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Die
Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer mit parallel
verlaufender Driftgas- und Ionenträgergasströmung.
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Ionenmobilitätsspektrometer
(IMS) dienen zur Detektion von Spurenstoffen in der Luft. Sie finden
breite Verwendung insbesondere bei der Detektion von Explosivstoffen,
Drogen, chemischen Kampfstoffen und toxischen Industriegasen. Charakteristische
Baugruppen eines Ionenmobilitätsspektrometers
sind die Ionisationskammer, die Driftkammer und Detektoren. In konventionellen
Ionenmobilitätsspektrometern
sind Ionisationskammer und Driftkammer meist durch ein Gitter getrennt.
In der Ionisationskammer werden die zu bestimmenden Analytmoleküle in Ionen übergeführt. Durch
Einwirkung eines elektrischen Feldes werden die gebildeten Ionen aus
der Ionisationskammer in die Driftkammer als Ionenpulk übergeführt. Unter
dem Einfluss eines elektrischen Hochspannungsfeldes durchfliegen
die Analytionen die Driftkammer entgegen dem Widerstand des Driftgases
und werden, bedingt durch eine unterschiedliche Beweglichkeit verschiedener
Ionen, durch den Detektor zeitaufgelöst nachgewiesen, denn unterschiedliche
Analytionen zeigen unterschiedliche Wechselwirkungen mit dem Driftgas,
weisen deshalb unterschiedliche Flugzeiten auf und können so
voneinander getrennt werden.
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Stand der Technik
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Es
sind Ionenmobilitätsspektrometer
bekannt, bei denen das Driftgas vom Detektor in Richtung Ionisationskammer
strömt.
Das Analytgas wird ionisiert und strömt innerhalb der Ionisationskammer in
Richtung Gitter. Die gebildeten Ionen bewegen sich also mit dem
Analytgas in Richtung Gitter und dann unter dem Einfluss eines Hochspannungsfeldes
entgegen der Strömungsrichtung
des Driftgases hin zum Detektor (Spangler und Carrico, Int. J. Mass Spectrom.
Ion Phys., 1983, 52, S. 627).
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Eine
unidirektionale Strömungsführung wird von
Eiceman in
US 4 777
363 A beschrieben, bei dem das Analytgas auf der Detektorseite
in das Gerät eingeleitet
wird und auf der Ionisationskammerseite das Gerät wieder verlässt. Die
Ionisation erfolgt in der Ionisationskammer und die Ionen werden
entgegen dem Analytgasstrom zum Detektor hin beschleunigt. Driftgas
und Analytgas sind hier identisch.
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Beide
Systeme benötigen
zur Trennung der Ionen ein homogenes elektrisches Feld innerhalb
der Driftkammer. Dieses wird durch eine Reihe von Ringelektroden,
die jeweils elektrisch isoliert sind, aufgebaut. Die erforderliche
Hochspannung liegt in der Regel bei 2000–3000 V. Solche Systeme sind
sehr teuer, kompliziert zu fertigen und nur schwer zu miniaturisieren.
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Im
Unterschied zu den oben beschriebenen IMS ist es weiterhin bekannt,
die zu trennenden Ionen unidirektional mit dem Driftgasstrom zu
führen. Aus
dieser Strömungsrichtung
können
die Ionen durch eine relativ kleine Spannung abgelenkt werden. Gelangen
sie dann an Elektroden, die durch die Wandungen gebildet werden,
können
sie sich entladen und ein Strom kann gemessen werden. Driftgas und
Analytgas sind hier identisch.
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Ein
solches System findet man bei sogenannten Elektronen-Einfang-Detektoren.
Ein frühes Beispiel
offenbart Lovelock in der
US
3 870 888 A . Mit solchen Systemen können Gesamtionenströme gemessen
werden. Eine Unterscheidung einzelner Ionenarten ist dagegen nicht
möglich.
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Es
ist bekannt, durch Verlängerung
der Driftstrecken, z. B. durch Einbau von Schikanen, langlebige
Ionen von kurzlebigen zu trennen. Dieses Prinzip wird beispielsweise
beim Nachweis chemische Kampfstoffe bes rieben (
US 3 835 328 A ,
US 4 075 550 A sowie
US 5 223 712 A ).
Die Trennleistung derartiger Systeme ist relativ schwach, was relativ
häufig zur
Auslösung
eines Fehlalarmes führen
kann.
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Eine
Weiterentwicklung wird in
US
5 047 723 A von Puumalainen beschrieben. Dabei wird der
zu untersuchende Gasstrom zunächst
ionisiert und dann durch eine Serie von elektrischen Ablenkfeldern
geleitet. In Abhängigkeit
vom Typ der Ionen entladen sich diese an jeweils unterschiedlichen
Elektroden. Der Strom wird gemessen und ist ein Maß für vorliegende
Analyte.
