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Die
Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer
mit wenigstens einer Driftröhre,
die einen Ionisationsraum mit Gaseinlass- und Gasauslass und einen
Driftraum mit Driftgaseinlass aufweist, und einer elektrischen Energieversorgung
für die
Driftröhre.
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Ionenbeweglichkeitsspektrometer
dienen unter anderem zur Detektion von Spuren (typischerweise ng/L
bis pg/L-Bereich (ppmv bis pptv-Bereich)) von
Gasen in Luft oder anderen Trägergasen.
Sie sind insbesondere zur Detektion chemischer Kampfstoffe, von
Sprengstoffen oder Drogen geeignet, spielen aber auch in immer mehr
anderen Anwendungsgebieten eine Rolle. In letzter Zeit sind solche Spektrometer
miniaturisiert worden. Waren Ionenbeweglichkeitsspektrometer zunächst als
Auftischgeräte
bekannt, kamen im letzten Jahrzehnt tragbare Spektrometer zum Einsatz,
deren Hauptkomponenten so klein sind, dass sie zum Beispiel auf
einen Handteller passen. Dies trifft insbesondere auf die Herzstücke, die
miniaturisierten Driftröhren,
zu, die inzwischen nur wenige Zentimeter lang sind und Außendurchmesser
von ca. 1 cm haben.
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Diese
miniaturisierten, als selbständiges
Gerät gebauten
Spektrometer weisen in der Regel einen Gaskreislauf auf und ein
Probenentnahmesystem. Betriebsgemäß strömt dem den Ana lyten enthaltenden
Trägergas
ein Driftgas entgegen. Dieses Driftgas dient unter anderem dazu,
zu sichern, dass selbst bei nicht ideal geschlossenem Gitter höchstens
neutrale Trägergasmoleküle in den
Driftraum des Ionenbeweglichkeitspektrometers gelangen können. Als Driftgas
wird üblicherweise
gereinigte Umgebungsluft verwendet.
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Für moderne
Analytik ist oft die Zeit, die für eine
Analyse benötigt
wird, ein ausschlaggebender Faktor. Solche miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometer,
die sich kostengünstig
beispielsweise über
moderne mikrostrukturtechnische Verfahren herstellen lassen, können sehr
nahe an den Ort der Probennahme gebracht werden, ohne selbst störend ins
Gewicht zu fallen.
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Für den Personenschutz
sind Kombinationen aus Atemschutz (beispielsweise Schutzmasken mit
integrierten Filtern) und Körperschutz
(beispielsweise Schutzkleidung) weit verbreitet. Von besonderer
Bedeutung ist die erfolgreiche Wirkung für den Schutz vor chemischen
und biologischen Kampfstoffen. Es wäre deshalb wünschenswert,
derartige miniaturisierte Ionenbeweglichkeitsspektrometer für diese
Zwecke nutzen zu können,
um beispielsweise direkt am Körper
der die Schutzkleidung tragenden Person eine Probennahme durchführen und
diese sogleich analysieren und dann ggf. unmittelbar reagieren zu
können.
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Aus
DE 30 05 980 C2 ist
ein Atemschutzanzug mit einer Anzeigeeinrichtung für den Gasvorrat des
Atemschutzgerätes
als Behältergerät im Sichtbereich
des Trägers
bekannt, bei dem im Anzugsstoff dem Druckmesser des Behältergerätes gegenüber ein
Fenster vorhanden ist. Der Behälterdruck
kann dadurch auch von der Außenseite
des Atemschutzanzuges her abgelesen werden, obwohl sich der Gasvorrat
innerhalb des Schutzanzuges befindet.
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Aus
JP 2001307268 A ist
ein System zur Messung physikalischer Größen in einer Umgebung bekannt,
welches mehrere münzstückgroße Transponder
aufweist, die an der Außenoberfläche eines Kleidungsstückes angeordnet
sind. Diese Transponder sind mit Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren zur
Messung einer Temperatur und Feuchtigkeit in der Umgebung eines
das Kleidungsstück
tragenden Golfspielers versehen. Der jeweilige Transponder übermittelt
die ermittelten Messdaten an einen entfernten Computer.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Trage- und Gebrauchseigenschaften eines
miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers für eine eine Schutzkleidung
tragende Person wesentlich zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mit einem miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometer
der eingangs bezeichneten Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Driftröhre
in ein Kleidungsstück
integriert ist und die elektrische Energieversorgung wenigstens einen
in das Kleidungsstück
integrierten Thermogenerator aufweist.
