DE19607155A1 - Verfahren zur simultanen Erzeugung mehrerer Ionensorten mit unterschiedlichen Ionisierungspotentialen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Erzeugung mehrerer Sorten von Ionen mit voneinander verschiedenen Massen und voneinander verschiedenen Ionisierungspotentialen gemäß Patentanspruch 1.

Bei der massenspektroskopischen Analyse der atomaren und molekularen Bestandteile eines Gasgemisches besteht das Problem, daß unterschiedliche Komponenten gleiche atomare oder molekulare Massen aufweisen und damit durch ein Massenspektrometer allein nicht getrennt werden können. Im Stand der Technik (stellvertretend sei hier die österreichische Patentschrift AT-PS 384491 der Erfinder Lindinger und Werner genannt) ist daher ein Verfahren entwickelt worden, bei dem das zu untersuchende Gasgemisch durch Molekülreaktionen mit Primärionen selektiv ionisiert wird. Die Primärionen haben dabei ein Ionisierungspotential, das geringfügig oberhalb der Ionisierungsenergie der jeweils interessierenden Atom- oder Molekülart des Gemisches liegt, so daß nur diese ausgewählte Spezies unter allen anderen Komponenten gleicher Masse ionisiert und analysiert werden kann. Die erzeugten Sekundärionen dieser Spezies können dann einem Massenspektrometer zur genaueren Analyse zugeführt werden. Die Ionisierung einer bestimmten Spezies des Gemisches erfordert daher stets die Auswahl einer bestimmten Primärionenart mit einem geeigneten Ionisierungspotential. Wenn also eine weitere Spezies des Gemisches selektiv ionisiert werden soll, muß eine andere Primärionenart mit einem entsprechend geeigneten Ionisierungspotential für die Ionisation dieser Komponente verwendet werden.

Die Primärionen werden üblicherweise durch Ionisation eines entsprechenden Primärgases in einer Reaktionsionenquelle hergestellt. Der Nachteil des bisher bekannten Verfahrens liegt darin, daß als Primärgase lediglich solche zum Einsatz kommen, deren Ionisation nur zu einem definierten und singulären Ionisierungspotential führt. Als Primärgase werden z. B. vorzugsweise Edelgase wie Xenon oder Krypton eingesetzt, deren Ionisierungspotentiale 12,1 eV bzw. 14 eV betragen. Wenn ein anderes Ionisierungspotential gewünscht wird, muß also stets ein anderes Primärgas in die Reaktionsionenquelle eingeleitet werden. Demgemäß müssen an die Reaktionsionenquelle in der Regel mehrere Vorratsbehälter mit unterschiedlichen Primärgasen angeschlossen werden. Ein weiterer Nachteil des im Stand der Technik bekannten Verfahrens liegt darin, daß es lediglich gestattet, solche Primärionen zur Verfügung zu stellen, die als neutrale Primärgase originär in der Natur vorhanden und darüberhinaus auch kommerziell verfügbar sind. Bestimmte Ionensorten jedoch, die aufgrund ihrer Ionisierungspotentiale für bestimmte Molekülreaktionen oder andere Anwendungen in Betracht kämen, sind als neutrale Primärgase nicht verfügbar und damit von einem Einsatz in diesem Anwendungsgebiet ausgeschlossen.

Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem simultan eine Mehrzahl von Ionisierungspotentialen zur Verfügung gestellt werden können. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, Ionisierungspotentiale von solchen Ionensorten bereitzustellen, die als neutrale Stoffe nicht verfügbar sind.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung.

Die Erfindung besteht darin, daß der Reaktionsionenquelle ein Primärgas oder -medium zugeführt wird, das Moleküle enthält, die bei der Ionisierung jeweils in mehrere Bruchstücke oder Fragmente dissoziieren, deren Massen und deren Ionisierungspotentiale unterschiedlich groß sind. Als -ein Ausführungsbeispiel wird CF₃I genannt, das bei der Ionisation mindestens teilweise in seine Bestandteile CF₃ und elementares Jod zerfällt, so daß CF₃I⁺-, CF₃⁺- und I⁺-Ionen erzeugt und somit deren Ionisierungspotentiale simultan bereitgestellt werden. Die derart hergestellten Ionen können beispielsweise - wie einleitend beschrieben - als Primärionen für die Multikomponenten Gasanalyse verwendet werden können. Zu diesem Zweck können sie selektiv durch ein hinter der Reaktionsionenquelle angeordnetes Massenfilter ausgewählt und einer Reaktionskammer zugeführt werden, in der die Molekülreaktionen mit den Komponenten des Gasgemisches stattfinden. Das genannte Ausführungsbeispiel hat den weiteren Vorteil, daß mit CF₃⁺ ein Molekülion erzeugt wird, das als solches und in neutraler Form in der Natur nicht vorhanden ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand des schon erwähnten Ausführungsbeispiels der Multikomponenten-Gasanalyse näher erläutert werden. Diese Anwendung stellt jedoch keine Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

