DE102007045361A1

DE102007045361A1 - Verfahren und Vorrichtung für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen

Info

Publication number: DE102007045361A1
Application number: DE102007045361A
Authority: DE
Inventors: Ralf Horst Prof. Zimmermann; Elisabeth Schramm; Martin Sklorz
Original assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date: 2007-09-22
Filing date: 2007-09-22
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-23
Also published as: DE102007045361B4

Abstract

Verfahren für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen eines Trägerstoffes, umfassend eine Laserdesorption (2) von Molekülen der Spurenbestandteile von der Oberfläche mit einer Laserquelle sowie einen Ionen-spektrometrischen Nachweis (7) der Moleküle. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren mit einem hohen Auflösungsvermögen in der Nachweisgrenze sowie in der Selektivität vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Laserdesorption (2) bei Atmosphärendruck erfolgt und der spektrometrische Nachweis (7) in einem ersten Schritt eine Photoionisierung der Moleküle zu Ionen umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen, wie sie u. a. für Sprengstoff- oder Drogennachweise z. B. in Kleidung, Gepäck, Gebäuden, Fahrzeugen und Containern oder zur Bodenuntersuchungen und Altlastenerkennung nutzbar sind, gemäß des ersten bzw. des achtzehnten Patentanspruchs.
Bei Nachweisen der vorgenannten Art werden im Rahmen alle oder ein Teil der Spurenbestandteile, die auf einer Oberflächen adsorbiert sind, stichprobenweise von dieser desorbiert, ionisiert und einem anschließenden Nachweis in einem Massensprektrometer zugeführt.
Aus der US 6.797.944 ist ein Verfahren zur Laserdesorption bekannt, bei dem Substanzen durch Einwirkung eines gepulsten Infrarotlichts von einer Oberfläche zur Weiterleitung zu einem chemischen Analysesystem, wie z. B. ein Massenspektrometer molekular oder atomar desorbiert werden. Durch die Pulslänge und Pulswiederholungsrate lassen sich bestimmte Substanzen selektiv desorbieren.
Massenspektrometer sind für die Analyse von chemischen Substanzen aus Gasen oder aus Stäuben in verschiedenen Bauformen hinlänglich bekannt.
Ein Nachweis von nur geringen Substanzkonzentrationen erfordert jedoch längere Messzeiten, oftmals im Rahmen nachgeschalteter massenspektrometrischer off-line Untersuchungen. Bei einer Spurensicherung z. B. bei Sprengstoffen oder Drogen im Rahmen von Routinekontrollen ist dies jedoch oftmals nicht möglich, sodass schnellere, aber meist unempfindlichere Verfahren mit kürzeren Messzeiten zum Einsatz kommen, mit der Einschrän kung, dass bestimmte Substanzen mit sehr geringen Konzentrationen nicht mehr zuverlässig erkannt werden können.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen vorzuschlagen, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch ein signifikant erhöhtes Auflösungsvermögen in der Nachweisgrenze sowie in der Selektivität auszeichnet.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 18 gelöst. Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen eines Trägerstoffes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das Analyseverfahren besteht aus den Verfahrensschritten Laserdesorption, Ionisation und massenspektrometrischem Nachweis sowie vorzugsweise auch aus mindestens einer Anreicherung von Molekülen und/oder Ionen der Spurenbestandteile.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung umfasst eine Laserdesorption bei Atmosphärendruck, womit eine zeitintensive und aufwendige Verfahrensführung mit Teilschritten im Vakuum vermieden wird. Ein grundsätzlicher Nachteil einer Laserdesorption gegenüber einer Durchführung im Vakuum ist z. B. eine vermehrte Einmischung von zusätzlichen, nicht der Zielsubstanz zugehörigen Substanzen aus Umgebungseinflüssen, die üblicherweise Vakuumdesorptionen erforderlich machen, im Rahmen von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung durch die Anreicherungen überkompensiert werden. Ein derartiges Verfahren zeichnet sich damit vorteilhaft durch ein signifikant erhöhtes Auflösungsvermögen in der Nachweisgrenze sowie in der Selektivität aus und ermöglicht oder begünstigt damit die vorgenannten Routinekontrollen insbesondere von Drogen und Sprengstoff.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der Photoionisierung, d. h. eine sog. weiche Ionisierung ohne Zersetzung der Moleküle für den spektrometrischen Nachweis. Damit verbleiben die ionisierten Moleküle in ihrer Zusammensetzung unverändert und sind damit in einem Wechselfeld z. B. einer Ionenfalle selektiv anreicherbar.
