DE2014459C3 - Vorrichtung zum Analysieren von organischen Verbindungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Analysieren von organischen Verbindungen, Mischungen u. dgl., bei der ein Gaschromatograph, ein Molekülseparator und ein Massenspektrometer vorgesehen sind. Der Molekülseparator ist zwischen dem Ausgang des Gaschromatographen und dem Eingang einer Ionenquelle des Massenspektrometers angeordnet. Der Separator weist mindestens zwei Separatorstufen auf, die je aus einer mit einer Vakuumpumpe verbundenen Evakuierungskammer, einer Eingangsdüse und einer hierzu koaxialen Ausgangsdüse besteht. Über die Eingangsdüse werden die Moleküle im gasförmigen Zustand vom Gaschromatographen zugeführt.

Bei der vorstehenden kombinierten Vorrichtung werden die sogenannten Molekülseparatoren benutzt, um ein Trägergas, in der Regel Helium, von der zu analysierenden Probe zu trennen und den Druck in der Ionenquelle des Massenspektrometers zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden verschiedene Arten von Separatoren benutzt. So ist aus der britischen Patentschrift 1097 327 ein Separator bekannt, bei dem die Auslaßdüse am Ende des Separators mittels eines Absperrorgans verschließbar ist, so daß der Gasfluß zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Separators unterbrochen ist. Da zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des bekannten Separators eine verhältnismäßig lange Wegstrecke für das Gas geschaffen werden muß, entsteht ein verhältnismäßig großer toter Raum. Auch ist beim Auswechseln der Gaschromatographiesäule ein völliges Verschließen des Einlasses oder ein Verschließen, bei dem nur ein geringer Leckstrom zugelassen wird, nicht möglich, so daß hierzu die Evakuierungspumpe abgestellt werden müßte.

Sogenannte Becker-Ryhage-Separatoren haben mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Separatoren. Bei diesem Separator ist die Anreicherung hoch, der Verlust an Probe gering, der tote Raum klein und der Speichereffekt vernachlässigbar. Ein Becker-Ryhage-Separator besteht im allgemeinen aus zwei Stufen. In der ersten Stufe wird der Druck auf 0,001 mm Hg durch eine öldiffusionspumpe reduziert. Auf diese Art und Weise werden etwa 99% des Trägergases evakuiert, während zumindest 75% der Probe verbleiben. Der Druck wird sodann bei der Ionenquelle des Massenspektrometere weiter reduziert.

Der vorgenannte Separator ist im einzelnen in »Analytical Chemistry« Band 36, Nr. 4, April 1964, Seiten 759 bis 764 beschrieben. Das Prinzip des Separators ist in der DT-PS 1052955 (siehe Fig. 1) beschrieben.

Bei Anwendung eines herkömmlichen Molekülseparators entstehen mehrere Probleme. Zum Auswechseln der Gaschromatographiesäule müssen folgende Schritte durchgeführt werden:

a) Die Verbindung zwischen dem Separator und der Ionenquelle des Massenspektrometers muß getrennt und abgeschaltet werden oder der Strom zum Faden der Ionenquelle muß abgeschaltet werden. Es ist jedoch nicht erwünscht, die Ionisationsbedingungen und den Ionisationszustand zu ändern, weshalb in der Regel ein Hahn zwischen dem Separator und der Ionenquelle angeordnet ist.

b) Die öldiffusionspumpe, die mit der zweiten Separatorstufe verbunden ist, wird abgeschaltet.

c) Die mechanische Vakuumpumpe, die mit der ersten Separatorstufe verbunden ist, wird abgeschaltet.

d) Der Druck in dem Separator wird durch einen zwischen der mechanischen Vakuumpumpe und der ersten Separatorstufe angeordneten Ausblashahn angehoben.

e) Die Gaschromatographiesäule wird ausgetauscht.

f) Die Anordnung wird evakuiert, indem die erste mechanische Vakuumpumpe und sodann die öldiffusionspumpe angeschlossen werden.

g) Wenn der Druck genügend reduziert worden ist, wird der Hahn der Ionenquelle geöffnet.

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise ist sehr langwierig und mühevoll, was insbesondere die Evakuierung betrifft. Das Einsetzen eines Hahnes zwischen dem Separator und der Ionenquelle vergrößert den toten Raum in der Anordnung, wodurch die durch den Gaschromatographen erhaltene Trennung beeinträchtigt wird. Der Separator und die Verbindung zu der Ionenquelle müssen geheizt werden, wobei es natürlich wünschenswert ist, daß die geheizten Teile so klein wie möglich sind. Obgleich der Druck hinter dem Separator sehr niedrig ist und die Geschwindigkeit der Moleküle hoch ist, besteht eine gewisse Gefahr einer Degradation im Hahn und in den Verbindungsrohren, was auf thermische und katalytische Wirkungen zurückzuführen ist.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es nun Aufgabe der Erfindung, den vorgenannten Nachteilen abzuhelfen und eine verbesserte Vorrichtung zum Analysieren in Vorschlag zu bringen, bei der beim Auswechseln der Gaschromatographiesäule die Vakuumpumpen nicht abgeschaltet zu werden brauchen und die gleichen Ionisationsbedingungen aufrechterhalten werden können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein schieberartiges Absperrorgan quer zwischen die Einlaßdüse und die Auslaßdüse einer der Separatorstufen

