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Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer zum Erfassen von Analyten.
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In Ionenmobilitätsspektrometern werden Analyten wie beispielsweise Moleküle durch Entfernen oder Aufbringen von Elektronen zu Ionen ionisiert und dann in einem sogenannten Driftraum auf einer Bahn in Richtung auf einen Kollektor zugeführt. In dem Driftraum strömen den Ionen Gasteilchen entgegen, mit denen die Ionen stoßen. Durch das Zusammenspiel von fortwährendem Beschleunigen der Ionen und Abbremsen durch Stöße mit den Gasteilchen in dem Driftraum stellt sich eine konstante Driftgeschwindigkeit ein. Diese Driftgeschwindigkeit ist beispielsweise von der Masse, der Form (Stoßquerschnittsfläche) bzw. der Ladung des betreffenden Ions abhängig.
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Deshalb werden in dem Driftraum Ionen unterschiedlicher Analyten separiert und treffen zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf den Kollektor. Somit kann die Zusammensetzung sowie Konzentration von Analyten in einer Probe durch Separation der verschiedenen Ionenspezies erfasst werden.
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Zum Ionisieren der zu erfassenden Analyten können radioaktive Substanzen oder auch ein Beschuss mit Elektronen gewählt werden. Eine alternative Form der Ionisierung wird durch Bestrahlung der Analyten mit Photonen realisiert.
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Die Ionen werden in den bekannten Ionenmobilitätsspektrometern (3) von einem so genannten Repeller 12 abgestoßen, der zumeist durch eine Elektrode gebildet ist, die die gleiche elektrische Polung aufweist wie die Ionen. Durch die Abstoßung werden die Analyten 32 nicht nur in den Driftraum 46 eingeleitet und auf eine Ionenflugbahn in Richtung auf den Kollektor 14 geleitet, sondern sie streuen auch mit einer Richtungskomponente senkrecht zu dieser Bahn. Daher erreicht ein Teil der Ionen den Kollektor nicht, sondern gehen an den Wänden der Driftstrecke verloren, wie dies beispielsweise in 4 anhand der einzelnen Flugbahnen 44 der Ionen 40 gezeigt ist.
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Der bekannte Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers bildet bauartbedingt eine elektrische Zerstreuungslinse. Die äußeren Flugbahnen weichen stark von den inneren ab und erreichen den Kollektor 14 nicht. Die einzelnen Äquipotentiallinien 26 sind hervorgehoben.
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Je höher aber die Signalintensität des gemessenen Ionenstroms am Kollektor ist, das heißt je höher die gemessenen Amplituden sind, desto besser können auch kleinere Konzentrationen der zu erfassenden Analyten vom Hintergrundrauschen unterschieden werden.
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Um demnach auch bei kleinen Konzentrationen eine ausreichende Signalintensität zu erreichen ist es vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Analyten ionisiert wird. Dies kann beispielsweise auch durch Erhöhung der Effizienz der Ionenerzeugung (Verhältnis erzeugte Ionen zu gemessene Ionen) erreicht werden.
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Die Photonenionisation mittels Laser benötigt jedoch im Gegensatz zur radioaktiven Ionisation oder der Ionisation mit Elektronen relativ viel elektrische Leistung.
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Daher ist es zusätzlich aus energetischen Gründen nicht sinnvoll, eine höhere Leistung auf die Photonenquelle aufzubringen, um die Signalintensität zu steigern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein alternatives Ionenmobilitätsspektrometer zum Erfassen von Analyten vorzuschlagen, das eine höhere Signalintensität liefert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ionenmobilitätsspektrometer gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Ionenmobilitätsspektrometer weist einen Ionisationsbereich, einen Repeller, einen Driftraum und einen Kollektor auf, wobei der Ionisationsbereich zum Ionisieren von zu erfassenden Analyten zu Ionen ausgebildet ist, wobei der Repeller und der Kollektor derart zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass sich ein elektrisches Feld ausbildet, in dem die Ionen sich auf einer Driftstrecke in dem Driftraum von dem Repeller weg in Richtung auf den Kollektor zu bewegen, und wobei der Kollektor zum Sammeln und Erfassen der Ionen ausgebildet ist. Der Ionisationsbereich ist zwischen Repeller und Kollektor und zu dem Repeller so weit beabstandet angeordnet, dass zwischen dem Ionisationsbereich und dem Repeller ein Teilbereich des elektrischen Feldes ausgebildet ist.