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In
WO 94/16320 A1 modifizierten
Paakanen et al. ein derartiges System nochmals und identifizieren
Stoffe anhand der charakteristischen Muster, die sich aus mehreren
dicht hintereinander geschalteten Elektroden durch Ionenentladung
ergeben. Neben Ionensignalen wurden auch Signale von Halbleitersensoren
in eine Mustererkennung mit einbezogen.
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Es
ist weiterhin bekannt, das letztgenannte System zu verbessern, indem
das Analytgas vor der Analyse geheizt wird und indem die Sensorelektroden
mehrdimensionale Arrays bilden (
US 2003/0155503 A1 ). Auch in diesem Fall
basiert die Signalauswertung auf einer Mustererkennung. Damit verbunden
ist der Nachteil, dass das Messsystem die jeweiligen Muster zunächst lernen
muss, also ein extrem hoher Kalibrieraufwand erforderlich ist. Dies
gilt insbesondere bei Gemischen. Nicht berücksichtige Mischungen, also
beispielsweise Kombinationen zu überwachender
Analyte mit unbekannten Verunreinigungen, können zu Fehlalarmen führen oder
den Nachweis der zu überwachenden
Analyte behindern.
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Schließlich ist
bekannt, die Analytionen durch ein hochfrequentes Wechselfeld, dem
eine kleine Kompensationsspannung überlagert ist, abzulenken.
Dabei werden die Analytionen in einem System ebenfalls Richtung
des Driftgases transportiert (
US 6 495 823 B1 ). Nur unter definierten Bedingungen
des Wechselfeldes und der Kompensationsspannung wird eine definierte
Analytionensorte durch das System gelassen und erreicht den Detektor.
Diese bauklein herstellbaren Ionensensoren können zu Arrays zusammengeführt werden
Derartige Systeme sind jedoch teuer und extrem anfällig gegen
Umwelteinflüsse,
wie Druck und Feuchte.
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Die
US 5 736 739 A ,
die
US 5 420 424 A ,
die
US 2005/0017163
A1 und die
US
5 763 876 A beschreiben Ionenspektrometer, bei denen die
Ionen in einem Gasstrom zunächst
durch einen Ionenfilter geleitet werden, in dem die eigentliche
Ionentrennung stattfindet. Die den Filter passierenden Ionen werden hinter
dem Filter an Detektorelektroden erfasst. Das Filterfeld im Trennfilter
ist ein hochfrequentes Wechselfeld mit extremen Intensitätsunterschieden,
wodurch es zu einer feldabhängigen Änderung
der Mobilität
kommt. Hierbei wird der Unterschied der Mobilitätsänderung (und nicht der Unterschied
der Mobilität
selbst) zur Ionentrennung bzw. Filterung genutzt. Aufgrund des sehr
hohen Energiebedarfs und des apparativen Aufwands zur Erzeugung
des hochfrequenten Wechselfeldes sind derartige Systeme nicht kostengünstig und
bauklein herzustellen.
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Die
DE 196 08 963 C2 betrifft
ein Verfahren zur Ionisierung schwerer Analytmoleküle, die
sich auf einem festen Probenträger
in einer Gasumgebung befinden. Auf dem Probenträger befindet sich ferner eine
photolytisch und thermolytisch zersetzbare Matrixsubstanz, die durch
Licht aus einem Laser zur Zersetzung gebracht wird, wobei die Zersetzungsprodukte
die Analytmoleküle
in ein Gas überführen, welches
vor dem Probenträger
strömt,
um die Analytmoleküle
abzutransportieren, die Analytmoleküle werden anschließend durch
Ionisierung bei Atmosphärendruck
ionisiert.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ionenmobilitätsspektrometer
anzugeben, das preisgünstig
herstellbar ist, unempfindlich gegenüber Schwankungen von Umgebungsbedingungen,
insbesondere der Umgebungsfeuchte ist, eine gute Trennleistung bei
hoher Erkennungssicherheit aufweist und seinem Arbeitsprinzip nach
für eine
Miniaturisierung geeignet ist.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch ein Ionenmobilitätsspektrometer mit den Merkmalen
von Anspruch 1. In den Ansprüchen
2 bis 33 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers
angegeben.
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Die
Erfindung beruht auf einer Konzentration nachzuweisender Analytionen
in einem bestimmten Querschnittsbereich der Eingangszone eines durchströmten Trennbereiches.
Das wird durch eine erfindungsgemäße Einleitung eines ionenhaltigen
Ionenträgergases
und eines nahezu ionenfreien Driftgases erreicht. Die Einleitung
erfolgt so, dass sich Ionenträgergas
und Driftgas in Form einer vorzugsweise laminaren Strömung parallel
nebeneinander durch den Trennbereich bewegen, ohne sich nennenswert
zu durchmischen. Durch die geringe Durchmischung der strömenden Gase
bleibt die angestrebte Konzentration der nachzuweisenden Analytionen
in einem bestimmten Querschnittsbereich erhalten, bis die Ionen
dem Einfluss eines elektrischen Ablenkfeldes ausgesetzt werden.
