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Die
Erfindung betrifft ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Detektion
positiver und negativer Ionen mit einem Ionisationsraum mit einem
Gaseinlass und Gasauslass und mit einer innerhalb des Ionisationsraumes
angeordneten Ionisationseinrichtung sowie mit zwei Drifträumen, welche
jeweils durch ein Ionengitter vom Ionisationsraum getrennt sind,
wobei der eine Driftraum am dem Ionengitter abgewandten Ende einen
Detektor für
negative Ionen und der andere Driftraum am dem Ionengitter abgewandten
Ende einen Detektor für
positive Ionen aufweist, wobei die Ionisationseinrichtung wenigstens
zwei unterschiedliche Ionisationsquellen aufweist, die unabhängig voneinander
aktivierbar sind.
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Die
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie bzw. Ionenmobilitätsspektrometrie
ist ein Verfahren zur Charakterisierung gasförmiger chemischer Substanzen über ihre
Beweglichkeit in der Gasphase bei Umgebungsdruck. Die z. B. mittels
Licht (UV, Laser oder dgl.), Teilentladung, Radioaktivität, Plasmen,
Elektrospray erzeugten Ionen werden in einem elektrischen Feld in
Richtung des Detektors beschleunigt. Dabei bewegen sie sich in entgegengesetzter
Strömungsrichtung
eines Driftgases und stoßen
mit den Driftgasmolekülen
zusammen. Dies bewirkt ein Abbremsen der Ionen in Abhängigkeit
von ihrer Masse, Form und Ladung. Aus der Driftzeit, welche die
Ionen benötigen,
um den Detektor zu erreichen, der elektrischen Feldstärke sowie
der Länge
der Driftstrecke im Driftraum wird die Beweglichkeit der Ionen berechnet,
mit deren Hilfe ein Analyt identifiziert werden kann. Die Bestimmung
der Signalfläche
im Vergleich mit einer vorhergehenden Kalibrierung erlaubt außerdem die
quantitative Bestimmung der detektierten Substanz. Durch einen Wechsel
der Polarität
der angelegten Spannung können
in einem konventionallen Ionenbe weglichkeitsspektrometer positive
oder negative Ionen detektiert werden.
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Die
Auswahl der Ionisationseinrichtung des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
richtet sich nach den zu detektierenden Substanzen (unterschiedliche Ionisationseinrichtungen
haben unterschiedliche Ionisierungsenergien und können daher
unterschiedliche Substanzen ionisieren) und den Nachweisgrenzen.
Beispiele hierfür
sind die Detektion, z. B. von Monomeren bei der Polymerisation oder
von Terpenen mittels UV, bei geringeren Konzentrationen z. B. in
der Prozesskontrolle oder in der Atemluftanalytik mittels β-Strahlen
oder bei chlorierten Verbindungen die Teilentladung.
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Die
meisten chemischen Substanzen bilden mit den bei der Ionenbeweglichkeitsspektrometrie eingesetzten
Ionisationsmethoden positive Ionen, während nur wenige auch oder
ausschließlich
negative Ionen bilden. Des Weiteren ist die Bildung insbesondere
negativer Ionen, auch abhängig
von der Ionisationsmethode bzw. -energie. Daher werden herkömmliche
Ionenbeweglichkeitsspektrometer im Allgemeinen zur ausschließlichen
Detektion positiver oder negativer Ionen eingestellt.
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Aus
US 4 445 038 A ist
ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer bekannt, welches einen Ionisationsraum
mit einer Ionisationsquelle als Ionisationseinrichtung aufweist,
wobei symmetrisch zum Ionisationsraum zwei Drifträume angeordnet
sind, wobei entlang des gesamten Ionenbeweglichkeitsspektrometers
ein elektrisches Feld derart angelegt ist, dass der eine Driftraum
zur Detektion positiver Ionen und der andere Driftraum zur Detektion
negativer Ionen ausgebildet bzw. geeignet ist. Bei diesem Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist die Anordnung der Ionenquelle im Ionisationsraum und des Gaseinlasses und
des Gasauslasses im Ionisationsraum derart, dass sich der Gaseinlass
und der Gasauslass gegenüberliegen,
so dass das Probengas an der Ionisationsquelle vorbeiströmen muss.
Dies führt
dazu, dass dieses bekannte Ionenbeweglichkeitsspektrometer auf bestimmte
Ionisationsverfahren, insbesondere auf β-Strahlung beschränkt ist,
was die Anwendbarkeit dieser Vorrichtung, insbesondere zur Analyse komplexerer
Gemische, einschränkt.
