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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Spektroskopie
mit geladenen Analyten mit einem Ionisator zum Erzeugen der geladenen
Analyten, mit einem Detektor zum Erfassen der geladenen Analyten
und mit einer ersten Selektionsvorrichtung, mit der die geladenen
Analyten in Abhängigkeit von einer Driftbewegung der geladenen
Analyten zum Detektor hin selektierbar sind.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
DE 10 2005 028 930 A1 bekannt.
Die bekannte Vorrichtung ist ein Ionenmobilitätsspektrometer,
das eine Elektronenquelle, einen Ionisationsraum und eine Driftkammer
aufweist. Die Elektronenquelle umfasst einen thermischen Elektronenemitter,
der freie Elektronen erzeugt, die in den Ionisationsraum emittiert
werden können. Die Elektronen reagieren in dem Ionisationsraum
mit einem eingeleiteten Probengasgemisch, wodurch die zu bestimmenden
geladenen Analyten gebildet werden. Die gebildeten Analyten treten durch
ein Sperrgitter hindurch in die Driftkammer ein. Zwischen dem Sperrgitter
und einem in der Driftkammer angeordneten Detektor ist ein statisches
Driftfeld angelegt, so dass die geladenen Analyten entlang des Driftfelds
zum Detektor hin bewegt werden. Die Driftbewegung der Analyten wird
durch deren Mobilität bestimmt, die infolge der gewählten
Feldstärke des Driftfelds unter anderem von der Ladung
und Masse der Analyten sowie deren Wechselwirkung mit anderen Molekülen
abhängt. Die unterschiedlich schnell bewegten Analyten
werden im Driftfeld örtlich voneinander getrennt und zeitaufgelöst
vom Detektor erfasst. Durch diese Trennung werden die Analyten bezüglich
der Art und Menge selektiert.
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Ionenmobilitätsspektrometer
werden beispielsweise zur Detektion chemischer Kampfstoffe, von
Drogen oder auch von Explosivstoffen in kleinsten Mengen verwendet.
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Ein
Nachteil des bekannten Ionenmobilitätsspektrometers ist
seine begrenzte Selektivität. Unterschiedliche Analyten
mit nahezu gleicher oder sehr ähnlicher Mobilität
erfahren keine oder zumindest keine signifikante räumliche
Trennung in der Driftkammer, so dass die unterschiedlichen Analyten
nahezu zeitgleich vom Detektor erfasst werden.
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Aus
der
US 6,512,224 B1 ist
ein weiteres Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, bei dem
die Selektion der geladenen Analyten basierend auf deren örtlicher
Trennung in einem Ionenfilter erfolgt. Dazu weist das bekannte Ionenmobilitätsspektrometer
einen Ionenfilterraum auf, entlang dessen sich Filterfeldelektroden
erstrecken. Die örtliche Trennung der geladenen Analyten
erfolgt durch ein von den Filterfeldelektroden erzeugtes hochfrequentes
asymmetrisches Filterfeld, das quer zur Längsrichtung des
Ionenfilterraums verläuft und das teilweise eine hohe Feldstärke
aufweist. Aufgrund der hohen Feldstärke des Filterfelds
hängt die Mobilität der geladenen Analyten von
der Feldstärke des Filterfelds ab. Durch das oszillierende
Filterfeld werden die geladenen Analyten in Abhängigkeit
des Mobilitätsunterschiedes bei niedriger und hoher Feldstärke
zu den Filterfeldelektroden hin abgelenkt. Zusätzlich ist
ein statisches Kompensationsfeld vorgesehen, das ebenfalls quer zu
Längsrichtung des Ionenfilterraums verläuft und dessen
Stärke variiert werden kann, um bestimmte Analyten entgegen
der Verschiebung durch das Filterfeld im Bereich der Längsachse
des Ionenfilterraums zu halten. Eine konstante Gasströmung
längs des Ionenfilterraums bewirkt eine gerichtete Bewegung
der selektierten Analyten längs des Filterraums zu einem
Detektor, der die geladenen Analyten ortsaufgelöst erfasst.
