DE102005028930A1

DE102005028930A1 - Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten

Info

Publication number: DE102005028930A1
Application number: DE102005028930A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Ulrich; Wolfgang Dr. Bäther; Jochen Dr. Wieser
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA; Technische Universitaet Muenchen; TuiLaser AG
Current assignee: Excitech De GmbH
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-04
Also published as: GB2428871A; US20070023637A1; US7385210B2; GB0611896D0; GB2428871B

Abstract

Eine Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten (1) weist einen Elektronengenerator (2) auf, der Elektronen durch eine Membran (6) hindurch in einen Ladungsraum (8) sendet. Die thermische Belastung der Membran (6) kann signifikant gesenkt werden, wenn für die Membran ein Material gewählt wird, das wenigstens eine Komponente aus der Gruppe der Oxide, Nitride und Karbide mit wenigstens einem der Elemente B, Al, C, Si und Ti oder Polysilizium enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten mit:

– einem Gasraum, der einen Gaseinlass und einen Ladungsraum zur Bildung geladener Analyten aufweist,
– einem Detektor zum Erfassen der geladenen Analyten,
– einem Driftgenerator, der eine Drift geladener Analyten zum Detektor bewirkt, und mit
– einem Elektronengenerator, der durch eine für Elektronen durchlässige gasdichte Membran vom Gasraum getrennt ist und der Elektronen durch die Membran hindurch in den Ladungsraum sendet.

Eine derartige Vorrichtung ist für die Ionenmobilitätsspektroskopie aus der DE 196 27 621 A1 bekannt. Dort setzt sich der Gasraum aus einer Driftkammer und einer Teilkammer einer Reaktionskammer zusammen. In einer weiteren evakuierten Teilkammer der Reaktionskammer befindet sich ein thermischer Elektronenemitter zum Erzeugen freier Elektronen. Die freien Elektronen werden mit Hilfe eines Elektronenflussmodulators und einer zwischen dem Elektronenemitter und dem Elektronenflussmodulator angelegten Beschleunigungsspannung in Richtung auf eine elektronendurchlässige gasdichte Membran zwischen den beiden Teilkammern der Reaktionskammer beschleunigt. Die Membran ist aus Glimmer hergestellt und ist auf der der gasgefüllten Teilkammer der Reaktionskammer zugewandten Seite mit einer Metallschicht beschichtet.

Die beschleunigten Elektronen treten durch die Membran hindurch in die mit Driftgas und Analytgas gefüllte Teilkammer der Reaktionskammer ein. In dieser Teilkammer entstehen durch die einfallenden Elektronen geladenen Gasteilchen. Der unmittelbar der Membran benachbarte Bereich des Gasraumes, in dem die durch die Membran einfallenden Elektronen absorbiert werden, soll daher im Folgenden als Ladungsraum bezeichnet werden.

Die Aufladung der Gasteilchen führt auch zu Bildung von geladenen Analyten. Unter der Einwirkung einer zwischen der metallischen Beschichtung der Membran und der Driftkammer angelegten Driftspannung bewegen sich die geladenen Analyten von der gasgefüllten Teilkammer der Reaktionskammer zu einer in der Driftkammer angeordneten Auffangelektrode und werden dort erfasst. Da die verschiedenen aufgeladenen Analyten unterschiedliche Beweglichkeit und daher unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten aufweisen, benötigen die verschiedenen Analyten unterschiedlich lange, um von dem vor der Membran gelegenen Ladungsgebiet zur Auffangelektrode zu gelangen.

Ionenmobilitätsspektrometer eignen sich insbesondere zur Detektion von organischen Stoffen. Zum Beispiel ist es möglich, mit Hilfe eines Ionenmobilitätsspektrometers organische Verbindungen, wie chemische Kampfstoffe, illegale Drogen oder Explosivstoffe in kleinsten Mengen nachzuweisen.