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Erfindungsgemäß ist somit
ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer direkt in ein Kleidungsstück, d.h.
insbesondere in eine Schutzkleidung, integriert, und zwar einschließlich der
Energieversorgung. Dabei wird der Temperaturunterschied zwischen
der menschlichen Körpertemperatur und
der Außentemperatur
mit Hilfe eines an sich bekannten Thermogenerators ausgenutzt. Dabei
handelt es sich nicht nur um eine einfache Verbindung bekannter
Komponenten, sondern um eine wechselseitige Integration. So wird
das textile Material der Schutzkleidung für bestimmte oder alle Bestandteile des
Ionenbeweglichkeitsspektrometers eingesetzt, insbesondere ist der
wesentliche Bestandteil des Spektrometers, nämlich die Driftröhre, direkt
in das Kleidungsstück
integrieret.
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Thermogeneratoren
sind in den letzten Jahren für
verschiedene Einsatzzwecke, insbesondere auch zur Integration in
Kleidung, bekannt geworden, sie sind beispielsweise zur Energieversorgung
medizinischer Sensoren, z.B. für
Puls, Temperatur oder dergl., geeignet. Da elektrische Ströme in miniaturisierten
Ionenbeweglichkeitsspektrometern im Bereich 10–9 bis 10–12 A
liegen und elektrische Felder im Bereich einiger 100 V/cm im Driftbereich
von wenigen Zentimetern Länge
benötigt
werden, liegen die erforderlichen Spannungen im Bereich von ca.
103 V und damit ergeben sich Werte für das Produkt
von Spannung und Strom im Bereich von 10–6 bis
10–9 VA für den Betrieb
der Driftröhre
selber. Diese Werte lassen sich mit verfügbaren Thermogeneratoren erreichen.
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Grundsätzlich ist
es vorteilhaft auch möglich, dass
mehrere Driftröhren
vorgesehen sind, die jeweils in das Kleidungsstück integriert sind. Es ist dann
problemlos möglich,
etwa gleichzeitig verschiedene Messungen durchzuführen.
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Um
eine weitgehend vollständige
Integration in das Kleidungsstück
zu erreichen, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Driftröhre in das
textile Gewebe des Kleidungsstückes
integriert ist und Feldstabilisierungselemente der Driftröhre von
leitenden und nicht leitenden Fasern des Gewebes und/oder von in
das Gewebe eingebettetem polymeren Material gebildet sind.
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Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass die Driftröhre und den Thermogenerator
verbindende elektronische Bauelemente einschließlich elektrischer Leiterbahnen
in das textile Gewebe integriert sind.
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Zweckmäßig ist
es auch, dass Anzeige- und Steuerelemente in das Kleidungsstück integriert
und über
einen in das Kleidungsstück
integrierten Vorverstärker
mit der Driftröhre
verbunden sind. Als Anzeige kann beispielsweise ein LCD-Schirm verwendet werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
die wenigstens eine Driftröhre
und/oder der Vorverstärker
mit einem EMV-(Elektromagnetische Verträglichkeit)-Textilmaterial ummantelt
sind, dabei kann es sich um ein Shield®-Material
handeln, welches eine elektrische Abschirmung der Driftröhre und/oder
des Vorverstärkers
bewirkt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gaseinlass
und/oder der Driftgaseinlass mit einem textilen Membranmaterial
verbunden ist, welches außenseitig
in das textile Gewebe des Kleidungsstückes integriert ist. Das Trägergas (Analyt)
und beispielsweise Luft, die gereinigt wird und als Driftgas verwendet
wird, kann dann durch die jeweilige Membran in in das Kleidungsstück integrierte
Gastransportröhren
eintreten und zur Driftröhre gelangen.
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Wenn
dies beispielsweise zum einwandfreien Betrieb der Anzeige- und Steuerelemente
notwendig ist, kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die elektrische
Energieversorgung neben dem wenigstens einen Thermogenerator zusätzlich Solar zellen
und/oder Akkumulatoren aufweist, die in das Kleidungsstück integriert
sind.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 eine Prinzipdarstellung
eines in ein Kleidungsstück
integrierten miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers nach
einer ersten Ausgestaltung und
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2 eine Prinzipdarstellung
nach einer zweiten Ausgestaltung.
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In 1 ist ein beispielsweise
als Pullover ausgebildetes Kleidungsstück mit K bezeichnet, welches
vorzugsweise als Schutzkleidung ausgebildet ist.
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In
dieses Kleidungsstück
K ist ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer integriert, dessen
wesentlicher Bestandteil eine Driftröhre 5 ist, die in
das Kleidungsstück
K integriert ist, und zwar direkt in das textile Gewebe desselben.
Die Driftröhre 5 schließt in üblicher
Weise einen im Einzelnen nicht näher
dargestellten Ionisationsraum und einen davon durch ein Gitter oder
Ionentor getrennten Driftraum ein. Die für den Betrieb des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
erforderliche elektrische Energieversorgung weist einen Thermogenerator 1 auf,
der ebenfalls in das Kleidungsstück
K integriert ist. Solche Thermogeneratoren sind für sich betrachtet
bekannt, so dass deren Funktionsweise nicht im Einzelnen erläutert wird.
