DE102005031048A1

DE102005031048A1 - Ionenmobilitätsspektrometer mit parallel verlaufender Driftgas- und Ionenträgergasströmung

Info

Publication number: DE102005031048A1
Application number: DE102005031048A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Zimmermann; Wolfgang Dr. Bäther
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-07-02
Filing date: 2005-07-02
Publication date: 2007-01-04
Also published as: US20070023647A1; GB0613072D0; US7417224B2; GB2428872A; GB2428872B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer, DOLLAR A umfassend mindestens einen Ionisationsraum (1), der von analythaltigem Gas durchströmt werden kann, DOLLAR A mindestens eine Strahlungsquelle (2), aus der ionisierende Strahlung, die geeignet ist, das analythaltige Gas zumindest teilweise zu ionisieren, in den Ionisationsraum (1) tritt, DOLLAR A mindestens einen in Strömungsrichtung hinter dem Ionisationsraum (1) liegenden Trennbereich (8), in den das teilweise ionisierte Gas als Ionenträgergas (4) und ein nahezu ionenfreies Gas als Driftgas (5) in einer Weise eingeleitet werden, dass sich zumindest im Eingangsbereich des Trennbereiches (8) eine Strömung einstellt, in der Querschnittsbereiche (6) überwiegend von Ionenträgergas (4) und andere Querschnittsbereiche (7, 7') überwiegend von Driftgas (5) durchströmt werden, wobei DOLLAR A Driftgas (5) und Ionenträgergas (4) unidirektional strömen und die Querschnittsbereiche (6), die Überwiegend von Ionenträgergas (4) durchströmt werden, zumindest in einer Dimension kleiner sind als die Querschnittsbereiche (7, 7'), die überwiegend von Driftgas (5) durchströmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer mit parallel verlaufender Driftgas- und Ionenträgergasströmung.
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.

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 and Carrico, Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., 1983, 52, 627).

Eine unidirektionale Strömungsführung wird von Eiceman in US 4 777 363 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.

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.

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.

Ein solches System findet man bei sogenannten Elektronen-Einfang-Detektoren. Ein frühes Beispiel offenbart Lovelock in der US 3,870,888 . Mit solchen Systemen können Gesamtionenströme gemessen werden. Eine Unterscheidung einzelner Ionenarten ist dagegen nicht möglich.

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 chemischer Kampfstoffe beschrieben ( US 3,835,328 , US 4,075,550 sowie US 5,223,712 ). Die Trennleistung derartiger Systeme ist relativ schwach, was relativ häufig zur Auslösung eines Fehlalarmes führen kann.

Eine Weiterentwicklung wird in US 5,047,723 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.

In WO 9416320 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.

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 berücksichtigte Mischungen, also beispielsweise Kombinationen zu überwachender Analyte mit unbekannten Verunreinigungen, können zu Fehlalarmen führen oder den Nachweis der zu überwachenden Analyte behindern.

Schließlich ist bekannt, die Analytionen durch ein hochfrequentes Wechselfeld, dem eine kleine Kompensationsspannung überlagert ist, abzulenken. Dabei werden die Analytionen in einem System ebenfalls in Richtung des Driftgases transportiert ( US 6,495,823 ). 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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ionenmobilitätsspektrometer anzugeben, das kostengünstig herstellbar ist, unempfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungsfeuchte ist, eine gute Trennleistung bei hoher Erkennungssicherheit aufweist und seinem Arbeitsprinzip nach für eine Miniaturisierung geeignet ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein IMS mit den Merkmalen von Anspruch 1. In den Ansprüchen 2 bis 52 werden vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen IMS angegeben.

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.

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 auf dem Randbereich des Trennbereichs 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 Wirksamkeit der Fokussierung der Analytionen auf einen bestimmten Querschnittsbereich wird wesentlich erhöht, wenn im Bereich des Zusammentreffens der beiden Gasströme die Strömungsgeschwindigkeit des Driftgases höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Ionenträgergases. 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.

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.

Die Erfindung wird durch ein Ionenmobilitätsspektrometer verkörpert, das mindestens einen Ionisationsraum, der von analythaltigem Gas durchströmt werden kann und mindestens eine Strahlungsquelle umfasst. Aus der Strahlungsquelle tritt ionisierende Strahlung in den Ionisationsraum, die geeignet ist, das analythaltige Gas zumindest teilweise zu ionisieren. Das im Ionisationsraum zumindest teilweise ionisierte Analytgas wird nach Verlassen des Ionisationsraumes als Ionenträgergas bezeichnet.

In Strömungsrichtung hinter dem Ionisationsraum befindet sich mindestens ein Trennbereich, in dem Querschnittsbereiche überwiegend von Ionenträgergas und andere Querschnittsbereiche überwiegend von Driftgas durchströmt werden.

Es kann vorteilhaft sein, wenn zwischen Ionisationsraum und Trennbereich ein gesonderter Übergangsbereich ausgebildet ist, in den zumindest teilweise ionisiertes 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. Erfindungswesentlich ist, dass sich diese Strömungsverhältnisse im Eingangsbereich des Trennbereiches ausbilden.

