AT413463B - Verfahren zur gewinnung eines ausgangs-ionenstroms - Google Patents

Description

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AT 413 463 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-Ionenstroms, wobei bei der Ionisation eines Quellgases in einem lonisationsbereich gebildete Ionen und/oder aus dem lonisationsbereich extrahierte Ionen solange in einem Bereich, in welchem sich Quellgas befindet, reagieren gelassen wer-5 den, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-Ionensorten vorliegen, die nicht mit dem Quellgas reagieren.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der AT 001 637 U1 bekannt. In dieser Schrift ist ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus H30+-lonen bestehenden lonenstroms io beschrieben. Hierzu wird in einem lonisationsbereich mittels einer lonenquelle Wasserdampf ionisiert, wodurch verschiedene Ionen gebildet werden (0+, OH+, H+, H2+......). Diese Ionen werden mittels eines schwachen elektrischen Feldes in einen außerhalb des lonisationsberei-ches sich befindenden Bereich extrahiert und werden solange in diesem Bereich, in welchem sich H20 mit einem Druck oberhalb 0,01 Torr befindet, belassen, bis sich auch die zunächst von 15 H30+-lonen verschiedenen Ionen durch Folgereaktionen in H30+-lonen umgewandelt haben. In diesem Bereich und/oder in einem daran anschließenden Bereich wird der lonenstrom weiters durch ein elektrisches Feld geführt, dessen Feldstärke ausreichend hoch ist, sodass durch Assoziationsreaktionen gebildete H30+.(H20)n-Clusterionen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen mit neutralen Stoßpartnern genügend kinetische Energie erlangt haben, damit 20 diese Stöße überwiegend dissoziativ sind. Es wird dadurch die Bildung von solchen Clusterionen verhindert bzw. weitgehend rückgängig gemacht. Zur Verbesserung dieser Dissoziationsreaktionen kann dem H20 auch ein zusätzliches Gas, wie Ar, Kr oder N2 zugemischt werden, welches den Clusterionen als Stoßpartner dient mit den H30+-lonen aber nicht chemisch reagiert. 25

Ein solcher im Wesentlichen aus H30+-lonen bestehender lonenstrom kann insbesondere als Primärionenstrom für die chemische Ionisation eines Probegases durch Protonentausch-Reaktionen eingesetzt werden, um die gebildeten Ionen des Probegases massenspektrome-risch zu untersuchen. Diese Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie, kurz PTR-MS, ist 30 in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen beschrieben. Es handelt sich hierbei um eine spezielle Art der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS), welche ebenfalls in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen beschrieben ist.

In der AT 406 206 B ist weiters ein vom Verfahrensablauf her zum aus der AT 001 637 U1 35 bekannten Verfahren analoges zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus NH4+-lonen bestehenden lonenstroms bekannt. Als Quellgas wird hierzu Ammoniak (NH3) ionisiert und die gebildeten Ionen werden nach Extraktion aus dem lonisationsbereich solange in einem Bereich mit einem Ammoniumdruck von oberhalb 0,01 Torr (1,33 Pascal) belassen, bis sich der im Wesentlichen nur aus NH4+-lonen bestehende lonenstrom gebildet hat (wobei zur Verhinderung bzw. 40 Rückgängigmachung der Bildung von Clusterionen wiederum eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke zur Induzierung von Stößen angelegt wird).

Aus der AT 403 214 B ist es weiters bekannt, in eine lonenquelle unterschiedliche Quellgase einzubringen und aus den in der lonenquelle aus verschiedenen neutralen Atomen oder Mole-45 külen der Quellgase erzeugte Primärionenarten durch eine Filtereinrichtung alle bis auf eine Primärionenart auszufiltern. Die verbleibende Primärionenart wird in den Reaktionsraum durchtreten gelassen und im Reaktionsraum mit einem Probegas reagieren gelassen, wobei die durch lonen-Molekülreaktionen (z.B. Protonenaustausch-Reaktionen) entstehenden Reaktionsprodukte mit einem Massenspektrometer untersucht werden. Nachteilig hierbei ist das zusätz-50 lieh erforderliche, die Filtereinrichtung bildende Massenspektrometer.