Ein Vorteil des bekannten Ionenmobilitätsspektrometers ist, dass es ohne radioaktive Quelle zum Aufladen der Analyten auskommt. Es sind daher keine besonderen Schutzmaßnahmen zu treffen.

Ein Nachteil des bekannten Ionenmobilitätsspektrometers ist jedoch die hohe thermische Belastung der Membran durch den Elektronenstrahl, weshalb auf der Eintrittsseite der Membran ein Stützgitter angeordnet ist, das die Membran mechanisch stabilisiert.

Das bekannte Ionenmobilitätsspektrometer eignet sich daher nicht für den wartungsfreien Dauereinsatz. Umgekehrt besteht aber Bedarf nach möglichst wartungsfreien Geräten, um sie beispielsweise Feuerwehren oder Einheiten des Katastrophenschutzes zur Verfügung zu stellen.

Ferner ist aus der DE 196 27 620 C1 ein Elektroneneinfangdetektor für die Gaschromatographie bekannt, bei dem mit Hilfe von ultraviolettem Licht erzeugte Elektronen durch eine Membran hindurch in einen Ladungsraum emittiert werden, wo elektronenaffine Moleküle aufgeladen und von Sammelelektroden erfasst werden.

Weiterhin ist aus der US 62 82 222 B1 eine Lichtquelle für ultraviolettes Licht bekannt. Zum Erzeugen des ultravioletten Lichts benutzt die bekannte Lichtquelle Excimere, die in einer Gaskammer durch die Einwirkung eines Elektronenstrahls auf Edelgas gebildet werden. Der Elektronenstrahl wird von einem Elektronengenerator erzeugt, der eine evakuierte Kammer mit einem thermischen Elektronenemitter aufweist. Die vom Elektronenemitter freigesetzten Elektronen werden in Richtung auf eine metallische Anode beschleunigt, die ein zentrales Loch aufweist, das von einem Träger abgedeckt ist. Der Träger hält eine dünne Folie. Die Folie ist vorzugsweise auf der Basis von Siliziumnitrid hergestellt, kann aber auch aus einem Material aus der Gruppe der Karbide, Nitride, Hydride und Oxide von Metallen hergestellt sein, die aus der Gruppe der Elemente B, Al, Si ausgewählt sind. Ferner wird Polysilizium als Material für die Membran vorgeschlagen. Durch die Membran wird der Elektronengenerator vom Gasraum getrennt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Stabilität verbesserte Vorrichtung für die für die Spektroskopie mit geladenen Analyten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Bei der Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten ist die Membran aus wenigstens einem Material hergestellt, das wenigstens eine Komponente aus der Gruppe der Oxide, Nitride und Karbide mit wenigstens einem der Elemente B, Al, C, Si und Ti oder Polysilizium enthält.

Membranen aus diesen Materialien können mechanisch stabil in einer Dicke gefertigt werden, die wesentlich kleiner als die Halbwertsdicke der einfallenden Elektronen ist, selbst wenn die kinetische Energie der einfallenden Elektronen unterhalb von 50 KeV liegt. Unter Halbwertsbreite soll in diesem Zusammenhang die Breite verstanden werden, bei der die Leistungstransmission 50 Prozent beträgt.

Die mechanische Stabilität derartiger Membranen reicht auch aus, um den Druckunterschied zwischen Atmosphärendruck einerseits und Vakuum andererseits Stand zu halten. Da die Dicke der Membran wesentlich kleiner als die Halbwertsdicken im interessierenden Energiebereich ist, werden die Elektronen nur zum geringen Teil in der Membran absorbiert. Die thermische Belastung der Membran ist daher im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringer. Aufgrund der hohen Festigkeit und der geringen thermischen Belastung ist es auch nicht erforderlich, ein Stützgitter für die Membran vorzusehen. Ferner kann davon ausgegangen werden, dass die Membran über eine lange Betriebsdauer hinweg stabil bleibt. Somit ergibt sich ein weitgehend wartungsfreies Ionenmobilitätsspektrometer, das auch von nicht speziell geschultem Personal verwendet werden kann.

Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Membran mehrlagig insbesondere mit einer Oxidschicht und einer Nitridschicht ausgebildet. Mit einer Mehrlagengestaltung kann die mechanische Stabilität verbessert werden.

Die Dicke der Membran liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 50 bis 500 Nanometer. Eine Membran in diesem Dickenbereich weist für relevante Durchmesser einer abzudeckenden runden Öffnung im Bereich von einem halben bis zwei Millimeter eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, um der Druckdifferenz zwischen Atmosphärendruck und Vakuum Stand zu halten. Auch rechteckige Öffnungen, deren Schmalseite kleiner zwei Millimeter ist, können mit einer derartigen Membran abgedeckt werden. Außerdem ist die Dicke derartiger Membranen für Elektronenenergien kleiner 50 keV wesentlich kleiner als die Halbwertsdicke, so dass eine Leistungstransmission weit oberhalb von 50 Prozent erzielbar ist.

Der Elektronengenerator umfasst vorzugsweise eine Elektronenquelle, die Elektronen emittiert, die von einem Beschleunigungsgenerator in Richtung auf die Membran beschleunigt werden. Da der Platzbedarf eines derartigen Elektronengenerators im Bereich von etwa einem Kubikzentimeter liegt, kann ein derartiger Elektronengenerator auch für tragbare Geräte verwendet werden.

Die kinetische Energie der auf die Membran eintreffenden Elektronen sollte vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 50 KeV liegen. In diesem Energiebereich beträgt die Energiedepositionstiefe in Luft nur wenige Millimeter. Eine entsprechend kleine Ausdehnung weist das Ladungsgebiet auf, in dem die Moleküle angeregt und geladen werden. Folglich kann auch der Ladungsraum klein gehalten werden. Der genannte Energiebereich für die kinetische Energie der Elektronen kommt daher insbesondere für baukleine, tragbare Vorrichtungen in Frage.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Membran ohne metallische Elektrode ausgebildet. Da die Schwächung eines Elektronenstrahls umso größer ist, je größer die Ordnungszahl Z des Materials ist, wird ein Elektronenstrahl in Metallen mit besonders hoher Ordnungszahl Z besonders stark geschwächt. Für eine geringe Energieabsorption in der Membran ist es daher von Vorteil, wenn die Membran nach Möglichkeit frei von Schichten aus Metallen mit hoher Ordnungszahl Z ist.

Um trotz fehlender metallischer Elektrode der Membran den Transport der geladenen Analyten zu einem Driftraum des Gasraumes zu gewährleisten, ist der an die Membran abgrenzende Ladungsraum einer Gasströmung ausgesetzt, durch die geladene Bestandteile des Gases zum Driftraum hin transportiert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwischen dem Ladungsraum und dem Driftraum ein Zwischenraum, in dem eine Deflektorelektrode ausgebildet ist, mit deren Hilfe die im Zwischenraum gesammelten geladenen Analyten in den Driftraum transportierbar sind. Daher kann in diesem Fall auf eine Metallisierung der Membran verzichtet werden, was zu einer verbesserten Transmission der Membran führt.

Der Gaseinlass für die Analyten kann an den Ladungsraum angeschlossen sein. In diesem Fall gelangen nur geladene Analyten in den Zwischenraum, deren Lebensdauer größer als die Transportzeit für den Weg vom Ladungsraum in den Zwischenraum ist. Folglich gelangen nur besonders stabile geladene Analyten in den Driftraum.

Der Gaseinlass für die Analyten kann aber auch an den Zwischenraum angeschlossen sein, während der Ladungsraum durch ein von Analyten freies Trägergas gespült wird. In diesem Fall kommen die Analyten nicht in Kontakt mit der erwärmten Oberfläche der Membran, so dass die Analyten unverändert erhalten bleiben.