In der Figur ist der Aufbau einer Multikomponenten-Gasanalyse schematisch dargestellt.

Diese Vorrichtung basiert auf der selektiven Ionisierung der Gasmoleküle des zu untersuchenden Meß- oder Prüfgases oder -mediums in einer Reaktionskammer 3. Dieser Reaktionskammer 3 werden Primärionen zugeführt, die in einer Reaktionsionenquelle 1 erzeugt und in einem geeigneten Massenfilter 2 nach ihrer Masse selektiert werden. Die Primärionen werden derart ausgewählt, daß ihr Ionisierungspotential nur geringfügig größer ist als die zur Ionisierung der jeweils interessierenden Spezies des zu untersuchenden Gasgemisches notwendige Ionisierungsenergie. Auf diese Weise wird von mehreren massegleichen Komponenten nur diese ausgewählte Komponente des Gasgemisches ionisiert und in einem Massenspektrometer 4 (beispielsweise einem Quadrupol-Massenspektrometer) und einem geeigneten Detektor 5 nachgewiesen.

Die Reaktionsgasionenquelle 1 arbeitet üblicherweise auf der Basis des Elektronenstoßprinzips. Nach Erzeugung der Primärionen aus den Atomen des Primärgases (dargestellt durch Kreise) werden diese durch Beschleunigungselektroden 11 abgesaugt und dem Massenfilter 2 zugeführt. Die hinter dem Massenfilter 2 angeordneten Elektroden 22 beschleunigen die im Massenfilter 2 selektierten Ionen in Richtung auf die Reaktionskammer 3. Die in der Reaktionskammer 3 erzeugten Sekundärionen der interessierenden Komponente des Prüfgases (durch Quadrate dargestellt) werden durch Beschleunigungselektroden 33 dem Massenspektrometer 4 zugeführt.

Im Stand der Technik werden nun üblicherweise an die Reaktionsionenquelle 1 mehrere Vorratsbehälter zur Aufbewahrung selektiv mehrerer verschiedener Primärgase (unter ",Primärgase" sollen im folgenden auch Flüssigkeiten umfaßt sein) angeschlossen und diese Primärgase werden entsprechend den Ionisierungspotentialen ihrer Ionen ausgewählt, um verschiedene aber massegleiche Komponenten des Prüfgases nacheinander selektiv zu ionisieren.

Die Erfindung liegt nun darin, anstelle eines einatomigen Gases ein solches Primärgas zu verwenden, das Moleküle enthält, die in der Reaktionsionenquelle während der Ionisation mindestens zum Teil in eine Anzahl Bruchstücke zerfallen. Bei der Ionisation sollen nach Möglichkeit nicht nur erzeugten Fragmente sondern auch mindestens ein Teil der undissoziierten Ausgangsmoleküle ionisiert werden. Die solchermaßen erzeugten, unterschiedlichen Ionensorten weisen im allgemeinen unterschiedliche Ionisierungspotentiale auf. Um diese nun auch selektiv nutzen zu können, müssen die Bruchstücke unterschiedliche Massen besitzen, damit sie in dem Massenfilter getrennt werden können. Je nach Einstellung des Massenfilters 2 kann dann an seinem Ausgang wahlweise eine bestimmte Ionensorte mit einem definierten Ionisierungspotential zur Verfügung gestellt werden. Im günstigsten Fall muß also nur noch ein einziger ein Primärgas enthaltender Vorratsbehälter mit der Reaktionsionenquelle 1 verbunden werden. Die Auswahl des gewünschten Ionisierungspotentials erfolgt dann in einfacher Weise durch die Einstellung des Massenfilters 2.

