DE2033954B2 - Massenspektrometer Einlaßsystem - Google Patents
Massenspektrometer EinlaßsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer-Einlaßsystem mit einem Düsenseparator, der aus einer
Eintrittsdüse und einer mit einem Massenspektrometer verbundenen Abschälerdüse besteht. Der 3«
Zwischenraum zwischen Eintrittsdüse und Abschä-Jerdüse
steht dabei in Verbindung mit einer Vakuumpumpe. Das Einlaßsystem bildet zusammen mit dem
Massenspektrometer einen substanzspezifischen Detektor für Analysengeräte. Eiin für diesen Zweck geeignetet
Düsenseparator ist ι. B. in dem Buch von H. Kienitz »Massenspektrometrie«, Verlag Chemie,
Weinheim (1968). Seiten 591 bis 593 und Seiten 607
bis 609 beschrieben.
In Forschung und Technik werden zur Lösung physikalischer und physikalisch-chemischer Fragestellungen
Gaschromatographen, Differentialthermoanalysatoren und thermogravimetrische Apparaturen in
steigendem Umfang als Analysengeräte eingesetzt. Bei all diesen Geräten fehlt aber in der Rege! eine
substanzspezifische Anzeige der zur Untersuchung gelangenden Substanzen. So werden zwar im Gaschromatographen
Substanzgemische getrennt, jedoch keine Identifizierung der getrennten Fraktionen
durchgeführt bzw. kein Nachweis erbracht, oh die Trennung vollständig erfolgi ist. Bei der Differentialthermoanalyse
werden Enthalpieänderungen beim Aufheizprozeß registriert. Dabei erhält man jedoch
keine Inü>rmationen, welchen Mikroprozessen diese
Enthalpieänderungen zuzuordnen sind. So kann man z.B. bei der Differentialthermoanalyse von teilkristallinen
Hochpolynieren nicht entscheiden, ob die L-nthalpii. änderungen Konformationsänderungen
(Aufschmelzen kristalliner Bereiche) zuzuschreiben sind, oder /um Austreiben von Lösungsmittel- oder ß"
MonoiiKM'rcstcn be not igt weiden. Bei thermogravimctrischen
Analysengeraten werden Gewiehtsändelungen beim Aufhei/vorgang aufgezeichnet. Über die
Art der abgespaltenen Substanzen wird jedoch ehen-IaIIs
keine \ussage getroffen. fl
Es ist bekannt, bei den obengenannten Analysengeräten
ein Massenspektrometer als suhstan/spe/ifi- >chcn Detektor t\\ verwenden. Da<
Massenspektro-
954
meter ermöglicht nämlich durch die Messung des Molekulargewichtes und/oder charakteristischer
Atomeruppen bzw. Atome, wie sie beim Ionisierungsprozeß in der Ionenquelle des Massenspektrometer
entstehen, eine substanzspezifische Detektion, d. h. eine Identifizierung der eingegebenen Substanzen
oder Substanzgemische.
Speziell für die Kombination von Gaschromatographie^Massenspektroskopie
liegen im wesentlichen zwei Aufgabengebiete vor:
L Im Rahmen der Konsiitutionsaufklärung dient der Gaschromatograph lediglich als Vortrenner zur Gewinnung reinster Ausgangssubstanzen. Die eigentliche Strukturaufklärung wird mit dem nachgeschalteten hochauflösenden Massenspektrometer durchgeführt.
L Im Rahmen der Konsiitutionsaufklärung dient der Gaschromatograph lediglich als Vortrenner zur Gewinnung reinster Ausgangssubstanzen. Die eigentliche Strukturaufklärung wird mit dem nachgeschalteten hochauflösenden Massenspektrometer durchgeführt.
2. Bei analytischen Aufgaben bleibt der Gaschromatograph in seiner analytischen Grundfunktion
erhalten. Ihm wird ein Massenspektrometer als substanzspezifischer Detektor zur Lösung folgender
Aufgaben nachgeschaltet:
a) Identifizierung unbekannter gaschromatographischer Fraktionen.
b) Prüfung, ob in gaschromatographisch einheitlich erscheinenden Fraktionen eine oder
mehrere ungetrennte Fraktionen enthalten sind.
c) Aufklärung von sogenannten tailing-Effek-
ten.
d) Optimale Wahl der Umschaltzeiten bei der präparativen Gaschromatographie.
Besonders kritische Anforderungen werden in den analytischen Laboratorien der chemischen, insbesondere
der petrochemischen Industrie gestellt. Die unter 2a) bis d) erwähnten Aufgaben sollen hier in möglichst
kurzer Zeit gelöst werden. Verwendet man zu diesem Zweck eine fest gekoppelte Gaschromatographie-Massenspektrometer-Einheit.
wie sie kommerziell verfügbar ist, so führt dies bei der Produktionskontrolle
zu untragbar langen Wartezeiten. Der Gaschromatograph muß nämlich bei jeder neuen Anwendung
an einem Betriebskontroll-Gaschromatographen hinsichtlich der Säule, der festen und der flüssigen
Phase, der Temperatur und des Trägergases erst auf jene Bedingungen eingestellt werden, wie sie an
dem Betriebskontroll-Gaschromatographen vorliegen. Nur unter diesen Voraussetzungen können dann
vergleichbare Ausgangs- und Meßbedingungen (gleichartige Auftrennung der Fraktionen und bekannte
Retentionszeiten) erreicht werden.