verschiebbar vorgesehen ist

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß dew Gegenstand nach der US-PS 3080754 primär die Aufgabe zugründe liegt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung neutraler Gasteilchen an Hand der Geschwindigkeitsverteilung einer Gaskomponente zu schaffen.

Die hiernach bekannte Lösung sieht eine Anordnung mit einem Massenspektrometer mit Ionenquelle, mit koaxial zueinander ausgerichteten Düsen und Vakuumpumpen vor, wobei die eine Düse mit der Ionenquelle einstückig verbunden ist und die andere Düse eingangsseitig mit der Atmosphäre unmittelbar in Verbindung steht und an ihrem zum Inneren der Anordnung gekehrten Ende mit einem quer zur Strömungsrichtung verschiebbaren Absperrorgan schließbar ist. Hierdurch soll die Möglichkeit geschaffen werden, daß der Zutritt des Molekularstrahles ins Innere der Anordnung gesperrt und im gesperrten Zustand das im Gehäuse der Anordnung vorhandene Restgas ermittelt werden kann. An einem Ausbau oder Austausch irgendwelcher Komponenten der Anordnung besteht hierbei kein Interesse.

Die Anordnung nach der US-PS 3080754 und der Anmeldungsgegenstand unterscheiden sich somit:

1. hinsichtlich ihrer primären bzw. grundsätzlichen Aufgabe,

2. hinsichtlich ihrer Ausführungen,

3. hinsichtlich des Zwecks, warum die Düsen geschlossen bzw. die Molekülstrahlen gesperrt werden.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und an Hand der Zeichnung wird die Erfindung erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines zweistufigen Separators mit einer Abschaltanordnung, die schieberartig ausgebildet ist,

Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines zweistufigen Separators, wobei die zweite Separatorstufe mit der Ionenquelle kombiniert ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Befestigungsflansch 1 zum Anschluß eines Gaschromatographen G vorgesehen. Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine erste Separatorstufe, mit dem Bezugszeichen 3 eine zweite Separatorstufe und mit dem Bezugszeichen 4 ein Befestigungsflansch für die Ionenquelle eines Massenspektrometer M bezeichnet. Die Separatorstufen sind mit Eingangsdüsen 5a und Sb jeweils versehen, sowie mit Ausgangsdüsen 6a und 6b. Mittels eines schieberartig ausgebildeten Absperrorgans 7 kann der Gasstrom abgeschaltet, zumindest aber am Durchgang durch die zweite Separatorstufe gehindert werden. Ein Balg 8 steuert die Lage des schieberartigen Absperrorgans 7. Ein Knauf 9 dient zur Bewegung des Balges 8. Das Absperrorgan 7 kann in zwei Stellungen It α und 11b eingestellt werden, die mittels einer Schraube 10 einstellbar bzw. arretierbar sind. Anschlüsse 12 und 13 führen jeweils zu einer Vakuumpumpe bzw. zu einer öldiffusionspumpe.

Wenn die Säule des Gaschromatographen ausgewechselt werden soll oder wenn es aus einem anderen Grunde erforderlich ist, den Gasstrom durch den Separator abzuschalten, wird das schieberartige Absperrorgan zwischen die Düsen Sa und 6a eingeschoben. Der Abstand zwischen diesen Düsen beträgt ungefähr 0,1 mm, weshalb die Abmessungen des schieberartigen Absperrorgans entsprechend gewählt werden müssen. Die Düse 5α hat einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Es ist nicht unbedingt erforderlich,

s daß das schieberartige Absperrorgan diese Düse vollständig abdichtet. Ein kleiner Leckstrom im Separatorgehäuse ist zulässig. In der Praxis hat sich gezeigt, daß trotz dieses Leckstromes die mechanische Pumpe den Druck so niedrig hält, daß die (^diffusionspumpe

ίο arbeiten kann und daß es nicht erforderlich ist, die Ionenquelle abzuschalten. Selbst wenn der Druck in der ersten Separatorstufe einen Wert von 1 mm Hg an Steile des üblichen Wertes von 0,1 mm Hg hat, arbeitet die Anordnung zufriedenstellend. Es ist somit

is njcht erforderlich, die Pumpen abzuschalten.