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Ein
Nachteil dieses bekannten Ionenmobilitätsspektrometers
ist ebenfalls seine begrenzte Selektivität, da geladene
Analyten mit ähnlicher feldabhängiger Mobilität
im Filterfeld keine örtliche Trennung durch das Filter-
und Kompensations feld erfahren. Ferner ist der Betrieb des bekannten
Ionenmobilitätsspektrometers technisch aufwändig,
da in dem Ionenfilterraum stets eine gleichbleibende Gasströmung
vorhanden sein muss, um eine konstante Drift der Analyten zum Detektor
zu gewährleisten. Eine Veränderung der Gasströmung
während des Betriebs würde eine Veränderung
der Driftbewegung der geladenen Analyten zum Detektor hin bewirken, so
dass andere Analyten als erwartet vom Detektor erfasst würden
und somit die qualitative und quantitative Auswertung des vom Detektor
erzeugten Messsignals verfälscht wäre. Die Bauweise
des bekannten Ionenmobilitätsspektrometers ist ebenfalls technisch
aufwändig, da in dem Ionenmobilitätsspektrometer
eine Pumpe zur Erzeugung einer gerichteten Bewegung der geladenen
Analyten zum Detektor hin implementiert sein muss.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine hinsichtlich der Selektivität auf die zu
bestimmenden geladenen Analyten verbesserte Vorrichtung für
die Spektroskopie mit geladenen Analyten zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Die
Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten
weist eine zweite Selektionsvorrichtung auf, die eine Ablenkbewegung
der geladenen Analyten quer zu der zum Detektor erfolgenden Driftbewegung
der geladenen Analyten bewirkt und durch die die geladenen Analyten
zusätzlich selektiert werden können.
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Die
Ablenkbewegung der geladenen Analyten bietet eine zusätzliche
Selektionsmöglichkeit, durch die die geladenen Analyten
anhand der für die zweite Selektionsvorrichtung spezifischen
Bewegung zusätzlich selektiert werden. Somit weist die
Vor richtung für die Spektroskopie mit geladenen Analyten
im Vergleich zu einer auf einer Selektionsmöglichkeit beruhenden
Vorrichtung eine signifikant erhöhte Selektivität
auf.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der ersten Selektionsvorrichtung
ein statisches Driftfeld erzeugbar, das die Driftbewegung der geladenen
Analyten bewirkt. Mit der zweiten Selektionsvorrichtung wird ein
quer zum Driftfeld verlaufendes, hochfrequentes asymmetrisches Filterfeld
erzeugt, durch das die geladenen Analyten quer zu der zum Detektor
erfolgenden Driftbewegung abgelenkt werden. Durch das statische
Driftfeld erfolgt ein feldgetriebener Transport der geladenen Analyten
zum Detektor hin, der zu einer örtlichen Trennung von Analyten
im Driftfeld führt, durch die eine zeitaufgelöste oder
ortsaufgelöste Erfassung durch den Detektor ermöglicht
wird. Durch das Filterfeld erfolgt zusätzlich eine örtliche
Trennung der geladenen Analyten, die vom Detektor als Ortsinformation
der Auftreffpunkte der Analytionen erfasst wird.
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Die
Driftbewegung der geladenen Analyten im statischen Driftfeld ist
vorzugsweise durch eine erste Mobilität der geladenen Analyten
und die Ablenkbewegung der geladenen Analyten im Filterfeld durch
eine zweite Mobilität der geladenen Analyten bestimmt,
die aufgrund der unterschiedlichen Feldstärken von Driftfeld
und Filterfeld unterschiedliche Werte aufweisen. Die Ausnutzung
unterschiedlicher Mobilitäten der geladenen Analyten in
Abhängigkeit von der Feldstärke der elektrischen
Felder ermöglicht die Selektion der geladenen Analyten
nach ihren Driftzeiten zum Detektor oder ihrem gegenseitigen Abstand
beim Auftreffen auf den Detektor. Die tatsächliche Bewegung
der Analyten im Drift- und Filterfeld stellt eine Überlagerung
ihrer Drift- und Ablenkbewegung dar.
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Die
Driftbewegung und die Ablenkbewegung der geladenen Analyten können
zeitlich überlagert erfolgen. Da die Trennung der geladenen
Analyten in Ablenkrichtung und Driftrichtung gleichzeitig erfolgt, benötigt
die Analyse der zu untersuchenden Probengasgemische wenig Zeit.
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Umgekehrt
können die Driftbewegung und die Ablenkbewegung der geladenen
Analyten auch wechselweise erzeugt werden, so dass einerseits bei geeigneter
Wahl der Umschaltzeit stets eine Driftbewegung der Analyten zum
Detektor hin gewährleistet ist und andererseits keine Verzerrung
des Filterfelds durch das Driftfeld entsteht, die die Ablenkbewegung der
Analyten nachteilig beeinträchtigen könnte.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste
Selektionsvorrichtung zumindest eine erste Driftfeldelektrode zum
Erzeugen des Driftfelds auf, die auf ein zum Detektor unterschiedliches
Potential gelegt werden kann. Dadurch wird ein statisches Gleichfeld
zwischen der Driftfeldelektrode und dem Detektor erzeugt, da der
Detektor als Gegenelektrode zur zumindest ersten Driftfeldelektrode
wirkt. Dies ermöglicht eine konstruktiv besonders einfache
und kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung mit wenigen Bauteilen.