Bei einer besonders kompakten Bauform werden die geladenen Analyten durch eine an der Membran vorbeiführende Gasströmung in einen sich unmittelbar an den Ladungsraum anschließenden Driftraum transportiert. Eine im Driftraum ausgebildete Ablenkvorrichtung erzeugt eine quer zur Strömungsrichtung des Analytengases ausgerichtete Ablenkkraft, die die geladenen Analyten zu einem Detektor lenkt. Je nach Beweglichkeit werden die verschiedenen Arten von geladenen Analyten unterschiedliche Bahnen im Driftraum zurücklegen und auf verschiedene Elemente des Zeilendetektors treffen.

Daneben kann auch die Ablenkkraft variiert werden, wenn nur ein Detektorelement zu Verfügung steht.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 den Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers;
2 den Aufbau eines Elektronengenerators;
3 ein Diagramm, in dem die Leistungstransmission von Membranen aus verschiedenen Materialien gegen die Energie der einfallenden Elektronen aufgetragen ist;
4 ein Diagramm, in dem die Energiedepositionstiefe in Stickstoff bei Atmosphärendruck gegen die Energie der einfallenden Elektronen aufgetragen ist;
5 den Aufbau eines weiteren Ionenmobilitätsspektrometers, bei dem der Driftraum vom Ionisierungsraum durch einen Zwischenraum getrennt ist;
6 den Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers, bei dem der Analyteneinlass an den Zwischenraum angeschlossen ist; und
7 den Aufbau einer besonders kompakten Bauform eines Ionenmobilitätsspektrometers.
1 zeigt ein Ionenmobilitätsspektrometer 1, das zum Erzeugen von freien Elektronen einen Elektronengenerator 2 aufweist. Dieser Elektronengenerator 2 umfasst einen Elektronenemitter 3, bei dem es sich beispielsweise um eine Heizwendel handelt, die durch Glühemission Elektronen emittiert. Der Elektronengenerator 2 verfügt ferner über eine Beschleunigungsanode 4. Zwischen dem Elektronenemitter 3 und der Beschleunigungsanode 4 ist eine Beschleunigungsspannung U_B angelegt, die von einer Beschleunigungsspannungsquelle 5 erzeugt wird. In Strahlrichtung hinter der Beschleunigungsanode 4 befindet sich eine gasdichte elektronendurchlässige Membran 6, die die Generatorkammer 7 von einem Ionisierungsraum 8 trennt, der bei dem Ionenmobilitätsspektrometer 1 wie bei allen anderen Ausführungsformen die Funktion des Ladungsraums hat. An den Ionisierungsraum 8 sind ein Probengaseinlass 9 und ein Probengasauslass 10 angeschlossen.
Ein Sperrgitter 11 wiederum trennt den Ionisierungsraum 8 von einer Driftkammer 12 ab, die aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten, in 1 nicht dargestellten Ringelektroden besteht. Am Ende der Driftkammer 12 befindet sich ein Detektor 13. Um geladene Gasteilchen von der Membran 6 zum Detektor 13 driften zu lassen, ist auf der Membran 6 ein Deflektor 14 in der Form einer dünnen auf die Membran 6 aufgebrachten Metallschicht ausgebildet. Zwischen dem Deflektor 14 und einer Abschlusselektrode 15 der Driftkammer 12 ist ferner eine Driftspannung U_d angelegt, die von einer Driftspannungsquelle 16 erzeugt wird.
Zur Steuerung der Drift von der Membran 6 zum Detektor 13 kann an das Sperrgitter 11 eine Pulsspannung U_P angelegt werden, die von einer Pulsspannungsquelle 17 bereitgestellt wird. Der Detektor 13 ist schließlich an eine Signalverarbeitungseinheit 18 angeschlossen, die eine Steuereinheit 19 mit Daten beaufschlagt. Bei der Steuereinheit 19 kann es sich um einen handelsüblichen Rechner mit Tastatur 20 und Monitor 21 handeln. Die Steuereinheit 19 sowie die zur Bereitstellung einer graphischen Benutzerschnittstelle erforderlichen Geräte können jedoch mit dem eigentlichen Ionenmobilitätsspektrometer 1 eine Baueinheit bilden. Insbesondere kann der Monitor 21 auch durch eine einzelne Warnleuchte ersetzt werden, die die Detektion einer bestimmten Substanz anzeigt.