Die Gewinnung von nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-Ionenströmen ohne eine solche massenspektrometrische Filterung, wie sie aus der AT 403 214 B bekannt ist, ist durch die Verfahren der AT 001 637 U1 bzw. AT 406 206 B nur für wenige lonensorten mög-55 lieh, insbesondere für H30+-lonen, NH4+-lonen und H3+-lonen. Nur bei wenigen Quellgasen 3

AT 413 463 B bilden sich auf die in diesen beiden Schriften beschriebene Art und Weise Ausgangs-Ionenströme, die im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehen. Derartige Quellgase sind in der Fachliteratur als "CI Reagent Gases" beschrieben. 5 In der EP 000 865 A1 ist die Untersuchung eines Substanzgases beschrieben, welches zu diesem Zweck durch lonen-Molekül-Reaktionen ionisiert wird. Die chemische Ionisierung des Substanzgases erfolgt in einem hier als Ionisationskammer beschriebenen Raum (der üblicherweise auch als "Drift Tube") bezeichnet wird. Der Ionisationskammer wird partiell ionisiertes Primärgas aus einer lonenquelle zugeführt, welche hier als Gasentladungskammer ausgebildet io ist. Der Ionisationskammer wird neben dem Substanzgas auch ein Reaktantgas zugeführt, welches mit den von der lonenquelle in die Ionisationskammer eintretenden Ionen reagiert und seinerseits das Substanzgas ionisiert. In der Ionisationskammer befindet sich somit ein Gemisch aus den mehr oder weniger ionisierten Komponenten des Primärgases, Reaktantgases und Substanzgases. Eine Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte 15 bestehenden Ausgangs-Ionenstroms geht aus dieser Schrift nicht hervor. Zur Ausgangsöffnung der Ionisationskammer werden sowohl die ionisierten Primärteilchen wie auch die Reaktantgas-und Substanzionen geführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Spektrum an erzeugbaren Ausgangs-Ionenströmen, die im 20 Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehen, zu erweitern, ohne dass hierzu eine massenspektrometrische Filterung (wie in der AT 403 214 B beschrieben) erforderlich ist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere möglich im Wesentlichen nur aus 25 einer einzigen lonensorte bestehende Ausgangs-Ionenströme zu erzeugen, welche bei direkter Zugabe des Reaktantgases in den primären lonisationsbereich aufgrund der in diesem Bereich anwesenden verschiedenen Spezies (Ionen, Elektronen, Atome, Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle) nicht in dieser Form entstehen würden. Würde zum Beispiel Stickstoff (N2) dem Quellgas H2 beigemischt, so würde im Plasma des primären lonisierungsberei-30 ches neutrales NH3 entstehen (vgl.: ref 1: Fuji et al., Int. J. Mass Spectrom. 216, 169, 2002). H3+ würde so bevorzugt mit NH3 in der Reaktion H3+ + NH3 -► NH4+ + H2 reagieren und die Erzeugung eines N2H+-Ausgangsionenstroms (wie weiter unten erläutert) wäre nicht möglich.

Die Zugabe des Reaktantgases in einen vom primären lonisationsraum räumlich getrennten 35 Reaktionsbereich hat weiters den Vorteil, dass auch Gase beigemengt werden können, deren Anwesenheit im primären lonisationsbereich problematisch wäre, z.B. NO in Filament-lonenenquellen (führt zu raschem Filamentbruch) oder kohlenstoffhaltige Gase in Plasmaionenquellen (führt zu Kohlenstoffabscheidungen). 40 Bevorzugerweise werden geeignete Maßnahmen getroffen, so dass eine Rückströmung des Reaktantgases vom Reaktionsbereich in den lonisationsbereich im Wesentlichen unterbunden wird, d.h. weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% des Partialdrucks im lonisationsbereich soll vom Reaktantgas oder daraus gebildeten Produkten herrühren. Hierzu können beispielsweise die den lonisationsbereich und den Reaktionsbereich bildenden Räume durch ein 45 oder mehrere Zwischenwände getrennt sein, wobei in einer jeweiligen Zwischenwand eine Blendenöffnung angeordnet ist, und durch entsprechende Pumpeinrichtungen ein in Richtung vom lonisationsbereich zum Reaktionsbereich weisender Gasfluss durch mindestens eine der Blendenöffnungen aufrecht erhalten werden. Auch Zwischenabpumpungen zwischen den Bereichen sind denkbar und möglich. 50