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Im
Trennbereich erfolgt eine Ablenkung der Ionen quer zur Strömungsrichtung.
Da die Einspeisung der Ionen in den Trennbereich nur in einem bestimmten
Querschnittsbereich erfolgt, werden alle Ionen, welche die gleiche
Mobilität
aufweisen, auf einen Randbereich des Trennbereiches abgebildet, dessen
Lage von den Strömungsverhältnissen
im Trennbereich, der Stärke
des Ablenkfeldes, der Mobilität
der Ionen und Größe und Lage
des Querschnittsbereiches, in dem die Einspeisung der Ionen in den
Trennbereich erfolgt, abhängt.
Ionen mit einer anderen Mobilität
werden auf einen anderen Randbereich gelenkt. Durch Anordnung einer
relativ kleinen Detektorelektrode kann man den Strom messen, der
durch Ionen einer bestimmten Mobilität verursacht wird. Dieser Strom
ist ein Maß für die Konzentration
der Ionen genau dieser bestimmten Mobilität. Die erfindungsgemäße Einspeisung
der Analytionen und die Aufrechterhaltung der Strömungsverhältnisse
führen
zu einer Fokussierung der Analytionen auf einen bestimmten Querschnittsbereich,
aus dem die Extraktion der Ionen durch das Ablenkfeld erfolgt. Die Fokussierung
der Ionen macht andere Maßnahmen zu
einer Aufkonzentration von Analytionen überflüssig. Die erfindungsgemäße Fokussierung
ist gleichzeitig die Voraussetzung für eine auswertbare Entmischung
von Analytionen mit unterschiedlicher Mobilität durch ein elektrisches Ablenkfeld
quer zur Strömungsrichtung.
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Zur
Charakterisierung der Strömungsverhältnisse
werden im Folgenden die Bezeichnungen Ionenträgergas und Driftgas beibehalten,
auch wenn im Trennbereich durch die Wirkung des Ablenkfeldes möglicherweise
ein vollständig
von Ionen befreites Trägergas
strömt
und die Ablenkung der Ionen durch das Driftgas hindurch erfolgt,
so dass im Trennbereich einzelne Volumenbereiche des Driftgases
in nennenswertem Umfang mit Ionen angereichert erscheinen.
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Die
Erfindung wird durch ein Ionenmobilitätsspektrometer verkörpert, das
mindestens einen Ionisationsraum, der von analythaltigem Gas durchströmt werden
kann und mindestens eine Strahlungsquelle, aus der ionisierende
Strahlung, die geeignet ist, das analythaltige Gas zumindest teilweise zu
ionisieren, in den Ionisationsraum tritt, umfasst.
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An
den Ionisationsraum schließt
sich mindestens ein Übergangsbereich
an, in den das zumindest teilweise ionisierte Gas als Ionenträgergas und ein
nahezu ionenfreies Gas als Driftgas in einer Weise eingeleitet werden
können,
dass sich zumindest am Ende des Übergangsbereiches
eine Strömung einstellt,
in der Querschnittsbereiche überwiegend von
Ionenträgergas
und andere Querschnittsbereiche überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden.
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In
Strömungsrichtung
hinter dem Übergangsbereich
befindet sich mindestens ein Trennbereich, in dem ebenfalls Querschnittsbereiche überwiegend
von Ionenträgergas
und andere Querschnittsbereiche überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden.
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Zur
Charakterisierung der Relationen der Querschnittsbereiche wird bei
Verwendung des Plurals im Folgenden stets die Summe der Querschnittsbereiche,
die von der gleichen Gasart durchströmt werden, gemeint.
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Driftgas
und Ionenträgergas
strömen
unidirektional und sind nicht identisch. Die Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Ionenträgergas durchströmt werden,
sind zumindest in einer Dimension kleiner als die Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden. Dadurch kommt es zu der erfindungsgemäßen Fokussierung der Analytionen
in bestimmten Querschnittsbereichen. Im Trennbereich befinden sich
mindestens eine Detektorelektrode, mindestens eine Hilfselektrode
und mindestens eine Gegenelektrode. Diese sind so angeordnet, dass
zwischen ihnen ein elektrisches Feld ausgebildet werden kann, das
zumindest eine Feldkomponente aufweist, die nicht parallel zur Strömungsrichtung
im Trennbereich verläuft.
Um die Wirkung der Fokussierung ausnutzen zu können, ist es wichtig, dass
sich zwischen den Querschnittsbereichen, die überwiegend von Ionenträgergas durchströmt werden,
und der Detektorelektrode mindestens ein Querschnittsbereich befindet,
der überwiegend
von Driftgas durchströmt
wird.
