DE10155259C1 - Miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer - Google Patents

Abstract

Mit einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit einem Ionisationsraum mit Gasein- und -auslass sowie einer Ionenisationsquelle und mit einem Driftraum, wobei der Ionisationsraum und der Driftraum durch ein Ionengitter voneinander getrennt sind, welches Elektroden mit voneinander unterschiedlichem, veränderbarem elektrischen Potential aufweist, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der bei voller Funktionsfähigkeit und ermöglicht einfacher Herstellbarkeit Ionengitter für ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer wesentlich verkleinert werden können. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass das Ionengitter (6) eine äußere ringförmige Elektrode (16) und eine innere im Wesentlichen zum Zentrum symmetrische Elektrode (17) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Ionenbeweglich­ keitsspektrometer mit einem Gasein- und Gasauslass, einem Ionisationsraum, einer Ionisationsquelle und mit einem Driftraum, wobei der Ionisationsraum und der Driftraum durch ein Ionentor voneinander getrennt sind, welches mindestens eine Elektrode aufweist, die als geschlossener Ring ausge­ bildet und bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglich­ keitsspektrometers zentriert angeordnet ist.

Die Ionenbeweglichkeitsspektrometrie hat sich als analy­ tische Methode zur Charakterisierung von Spuren von Gasen oder Gasgemischen in Luft oder anderen Trägergasen (ng- bis pg-, ppm_V bis ppt_V-Bereich) bei Umgebungsdruck in den vergan­ genen Jahrzehnten laufend weiterentwickelt. Standen zunächst militärische Anwendungen zur Detektion chemischer Kampf­ stoffe oder von Sprengstoffen im Vordergrund, so erweiterte sich das Anwendungsspektrum schnell um Gebiete wie Drogen­ detektion, die Prozesskontrolle bei der Synthese flüchtiger organischer Verbindungen und die Spurenanalytik luftgetrage­ ner organischer Komponenten sowie die Detektion von Pepti­ den, Biomolekülen und Bakterien. Bekannte Anwendungsbei­ spiele sind die auf der Ionenbeweglichkeitsspektrometrie beruhenden Gaswarnsysteme für das Reichstagsgebäude in Berlin oder die an immer mehr internationalen Flughäfen zu findenden Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Sprengstoff- und Drogendetektion über eine Kopplung mit Thermodesorption.

Die Ionenbeweglichkeitsspektrometrie beruht auf der geeigne­ ten Ionisierung eines gasförmigen Analyten (beispielsweise mit radioaktiver Strahlung, UV-Licht (8,5 bis 11,8 eV) oder mit elektrischen Entladungen) und nachfolgender Trennung der so gebildeten positiven oder negativen Ionen in einer Drift­ röhre bei Umgebungsdruck und häufig auch bei Umgebungstempe­ ratur. Hierzu gelangen Schwärme von Ionen für kurze Gitter­ öffnungszeiten (üblicherweise 10 µs bis 1 ms) in Driftröhren von wenigen cm Länge und werden dort idealerweise in elek­ trischen Feldern um 300 Vcm^-1 getrennt. Zur exakten Bestim­ mung des Startpunktes der Ionen am Ionentor und zum Schutz vor dem Eintreten von Analytmolekülen in den Driftraum wird häufig ein Driftgas eingesetzt, welches den in Richtung auf eine am dem Ionentor abgewandten Ende des Driftraumes ange­ ordnete Faraday-Platte driftenden Ionen entgegenströmt. Die an der Faraday-Platte abgreifbare Ladungsmenge bildet das Laufzeitspektrum. Da in der Driftröhre im Gegensatz zum Massenspektrometer Umgebungsdruck herrscht, bestimmt neben der Masse der Ionen auch die Anzahl der Kollisionen mit den Neutralmolekülen die Driftzeit. So spielt die Molekülstruk­ tur eine wesentliche Rolle. Auf diese Weise können Isomere getrennt werden, was die Methode, beispielsweise für die Peptidanalytik, interessant macht.

Die Zeit, die die Ionen für das Durchlaufen einer bestimmten Driftstrecke in einem möglichst homogenen elektrischen Feld benötigen, ist umgekehrt proportional zur Beweglichkeit der Ionen. Über die Beweglichkeit können so unter bestimmten Be­ dingungen die Analyten identifiziert werden.