Prinzipiell wäre es - zumindest in einigen Anwendungsfällen - denkbar und möglich, die aus dem lonisationsbereich extrahierten Ionen direkt in den Reaktionsbereich zu führen. Bevorzugt ist es aber, die aus dem lonisationsbereich extrahierten Ionen zunächst in einen Zwischenbereich zu führen, in welchem sie solange belassen werden, bis sich auch die zunächst noch von 55 der ein oder mehreren Quell-Ionensorten verschiedenen Ionen im Wesentlichen (d.h. zu mehr 4

AT 413 463 B als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95%) in Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten umgewandelt haben. Von diesem Zwischenbereich können in der Folge Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten in den Reaktionsbereich extrahiert werden, in dem sie durch Zugabe des Reaktantgases in die einzige lonensorte des Ausgangsionenstroms im Wesentlichen 5 (d.h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95%) umgewandelt werden.

Falls die Extraktion von Ionen aus dem lonisationsbereich direkt in den Reaktionsbereich erfolgt, sind die Reaktionen der bei der Ionisation gebildeten Ionen zu den Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten im Wesentlichen bereits im lonisationsbereich erfolgt oder diese io Reaktionen finden hauptsächlich oder zum Teil im Reaktionsbereich statt. Es muss dazu Quellgas mit einem ausreichenden Druck (beispielsweise mehr als 1 Pascal) im Reaktionsbereich vorhanden sein. Weiters soll das Reaktantgas möglichst nicht mit Ionen, welche noch nicht in Ionen der einen oder mehreren Quell-Ionensorten umgewandelt worden sind, reagieren. Bei manchen Kombinationen von Quellgasen und Reaktantgasen ist dies der Fall. Denkbar und 15 möglich wäre es, in speziellen Fällen, von den Primärionen und/oder Folgeprodukten störende lonensorten (die mit dem Reaktantgas zu unerwünschten lonensorten reagieren) durch Zugabe eines geeigneten Zusatzgases in nicht störende Ionen umzuwandeln.

Als Quellgas kann ein Reingas oder ein Gasgemisch verwendet werden. Für das Reaktantgas 20 ist die Verwendung eines Reingases bevorzugt, wobei die Verwendung von Gasgemischen ebenfalls denkbar und möglich wäre.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigt die einzige Fig. eine stark schematisierte Darstellung einer Einrichtung, 25 mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.

Die in der Fig. schematisch dargestellte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist drei Bereiche auf. Dem primären lonisationsbereich A wird durch eine Zuführung 1 ein Quellgas zugeführt. Im lonisationsbereich A ist eine nicht im Einzelnen dargestellte 30 lonenquelle bzw. lonisationseinrichtung 2 angeordnet. Die primäre Ionisation des Quellgases erfolgt z.B. durch Elektronenemission aus einem Filament, durch ionisierende Strahlung (z.B. α-Teilchen), durch eine elektrische Entladung oder andere lonisationsverfahren. Die Wahl des primären lonisationsverfahrens ist für die gegenständliche Erfindung nicht relevant. 35 Als Quellgas wird ein Reingas, z.B. Wasserstoff (H2), oder ein Gasgemisch, z.B. H2-Argon (Ar) oder Stickstoff (N2)-Distickstoffmonoxid (N20), verwendet. Totaldruck und Partialdrücke hängen von der Wahl des lonisationsverfahrens (Niederdruck- oder Hochdruck-Ionenquelle) ab.

