EP1566829B1

EP1566829B1 - Verfahren zur Gewinnung eines Ausgangs- Ionenstroms

Info

Publication number: EP1566829B1
Application number: EP04028501A
Authority: EP
Inventors: Armin Dr. Hansel; Armin Dr. Wisthaler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: ATE369621T1; EP1566829A3; ATA20192003A; US20050178956A1; DE502004004565D1; AT413463B; EP1566829A2; US7009175B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenstroms, wobei bei der Ionisation eines Quellgases in einem lonisationsbereich gebildete lonen und/oder aus dem lonisationsbereich extrahierte lonen solange in einem Bereich, in welchem sich Quellgas befindet, reagieren gelassen werden, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-lonensorten vorliegen, die nicht mit dem Quellgas reagieren.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der AT 001 637 U1 bekannt. In dieser Schrift ist ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus H₃O⁺lonen bestehenden lonenstroms beschrieben. Hierzu wird in einem lonisationsbereich mittels einer lonenquelle Wasserdampf ionisiert, wodurch verschiedene lonen gebildet werden (O⁺, OH⁺, H⁺, H₂ ⁺,.....). Diese lonen werden mittels eines schwachen elektrischen Feldes in einen außerhalb des lonisationsbereiches sich befindenden Bereich extrahiert und werden solange in diesem Bereich, in welchem sich H₂O mit einem Druck oberhalb 0,01 Torr befindet, belassen, bis sich auch die zunächst von H₃O⁺-lonen verschiedenen lonen durch Folgereaktionen in H₃O⁺-lonen umgewandelt haben. In diesem Bereich und/oder in einem daran anschließenden Bereich wird der lonenstrom weiters durch ein elektrisches Feld geführt, dessen Feldstärke ausreichend hoch ist, sodass durch Assoziationsreaktionen gebildete H₃O⁺.( H₂O)_n-Clusterionen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen mit neutralen Stoßpartnern genügend kinetische Energie erlangt haben, damit diese Stöße überwiegend dissoziativ sind. Es wird dadurch die Bildung von solchen Clusterionen verhindert bzw. weitgehend rückgängig gemacht. Zur Verbesserung dieser Dissoziationsreaktionen kann dem H₂O auch ein zusätzliches Gas, wie Ar, Kr oder N₂ zugemischt werden, welches den Clusterionen als Stoßpartner dient mit den H₃O⁺-lonen aber nicht chemisch reagiert.
Ein solcher im Wesentlichen aus H₃O⁺-lonen bestehender Ionenstrom kann insbesondere als Primärionenstrom für die chemische lonisation eines Probegases durch Protonentausch-Reaktionen eingesetzt werden, um die gebildeten lonen des Probegases massenspektromerisch zu untersuchen. Diese Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie, kurz PTR-MS, ist in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen beschrieben. Es handelt sich hierbei um eine spezielle Art der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS), welche ebenfalls in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen beschrieben ist.
In der AT 406 206 B ist weiters ein vom Verfahrensablauf her zum aus der AT 001 637 U1 bekannten Verfahren analoges zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus NH₄ ⁺-lonen bestehenden lonenstroms bekannt. Als Quellgas wird hierzu Ammoniak (NH₃) ionisiert und die gebildeten lonen werden nach Extraktion aus dem lonisationsbereich solange in einem Bereich mit einem Ammoniumdruck von oberhalb 0,01 Torr (1,33 Pascal) belassen, bis sich der im Wesentlichen nur aus NH₄ ⁺-lonen bestehende lonenstrom gebildet hat (wobei zur Verhinderung bzw. Rückgängigmachung der Bildung von Clusterionen wiederum eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke zur Induzierung von Stößen angelegt wird).
Aus der AT 403 214 B ist es weiters bekannt, in eine lonenquelle unterschiedliche Quellgase einzubringen und aus den in der lonenquelle aus verschiedenen neutralen Atomen oder Molekülen der Quellgase erzeugte Primärionenarten durch eine Filtereinrichtung alle bis auf eine Primärionenart auszufiltern. Die verbleibende Primärionenart wird in den Reaktionsraum durchtreten gelassen und im Reaktionsraum mit einem Probegas reagieren gelassen, wobei die durch lonen-Molekülreaktionen (z. B. Protonenaustausch-Reaktionen) entstehenden Reaktionsprodukte mit einem Massenspektrometer untersucht werden. Nachteilig hierbei ist das zusätzlich erforderliche, die Filtereinrichtung bildende Massenspektrometer.