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Im
Unterschied zu den meisten bereits beschriebenen IMS nach dem Stand
der Technik werden die zu trennenden Ionen unidirektional mit dem Driftgasstrom
geführt.
Aus dieser Strömungsrichtung werden
die Ionen durch eine relativ kleine Spannung abgelenkt. Gelangen
sie dann an die Elektroden, die vorzugsweise in der Nähe der Wandungen
des Trennbereiches angeordnet sind, können sie sich entladen und
ein Strom kann gemessen werden.
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Dieses
erfindungsgemäße Prinzip
benötigt nur
relativ niedrige Ablenkspannungen. Dadurch sinkt der Aufwand für Ansteuer-
und Auswerteelektronik. Eine Miniaturisierung ist ebenfalls leichter
zu realisieren.
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Ein
geringer Materialbedarf und niedrige Kosten werden somit zu weiteren
Vorteilen derartiger Anordnungen. Der Aufbau erlaubt eine kontinuierliche
Erfassung der Ionen und damit eine bessere Nachweisgrenze.
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Eine
besonders wirkungsvolle erfindungsgemäße Fokussierung der Analytionen
lässt sich
erreichen, wenn die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Ionenträgergas durchströmt werden,
in zwei Dimensionen kleiner sind als die Querschnittsbereiche, die überwiegend
von Driftgas durchströmt werden.
Wird die Fokussierung nur in einer Dimension angestrebt, was für viele
Anwendungen genügt, so
ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsbereiche, die überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt werden,
in Richtung des elektrischen Feldes kleinere Abmessungen aufweisen
als die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Driftgas durchströmt werden.
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Eine
gute mobilitätsabhängige Entmischung der
Analytionen und damit eine verbesserte Trennleistung des erfindungsgemäßen IMS,
auch in miniaturisierten Ausführungsformen,
erhält
man bereits, wenn die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Ionenträgergas durchströmt werden,
zumindest in Richtung des elektrischen Feldes eine um mindestens
den Faktor 10 kleinere Ausdehnung aufweisen, als die Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
werden, zumindest in dieser Richtung eine um mindestens den Faktor
50 kleinere Ausdehnung aufweisen, als die Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass außer
dem Grad der Fokussierung der Analytionen für die erreichbare Auflösung eines
erfindungsgemäßen IMS
insbesondere die Anordnung des Bereiches, der von Ionenträgergas durchströmt wird,
von Bedeutung ist. So ist es vorteilhaft, wenn der Übergangsbereich
und der Trennbereich so ausgestaltet sind, dass sich zwischen den
Querschnittsbereichen, die überwiegend von
Ionenträgergas
durchströmt
werden, und der Detektorelektrode der überwiegende Teil der Querschnittsbereiche
befindet, die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich mindestens 70% der
driftgasdurchströmten
Querschnittsbereiche zwischen den Querschnittsbereichen, die überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
werden, und der Detektorelektrode befinden. Es hat sich gezeigt,
dass sich auf diese Weise eine besonders effektive mobilitätsabhängige Entmischung
der Analytionen realisieren lässt,
was zu einer Steigerung der Auflösung
erfindungsgemäßer IMS
führt.
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Werden
Maßnahmen
ergriffen, die zu einer Reduzierung von Wandreaktionen führen, kann
es vorteilhaft sein, wenn der Übergangsbereich
und der Trennbereich so ausgestaltet sind, dass sich auf der der
Detektorelektrode abgewandten Seite des Trennbereiches ein Querschnittsbereich
befindet, der überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
wird. Das kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn die Strömung des
Ionenträgergases
entlang eines teflonbeschichteten Wandbereiches erfolgt.
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Um
Wandreaktionen zu vermeiden, kann es alternativ zur vorherigen Ausführungsform
von Vorteil sein, wenn der Übergangsbereich
und der Trennbereich so ausgestaltet sind, dass Querschnittsbereiche,
die überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
werden, zumindest teilweise von Querschnittsbereichen umgeben werden,
die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden. Insbesondere ist von Vorteil, wenn ein Querschnittsbereich,
der überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
wird, bei laminarer Strömung
den Bereich des Minimums des Geschwindigkeitsgradienten umfasst.
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Für den Betrieb
eines erfindungsgemäßen IMS
ist es weiterhin von Vorteil, wenn mindestens eine Baugruppe enthalten
ist, die geeignet ist, einen Driftgaskreislauf aufrecht zu erhalten.
Dadurch wird das IMS weitgehend unabhängig von Umgebungsbedingungen,
insbesondere schwankender Umgebungsfeuchte. Deren Einfluss macht
sich in diesem Fall nur noch über
unterschiedlich konditioniertes Ionenträgergas bemerkbar, dessen Volumenanteil
gegenüber
dem Volumenanteil des Driftgases klein gehalten werden kann. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Driftgaskreislauf einen Filter zur
Reduktion der Feuchte und/oder zur Reinigung des Driftgases von
Analyten und/oder Ionen enthält.