Zur Charakterisierung der Relationen der Querschnittsbereiche ist bei Verwendung des Plurals im Folgenden stets die Summe der Querschnittsbereiche, die von der gleichen Gasart durchströmt werden, gemeint.

Driftgas und Ionenträgergas strömen unidirektional und werden über getrennte Gaseinlässe zugeführt. Die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Ionenträgergas durchströmt werden, sind zumindest in einer Dimension kleiner als die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Driftgas durchströmt werden. Die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Ionenträgergas durchströmt werden, sind zumindest in der Dimension der elektrischen Feldkomponente, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht, kleiner als die Querschnittsbereiche, die überwiegend von Driftgas durchströmt werden. Dadurch kommt es zu der erfindungsgemäßen Fokussierung der Analytionen in bestimmten Querschnittsbereichen. Diese Fokussierung erfolgt besonders effektiv, wenn das Driftgas im Zusammenströmbereich mit höherer Geschwindigkeit strömt als das Ionenträgergas. In diesem Fall kommt es zu einer vorteilhaften Einschnürung des strömenden Ionenträgergases.

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.

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.

Dieses erfindungsgemäße Prinzip benötigt nur relativ niedrige Ablenkspannungen. Dadurch sinkt der Aufwand für Ansteuer- und Auswerteelektronik. Eine Miniaturisierung ist ebenfalls leichter zu realisieren.

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.

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. Die Strömungsgeschwindigkeit der beiden Gasströme muss dabei mindestens gleich groß sein. Eine besonders effektive mobilitätsabhängige Entmischung der Analytionen und damit eine verbesserte Trennleistung des erfindungsgemäßen IMS erhält man, wenn das Driftgas mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als die des Ionenträgergases einströmt. Bereits bei einer 1,5-fach höheren Driftgasströmungsgeschwindigkeit ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Trennleistung.

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.

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 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. Andere Elektronenquellen oder UV-Quellen sind ebenfalls geeignet.

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 und die Ausbildung einer laminaren Schichtströmung aus Driftgas und Ionenträgergas im Trennbereich bewirken. Besonders vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Driftgas mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als die Strömungsgeschwindigkeit des Ionenträgergases mit dem Ionenträgergas zusammenströmt. Hierdurch kommt es zu einer Einschnürung des Ionenträgergases. Dadurch erhöht sich die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Fokussierung der Analytionen in bestimmten Querschnittsbereichen wesentlich.

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.

Ein weiterer Faktor, der die Leistungsfähigkeit des IMS wesentlich beeinflusst, ist die Ausgestaltung des elektrischen Ablenkfeldes, hauptsächlich durch Elektrodengeometrie und Potentialverteilung 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.

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.

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.

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.

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.

Besonders gut reproduzierbare Ergebnisse erhält man, wenn die Elektroden aus Platin oder Gold bestehen.

Für eine gute Trennleistung des erfindungsgemäßen IMS ist es von Vorteil, wenn die Detektorelektrode senkrecht zur Strömungsrichtung schmaler ist als die Breite des Querschnittsbereichs im Trennbereich, der überwiegend von Ionenträgergas durchströmt wird. Auf diese Weise werden Verfälschungen des Spektrums durch Ionen aus randnahen Bereichen vermieden.

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.