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Die
zumindest erste Driftfeldelektrode verläuft vorzugsweise
entlang des flächenmäßig ausgedehnten
Detektors, so dass sich zwischen dem Detektor und der zumindest
ersten Driftfeldelektrode ein homogenes Driftfeld ergibt. Der Driftweg
der geladenen Analyten kann dabei entlang einer Verbindungslinie
des Detektors und der zumindest ersten Driftfeldelektrode verlaufen
oder aufgrund eines Eintretens der geladenen Analyten in das Driftfeld
unter einem Winkel eine entsprechende Ablenkung zum Detektor hin
beschreiben. Im ersten Fall erfolgt die Selektion der geladenen
Analyten verschiedener erster Mobilitäten nach deren Driftzeit
bis zum Detektor, während im zweiten Fall die geladenen
Analyten verschiedener erster Mobilitäten unterschiedlich
starke Ablenkungen erfahren, die als Ortsinformation vom Detektor
erfasst wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste
Selektionsvorrichtung zusätzlich eine zumindest zweite
Driftfeldelektrode zum Erzeugen des Driftfelds auf, die das gleiche
Potential wie die zumindest erste Driftfeldelektrode aufweist, wobei
sich die zumindest erste und zweite Driftfeldelektrode entlang eines
Driftwegs der geladenen Analyten erstrecken. Diese Ausführungsform
der ersten Selektionsvorrichtung gewährleistet auch bei
langem Driftweg der geladenen Analyten eine gleichbleibende Homogenität
des Driftfelds.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die zweite
Selektionsvorrichtung zumindest zwei zueinander parallele Filterfeldelektroden
zum Erzeugen des hochfrequenten asymmetrischen Filterfelds auf,
die sich entlang eines Driftwegs des geladenen Analyten erstrecken.
Dies ermöglicht ein homogenes Filterfeld mit parallelem
Feldlinienverlauf zwischen den beiden Filterfeldelektroden, wodurch
die Ablenkbewegung der geladenen Analyten in dem Filterfeld einfach
vorhersagbar ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zumindest
erste und zweite Driftfeldelektrode der ersten Selektionsvorrichtung
mit der zumindest ersten und zweiten Filterfeldelektrode der zweiten
Selektionsvorrichtung identisch. Dadurch wird eine besonders kompakte
Bauform der Vorrichtung für die Spektroskopie mit geladenen
Analyten bewerkstelligt. Ferner werden durch die gleichzeitige Verwendung
gemeinsamer Elektroden zum Erzeugen des Filterfelds und des Driftfelds
mögliche Abschirmeffekte vermieden, die bei einer separaten Ausführung
der Driftfeldelektroden und der Filterfeldelektroden entstehen könnten.
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Die
zumindest erste und zweite Driftfeldelektrode und/oder die zumindest
erste und zweite Filterfeldelektrode sind vorzugsweise als flache
Elektrodenplatten ausgebildet, wodurch eine besonders kostengünstige
Herstellung der Vorrichtung für die Spektroskopie erreicht
wird. Zugleich ist der Feldverlauf von durch flache Elektrodenplatten
erzeugten elektrischen Feldern besonders einfach bestimmbar, so
dass die Bauweise der Vorrichtung zudem konstruktiv einfach ist.
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Die
zumindest erste und zweite Driftfeldelektrode und/oder die zumindest
erste und zweite Filterfeldelektrode weisen vorzugsweise eine Mehrzahl von
flachen Elektrodenplattenabschnitten auf. Diese Ausgestaltung der
Driftfeldelektroden und/oder Filterfeldelektroden ermöglicht
beispielsweise das Bereitstellen eines homogenen Driftfeldes mit
nahezu parallel verlaufenden Feldlinien, indem gleiche Potentialdifferenzen
zwischen den Elektrodenplattenabschnitten angelegt werden. Daneben
kann auch ein Driftfeldgradient mit ebenfalls nahezu parallel verlaufenden
Feldlinien entlang des Driftwegs der geladenen Analyten bereitgestellt
werden, wodurch die Selektion der geladenen Analyten zusätzlich
beeinflusst werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist die Ablenkbewegung der
geladenen Analyten zusätzlich durch ein statisches Kompensationsfeld
beeinflussbar, das quer zum Driftfeld verläuft. Dadurch
ergibt sich ein zusätzlicher Parameter zur Verbesserung der
Trennleistung der Vorrichtung für die Spektroskopie mit
geladenen Analyten, da die Ablenkbewegung der geladenen Analyten
durch das Filterfeld zusätzlich durch das Kompensationsfeld
beeinflusst wird. Das Kompensationsfeld dient dazu, die zu selektierenden
Analyten von den Filterfeldelektroden fernzuhalten und gleichzeitig
andere geladene Analyten an den Filterfeldelektroden zu entladen,
so dass nur eine spezielle Analytensorte die zweite Selektionsvorrichtung
passieren kann und die übrigen Analyten herausgefiltert
werden.
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Das
Kompensationsfeld ist vorzugsweise durch die zumindest erste und
zweite Filterfeldelektrode erzeugbar, so dass eine konstruktiv einfache, kompakte
und kostengünstige Bauform der Vorrichtung für
die Spektroskopie gewährleistet wird. Es werden ebenfalls
Abschirmeffekte des Kompensations- und Filter felds vermieden, die
durch die Bereitstellung verschiedener Elektroden entstehen könnten.