Die Anreicherungen sind online, d. h. zeitlich zusammenhängend und/oder offline, d. h. mit zeitlicher Unterbrechung zu den anderen Verfahrensschritten der durchführbar. Sie kennzeichnen sich vorzugsweise durch eine selektive Anreicherung von Molekülen der Zielsubstanz und ermöglichen in vorteilhafter Weise eine selektive und empfindlichere Erfassung von Spurenbestandteilen der Zielsubstanz und folglich geringere Nachweisgrenzen und/oder kürzere Messzeiten für eine Erfassung.
Eine erste on-line Anreicherung erfolgt beispielsweise über ein Ansaugen von Luft mit den Spurenbestandteilen über eine Oberfläche eines Sorbenten, vorzugsweise eines Adsorbentien. Eine Anreicherung erfolgt dann durch Physikalisch/chemische Sorption von Molekülen der Spurenbestandteile als Analyten an der Oberfläche, wobei eine Selektivität durch Auswahl bestimmter Adsorbenten möglich ist. Als geeignete Adsorbentien kommen alle in der Gaschromatograpie etablierten feste Trennphasen wie z. B. Polystyrol oder verschiedene substituierte Polysiloxane in Frage. Sind die Moleküle partikelgebundene Analyten, erfolgt eine Anreicherung durch Impaktion der Trägerpartikel mit den Molekülen auf der Oberfläche.
Dagegen erfolgt eine offline Anreicherung der Moleküle vorzugsweise als Wischprobe, angereichert auf Oberflächen beispielsweise eines Wischpads oder eines anderen aufwischenden Mediums oder Gewebes eines mit guten, ggf. adhäsiven Eigenschaften für die Moleküle oder Trägerpartikel für die Moleküle (z. B. elektrostatisch unterstützt). Alternativ erfolgt eine Anreicherung von Spurenbestandteilen direkt auf Oberflächen mit ausgeprägten Sorptionseigenschaften wie z. B. Filtermedien (Schwebstofffilter), Kunststoffoberflächen (z. B. Kunststoffkoffer, Fahrzeugverkleidungen, Reifen) und/oder Lackschichten (z. B. auf Container). In jeden Fall erfolgt die genannte offline Anreicherung auf der Oberfläche unabhängig von nachgeschalteten Verfahrensschritten.
Die genannte Oberfläche ist Teil eines Trägermaterials und dient der Anreicherung der Spurenbestandteile durch Adhäsion aus einer Umgebung. Im Rahmen einer ersten Ausführungsform wird das Trägermaterial durch ein Filtermedium (Oberfläche eine Impaktionsfläche oder ein Filtermedium für luftgetragene Aerosole) oder einem anderem Gewebe wie ein Wischpad gebildet. Alternativ besteht die Oberfläche aus einem organischen Polymer, an der sich die Moleküle aktiv oder passiv anheften. Dabei fördern selektive Adhäsionseigenschaften des eingesetzten Polymers zu bestimmten Substanzen ihre Vortrennung und selektive Anreicherung auf der Oberfläche in vorteilhafter Weise.
In einem ersten Schritt werden die auf der vorgenannten Oberfläche angereicherten und zu detektierenden Moleküle der Spurenbestandteile mittels eines Laserlichts selektiv oder in einem Molekülmix integral desorbiert. Wesentlich ist die Durchführung der Laserdesorption bei Atmosphärendruck, d. h. in vorteilhafter Weise ohne eine vorherige aufwendige und zeitintensive Evakuierung der Proben.