An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers,
2: eine schematische Darstellung einer besonders montagefreundlichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers in Form einer Stapelanordnung von Formteilen,
3: eine gegenüber 2 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS,
4: eine Schnittdarstellung eines Formteiles zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum und Trennbereich mit fester Schlitzgeometrie während der Herstellung,
5: eine Schnittdarstellung und eine Draufsicht des gleichen Formteiles zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum und Trennbereich,
6: eine Schnittdarstellung eines alternativen Formteiles zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum und Trennbereich mit fester Schlitzgeometrie,
7: ein Ionenmobilitätsspektrometer in Form einer Stapelanordnung von Formteilen mit einer Kennzeichnung funktionswesentlicher Abmessungen,
8: eine vorteilhafte Elektrodengeometrie mit charakteristischen Abmessungen,
9: ein Strömungsprofil im Eingangsbereich des Trennbereiches,
10: eine gegenüber 2 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS, bei der die Gegenelektrode Bestandteil eines Formteiles zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum und Trennbereich ist,
11: eine gegenüber 2 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS mit Selbstjustageankern,
12: eine gegenüber 11 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS mit Selbstjustageankern,
13: eine gegenüber 2 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS mit schrägem Schlitz für die Zufuhr des Ionenträgergases,
14: eine gegenüber 2 geringfügig abgewandelte Form eines erfindungsgemäßen IMS mit einer feldfreien Ausführung von Ionisationsraum und schlitzförmiger Verengung,
15: eine Darstellung der Stromlinien in einem erfindungsgemäßen IMS in Bereich der Zuführung der beiden Gasströme und deren Einleitung in den Trennbereich.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers, das nur eine relativ geringe Spannung, die in einer Größenordnung von unter 50V liegt, zur Trennung der Ionen benötigt und daher kostengünstig hergestellt werden kann. Pfeile verdeutlichen die auftretenden Gasströmungen.
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 vorgelagerter 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 Feldverteilung des elektrischen Feldes sorgt. Das nahezu ionenfreie Driftgas wird nach der Passage des Trennbereiches 8 abgesaugt, über einen Filter 13 geleitet und wieder in den Übergangsbereich 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. Die Einschnürung des Ionenträgergases 4 wird noch verstärkt, wenn das Driftgas 5 mit höherer Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet wird als das Ionenträgergas 4.
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.
Die in der Luft enthaltenen Analyten werden kaum durch den Elektronenbeschuss ionisiert.
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, 1994). Nach Durchqueren des Ionisationsraums enthält die Luft Ionen und wird als Ionenträgergas bezeichnet.
Im Übergangsbereich 3, welcher im vorliegenden Beispiel einen rechteckigen Querschnitt aufweist, bildet sich eine laminare Schichtströmung aus, in der das Ionenträgergas 4 von zwei Seiten mit 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. Strömt das Driftgas mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als die des Ionenträgergases mit dem Ionenträgergas zusammen kommt es zu einer Einschnürung des Ionenträgergases und somit zu einer zusätzlichen Fokussierung.
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.
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.
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.
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.
2 zeigt eine besonders montagefreundliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen IMS. Dabei handelt es sich um einen stapelförmigen Aufbau aus mehreren Formteilen, die zwischen Begrenzungs- und Spannmitteln in ihrer Position gehalten werden. Die einzelnen Formteile sind geometrisch so ausgestaltet, dass sie im montierten Zustand für die erfindungsgemäße Raumaufteilung und Strömungsführung sorgen. Eine Aufnahme für eine Strahlungsquelle 2', Gasanschlüsse 14, 15 für Ionenträgergas 4 und Driftgas 5, mindestens eine Hilfs- 10 und eine Detektorelektrode 9 sowie eine Gegenelektrode 11 sind bereits in die entsprechenden Formteile integriert beziehungsweise an diesen befestigt.
Die zu analysierende Luft wird durch einen Partikelfilter 17 in den Ionisationsraum 1 eingeleitet, wo es zur Ionisierung der in der Luft enthaltenen Analyten kommt. Die Ionisierung kann durch β-Strahlung (Elektronen) oder UV-Strahlung (Photonen) erfolgen. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird eine radioaktive Tritiumquelle 2' als Strahlungsquelle eingesetzt. Durch die emittierte β-Strahlung werden Luftmoleküle mit energiereichen Elektronen beschossen, wodurch es zunächst zu einer Ionisierung der Stickstoffmoleküle in der Luft kommt. Die Analyten in der Luft werden durch den Elektronenbeschuss nicht direkt ionisiert. In Folgereaktionen entstehen stabile H⁺(H₂O)_n und O₂ ^–(H₂O)_n Reaktantionen sowie positive und negative Analytionen. Nach Durchqueren des Ionisationsraums 1 enthält die Luft Ionen und stellt Ionenträgergas 4 im Sinne der Erfindung dar.