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Die
Feldstärke des Kompensationsfelds kann entweder konstant
oder variierbar sein, um dadurch die Selektion der Vorrichtung zu
beeinflussen. Ein konstantes Kompensationsfeld bewirkt, dass nur eine
Sorte von geladenen Analyten die zweite Selektionsvorrichtung passieren
kann und somit die Selektivität verbessert wird. Ein sich
ergebendes Messspektrum könnte in diesem Fall aus der gemessenen Höhe
des Ionenstromes der geladenen Analyten in Abhängigkeit
einer Driftzeit der selektierten Analyten bestehen. Ein variierbares
Kompensationsfeld während eines Detektionszyklusses bewirkt,
dass je nach Kompensationsfeld verschiedene Analyte in einem Messzyklus
erfasst werden können. Ein dreidimensionales Messspektrum
könnte in diesem Fall die wechselseitige Abhängigkeit
von Ionenstrom, Driftzeit und Feldstärke des Kompensationsfelds
zeigen, um die jeweiligen Analyten quantitativ und qualitativ zu
erfassen.
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Ferner
ist die Feldstärke des Filterfelds vorzugsweise variierbar,
so dass ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der Selektivität
bereitgestellt wird. Geladene Analyten verschiedener Sorten werden
je nach Feldstärke des Filterfelds unterschiedlich stark abgelenkt,
so dass hieraus auf die Analytsorte zurückgeschlossen werden
kann. Es ergibt sich beispielsweise ein vierdimensionales Messspektrum, das
als Parameter den Ionenstrom, die Driftzeit, die Feldstärke
des Kompensationsfelds und die Feldstärke des Filterfelds
enthält. Im Falle einer Messung mit variabler Feldstärke
des Filterfelds und ohne Kompensationsfeld ist die Analyse der geladenen Analyten
besonders schnell durchführbar.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Detektor
eine Vielzahl von Einzeldetektoren zum Erfassen der geladenen Analyten auf.
Dies erhöht auch die Selektivität der Vorrichtung für
die Spektroskopie, da die durch ihre Drift- und/oder Ablenkbewegung örtlich
getrennten Analyten mittels der verschiedenen Einzeldetektoren erfasst
werden können und basierend auf dieser Ortsinformation
sowohl die quantitative als auch die qualitative Bestimmung der
geladenen Analyten verbessert werden kann. Durch die parallele Erfassung
der ortsaufgelösten geladenen Analyten erhöht
sich außerdem die Messgeschwindigkeit. Der Detektor kann auch
als positionssensitiver flächiger Einzeldetektor ausgestaltet
sein.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Sperrgitter
zwischen einem den Ionisator aufweisenden Ionisationsraum und einem den
Detektor aufweisenden Driftraum angeordnet. Das Sperrgitter dient
zur zeitlich und örtlich definierten Überführung
der geladenen Analyten in den Driftraum, so dass aufgrund eines
pulsierenden Öffnens des Sperrgitters eine Anfangsdriftzeit
und ein Anfangsort der Analytpulse definiert wird und gleichzeitig
eine Überlagerung mehrerer Analaytpulse vorgegebener Breite
durch eine geeignete Wahl der Öffnungs- und Sperrzeit vermieden
werden kann. Dies verhindert eine Verschlechterung des Messergebnisses
aufgrund einer überlagerten Detektion von mehreren Analytpulsen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in den Driftraum
ein Driftmedium einleitbar, das sich entgegen der Driftbewegung
der geladenen Analyten ausbreitet. Dadurch wird ein Anhäufen
von nicht selektierten Analyten in dem Driftraum vermieden, so dass
der Driftraum während des Betriebs gereinigt wird und keine
weiteren aufwändigen Reinigungsmaßnahmen für
die Vorrichtung ergriffen werden müssen.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen
Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers;
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2 ein
Diagramm von an das Ionenmobilitätsspektrometer in 1 angelegten
Spannungen in Abhängigkeit einer Zeit;
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3 ein
Messspektrum eines zu untersuchenden Probengemischs, das mit dem
Ionenmobilitätsspektrometer in 1 aufgenommen
wurde; und
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4 einen
Aufbau eines weiteren Ionenmobilitätsspektrometers.
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1 zeigt
ein Ionenmobilitätsspektrometer 1, das zur qualitativen
und quantitativen Analyse von in einem Probengasgemisch enthaltenen
geladenen Analyten geeignet ist.