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Vorteilhaft wird zwischen dem Repeller und dem Ionisationsbereich wenigstens ein Potentialführungselement, insbesondere eine Elektrode mit daran angelegtem elektrischem Potential, angeordnet. Zwischen Repeller und Ionisationsbereich entsteht somit ein zusätzlicher Teilbereich des elektrischen Feldes.
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Durch die Anordnung des Ionisationbereichs beabstandet von dem Repeller wirken sowohl der Repeller als auch der zusätzliche Teilbereich des Feldes zwischen Repeller und Ionisationsbereich zwar abstoßend auf die erzeugten Ionen, die streuende Wirkung des durch den Repeller erzeugten elektrischen Feldes ist im Driftraum der Ionen jedoch so gering, dass die Ionenflugbahnen fast keine Richtungskomponente, die senkrecht ist zu ihrer Flugbahn in Richtung auf den Kollektor zu aufweisen. Somit trifft ein größerer Anteil der Ionen auf den Kollektor verglichen mit den bekannten Geräten, bei der der Ionisationsbereich unmittelbar an den Repeller angrenzt.
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So kann bei gleicher Ionisationleistung eine höhere Signalintensität der auf den Kollektor auftreffenden Ionen erreicht werden, da mehr Ionen als bei bekannten Anordnungen den Kollektor erreichen.
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Durch die Ausbildung eines elektrischen Feldes im Driftraum bewegen sich die Ionen vorzugsweise mit einer nur durch ihre eigenen Eigenschaften (z. B. Ladung, Stoßquerschnittsfläche und Masse) definierten Driftgeschwindigkeit auf den Kollektor zu.
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Zwischen Ionisationsbereich und Kollektor ist der bereits erwähnte Driftraum zum Driften der im Ionisationsbereich erzeugten Ionen in dem elektrischen Feld vorgesehen, wobei insbesondere Potentialführungselemente, insbesondere Elektroden mit daran angelegten elektrischen Potentialen, zum Bilden des elektrischen Driftfeldes entlang des Driftraums vorgesehen sind.
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Durch das Vorsehen von Potentialführungselementen ist es vorzugsweise auch makroskopisch möglich, ein elektrisches Kraftfeld zwischen Repeller und Kollektor auszubilden.
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Erfindungsgemäß werden Streueffekte besonders effizient vermieden, wobei gleichzeitig der Kollektor vorteilhaft in einem Bereich der Driftbahn der Ionen angeordnet ist, in dem die Konzentration der Ionen vorteilhaft besonders hoch ist. So kann vorzugsweise eine hohe Signalintensität der zu erfassenden Analyten erreicht werden. Gleichzeitig wird vorzugsweise ein ausreichender Abstand zu dem Kollektor bereitgestellt, um es den Ionenspezien beim Durchgang durch den Driftraum zu ermöglichen, eine möglichst eindeutige Separation voneinander zu erreichen.
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Bevorzugt ist der Repeller durch Elektroden mit daran angelegten elektrischen Potentialen gebildet. Bei den Elektroden kann es sich neben metallischen Elektroden auch um künstlich leitfähig gemachte hochohmige Gläser, Keramiken oder Kunststoffe (z. B. PVDF-EL) handeln.
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Weiter vorteilhaft bildet der Repeller in dem Ionenmobilitätsspektrometer das höchste elektrische Potential.
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So können vorteilhaft durch einfache Abstoßungskräfte zwischen Repeller und Ionen die Ionen auf eine Flugbahn in Richtung auf den Kollektor zu geführt werden.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung weist der Repeller einen Einlass zum Einlassen der zu erfassenden Analyten auf. In dieser konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung entsteht durch den Einlass ein stark nicht homogenes elektrisches Feld im Bereich des Repeller, wodurch die Ionen stark gestreut werden. Daher ist es besonders bei dieser Ausgestaltung, bei der die zu erfassenden Analyten durch den Repeller in das Ionenmobilitätsspektrometer eingelassen werden, vorteilhaft, wenn der Ionisationbereich beabstandet zu dem Repeller angeordnet ist.
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Alternativ zu der Ausgestaltung, bei der der Einlass der zu erfassenden Analyten durch den Repeller hindurch geschieht (also parallel zur Bewegung der Ionen im Driftraum), ist selbstverständlich auch eine Ausführung möglich, bei der die Analyten direkt in den Ionisationsbereich eingeleitet werden (insbesondere senkrecht zur Bewegung der Ionen im Driftraum).