Die Desorption unter Atmosphärendruck ist nur möglich, da Desorption und Ionisation räumlich und zeitlich getrennt erfolgen. Wesentlich ist, dass die desorbierten Moleküle erst nach der Desorption in ein Vakuum vorzugweise einer Ionenfalle überführt und im Vakkum auch ionisiert werden. Im Gegensatz hierzu müssen die herkömmlichen Einschrittverfahren wie die Laser-Desorption-Ionisation (LDI) oder Matrix-Induced-Laser-Desorption-Ionisation (MALDI) im Hochvakuum durchgeführt werden, um eine Weiterleitung der Ionen in das Massenspektrometer zu ermöglichen.
Durch eine Optimierung der Laserenergie und Auswahl geeigneter Wellenlange (z. B. 10,7 μm, CO₂ Laser, 50 ns Pulse, 10 mJ/Puls) werden die Moleküle (Analyten) explosionsartig in die Gasphase überführt. Dieses soll ohne Ionisierung (kein LDI/MALDI), ohne nennenswerte Zersetzung der Moleküle (keine Plasmabildung) und ohne massive Zerstörung der Oberfläche erfolgen. Ziel ist eine maximale Anzahl an desorbierten, aber nicht ionisierten und/oder zersetzten Molekülen der Zielsubstanz für eine Weiterleitung an einen Nachweis. Zersetzte und/oder ionisierte Moleküle werden dagegen vor oder während der Weiterleitung ausgesondert. Bei der Desorption entsteht eine Gaswolke, die anschließend von einem Ionenspektrometer, vorzugsweise ein Massenspektrometer umfassend angesaugt wird.
Die Einkopplung der Laserenergie zur Desorption auf der Oberfläche erfolgt entweder direkt auf der Oberfläche (Saugseite) oder bei plattenförmigen Trägermaterialien oder Substraten indirekt bevorzugt von der gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die Desorption durch thermische Schockwellen von der Rückseite durch das Substrat oder Trägermaterial erfolgt.
Die Laserdesorption erfolgt kontinuierlich oder bevorzugt impulsweise, wobei die Einstellung der übertragenen Laserlichtleistung über eine Vorwahl der Wellenlänge, Impulsdauer und/ oder Leistungsdichte für den Energieimpuls der hierfür herangezogenen Laserquelle erfolgt. Als Laserquelle für die Laserdesorption eignet sich aufgrund der guten und breiten Einstellbarkeit insbesondere CO₂-Laser. Die Einstellung erfolgt mit Hilfe von Einstelldaten, vorzugsweise Erfahrungswerte. Diese sind primär von den Eigenschaften von Material und Beschaffenheit der Oberfläche und erst sekundär von den zu desorbierenden Substanzen abhängig.
Eine Ermittlung der Einstelldaten für die vorgenannte Einstellung, insbesondere für die Höhe des Energieimpulses erfolgt vorzugsweise über eine photoakustische Erkennung der Oberfläche. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Laserimpuls mit einer definierten Laserenergie auf die Oberfläche geschossen wird. Erfasst wird dann der Energiebetrag einer durch Energiedeposition erzeugten Laser-Schockwelle als Reaktion auf je einen der vorgenanten Laserimpule (eingespeiste Laserenergie). Der Energiebetrag der Laser-Schockwelle ist ein Maß für die eingekoppelte Energie (= Laserenergie der Laserimpulse abzüglich des Energiebetrags der Laserschockwelle) und wird vorzugsweise direkt mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, wobei jedem Sollwert eine Einstellung oder Kombinationen mehrerer Einstellungsdaten (z. B. Wellenlänge, Impulsdauer und Leistungsdichte) zuordnungsfähig ist.
Eine vorgenannte Ermittlung der Einstelldaten ist grundsätzlich ein eigenständiges Verfahren, ist aber vorteilhafter Bestandteil eines Verfahrens gemäß der Erfindung, wenn die Desorption an wechselnden Oberflächen erfolgt, vorzugsweise im Rahmen von zolltechnische Routinekontrollen von Gepäckstücken oder Containern auf Spurenbestandteile z. B. von Sprengstoff oder Rauschgiften.