Beim Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometer 1 werden vom Elektronengenerator 2 Elektronen durch die Membran 6 hindurch in den Ionisierungsraum 8 emittiert. Im Ionisierungsraum 8 ionisieren die beschleunigten Elektronen die Gasmoleküle. Im Wesentlichen entstehen zunächst diverse Hydroniumionen H⁺(H₂O)_n. Im Spektrum des Ionenmobilitätsspektrometer 1 bilden diese Hydroniumionen den so genannten Reaktant-Ionen-Peak (= RIP). Die Hydroniumionen reagieren nun mit Analytmolekülen unter Protonentransfer. Dabei entstehen unter anderem protonierte Analytmoleküle, die nachfolgend auch als Analytionen bezeichnet werden. Durch einen Spannungspuls am Sperrgitter 11 werden die Analytionen paketweise in die Driftkammer 12 befördert, wo die Analytionen unter Einfluss der Driftspannung U_d je nach Beweglichkeit unterschiedlich schnell durch das Driftgas zum Detektor 13 driften. Die Analytionen haben in der Regel andere Mobilitäten als die Reaktant-Ionen und können deshalb in der Driftkammer 12 von den Analytionen getrennt werden. Die Zeit, die die Analytionen oder Reaktant-Ionen für das Durchlaufen der Driftkammer 12 benötigen, ist also charakteristisch für die jeweilige Art von Ionen. Aus dem Verlauf des Detektorstroms kann daher auf die Konzentration von verschiedenen Analyten im Probengas geschlossen werden.
Der Elektronengenerator 2 sei nun im Folgenden anhand 2 näher erläutert. Bei dem Elektronenemitter 3 kann es sich um eine Vorrichtung zur Glühemission, Photoemission oder Feldemission handeln. Letzteres wird wegen der geringen Leistungsaufnahme bevorzugt. Die vom Elektronenemitter 3 emittierten Elektronen werden von der Beschleunigungsanode 4 in Richtung auf die Membran 6 beschleunigt. Dabei entsteht ein Elektronenstrahl 22, der durch die Membran 6 hindurchtritt. Das Vakuum in der Generatorkammer 7 wird mit einer Vakuumpumpe erzeugt, bei der für ein tragbares Gerät erforderlichen Baugröße jedoch bevorzugt mit einem in der Generatorkammer 7 angeordneten Getter 23 aufrechterhalten. Der wesentliche Vorteil des Elektronengenerators 2 besteht darin, dass er nahezu beliebig ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies ermöglicht den Betrieb mit nahezu beliebigen Zeitstrukturen. So kann der Elektronengenerator sowohl mit kurzen Pulsen als auch kontinuierlich betrieben werden.
3 zeigt ein Diagramm, in dem die Leistungstransmission T in Abhängigkeit von der Energie E der einfallenden Elektronen für Membranen aus verschiedenen Materialien aufgetragen ist. Eine Transmissionskurve 24 stellt die Leistungstransmission einer Membran aus Siliziumnitrid und einer Dicke von 300 Nanometer dar. Siliziumnitrid bietet außer der großen mechanischen Festigkeit den Vorteil, dass es standardmäßig im Bereich der Halbleiterindustrie hergestellt wird.