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Vorzugsweise ist an dem Ionisationsbereich eine Photonenquelle zum Beaufschlagen der zu ionisierenden Analyten mit Photonen zwecks Ionisation vorgesehen. Beispielsweise ist die Photonenquelle durch eine elektromagnetische Strahlungsquelle, vorzugsweise durch einen Laser, gebildet.
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Besonders bevorzugt ist die Photonenquelle zum Erzeugen von Photonen mit einer Energie entsprechend einer Ionisationsenergie von vorbestimmten Analyten, vorzugsweise von Photonen mit einer Energie im ultravioletten Bereich, ausgebildet.
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Somit kann vorteilhaft die Selektivität der zu erfassenden Analyten noch weiter vergrößert werden, da vorzugsweise nur die Analyten mit einer vorbestimmten Ionisationsenergie ionisiert werden, die von Interesse sind. Somit kann das Ionenmobilitätsspektrometer vorzugsweise für bestimmte Analyten besonders empfindlich aufgebaut werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein erfindungsgemäßes Ionenmobilitätsspektrometer;
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2 Flugbahnen von ionisierten Analyten in dem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer nach 1 (Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM));
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3 ein Ionenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik;
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4 Flugbahnen von ionisierten Analyten in dem Ionenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik aus 3 (Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM)).
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1 zeigt ein Ionenmobilitätsspektrometer 10 mit einem Repeller 12, einem Kollektor 14 und einem elektrischen Feld 16.
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Das elektrische Feld 16 bildet sich zwischen Kollektor 14 und Repeller 12 aus. Dabei ist eine Mehrzahl von Potentialführungselementen 20, die durch Elektroden 22 mit daran angelegtem elektrischem Potential gebildet sind, zwischen Repeller 12 und Kollektor 14 angeordnet. Zwischen den einzelnen Elektroden 22 sind Isolatoren (nicht dargestellt) angeordnet. Das elektrische Feld 16 bildet sich sowohl in dem Bereich zwischen Ionisationsbereich 42 und Kollektor 14 als auch in dem zusätzlichen Teilbereich zwischen Repeller 12 und Ionisationsbereich 42a aus.
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Das elektrische Feld 16 ist in 2 durch Äquipotentiallinien 26 angedeutet. Es ergibt sich ein Potentialgefälle vom Repeller zum Kollektor, das bevorzugt einen im Wesentlichen linearen Verlauf aufweist.
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Auch der Repeller 12 ist durch Elektroden 22 mit daran angelegtem elektrischem Potential gebildet. Er bildet in dem Ionenmobilitätsspektrometer 10 das höchste elektrische Potential.
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In dem Repeller 12 ist ein Einlass 30 für zu erfassende Analyten 32 vorgesehen, durch den die Analyten 32 in das Ionenmobilitätsspektrometer 10 eintreten. Sie bewegen sich auf den Ionisationsbereich 42 zu.
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Dabei bewegen sich die Analyten 32 zunächst durch ihre bereits beim Einlass 30 vorhandene kinetische Energie bedingt durch den Teilbereich 34 des elektrischen Feldes 16 auf den Ionisationsbereich 42 zu.
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Beabstandet zu dem Repeller 12 und dem Kollektor 14 auf Höhe des Ionisationsbereichs 42 ist eine Photonenquelle 36 angeordnet. Die Photonenquelle 36 sendet Photonen 38 in Richtung auf die Analyten 32 aus, um diese Ionen 40 zu ionisieren. In dem Bereich, in dem die Photonen 38 auf die Analyten 32 treffen, ist somit ein Ionisationsbereich 42 ausgebildet.
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Die durch die Photoionisation erzeugten Ionen 40 werden von dem Repeller 12 abgestoßen, da dieser elektrisch gleich geladen ist. In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die Ionen 40 und der Repeller 12 positiv geladen. Alternativ können die Ionen 40 und der Repeller 12 allerdings auch negativ geladen sein.
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Durch das elektrische Potentialgefälle bewegen sich die Ionen 40 auf Ionenflugbahnen 44 (2) in Richtung auf den Kollektor 14 zu, von dem sie zwecks Erfassung gesammelt werden. Dabei driften die Ionen 40 bedingt durch die das elektrische Potentialgefälle zwischen dem Repeller 12 und dem Kollektor 14 und Stöße mit in dem Ionisationsspektrometer vorhandenen Gasmolekülen auf den Kollektor 14 zu. Daher ist zwischen dem Ionisationsbereich 42 und dem Kollektor 14 ein Driftraum 46 mit einem Driftfeld 48 gebildet, in dem die Ionen 40 sich über eine Driftstrecke 50 von dem Ionisationsbereich 42 zu dem Kollektor 14 bewegen.