Im primären lonisationsbereich A existiert eine Vielzahl von Spezies (Ionen, Elektronen, Atome, 40 Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle).

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes geeigneter Polarität werden entweder positive oder negative Ionen durch eine Blendenöffnung 3 in einer Zwischenwand 4 in den Zwischenbereich B extrahiert. Der erzeugte lonenstrom ist in der Regel nicht selektiv, d.h. er besteht im Allge-45 meinen aus verschiedenen lonensorten:

Im Fall von H2 als Quellgas besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener Ionen aus H+, H2+, H3+ und H3+*H2. so Im Fall eines H2-Ar-Gemisches besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener Ionen aus Ar+, Ar2+, ArH+, ArH2\ ArH2+, H+, H2\ H3\ Η3+·Η2.

Im Fall eines N2-N20-Gemisches besteht der extrahierbare negative lonenstrom aus vornehmlich O'-Ionen, mit Spuren von NO'-lonen. (vgl. ref2: A.P. Bruins et al„ Adv. Mass Spectrom. 7, 355, 1978). 55 5

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Die Relativanteile der beispielhaft angeführten, extrahierbaren lonensorten hängen von verschiedenen Quellparametem (Totaldruck des Quellgases bzw. Partialdrücke der verschiedenen Quellgaskomponenten, Temperatur, u.a.) ab. Neben einfach geladenen Ionen können - in Abhängigkeit von der lonenquelle und vom Quellgas - auch mehrfach geladene Ionen auftreten 5 und extrahiert werden.

Der Zwischenbereich B wird mit dem Quellgas (Totaldruck > 0,01 mbar, Teilchengasdichte NB) gespeist. Die Speisung kann durch aus dem lonisationsbereich A in den Zwischenbereich strömendes Quellgas erfolgen. Es kann auch eine in der Fig. nicht dargestellte separate Zuführung io vorhanden sein. Der Druck des Quellgases im Zwischenbereich B kann ähnlich oder gleich wie der Druck des Quellgases im lonisationsbereich A sein. Im Zwischenbereich B wird durch Elektroden 5 ein elektrisches Feld der Feldstärke EB angelegt. Der Zwischenbereich befindet sich auf einer Temperatur TB. 15 Im Zwischenbereich B wechselwirken die aus dem primären lonisationsbereich A extrahierten Ionen mit dem Quellgas. Das Spektrum an Wechselwirkungen umfasst binäre lonen-Molekül-Reaktionen (z.B. H2+ + H2 -» H3+ + H), ternäre lonen-Molekül-Reaktionen (z.B. H+ + H2 + H2 -► H3+ + H2), stoßinduzierte Dissoziationsreaktionen (z.B. Η3+·Η2 + H2 -> H3+ + H2 + H2), sowie An-und Abregungsreaktionen (z.B. (H2+)*+ H2 —> H2+ + H2). 20

Die Parameter Eß/NB und TB definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen oder zu unterdrücken.

Durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen wird der, aus zahlreichen lonensorten beste-25 hende, aus dem primären lonisationsbereich A extrahierte lonenstrom in einen selektiven lonenstrom im Wesentlichen einer nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorte oder einen lonenstrom aus im Wesentlichen mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorten umgewandelt. Diese ein oder mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorten, d.h. sie sind gegenüber dem Quellgas "stabil", werden in dieser Schrift als "Quell-Ionensorten" 30 bezeichnet. Am Ausgang des Zwischenbereichs B, zu dem der lonenstrom durch das elektrische Feld Eb geführt wird, besteht der lonenstrom vorzugsweise zu mindestens 90% aus der einen oder mehreren Quell-Ionensorten, wobei ein Wert von mindestens 95% besonders bevorzugt ist. 35 Am Ausgang des Zwischenbereichs könnte der Anteil an Ionen der Quell-Ionensorten auch niedriger als der angegebene Wert von vorzugsweise 90% bzw. 95% sein, beispielsweise wenn am Ausgang des Zwischenbereichs noch ein Anteil von Clusterionen (z.B. H3+.H2) vorhanden ist, welcher erst im weiter unten beschriebenen Reaktionsbereich C durch Dissoziationsreaktionen in Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten (plus neutrales Quellgas) umgewandelt 40 wird, indem im Reaktionsbereich C ein elektrisches Feld mit einer ausreichenden Feldstärke zur Durchführung der erforderlichen stoßinduzierten Dissoziationsreaktionen angelegt wird.