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Das
Ionenmobilitätsspektrometer 1 verfügt über
einen Ionisationsraum 2, der als Ionisator 3 ausgebildet
ist, und über einen Driftraum 4, der mit einer ersten
Selektionsvorrichtung 5 und einer zweiten Selektionsvorrichtung 6 versehen
ist. Der Ionisator 3 dient zum Erzeugen von geladenen Analyten,
die nachfolgend als Analytionen bezeichnet werden. Bei den Analytionen
handelt es sich in der Regel um Analyt-Ionen-Cluster. Die Analyt-Ionen-Cluster
werden häufig durch Protonentransfer von Reaktant-Ionen-Cluster
gebildet, die zuvor im Ionisierungsraum durch Gasphasenreaktion
von Gasmolekülen mit Elektronen gebildet worden sind. Die
Elektronen werden üblicherweise von einem Elektronenemitter 7 ausgesandt.
Bei dem Elektronenemitter 7 kann es sich beispielsweise
um eine auf der Grundlage des β-Strahlers 63Ni
hergestellte Elektronenquelle handeln. Für den Elektronenemitter
kann ferner auch eine Elektronenquelle verwendet werden, bei der
die Elektronen in einer Vakuumkammer mithilfe eines Heizdrahts oder
per Feldemission erzeugt werden und durch eine Membran hindurch
in den Ionisationsraum 2 emittiert werden. Die erforderliche
Ionisierung kann auch mit einer UV-Lampe durchgeführt werden.
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Die
Analytionen werden mittels der ersten und zweiten Selektionsvorrichtung 5, 6 entlang
des Driftraums 4 getrennt und mit einem Detektor 8 zeit- und
ortsaufgelöst erfasst, der in einem dem Ionisationsraum 2 gegenüberliegenden
Endabschnitt des Driftraums 4 angeordnet ist und eine Vielzahl
von Detektorelementen 9 umfasst.
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Zur
Einleitung des zu untersuchenden Gases ist der Ionisationsraum 2 mit
einem Probengaseinlass 10 und einem Probengasauslass 11 versehen,
durch die das zu untersuchende Probengasgemisch in das Ionenmobilitätsspektrometer 1 eintreten und
austreten kann.
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Zwischen
dem Ionisationsraum 2 und dem Driftraum 4 ist
ferner ein Sperrgitter 12 angeordnet, an das eine Pulsspannung
UP anlegbar ist, die ein pulsiertes Öffnen
und Schließen des Sperrgitters 12 steuert. In
einem geöffneten Zustand des Sperrgitters 12 sind
die aus dem Probengasgemisch gebildeten Analytionen in den Driftraum 4 überführbar.
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Die
erste Selektionsvorrichtung 5 ist als Driftfeldgenerator
zur Erzeugung einer Driftbewegung der Analytionen entlang einer
Driftbewegungsrichtung 13 zum Detektor 8 hin ausgebildet,
während die zweite Selektionsvorrichtung 6 einen
Ionenfilter aufweist, der eine Ablenkbewegung der Analytionen in eine
Ablenkrichtung 14 im rechten Winkel zur Driftbewegungsrichtung 13 bewirkt.
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Die
erste Selektionsvorrichtung 5 weist eine erste Driftfeldelektrode 15 und
eine zweite Driftfeldelektrode 16 auf, die an gegenüberliegenden
seitlichen Außenwänden 17 des Driftraums 4 angebracht sind.
Die Driftfeldelektroden 15 und 16 verlaufen zueinander
parallel und erstrecken sich entlang des Driftwegs der Analytionen
zwischen dem Sperrgitter 12 und dem Detektor 8.
Die Driftfeldelektroden 15 und 16 sind ferner
als Mehrzahl zueinander paralleler und voneinander beabstandeter,
flacher Elektrodenplattenabschnitte 18 ausgebildet, die
sich senkrecht zu einer Zeichenebene der 1 erstrecken.
An die Driftfeldelektroden 15 und 16 sind Driftfeldgleichspannungen
UD anlegbar, so dass die jeweils gegenüberliegenden
Elektrodenplattenabschnitte 18 der beiden Driftfeldelektroden 15 und 16 im
Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers 1 bezüglich
des Detektors 8 auf einem gleichen Potential liegen und
ein statisches Driftfeld erzeugen. Bei gleichen Potentialgradienten
zwischen den Elektrodenplattenabschnitten 18 ergibt sich
ein homogenes Driftfeld mit nahezu parallel verlaufenden Feldlinien.
Um einen Feldgradienten im statischen Driftfeld zu erzeugen, können
zwischen benachbarten Elektrodenplattenabschnitte 18 der
Driftfeldelektroden 15 und 16 in Driftbewegungsrichtung 13 unterschiedliche
Potentialgradienten ausgebildet sein.
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Die
zweite Selektionsvorrichtung 6 weist eine erste und zweite
Filterfeldelektrode 19 und 20 auf, die in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel des Ionenmobilitätsspektrometers 1 mit
der ersten und zweiten Driftfeldelektrode 15 und 16 identisch sind.