Wie vorerwähnt, ist für die Funktionsfähigkeit des Ionenbe­ weglichkeitsspektrometers das Ionengitter oder das Ionentor von wesentlicher Bedeutung. Die meist verwendete Anordnung des Gitters sind sogenannte Bradbury-Nielsen-Gitter, die ein Querfeld dadurch realisieren, dass einem äußeren Potential gemäß aufgeprägtem elektrischen Feld ein erhöhter und/oder ein erniedrigter Wert aufgegeben wird, so dass das Querfeld größer als das Längsfeld in der Driftröhre wird und die Ionen vom Ionisationsraum nicht durch das Gitter hindurch in den Driftraum eindringen können. Fallen diese Potentiale auf den aufgeprägten Wert zusammen, so arbeitet das Gitter als Feldstabilisierungsring und ist für Ionen kurzzeitig durch­ lässig, und zwar für den jeweiligen kurzen Messvorgang.

Die bisher eingesetzten Ausgestaltungen derartiger Ionengit­ ter sind beispielsweise in EP 0 027 748 A1 erwähnt. Dabei ist das Gitter von parallelen Drähten gebildet, die jeweils paarweise so miteinander verbunden sind, dass der eine das erhöhte und der andere das erniedrigte Potential aufgeprägt bekommt. Dieser Normalzustand (geschlossenes Gitter), in dem keine Ionen vom Ionisationsraum in den Driftraum eindringen können, wird dann durch möglichst rechteckimpulsartigen Zu­ sammenbruch der zusätzlichen Spannung auf das am Ort des Ionengitters durch das Längsfeld repräsentierte Potential in den für Ionen durchlässigen Zustand geführt.

Die Fertigung solcher Ionengitter ist vergleichsweise auf­ wendig, die geometrische Fläche für die Entladung von auf­ treffenden Ionen hoch und die Ionenausbeute damit reduziert. Außerdem stehen diese Gitter einer gewünschten Miniaturisie­ rung von Ionenbeweglichkeitsspektrometern entgegen, da Git­ ter dieser Art, die üblicherweise bisher einen Durchmesser von etwa 1,5 cm aufweisen, bei einer Verkleinerung um eine 10er Potenz, d. h. einer Verkleinerung in den mm-Bereich, nicht mehr durchlässig sind.

Es gibt auch Ionenbeweglichkeitsspektrometer, bei denen ein Feldstabilisierungsring eine gegenüber dem der Lage des Rin­ ges in der Driftröhre entsprechenden Potential ein höheres oder niedrigeres aufgeprägt ist, welches eine Drift verhin­ dert. Fällt das Potential auf den der Lage des Ringes ent­ sprechende Betrag zusammen, können die Ionen die Drift be­ ginnen. Nachteilig ist jedoch, dass das elektrische Feld im Raum zwischen dem diesem Ring vorhergehenden und dem nach­ folgenden Feldstabilisierungsring nicht konstant bleibt und so die Driftgeschwindigkeit selbst daher prinzipiell nicht exakt ermittelt werden kann, weil sie ein konstantes elek­ trisches Feld in der Driftröhre in Driftrichtung voraus­ setzt. Eine Vergleichbarkeit der erhaltenen Werte ist daher sehr erschwert und eine Einbindung in Datenbanken ebenso.

Ein gattungsgemäßes miniaturisiertes Ionenbeweglichkeits­ spektrometer ist aus DE 198 15 435 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist allerdings nur ausgeführt, dass es ein Ionentor gibt, welches sich an den Driftraum anschließt und zwischen einem Sperr- und einem Durchlasszustand umschaltbar ist. Dabei erfolgt im Sperrzustand ein Abfluss der Ionen an der potentialführenden Fläche. Die Durchlässigkeit wird durch eine Verringerung der Potentialbarriere auf die Größe des Driftfeldes erreicht. Dies stimmt mit der vorgeschilder­ ten Betriebsweise von Ionenbeweglichkeitsspektrometern über­ ein, d. h. der grundsätzliche Mangel, dass das elektrische Feld in Driftrichtung, zumindest zeitweise, nicht konstant ist, wird nicht behoben.