Die Gewinnung von nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenströmen ohne eine solche massenspektrometrische Filterung, wie sie aus der AT 403 214 B bekannt ist, ist durch die Verfahren der AT 001 637 U1 bzw. AT 406 206 B nur für wenige lonensorten möglich, insbesondere für H₃O⁺- lonen, NH₄ ⁺-lonen und H₃ ⁺-lonen. Nur bei wenigen Quellgasen bilden sich auf die in diesen beiden Schriften beschriebene Art und Weise Ausgangs-lonen-ströme, die im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehen. Derartige Quellgase sind in der Fachliteratur als "Cl Reagent Gases" beschrieben.
In der EP 000 865 A1 ist die Untersuchung eines Substanzgases beschrieben, welches zu diesem Zweck durch lonen-Molekül-Reaktionen ionisiert wird. Die chemische lonisierung des Substanzgases erfolgt in einem hier als lonisationskammer beschriebenen Raum (der üblicherweise auch als "Drift Tube") bezeichnet wird. Der lonisationskammer wird partiell ionisiertes Primärgas aus einer lonenquelle zugeführt, welche hier als Gasentladungskammer ausgebildet ist. Der lonisationskammer wird neben dem Substanzgas auch ein Reaktantgas zugeführt, welches mit den von der Ionenquelle in die lonisationskammer eintretenden lonen reagiert und seinerseits das Substanzgas ionisiert. In der lonisationskammer befindet sich somit ein Gemisch aus den mehr oder weniger ionisierten Komponenten des Primärgases, Reaktantgases und Substanzgases. Eine Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenstroms geht aus dieser Schrift nicht hervor. Zur Ausgangsöffnung der lonisationskammer werden sowohl die ionisierten Primärteilchen wie auch die Reaktantgas- und Substanzionen geführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Spektrum an erzeugbaren Ausgangs-lonenströmen, die im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehen, zu erweitern, ohne dass hierzu eine massenspektrometrische Filterung (wie in der AT 403 214 B beschrieben) erforderlich ist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere möglich im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehende Ausgangs-lonenströme zu erzeugen, welche bei direkter Zugabe des Reaktantgases in den primären lonisationsbereich aufgrund der in diesem Bereich anwesenden verschiedenen Spezies (lonen, Elektronen, Atome, Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle) nicht in dieser Form entstehen würden. Würde zum Beispiel Stickstoff (N₂) dem Quellgas H₂ beigemischt, so würde im Plasma des primären lonisierungsbereiches neutrales NH₃ entstehen (vgl.: ref1: Fuji et al., Int. J. Mass Spectrom. 216, 169, 2002). H₃ ⁺ würde so bevorzugt mit NH₃ in der Reaktion H₃ ⁺ + NH₃ → NH₄ ⁺ + H₂ reagieren und die Erzeugung eines N₂H⁺-Ausgangsionenstroms (wie weiter unten erläutert) wäre nicht möglich.
Die Zugabe des Reaktantgases in einen vom primären lonisationsraum räumlich getrennten Reaktionsbereich hat weiters den Vorteil, dass auch Gase beigemengt werden können, deren Anwesenheit im primären lonisationsbereich problematisch wäre, z. B. NO in Filament-lonenenquellen (führt zu raschem Filamentbruch) oder kohlenstoffhaltige Gase in Plasmaionenquellen (führt zu Kohlenstoffabscheidungen).
Bevorzugerweise werden geeignete Maßnahmen getroffen, so dass eine Rückströmung des Reaktantgases vom Reaktionsbereich in den lonisationsbereich im Wesentlichen unterbunden wird, d. h. weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% des Partialdrucks im lonisationsbereich soll vom Reaktantgas oder daraus gebildeten Produkten herrühren. Hierzu können beispielsweise die den lonisationsbereich und den Reaktionsbereich bildenden Räume durch ein oder mehrere Zwischenwände getrennt sein, wobei in einer jeweiligen Zwischenwand eine Blendenöffnung angeordnet ist, und durch entsprechende Pumpeinrichtungen ein in Richtung vom lonisationsbereich zum Reaktionsbereich weisender Gasfluss durch mindestens eine der Blendenöffnungen aufrecht erhalten werden. Auch Zwischenabpumpungen zwischen den Bereichen sind denkbar und möglich.