Das Ionenträgergas 4 strömt dann durch eine schlitzförmige Verengung 18, wodurch es zu einer mechanischen Einschnürung bzw. Fokussierung des Ionenträgergases 4 kommt. Hinter der schlitzförmigen Verengung 18 strömt das Ionenträgergas 4 laminar mit dem Driftgas 5 zusammen und es kommt zur Ausbildung einer laminaren Schichtströmung aus Ionenträgergas 4 und Driftgas 5 im Trennbereich 8. Im Gegensatz zum vorigen Ausführungsbeispiel fehlt ein ausgeprägter Übergangsbereich. Dieser ist aber durch eine entsprechend gestreckte Ausbildung der einzelnen Formteile problemlos realisierbar.
Durch ein zur Strömungsrichtung senkrecht stehendes elektrisches Feld, das sich zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden ausbildet, deren Anordnung weitgehend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel entspricht, werden die Ionen aus der Strömungsrichtung in Richtung der Elektroden abgelenkt. Für den Nachweis positiver Ionen liegen die Hilfselektroden 10, 12 und Detektorelektrode 9 auf einem niedrigeren Potential als die Gegenelektrode 11. Hilfselektroden 10, 12 und Detektorelektrode 9 liegen auf gleichem Potential. Positive Ionen werden 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 Ionensorte Strömungsgeschwindigkeit und Ablenkgeschwindigkeit im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Es resultiert ein Ionenstrom zwischen Detektor- 9 und Gegenelektrode 11, der mit der Konzentration dieser Ionen und damit der Konzentration des entsprechenden Analyten in der Umgebungsluft korreliert.
Durch Veränderung der Ablenkspannung lässt sich ein Ionenspektrum aufnehmen. Aufgrund der strömungstechnischen Fokussierung der Ionen und der spektralen Analyse verfügt das System über eine gegenüber anderen Systemen verbesserte Trennleistung. Für den Nachweis der negativen Ionen werden die Potentialverhältnisse vertauscht.
Nach Durchströmen des Trennbereichs 8 wird das Driftgas 5 über ein Molekularsieb 13' und einen Aktivkohlefilter 13'' mit einer Pumpe 19 zurück ins System gepumpt. Feuchte, Analyten und andere Verunreinigungen werden hierdurch aus dem Driftgas 5 entfernt. Die Ionentrennung erfolgt somit in trockener sauberer Luft nahezu unabhängig von der Umgebungsfeuchte. Das Ionenträgergas 4 wird mit einer Pumpe 20 durch das System gesaugt und an die Umgebung abgegeben.
Mögliche Abwandlungen eines derartigen IMS lassen sich durch den modularen Aufbau durch Abwandlung einzelner Formteile problemlos realisieren. Die einzelnen Formteile (Module) werden gasdicht miteinander verbunden, indem sie als Stapel zwischen zwei Stahlplatten 21, 21' angeordnet sind, welche durch Schraubverbindungen 22, 22' gegeneinander verspannt werden.
Ein oberes Formteil 23 enthält Gasanschlüsse für Einlass 14 und Auslass 14' des Ionenträgergases 4 sowie eine Aufnahme für die radioaktive Tritiumquelle 2'. Das obere Formteil 23 ist in einem erhabenen Bereich 24 mit der Gegenelektrode 11 versehen. Dieser erhabene Bereich 24 bildet im montierten Zustand des IMS gleichzeitig eine Begrenzung des Trennbereiches 8. Die Aufnahme der Tritiumquelle 2' befindet sich in einem zurückgesetzten Bereich 25 des oberen Formteiles 23, welcher im montierten Zustand eine Begrenzung des Ionisationsraumes 1 bildet.
Ein unteres Formteil 26 enthält Gasanschlüsse für Einlass 15 und Auslass 15' für das Driftgas 5. Auf dem unteren Formteil 26 sind Hilfselektroden 10, 12 und eine Detektorelektrode 9 aufgebracht. Das untere Formteil 26 bildet eine weitere Begrenzung des Trennbereiches 8. Aufgrund der kleinen Abmessungen werden die Elektroden als Dünnschicht aufgebracht und bereits während der Abscheidung mittels Schattenmaske oder anschließend photolithographisch strukturiert.
Ein weiteres Formteil 27 zwischen dem oberen und dem unteren Formteil 23, 26 sorgt für eine pneumatische Entkopplung von Ionisationsraum 1 und Trennbereich 8. Dieses Formteil 27 umfasst eine dünne Lippe 28 und wird so montiert, dass sich eine Überlappung der Lippe 28 mit dem erhabenen Bereich 24 des oberen Formteiles 23 ergibt. Dadurch entsteht eine schlitzförmige Verengung 18, durch die eine erfindungsgemäße Fokussierung des Ionenträgergases 4 erfolgt. Durch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Driftgases gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Ionenträgergases erfolgt im Bereich des Zusammenströmens von Drift- und Ionenträgergas eine zusätzliche Einschnürung des Ionenträgergases, die vorteilhaft für eine weitere Fokussierung des Ionenträgergases ist.
Ein weiteres Formteil 29 dient als Distanzstück und definiert den Abstand zwischen Hilfs- 10, 12 und Detektorelektrode 9 und Formteil 27. Der Elektrodenabstand zwischen Hilfs- 10, 12 und Detektorelektrode 9 und Gegenelektrode 11 ergibt sich aus den Dicken der Formteile 27 und 29.
Als Material für die Formteile 23, 26 und 29 eignet sich PTFE, teflonbeschichtetes Aluminium, oder ein formstabiler emissionsfreier Kunststoff. Die Elektroden sind in allen Ausführungsbeispielen mit einer Schaltungsanordnung 30 verbunden, die für die beschriebenen Potentialverteilungen sorgt. Diese Schaltungsanordnung 30 wird in folgenden Ausgestaltungen nicht mit dargestellt, ist jedoch stets als Bestandteil eines erfindungsgemäßen IMS anzusehen. Gleichnamige Buchstaben symbolisieren die Verbindung der Ausgänge der Schaltungsanordnung mit den einzelnen Elektroden.
3 Es kann technologisch vorteilhaft sein, die Hilfs- 10, 12 und Detektorelektroden 9 auf einem gesonderten Formteil 31 anzubringen, welches zwischen dem unteren Formteil 26 und dem als Distanzstück wirkenden Formteil 29 in die erfindungsgemäße Stapelanordnung einbezogen wird.