Als Ausführungsvariante des Verfahrens wird als prozessbegleitend zur Überwachung alternierend oder sequenziell zur Laser desorption durch zeitweise höhere, bevorzugt pulsweise Laserpulsenergien ein Laserplasma erzeugt, womit sich die Moleküle quantitativ durch eine Messung der Photoemission der Molekülbruchstücke (der zersetzten Moleküle) erfassen lassen. Weist das dabei erfasste Photospektrum nicht das Spektrum von Bestandteilen der Zielsubstanz auf, lassen sich zusätzliche Maßnahmen zur Abrennung unerwünschter Moleküle wie z. B. eine Intensivierung der folgenden Anreicherungsschritte eingeleitet werden. Andererseits lassen sich bei einer besonderen Übereinstimmung bestimmte Anreicherungsschritte zugunsten einen schnellen zeitsparenden Nachweis der Zielsubstanz einsparen.
Die desorbierten Moleküle werden anschließend einem spektrometrischen Nachweis zugeführt. Dies erfolgt zunächst durch Absaugung in eine Ionenfalle und nach Anreicherung (Ionenanreicherung) dort vorzugsweise erst dann zu einem spektrometrischen Nachweis. In der Ionenfalle erfolgt in einem ersten Schritt eine sog. weiche Photoionisierung, d. h. einer Aufladung der Moleküle zu Ionen mittels eines UV-Lichts, bevorzugt einer VUV-Lichtquelle (Laser- oder Lampen-generiert), z. B. einer für einen im Rahmen der Erfindung vorteilhaften Pulsbetrieb besonders geeigneten Elektronenstrahlgepumpten VUV-Excimerlampe (e-VUV-Lampe).
Die Wellenlänge der e-VUV-Lampe kann über die Wahl des Excimergases so angepasst werden, dass nahezu alle organischen Verbindungen ionisiert werden (> 12 eV), oder nur eine Auswahl mit niedrigerem Ionisierungspotential unterhalb einer Potentialschwelle (z. B. viele Drogen mit haben ein Ionisierungspotential zwischen 7 und 9 eV). Matrixmoleküle mit Ionisierungspotentialen oberhalb der Schwelle werden nicht ionisiert und können so ausgeschlossen werden, was die Nachweisempfindlichkeit erhöht.
Durch eine pulsweise Einstrahlung des VUV-Lichts (durch Puls betrieb der Lampe z. B. mit 50 bis 200 ns, bevorzugt 80 bis 150 ns, weiter bevorzugt ca. 100 ns Pulslänge, bei 0,5 bis 2,0 MHz, bevorzugt 0,8 bis 1,3 MHz, weiter bevorzugt ca. 1 MHz Pulswiederholungsfrequenz) kohärent mit der Frequenz mit dem Wechselfeld der Ionenfalle vorzugsweise bei integral unveränderter Leistung der Lampe ist grundsätzlich eine höhere Empfindlichkeit erreichbar. Eine Ionisierung erfolgt pulsweise vorzugsweise zu dem Zeitpunkt, in der die entstandenen Ionen im Wechselfeld mit einem bevorzugten Minimum an Verlusten an fehlgeleiteten, d. h. nicht auf die Ionenkreislaufbahn geleiteten Ionen z. B. aufgrund von Umlenkungsträgheiten der Ionen in eine stabile Ionenkreislaufbahn eingetaktet werden können.
Vorzugsweise werden die Moleküle in der Ionenfalle direkt in ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld geleitet und dort (weich) ionisiert (interne Ionisierung). Die Ionen befinden sich bei Entstehung im Wechselfeld und nehmen eine stabile Ionenkreislaufbahn auf. Bei Eintritt der Moleküle in eine Ionenfalle erfolgt vorteilhaft eine Abkühlung der Moleküle vor der Ionisation durch Expansion.
Alternativ werden die Moleküle bereits vor Eintritt in die Ionenfalle, d. h. in das Wechselfeld zu Ionen ionisiert, um anschließend im Wechselfeld auf eine stabile Ionenkreislaufbahn gelenkt zu werden.
Der Vorteil der internen Ionisierung liegt in den geringeren Verlusten bei der Anreicherung, damit im höheren Wirkungsgrad und folglich in einer höheren Nachweisempfindlichkeit. Der Vorteil einer externen Ionisierung liegt dagegen im geringeren apparativen Aufwand. Außerdem erfolgt bei einer externen Ionisierung eine geringere Kontamination der Ionenfalle, was eine Detektion von unterschiedlichen Substanzen in aufeinander folgenden Probennahmen begünstigt.