Prinzipiell wäre es - zumindest in einigen Anwendungsfällen - denkbar und möglich, die aus dem lonisationsbereich extrahierten lonen direkt in den Reaktionsbereich zu führen. Bevorzugt ist es aber, die aus dem lonisationsbereich extrahierten lonen zunächst in einen Zwischenbereich zu führen, in welchem sie solange belassen werden, bis sich auch die zunächst noch von der ein oder mehreren Quell-lonensorten verschiedenen lonen im Wesentlichen (d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95%) in lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten umgewandelt haben. Von diesem Zwischenbereich können in der Folge lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten in den Reaktionsbereich extrahiert werden, in dem sie durch Zugabe des Reaktantgases in die einzige lonensorte des Ausgangsionenstroms im Wesentlichen (d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95%) umgewandelt werden.
Falls die Extraktion von lonen aus dem lonisationsbereich direkt in den Reaktionsbereich erfolgt, sind die Reaktionen der bei der lonisation gebildeten lonen zu den lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten im Wesentlichen bereits im lonisationsbereich erfolgt oder diese Reaktionen finden hauptsächlich oder zum Teil im Reaktionsbereich statt. Es muss dazu Quellgas mit einem ausreichenden Druck (beispielsweise mehr als 1 Pascal) im Reaktionsbereich vorhanden sein. Weiters soll das Reaktantgas möglichst nicht mit lonen, welche noch nicht in lonen der einen oder mehreren Quell-lonensorten umgewandelt worden sind, reagieren. Bei manchen Kombinationen von Quellgasen und Reaktantgasen ist dies der Fall. Denkbar und möglich wäre es, in speziellen Fällen, von den Primärionen und/oder Folgeprodukten störende lonensorten (die mit dem Reaktantgas zu unerwünschten lonensorten reagieren) durch Zugabe eines geeigneten Zusatzgases in nicht störende lonen umzuwandeln.
Als Quellgas kann ein Reingas oder ein Gasgemisch verwendet werden. Für das Reaktantgas ist die Verwendung eines Reingases bevorzugt, wobei die Verwendung von Gasgemischen ebenfalls denkbar und möglich wäre.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigt die einzige Fig. eine stark schematisierte Darstellung einer Einrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Die in der Fig. schematisch dargestellte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist drei Bereiche auf. Dem primären lonisationsbereich A wird durch eine Zuführung 1 ein Quellgas zugeführt. Im lonisationsbereich A ist eine nicht im Einzelnen dargestellte lonenquelle bzw. lonisationseinrichtung 2 angeordnet. Die primäre lonisation des Quellgases erfolgt z. B. durch Elektronenemission aus einem Filament, durch ionisierende Strahlung (z. B. α-Teilchen), durch eine elektrische Entladung oder andere lonisationsverfahren. Die Wahl des primären lonisationsverfahrens ist für die gegenständliche Erfindung nicht relevant.
Als Quellgas wird ein Reingas, z.B. Wasserstoff (H₂), oder ein Gasgemisch, z.B. H₂-Argon (Ar) oder Stickstoff (N₂)-Distickstoffmonoxid (N₂O), verwendet. Totaldruck und Partialdrücke hängen von der Wahl des lonisationsverfahrens (Niederdruck- oder Hochdruck-lonenquelle) ab.
Im primären lonisationsbereich A existiert eine Vielzahl von Spezies (lonen, Elektronen, Atome, Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle).
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes geeigneter Polarität werden entweder positive oder negative lonen durch eine Blendenöffnung 3 in einer Zwischenwand 4 in den Zwischenbereich B extrahiert. Der erzeugte lonenstrom ist in der Regel nicht selektiv, d.h. er besteht im Allgemeinen aus verschiedenen lonensorten:

Im Fall von H₂ als Quellgas besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener lonen aus H⁺, H₂ ⁺, H₃ ⁺ und H₃ ⁺·H₂.
Im Fall eines H₂-Ar-Gemisches besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener lonen aus Ar⁺, Ar₂ ⁺, ArH⁺, ArH₂ ⁺, ArH₂ ⁺, H⁺, H₂ ⁺, H₃ ⁺, H₃ ⁺•H₂.
Im Fall eines N₂-N₂O-Gemisches besteht der extrahierbare negative lonenstrom aus vornehmlich O^--lonen, mit Spuren von NO^--lonen. (vgl. ref2: A.P. Bruins et al., Adv. Mass Spectrom. 7, 355, 1978)

Die Relativanteile der beispielhaft angeführten, extrahierbaren lonensorten hängen von verschiedenen Quellparametern (Totaldruck des Quellgases bzw. Partialdrücke der verschiedenen Quellgaskomponenten, Temperatur, u.a.) ab. Neben einfach geladenen lonen können - in Abhängigkeit von der lonenquelle und vom Quellgas - auch mehrfach geladene lonen auftreten und extrahiert werden.
Der Zwischenbereich B wird mit dem Quellgas (Totaldruck > 0,01 mbar, Teilchengasdichte N_B) gespeist. Die Speisung kann durch aus dem lonisationsbereich A in den Zwischenbereich strömendes Quellgas erfolgen. Es kann auch eine in der Fig. nicht dargestellte separate Zuführung vorhanden sein. Der Druck des Quellgases im Zwischenbereich B kann ähnlich oder gleich wie der Druck des Quellgases im lonisationsbereich A sein. Im Zwischenbereich B wird durch Elektroden 5 ein elektrisches Feld der Feldstärke E_B angelegt. Der Zwischenbereich befindet sich auf einer Temperatur T_B.
Im Zwischenbereich B wechselwirken die aus dem primären lonisationsbereich A extrahierten Ionen mit dem Quellgas. Das Spektrum an Wechselwirkungen umfasst binäre lonen-Molekül-Reaktionen (z.B. H₂ ⁺ + H₂ → H₃ ⁺ + H), ternäre lonen-Molekül-Reaktionen (z.B. H⁺ + H₂ + H₂ → H₃ ⁺ + H₂), stoßinduzierte Dissoziationsreaktionen (z.B. H₃ ⁺•H₂ + H₂ → H₃ ⁺ + H₂ + H₂), sowie An- und Abregungsreaktionen (z.B. (H₂ ⁺)^* + H₂ → H₂ ⁺ + H₂)
Die Parameter E_B/N_B und T_B definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen oder zu unterdrücken.
Durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen wird der, aus zahlreichen lonensorten bestehende, aus dem primären lonisationsbereich A extrahierte lonenstrom in einen selektiven lonenstrom im Wesentlichen einer nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorte oder einen lonenstrom aus im Wesentlichen mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorten umgewandelt. Diese ein oder mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorten, d.h. sie sind gegenüber dem Quellgas "stabil", werden in dieser Schrift als "Quell-lonensorten" bezeichnet. Am Ausgang des Zwischenbereichs B, zu dem der Ionenstrom durch das elektrische Feld E_B geführt wird, besteht der lonenstrom vorzugsweise zu mindestens 90% aus der einen oder mehreren Quell-lonensorten, wobei ein Wert von mindestens 95% besonders bevorzugt ist.
Am Ausgang des Zwischenbereichs könnte der Anteil an Ionen der Quell-lonensorten auch niedriger als der angegebene Wert von vorzugsweise 90% bzw. 95% sein, beispielsweise wenn am Ausgang des Zwischenbereichs noch ein Anteil von Clusterionen (z. B. H₃ ⁺.H₂) vorhanden ist, welcher erst im weiter unten beschriebenen Reaktionsbereich C durch Dissoziationsreaktionen in lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten (plus neutrales Quellgas) umgewandelt wird, indem im Reaktionsbereich C ein elektrisches Feld mit einer ausreichenden Feldstärke zur Durchführung der erforderlichen stoßinduzierten Dissoziationsreaktionen angelegt wird.