Weitere Transmissionskurven 25 und 26 bezeichnen die Leistungstransmission einer 10 Mikrometer dicken Membran auf der Basis von Beryllium und einer 6 Mikrometer dicken Membran, die aus Glimmer hergestellt ist. Die Transmissionskurven 24 bis 26 wurden jeweils mit Hilfe des Programms CASINO von Drouin, Couture, Gauvin, Hovington, Horny und Demers berechnet. Auffallend ist, dass die 300 Nanometer dicke Membran auf der Basis von SiNx bereits Elektronen mit Energien ab etwa 5 keV hindurchlässt. Außerdem ist der Anstieg der Leistungstransmission sehr steil. Wenn die Elektronen eine kinetische Energie von etwa 10 keV haben, erhält man eine Leistungstransmission von etwa 50 Prozent und bei einer kinetischen Energie von 15 keV erreicht die Leistungstransmission einen Wert im Bereich von 85 Prozent. Im genannten Energiebereich ist daher die thermische Belastung der Membran 6 signifikant geringer als bei den Membranen aus Beryllium und Glimmer.
Ursache hierfür ist die wesentlich geringere Dicke der Membran 6 auf der Basis von Siliziumnitrid.
Zwar ist es gemäß den Transmissionskurven 25 und 26 auch möglich, bei Elektronenenergien im Bereich von 100 keV bei Membranen auf der Basis von Beryllium oder Glimmer eine Leistungstransmission im Bereich von 90 Prozent zu erreichen. Aber Elektronen mit einer Energie im Bereich von 100 keV haben in Luft eine Reichweite von etwa 30 Zentimeter. Dagegen haben Elektronen mit einer Energie unterhalb von 50 keV gemäß einer in 4 dargestellten Tiefenkurve 27 lediglich eine Reichweite von unter 15 Millimetern. Die Tiefenkurve in 4 zeigt die Abhängigkeit der Energiedepositionstiefe d in Stickstoff bei Atmosphärendruck nach S. Valkealahti, et al., J. Appl. Phys. 65, 2258 (1989) von der Elektronenenergie E. Der in 4 dargestellte Zusammenhang macht deutlich, dass bei einer Beschränkung der Elektronenenergien auf Werte unterhalb 50 keV eine kompakte Bauweise des Ionisierungsraums 8 möglich ist.
Es sei angemerkt, dass für die Membran auch Materialien auf der Basis von Nitriden, Oxiden und Karbiden mit wenigstens einem der Elemente B, Al, C, Si und Ti in Frage kommen. Auch Membranen aus Polysilizium können ausreichend dünn hergestellt werden.
Die Dicke der Membran 6 sollte zwischen 50 und 500 Nanometer, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 300 Nanometer gewählt werden.
In diesem Dickenbereich der Membran 6 sollte der Elektronengenerator 2 die Elektronen auf Energien im Bereich von 5 bis 50 keV beschleunigen, insbesondere auf Energien im Bereich von 5 bis 20 keV, vorzugsweise auf Energien unterhalb 15 keV. Der Elektronengenerator 2 erzeugt dabei Ströme im Bereich von 1 Pikoampere bis 10 Mikroampere vorzugsweise Ströme von etwa 100 Nanonampere.
Außerdem kann der Elektronengenerator 2 sowohl kontinuierlich als auch gepulst mit Pulsdauern im Bereich ab 5 Nanosekunden betrieben werden. Typische Pulsdauern liegen im Bereich von 1 1 Mikrosekunde bis 20 Millisekunden.
In 5 ist ein weiteres Ionenmobilitätsspektrometer 28 dargestellt, bei dem zwischen dem Ionisierungsraum 8 und der Driftkammer 12 ein Deflektorraum 29 angeordnet ist. In dem Deflektorraum 29 befindet sich auch der Deflektor 14, an den die Driftspannung Ud angelegt ist. Am Ionisierungsraum 8 ist der Probengaseinlass 9 ausgebildet, während der Probengasauslass 10 an dem Deflektorraum 29 angebracht ist. Somit findet sowohl im Ionisierungsraum 8 als auch im Deflektorraum 29 eine Gasströmung statt, die vor der Membran 6 im Ionisierungsraum 8 durch den Elektronenstrahl 22 erzeugte Excimere oder ionisierte Moleküle in den Deflektorraum 29 transportiert, wo sie durch einen von der Pulsspannungsquelle 17 abgegebenen geeigneten Spannungspuls in die Driftkammer 12 befördert werden können.