Aus DE 197 27 122 C2 ist ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer bekannt, bei dem in den Seitenwänden der Driftkammer Öffnun­ gen zum Abführen des Trägergases bzw. zum Zuführen eines Driftgases vorgesehen sind und bei dem zum Vermeiden von Öffnungsbedingten Inhomogenitäten des elektrostatischen Fel­ des die Leitfähigkeit des Widerstandsmateriales in, bezogen auf die Axialrichtung, vor und/oder hinter einer Öffnung ge­ legenen Bereichen vermindert und/oder in neben einer Öffnung gelegenen Bereichen erhöht ist.

Aus DE 41 34 212 A1 ist ein Mikroionisationssensor zur simultanen Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, gattungsgemäße miniaturisierte Ionenbeweglichkeitsspektrometer so weiterzuentwickeln, dass bei Beibehaltung ihrer Funktionsfähigkeit und möglichst ein­ facher Herstellbarkeit Feldinhomogenitäten im Längsfeld wei­ testgehend minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem miniaturisierten Ionenbeweg­ lichkeitsspektrometer der eingangs bezeichneten Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ionentor eine zweite Elektrode aufweist, die kreuz- oder ringförmig ausgebildet und bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglichkeits­ spektrometers zentriert angeordnet ist, wobei die Elektroden mit voneinander unterschiedlichen veränderbaren Potentialen beaufschlagbar sind.

Bei einer derartigen Ausgestaltung des Ionentores ist es möglich, ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer insgesamt deut­ lich zu miniaturisieren, so kann das Ionentor bei dieser Ge­ staltung beispielsweise problemlos mit einem Durchmesser von etwa 2 mm realisiert werden. Die äußere ringförmige Elektro­ de kann dabei unterschiedliche Formen aufweisen, z. B. kreis­ förmig, quadratisch, kreuzförmig oder dergleichen, sie soll­ te jedoch einen im Wesentlichen geschlossenen Ring bilden. Ein derartiges Ionentor kann einfach im Massenfertigungsver­ fahren hergestellt werden, beispielsweise direkt mit PCB- (Printed Circuit Board)Technologie und PCB-Frästechnik oder in einer Mischung aus PCB- und Verdrahtungstechnologie. Das Ionentor weist eine extreme mechanische Stabilität auf, da keine freistehenden Teile vorhanden sind. Ferner besteht kein Rauschen und kein Mikrophonieeffekt. Außerdem weist das Tor eine hohe elektromechanische Stabilität auf, da es zen­ tralsymmetrisch und somit selbststabilisierend ausgebildet ist. Durch gegenüber herkömmlichen Ionentoren geringere An­ zahl durchlässiger Flächen in Ionenflugrichtung besteht eine höhere relative Ausbeute an Ionen, da die Drähte selbst stets eine gewisse Minderung des Ionenstromes bewirken.

Die bekannten Tore und das erfindungsgemäße Ionentor haben prinzipiell eine analoge Funktionsweise, insofern, dass ein Spannungsimpuls geeignet aufgeprägt wird. Während jedoch bei den Toren nach dem Stand der Technik wegen des vergleichs­ weise großen Durchmessers im Innenraum des Ionenbeweglich­ keitsspektrometers (Reaktionsraum wie Driftraum) zahlreiche Drähte im Innenraum eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers verbleiben, damit die zu regelnden Spannungen einfach schaltbar bleiben (typische Werte sind ±50 V auf 3 bis 10 kV Hochspannung aufgeprägt), sind bei Miniaturisierungen erfin­ dungsgemäß gestaltete Ionentore realisierbar, ohne dass höhere Sperrspannungen erforderlich werden. Diese können teilweise sogar deutlich verringert werden.

Bei dem erfindungsgemäß gestalteten Ionentor haben die bei­ den Elektroden im Grundzustand gegenüber dem Potential gemäß der Längsfeldeinstellung an der Position des Tores ein um einen bestimmten Wert erhöhtes (V+) bzw. vermindertes (V-) Potential, so dass ein Potentialgradient innerhalb der vor­ zugsweise zylindrischen (Drift-)Röhre und damit ein Querfeld aufgebaut wird. Dieses Sperrfeld, in welchem die Ionen bei geeigneter Potentialwahl an die äußere ringförmige Wandelek­ trode oder an die innere Mittelelektrode geführt werden, stellt den Normalzustand dar. Sofern die beiden Elektroden das Potential annehmen, welches gemäß Längsfeldeinstellung an der Position des Tores aufgeprägt wird, wirkt das Tor als Feldstabilisierungsring und die Ionen der entsprechenden Polarität werden in den Driftraum durchgelassen.