Im Wechselfeld reichern sich die Ionen integral über die Zeit an (Ionenanreicherung) und werden von dort impulsweise dem spektrometrischen Nachweis der Ionen.
3-D-Ionenfallen (System Paul-Trap) haben bei externer Ionisierung (vor Eintritt in das Wechselfeld) Anreicherungseffizienzen (Verhältnis von Ionenzahl auf Ionenkreislaufbahn zu Gesamtzahl der Ionen in der Ionenfalle) im Bereich 2%, bei interner Ionisierung (im Wechselfeld) im Bereich 5%, die durch eine pulsweise Ionisierung sich erheblich steigern lassen.
Ionen mit zu den untersuchenden Ionen abweichenden Massen und/oder Ladung (z. B. nach einer Zersetzung) weisen dabei eine ebenfalls abweichende Trägheit bzw. elektrische Anziehungskraft auf. Sie werden folglich im Wechselfeld nicht auf der stabilen Ionenkreislaufbahn, sondern auf einer eigenen abweichenden Laufbahn geführt und damit nicht angereichert. Die Ionenfalle wird vorzugsweise im selektiven MS/MS-Mode betrieben.
Ionen mit den einem zu untersuchenden Ionen abweichende Massen/Ladungen-Quotienten (als Verunreinigung oder nach Zersetzung) weisen dabei eine ebenfalls abweichende Trägheit auf. Sie werden folglich im Wechselfeld nicht auf stabilen Ionenkreisbahnen, sondern auf einer eigenen abweichenden Laufbahn geführt und nicht angereichert. Die Ionenfalle wird vorzugsweise im MS/MS-Mode betrieben, bei der die Analytmoleküle nach der Anreicherung durch Stossen mit Helium gezielt fragmentiert werden und die dabei gebildeten charakteristischen Bruchstücke anschließend selektiv zum Detektor ausgeschleust werden
In jeden Fall ist eine Ionisierung der Moleküle zu Ionen in Phase mit der Frequenz des Wechselfeldes aufgrund geringerer Verluste aufgrund von Umlenkung der Ionenbewegungen beim Eintakten in die Ionenkreislaufbahn besonders vorteilhaft. Ebenso begünstigt ein Einlass der Moleküle und Ionen in Phase mit der Frequenz an den Endkappen der Ionenfalle anliegenden Wechselspannung ein verlustarmes Einführen der Ionen in die Ionenkreislaufbahn und damit zum spektrometrischen Nachweis.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung eignen sich insbesondere für eine Verwendung zur selektiven Detektion von organischen Stoffen wie Sprengstoffen oder chemische Kampfstoffe im Erdreich oder Bauwerken (Gebäude, Verkehrswege, Kunstbauten etc.). Ebenso bevorzugt ist eine Verwendung zur selektiven Detektion
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert es zeigen
1 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen eines Trägerstoffes sowie
2a bis c jeweils prinzipielle Darstellungen von Vorrichtungen zum Nachweis von organischen Spurenbestandteilen auf Oberflächen eines Trägerstoffes.