Die Werte von E_B/N_B und T_B variieren je nach Anwendungsbeispiel. Denkbar und möglich wäre es auch zur Verbesserung der Effizienz der im Zwischenbereich B ablaufenden Dissoziationsreaktionen dem Quellgas ein zusätzliches Gas (z. B. Ar, Kr oder N₂) zuzumischen, welches nicht mit den in den Zwischenbereich extrahierten Ionen über lonen-Molekülreaktionen reagiert sondern nur als Stoßpartner dient.
Im Fall von H₂ als Quellgas entsteht ein selektiver H₃ ⁺-lonenstrom. Es laufen hierbei lonen-Molekülreaktionen folgender Art ab: ${H_{2}}^{+} + H_{2} \to {H_{3}}^{+} + H$
$H^{+} + H_{2} + H_{2} \to {H_{3}}^{+} + H_{2}$
Durch das angelegte elektrische Feld laufen weiters Dissoziationsreaktionen ab, welche gegenüber den Assoziationsreaktionen überwiegen und durch die die Bildung von Clusterionen weitgehend rückgängig gemacht wird, bzw. ihre Bildung von vornherein verhindert wird: ${H_{3}}^{+} • H_{2} + H_{2} \to {H_{3}}^{+} + H_{2} + H_{2}$
Im Fall eines H₂-Ar-Gemisches als Quellgas entsteht ebenfalls ein selektiver H₃ ⁺lonenstrom (vgl. ref3: Praxmarer et al., J. Chem. Phys. 100 (12), 8884-8889, 1994). Auch bei anderen Quellgasgemischen von H₂ mit einem Reingas X, dessen Protonenaffinität kleiner als die von H₂ ist wird als Quell-lonensorte H₃ ⁺ gebildet. Falls die Protonenaffinität der Komponente X größer als die von H₂ ist, entstehen XH⁺-lonen als Quell-lonensorte.
Im Fall des N₂-N₂O-Quellgasgemisches werden die Reaktionsbedingungen so gewählt, dass ein selektiver O^--Ionenstrom erhalten bleibt (ref2).
Der Zwischenbereich B ist von herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung eines selektiven lonenstroms bereits bekannt (er entspricht den Bereichen B und C der AT 001 637 U1 und AT 406 206 B ) und wird auch als "source drift region" bezeichnet. Der Zwischenbereich B könnte auch in zwei Unterbereiche B1 und B2 aufgeteilt sein. Im Bereich B1 würde dann das Quellgas vorliegen, die elektrische Feldstärke aber zu klein für Dissoziationsreaktionen sein. Im anschließenden Bereich B2 würde eine höhere Feldstärke vorliegen, um die Dissoziationsreaktionen hervorzurufen.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die entstandenen lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten durch eine Blendenöffnung 6 in einer Zwischenwand 7 in den Reaktionsbereich C extrahiert.
Im Reaktionsbereich C wird ein zusätzlicher, vom Quellgas in seiner chemischen Zusammensetzung verschiedener, reaktiver Stoßpartner beigemengt, der im Rahmen dieser Schrift als Reaktantgas bezeichnet wird. Das Reaktantgas kann von einem Reingas oder einem Gasgemisch gebildet werden. Der Totaldruck im Reaktionsbereich C beträgt mehr als 0,01 mbar (Teilchengasdichte N_c). Die Partialdrücke von Quellgas und Reaktantgas variieren in Abhängigkeit vom verwendeten Quell- und Reaktantgas. Die Beimengung des Reaktantgases erfolgt durch eine in der Fig. schematisch dargestellte Zuführung 8. Mittels Elektroden 9 wird ein elektrisches Feld der Feldstärke E_c angelegt. Der Reaktionsbereich C befindet sich auf einer Temperatur T_c.
