EP3391404A1 - Verwendung einer ionisierungsvorrichtung, vorrichtung und verfahren zur ionisation eines gasförmigen stoffes sowie vorrichtung und verfahren zur analyse eines gasförmigen ionisierten stoffes - Google Patents

Verwendung einer ionisierungsvorrichtung, vorrichtung und verfahren zur ionisation eines gasförmigen stoffes sowie vorrichtung und verfahren zur analyse eines gasförmigen ionisierten stoffes

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EP3391404A1
EP3391404A1 EP16826171.7A EP16826171A EP3391404A1 EP 3391404 A1 EP3391404 A1 EP 3391404A1 EP 16826171 A EP16826171 A EP 16826171A EP 3391404 A1 EP3391404 A1 EP 3391404A1
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EP
European Patent Office
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ionization device
electrode
ionization
flow
discharge gas
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EP3391404B8 (de
EP3391404B1 (de
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Jan-Friedrich WOLF
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Plasmion GmbH
Plas­mi­on GmbH
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Plasmion GmbH
Plas­mi­on GmbH
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Publication date
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H05H1/2443—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes the plasma fluid flowing through a dielectric tube
    • H05H1/245—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes the plasma fluid flowing through a dielectric tube the plasma being activated using internal electrodes

Definitions

  • the invention relates to the technical field of ionization of a gaseous substance, especially the ionization or ionization of a gaseous substance in preparation for its analysis.
  • WO 2009/102766 describes a plasma probe which ionizes a discharge gas through a dielectric barrier discharge. To ionize a sample, the plasma probe is directed to a sample to ionize the sample. The ionized sample may be placed in a proximity to the sample
  • Mass analysis unit to be analyzed.
  • this type of ionization there is a repulsion of charged particles and collisions with gas molecules, which can take place a discharge, resulting in a significant loss of ions to analysis and thus reduced sensitivity.
  • US 2013/0161507 A1 discloses a mass spectrometer in which the technique of dielectric barrier discharge is used for the ionization of an analyte. Specifically, the publication is concerned with achieving a low voltage for discharge between two electrodes (see page 1, [0009]). In this case, a sample 101 to be analyzed is to be introduced into a sample vessel 106 and passes through a
  • the object of the invention is to provide a device by which in
  • Flow through a discharge gas and a sample is ionizable and the sample substance is essentially not destroyed (fragmented), to avoid a high constructional and apparatus cost is applicable under ambient conditions and ensures a high sensitivity in a possible analysis of an ionized substance.
  • the object is achieved by a use of an ionization device (claim 1), an ionization device (claim 9) which can be used in an ionization process (claim 17) and can be used for flow-through ionization
  • the ionization device or ionization device comprises at least two electrodes which are separated by a dielectric element.
  • the dielectric element has the shape of a hollow body, so that the element of a discharge gas and a
  • Sample substance can be flowed through. Outside the dielectric element is a first
  • the first electrode can be configured as a ring or as a hollow cylinder and can be pushed or applied over the dielectric element.
  • the second electrode is disposed inside the dielectric member.
  • Ionization The ionization of gaseous substances takes place in and / or after the dielectric discharge region.
  • the ionization efficiency or ionization efficiency depends to a considerable degree on the arrangement of the electrodes relative to one another, which, with an advantageous arrangement, can considerably increase the sensitivity of a possible subsequent analysis.
  • the distance between the associated ends of the electrodes is between -5 mm and 5 mm (a detailed
  • a small distance between the electrodes which is perpendicular to the direction of flow is also advantageous, but may be designed differently taking into consideration the influence on the dielectric discharge which can take place between at least two electrodes.
  • the negative pressure may be provided by a negative pressure unit disposed at the outlet of the ionization device.
  • the achievement desired and achieved by the invention is the flow through ionization of a sample for analysis.
  • a so-called "soft" ionization is used, which does not destroy or fragment molecules for the most part, but leads to quasimolecular ions through protonation and charge transfer recitations.
  • mass spectrometry a direct identification of the Substance via their elemental composition. Due to the configuration of the ionization device according to the invention and of the ionization process, in a subsequent analysis a very high sensitivity in the low femto-bis
  • the invention provides a highly efficient ionization device (with associated
  • the technique can be used to detect toxic compounds or warfare agents. Especially for chemical warfare agents is a very high
  • Another related application is forensics or security controls (narcotic or explosive wipe tests).
  • a combination with sample pre-enrichment systems such as SPME is also possible.
  • the method can be used for medical "point of care" diagnostics (eg biomarker analysis in breath or in combination with SPME for hazardous substances and prohibition substances in blood, urine, etc.).
  • composition of the surrounding atmosphere (humidity, etc.).
  • additional compounds dopants
  • gas compositions a reduction or increase of the ionization efficiency and / or fragmentation can be achieved.