Der Kreislaufbetrieb ermöglicht
einen sehr wirtschaftlichen Filterbetrieb, da ein geringer Eintrag
herauszufilternder Substanzen mit langen Standzeiten der Filter
verbunden ist.
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Das
Funktionsprinzip erfindungsgemäßer IMS
wird wesentlich durch die verwendete Strahlungsquelle bestimmt.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn eine Strahlungsquelle
verwendet wird, die in die Ionisationskammer eingeleitete analythaltige
Luft durch Ionisation der Luftmoleküle im Ionisationsraum in Ionenträgergas überführen kann, wodurch
Folgeionisierungen zur Bildung von Analytionen ermöglicht werden.
Dafür eignen
sich insbesondere Elektronenquellen. Besonders kompakte und einfache
Bauformen lassen sich mit Beta-Strahlern realisieren.
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Eine
vorteilhafte Alternative ergibt sich, wenn eine Strahlungsquelle
verwendet wird, die in die Ionisationskammer eingeleitete analythaltige
Luft durch direkte Ionisation der Analytmoleküle im Ionisationsraum in Ionenträgergas überführen kann.
Hierfür
hat sich die Verwendung von Strahlungsquellen bewährt, die
eine Quelle umfassen, die elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise
im ultravioletten Spektralbereich, aussendet.
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Die
erfindungsgemäße Fokussierung
der Analytionen erfolgt durch die Fokussierung des Ionenträgergases.
Das kann bereits durch eine entsprechende geometrische Auslegung
des Ionisationsraumes beeinflusst werden. Vorteilhaft ist es jedoch,
wenn strömungsführende Einrichtungen
vorhanden sind, die zu einer Fokussierung des Ionenträgergases
führen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die strömungsführenden Einrichtungen eine
Blende zwischen Ionisationsraum und Übergangsbereich umfassen. In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist diese Blende eine
schlitzförmige Öffnung auf.
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Der Übergangsbereich
und der Trennbereich sollten so ausgestaltet sein, dass das Driftgas
und das Ionenträgergas
hinter der Blende im Übergangsbereich
laminar zusammenströmen.
Dadurch erhöht sich
die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Fokussierung der Analytionen
in bestimmten Querschnittsbereichen wesentlich.
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Die
für die
Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen IMS bedeutsame Ionenausbeute
kann mit Vorteil dadurch erhöht
werden, dass zumindest Oberflächen,
die mit Ionenträgergas
in Kontakt kommen, aus einem Material mit geringer Oberflächenenergie
ausgeführt
werden. Als derartiges Material hat sich Teflon mehrfach bewährt.
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Ein
weiterer Faktor, der die Leistungsfähigkeit des IMS wesentlich
beeinflusst, ist die Ausgestaltung des elektrischen Ablenkfeldes,
hauptsächlich durch
Elektrodengeometrie und Potentiale zu beeinflussen. Vorteilhaft
ist es, wenn eine Schaltungsanordnung enthalten ist, die die Hilfselektroden
und die Detektorelektrode auf dem gleichen elektrischen Potential
hält. Weiterhin
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Schaltung enthalten
ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der das Potential
der Gegenelektrode entweder größer oder
kleiner als das Potential der Detektorelektrode und das der Hilfselektroden
ist. Auf diese Weise werden jeweils nur Ionen gleicher Polarität detektiert.
Auswertemethoden, die zu einer besonders hohen Selektivität führen, lassen
sich anwenden, wenn eine Schaltung enthalten ist, die eine Potentialverteilung
realisiert, bei der das Potential der Gegenelektrode abwechselnd
größer und
kleiner wird, als das Potential der Detektorelektrode und das Potential
der Hilfselektroden. Die erfindungsgemäß verwendeten niedrigen Ablenkspannungen
ermöglichen
zudem einen schnellen Wechsel der Polarität.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der spektralen Analyse
durch Variation der Ablenkspannung. Gegenüber üblichen Verfahren der Mustererkennung
entfällt
der Aufwand zur Erstellung einer Musterdatenbank. Zur Durchführung einer
spektralen Analyse ist es vorteilhaft, wenn eine Schaltung enthalten
ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der die Potentialdifferenz
zwischen der Gegenelektrode und zumindest der Detektorelektrode
variiert. Ein vollständiges
Spektrum erhält
man, wenn die Potentialdifferenz stetig variiert wird. Ausschnitte
aus einem Ionenspektrum lassen sich weiterhin auf vorteilhafte Weise
gewinnen, wenn eine Potentialverteilung realisiert wird, bei der
die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode und zumindest
der Detektorelektrode zwischen mehreren Festwerten springt. Diese
Ausführungsform
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Präsenz ausgewählter Substanzen überwacht
werden soll.