Besondere Bedeutung kommt in der erfindungsgemäßen Stapelanordnung der Realisierung der schlitzförmigen Verengung 18 zu, durch die das Ionenträgergas 4 in den Trennbereich 8 einströmt. Daher ist es vorteilhaft, das Formteil 27 zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum 1 und Trennbereich 8 mit einer bereits vorfixierten Schlitzgeometrie herzustellen. In diesem Fall enthält das Formteil 27 die zur Fokussierung des Ionenträgergases 4 erforderliche schlitzförmige Verengung 18 und die Gegenelektrode 11. Das Formteil 27 deckt das obere Formteil 23 in Richtung Trennbereich 8 vollständig ab. Die kleinen Abmessungen der schlitzförmigen Verengung 18 verlangen eine hochpräzise Fertigung des Formteils 27. Hier eignen sich insbesondere Herstellungsverfahren der Mikrosystemtechnik.
4 Die Realisierung einer genau definierten Verengung kann durch zwei Formteile 32 und 32' erreicht werden, die getrennt strukturiert werden. Durch Überlappung einer Lippe 28 an Formteil 32 mit dem oberen Formteil 32' entsteht die benötigte schlitzförmige Verengung 18. Aufgrund der erforderlichen Genauigkeit bei der Justage, während der eine Verschiebung der einzelnen Komponenten 32, 32' entlang der gestrichelten Linien erfolgen kann, werden die Formteile 32 und 32' nach der Strukturierung irreversibel miteinander verbunden, wodurch sich die Schlitzgeometrie bei der weiteren Montage des Ionenmobilitätsspektrometers nicht mehr verändern kann. Es ergibt sich gemäß 5 ein einheitliches Formteil 27 zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum und Trennbereich, welches die erfindungsgemäßen Strömungsverhältnisse ermöglicht.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines alternativen Formteiles 27' zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum 1 und Trennbereich 8 mit fester Schlitzgeometrie. Die Lippe 28' am Formteil 27' verjüngt sich idealerweise in Strömungsrichtung, wobei ihre Flanken spitzwinklig zusammenlaufen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nur die der Driftgasströmung zugewandten Seite der Lippe 28' eine Phase aufweist.
Als Material für die Formteile 27 und 31 eignen sich ebenfalls formstabile emissionsfreie Kunststoffe, Glas oder teflonbeschichtetes Aluminium.
7 zeigt ein Ionenmobilitätsspektrometer in Form einer Stapelanordnung von Formteilen mit einer Kennzeichnung funktionswesentlicher Abmessungen, die im Folgenden näher erläutert werden. Durch Zusammenfügen der Formteile 23 und 27 entsteht der Ionisationsraum 1 mit einer Höhe A. Die optimale Höhe A für einen maximalen Ionenstrom ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Verweildauer der Ionen im Ionisationsbereich sowie der Energieverteilung der radioaktiven Quelle. Bei der hier verwendeten Tritiumquelle 2' liegt die maximale Eindringtiefe der Strahlung in Luft bei 2 mm, so dass die Höhe des Ionisationsraumes 1 zwei Millimeter betragen sollte. Um die Verweildauer der Ionen im Ionisationsraum 1 zu verkürzen und damit Ionenverluste durch Wandreaktionen und Rekombination zu minimieren, kann eine Höhe kleiner 2 mm vorteilhaft sein. Außerdem sollte die Schlitzlänge B klein sein. Aus strömungstechnischen Gründen sollte B jedoch mindestens dem 0,5-fachen der Schlitzhöhe C entsprechen. Um Wirbel im Bereich der Zusammenströmung zu vermeiden, sollte die Dicke D der Lippe 28 ebenfalls minimal sein. Idealerweise laufen daher die Flanken der Lippe 28 spitzwinklig zusammen.
Für hohe Auflösungen sollte die Höhe K des Einlasses des Driftgases mindestens dem 20-fachen der Schlitzhöhe C entsprechen, wenn die Einströmgeschwindigkeiten von Ionenträgergas und Driftgas gleich sind. Grundsätzlich gilt: Je größer das Verhältnis von Driftgasströmungsgeschwindigkeit zu Ionenträgergasströmungsgeschwindigkeit im Bereich des Zusammenströmens, desto stärker der Effekt der Fokussierung des Ionenträgergases hinter der schlitzförmigen Verengung. Durch entsprechende Förderleistungen der Pumpen 19, 20 ist vorteilhafterweise zu realisieren, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Driftgases 5 sogar mindestens um den Faktor 1,5 größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Ionenträgergases 4.
8 zeigt eine vorteilhafte Elektrodengeometrie mit charakteristischen Abmessungen. Die Abmessungen und Position von Hilfs- 10' und Detektorelektrode 9 ergeben sich aus der Abbildung der Schlitzhöhe C auf die Elektrodenebene unter Berücksichtigung der Diffusion, Ablenkspannung und Flussgeschwindigkeit im Trennbereich 8. Für minimale Diffusionseffekte ist die Flugzeit der Ionen zu minimieren, d.h. die Ablenkung aus der Strömungsrichtung erfolgt idealerweise unmittelbar hinter der schlitzförmigen Verengung 18 nach Ausbildung der laminaren Schichtströmung. Aus dem gleichen Grund sollten die Höhe E des Trennbereiches 8 und Breite H der Hilfselektrode 10' klein sein. Insgesamt lässt sich die Auflösung mit fortschreitender Miniaturisierung weiter verbessern. Durch die verkürzten Flugzeiten nimmt der nachteilige Effekt der Diffusion ab, wobei die funktionsbestimmenden Relationen gewahrt bleiben müssen.