Die Werte von Eß/NB und TB variieren je nach Anwendungsbeispiel. Denkbar und möglich wäre es auch zur Verbesserung der Effizienz der im Zwischenbereich B ablaufenden Dissoziations-45 reaktionen dem Quellgas ein zusätzliches Gas (z.B. Ar, Kr oder N2) zuzumischen, welches nicht mit den in den Zwischenbereich extrahierten Ionen über lonen-Molekülreaktionen reagiert sondern nur als Stoßpartner dient.

Im Fall von H2 als Quellgas entsteht ein selektiver H3+-lonenstrom. Es laufen hierbei lonen-50 Molekülreaktionen folgender Art ab: H2+ + H2 -► H3+ + H H+ + H2 + H2 —» H3+ + H2 55

Durch das angelegte elektrische Feld laufen weiters Dissoziationsreaktionen ab, welche gegen- 6

AT 413 463 B über den Assoziationsreaktionen überwiegen und durch die die Bildung von Clusterionen weitgehend rückgängig gemacht wird, bzw. ihre Bildung von vornherein verhindert wird: Η3+·Η2 + H2 -> H3+ + H2 + h2 5

Im Fall eines H2-Ar-Gemisches als Quellgas entsteht ebenfalls ein selektiver H3+-lonenstrom (vgl. ref3: Praxmarer et al„ J. Chem. Phys. 100 (12), 8884-8889, 1994). Auch bei anderen Quellgasgemischen von H2 mit einem Reingas X, dessen Protonenaffinität kleiner als die von H2 ist wird als Quell-Ionensorte H3+ gebildet. Falls die Protonenaffinität der Komponente X größer io als die von H2 ist, entstehen XH+-lonen als Quell-Ionensorte.

Im Fall des N2-N20-Quellgasgemisches werden die Reaktionsbedingungen so gewählt, dass ein selektiver O'-Ionenstrom erhalten bleibt (ref2). 15 Der Zwischen bereich B ist von herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung eines selektiven lonenstroms bereits bekannt (er entspricht den Bereichen B und C der AT 001 637 U1 und AT 406 206 B) und wird auch als "source drift region" bezeichnet. Der Zwischenbereich B könnte auch in zwei Unterbereiche B1 und B2 aufgeteilt sein. Im Bereich B1 würde dann das Quellgas vorliegen, die elektrische Feldstärke aber zu klein für Dissoziations-20 reaktionen sein. Im anschließenden Bereich B2 würde eine höhere Feldstärke vorliegen, um die Dissoziationsreaktionen hervorzurufen.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die entstandenen Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten durch eine Blendenöffnung 6 in einer Zwischenwand 7 in den Reaktions-25 bereich C extrahiert.