An die Filterfeldelektroden 19 und 20 ist eine hochfrequente
asymmetrische Filterfeldwechselspannung UF anlegbar,
so dass die Filterfeldelektroden 19, 20 zueinander
unterschiedliche Potentiale aufweisen und ein hochfrequentes asymmetrisches Filterfeld
erzeugt wird. Ferner ist an die Filterfeldelektroden 19 und 20 eine
Kompensationsgleichspannung UK anlegbar,
die ein statisches Kompensationsfeld erzeugt.
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2 zeigt
exemplarisch den Verlauf der Driftfeldgleichspannung UD,
der hochfrequenten asymmetrischen Filterfeldwechselspannung UF und der Kompensationsfeldgleichspannung
UK. Als Filterfeldwechselspannung ist eine
rechteckförmige Spannung gewählt, deren Polungszeiten
gleich sind. Es ist auch möglich, dass die jeweiligen Polungszeiten
der Filterfeldwechselspannung unterschiedlich sind. Die Kompensationsfeldspannung
UK kann je nach Messerfordernis konstant
oder variierbar, beispielsweise im dargestellten Fall linear ansteigend,
sein.
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Die
Detektorelemente 9 des in 1 dargestellten
Detektors 8 sind vorzugsweise jeweils als Faraday-Empfänger
ausgebildet. Damit können die auf den Detektor 8 auftreffenden
Analytionen positionssensitiv erfasst werden. Eine positionssensitive
Erfassung der Analytionen auf den Detektor 8 setzt jedoch
voraus, dass die Analytionen annähernd vom gleichen Punkt
aus ihre Bewegung in den Driftraum 4 hinein starten. Insofern
ist die flächenmäßige Ausdehnung des
Sperrgitters 12 ausreichend klein zu wählen. Vorzugsweise
ist die flächenmäßige Ausdehnung des
Sperrgitters 12 kleiner als die flächenmäßige
Ausdehnung der Detektorelemente 9.
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Der
Driftraum 4 ist ferner mit einem im Bereich des Endabschnitts
des Driftraums 4 vorhandenen Einlass 21 und einem
im Anfangsbereich des Driftraums 4 vorhandenen Auslass 22 für
ein Driftgas versehen, das vom Detektor 8 zum Sperrgitter 12 hin strömt
und verbleibende Moleküle im Driftraum 4 ausspült.
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Es
sei angemerkt, dass unmittelbar vor dem Detektor 8 ein
in 1 nicht dargestelltes Aperturgitter angeordnet
werden kann, um den Detektor 8 zu schützen. Das
Aperturgitter liegt dabei je nach Polarität der Analytionen
auf einem höheren oder niedrigeren Potential als der Detektor 8.
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An
den Detektor 8 ist eine Signalverarbeitungseinheit 23 angeschlossen,
die eine Steuereinheit 24 mit Daten beaufschlagt. Die Steuereinheit 24 ist
als konventioneller Rechner mit Tastatur 25 und Monitor 26 ausgestaltet
und steuert gleichzeitig die Pulsspannung UP des
Sperrgitters 12 sowie die Driftfeldgleichspannung UD, die Filterfeldwechselspannung UF und die Kompensationsgleichspannung UK der Driftfeld- und Filterfeldelektroden 15, 16, 19 und 20.
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Im
Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers 1 emittiert
der Elektronenemitter 7 Elektronen. Das zu untersuchende
Probengasgemisch strömt durch den Probengaseinlass 10 in
den Ionisationsraum 2 und reagiert mit den freien Elektronen.
Es entstehen die Analytionen, die im geöffneten Zustand
des Sperrgitters 12 als Analytionenpulse schmaler Breite in
den Driftraum 4 überführt werden. Je
nach Wahl einer Öffnungszeit und von Abständen
von in dem Sperrgitter 12 vorhandenen Drähten
ist die Verteilung der Analytionenpulse zeitlich und örtlich
einstellbar.
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Die
Analytionen driften aufgrund des zwischen den Driftfeldelektroden 15, 16 vorhandenen statischen
Driftfelds zum Detektor 8 hin. In Abhängigkeit
ihrer Mobilität, die unter anderen durch ihre Ladung, Masse
und die Wechselwirkung mit anderen in dem Driftraum 4 vorhandenen
Gasmolekülen bestimmt ist, werden die Analytionen in dem
Driftraum 4 räumlich voneinander separiert, so
dass entsprechend unterschiedlicher vom Detektor 8 erfassten Auftreffzeitpunkte
die verschiedenen Analytionen qualitativ und quantitativ bestimmt
werden können.
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Ferner
werden die Analytionen im Driftraum 4 infolge des hochfrequenten
Filterfelds in die Ablenkrichtung 14 abgelenkt, wobei die
Analytionen eine von ihrer feldabhängigen Mobilität
bestimmten Oszillationsbewegung zu den Filterfeldelektroden 19 und 20 hin
ausführen. Dadurch werden die Analytionen aus der Driftbewegungsrichtung 13 abgelenkt
und treffen nicht in einem Mittelbereich des Detektors 8, sondern
je nach Ablenkung in dessen Randbereichen auf oder die Analytionen
werden an den Filterelektroden neutralisiert. Die so erhaltene Ortsinformation
erhöht daher die Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1,
da auch solche Analytionen, die eine gleiche oder sehr ähnliche
Driftbewegung im Driftfeld ausführen, durch die Ablenkung
im Filterfeld örtlich voneinander getrennt werden können.