Die zweite Elektrode des Ionentores kann grundsätzlich un­ terschiedlich gestaltet sein, sofern sie annähernd symme­ trisch zum Zentrum ausgebildet ist. So kann die zweite Elek­ trode kreuzförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Durch diese zweite Elektrode im Driftkanal werden Feldinhomogeni­ sierungen durch Potentialhübe vermieden, da durch die zweite kreuz- oder ringförmige Elektrode Querfelder entstehen, gleichzeitig aber die Feldinhomogenität im Längsfeld mini­ miert wird, welches für die Ermittlung der Beweglichkeit von Bedeutung ist.

Wie bereits erwähnt, beträgt der Durchmesser der als Ring ausgebildeten ersten Elektrode vorzugsweise 1-5 mm.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielhaft näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Ionenbeweglichkeitsspektro­ meters,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß aus­ gestalteten Ionentores,

Fig. 3 ein dem Ionentor nach Fig. 2 ähnliches Ionen­ tor in perspektivischer Darstellung und

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform eines Ionentores für ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer.

Ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 ist üblicherweise röh­ renförmig ausgebildet und weist zunächst einen röhrenförmi­ gen Ionisationsraum 2 auf, in welchem eine Ionisationsquelle 3 angeordnet ist. Der Ionisationsraum 2 ist mit einem nur durch einen Pfeil angedeuteten Gaseinlass 4 versehen, durch den zu analysierende Gasmoleküle 5 in den Ionisationsraum 2 eintreten. Der Ionisationsraum 2 ist durch ein Ionentor 6 von einem Driftraum 7 abgetrennt, an dessen anderem Ende eine Faraday-Platte 8, ggf. mit einem Aperturgitter 9, ange­ ordnet ist.

Im an das Ionentor 6 angrenzenden Randbereich des Ionisa­ tionsraumes 2 ist ein durch einen Pfeil 10 angedeuteter Gas­ auslass vorgesehen. Entlang des gesamten röhrenförmigen Ionisationsraumes 2 sowie Driftraumes 7 ist ein elektrisches Feld angelegt, welches durch einen Pfeil 11 angedeutet ist.

Im Randbereich sowohl des Ionisationsraumes 2 als auch des Driftraumes 7 können beabstandet voneinander Driftringe 12 angeordnet sein. Am Ende des Driftraumes 7, benachbart zur Faraday-Platte 8, ist ein Driftgaseinlass vorgesehen, der durch einen Pfeil 13 angedeutet ist.