Eine Schwierigkeit bei der Kopplung von Analysengeräten mit Massenspektrometer!! besteht darin
daß die verschiedenen Analysengeräte mit unterschiedlichen Trägergassorten und unterschiedlieh
großen Gasmengenflüssen betrieben werden müssen, während die herkömmlichen Hinlaßsysteme an Massenspektrometern
jeweils nur für eine Gasart und einen bestimmten Gasmcngenfluß optimal angepaßt
sind. Fin auf dem Molekularstrahlprin/ip beruhender
Düsenseparator ist /. B. in dem Buch son H. Kienit?
»Massenspektrometrie«. Verlag Chemie. Weinheim (I1KiS), Seiten 51M bis 5l>3 und Seiten m()7 his 601J
beschrieben.
Die Düsengeometrie ist hierbei entsprechend der Verwendung von Helium als Trägergas festgelegt.
Ahnliche Schwierigkeiten ergeben sieh auch bei der Verwendung mehrerer gleichartiger Analysengeräte,
wenn diese von versch.edenen Herstellern stammen
Diese Anforderungen treten insbesondere in Laboratorien auf, in denen ein Massenspektrometer als substanzspezifischer
Detektor wechselweise schnell an Analysengeräte unterschiedlichen Typs angekoppelt
v/erden soll.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Einlaßsystem für Massenspektrometer zu entwickeln,
das an unterschiedliche Trägergasarten und Trägergasmengenflüsse jeweils optimal i.ngepaßt werden
kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Einlaßsystem der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daf. der
Abstand zwischen der Eintrittsdüse und der Abschälerdüse einstellbar ist.
Vorteilhaft ist der Gasdruck im Zwischenraum zwischen
Eintrittsdüse und Abschäleidüse mit Hilfe eines regelbaren Ventils ebenfalls einstellbar, das zwischen
Düsenseparator und Vakuumpumpe angeordnet ist. Außerdem ist an dem Düsenseparator zusätzlich ein
regelbares Leckventil angeschlossen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 den Düsenseparator,
Fig. 2 den Einbau des Düsenseparators in das Vakuumsystem
und
Fig. 3 ein Beispiel zur Erläuterung der Arbeitsweise des Massenspektrometer in Verbindung mit einem
Gaschromatographen.
Im folgenden wild zunächst der Aufbau des Düsenseparators
beschrieben. Das aus der Eintrittsdüse 1 mit sehr hoher Geschwindigkeit in den Zwischenraum
2 austretende Gasgemisch entmischt sich in bekannter Weise in diesem Raum. Das Gasgemisch besteht
dabei aus dem Trägergas und den in ihm enthaltenen Gasen bzw. Dämpfen, die zur Messung
gelangen sollen. Die Entmischung im Zwischenraum 2 beruht darauf, daß die leichten Gaskomponenten
(Trägergase, Helium oder Wasserstoff) schnell nach allen Seiten diffundieren, die schweren Gase
(Meßgase bzw. Dämpfe) dagegen relativ eng gebündelt bleiben. Die Abschälerdüse 3 nimmt daher bevorzugt
die zu messenden Gase bzw. Dämpfe auf. Die aufgenommene Menge wird durch den Durchmesser
und Abstand der Düsen 1 und 3, den Druck im Raum 2 und durch die Druckverhältnisse im Vakuumsystem,
im Massenspektrometer und im Analysengerät bestimmt. Der gegenseitige Abstand der Düsen
1 und 2 ist mit Hilfe der von außen zugänglichen Schrauben 4 in gewissen Grenzen einstellbar, die
durch die Elastizität des zur Abdichtung dienenden Dichtungsringes 5 gegeben sind. Diese Konstruktion
bietet den Vorteil, daß die Düsen 1 und 2 auch während des Betriebes relativ zur Separatorlängsachse
zentriert werden können. Die Zentrierung erfolgt daher in einfacher Weise durch ungleichmäßige Einstellung
der Schrauben 4.
Der Düsenseparator ist mit den drei Anschlußstut-/cn
6. 7 und 8 versehen. Der Anschluß 6 führt zum Massenspektrometer, der Anschluß 7 zum Vakuumsystem
und der Anschluß 8/.um Analysengerät. Diese Anschlußleitung besteht/.. B. aus einer nahtlosen beheizbaren
Stahlkapillare, die mittels einer Schnellschlußkupplung den Anschluß an das betreffende
Analysengerät ermöglicht. Zwischen Massenspektrometer und Düsenseparatoi 9 befindet sich ein einstellbares
Leckventil 10 und ein zusätzliches Absperrventil 11 (Fig. 2). Mit Hilfe des Leckventils 10 läßt
sich ein optimaler Druck in der Ionenquelle des Massenspektrometers
einregulieren. Der günstigste Druckbereich liegt etwa zwischen 10~sund 10~6Torr.
