signal/Rausch-Verhältnis. Man ist daher daran interessiert, die Anzahl an simultanen MRM-Messungen zu minimieren.

Bei umfangreichen Multimethoden (z.B. Pestizid-, Wasserkontaminanten- oder forensisches Screening) sind viele Hunderte MRM-Übergänge in einem LC-Lauf keine Seltenheit. Notwendige Überlappungen, d.h. simultane Messungen von Ionenübergängen, sind hier nicht mehr zu vermeiden und beeinträchtigen entsprechend die Nachweisempfindlichkeit in den betroffenen Elutionsbereichen. Neue Softwarefunktionen wie z.B. "Scheduled MRM Pro Algorithm" (AB Sciex) bzw. "Dynamic MRM" (Agilent) etc. helfen hier bei der automatischen Optimierung der Positionierung und Dauer der einzelnen MRM-Messbereiche (Bild 15). Seit kurzer Zeit ist diese Funktionalität auch unter Berücksichtigung des simultanen Polarity Switching und mit einer dynamischen Fensterbreitenanpassung möglich. Das System benötigt dazu für jeden Zielanalyten Informationen zur erwarteten Retentionszeit und Peakbreite.

Autor:
Wolfgang Brodacz
AGES
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit, Lebensmittelsicherheit - Kontaminantenanalytik, Linz,
wolfgang.brodacz@ages.at

Hinweis:
Die Bilder finden Sie in unserer Bildergalerie "Triple-Quadrupol-Massenspektrometer".
Demnächst wird auf die neuesten Entwicklungen zur Steigerung der Selektivität im zweiten Teil des Berichtes näher eingegangen.

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