DE3631862C2 - - Google Patents
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur analytischen
Bestimmung von organischen Stoffen, die in Konzentrationen
bis in den ppm- und ppt-Bereich vorliegen, mittels Massen
analyse, wobei die Stoffe aus einem Vorratsbehälter in einen
Massenanalysator zu überführen sind, der Vorratsbehälter
über eine Dosiereinrichtung direkt mit dem Massenanalysator
verbindbar und der Massenanalysator ein Quadrupol-Massen
spektrometer mit einem Channeltron-electro-multiplier und
Massenkorrekturblende ist.
Die analytische Bestimmung von organischen Chemikalien in der
Gasphase wird aus allgemein bekannten Gründen von großen
Schwierigkeiten begleitet, die einen direkten Einfluß auf
die Konzentrationsgrenzen der zu messenden Chemikalien aus
üben. Die üblichen Methoden setzen in vielen Fällen einen
Anreicherungsschritt voraus. Während dieser komplizierten
Prozeduren können aber erhebliche Fehler auftreten, da sowohl
die Probennahme als auch die Komprimierung nicht standardi
sierbar sind. Bei Probentransport treten große Substanzver
luste auf, wenn zu diesem Zweck Gasmäuse bzw. Gasspritzen
eingesetzt werden. Es ist außerdem zu berücksichtigen, daß
im Falle einer Gasphasenreaktion die Umsetzungen während des
Transportes naturgemäß weiterlaufen, was mit der Verfälschung
der Endresultate direkt gekoppelt ist. In den seltensten
Fällen sind die Nachweis- und Bestimmungsmethoden zufrieden
stellend direkt mit dem Probenraum oder Rezipienten kombiniert,
wobei die bekannten Systeme auf der Basis der speziellen
spektroskopischen Methoden arbeiten.
Es existieren zur Zeit noch nicht einmal Systeme zur Direkt
bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Gasphasenge
mische ohne Anreicherung im ppb-Bereich. Der direkte Einsatz von
Massenanalysatoren ist ebenfalls für solche Nachweisbereiche
ungeeignet, da ihre Betriebsparameter, z. B. der Betriebs
druckbereich von 10-4-10-6 torr, ein derart hohes Rausch/
Signal-Verhältnis verursacht, daß die im ppb-Bereich oder
darunter vorliegenden Stoffe nicht festgestellt werden können.
Eine Reduzierung des Betriebsdruckes auf Werte unterhalb
10-6 torr, die dem gewünschten Meßbereich nahe kämen, würde
lediglich bewirken, daß sowohl das Rauschen als auch das
Meßsignal eliminiert sind.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
die e. g. Einrichtung derart auszugestalten, daß auch
Stoffe, die im ppm- bis ppt-Bereich vorliegen, direkt mas
senanalytisch nachgewiesen werden können.
Die Lösung ist erfindungsgemäß im kennzeichnenden Merkmal
der Anspruches 1 beschrieben.
Der weitere Anspruch gibt eine vorteilhafte Ausführungs
form der Erfindung an.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Bestimmung der
Photostabilität leicht flüchtiger organischer Verbindungen
(z. B. Umweltchemikalien, Konzentration-/Zeitdiagramme, Halb
wertzeiten, Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten), der
Photostabilität schwer verdampfbarer Verbindungen (Umwelt
chemikalien, die zu den 1,2-Diketonen gezählt werden; das
entstehende CO mit einer Nachweisgrenze von 200 ppt), der
Arbeitsplatzkonzentration organischer Chemikalien in einer
Produktionsstätte (Benzol und 1,2-trans-Dichlorethylen-
Konzentration; Nachweisgrenze 100 ppt-5 ppb), der Konzen
tration organischer Chemikalien in geschlossenen Räumen
(Pentachlorphenol-Nachweis in Büroräumen; 40 µg/m3-
55 µg/m3), Analyse wäßriger und fester Proben (Benzol
nachweis aus dem Fluß Goldach/Kreis Erding; Nachweisgrenze
10 ppb; und CO2-Nachweis aus dem Trägermaterial (Kieselgel,
Aluminiumoxid neutral, Montmorillonid, Sände aus Tulorosa,
Ägypten, Lybien und Saudi Arabien nach den Mineralisierungs
experimenten unter standardisierten Bedingungen; Nachweis
grenze für CO2 mind. 100 ppt) sowie der Konzentration von
toxischen Substanzen in Inhalationskammern (Biacetyl, Benzol,
Tetrachlorkohlenstoff, Freon 11 und 12, Benzaldehyd, Chlor
benzol und 1,2-Trans-Dichlorethylen; Nachweisgrenze mind.