Die elektrische Verbindung zwischen der Driftröhre 5 und dem Thermogenerator 1 ist
von elektrischen Leiterbahnen 7 gebildet, die ebenfalls
in das Gewebe des Kleidungsstückes
K integriert sind.
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An
der Oberfläche
des Kleidungsstückes
K ist an geeigneter Stelle ein Gaseinlass 2 (linke Seite in 1) vorgesehen, welcher vorzugsweise
aus einem textilen Membranmaterial besteht. Dieser Gaseinlass 2 ist über in das
Gewebe des Kleidungsstückes
K integrierte Gastransportröhren 3 und
eine vorzugsweise ebenfalls in das Kleidungsstück K integrierte miniaturisierte
Pumpe 4 mit dem Eintritt in den Ionisationsraum der Driftröhre 5 verbunden,
in ähnlicher
Weise ist auch ein Gasauslass vorgesehen, der nicht dargestellt
ist.
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Ferner
ist ein weiterer Gaseinlass 2 (rechte Seite der 1) vorgesehen, der als Driftgaseinlass dient,
wobei vorzugsweise als Driftgas Umgebungsluft verwandt wird. Dieser
Driftgaseinlass 2 ist an eine in das Gewebe integrierte
Gastransportröhre 3' angeschlossen,
die in ein geeignetes Gasreinigungselement 6 für das Driftgas
mündet
und von dort über eine
weitere miniaturisierte Pumpe 4 in die Driftröhre 5 des
Ionenbeweglichkeitsspektrometers mündet. Das Gasreini gungselement 6 kann
dabei vom textilen Gewebe des Kleidungsstückes K gebildet sein.
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Die
vom Thermogenerator 1 erzeugte elektrische Energie wird über die
elektrischen Leiterbahnen 7 elektronischen Bauelementen 8 zur
Bereitstellung der für
den Betrieb der Driftröhre 5 benötigten Spannungen
und dergl. geleitet und gelangt von dort zur Driftröhre 5.
Ferner kann die elektrische Energie von den Bauelementen 8 auch über Leiterbahnen 7 zu
einer Anzeigeeinheit 10, beispielsweise einer LCD-Anzeige,
geleitet werden, diese Anzeigeeinheit 10 kann alternativ
aber auch mit einer eigenen zusätzlichen Energieversorgung
(z.B. Solarzellen) versehen sein, falls dies erforderlich ist. Diese
Anzeigeeinheit 10 ist darüber hinaus über einen Vorverstärker 9 mit
der Driftröhre 5 über in das
Gewebe integrierte Leiterbahnen 7 verbunden.
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Ferner
ist zweckmäßig vorgesehen,
was zeichnerisch nicht dargestellt ist, dass Feldstabilisierungselemente
der Driftröhre 5 von
leitenden. und nicht leitenden Fasern des textilen Gewebes und/oder
von in das Gewebe eingebettetem polymeren Material gebildet sind.
Außerdem
kann die Driftröhre 5 und/oder
der Vorverstärker 9 mit
einer EMV-Textilummantelung zur Abschirmung versehen sein, was ebenfalls
zeichnerisch nicht dargestellt ist.
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Erkennbar
sind sowohl die Energieversorgung (Thermogenerator 1) als
auch alle Bauteile des Ionenbeweglichkeitsspektrometers vollständig in
das Kleidungsstück
K integriert, wobei das Kleidungsstück K selbst einen wesentlichen
Teil der Bauteile des Ionenbeweglichkeitsspektrometers bildet.
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Eine
zweite Ausführungsform
zeigt 2, wobei dieselben
Bezugszeichen wie in 1 verwandt
sind, sofern gleiche Teile betroffen sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist das Kleidungsstück
K' in Form eines
Hemdes dargestellt, in diesem Falle sind zwei Thermogeneratoren 1 vorgesehen,
die jeweils parallel angeordnet sind und über elektrische Leiterbahnen 7 mit
den elektronischen Bauelementen 8 und den weiteren Bauteilen
verbunden sind. Ansonsten unterscheidet sich die Ausführungsform
nach 2 nicht von derjenigen
nach 1, in dieser Figur
ist allerdings der Analytgaseinlass mit 2a und der Driftgaseinlass
mit 2b bezeichnet.
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Natürlich ist
die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen
sind möglich,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann das Ionenbeweglichkeitsspektrometer
auch mehr als eine Driftröhre
aufweisen, welche jeweils in das Kleidungstück K, K' integriert sind. In das Kleidungsstück kann
auch ein GPS- System
integriert werden, um die Position des Sensors und der jeweiligen
Person ermitteln zu können.
Auch andere Sensoren (Druck, Temperatur, medizinische Sensoren (Puls,
EEG, EKG)) und Satellitenantennen- und -empfangsanlagen können integriert
werden.