Im Reaktionsbereich C wird ein zusätzlicher, vom Quellgas in seiner chemischen Zusammensetzung verschiedener, reaktiver Stoßpartner beigemengt, der im Rahmen dieser Schrift als Reaktantgas bezeichnet wird. Das Reaktantgas kann von einem Reingas oder einem Gasge-30 misch gebildet werden. Der Totaldruck im Reaktionsbereich C beträgt mehr als 0,01 mbar (Teilchengasdichte Nc). Die Partialdrücke von Quellgas und Reaktantgas variieren in Abhängigkeit vom verwendeten Quell- und Reaktantgas. Die Beimengung des Reaktantgases erfolgt durch eine in der Fig. schematisch dargestellte Zuführung 8. Mittels Elektroden 9 wird ein elektrisches Feld der Feldstärke Ec angelegt. Der Reaktionsbereich C befindet sich auf einer Tem-35 peraturTc-

Durch lonen-Molekül-Reaktionen mit dem Reaktantgas wird der aus dem Zwischenbereich B extrahierte lonenstrom - vorzugsweise bestehend im Wesentlichen aus der einen oder mehreren Quell-Ionensorten - in einen Ausgangs-Ionenstrom umgewandelt, der im Wesentlichen, d.h. 40 zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95% aus einer einzigen lonensorte besteht. In der Praxis können Werte von bis zu mehr als 99% erreicht werden. Besteht der aus dem Zwischenbereich B extrahierte lonenstrom aus mehr als einer Quell-Ionensorte, so gelingt die Umwandlung in den im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-Ionenstrom dadurch, dass aus den Reaktionen der verschiedenen Quell-Ionensorten mit dem 45 Reaktantgas nur eine einzige Produktionensorte hervorgeht.

Die Parameter Ec/Nc und Tc definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen und andere zu unterdrücken, um einen selektiven Ausgangs-Ionenstrom einer lonensorte zu erzeugen. Beispielsweise so können durch geeignete Wahl der Feldstärke des Feldes Ec Dissoziationsreaktionen bewirkt werden, um die Bildung von Clusterionen rückgängig zu machen bzw. ihre Bildung von vorne-herein zu verhindern. Zur Verbesserung der Effizienz solcher Dissoziationsreaktionen könnte in den Reaktionsbereich C auch ein zusätzliches Gas zugemischt werden, welches nicht mit den im Reaktionsbereich C vorhandenen Ionen über lonen-Molekülreaktionen reagiert, sondern nur 55 als Stoßpartner dient. 7

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Durch das elektrische Feld Ec werden die Ionen durch den Reaktionsbereich C zum Ausgang 10 geführt.

Durch die Elektroden 5 im Zwischenbereich B und/oder durch die Elektroden 9 im Reaktionsbe-5 reich C wird bevorzugterweise ein elektrostatisches Potential erzeugt. Es ist hierbei bevorzugt, dass im Zwischenbereich B und/oder im Reaktionsbereich C ein homogenes elektrisches Feld Eb bzw. Ec erzeugt wird. Durch die Homogenität des elektrischen Feldes EB bzw. Ec können die Reaktionsbedingungen in vorteilhafter Weise manipuliert werden, d.h. gewisse Reaktionskanäle bevorzugt oder unterdrückt werden. 10

Durch den Wechsel des Reaktantgases können auf einfachem, schnellem Wege unterschiedliche selektive Ausgangs-Ionenströme (d.h. im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehende Ausgangs-Ionenströme) erzeugt werden, welche z.B. als Primärionen für chemische lonisationsverfahren genutzt werden können. Solche chemische lonisationsverfahren 15 werden zum Beispiel bei der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS) oder der Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS) eingesetzt. Es wird dabei ein zu untersuchendes Substanzgas mittels des Ausgangs-Ionenstroms in einer Drift Tube ionisiert und in der Folge massenspektrometrisch untersucht. Der Reaktionsbereich C bleibt dabei aber im Wesentlichen frei von dem zu untersuchenden Substanzgas, d.h. der Partialdruck des Sub-20 stanzgases im Reaktionsbereich C beträgt weniger als 1/10 des Partialdruckes des Substanzgases in der Drift Tube. Im Reaktionsbereich C sollen abgesehen von den Komponenten des Quell- und Reaktionsgases bevorzugterweise weniger als 50 ppm an anderen reaktiven Komponenten (=reaktiven Verunreinigungen) vorliegen (die beispielsweise von rückströmenden Komponenten eines zu analysierenden Substanzgases gebildet werden), wobei ein Wert von 25 weniger als 25 ppm besonders bevorzugt ist. Nicht reaktive Komponenten (z.B. Stickstoff) können dagegen mit höheren Anteilen vorliegen.

