DE19730896A1 - Ionen-Mobilitätsspektrometer in Zentripetalanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionen-Mobilitätsspektrometer (IMS) mit mindestens einer Ionenquelle, mindestens einem Schaltgitter, mindestens einer Drift­ kammer, in der jeweils ein elektrisches Driftfeld vorliegt und einer Fangelek­ trode, wobei die Driftfelder aus unterschiedlichen Richtungen im wesentlichen auf eine Achse oder einen Punkt gerichtet sind.

Ein solches IMS ist aus der Internationalen Offenlegungsschrift WO 88/05535 A3 bekannt, wo ein IMS offenbart wird, dessen Ionisationskammer, Schaltgit­ ter, Driftkammer und Fangelektrode im wesentlichen eine Rotationssymmetrie aufweisen.

IMS umfassen üblicherweise eine meist radioaktive Ionenquelle, die innerhalb eines Ionisationsraums des IMS Moleküle eines Probengases ionisiert. Über ein periodisch kurzzeitig geöffnetes Schaltgitter gelangen Ionenpakete in ei­ nen Driftraum des IMS, wo sie im allgemeinen über entlang eines röhrenför­ migen Driftraums angeordnete Ringelektroden durch ein axiales elektrisches Feld transportiert werden. Letztlich gelangen sie am entgegengesetzten Ende des Driftraums auf eine Fangelektrode, wo sie einen Strom erzeugen, der verstärkt und gemessen wird. Da schwerere Ionen weniger beweglich sind als leichte, werden sie eine längere Driftzeit benötigen. D.h. die leichteren Ionen des ursprünglichen Ionenpakets treffen zuerst ein und die schwersten zuletzt. Nach dem pulsartigen Öffnen des Schaltgitters wird der Strom an der Fang­ elektrode als Funktion der Zeit gemessen. Die Stromstärke zu einem gegebe­ nen Zeitpunkt ist dabei ein Maß für die Konzentration von Ionen einer be­ stimmten Art. Die Driftzeit und die mit ihr verbundene Beweglichkeit ist dann ein Maß für die jeweilige Masse der Ionen.

Der grundsätzliche Aufbau von IMS und ihre Funktionsweise sind dem Fach­ mann geläufig und beispielsweise in den Lehrbüchern "Ion Mobility Spectro­ metry" von G.A. Eiceman und Z. Karpas (CRC Press, 1994) und "Plasma Chromatography" edt. T.W Carr (Plenum Press, 1984) übersichtsartig darge­ stellt. Details können und sollen hier nicht wiederholt werden. Es versteht sich jedoch, daß die weiter unten dargestellte Erfindung in Kombination mit den im Stand der Technik bekannten Varianten von IMS verwendet werden kann.

In Verbindung mit angestrebten Miniaturisierungen ergibt sich das Problem, daß mit der Verkleinerung der Lineardimensionen des IMS sich auch die akti­ ve Oberfläche der Ionenquelle und die Ausdehnung des Ionisationsraums reduziert, was wiederum aufgrund der geringeren Anzahl erzeugter Ionen die Empfindlichkeit verringert.

Das IMS der eingangs zitierten Schrift strebt gegenüber den linearen IMS ei­ ne verbesserte Empfindlichkeit an, die durch Vergrößerung der Fangelektro­ de bei unveränderter Ionenquelle erreicht werden soll. Zu diesem Zweck wur­ de eine Zylindergeometrie mit außenliegender Fangelektrode gewählt. Dieses IMS hat u. a. den Nachteil, daß das elektrische Driftfeld radial nach außen abfällt, d. h. entgegen der etablierten Erfahrung unmittelbar vor der Fangelek­ trode am niedrigsten ist, was zu erhöhten Ionenverlusten durch Diffusion führt. Das hier vorgestellte IMS befaßt sich nicht mit der Problematik einer Miniaturisierung und liefert auch keinerlei Hinweise in dieser Richtung.

Es besteht daher der Bedarf nach einem IMS mit reduzierten Dimensionen bei möglichst gleichbleibender oder gar gesteigerter Empfindlichkeit.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich die Fangelektrode im wesentlichen auf der Achse oder dem Punkt befindet, daß die Driftfelder radial bezüglich Achse oder des Punktes gerichtet sind und daß der Abstand aller Schaltgitter von der Achse oder dem Punkt gleich ist und kleiner als der Abstand aller Io­ nenquellen von der Achse oder dem Punkt.