Durch lonen-Molekül-Reaktionen mit dem Reaktantgas wird der aus dem Zwischenbereich B extrahierte lonenstrom - vorzugsweise bestehend im Wesentlichen aus der einen oder mehreren Quell-lonensorten - in einen Ausgangs-lonenstrom umgewandelt, der im Wesentlichen, d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95% aus einer einzigen lonensorte besteht. In der Praxis können Werte von bis zu mehr als 99% erreicht werden. Besteht der aus dem Zwischenbereich B extrahierte lonenstrom aus mehr als einer Quell-lonensorte, so gelingt die Umwandlung in den im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonen-strom dadurch, dass aus den Reaktionen der verschiedenen Quell-lonensorten mit dem Reaktantgas nur eine einzige Produktionensorte hervorgeht.
Die Parameter E_c/N_c und T_c definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen und andere zu unterdrücken, um einen selektiven Ausgangs-lonenstrom einer lonensorte zu erzeugen. Beispielsweise können durch geeignete Wahl der Feldstärke des Feldes E_c Dissoziationsreaktionen bewirkt werden, um die Bildung von Clusterionen rückgängig zu machen bzw. ihre Bildung von vorneherein zu verhindern. Zur Verbesserung der Effizienz solcher Dissoziationsreaktionen könnte in den Reaktionsbereich C auch ein zusätzliches Gas zugemischt werden, welches nicht mit den im Reaktionsbereich C vorhandenen Ionen über lonen-Molekülreaktionen reagiert, sondern nur als Stoßpartner dient.
Durch das elektrische Feld E_c werden die lonen durch den Reaktionsbereich C zum Ausgang 10 geführt.
Durch die Elektroden 5 im Zwischenbereich B und/oder durch die Elektroden 9 im Reaktionsbereich C wird bevorzugterweise ein elektrostatisches Potential erzeugt. Es ist hierbei bevorzugt, dass im Zwischenbereich B und/oder im Reaktionsbereich C ein homogenes elektrisches Feld E_B bzw. E_c erzeugt wird. Durch die Homogenität des elektrischen Feldes E_B bzw. E_c können die Reaktionsbedingungen in vorteilhafter Weise manipuliert werden, d.h. gewisse Reaktionskanäle bevorzugt oder unterdrückt werden.
Durch den Wechsel des Reaktantgases können auf einfachem, schnellem Wege unterschiedliche selektive Ausgangs-lonenströme (d. h. im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehende Ausgangs-lonenströme) erzeugt werden, welche z.B. als Primärionen für chemische lonisationsverfahren genutzt werden können. Solche chemische lonisationsverfahren werden zum Beispiel bei der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS) oder der Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS) eingesetzt. Es wird dabei ein zu untersuchendes Substanzgas mittels des Ausgangs-lonenstroms in einer Drift Tube ionisiert und in der Folge massenspektrometrisch untersucht. Der Reaktionsbereich C bleibt dabei aber im Wesentlichen frei von dem zu untersuchenden Substanzgas, d.h. der Partialdruck des Substanzgases im Reaktionsbereich C beträgt weniger als 1/10 des Partialdruckes des Substanzgases in der Drift Tube. Im Reaktionsbereich C sollen abgesehen von den Komponenten des Quell- und Reaktionsgases bevorzugterweise weniger als 50 ppm an anderen reaktiven Komponenten (=reaktiven Verunreinigungen) vorliegen (die beispielsweise von rückströmenden Komponenten eines zu analysierenden Substanzgases gebildet werden), wobei ein Wert von weniger als 25 ppm besonders bevorzugt ist. Nicht reaktive Komponenten (z.B. Stickstoff) können dagegen mit höheren Anteilen vorliegen.
Die lonensorte am Ausgang 10 unterscheidet sich von der einen bzw. den mehreren Quell-lonensorten.