Die lonensorte am Ausgang 10 unterscheidet sich von der einen bzw. den mehreren Quell-lonensorten. 30

Falls als Quell-Ionensorte am Ausgang des Zwischenbereichs B H3+-lonen extrahiert werden, so sind aus diesen beispielsweise Ausgangs-Ionenströme erzeugbar, welche als jeweils im Wesentlichen einzige lonensorte folgende Ionen aufweisen: N2H\ H30+, NO\ NH4+. Reaktantgase, welche mit dem H3+-lonenstrom aus dem Zwischenbereich B zu der jeweiligen, den Ausgangs-35 lonenstrom bildenden einzigen lonensorte reagieren, sind:

Stickstoff (N2): H3+ + N2 -> N2H+ + H2 entstehender selektiver Ausgangs-Ionenstrom: N2H+ H3+ + HzO -> H30+ + H2 h3o+ H3+ + NO -> HNO+ + H2 HNO+ + NO -> NO+ + HNO NO+ H3+ + NH3 -► NH4+ + H2 nh4+

Wasser (H20): 40 entstehender selektiver Ausgangs-Ionenstrom:

Stickstoffmonoxid (NO): entstehender selektiver Ausgangs-Ionenstrom: 45

Ammoniak (NH3): entstehender selektiver lonenstrom:

Ein selektiver OH -Ausgangs-Ionenstrom kann aus dem aus dem Zwischenbereich B extrahier-50 ten O'-Ionenstrom mittels der Reaktantgase Methan (CH4) oder H2 gewonnen werden:

0' + CH4 -► OH' + CH3 0' + H2 —► OH' + H 55 Falls als Quell-Ionensorte XH+-lonen vorliegen, wobei X eine Komponente des Quellgases ist,

Claims (12)