Ein derartiges Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 funktio­ niert in bekannter Weise, d. h. das zu analysierende Gas tritt durch den Gaseinlass 4 in den Ionisationsraum 2 ein, dort werden von der Ionisationsquelle 3 unterschiedliche Ionen erzeugt, die mit den Bezugszeichen 14 und 15 bezeich­ net sind. Aufgrund des elektrischen Feldes 11 werden die Ionen 14, 15 in Richtung zum Ionisationstor 6 geleitet, das jedoch aufgrund eines elektrischen Querfeldes normalerweise geschlossen ist. Nicht ionisiertes Gas sowie nicht durch das Tor 6 hindurchtretende Ionen treten durch den Gasauslass 10 wieder aus dem Ionenbeweglichkeitsspektrometer aus. Während eines kurzen Öffnungsmomentes des Ionentores 6, in welchem das im Ionentor 6 bestehende elektrische Querfeld kurzzeitig aufgehoben wird, können die Ionen 14, 15 durch das Tor 6 hindurchtreten und in den Driftraum 7 gelangen, wo sie auf­ grund des elektrischen Feldes 11 in Richtung der Faraday- Platte 8 gelangen. Die Gitteröffnungszeiten betragen dabei üblicherweise 10 µs bis 1 ms, das elektrische Feld weist etwa eine Stärke von 300 Vcm^-1 auf. Um bei der Öffnung des Tores 6 ein Eindringen von Analytmolekülen in den Driftraum 7 zu vermeiden, wird gleichzeitig Driftgas 13 in den Drift­ raum 7 in entgegengesetzter Richtung eingespeist. Dieses strömt den in Richtung der Faraday-Platte 8 driftenden Ionen 14, 15 entgegen. Die Zeit, die die Ionen 14, 15 für das Durchlaufen des Driftraumes 7 benötigen, ist umgekehrt pro­ portional zur Beweglichkeit der Ionen 14, 15. Über die Be­ weglichkeit können so die Analyten identifiziert werden.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ionen­ beweglichkeitsspektrometers 1 ist nun die Gestaltung des Ionentores 6. Eine erste Ausgestaltung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Das Ionentor 6 weist bei dieser Ausfüh­ rungsform zunächst eine erste ringförmige Elektrode 16 auf, die beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kreuzförmig ge­ schlossen ausgebildet ist. Innerhalb dieser kreuzförmig ge­ schlossenen ringförmigen Elektrode 16 ist eine bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglichkeitsspektrometers zen­ triert angeordnete zweite Elektrode 17 vorgesehen, die kreuzförmig ausgebildet ist. Beide Elektroden 16, 17 weisen jeweils ein unterschiedliches elektrisches Potential auf, die äußere Elektrode 16 beispielsweise das Potential V+ und die innere Elektrode 17 ein negatives Potential V-.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, die im Wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht, ist ebenfalls eine kreuzförmige zweite Elektrode 17 vorgesehen, die erste Elektrode 16 ist demgegenüber in etwa kreisringförmig ausge­ bildet. Beide Elektroden 16, 17 sind in einer Ebene angeord­ net (auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2). Sie sind bei der Ausführungsform nach Fig. 3 in eine Platine 18 integriert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die erste Elektrode 16 ebenfalls ringförmig ausgebildet, allerdings in quadrati­ scher Form. Die zweite Elektrode 17 ist wiederum kreuzförmig ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die bei­ den Elektroden 16, 17 nicht in einer Ebene, sondern in zwei parallelen Ebenen in einem Abstand d voneinander angeordnet. Dadurch ergibt sich ein elektrisches Sperrfeld, das in der rechten Darstellung der Fig. 4 wiedergegeben ist. Ein sol­ ches Ionentor 6 läßt sich beispielsweise direkt mit der PCB- Ätztechnologie herstellen, mit einer kreuzförmigen Struktur der inneren Elektrode 16 in der Mitte der einen Seite und einer quadratischen äußeren Gegenelektrode 16 auf der Rück­ seite einer Platine.

Ein derartiges Ionentor 6 kann mit äußerst kleinen Abmessun­ gen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 1 bis 5 mm, hergestellt werden, was gegenüber bekannten Ionentoren eine Verkleinerung um eine 10er Potenz ermöglicht, so dass insge­ samt mit einem erfindungsgemäß gestalteten Ionentor 6 eine Miniaturisierung des gesamten Ionenbeweglichkeitsspektrome­ ters ermöglicht wird.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Aus­ führungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann die zweite Elektrode 16 auch eine andere Form aufweisen, bei­ spielsweise kann sie kreisringförmig mit einem nach außen gerichteten Steg ausgebildet sein, wesentlich ist, dass sie bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglichkeitsspektro­ meters zentriert angeordnet ist.

Claims (2)

1. Miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit Gasein- und Gasauslass (4, 10,13), einem Ionisationsraum (2), einer Ionisationsquelle (3) und mit einem Driftraum (7), wobei der Ionisationsraum (2) und der Driftraum (7) durch ein Ionentor (6) voneinander getrennt sind, welches mindestens eine Elek­ trode (16) aufweist, die als geschlossener Ring ausgebildet und bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglichkeits­ spektrometers zentriert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionentor (6) eine zweite Elektrode (17) aufweist, die kreuz- oder ringförmig ausgebildet und bezüglich der Symmetrieachse des Ionenbeweglichkeitsspektrometers zen­ triert angeordnet ist, wobei die Elektroden (16, 17) mit voneinander unterschiedlichen, veränderbaren elektrischen Potentialen beaufschlagbar sind.

2. Miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der als geschlossener Ring ausgebilde­ ten Elektrode (16) 1 mm bis 5 mm beträgt.