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Da der Ionisationbereich 42 weit von dem Repeller 12 beabstandet ist und dessen streuende Wirkung dadurch gering ist, streuen sich die Ionen 40 nur geringfügig, so dass die Ionen 40 alle auf den Kollektor 14 treffen. Die entsprechenden Ionenbahnen 44 sind in 2 dargestellt.
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Bislang ist im Stand der Technik, wie in 3 gezeigt, der Ionisationsbereich 42 direkt an dem Repeller 12 angeordnet, so dass bereits zu Beginn der Flugbahn der Ionen 40 in Richtung auf den Kollektor 14 zu die streuenden Kräfte des Repellers 12 wirken. Deshalb wird ein Teil der Ionen 40 so stark gestreut, dass dieser Teil den Kollektor 14 nicht erreicht. Die zugehörigen Flugbahnen 44 sind in der 4 gezeigt.
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Mit der Anordnung gemäß 1 kann einer solchen Streuung nun entgegengewirkt werden, so dass ein größerer Anteil an Ionen 40 den Kollektor 14 erreicht, und bei gleichen Randbedingungen für die Ionisationsquelle eine größere Signalintensität erzielt werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Beabstandung von Repeller und Ionisationsbereich 42 kann somit der streuende Effekt des Repellers 12 auf die Ionenflugbahnen auf der Driftstrecke 50 minimiert werden.
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Der bekannte Aufbau eines Ionisationsbereichs 42 bildet bauartbedingt eine elektrische Zerstreuungslinse. Dadurch verliert das Analysegerät an Signalintensität. Um den Ionenverlust zu vermeiden und dadurch die Signalintensität zu erhöhen, wird der beschriebene Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometeres realisiert. Diese Verbesserung verringert bzw. eliminiert die elektrische Zerstreuungslinse, verringert somit den Ionenverlust und erhöht die Signalintensität. Entsprechend wird die Effizienz der Ionenerzeugung erhöht.
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2 zeigt die Ionenflugbahnen 44 in dem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer als Ergebnis einer Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM). Die einzelnen Äquipotentiallinien 26 sind hervorgehoben. Die äußeren Flugbahnen weichen kaum von den inneren Flugbahnen ab. Alle Flugbahnen erreichen den Kollektor 14. Der beschriebene Effekt der Zerstreuungslinse ist vernachlässigbar.
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Durch die erfindungsgemäßen Verbesserungen werden die verwendeten optischen Bauelemente, sowohl in dem Photonen erzeugenden Gerät als auch entlang des optischen Pfades, geschont. Auch können dadurch die Betriebskosten gesenkt werden.
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Des Weiteren kann eine hohe Signalintensität des Ionenmobilitätsspektrometers erreicht werden, ohne dass eine höhere Leistung auf die Photonenquelle aufgebracht werden muss.
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Der mechanische und elektrische Aufbau des Ionenmobilitätsspektrometers kann sehr einfach gehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann neben der laserinduzierten Photoionisation der Analyten auch für andere Arten der Ionisation, insbesondere chemische Ionisation verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ionenmobilitätsspektrometer
- 12
- Repeller
- 14
- Kollektor
- 16
- elektrisches Feld
- 20
- Potentialführungselement
- 22
- Elektrode
- 26
- Äquipotentiallinie
- 28
- höchstes elektrisches Potential
- 30
- Einlass
- 32
- Analyt
- 34
- Teilbereich des elektrischen Feldes
- 36
- Photonenquelle
- 38
- Photon
- 40
- Ion
- 42
- Ionisationsbereich
- 44
- Ionenflugbahn
- 46
- Driftraum
- 48
- Driftfeld
- 50
- Driftstrecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/039010 A2 [0005]
- EP 1070247 B1 [0005]
- DE 10247272 B4 [0005]
- DE 19650612 C2 [0005]
- DE 19815436 B4 [0005]
- DE 19861106 B4 [0005]
- DE 29824931 U1 [0005]
- DE 102008035773 A1 [0005]
- DE 102009048063 A1 [0005]