Dadurch, daß die Driftfelder auf eine zentrale Fangelektrode gerichtet sind, nimmt in der Regel die elektrische Feldstärke bei Annäherung an die Fange­ lektrode zu und die in Verbindung mit der eingangs genannten WO 88/05535 A3 genannten Nachteile werden vermieden. Es lassen sich auch bei reduzier­ ten Dimensionen mehrere Ionenquellen simultan einsetzen oder an der Peri­ pherie des IMS eine ausgedehnte Quelle. Dadurch kann die Empfindlichkeit gehalten oder gar gesteigert werden. Es können mehrere im Grunde einzelne IMS mit eigenen Ionenquellen, Schaltgittern und Drifträumen kombiniert wer­ den, die eine gemeinsame Fangelektrode benutzen, wobei diese im wesentli­ chen punktförmig gestaltet sein kann, so daß die einzelnen Driftstrecken dreidimensional "sternförmig" auf die gemeinsame Fangelektrode "zielen". Alle Driftstrecken sind dabei gleich lang. Bevorzugt ist jedoch, daß die ge­ meinsame Fangelektrode um eine Achse angeordnet ist. Auch dann können die einzelnen Driftstrecken noch axial gegeneinander versetzt sein. Beson­ ders bevorzugt ist jedoch, daß sie alle im wesentlichen in einer Ebene liegen und in der Ebene sternförmig auf die Fangelektrode gerichtet sind.

Vorzugsweise weist das IMS im wesentlichen eine n-zählige Symmetrie be­ züglich einer Achse auf mit 2 ≦ n ≦ ∞. Dies ist bei optimaler Ausnutzung des Raumes eine fertigungstechnisch einfache Anordnung.

Besonders bevorzugt sind IMS, bei denen es keine diskreten einzelnen Driftstrecken mehr gibt, sondern die bezüglich einer Achse im wesentlichen Rotationssymmetrie aufweisen. Dadurch können auch die einzelnen Schalt­ gitter entfallen, die Konstruktion wird weiter vereinfacht und der im wesentli­ chen in einer Ebene zur Verfügung stehende Raum wird optimal genutzt. Da­ her weist vorzugsweise auch ein einziges Schaltgitter im wesentlichen Rotati­ onssymmetrie auf.

Besonders an die Erfordernisse und Möglichkeiten der Mikrostrukturtechnik angepaßt sind im wesentlichen planare oder scheibenförmige Ausführungs­ formen, bei denen die axiale Ausdehnung sehr viel kleiner als die radiale Ausdehnung ist, insbesondere mit einem Verhältnis kleiner als 1 : 5.

In vorteilhafter Weise sind in den Drifträumen oder dem Driftraum feldstüt­ zende Elektroden zur Formung und Stabilisierung des elektrischen Driftfeldes vorgesehen. Dadurch kann innerhalb des Driftbereichs ein gewünschter Ver­ lauf des elektrischen Driftfeldes in weiten Grenzen vorgegeben und einge­ prägt werden. In den Ausführungsformen mit separaten einzelnen Driftstrec­ ken können die feldstützenden Elektroden als übliche Feldstützringe ausge­ führt sein oder auch als kontinuierliche hochohmige Beschichtung der einzel­ nen Driftröhren.

Bei den rotationssymmetrischen Ausführungsformen mit nur einem gemein­ samen Driftraum sind die feldstützenden Elektroden vorzugsweise konzen­ trisch zur Achse angeordnet. Sie bestehen jeweils aus zwei axial gegenein­ ander versetzten Ringen auf gleichem Potential, die für ihren jeweiligen radia­ len Abstand von der Achse ein definiertes Zwischenpotential festlegen. Durch einen entsprechenden Hochspannungsteiler kann damit der radiale Verlauf des elektrischen Driftfeldes bestimmt und gehalten werden. Diese definierten Verhältnisse bringen große Stabilitätsvorteile. Beispielsweise ist in der in der WO 88/5535 A3 beschriebenen Anordnung die aktuelle Feldverteilung im dortigen Driftraum (zwischen R1 und R3) schlecht definiert und wird stark durch die Ladungen der driftenden Ionenwolke verzerrt werden.