Das Verhältnis von Tiefe des Trennbereiches F (in z-Richtung) zur Höhe E des Trennbereiches sollte über 5 liegen, so dass sich ein wie in 9 dargestelltes Strömungsprofil in z-Richtung mit dem für Spaltströmungen typischen Bereich nahezu konstanter Geschwindigkeit einstellt. Bei einem Verhältnis von 5 ergibt sich ein nahezu konstanter Bereich der Länge G in der Mitte des Trennbereiches, der etwa 40% der Tiefe F des Trennbereiches ausmacht. Um Ionen aus den Randbereichen mit variabler Strömungsgeschwindigkeit auszublenden, sollte die Detektorelektrode in z-Richtung maximal der Länge G entsprechen und, wie in 8 dargestellt, in der Mitte des Trennbereiches positioniert sein. Je größer das Verhältnis von Tiefe F des Trennbereiches zur Höhe E des Trennbereiches wird, desto größer wird die Länge G, so dass mehr und mehr Ionen auf die Detektorelektrode treffen und somit der Ionenstrom steigt. Um ein homogenes elektrisches Feld zu gewährleisten sollte die Hilfselektrode 10' die Detektorelektrode vollständig umgeben, wobei der Elektrodenabstand 33 möglichst schmal zu halten ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Abstand 33 zwischen der Detektorelektrode 9 und der diese umgebenden Hilfselektrode 10' maximal 20% der Erstreckung J der Detektorelektrode in Strömungsrichtung beträgt.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung ist in 10 dargestellt. Hier wird die Gegenelektrode 11 als Dünnschicht auf das Formteil 27 zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum 1 und Trennbereich 8 abgeschieden. Hilfs- 10' und Detektorelektrode 9 werden jedoch direkt auf das untere Formteil 26 aufgebracht.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung ist in 11 dargestellt. Hier wird die Gegenelektrode 11 als Dünnschicht direkt auf das obere Formteil 23 abgeschieden. Die schlitzförmige Verengung 18 entsteht durch Überlappung der Formteile 23 und 27. Die Schlitzhöhe C wird durch die Vertiefung in Formteil 27 definiert. In dieser Ausführungsform ist eine genaue Justage der Formteile 23 und 27 erforderlich, um eine definierte Geometrie der schlitzförmigen Verengung 18 zu gewährleisten. Aus diesem Grund sind die Formteile mit hochpräzisen Selbstjustageankern 34, 34' versehen, die bei der Montage des Ionenmobilitätsspektrometers für eine entsprechende Ausrichtung der Formteile sorgen.
12 In einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform ist die schlitzförmige Verengung 18 nur durch eine reduzierte Bauhöhe des erhabenen Bereiches 24 des oberen Formteiles 23 und eine Überlappung mit Formteil 27 realisiert. Das Formteil 27 besitzt in dieser Ausführung lediglich eine große Durchgangsöffnung und ist besonders einfach zu strukturieren. Abgesehen von der Klemmvorrichtung besteht das System in den vorgestellten Ausführungsformen aus nur 4 Formteilen, die sich alle auf einfache Weise herstellen lassen.
13 In einer weiteren Ausführungsform ist die Verengung 18' als schräger Schlitz in das Formteil zur pneumatischen Entkopplung 27 von Ionisationsraum und Trennbereich integriert. Die Gegenelektrode 11 ist als Dünnschicht auf dem Formteil 27 abgeschieden und photolithographisch oder mittels Schattenmaske strukturiert. Die Präzision der Verengung 18' ergibt sich aus den Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Formteils 27.
In der in 14 dargestellten Ausführungsform sind der Ionisationsraum 1 und die schlitzförmige Verengung 18 von auf gleichem Potential liegenden Elektroden 35 und 35' umgeben, so dass die Ionen nach ihrer Bildung zunächst durch ein feldfreies Gebiet strömen, bevor sie im Trennbereich 8 abgelenkt werden. Idealerweise sind die Potentiale der Elektroden 35 und 35' identisch mit dem Potential der Gegenelektrode 11. Störende Inhomogenitäten des elektrischen Feldes am Rand der Gegenelektrode 11 im Bereich der schlitzförmigen Verengung 18 sind damit eliminiert. Die Elektroden 35 und 35' sind im Ionisationsraum 1 und der schlitzförmigen Verengung 18 mit PTFE oder einem anderen gleichwirkenden Material beschichtet, um Wandreaktionen zu minimieren. Gleichzeitig hat es sich als technologisch vorteilhaft erwiesen, die Hilfs- 10' und die Detektorelektrode 9 auf einem gesonderten Formteil 31 anzuordnen, welches zwischen dem unteren Formteil 26 und dem Distanzstück 29 eingefügt wird.
Durch eine Reduzierung der Abmessungen des Systems ergibt sich ein minimaler Medienbedarf. Besonders vorteilhaft sind die einfache Bauweise und die damit verbundenen geringen Herstellkosten.
Mit einer Höhe der Verengung C von 200 μm und einer Höhe des Einlasses K für das Driftgas von 4 mm sowie einer Tiefe F des Trennbereiches von 20 mm lässt sich mit Flussraten von 1,5 l/min für das Driftgas und 75 ml/min für das Ionenträgergas eine Auflösung von etwa 15 erreichen. Durch eine Reduzierung der Schlitzhöhe C auf 20 μm, der Höhe K auf 400 μm und der Tiefe F des Trennbereiches auf 10 mm lassen sich die Flussraten bei gleicher Auflösung auf 150 ml/min für das Driftgas und 7,5 ml/min für das Ionenträgergas absenken.
In 15 ist ein Strömungsbild mit dem prinzipiellen Verlauf der Stromlinien in einem erfindungsgemäßen IMS im Bereich der Zuführung der beiden Gasströme und deren Einleitung in den Trennbereich dargestellt.
Der Einlass des Driftgases erfolgt mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als der Einlass des Ionenträgergases. Dadurch kommt es zu einer Einschnürung der Strömung des Ionenträgergases, die zu der erfindungsgemäßen Fokussierung der Analytionen in einem engen Querschnittsbereich führt. Dieser Effekt lässt sich in vorteilhafter Weise mit einer Fokussierung durch strömungsführende mechanische Mittel kombinieren oder als alleiniges Mittel zur Fokussierung einsetzen.