Ebenso können solche Analytionen, die eine gleiche oder sehr ähnliche
Ablenkung im Filterfeld erfahren, durch ihre unterschiedliche Driftbewegung
voneinander getrennt werden, so dass auch in diesem Fall die Selektivität
des Ionenmobilitätsspektrometers 1 deutlich erhöht
ist.
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Das
Anlegen einer zusätzlichen Kompensationsspannung an die
Filterfeldelektroden 19 und 20 erhöht
zusätzlich die Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1,
da dadurch ein statisches Kompensationsfeld erzeugt wird, das je
nach Polung und Feldstärke die Ablenkbewegung ausgewählter
Analytionen zu den Filterfeldelektroden 19 und 20 hin stoppen
kann, so dass diese infolge der Driftbewegung entlang der Driftbewegungsrichtung 13 durch den
Driftraum 4 zum Detektor 8 hin geleitet werden. Andere
Analytionen, die den Driftraum 4 bei einer gewählten
Kampensationsfeldstärke nicht passieren können,
werden an den Filterfeldelektroden 19 und 20 entladen
und somit herausgefiltert.
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Wenn
die flächenmäßige Ausdehnung des Sperrgitters 12 so
groß gewählt werden muss, dass keine ortssensitive
Erfassung der auf dem Detektor 8 eintreffenden Analytionen
sinnvoll ist, kann die Feldstärke des Kompensationsfeldes
und des Filterfeldes so eingestellt werden, dass jeweils nur eine
Art von Analytionen zum Detektor 8 gelangt und dort detektiert
wird.
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In 1 ist
beispielhaft eine Trajektorie 27 zweier Analytionensorten
dargestellt, die sich nach Durchtreten des Sperrgitters 12 zeitgleich
an einer gemeinsamen Position 28 in dem Driftraum 4 befinden.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Mobilität in dem statischen
Driftfeld erfahren die beiden Analytionensorten unter Annahme einer
gleichen Ablenkbewegung in dem Filter- und Kompensationsfeld eine unterschiedlich
schnelle Driftbewegung zu dem Detektor 8 hin, so dass sie
sich zu einem im Vergleich zu einem der Position 28 zugehörigen
Anfangszeitpunkt späteren Zeitpunkt an durch gestrichelte
Linien dargestellten Positionen 29 und 30 befinden.
Die bei den Analytionensorten werden vom Detektor 8 zeitaufgelöst
erfasst, so dass sie zu zeitversetzten Signalen führen.
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Bei
etwa gleicher Mobilität im statischen Driftfeld können
zwei Analytionensorten zusätzlich eine unterschiedliche,
durch das Filterfeld bedingte Ablenkbewegung infolge unterschiedlicher
feldabhängiger Mobilitäten im Filterfeld ausführen.
Dies ist beispielhaft anhand der Trajektorien 31 und 32 dargestellt,
entlang derer sich zwei verschiedene Analytionensorten bewegen.
Durch die unterschiedliche Ablenkbewegung werden die beiden Analytionensorten
ortsaufgelöst am Detektor 8 erfasst.
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Eine
Trajektorie 33 einer weiteren Analytionensorte veranschaulicht
ferner den Einfluss des Kompensationsfelds im Driftraum 4.
Diese Analytionensorte, die zeit- und ortsgleich mit den anderen entlang
der Trajektorien 27 bis 32 beweglichen Analytionensorten
in den Driftraum 4 überführt wird, bewegt
sich aufgrund eines nicht für die Abstoßung von der
Filterfeldelektrode 20 geeigneten Kompensationsfelds auf
die Filterfeldelektrode 20 zu und wird an dieser entladen.
Dadurch wird die Analytionensorte herausgefiltert, wodurch ein möglicherweise
verfälschtes Messsignal vermieden wird.
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Ein
beispielhaftes dreidimensionales Messspektrum ist in 3 dargestellt.
Je nach Menge der erfassten Analytionen einer Sorte variiert die
gemessene Messsignalhöhe eines zu den Analytionen gehörenden
Signals. Bei konstantem Filterfeld werden durch das Driftfeld zeitlich
getrennte Analytionensorten in Form von verschiedenen Signalhöhen
erfasst. Die Variation der Feldstärke des Filterfelds bei
jeweils konstantem Kompensationsfeld ermöglicht die Detektion
verschiedener Analytionensorten.
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4 zeigt
ein weiteres Ionenmobilitätsspektrometer 34, das
ebenfalls einen Ionisationsraum 2 und einen Driftraum 4 aufweist.