Die Besonderheit des Ionenmobilitätsspektrometers 28 liegt darin, dass die Membran 6 nicht mit einer metallischen Schicht aus einem Metall mit hoher Ordnungszahl Z versehen werden muss, die den Elektronenstrahl 22 zusätzlich schwächt. Vielmehr wird der Transport vom Ionisierungsraum zum Deflektor 14 von der Gasströmung ausgeführt, die durch den Ionisierungsraum 8 und den Deflektorraum 29 strömt. Zwar kann die Membran 6 grundsätzlich auch mit einer dünnen Aluminiumschicht versehen werden, aber eine solche Schicht ist chemisch häufig instabil, weshalb es von Vorteil ist, wenn auf eine derartige Schicht verzichtet werden kann.
Die räumliche Trennung von Ionisierungsraum 8 und Deflektorraum 29 ist auch sinnvoll, um hochreaktive Ionen während des Transports von dem Ionisierungsraum 8 in den Deflektorraum 29 abreagieren zu lassen. Denn nur solche Ionen erreichen den Deflektorraum 29, die länger als die benötigte Transportzeit leben. Insofern gelangen bei dem Ionenmobilitätsspektrometer 28 nur stabile Analytionen in die Driftkammer 12.
Durch die Wahl der Zeitstruktur für den Elektronenstrahl 22, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die Zeitstruktur der Pulsspannung U_P sowie die Größe der Driftspannung U_D lassen sich gezielt bestimmte Arten von geladenen Analyten erzeugen und detektieren.
In 6 ist schließlich ein weiteres Ionenmobilitätsspektrometer 30 dargestellt, bei dem der Ionisierungsraum 8 als Gasleitung ausgebildet ist, durch die von einem Trägergasanschluss 31 aus Trägergas an der Membran 6 vorbeigeleitet wird. Der Probengaseinlass 9 befindet sich dagegen am Ionisierungsraum 8. Bei dem Ionenmobilitätsspektrometer 30 werden die Analytmoleküle daher an der gegebenenfalls stark aufgeheizten Membran 6 vorbeigeführt. So werden in dem als Gasleitung für das Trägergas ausgebildeten Ionisierungsraum 8 nur die diversen Hydroniumionen erzeugt. Diese werden mit dem Trägergasfluss in den Deflektorraum 29 transportiert und reagieren dann mit den dort zugeführten Analytmolekülen selektiv zu den gewünschten Analytionen.
Das in 7 dargestellte Ionenmobilitätsspektrometer 32 weist schließlich eine besonders kompakte Bauform auf. Bei dem Ionenmobilitätsspektrometer 32 ist der Probengaseinlass 9 am Ionisierungsraum 8 angebracht. An den Ionisierungsraum 8 ist unmittelbar eine Driftkammer 33 angesetzt, an die auch der Probengasauslass 10 angeschlossen ist. Somit findet durch den Ionisierungsraum 8 und die Driftkammer 33 eine Gasströmung statt, die die Analytionen vom Ionisierungsraum 8 in die Driftkammer 33 befördert.
Die Driftkammer 33 umfasst auf gegenüberliegenden Seiten Ablenkelektroden 34, die in der Driftkammer 33 eine quer zum Gasstrom ausgerichtete Ablenkkraft erzeugen, die die Analyti onen zu einer Detektorzeile 35 lenkt. Analytionen hoher Mobilität werden dabei stärker abgelenkt als Analytionen geringer Mobilität. Die Analytionen hoher Mobilität treffen daher auf andere Elemente der Detektorzeile 35 als die Analytionen geringer Mobilität. Wenn nur ein einzelner Analytionendetektor vorhanden ist, kann gegebenenfalls auch die Ablenkspannung zwischen den Ablenkelektroden 34 variiert werden.
Die hier beschriebenen Ionenmobilitätsspektrometer 1, 28, 30 und 32 weisen jeweils eine besonders kleine Bauform auf. Sie eignen sich daher für tragbare Ausführungen. Ferner lassen die Ionenmobilitätsspektrometer 1, 28, 30 und 32 ein hohes Maß an Stabilität erwarten. Die Ionenmobilitätsspektrometer 1, 28, 30 und 32 können daher auch von nicht speziell geschultem Personal bedient werden.
Es sei angemerkt, dass die hier beschriebenen Membranen auch im Zusammenhang mit einem Elektroneneinfangdetektor oder anderen mit geladenen Analyten arbeitenden Spektrometern verwendet werden kann.