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Für eine in
Abhängigkeit
vom angelegten Potential selektiv wirkende Detektorelektrode ist
es vorteilhaft, wenn sich mindestens eine Hilfselektrode in Strömungsrichtung
gesehen vor der Detektorelektrode befindet. Eine besonders gleichmäßige Ausbildung
des elektrischen Ablenkfeldes lässt
sich erreichen, wenn sich zusätzlich
mindestens eine Hilfselektrode in Strömungsrichtung gesehen hinter
der Detektorelektrode befindet.
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Mit
besonders niedrigen Ablenkspannungen kann gearbeitet werden, wenn
die Elektroden so angeordnet sind, dass sich das elektrische Feld
senkrecht zur Strömungsrichtung
ausbildet. Für
die Verwirklichung des erfindungsgemäßen Prinzips ist es grundsätzlich ausreichend,
wenn die Detektorelektrode aus einer einzelnen Elektrode besteht.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Detektorelektrode
aus mehreren einzeln beschaltbaren Sektoren besteht. Auf diese Weise
lassen sich einzelne Sektoren schaltungstechnisch der Detektorelektrode
oder einer Hilfselektrode zuordnen. Dadurch kann die Fläche der
Detektorelektrode variiert und einerseits die Auflösung und
andererseits die Empfindlichkeit des IMS je nach Anforderung beeinflusst
werden.
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Für eine optimale
Feldgeometrie ist es vorteilhaft, wenn alle Elektroden parallel
zueinander angeordnet sind, insbesondere dann, wenn die Detektorelektrode
und die Hilfselektroden in einer Ebene liegen. Für die Feldgeometrie ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn die Gegenelektroden in einem Bereich angeordnet
sind, die Detektorelektrode und die Hilfselektroden in einem weiteren
Bereich angeordnet sind und die Flächen der Bereiche etwa die
gleiche Größe aufweisen,
wobei Bauformen zu bevorzugen sind, bei denen sich diese Bereiche
deckungsgleich gegenüberliegen.
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Besonders
gut reproduzierbare Ergebnisse erhält man, wenn die Elektroden
aus Platin oder Gold bestehen.
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Für eine gute
Trennleistung des erfindungsgemäßen IMS
ist es von Vorteil, wenn die Detektorelektrode in Strömungsrichtung
schmaler ist als der Querschnittsbereich im Übergangsbereich, der überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
wird. Auf diese Weise werden Verfälschungen des Spektrums durch
Ionen aus randnahen Bereichen vermieden.
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Zusätzlich zur
variablen Geometrie der Detektorelektrode kann der Dynamikbereich
des IMS dadurch erweitert werden, dass mit einem variablen Ionenträgergasfluss
gearbeitet wird. Die Auswirkungen der damit verbundenen Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit
können
problemlos rechnerisch kompensiert werden.
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Ausführungsbeispiel
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An
einem Ausführungsbeispiel
wird die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers,
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2:
eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in einen Ausschnitt
des Übergangsbereiches,
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3:
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungsverhältnisse in einem Ausschnitt des Übergangsbereiches,
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4:
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungsverhältnisse in einem Ausschnitt des Übergangsbereiches
in Kombination mit einer abgewandelten Elektrodenanordnung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers,
das nur eine relativ geringe Spannung, die in einer Größenordnung
von unter 50 V liegt, zur Trennung der Ionen benötigt und daher kostengünstig hergestellt
werden kann. Pfeile verdeutlichen die auftretenden Gasströmungen.
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Das
IMS umfasst einen Ionisationsraum 1, eine Strahlungsquelle 2,
die Beta-Strahlung aussendet und einen Übergangsbereich 3.
Unter dem Einfluss der Beta-Strahlung wird durch den Ionisationsraum
strömendes
analythaltiges Gas teilweise ionisiert. Dadurch entsteht Ionenträgergas 4 im
Sinne der Erfindung, welches in den Übergangsbereich 3 einströmt. In den Übergangsbereich 3 wird
weiterhin ein nahezu ionenfreies Driftgas 5 eingeleitet.
Die Einleitung von Ionenträgergas 4 und
Driftgas 5 in den Übergangsbereich 3 erfolgt
in einer Weise, dass sich zumindest am Ende des Übergangsbereiches 3 eine Strömung einstellt,
in der Querschnittsbereiche 6 überwiegend von Ionenträgergas 4 und
andere Querschnittsbereiche 7, 7' überwiegend von Driftgas 5 durchströmt werden.