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Aus
US 6239428 B1 ist
ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1 bekannt. Dieses Ionenbeweglichkeitsspektrometer
weist eine Ionisationseinrichtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Ionisationsquellen auf, die unabhängig voneinander aktivierbar
sind. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ionisationsquellen ist eine
verbesserte Detektion von Ionen komplexer Gasgemische möglich. Allerdings
ist dieses Ionenbeweglichkeitsspektrometer sehr aufwendig, da es
im Prinzip aus zwei parallel zueinander angeordneten Ionenbeweglichkeitsspektrometern
mit jeweils eigenem Ionisationsraum ausgebildet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein
Ionenbeweglichkeitsspektrometer so weiter zu entwickeln, dass bei
Beibehaltung der Detektionsmöglichkeit
auch von Ionen komplexer Gasgemische der Aufbau des Ionenbeweglichkeitsspektrometers wesentlich
vereinfacht wird.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer der eingangs
bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Ionisationsraum rohrförmig
ist und die Drifträume
im Wesentlichen symmetrisch zum Ionisationsraum angeordnet sind,
und dass die Ionisationsquellen am Umfang des Ionisationsraumes
verteilt angeordnet sind.
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Es
wird somit ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Verfügung gestellt,
das nicht nur zur (gleichzeitigen) Detek tion positiver und negativer
Ionen geeignet ist, sondern bei dem die Ionisationseinrichtung wenigstens
zwei ggf. aber auch mehr als zwei unterschiedliche Ionisationsquellen
aufweist, die bei Bedarf ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Dieser
Aufbau erlaubt den gleichzeitigen Einsatz verschiedener Ionisationsquellen
nacheinander oder gleichzeitig zur Untersuchung ein und derselben Probe
und des weiteren die simultane Detektion positiver und negativer
Ionen, so dass mit nur einem einzigen Ionenbeweglichkeitsspektrometer
auch komplexere Gasgemische zuverlässig analysiert werden können. Für die Analyse
einfacher Gemische kann dann je nach Einsatzfall durchaus auch nur
eine einzige Ionisationsquelle im Einsatz sein, d. h. aktiviert
sein. Aufgrund der Gestaltung des Ionisationsraumes und der Anordnung
der Drifträume
und der Ionisationsquellen wird ein einfacher und platzsparender
Aufbau realisiert, die Ionisationsquellen ragen radial nach innen
in den rohrförmigen
Ionisationsraum hinein.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ionisationsquellen
in Längsrichtung
des Ionisationsraumes gesehen im Zentrum desselben angeordnet sind,
und dass der Gaseinlass und Gasauslass in Längsrichtung des Ionisationsraumes
gesehen axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Da sich der
Gaseinlass und Gasauslass dann nicht direkt gegenüberliegen,
muss die Gasprobe nicht zwingend an der Ionisationsquelle vorbeiströmen, so
dass das Ionenbeweglichkeitsspektrometer nicht auf die Verwendung
von Ionisationsquellen, an denen die Probe vorbeiströmen muss,
wie z. B. β-Strahlung,
beschränkt
ist. Vielmehr können
alle bekannten Ionisationsquellen eingesetzt werden.
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Bei
dieser geometrischen Anordung ist bevorzugt vorgesehen, dass der
Gaseinlass und der Gasauslass in Längsrichtung des Ionisationsraumes gesehen
diesseits bzw. jenseits der Ionisationsquellen angeordnet sind.
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Ferner
sieht die Erfindung vor, dass die Ionisationseinrichtung wenigstens
eine nicht elektrisch ein- und ausschaltbare Ionisationsquelle aufweist, welche
zur Aktivierung bzw. Deaktivierung wenigstens teilweise aus dem
Ionisationsraum herausziehbar ist. Die Aktivierung bzw. Nichtaktivierung
der nicht elektrisch ein- und ausschaltbaren Ionisationsquelle,
z. B. einem β-Strahler,
erfolgt dann mechanisch, d. h. die betreffende Ionisationsquelle
wird sozusagen aus dem Ionisationsraum herausgezogen und zur Aktivierung
wieder hineingeschoben. Dazu kann die Ionisationsquelle in einem
ringförmigen oder
rohrförmigen
Stutzen in der Wandung des Ionisa tionsraumes aufgenommen sein.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigen in
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1 eine
Prinzipdarstellung eines dualen Ionenbeweglichkeitspektrometers
ohne Ionisationseinrichtung,
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2 beispielhaft
die Darstellung eines homogenen elektrischen Feldes entlang des
Ionenbeweglichkeitsspektrometers nach 1,
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3 verschiedene
Ionisationsquellen, die die Ionisationseinrichtung des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
aufweisen kann,
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4 eine
mögliche
Anordnung der Ionisationsquellen der Ionisationseinrichtung, bei
welcher nicht alle Ionisationsquellen aktiviert sind, und
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5 die
Ionisationseinrichtung nach 4 mit Aktivierung
sämtlicher
Ionisationsquellen.