Falls als Quell-lonensorte am Ausgang des Zwischenbereichs B H₃ ⁺-lonen extrahiert werden, so sind aus diesen beispielsweise Ausgangs-lonenströme erzeugbar, welche als jeweils im Wesentlichen einzige lonensorte folgende lonen aufweisen: N₂H⁺, H₃O⁺, NO⁺, NH₄ ⁺. Reaktantgase, welche mit dem H₃ ⁺-lonenstrom aus dem Zwischenbereich B zu der jeweiligen, den Ausgangs-lonenstrom bildenden einzigen lonensorte reagieren, sind:

Stickstoff (N₂)	H₃ ⁺ + N₂ → N₂H⁺ + H₂
entstehender selektiver Ausgangs-lonenstrom	N₂H⁺

Wasser (H₂O)	H₃ ⁺ + H₂O → H₃O⁺ + H₂
entstehender selektiver Ausgangs-Ionenstrom	H₃O⁺

Stickstoffmonoxid (NO)	H₃ ⁺ + NO → HNO⁺ + H₂ HNO⁺ + NO → NO⁺ + HNO
entstehender selektiver Ausgangs-lonenstrom	NO⁺

Ammoniak (NH₃)	H₃ ⁺ + NH₃→ NH₄ ⁺ + H₂

entstehender selektiver Ionenstrom: NH₄ ⁺

Ein selektiver OH^--Ausgangs-Ionenstrom kann aus dem aus dem Zwischenbereich B extrahierten O^--lonenstrom mittels der Reaktantgase Methan (CH₄)oder H₂ gewonnen werden: $O^{-} + C H_{4} \to {OH}^{-} + C H_{4}$
$O^{-} + H_{2} \to {OH}^{-} + H$
Falls als Quell-lonensorte XH⁺-lonen vorliegen, wobei X eine Komponente des Quellgases ist, dessen Protonenaffinität größer als H₂ ist, so entsteht mit N₂ als Reaktantgas als Ausgangs-lonenstrom N₂H⁺, wenn die Protonenaffinität der Komponente X kleiner als diejenige von N₂ ist. Mit H₂O als Reaktantgas entsteht, falls die Protonenaffinität von X kleiner als die Protonenaffinität von H₂O ist, als im Wesentlichen einzige lonensorte des Ausgangsionenstroms H₃O⁺.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar und möglich, dass der Zwischenbereich B entfällt. Die Reaktionen der im lonisationsbereich gebildeten lonen zu der nicht mit dem Quellgas reagierenden Quell-lonensorte bzw. den mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden Quell-lonen-sorten könnte dann entweder schon im lonisationsbereich im Wesentlichen vollständig ablaufen und/oder nach der Extraktion der (nicht oder nur teilweise zu den ein oder mehreren Quell-lonensorten reagierten) Ionen aus dem lonisationsbereich in den Reaktionsbereich C in diesem durch den vorhandenen Partialdruck an Quellgas weiterlaufen. Es sollen dabei solche Verhältnisse vorliegen, dass das Reaktantgas nicht mit den Vorläufer-Produkten der ein oder mehreren Quell-lonensorten reagiert und/oder mit dem Reaktantgas reagierende Vorläufer-Produkte werden mit einem geeigneten Zusatzgas in nicht störende Ionen reagieren gelassen.
Auch bei vorhandenem Zwischenbereich B wäre es denkbar und möglich, dass die Vervollständigung der Reaktionen zu den ein oder mehreren Quell-lonensorten erst im Reaktionsbereich C stattfindet.
Es können sich somit die Bereiche A und B zumindest teilweise überdecken oder es können sich die Bereich B und C teilweise überdecken, soweit sich B nicht mit A überdeckt. Jedenfalls befindet sich der Reaktionsbereich C außerhalb des lonisationsbereiches A (d. h. außerhalb des Bereiches, in welchem das bei der lonisation des Quellgases entstehende Plasma vorliegt). Der Reaktionsbereich C ist somit vom lonisationsbereich A räumlich getrennt und es wird eine Rückführung von Reaktantgas aus dem Reaktionsbereich C in den lonisationsbereich A im Wesentlichen unterbunden.