Claims

Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten: – einem Gasraum (8, 12, 29, 33), der einen Gaseinlass (9) und einen Ladungsraum (8) zur Bildung geladener Analyten aufweist, – einem Detektor (13) zum Erfassen der geladenen Analyten, – einem Driftgenerator (14, 15, 16, 34), der eine Drift geladener Analyten zum Detektor (13, 35) bewirkt, – einem Elektronengenerator (2), der durch eine für Elektronen durchlässige gasdichte Membran (6) vom Gasraum (8, 12, 29, 33) getrennt ist und der Elektronen durch die Membran (6) hindurch in den Ladungsraum (8) sendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) aus einem Material hergestellt ist, das wenigstens eine Komponente aus der Gruppe der Oxide, Nitride und Karbide mit wenigstens einem der Elemente B, Al, C, Si und Ti oder Polysilizium enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) mehrlagig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage der Membran (6) Oxide und eine weitere Lage Nitride enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) eine Dicke unterhalb 500 Nanometer aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronengenerator (2) einen Elektronenemitter (3) und einen Beschleunigungsgenerator (4, 5) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsgenerator (4, 5) die Elektronen auf Energien im Bereich zwischen 5 bis 50 keV beschleunigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass geladene Analyten vom Ladungsraum (8) durch eine Gasströmung von einem am Ladungsraum (8) ausgebildeten Gaseinlass (9, 31) zu einem abseits vom Ladungsraum (8) angeordneten Gasauslass (10) aus dem Ladungsraum (8) in Richtung auf den Detektor (13, 35) hin transportierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (8, 12, 29) einen durch eine Sperrvorrichtung (11, 17) abgeteilten, mit dem Detektor (13) versehenen Driftraum (12) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Driftraum (12) und Ladungsraum (8) ein mit einem Gasauslass (10) versehener Zwischenraum (29) ausgebildet ist, der mit einer Förderrichtung (14) versehen ist, mit der geladene Analyten vom Zwischenraum (29) in den Driftraum (12) transportierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den am Ladungsraum (8) ausgebildeten Gaseinlass (9) Analyten in den Ladungsraum (8) einleitbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den am Ladungsraum (8) ausgebildeten Gaseinlass (31) ein analytenfreies Trägergas einspeisbar ist und dass der Zwi schenraum (29) mit einem Gaseinlass (9) versehen ist, mit dem Analyten in den Zwischenraum (29) einleitbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Ladungsraum (8) ein mit einem Gasauslass (10) versehener Driftraum (33) anschließt, in dem geladene Analyten durch eine Ablenkvorrichtung (16, 34) quer zur Gasströmung zu einem Detektor (35) ablenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geladenen Analyten zu einer Detektorzeile (35) ablenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die geladenen Analyten einwirkende Ablenkkraft variierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronengenerator (2) gepulst mit Pulsen größer 5 Nanosekunden bis kontinuierlich betreibbar ist.