In Strömungsrichtung
hinter dem Übergangsbereich 3 befindet
sich ein Trennbereich 8, in dem die Ionen der ablenkenden
Wirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt sind, das zwischen
mindestens einer Detektorelektrode 9 mit nebengelagerter
Hilfselektrode 10 und einer Gegenelektrode 11 aufgebaut
wird. Im vorliegenden Beispiel ist eine weitere Hilfselektrode 12 in
Strömungsrichtung
hinter der Detektorelektrode angeordnet, die für eine besonders gleichmäßige Feldstärkeverteilung sorgt.
Das nahezu ionenfreie Driftgas wird nach der Passage des Trennbereiches 8 abgesaugt, über einen
Filter 13 geleitet und wieder in den Übergangs bereich eingeleitet.
Die erreichbare Trennleistung eines derartigen IMS wird wesentlich
durch die Fokussierung der Analytionen in einem bestimmten Querschnittsbereich
des strömenden
Gases bestimmt. Dieser Fokussierung dienen strömungsführende Einrichtungen, die vorliegend
in Form einer Blende 16 mit einer schlitzförmigen Öffnung ausgeführt sind. Das
Ionenträgergas 4 strömt dabei
durch die schlitzförmige Öffnung,
d. h. es kommt zu einer mechanischen Einschnürung bzw. einer Fokussierung
des Ionenträgergases.
Hinter der Verengung strömt
das Ionenträgergas 4 im Übergangsbereich
laminar mit dem Driftgas 5 zusammen.
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Eine
typische Anwendung der hier beschriebenen Erfindung bildet die Überwachung
der Umgebungsluft. Die zu analysierende Luft strömt in den Ionisationsraum 1,
wo es zu einer Ionisierung der in der Luft enthaltenen nachzuweisenden
Stoffe (Analyten) kommt. Die Ionisierung durch β-Strahlung (Elektronen) erfolgt
in zwei Stufen. Zunächst
werden durch den Beschuss mit energiereichen Elektronen vorwiegend
Stickstoffmoleküle
ionisiert, was durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden
kann: N2 ⇒ N2 + + e–
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Die
in der Luft enthaltenen Analyten werden kaum durch den Elektronenbeschuss
ionisiert.
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In
Folgereaktionen entstehen stabile H+(H2O)n und O2 –(H2O)n Reaktantionen sowie positive und negative
Analytionencluster [G. Eiceman and Z. Karpas, Ion mobility spectrometry,
cRc Press 1994, 228 Seiten, ISBN 084934235X]. Nach Durchqueren des
Ionisationsraums enthält
die Luft Ionen und wird als Ionenträgergas bezeichnet.
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Im Übergangsbereich 3,
welcher im vorliegenden Beispiel einen rechteckigen Querschnitt
aufweist, bildet sich eine laminare Schichtströmung aus, in der das Ionenträgergas 4 auf
zwei Seiten von Driftgas 5 umgeben ist. Aufgrund der laminaren
Strömungsverhältnisse
bleibt die Schichtströmung
im Trennbereich 8 erhalten, so dass die Ionen im Ionenträgergas fokussiert
in den Trennbereich 8 eintreten.
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Durch
das elektrische Feld, welches sich zwischen den gegenüber angeordneten
Elektroden 9, 10, 11, 12 ausbildet,
werden die Ionen aus der Strömungsrichtung
in Richtung der Elektroden abgelenkt. Für den Nachweis positiver Ionen
liegen die Hilfselektroden 10, 12 sowie die Detektorelektrode 9 auf
einem niedrigeren Potential als die Gegenelektrode 11 (positiver
Mode). Hilfselektroden 10, 12 und Detektorelektrode 9 liegen
idealerweise in einer Ebene und auf gleichem Potential. Positive
Ionen werden damit in Richtung der Hilfselektroden 10, 12 und
Detektorelektrode 9 abgelenkt. Bei entsprechender Ablenkspannung
treffen lediglich Ionen mit einer bestimmten Mobilität auf die
Detektorelektrode 9, da nur für diese Ionen Strömungsgeschwindigkeit
und Ablenkgeschwindigkeit im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Es
entsteht ein Ionenstrom zwischen Detektorelektrode 9 und
Gegenelektrode 11, der mit der Konzentration dieser Ionen
und damit der Konzentration des entsprechenden Analyten in der Umgebungsluft
korreliert.
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Um
die Ausprägung
eines möglichst
gleichmäßigen Feldes
zu gewährleisten,
befindet sich die Gegenelektrode 11 flächenmäßig deckungsgleich parallel
gegenüber
den Hilfselektroden 10, 12 und der Detektorelektrode 9,
die in einer Ebene liegen. Durch Veränderung der Ablenkspannung
lässt sich ein
Ionenspektrum aufnehmen. Aufgrund der Ionenfokussierung und der
spektralen Analyse verfügt
das System über
eine gegenüber
anderen Systemen (z. B ChemPro 100 der Firma Environics) verbesserte Trennleistung.