Den zeitlichen Ablauf eines Verfahrens mit Verfahrensteilschritte im Rahmen der Erfindung zeigt beispielhaft 1. Der bevorzugte erste Teilschritt umfasst die vorgenannte erste Anreicherung 1 von Spurenbestandteilen der Zielsubstanz on-line oder off-line aus einem vorliegenden Substanzgemisch beispielsweise direkt auf einer Oberfläche z. B. auf einem Koffer, Container, Filtermaterial oder einer sonstigen der zu detektierenden Spurenbestandteile oder alternativ auf einem Zwischenträger als Wisch- oder gezielten Ansaugprobe z. B. auf einem Wischpad oder einer anderen Sorberoberfläche. Durch eine Materialauswahl und/oder eine physikalische oder chemische Manipulation der Oberfläche wie z. B. durch Anlegen eines elekt rischen oder magnetischen Feldes oder Maßnahmen zur Beeinflussung der Affinität gegenüber bestimmten Substanzen z. B. durch Imprägnierung der Oberfläche wird eine selektive Anreicherung bestimmter Spurenbestandteile (Moleküle oder Molekülgruppen) gefördert. Es folgt als Teilschritt eine Laserdesorption von Molekülen 2 von der Oberfläche in vorgenannter Weise gepulst oder ungepulst. Die Laserenergie ist dabei so einzustellen, dass eine Zersetzung sowie eine Ionisierung der zu untersuchenden Moleküle nicht erfolgen und vorzugsweise die Oberfläche nicht verändert wird. Vorzugsweise werden nur Moleküle der Zielsubstanz desorbiert, dabei aber nicht ionisiert oder zersetzt, während alle anderen Substanzen entweder nicht desorbiert oder mit einer Desorption auch ionisiert und damit mittels eines elektrischen Feldes separierbar werden. Alternativ kann die Energie so eingestellt werden, dass spezifische Fragmente entstehen. Wenn z. B. Sprengstoffe nachgewiesen werden sollten, die Nitrogruppen enthalten, können laserinduziert NO oder andere stickstoffhaltige Verbindungen freigesetzt werden, die zur Detektion herangezogen werden können. Die selektive Laserdesorption stellt damit eine Laserdesorptionsanreicherung und damit eine zusätzliche Anreicherung dar.
Es folgt als dritter Teilschritt eine Absaugung 3 der desorbierten und nicht ionisierten Moleküle der Zielsubstanz im Bereich oberhalb der Oberfläche zur Weiterleitung zu einer nachfolgenden weichen Ionisation 5 für einen spetrometrischen Nachweis der Moleküle. Bei dieser Weiterleitung erfolgt optional eine Zwischenanreicherung 4 durch Aufstauen oder Adsorption und pulsweises Weiterleiten (durch Desorption wie Verdampfen) zur weichen Ionisierung 5 der Moleküle (Spurenbestandteile) im Trägergas.
Die weiche Ionisierung 5 erfolgt vorzugsweise in einer Ionenfalle (interne Ionisierung), in der Moleküle in ein elektrisches Wechselfeld eingeleitet in diesem vorzugsweise photo nisch ionisiert werden und im Wechselfeld in eine stabile Ionenkreislaufbahn eingetaktet werden. Alternativ ist auch eine Ionisierung vor Eintritt in das Wechselfeld der Ionenfalle (externe Ionisierung). In der Ionenkreislaufbahn erfolgen eine Akkumulation selektiv von eingeleiteten Ionen der Zielsubstanz und damit eine Ionenanreicherung 6. Nach der Ionenanreicherung werden die Ionen vorzugsweise pulsweise einem spektrometrischen Nachweis 7 zugeführt.
Der Nachweis erfolgt vorzugsweise mittels herkömmlicher Ionen-Massenspektrometrie wie beispielsweise vom Typ Time-of-Flight (TOF) oder Quadrupol.
Die vorgenannten Teilschritte lassen sich den grundlegenden Verfahrenschritten Anreicherung 8, Desorption 9, Ionisation 10 und Nachweis 11 zuordnen (vgl. 1).
2a bis c zeigen jeweils eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Nachweis von organischen Spurenbestandteilen 12 auf Oberflächen 13 eines Trägerstoffes 14. Sie umfasst eine Laserquelle 15 für die Laserdesorption von Molekülen der Spurenbestandteile von der Oberfläche, eine Transferkapillare 29 mit einer Zwischenanreicherungsvorrichtung 24 zum Absaugen bzw. zur vorgenannten Zwischenanreicherung (4) der desorbierten Moleküle 16, das in ein anschließendes Ionenspektrometer ausmündet. Während 2c eine Ausführungsform mit einem Ionenmobilitätsspektrometer IMS 30 als Ionenspektrometer zeigt, umfassen die Ausführungsformen gemäß 2a und b Mittel zur Photoionisation 18 der Moleküle zu Ionen. Die gezeigten Mittel zur Photoionisation 18 umfassen bevorzugt eine VUV-Excimerlampe der vorgenanten Art.