In einem praktischen Anwendungsfall wurde als Primärgas CF₃I verwendet. Die Elektronenstoßionisation führt dazu, daß CF₃I-Moleküle zumindest teilweise in CF₃- Moleküle und I-Atome dissoziiert werden. Bei der Ionisation wird auch ein Teil der undissoziierten CF₃I-Moleküle ionisiert, so daß als Endprodukte die Molekülionen CF₃I⁺ (Ionisierungspotential 10,2 eV; Massenzahl 196 amu), CF₃⁺ (IP= 8,6 eV; MZ= 69 amu) und I⁺ (IP= 10,8 eV; MZ= 127 amu) erzeugt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kommt noch vorteilhaft hinzu, daß bei der Dissoziation und Ionisierung ein Molekülion erzeugt wird, nämlich CF₃⁺, das als solches und in neutraler Form in der Natur nicht vorkommt.

Ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäß verwendbaren Primärgases ist CBr₄, dessen CBr₄⁺-Ion ein Ionisierungspotential von 10,31 eV und eine Massenzahl von 328 amu aufweist. Bei Elektronenstoßionisation zerfällt dieses Molekül unter anderen in CBr₃⁺ (IP= 8,2 eV; MZ= 249) und CBr⁺ (IP= 10,43 eV; MZ= 91).

Natürlich lassen sich weitere Beispiele für dissoziierbare Moleküle angeben, deren Bruchstücke sich wie angegeben in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Ganz allgemein kommt es für jeden Anwendungsfall zunächst darauf an, festzustellen, welche Werte des Ionisierungspotentials tatsächlich gefordert sind, wonach anschließend ein geeignetes Primärgas gefunden werden muß, dessen ionisierte Fragmente die gewünschten Ionisierungspotentiale aufweist. Hierbei kann es sich im Einzelfall als hilfreich erweisen, daß die Ionisierungspotentiale mittlerweile von einer Vielzahl von Molekülionen bekannt sind und in mehr oder weniger umfangreichen Tabellenwerken oder Datenbanken nachschlagbar sind.

Außer bei der Gasanalyse kann das erfindungsgemäße Verfahren auch noch anderweitig Anwendung finden, beispielsweise in der Grundlagenforschung, wie der Erforschung von Molekülreaktionen oder ähnlichem mehr.

Claims (6)

1. Verfahren zur simultanen Erzeugung mehrerer Sorten von Ionen mit voneinander verschiedenen Massen und voneinander verschiedenen Ionisierungspotentialen und ihrer anschließenden Trennung, unter Verwendung einer Reaktionsgasionenquelle (1) und eines Massenfilters (2), mit den Verfahrensschritten

• - Auswahl eines Mediums, das Moleküle enthält, die in der Reaktionsionenquelle (1) dissoziierbar sind, wobei das Molekülion und deren ionisierte Bruchstücke bekanntermaßen unterschiedliche Massen und unterschiedliche Ionisierungspotentiale aufweisen;
• - Einleiten des Mediums in die Reaktionsionenquelle (1) und Betreiben der Reaktionsionenquelle (1) derart, daß die Moleküle mindestens teilweise in ihre Bruchstücke dissoziieren und mindestens ein Teil der undissoziierten Moleküle und mindestens ein Teil der Bruchstücke ionisiert werden;
• - Absaugen der Ionen aus der Reaktionsionenquelle (1) in ein Massenfilter (2) und Einstellen des Massenfilters (2) derart, daß an seinem Ausgang eine Ionensorte entnommen werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium CF₃I ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium CBr₄ ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens für die Gasanalyse, insbesondere für die Konzentrationsbestimmung von Molekülen gleicher molekularer Masse in Gasgemischen, wobei das zu untersuchende Gasgemisch zur selektiven Vorbehandlung mittels der am Ausgang des Massenfilters (2) entnommenen Ionensorte ionisiert wird und diese Ionensorte ein Ionisierungspotential aufweist, welches die Ionisierungsenergie der interessierenden Molekülart des Gemisches geringfügig übersteigt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Reaktionsionenquelle (1), die eine Einlaßöffnung zum Einleiten des Mediums und eine Ionisationseinrichtung enthält;
und durch eine Vorrichtung (11) zum Absaugen der Ionen aus der Reaktionsionenquelle (1);
und durch ein in Flugrichtung der Ionen hinter der Vorrichtung (11) angeordnetes Massenfilter (2).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Reaktionskammer (3) mit einer ersten Einlaßöffnung für ein zu untersuchendes Gasgemisch und einer zweiten Einlaßöffnung für die am Massenfilter ausgewählte Ionensorte.