In Ausführungsformen der Erfindung sind mehrere unterschiedliche Ionen­ quellen vorgesehen. Dadurch kann die Palette der nachzuweisenden Sub­ stanzen vergrößert werden. Auch bei unterschiedlichen Quellen wären jedoch die Längen der einzelnen Driftstrecken nach wie vor identisch. Als Quellen kommen radioaktive Alpha- und Betastrahler, Korona-Entladungen oder Be­ strahlung mit VUV-Lampen in Frage.

Alternativ ist eine Vielzahl von gleichen Ionenquellen vorgesehen. Dadurch kann die Empfindlichkeit im wesentlichen proportional zur Anzahl dieser Quellen erhöht werden.

In einer Ausführungsform ist eine einzige rotationssymmetrische Ionenquelle vorgesehen, von der aus die Driftstrecke nach einem ebenfalls rotationssym­ metrischen Schaltgitter konzentrisch auf die Fangelektrode hin verläuft.

Die Quelle kann beispielsweise ein bandförmig angeordneter radioaktiver Strahler sein oder als nicht-radioaktive Quelle ein kreisförmiger, isolierter und auf Hochspannung gelegter Koronadraht. Ebenfalls möglich ist eine Oberflä­ chenionisationsquelle, wie sie z. B. in der US-PS 4,994,748 beschrieben ist mit bandförmigem Aufbau.

Vorzugsweise ist mindestens eine Ionenquelle eine radioaktive Quelle. Ra­ dioaktive Quellen benötigen keine externe Energie.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das IMS im wesentli­ chen Scheibenform auf mit senkrecht zur Achse gerichteten Deck- und Bo­ denplatten, die mit Methoden der Mikrostrukturtechnik hergestellt sind. Diese Bauform ist besonders für die Miniaturisierung und die Integration in ebenfalls minaturisierte Apparaturen geeignet.

Es versteht sich, daß die oben geschilderten und die noch weiter unten aufge­ führten Merkmale nicht nur in der jeweils genannten Kombination sondern auch in beliebiger anderer Kombination oder in Alleinstellung verwendet wer­ den können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Ionen-Mobilitätsspektrometers nach der Er­ findung;

Fig. 2 Dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer zwei­ ten Ausführungsform eines Ionen-Mobilitätsspektrometers nach der Erfindung; oben: mit abgehobener Deckplatte.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein IMS 101 mit einer Fangelektrode 5, die eine Achse 6 unmittelbar umgibt. Bei axial sehr kurzer Baulänge kann die Fange­ lektrode 5 auch als "punktförmig" angesehen werden. Sie definiert dann ein Symmetriezentrum der Anordnung. Auf die zentrale gemeinsame Fangelek­ trode 5 zeigen im Ausführungsbeispiel drei separate, im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Achse 6 angeordnete, um 120 Grad versetzte gleiche Meßzellen 10 jeweils bestehend aus einem Driftraum 4 mit Feldstützringen 7, einem Schaltgitter 3 und einer Ionenquelle 2.

In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Meßzellen variieren, sie müssen auch nicht in einer Ebene angeordnet sein, sondern können dreidi­ mensional sternförmig auf die im wesentlichen punktförmige Fangelektrode zielen. Die Anordnung kann auch von der axialen Symmetrie abweichen, d. h. die Meßzellen können in der Ebene beliebige Winkel einschließen. Bei axial ausgedehnter Fangelektrode können die Meßzellen auch axial gegeneinan­ der versetzt sein.

Die Ionenquellen 2 des Ausführungsbeispiels können identisch sein. Dann werden sie vorzugsweise gleichzeitig parallel betrieben, d. h. alle Schaltgitter 3 werden synchron geöffnet und geschlossen.