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Ein
(duales) Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Detektion positiver
und negativer Ionen ist in 1 allgemein
mit 1 bezeichnet und weist vorzugsweise eine rohrförmige Form
auf.
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Das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 weist zunächst vorzugsweise
in Längsrichtung
gesehen im Zentrum einen Ionisationsraum 2 auf, an den sich
in Länggsrichtung
gesehen beidseitig jeweils ein vorzugsweise symetrisch zum Ionisationsraum 2 angeordneter
Driftraum 3, 4 anschließt. Beim Ausführungsbeispiel
dient der Driftraum 3 als Driftstrecke für negative
Ionen und der Driftraum 4 als Driftstrecke für posi tive
Ionen. Der Driftraum 3 ist durch einen Ionengitter 5 und
der Driftraum durch ein Ionengitter 6 vom Ionisationsraum 2 getrennt.
Diese Ionengitter 5, 6 können in bekannter Weise als
Bradbury-Nielsen-Gitter ausgebildet sein.
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Jeder
Driftraum 3, 4 weist an dem dem jeweiligen Ionengitter 5, 6 abgewandten
Ende einen Detektor und einen Driftgaseinlass auf, nämlich der
Innenraum 3 einen Detektor 7 für negative Ionen und einen
Driftgaseingang 8 und der Driftraum 4 einen Detektor 9 für positive
Ionen und einen Driftgaseingang 10.
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Ferner
weist das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 einen Gaseinlass 11 für die zu
analysierende Probe und einen Gasauslass 12 auf, aus dem das
Probengas und die Driftgase wieder austreten.
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Wie
in 1 dargestellt, sind der Gaseinlass 11 und
der Gasauslass 12 vorzugsweise in Längsrichtung gesehen beabstandet
voneinander am Umfangsrand des Ionisationsraumes 2 angeordnet
und zwar vorzugsweise diesseits und jenseits des gestrichelt angedeuteten
Bereich innerhalb des Ionisationsraumes 2, in dem die nachfolgend
näher beschriebene
Ionisationseinrichtung angeordnet ist.
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Entlang
des Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 ist ein elektrisches
Feld angelegt, das z. B. ein homogenes elektrisches Feld sein kann,
wie dies in 2 dargestellt ist.
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In 2 ist
beispielsweise an der Position e (Detektor 9 für positive
Ionen) die Spannung 0 kV angelegt und an der Position a (Detektor 7 für negative Ionen)
die Spannung +8 kV. Dabei bezeichnet in 2 der Buchstabe
b die Position des Ionengitters 5 für negative Ionen, der Buchstabe
c die Ionisationseinrichtung und der Buchstabe d das Ionengitter 6 für positive
Ionen. Somit bildet der Bereich a-b die Drift strecke für negative
Ionen, der Bereich b-d den Ionisationsraum und der Bereich d-e die
Driftstrecke für
positive Ionen.
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Wesentlich
für das
erfindungsgemäße Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist, dass die Ionisationseinrichtung wenigstens zwei unterschiedliche
Ionisationsquellen aufweist, die unabhängig voneinander aktivierbar
sind.
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In 3 sind
beispielhaft mehrere verwendbare Ionisationsquellen dargestellt,
nämlich
ein β-Strahler 13 (z.
B. 63Ni), eine Teilentladung mit Entladungsnadel 14 und
Gegenelektrode 14a, eine UV-Lampe 15 und ein miniaturisiertes
Plasma 16.
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Wie
in 4 dargestellt, sind diese verschiedenen Ionisationsquellen 13, 14 mit 14a, 15 und 16 am
Umfang des Ionisationsraumes 2 verteilt angeordnet und
zwar vorzugsweise in Längsrichtung
gesehen im Zentrum des Ionisationsraumes 2.
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Bei
der in 4 und 5 dargestellten Anordnung sind
die Ionisationsquellen symmetrisch verteilt. An der mit 17 bezeichneten
Stelle kann noch eine weitere Ionisationsquellen vorgesehen sein.
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Alle
Ionisationsquellen 13, 14 mit 14a, 15 und 16 sind
getrennt voneinander aktivierbar, entweder durch elektrisches Ein-
oder Ausschalten oder mechanisch. Dies betrifft eine Ionisationsquelle
wie den β-Strahler 13.