100-500 ppt).
Als Anwendungsgebiete eignen sich die Blutalkoholbestimmung,
Bestimmung leicht flüchtiger Verbindungen im Urin (z. B.
Ketone), Bestimmung chlorierter Kohlenwasserstoffe im Fett
gewebe, Bestimmung leicht flüchtiger Produkte aus dem Klär
schlamm, Müllschlacke und Flugasche, Überwachung der Straßen-
und Stadtluft (alle Schadstoffe einschließlich Stickoxide,
Schwefeldioxid und organische Umweltchemikalien in der
Luft), Kontrolle der Abgase aus Verbrennungsmaschinen und
deren einwandfreie Identifizierung und Quantifizierung,
Überprüfung der Vollständigkeit der Gasphasenreaktion in
der chemischen Industrie (z. B. Ammoniak-Synthese), thermi
sche Zersetzbarkeit der Marktartikel aus der Halbleiter
industrie, Bestimmung von Wasserstoff, Helium, Stickstoff
und anderen Gasen in verschiedenen Bereichen der Industrie
und die Kontrolle der thermischen Zersetzung organischer
Umweltchemikalien bei der Müllverbrennung und Pyrolyse-
Prozessen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs
beispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Anlage besteht im wesentlichen
aus 3 Teilen, nämlich aus einem Vakuum-kontrollierbaren
Rezipiententeil 1, einem optimierten Massenanalysatorsystem
2 und einem speziellen Separatorsystem 3.
Der Rezipiententeil 1 besteht aus einem kugelförmigen Glas
reaktor 4 mit variierbaren Rezipientengrößen zwischen 1-
400 l und Zusatzeinsätzen, z. B. Bestrahler 5, für verschiedene
Zwecke. Der Rezipient ist von einem Heizmantel 6 umgeben,
der Temperaturbereiche bis zu 200°C ermöglicht. Das gesamte
System 1 kann mit Hilfe einer Turbomolekularpumpe 7 (hier
Galileo PT-60) bis auf 10-8 torr evakuiert werden. Durch
Einsatz eines viton-gedichteten Schieberventils kann der
Reaktionsraum 8 vom Pumpenstand getrennt werden (Vorpumpe 9:
Edwards E2 M8). Nach Erreichen des gewünschten Druckes können
aus dem Einlaßsystem 10 die Proben oder Probenteile mit den
Stoffen in die Gasphase gebracht und deren Konzentration
mit Hilfe der Druckmessungen bestimmt werden. Das Einlaß
system 10 besteht aus einem Edelmetallgehäuse mit 4 vakuum
abdichtbaren Öffnungen. Von der oberen Seite ist es mit einem
gefederten Metallstab 11 versehen, mit dessen Hilfe die
flüchtigen Proben, die sich in standardisierbaren Kapillaren
befinden, mechanisch freigesetzt werden können. Für Fest
proben stehen Porzellanschiffchen zur Verfügung. Unterhalb
des Einlaßsystems 10 ist eine variierbare Gasventilkombina
tion 12 (CJT Vakuum-Technik, Ramelsbach) untergebracht, die
die Aufgabe hat, gasförmige Proben kontrolliert in den Reak
tor 4 einzulassen.
Der Rezipiententeil 1 bietet Arbeitsmöglichkeiten in den
Druckbereichen 1-10-8 torr und in verschiedenen
Druckbereichen mit unterschiedlichen Rezipientenvolumen unter
Verwendung von Gas bzw. Gasgemischen.