In manchen Fällen ist es erwünscht, einen gewissen Leckstrom in dem Separator zu haben, ohne daß Gas in die Ionenquelle einfließt. Zu diesem Zweck wird das schieberartige Absperrorgan derart ausgebildet,

so daß es nur gegenüber der Ausgangsdüse 6α abdichtet. In diesem Fall kann das schieberartige Absperrorgan 7 mit einem Schlitz in der Fläche versehen sein, die der Einlaßdüse 5α zugewandt ist. Diese Formgebung des schieberartigen Absperrorgans ist zweckmä-

>5 Big, wenn ein Gasstrom nur durch die Gaschromatographiesäule gewünscht wird (z. B. nach der Montage der Säule).

Bei der Vorrichtung ist der tote Raum hinter dem Separator sehr gering. Bei den herkömmlichen An-Ordnungen beträgt das Volumen des Hahnes zwischen dem Separator und der Ionenquelle ungefähr 0,5 cm³, und die Verbindungsrohre haben in etwa dasselbe Volumen. Wenn diese Werte mit der Fläche des Kanals durch den Separator (0,8 mm²) und der Fläche

der Düse (0,008 mm²) verglichen werden, wird die Bedeutung des reduzierten toten Raumes deutlich. Naturgemäß bedeutet ein reduziertes Volumen nach dem Separator weniger als ein reduziertes Volumen vor dem Separator, da die Druckbedingungen vollständig unterschiedlich sind. Gleichwohl ist jedoch das reduzierte Volumen sehr vorteilhaft. Das Einsetzen eines Absperrorgans oder Hahnes vor dem Separator ist nicht zweckmäßig, da der tote Raum vergrößert wird. Die hierdurch bedingten Nachteile sind allgemein bekannt, und zwar insbesondere bei Verwendung von Kapillarsäulen in dem Gaschromatographen.

Ein vor dem Separator angeordneter Hahn vergrößert die Schwierigkeiten, den Flansch zum Reinigen

der Düse 5α zu entfernen. Die anderen Düsen müssen nicht so oft gereinigt werden, da der Druck und somit die Verschmutzung bei diesen Düsen geringer sind.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungs-

form bestehen die Abschaltmittel aus einem schieberartigen Absperrorgan. Dieser Schieber kann naturgemäß eine beliebige Form und Gestalt aufweisen, und das Einsetzen des Schiebers zwischen die beiden Düsen des Separators kann ebenfalls in beliebiger Weise

eifolgen. Wenn nur eine Abschließung der Auslaßdüse gewünscht ist, kann es geeignet sein, die Spitze der Auslaßdüse radial beweglich auszubilden.

Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform mit einer direkten Verbindung zwischen dem Se- parator und dem Massenspektrometer. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen dieselben Teile wie in Fig. 1 bezeichnet, so daß eine nochmalige Beschreibung insoweit

entbehrlich ist. Mit dem Bezugszeichen 15 ist eine Verbindung bezeichnet, die zu der Ionenquelle führt. Die Bezugszeichen 14a und 14b bezeichnen die Düsen der zweiten Separatorstufe. Mit dem Bezugszeichen 16 ist die Verbindung des Hochvakuumsystems - dieses ist in diesem Fall dasselbe für die zweite Separatorstufe - und des Ionenquellengehäuses bezeichnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist im Vergleich zu der gemäß Fig. 1 der tote Raum, d. h. das tote Volumen, beträchtlich herabgesetzt. Andererseits ist die Flexibilität etwas reduziert.

Die Einlaßdüsen sind als Strahldüsen ausgebildet Wie ohne weiteres ersichtlich, können mehrere Eva kuierungsstufen vorgesehen sein, die in Reihe ge schaltet und miteinander verbunden sind. Jede Eva kuierungsstufe ist hierbei mit einer Vakuumpumpt verbunden und mit einer Einlaßstrahldüse und eine: hierzu koaxialen Auslaßdüse versehen, wobei da; schieberartige Absperrorgan bei der ersten Stufe vor

ίο gesehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Analysieren von organischen Verbindungen, Mischungen u. dgl., bei der ein Gaschromatograph, ein Molekülseparator unrt ein Massenspektrometer vorgesehen sind, wobei der Molekülseparator zwischen dem Ausgang des Gaschromatographen und dem Eingang einer Ionenquelle des Massenspektrometers angeordnet ist und mindestens zwei Separatorstufen aufweist, die je aus einer mit einer Vakuumpumpe verbundenen Evakuierungskammer, einer Einlaßdüse, durchweiche Moleküle in gasförmigem Zustand vom Gaschromatographen zugeführt werden und aus einer koaxial zur Einlaßdüse angeordneten Auslaßdüse bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein schieberartiges Absperrorgan (7) quer zwischen die Einlaßdüse (5a) und die Auslaßdüse (6a) einer der Separatorstufen verschieb- ao bar vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (7) derart ausgebildet ist, daß es nur die Auslaßdüse (6a) abschließt, während bei der Einlaßdüse (5a) ein Leckstrom vorhanden ist.