Claims

Ionenmobilitätsspektrometer, umfassend mindestens einen Ionisationsraum (1), der von analythaltigem Gas durchströmt werden kann, mindestens eine Strahlungsquelle (2), aus der ionisierende Strahlung, die geeignet ist, das analythaltige Gas zumindest teilweise zu ionisieren, in den Ionisationsraum (1) tritt, mindestens einen in Strömungsrichtung hinter dem Ionisationsraum (1) liegenden Trennbereich (8), in den das teilweise ionisierte Gas als Ionenträgergas (4) und ein nahezu ionenfreies Gas als Driftgas (5) in einer Weise eingeleitet werden, dass sich zumindest im Eingangsbereich des Trennbereiches (8) eine Strömung einstellt, in der Querschnittsbereiche (6) überwiegend von Ionenträgergas (4) und andere Querschnittsbereiche (7, 7') überwiegend von Driftgas (5) durchströmt werden, wobei Driftgas (5) und Ionenträgergas (4) unidirektional strömen, die Querschnittsbereiche (6), die überwiegend von Ionenträgergas (4) durchströmt werden, zumindest in einer Dimension kleiner sind als die Querschnittsbereiche (7, 7'), die überwiegend von Driftgas (5) durchströmt werden, wobei im Trennbereich (8) mindestens eine Detektorelektrode (9), mindestens eine Hilfselektrode (10) und mindestens eine Gegenelektrode (11) so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein elektrisches Feld ausgebildet werden kann, das zumindest eine Feldkomponente aufweist, die nicht parallel zur Strömungsrichtung im Trennbereich (8) verläuft, wobei sich zwischen den Querschnittsbereichen (6), die überwiegend von Ionenträgergas (4) durchströmt werden und der Detektorelektrode (9) mindestens ein Querschnittsbereich (7) befindet, der überwiegend von Driftgas (5) durchströmt wird.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stapelförmig angeordnete Formteile (23, 26, 27, 29, 31) enthalten sind, wobei mindestens ein Formteil Gasanschlüsse (14, 14') für das Ionenträgergas enthält, mindestens ein Formteil Gasanschlüsse (15, 15') für das Driftgas enthält, mindestens ein Formteil eine Aufnahme für eine Strahlungsquelle (2) enthält, mindestens ein Formteil mindestens eine Hilfselektrode (10) und eine Detektorelektrode (9) enthält, mindestens ein Formteil eine Gegenelektrode (11) enthält, und die Formteile so ausgeformt sind, dass sie in zusammengefügter Form einen Ionisationsraum (1), einen Trennbereich (8) und eine schlitzförmige Verengung (18) zur Fokussierung des Ionenträgergases bilden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stapelförmig angeordneten Formteile gasdicht gegeneinander verspannt sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (20) am Ionenträgergasauslass (14') umfasst ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelfilter (17) am Ionenträgergaseinlass (14) umfasst ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Formteile aus teflonbeschichtetem Aluminium bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Formteile aus emissionsfreien formstabilen Kunststoffen bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Formteile aus Glas bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Formteile aus Teflon bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formteil (27) mit einer fixierten Schlitzgeometrie zur Fokussierung des Ionenträgergases und zur pneumatischen Entkopplung von Ionisationsraum (1) und Trennbereich (8) enthalten ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (27) mit fixierter Schlitzgeometrie zur Fokussierung des Ionenträgergases aus zwei miteinander verbundenen Formteilen (32, 32') besteht, wobei eine schlitzförmige Verengung durch Überlappung einer überstehenden Lippe (28) des einen Formteils (32) mit dem anderen Formteil (32') gebildet wird.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine die schlitzförmige Verengung bildende Lippe (28') enthalten ist, deren Flanken im spitzen Winkel aufeinander zulaufen und die formstabil ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe K des Einlasses des Driftgases mindestens der 10-fachen Höhe C der schlitzförmigen Verengung (18) entspricht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Driftgasflussrate zu Ionenträgergasflussrate mindestens dem Verhältnis von K zu C entspricht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die Driftgasströmungsgeschwindigkeit im Bereich des Zusammenströmens von Driftgas und Ionenträgergas mindestens um den Faktor 1,5 größer ist als die Ionenträgergasströmungsgeschwindigkeit.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe F des Trennbereiches (8) mindestens dem fünffachen Wert der Höhe E des Trennbereiches (8) entspricht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Länge B der schlitzförmigen Verengung (18) mindestens dem halben Wert der Schlitzhöhe C der schlitzförmigen Verengung (18) entspricht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichent, dass die Detektorelektrode (9), die im mittleren Bereich des Trennbereiches positioniert ist und entsprechend der Länge G des nahezu konstanten Bereiches des Strömungsprofils in z-Richtung dimensioniert ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode (9) in einer Ebene vollständig von einer Hilfselektrode (10') umschlossen ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (33) zwischen Detektorelektrode (9) und Hilfselektrode (10') höchstens 20% der Breite J der Detektorelektrode in x-Richtung entspricht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2') so angeordnet ist, dass der Bereich im Ionisationsraum (1), in dem die Ionisation erfolgt, an die schlitzförmige Verengung (18) angrenzt.