Beim optimierten Massenanalysatorsystem 2 mit dem speziellen
Separatorteil 3 wird ein Quadrupol-Massenspektrometer 13
(UTI, 10-02) verwendet, das durch Installation eines Channel
tron-electro-multiplier 14 mit einer Massenkorrekturblende
15 sowie durch Einbau einer Ionenpumpe 16 (Varian Vacion
8 l/s) modifiziert ist, wobei die Ionenpumpe 16 senkrecht
zu der Massenanalysatorturbomolekularpumpeneinheit 17 ange
bracht wird. Die optimale Funktionsweise der Anlage wurde
nach folgenden Punkten bewertet:
- a) Dichtigkeit des gesamten Systems mit Hilfe der Druckan stiegsmessungen gegen Zeit, wobei die maximale zulässige Leckrate 1 × 10-5 torr l/s beträgt und
- b) Empfindlichkeitsmessungen am Quadrupol 13 anhand der Referenz verbindungen Benzol, Diacetyl und Chloroform, wobei eine Nachweisgrenze von mindestens 100 ppb erreicht wird.
Der Massenanalysator 13 wird gewöhnlicherweise im Druckbereich
zwischen 10-4 und 10-6 torr betrieben. Der Nachweis der Ionen,
und zwar sowohl die der zu untersuchenden Stoffe als auch der
anderen Gasbestandteile (Verunreinigungen), erfolgt mittels
eines Sekundärelektronenvervielfachers. Sollen Konzentrationen
der Stoffe im ppb- bzw. ppt-Bereich nachgewiesen werden, genügt
es nicht einfach, den Vakuumbereich im Massenanalysator 13
entsprechend zu erhöhen, da in diesem Falle das Signal/Rausch-
Verhältnis die Messung unmöglich macht. Andererseits würde zwar
eine reine Druckerniedrigung wiederum für saubere Meßbedingungen sorgen,
im vorliegenden Falle würde sie den Nachweis der Stoffe aber
verhindern, da ihre Konzentration in der Ionenquelle ent
sprechend erniedrigt würde. Bei der Erfindung wird zwar
auch der Druckbereich des Massenanalysators 13 in Bereiche
von 10-9 torr heruntergedrückt, so daß das Rauschen ver
schwindet, aber durch die Verwendung des Channeltron-electro-
multipliers 14 mit Massenkorrekturblende 15 die Empfindlichkeit
des Nachweises der Stoffe erheblich verbessert. Es entstehen
quasi Reinspektren der Stoffe.
Die Massenkorrekturblende 15 ist nicht direkt beim Channeltron
14 angeordnet, sondern zwischen dem Eingang zur Turbomole
kularpumpe 17 und dem Zugang zur Ionenpumpe 16 eingefügt, d. h.
unterhalb der Ionenpumpe 16. Diese Lage ist besonders günstig,
da eine Plazierung oberhalb der Ionenpumpe den Reinigungspro
zeß unnötig verzögern könnte.
Die Massenkorrekturblende 15 dient der Regulierung und Erhö
hung der relativen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten bzw. Kon
zentrationen der einzelnen Moleküle im Analysator 13. Hierzu
ist ihre Durchtrittsöffnung 31 in ihrem Durchmesser variabel
entweder manuell oder automatisch einstellbar. Sie weist einen
Aufbau auf, der dem einer Irisblende einer optischen Kamera
entsprechen kann. Der Regulator 32 für die Massenkorrektur
blende 15/31 kann entweder von Hand (Stellung des Schalters
43 auf Position 33) oder automatisch (Stellung auf 34) be
trieben werden.
Bei automatischem Betrieb steht er über eine Kontrolleinheit
35 und ein Interface 36 mit einer Prozessoreinheit 37 in
Verbindung. Diese Prozessoreinheit 37 kontrolliert bzw.
steuert über eine weitere Kontrolleinheit 38 den Regulator
39 für das Channeltron 14, wenn der Schalter 40 auf die
Position 41 geschaltet ist (Automatik). Die Stellung 42 ist
wiederum für Handbetrieb gedacht.
Die variable Massenkorrekturblende 15 wird in Zusammenarbeit
mit dem Channeltron 14 von der Prozessoreinheit gesteuert.
Diese Maßnahme (Öffnen oder Schließen der Durchtrittsöffnung
31) führt zur Intensitätsänderung der Fragmentionen der
betreffenden, auszumessenden Verbindungen. Für jeden Druck
bereich sind substanzspezifische Einstellungen der Durch
trittsöffnung 31 zur Optimierung der Nachweisgrenze notwen
dig. Im Gegensatz zu allen bisherigen Geräten, bei denen die
Durchtrittsöffnung konstant auf einen Wert, z. B. für Stick
stoff, eingestellt wird, kann somit für jede nachzuweisende
Verbindung automatisch die optimale Einstellung der Massen
korrekturblende 15 gefunden werden.
Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 2 dargestellt.
Sie zeigt den Verlauf der Intensität in % gegenüber der Fläche
der Durchtrittsöffnung 31 der Massenkorrekturblende 15,
mm2/100 für die Verbindungen Benzol (Kurve 44) und Trichlor
ethylen (Kurve 45). Der Druck ist bei 2,2 × 10-6 Torr fest
gelegt. Beide Kurven 44 und 45 verdeutlichen, daß jeweils eine
optimale Durchtrittsfläche (Maximum), z. B. bei ca. 54 mm2/100
und ca. 42 mm2/100, für die Messung automatisch einstellbar
ist. Der Außendurchmesser der Massenkorrekturblende 15 be
trägt 48 mm, ihre Dicke 2 mm.
Nach der optimalen Einstellung der Massenkorrekturblende 15
werden mittels der Prozessoreinheit 37 und der Kontrollein
heit 38 über eine Outputspannungen des Channeltron 14 die
Intensitäten der Mol- und Fragmentionen erhöht. Dabei werden
alle die zu einem Fragment gehörenden Peaks durch gezielte
Reduzierung der Auflösung kumulierend registriert.
Der Separatorteil 3 zwischen dem Reaktor 4 und dem Massen
analysatorsystem 2 besteht aus 3 Nadelventilen 18-20,
die sowohl in Serie als auch parallel kombiniert wer
den können. Das Nadelventil 18 ist unter normalen Be
dingungen geschlossen, d. h. die Drücke im Reaktor 4 liegen
über 10-6 und die Konzentration der zu untersuchenden
Stoffe ist entsprechend hoch. Dann muß die Dosierung über
die beiden Reduziernadelventile 19, 20 stufenlos durchgeführt
werden, damit sowohl der Druck als auch die Konzentration
der Stoffe in für den Massenanalysator 13 geeigneten Wertbe
reichen liegen. Für den Fall, daß bereits diese Wertbereiche
im Reaktor 4 vorherrschen, kann direkt über das Nadelventil
18 angeschlossen werden.
Zur Durchführung der Experimente können kugelförmige Reaktoren
4 aus Pyrexglas verwendet werden, wobei als Lichtquelle 5
unterschiedliche Lampentypen einsetzbar sind. Bei der Ver
wendung des Gasphase-Massenanalysatorsystems 2 wird das
folgende Versuchsschema eingehalten:
- 1. Einschmelzungen der luftfreien Substanzen in Kapillar röhrchen,
- 2. Erzeugung der Vakuumbereiche in dem Rezipienten 1 bis auf 10-7-10-8 torr,
- 3. Dosierung der Chemikalien aus dem Einlaßsystem 10 in den Reaktor 4 bis zu den Anfangskonzentrationen (1-25 ppm),
- 4. Stabilisierung des Massenanalysators 13 auf die ange gebene Konzentration,
- 5. Betätigung der Lichtquelle 5 nach der Einbrennzeit der Lampe,
- 6. Messung der Abnahme der Ausgangsverbindungen und Nach weis der Bildung der Photoprodukte mit Hilfe des opti mierten Massenanalysatorsystems 2.
Claims (2)
1. Einrichtung zur analytischen Bestimmung von organischen
Stoffen, die in Konzentrationen bis in dem ppm- und ppt-
Bereich vorliegen, mittels Massenanalyse, wobei die
Stoffe aus einem Vorratsbehälter in einen Massenanalysa
tor zu überführen sind, der Vorratsbehälter über eine
Dosiereinrichtung direkt mit dem Massenanalysator verbind
bar und der Massenanalysator ein Quadrupol-Massenspektro
meter mit einem Channeltron-electro-multiplier und Massen
korrekturblende ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (31)
der Massenkorrekturblende (15) variabel einstellbar aus
gebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die optimale Einstellung der Durchtrittsöffnung (31) im
Zusammenhang mit den Betriebsgrößen des Channeltron-
electro-multipliers (14) von einer Prozessoreinheit (37)
automatisch durchführbar ist.
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