Das Absperrventil 11 ermöglicht einen fortlaufenden Betrieb des Massenspektrometers, auch dann, wenn
ίο infolge von Störungen oder Umbauten die anderen
Systeme stillgelegt sind. An den zum Analysengerät führenden Anschluß 8 schließt sich die Einlaßkapillare
12 an. Das nicht vom Massenspektrometer aufgenommene Gas wird über den Anschluß 7 und ein regelbares
Ventil 13 vom Vakuumsystem abgesaugt. Der gesamte Düsenseparator 9 ist einschließlich der
Ventile IC, 11 und 13, entsprechend den Separatorarbeitstemperaturen
und den Vakuumausheizbedingungen bis etwa 200° C ausheizbar.
au Die optimale Anpassung des Einlaßsystems bei
konstanter Purnpleistung erfolgt mit Hilfe des Regelventils 13 und der Abstandseinstellung der Düsen 1
und 2. Eingehende Messungen haben gezeigt, daß diese konstruktiv recht einfache Lösung zu befriedigenden
Separatorleislungen führt. Die Separatorleistung ist dabei durch die erzielbare Anreicherung
(Volumenverhältnis des Meßgases zum Trägergas vor und nach Separator), die Ausbeute (prozentuale
Menge des in die Ionenquelle eintretenden Meßgases, bezogen auf die vom Analysengerät kommende Gasmenge)
und die Massendiskriminierung (bevorzugte Anreicherung der schweren Meßgase bzw. -dämpfe
gegenüber den leichteren) in dem anstehenden Gasmengenflußbereich von 2 bis 100 ml min"' definiert.
Es ist naheliegend, bei höheren Betriebstemperaturen oder zur Erzielung größerer Düsenabstandsänderungen
an Stelle des Dichtungsringes eine flexible Metulimembran oder einen dehnbaren Metallfederungskörper
zu verwenden.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Massenspektrometers in Kopplung mit einem Gaschromatographen
ist in Fig. 3 ein Ausschnitt aus einem Totalionenstromdiagramm aufgezeichnet.
Die beiden Banden A und B charakterisieren zwei vom Gaschromatographen getrennte Fraktionen. An
den mit a, b, c, d und e bezeichneten Stellen wurden
die Massenspektren der jeweils in diesem Augenblick in der Ionenquelle befindlichen Eluate im vorgewählten
Massenbereich registriert. Stimmen die Massen-Spektren von α, b und c überein, so liegt bei A eine
einheitliche Fraktion vor. Die Massenspektren -rinnen dann direkt zur Identifizierung dor Substanz ausgewertet
werden. 1st dagegen das Massenspektrun. an der Stelle α von dem Massenspektrum an der Stelle c
verschieden, so liegen zwvi oder mehrere ungetrennte
Substanzen in der Fraktion A vor. Auch hier kann dann nach einem speziellen Auswerteverfahren eine
Identifizierung der Substanzen vorgenommen werden. In der Fraktion R zeigt das Diagramm einen unsymmetrischen
Verlauf. Zur Klärung, ob es sich um einen tailing-F'ffekt handelt oder ob in der Fraktion B
zwei schlecht getrennte Substanzen vorliegen, werden an den Stellen i/und e Massenspektren registriert und
ausgewertet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Massenspektrometer-Einlaßsystem mit einem
Düsenseparator, der aus einer Eintrittsdüse und einer mit einem Massenspektrometer verbundenen
Abschälerdüse besteht, und bei dem der Zwischenraum zwischen der Eintrittsdüse und der
Abschälerdüse in Verbindung mit einer Vakuumpumpe steht, dadurch gekennzeichnet, daß «>
der Abstand zwischen der Eintritrsdüse (1) und der Abschälerdüse (3) einstellbar ist.
2. Massenspektrometer-Einlaßsystem nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vakuumpumpe und dem Zwischenraum 1S
ein regelbares Ventil (13) angeordnet ist.
3. Massenspektrometer-Einlaßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem DüsensepziratGr (9) und dem Massenspektrometer
ein regelbares Leckventil (10) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702033954 DE2033954C3 (de) | 1970-07-08 | Massenspektrometer-EinlaBsystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702033954 DE2033954C3 (de) | 1970-07-08 | Massenspektrometer-EinlaBsystem |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2033954A1 DE2033954A1 (de) | 1972-01-20 |
DE2033954B2 true DE2033954B2 (de) | 1975-06-19 |
DE2033954C3 DE2033954C3 (de) | 1976-01-29 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2033954A1 (de) | 1972-01-20 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHV | Ceased/renunciation |