Die Ionenquellen 2 des Ausführungsbeispiels können aber auch verschieden sein. Dann werden sie vorzugsweise zeitlich nacheinander betrieben, d. h. die Schaltgitter 3 der verschiedenen Meßzellen werden zeitversetzt geöffnet und geschlossen, da die mit den unterschiedlichen Meßzellen gewonnenen Spektren unterschiedliche Information enthalten.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das IMS 101 näherungsweise Scheibenform hat. Die einzelnen Meßzellen der Fig. 1 sind zu einer einzigen, rotationssymmetrischen zusammengefaßt. Im Zentrum der Anordnung umgibt wieder eine Fangelektrode 105 die Symmetrieachse 106 des Geräts. Der einzige Driftraum 104 hat die Form eines sehr kurzen Hohlzylinders. Auf der Innenseite seiner Deck- 108 und Bodenfläche 109 sind konzentrischen Feldformringe 107 angebracht in Form von Ringpaaren, wo­ bei entsprechende Ringe auf der Deck- 108 und Bodenplatte 109 auf dem­ selben Potential liegen. Der Driftraum 104 ist radial nach außen von einem rotationssymmetrischen Schaltgitter 103 begrenzt oder von einer auf einem Kreiszylinder angeordneten Serie von vielen Schaltgittern, die jedoch immer auf demselben Potential liegen, d. h. im Gleichtakt betrieben werden. Radial außerhalb des Schaltgitters 103 befindet sich eine rotationssymmetrische Io­ nenquelle 102. Auch sie kann, analog zu dem Schaltgitter 103 durch eine An­ ordnung identischer Einzelquellen ersetzt sein. Ohne die Feldformringe 107 würde das elektrische Feld im Driftraum 104 näherungsweise wie 1/r² abfal­ len. Durch die Feldformringe 107 kann jedoch z. B. ein hinreichend konstantes elektrisches Radialfeld im Driftraum 104 erzeugt werden. Allgemein kann durch Einstellen der Potentiale an den Ringpaaren 107 nahezu jeder ge­ wünschte Potentialverlauf zwischen den Grenzpotentialen eingestellt werden. Die Feldformringpaare 107 können auch durch eine entsprechende kontinu­ ierliche hochohmige Beschichtung der Deck- 108 und Bodenfläche 109 er­ setzt sein. Die Schichten sind vorzugsweise homogen, können aber auch strukturiert sein, wobei jedoch Rotationssymmetrie eingehalten wird.

Claims (12)

1. Ionen-Mobilitätsspektrometer (IMS) (1; 101) mit mindestens einer Io­ nenquelle (2; 102), mindestens einem Schaltgitter (3; 103) mindestens einer Driftkammer (4; 104), in der jeweils ein elektrisches Driftfeld vor­ liegt und einer Fangelektrode (5; 105), wobei die Driftfelder aus unter­ schiedlichen Richtungen im wesentlichen auf eine Achse (6; 106) oder einen Punkt gerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Fangelektrode (5; 105) im wesentlichen auf der Achse (6; 106) oder dem Punkt befindet, daß die Driftfelder radial bezüglich Achse (6; 106) oder des Punktes gerichtet sind und daß der Abstand aller Schaltgitter (3; 103) von der Achse (6; 106) oder dem Punkt gleich ist und kleiner als der Abstand aller Ionenquellen (2; 102) von der Achse (6; 106) oder dem Punkt.

2. IMS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentli­ chen eine n-zählige Symmetrie bezüglich einer Achse (6; 106) ,aufweist mit 2 ≦ n ≦ ∞.

3. IMS nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bezüglich ei­ ner Achse (106) im wesentlichen Rotationssymmetrie aufweist.

4. IMS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Driftraum (104) im wesentlichen Rotationssymmetrie aufweist.

5. IMS nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgitter (103) im wesentlichen Rotationssymmetrie aufweist.

6. IMS nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine axiale Ausdehnung sehr viel kleiner als seine radiale Ausdeh­ nung ist, insbesondere mit einem Verhältnis kleiner als 1 : 5.

7. IMS nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Drifträumen (4) oder dem Driftraum (104) feldstützende Elektroden (7, 107) zur Formung und Stabilisierung des elektrischen Driftfeldes vorgesehen sind.

8. IMS nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche Ionenquellen (2, 102) vorgesehen sind.

9. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vielzahl von gleichen Ionenquellen (2; 102) vorge­ sehen ist.

10. IMS nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine rotationssymmetrische Ionenquelle (102) vorgesehen ist.

11. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine Ionenquelle (2; 102) eine radioaktive Quelle ist.

12. IMS nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen Scheibenform aufweist mit senkrecht zur Achse (106) gerichteten Deck- (108) und Bodenplatten (109), die mit Metho­ den der Mikrostrukturtechnik hergestellt sind.