Das Ionenspektrometer beider Ausführungsformen gemäß 2a und b umfassen neben den Mitteln zur Photoionisation 18 auch Mittel zur Ionenanreicherung 21, umfassend wiederum ein Wech selfeld 19 einer Ringelektrode 25 sowie zwei Endkappen 26 zur Weiterleitung der Ionen zu einem nachgeschalteten Nachweis der Ionen. Im Wechselfeld 19 befinden sich die Ionenkreislaufbahnen, auf denen sich weich Photo-Ionisierten Moleküle der Zielsubstanz und anderen Substanzen sortenrein auf je einer eigenen Ionenkreislaufbahn anreichern, sofern die Ionen nicht aufgrund einer von Sollwerten abweichenden Ladung und/oder Masse eine abweichendende Laufbahn einnehmen und damit ausgesondert werden.
Die erste Ausführungsform (2a) umfasst eine vom Spektrometer 23 (z. B. Time-of-Flight(TOF)-Spektrometer, Quadrupolspektrometer) apparativ getrennte Ionenfalle 17, umfassend die Mittel zur Photoionisation und Ionenanreicherung 18 bzw. 21 auf. Die Photoionisation (weiche Ionisation) erfolgt in einem Wechselfeld 19 zwischen zwei Elektroden 20 einer Ionenfalle 21. Nach der Ionisierung wird jedes elektrisch geladene Ion im Einflussbereich des Wechselfeldes hin- und herbewegt und nimmt eine individuelle u. A. von Masse und Ladung abhängige Bewegungslinie auf, wobei die Ionen der Zielsubstanz sich auf einer Ionenkreislaufbahn 22 akkumulieren (anreichern). Von der Ionenkreislaufbahn eine pulsweise Weiterleitung der Ionen selektiv der Zielsubstanz an ein Spektrometer 23.
2b zeigt dagegen eine Bauform, bei der die Mittel zur Photoionisation und Ionenanreicherung 18 bzw. 21 gemeinsam mit einem Detektor 27 (z. B. TOF) in einem Ionenfallenspektrometer 28 zusammengefasst sind.
Eine mögliche relevante Anwendung der Erfindung ist die Detektion insbesondere von sicherheitsrelevanten Stoffen (z. B. Sprengstoffe, Kampfstoffe oder auch Betäubungsmitteln, Drogen oder zollrelevante Stoffen wie Tabakprodukte) in geschlossenen Behältern (Container, Koffer, Räume etc.) über eine Sonde (Endoskop). Dabei werden die an den Innenwänden der Behälter oder an den Gegenständen im Behälter befindlichen Spurenstoffe durch Laserpulse vaporisiert und durch Einsaugung aus dem Behälter in die Sonde oder auf ein Adsorbens/Filter überführt. Die Laserpulse können über die Sonde eingeführt werden (z. B. über Faseroptiken). Entweder erfolgt dann ein direkter massenspektrometrischer Nachweis der laserdesorbierten oder bereits in der Gasphase befindlichen Stoffe ohne Anreicherung (direct inlet mass spectreoemtry) oder die laserdesorbierten oder bereits in der Gasphase befindlichen Stoffe werden auf einem Adorbens angereichert (z. B. auf organischen Polymeren wie PDMS oder MIP) und dann vor dem MS-Nachweis thermodesorbiert.
Über die Sonde sind simultan oder sequentiell auch weitere Detektionsverfahren anwendbar (optisch, laser induced break-down spectroscopy – LIBS etc.).
Insbesondere bei Sprengstoffe wie TNT oder anderen sicherheitsrelevanten oder explosiven Stoffen ist zur Vermeidung von explosiven Reaktionen eine Bestrahlung nur mit kurzzeitigen Laserpulsen besonders erforderlich.