Dieser ist zur Aktivierung bzw. Deaktivierung wenigstens teilweise
aus dem Ionisationsraum 2 hinausziehbar, wie dies in 4 dargestellt
ist. Dabei ist das freie Ende des β-Strahlers 13 gegenüber dem
Ionisationsraum 2 abgetrennt, z. B. durch einen mit 18 angedeuteten
Verschluss.
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Bei
der Darstellung gemäß 5 ist
der β-Strahler 13 ak tiviert,
nämlich
bei geöffnetem
Verschluss 18 in dem Ionisationsraum 2 eingeführt.
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Die
Funktionsweise des Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 ist
wie folgt:
Der Ionisationsraum 2 wird von einem zu
analysierenden Probengas durchströmt, das in den Gaseinlass 11 z.
B. mit einer Flussrate von 150 mL/min eingeleitet wird, und das
den Ionisationsraum 2 durchquert und dann durch den Gasauslass 12 aus
dem Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 wieder austritt.
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Im
Ionisationsraum 2 werden die Inhaltsstoffe des Probengases
durch eine oder mehrere der Ionisationsquellen 13, 14, 15, 16 ionisiert.
Alternativ können
auch flüssige
Proben in den Ionisationsraum 2 eingeleitet werden und
mittels Elektrospray ionisiert und innerhalb des Ionisationsraumes 2 verdampft werden.
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Die
gebildeten Ionen werden im elektrischen Feld beschleunigt. Da das
elektrische Feld in der Form gemäß 2 kontinuierlich
von 0 Volt am Detektor 9 für positive Ionen bis zu 8 kV
am Detektor 7 für
negative Ionen ansteigt, werden die entstehenden positiven und negativen
Ionen bereits im Ionisationsraum 2 getrennt und bewegen
sich durch die Drifträume 3 und 4 in
Richtung der Detektoren. Die negativen Ionen wandern in Richtung
der positiven Hochspannung am Detektor 7 und die positiven
Ionen in Richtung des auf 0 kV liegenden Detektors 9. Alternativ kann
die Spannung auch von 0 kV bis zu einer negativen, beispielsweise –8 kV oder
von einer positiven bis zu einer negativen, beispielsweise –4 kV bis
+4 kV ansteigen.
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Da
das duale Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 vorzugsweise
symmetrisch zum Ionisationsraum 2 ausgebildet ist, kann
der Verlauf des elektrischen Feldes auch in jeder Anwendung umgekehrt angelegt
werden. Das elektrische Feld kann über das ganze Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 homogen sein,
wie in 2 dargestellt.
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Je
nach Anwendung kann aber auch ein inhomogenes Feld im Ionisationsraum 2 und/oder
in den Drifträumen 3 und 4 von
Vorteil sein. Die Felder in den beiden Drifträumen 3 und 4 können durch
analoge Spannungsintervalle und Homogenität/Inhomoginität gekennzeichnet
sein. Je nach Anwendung können
sie jedoch auch unabhängig
voneinander eingestellt sein. Die beiden Ionengitter 5 und 6 sind vorzugweise
Bradbury-Nielsen-Gitter, welche Ionen nur in bestimmten Zeitintervallen,
beispielsweise alle 100 ms für
kurze Zeit, beispielsweise 300 μs
in die Drifträume 3 und 4 einlassen.
Dabei können
diese Zeiten für
beide Drifträume 3 und 4 gleich
sein oder je nach Anwendung voneinander abweichen. Für bestimmte
Anwendungen können
die Ionengitter 5 und 6 auch beide oder einzeln
weggelassen werden, um beispielsweise bei einer Vortrennung der
Probe das duale Ionenbeweglichkeitsspektrometer nur als Detektor
zu verwenden.
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Die
beiden Drifträume 3 und 4 können gleiche
Dimensionen haben, beispielsweise 120 mm Länge und 15 mm Innendurchmesser.
Je nach Anwendung können
aber auch unterschiedliche Dimensionen verwendet werden. Beide Drifträume 3 und 4 können durch
die Driftgaseinlässe 8 und 10 mit
einem Driftgas, beispielsweise Luft oder Stickstoff, mit einem Fluss
von beispielsweise 100 mL/min durchströmt werden. Durch die Stöße mit den
Driftgasmolekülen
werden die Ionen auf ihrem Weg zum jeweiligen Detektor 7 bzw. 9 nach
ihrer Mobilität
im Driftgas getrennt. Die Detektoren 7 bzw. 9 sind
vorzugweise als Faradayplatte ausgebildet, mit der die positiven und
negativen Ionen nachgewiesen werden können.