Der Ionisationsraum 2 und der Driftraum 4 grenzen im
Unterschied zu dem vorher dargestellten Ionenmobilitätsspektrometer 1 rechtwinklig
aneinander. Ferner ist der Probengaseinlass 10 in einem
Anfangsbereich des Ionisationsraums 2 angebracht, während
der Probengasauslass 11 an einer gegenüberliegenden Rückwand
des Driftraums 4 vorgesehen ist. Ferner weist der Driftraum 4 des
Ionenmobilitätsspektrometers 34 keine Anschlüsse
für ein Driftmedium auf.
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Eine
erste Selektionsvorrichtung 35 weist eine Driftfeldelektrode 36 auf,
die sich parallel zu einem flächenmäßig
ausgedehnten Detektor 37 erstreckt. Die Driftfeldelektrode 36 ist
bezüglich des Detektors 37 auf einem anderen Potential,
so dass zwischen beiden ein statisches Driftfeld erzeugt wird. Die
Driftfeldelektrode 36 und der Detektor 37 erstrecken
sich im rechten Winkel zu einer Längserstreckung des Ionisationsraums 2,
so dass das Driftfeld parallel zur Längserstreckung der
Ionisationskammer 2 verläuft.
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Das
Ionenmobilitätsspektrometer 34 weist ferner eine
zweite Selektionsvorrichtung 38 auf, die aus zwei sich
gegenüberliegenden Filterfeldelektroden 39, 40 in
Form von flachen Elektrodenplatten 41 besteht. Diese sind
der Übersicht halber in 4 durch
gestrichelte Linien angedeutet. Die Elektrodenplatten 41 erstrecken
sich in einer Ebene parallel zu einer Zeichenebene in 4 und
verlaufen im rechten Winkel zu dem Detektor 37. Folglich
verläuft das hochfrequente asymmetrische Filterfeld senkrecht zur
Zeichenebene. Ein Kompensationsfeld ist durch die erste und zweite
Filterfeldelektrode 39 und 40 erzeugbar.
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Der
Detektor 37 weist eine Mehrzahl von Einzeldetektoren 42 zum
Erfassen der auf den Detektor 37 auftreffenden Analytionen
auf, die in einem senkrecht zur Zeichenebene ausgedehnten zweidimensionalen
Feld von Detektorelementen 42 angeordnet sind.
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Treten
die Analytionen in den Driftraum 4 ein, so werden sie durch
die Gasströmung des Probengasgemischs in den Bereich des
statischen Driftfelds befördert. Die Driftbewegung der
in das Driftfeld quer eintretenden Analytionen beschreibt unter
Einfluss des Driftfelds eine parallel zur oder in der Zeichenebene
verlaufende parabelförmige Trajektorie zum Detektor 37.
Analytionen größerer erster Mobilität
erfahren in dem Driftfeld eine stärkere Ablenkung als Analytionen
niedriger erster Mobilität, so dass solche Analytionen
die beispielshaft dargestellten Trajektorien 43 und 44 beschreiben
und entlang einer Detektorzeile von den verschiedenen Einzeldetektoren 43 erfasst
werden. Unter Einfluss des durch die erste und zweite Filterfeldelektrode 39, 40 erzeugten
Filterfelds werden die Analytionen in einer Ebene senkrecht zur
Zeichenebene abgelenkt, so dass diese Analytionen von den senkrechten
zur Zeichenebene angeordneten Einzeldetektoren 42 erfasst
werden. Dadurch kann eine Ortsinformation in drei Dimensionen gewonnen
werden, die eine qualitative und quantitative Bestimmung der Analytionen
ermöglicht. Die Kompensationsspannung kann zur Erhöhung
der Selektivität entsprechend konstant oder zeitabhängig gewählt
werden.
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Ein
weiterer Vorteil des in 4 dargestellten Ionenmobilitätsspektrometers 34 ist,
dass eine kontinuierliche Überwachung der Konzentration
der Analytionen möglich ist.
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Die
in den 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
können auch abgewandelt werden. Beispielsweise ist es grundsätzlich
möglich, bei dem Ionenmobilitätsspektrometer 1 die
erste Driftfeldelektrode 15 und die zweite Driftfeldelektrode 16 der
ersten Selektionsvorrichtung 5 wie in 1 dargestellt
zu belassen und im rechten Winkel dazu die erste Filterfeldelektrode 19 und
zweite Filterfeldelektrode 20 der zweiten Selektionsvorrichtung 6 anzuordnen,
so dass die Ablenkrichtung 14 nicht in der Zeichenebene
sondern senkrecht auf der Zeichenebene steht.
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Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die
im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben
worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können, außer wenn dies aus
Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Schließlich
wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und
in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt,
außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt.
Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl
der Singular als auch der Plural gemeint.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005028930
A1 [0002]
- - US 6512224 B1 [0005]