1: erste Anreicherung
2: Laserdesorption
3: Absaugung
4: Zwischenanreicherung
5: weiche Ionisierung
6: Ionenanreicherung
7: spektrometrischen Nachweis
8: Anreicherung
9: Desorption
10: Ionisation
11: Nachweis
12: organische Spurenbestandteile
13: Oberfläche
14: Trägerstoff
15: Laserquelle
16: Moleküle
17: Ionenfalle
18: Mittel zur Photoionisation
19: Wechselfeld
20: Elektroden
21: Mittel zur Ionenanreicherung
22: Ionenkreislaufbahn
23: Spektrometer
24: Zwischenanreicherungsvorrichtung
25: Ringelektrode
26: Endkappe
27: Detektor
28: Ionenfallenspektrometer
29: Transferkapillare
30: Ionenmobilitätsspektrometer IMS

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6797944 [0003]

Claims

Verfahren für den Nachweis von organischen Spurenbestandteilen (12) auf Oberflächen (13) eines Trägerstoffes (14), umfassend a) eine Laserdesorption (2) von Molekülen (16) der Spurenbestandteile von der Oberfläche mit einer Laserquelle (15) sowie b) ein Ionen-spektrometrischer Nachweis (7) der Moleküle (16), dadurch gekennzeichnet, dass c) die Laserdesorption (2) bei Atmosphärendruck erfolgt und d) der spektrometrische Nachweis in einem ersten Schritt eine Photoionisierung (5) der Moleküle zu Ionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung der Laserquelle (15) über eine Vorwahl der Wellenlänge, Impulsdauer und/oder Leistungsdichte für den Energieimpuls erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserdesorption (2) eine photoakustische Erkennung der Oberfläche (13) zur Bestimmung der für die Laserdesorption erforderliche Einstellung der Laserquelle für die Höhe des Energieimpulses vorgeschaltet ist, wobei mindestens ein Laserimpuls auf die Oberfläche geschossen wird und ein Energiebetrag einer durch Energiedeposition erzeugten laserinduzierten Schockwelle mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserdesorption (2) eine optische Erkennung einer auf der Oberfläche (13) deponierten Energie zur Bestimmung der für die Laserdesorption erforderlichen Einstellung der Laserquelle für die Höhe des Energieimpulses vorgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdesorption (2) mit einem CO₂-Laser erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) ein organisches Polymer ist, an der sich die Moleküle der organischen Spurenbestandteile (12) aktiv oder passiv anheften.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) ein Wischpad ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) eine Impaktionsfläche oder ein Filtermedium für luftgetragene Aerosole ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle (16) in ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld (19) einer Ionenfalle (21) geleitet werden, wobei die Moleküle dort zu Ionen ionisiert werden, oder bereits vor Eintritt in die Ionenfalle (21) zu Ionen ionisiert worden sind, die Ionen im Wechselfeld auf eine stabile Ionenkreislaufbahn (22) gelenkt werden, sich dort integral über die Zeit anreichern und der spektrometrische Nachweis der Ionen impulsweise erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierung der Moleküle zu Ionen in Phase mit der Frequenz des Wechselfeldes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der Moleküle und Ionen in Phase mit der Frequenz an den Endkappen (27) der Ionenfalle (21) anliegenden Wechselspannung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweis eine Zuführung der Ionen zu einem MS/MS-Verfahren umfasst.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrometrische Nachweis mittels eines Ionenmobilitätspektrometers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Ionisierung der Moleküle mit VUV-Licht mit einer Laser- oder Lampen-generierten VUV-Quelle erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die VUV-Quelle eine Elektronenstrahlgepumpten Excimerlampe ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Laserdesorption und spektrometischen Nachweis eine Zwischenanreicherung (4) der Moleküle durch Adsorption und pulsweise Verdampfung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend oder sequenziell zur La serdesorption (2) durch höhere Laserpulsenergien ein Laserplasma erzeugt wird und eine Erfassung der Photoemission der Moleküle oder von atomarisierten Bestandteilen im Laserplasma erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend eine Abkühlung der Moleküle durch Expansion vor der Ionisation.
Vorrichtung zum Nachweis von organischen Spurenbestandteilen (12) auf Oberflächen (13) eines Trägerstoffes (14) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend a) eine Laserquelle (15) für die Laserdesorption (2) von Molekülen (16) oder Fragmenten der Spurenbestandteile (12) von der Oberfläche sowie b) ein Ionenfalle (21) mit Mitteln zur Photoionisation (18) der Moleküle (16) zu Ionen und Mitteln zu einem spektrometrischen Nachweis der Ionen (23, 28).