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisationsraum (1) und die schlitzförmige Verengung (18) zumindest teilweise von auf gleichem Potenzial liegenden Elektroden (35, 35') umgeben sind, die einen feldfreien Bereich erzeugen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsbereiche (6), die überwiegend von Ionenträgergas (4) durchströmt werden, zumindest in einer Dimension mindestens um den Faktor 10 kleiner sind als die Querschnittsbereiche (7, 7') die überwiegend von Driftgas (5) durchströmt werden.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Baugruppe (19) enthalten ist, die geeignet ist, einen Driftgaskreislauf aufrecht zu erhalten.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Driftgaskreislauf einen Filter (13) zur Reduktion der Feuchte und/oder zur Reinigung des Driftgases von Analyten und/oder Ionen enthält.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Driftgaskreislauf eine Pumpe (19), ein Molekularsieb (13') und ein Aktivkohlefilter (13'') enthalten ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle (2) enthalten ist, die in den Ionisationsraum (1) eingeleitete analythaltige Luft durch Ionisation der Luftmoleküle im Ionisationsraum (1) in Ionenträgergas überführen kann, wodurch die Bildung von Analytionen durch Folgeionisierungen ermöglicht wird.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle (2) enthalten ist, die in den Ionisationsraum (1) eingeleitete analythaltige Luft durch direkte Ionisation der Analytmoleküle im Ionisationsraum (1) in Ionenträgergas überführen kann.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) eine Elektronenquelle, vorzugsweise einen Beta-Strahler, umfasst.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass strömungsführende Einrichtungen vorhanden sind, die zu einer Fokussierung des Ionenträgergases (4) führen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Oberflächen, die mit Ionenträgergas in Kontakt kommen, aus einem Material mit geringer Oberflächenenergie bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen, die mit Ionenträgergas in Kontakt kommen, aus Teflon bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Zufuhr des Ionenträgergases und des Driftgases so ausgelegt sind, dass das Driftgas mindestens 1,5-mal so schnell einströmt wie das Ionenträgergas.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die die Hilfselektroden (10, 12) und die Detektorelektrode (9) auf dem gleichen elektrischen Potential hält.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der das Potential der Gegenelektrode (11) größer als das Potential der Detektorelektrode (9) und das der Hilfselektroden (10, 12) ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der das Potential der Gegenelektrode (11) kleiner als das Potential der Detektorelektrode (9) und das der Hilfselektroden (10, 12) ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der das Potential der Gegenelektrode (11) abwechselnd größer und kleiner wird als das Potential der Detektorelektrode (9) und das Potential der Hilfselektroden (10, 12).
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode (11) und zumindest der Detektorelektrode (9) variiert.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode (11) und zumindest der Detektorelektrode (9) variiert.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (30) enthalten ist, die eine Potentialverteilung realisiert, bei der die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode (11) und zumindest der Detektorelektrode (9) zwischen mehreren Festwerten springt.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Hilfselektrode (10) in Strömungsrichtung gesehen vor der Detektorelektrode (9) befindet.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Hilfselektrode (12) in Strömungsrichtung gesehen hinter der Detektorelektrode (9) befindet.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden so angeordnet sind, dass sich das elektrische Feld senkrecht zur Strömungsrichtung ausbildet.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode (9) aus einer Einzelelektrode besteht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode (9) aus mehreren einzeln beschaltbaren Sektoren besteht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektroden parallel zueinander angeordnet sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselektroden (10, 12) und Detektorelektrode (9) in einer Ebene angeordnet sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (11) in einem Bereich angeordnet ist, die Detektorelektrode (9) und die Hilfselektroden (10, 12) in einem weiteren Bereich angeordnet sind und die Flächen der Bereiche die gleiche Größe aufweisen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich, in dem die Gegenelektrode (11) angeordnet ist und der Bereich, in dem die Detektorelektrode (9) und die Hilfselektroden (10, 12) angeordnet sind, deckungsgleich gegenüberliegen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Platin oder Gold bestehen.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode (9) in Strömungsrichtung schmaler ist als der Querschnittsbereich (6) im Eingangsbereich des Trennbereiches (8), der überwiegend von Ionenträgergas (4) durchströmt wird.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenträgergasfluss variabel ist.