Legende zu den Hinweisziffern:

1: Zuführung
2: lonisationseinrichtung
3: Blendenöffnung
4: Zwischenwand
5: Elektrode
6: Blendenöffnung
7: Zwischenwand
8: Zuführung
9: Elektrode
10: Ausgang

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenstroms, wobei bei der lonisation eines Quellgases in einem lonisationsbereich (A) gebildete lonen und/oder aus dem lonisationsbereich (A) extrahierte lonen solange in einem Bereich (A, B, C), in welchem sich Quellgas befindet, reagieren gelassen werden, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-Ionensorten vorliegen, die nicht mit dem Quellgas reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass einem Reaktionsbereich (C), der sich außerhalb des Ionisationsbereiches (A) befindet und in dem Ionen der ein oder mehreren Quell-lonensorten vorhanden sind, ein vom Quellgas sich unterscheidendes Reaktantgas zugeführt wird, welches mit den Ionen der ein oder mehreren Quell-lonen-sorten reagiert, wobei die Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten im Wesentlichen in die den Ausgangs-Ionenstrom bildende einzige Ionensorte umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückströmung des Reaktantgases vom Reaktionsbereich (C) in den lonisationsbereich (A) im Wesentlichen unterbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem lonisationsbereich (A) extrahierten lonen in einen Zwischenbereich (B) geführt werden, in welchem sie solange belassen werden, bis sich durch Ionen-Molekül-Reaktionen mit im Zwischenbereich vorhandenem Quellgas auch die zunächst noch von der ein oder mehreren Quell-lonensorten verschiedenen Ionen im Wesentlichen in Ionen der ein oder mehreren Quell-Ionensorten oder Clusterionen hiervon umgewandelt haben.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zwischenbereich (B) lonen der ein oder mehreren Quell-Ionfensorten oder Clusterionen hiervon in den Reaktionsbereich (C) extrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Ionisationsbereich extrahierten Ionen unmittelbar in den Reaktionsbereich (C) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsbereich (C) auch Quellgas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Reaktionsbereiches (C) benachbarten Abschnitt ein elektrisches Feld (E_C) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus der Ionensorte des Ausgangsionenstroms verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Zwischenbereichs (B) benachbarten Abschnitt ein elektrisches Feld (E_B) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus den ein oder mehreren Quell-lonensorten verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Quell-lonensorte gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Bereich (A, B, C), in welchem die im lonisationsbereich (A) gebildeten Ionen und/oder aus dem Ionisationsbereich (A) extrahierten Ionen zu den ein oder mehreren Quell-lonensorten reagieren gelassen werden, Quellgas mit einem Druck von mindestens 1 Pascal vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung von jeweils im Wesentlichen nur einer einzigen Ionensorte bestehenden Ausgangs-Ionenströmen, die sich in der Ionensorte unterscheiden, dem Reaktionsbereich (C) in Abhängigkeit von der zu bildenden lonensorte des Ausgangs-Ionenstroms verschiedene Reaktantgase zugeführt werden, wobei vor der Zuführung eines jeweiligen Reaktantgases der Reaktionsbereich (C) zur Entfernung von vorausgehend eingesetztem unterschiedlichen Reaktantgas abgepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsbereich (C) angelegte elektrische Feld (E_C) elektrostatisch und homogen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zwischenbereich (B) angelegte elektrische Feld (E_B) elektrostatisch und homogen ist.