Für den
Nachweis negativ geladener Ionen können die Potentialverhältnisse
problemlos umgekehrt werden (negativer Mode). Aufgrund der geringen
Ablenkspannungen ist ein Umschalten zwischen dem positiven und negativen
Mode im Bereich von 1 bis 5 Hz möglich.
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Das
Driftgas 5 wird nach der Passage des Trennbereiches 8 über einen
Filter 13 geführt
und wieder in den Übergangsbereich 3 eingeleitet. Feuchte,
Analyten und andere Verunreinigungen werden hierdurch aus dem Driftgas
entfernt, d. h. die Ionentrennung erfolgt in trockener und sauberer
Luft nahezu unabhängig
von der Umgebungsfeuchte.
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Durch
eine Reduzierung der Abmessungen des Systems ergibt sich ein minimaler
Medienbedarf. Besonders vorteilhaft sind die einfache Bauweise und
die damit verbundenen geringen Herstellkosten. Durch Veränderung
der Gasflüsse
sowohl des Ionenträgergases
als auch des Driftgases und durch rechnerische Berücksichtung
der veränderten
Flugweiten lässt
sich der dynamische Bereich des Systems auf einfache Weise erhöhen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in einem Ausschnitt
des Übergangsbereiches.
Im Übergangsbereich,
welcher im vorliegenden Beispiel einen rechteckigen Querschnitt
aufweist, bildet sich eine laminare Schichtströmung aus, in der das Ionenträgergas auf
zwei Seiten von Driftgas umgeben ist. Aufgrund der laminaren Strömungsverhältnisse
bleibt die Schichtströmung
im Trennbereich erhalten, so dass die Ionen im Ionenträgergas fokussiert
in den Trennbereich eintreten.
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Für das erfindungsgemäße Prinzip
ist es wichtig, dass diese Strömungsverhältnisse
zumindest am Ende des Übergangsbereiches
herrschen. Ein effektive Fokussierung der Ionen bei ihrem Eintritt in
den Trennbereich erfolgt, wenn erreicht wird, dass sich zumindest
am Ende des Übergangsbereiches eine
Strömung
einstellt, in der Querschnittsbereiche 6 überwiegend
von Ionenträgergas
und andere Querschnittsbereiche 7, 7' überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden.
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3 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungsverhältnisse in einem Ausschnitt
des Übergangsbereiches.
In diesem Beispiel befindet sich ein Querschnittsbereich 6,
der überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
wird, in der Mitte des Übergangsbereiches.
Er wird von einem Querschnittsbereich 7, der überwiegend
von Driftgas durchströmt
wird, umgeben. Dadurch erreicht man, dass der Querschnittsbereich 6,
der überwiegend von
Ionenträgergas
durchströmt
wird, bei laminarer Strömung
den Bereich des Minimums des Geschwindigkeitsgradienten der Gasströmung umfasst.
Dadurch werden Ionenverluste durch Wandreaktionen weitgehend vermieden.
Die Elektrodenanordnung entspricht dem vorangegangenen Beispiel.
Die Detektorelektrode 9 und die Hilfselektroden 10, 12 befinden
sich in einer Ebene gegenüber
der Gegenelektrode 11. Durch die besondere Strömungsgeometrie ergibt
sich ein verengter Trefferbereich 14, in dem die nachzuweisenden
Analytionen auf die Detektorelektrode gelangen.
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4 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungsverhältnisse in einem Ausschnitt
des Übergangsbereiches
in Kombination mit einer abgewandelten Elektrodenanordnung. Der Übergangsbereich
und der Trennbereich sind so ausgestaltet, dass sich zwischen einem
Querschnittsbereich 6, der überwiegend von Ionenträgergas durchströmt wird,
und der Detektorelektrode mindestens 70% der Querschnittsbereiche 7, 7' befinden, die überwiegend
von Driftgas durchströmt
werden. Das wird durch einen asymmetrischen Aufbau der Schichtströmung erreicht.
Der untere von Driftgas durchströmte
Querschnittsbereich 7 ist wesentlich ausgedehnter als der
Querschnittsbereich 7',
der sich in Form einer dünnen
Schutzströmung
zwischen dem Ionenträgergas
und der Wand bzw. Gegenelektrode 11 ausbildet. Es hat sich
gezeigt, dass sich mit derart asymmetrischen Strömungsgeometrien besonders hohe
Trennleistungen erreichen lassen. Um Effekte durch Strömungsinhomogenitäten an den Rändern des
Strömungsweges
auszuschließen,
wurde eine Detektorelektrode 9 gewählt, die in Strömungsrichtung
schmaler ist als der Querschnittsbereich 6 im Übergangsbereich,
der überwiegend
von Ionenträgergas
durchströmt
wird. Diese Detektorelektrode wird vorzugsweise von einer ringförmigen Hilfselektrode 15 umgeben.