1. 8 AT 413 463 B dessen Protonenaffinität größer als H2 ist, so entsteht mit N2 als Reaktantgas als Ausgangsionenstrom N2H+, wenn die Protonenaffinität der Komponente X kleiner als diejenige von N2 ist. Mit H20 als Reaktantgas entsteht, falls die Protonenaffinität von X kleiner als die Protonenaffinität von H20 ist, als im Wesentlichen einzige lonensorte des Ausgangsionenstroms H30+. 5 Grundsätzlich wäre es auch denkbar und möglich, dass der Zwischenbereich B entfällt. Die Reaktionen der im lonisationsbereich gebildeten Ionen zu der nicht mit dem Quellgas reagierenden Quell-Ionensorte bzw. den mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden Quell-lonensorten könnte dann entweder schon im lonisationsbereich im Wesentlichen vollständig io ablaufen und/oder nach der Extraktion der (nicht oder nur teilweise zu den ein oder mehreren Quell-Ionensorten reagierten) Ionen aus dem lonisationsbereich in den Reaktionsbereich C in diesem durch den vorhandenen Partialdruck an Quellgas weiterlaufen. Es sollen dabei solche Verhältnisse vorliegen, dass das Reaktantgas nicht mit den Vorläufer-Produkten der ein oder mehreren Quell-Ionensorten reagiert und/oder mit dem Reaktantgas reagierende Vorläufer-15 Produkte werden mit einem geeigneten Zusatzgas in nicht störende Ionen reagieren gelassen. Auch bei vorhandenem Zwischenbereich B wäre es denkbar und möglich, dass die Vervollständigung der Reaktionen zu den ein oder mehreren Quell-Ionensorten erst im Reaktionsbereich C stattfindet. 20 Es können sich somit die Bereiche A und B zumindest teilweise überdecken oder es können sich die Bereich B und C teilweise überdecken, soweit sich B nicht mit A überdeckt. Jedenfalls befindet sich der Reaktionsbereich C außerhalb des lonisationsbereiches A (d.h. außerhalb des Bereiches, in welchem das bei der Ionisation des Quellgases entstehende Plasma vorliegt). Der 25 Reaktionsbereich C ist somit vom lonisationsbereich A räumlich getrennt und es wird eine Rückführung von Reaktantgas aus dem Reaktionsbereich C in den lonisationsbereich A im Wesentlichen unterbunden. Legende zu den Hinweisziffern: 1 Zuführung 30 2 lonisationseinrichtung 3 Blendenöffnung 4 Zwischenwand 35 5 Elektrode 6 Blendenöffnung 7 Zwischenwand 8 Zuführung 9 Elektrode 40 10 Ausgang Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte beste henden Ausgangs-Ionenstroms, wobei bei der Ionisation eines Quellgases in einem lonisationsbereich (A) gebildet Ionen und/oder aus dem lonisationsbereich (A) extrahierte Ionen solange in einem Bereich (A, B, C), in welchem sich Quellgas befindet, reagieren gelassen werden, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-Ionensorten vorliegen, die so nicht mit dem Quellgas reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass einem Reaktionsbereich (C), der sich außerhalb des lonisationsbereiches (A) befindet und in dem Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten vorhanden sind, ein vom Quellgas sich unterscheidendes Reaktantgas zugeführt wird, welches mit den Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten reagiert, wobei die Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten im Wesent-55 liehen in die den Ausgangs-Ionenstrom bildende einzige lonensorte umgewandelt werden. 9 AT 413 463 B
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückströmung des Reaktantgases vom Reaktionsbereich (C) in den lonisationsbereich (A) im Wesentlichen unterbunden wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem lonisationsbereich (A) extrahierten Ionen in einen Zwischenbereich (B) geführt werden, in welchem sie solange belassen werden, bis sich durch lonen-Molekül-Reaktionen mit im Zwischenbereich vorhandenem Quellgas auch die zunächst noch von der ein oder mehreren Quell-Ionensorten verschiedenen Ionen im Wesentlichen in Ionen der ein oder mehre- io ren Quell-Ionensorten oder Clusterionen hiervon umgewandelt haben.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zwischenbereich (B) Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten oder Clusterionen hiervon in den Reaktionsbereich (C) extrahiert werden. 15
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem lonisationsbereich extrahierten Ionen unmittelbar in den Reaktionsbereich (C) geführt werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reakti onsbereich (C) auch Quellgas zugeführt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Reaktionsbereiches (C) benachbarten Abschnitt ein elektrisches 25 Feld (Ec) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus der lonensorte des Ausgangsionenstroms verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Zwischenbereichs (B) benachbarten Abschnitt ein elektrisches 30 Feld (EB) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus den ein oder mehreren Quell-Ionensorten verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Quell-Ionensorte gebildet wird. 35
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Bereich (A, B, C), in welchem die im lonisationsbereich (A) gebildeten Ionen und/oder aus dem lonisationsbereich (A) extrahierten Ionen zu den ein oder mehreren Quell-Ionensorten reagieren gelassen werden, Quellgas mit einem Druck von mindestens 1 Pascal vorhan- 40 den ist.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung von jeweils im Wesentlichen nur einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-Ionenströmen, die sich in der lonensorte unterscheiden, dem Reaktionsbereich (C) in Ab- 45 hängigkeit von der zu bildenden lonensorte des Ausgangs-Ionenstroms verschiedene Reaktantgase zugeführt werden, wobei vor der Zuführung eines jeweiligen Reaktantgases der Reaktionsbereich (C) zur Entfernung von vorausgehend eingesetztem unterschiedlichen Reaktantgas abgepumpt wird. so 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsbereich (C) angelegte elektrische Feld (Ec) elektrostatisch und homogen ist.
12. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zwischenbereich (B) angelegte elektrische Feld (EB) elektrostatisch und homogen ist. 55 5 5 AT 413 463 B 1 0 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55