  • the latter is particularly useful for portable applications, since portable systems can not generate characteristic fragments that are used to identify the substances.
  • the invention allows a miniaturization of analyzers and can be combined with portable systems, which significantly increases their sensitivity.
  • a battery or battery operation is possible. No consumables (except electrical energy) are needed and analysis can be done in less than 100 ms.
  • miniaturization and design of the invention may combine with other existing ionization techniques (e.g., ESI, APCI, etc.), allowing for the simultaneous detection of different analytes, such as the parallel ionization of very polar and non-polar species.
  • a further embodiment of the ionization device comprises the introduction of so-called "dopant" substances (such as in chemical ionization) before or after the
  • the ionization device can be used for efficient ionization in the dielectric
  • the distance between the associated ends of the first and second electrodes is preferably between -3 mm and 3 mm, more preferably between -1 mm and 1 mm, more preferably between -0.2 mm and 0.2 mm and most preferably between - 0.05 mm and 0.05 mm for a particularly high efficiency of the ionization by a dielectric barrier discharge.
  • the second electrode which is at least partially disposed in the interior of the dielectric element may have a hollow cylindrical shape or be configured as a hollow body having a non-circular base. Suitable basic shapes of a hollow body additionally comprise a triangular, rectangular or oval basic shape.
  • the second electrode may also be configured as a wire which is concentric or eccentric to the dielectric element.
  • a small distance between the second electrode perpendicular to the flow direction of the gaseous substances and the dielectric element is advantageous. Specifically, the distance is less than 0.5 mm, and preferably less than 0.1 mm. Particularly good ionization results are achieved when the second electrode is in contact with the inner side of the dielectric element.
  • the first electrode may be at a distance from the dielectric element perpendicular to
  • the second electrode abuts the outside of the dielectric element.
  • the best ionization results are achieved when the first electrode is applied as a layer on the outside of the dielectric element. This avoids parasitic discharges of the first electrode which may occur even at a (very) small distance (e.g., gas inclusions) of the first electrode to the dielectric element.
  • the first electrode may be applied as a layer by a drying or hardening liquid or suspension, for example by a metal paint.
  • the layer may also be formed by a transition from a gas phase to the solid phase on the
  • sputtering CVD or PVD, or other layering techniques may be used.
  • the first and second electrodes are made of a conductive material (for electric current).
  • a metal which is preferably silver or gold
  • a silver or gold content (also in the form of a layer) comprises or consists of a metallic alloy.
  • the dielectric element can be made of a plastic (for example PMMA or PP) or preferably consist of quartz glass or another dielectric material.
  • the ionization device has an inlet and an outlet. Through the inlet, a discharge gas and a sample substance can enter the ionization device, in the Inner at least partially ionized and at least partially ionized leave through the outlet.
  • the area of the inlet through which the discharge gas and the sample substance can flow is preferably larger than the area of the outlet which can be flowed through, in particular a flow restriction is arranged at the outlet of the device.
  • a flow through the ionization device is preferably by a
  • the pressure is preferably greater at the inlet of the device than at the outlet of the device, especially at the outlet of the device prevails a pressure which is lower than the atmospheric pressure and outside the inlet atmospheric pressure.
  • the ionization device is preferably connected directly (optionally via a short intermediate element) to the analysis unit.
  • a unit is preferably arranged which can perform an analysis on the basis of a molecular charge, for example mass spectrometers,
  • At least one further ionizing device may be arranged in the analysis device, for example a device for carrying out electron impact ionization,
  • Electrospray ionization or similar Electrospray ionization or similar.
  • discharge gas is the atmosphere surrounding the inlet, especially air.
  • Other discharge gases are also usable, for example nitrogen, oxygen, methane, carbon dioxide,
  • the ionization device or analyzer may be miniaturized to provide portability (eg, "handheld” devices).
  • the ionization device can be used in a process by which a discharge gas and a sample substance, especially in the flow, ionized.
  • a discharge gas and a sample substance especially in the flow, ionized.
  • the discharge gas and the sample are introduced into the ionization device through the inlet of the ionization device, a voltage is applied between the first and second electrodes such that a dielectric barrier discharge in a dielectric Barrier discharge region is effected and the discharge gas and / or the sample is ionized in and / or after the discharge region.
  • a voltage of up to 20 kV can be used, preferably at most 10 kV and especially highest 5 kV. Particularly good ionization results are achieved at a voltage between 1 kV and 3 kV.
  • the dielectric barrier discharge can be achieved by unipolar voltage pulses (or
  • the pulses preferably have a duration of 1 and especially a maximum duration of 500 ns. Best results are achieved with a duration of pulses between 100 ns and 350 ns.
  • the pulses or pulses preferably have a frequency of at most 1 MHz, especially at most 100 kHz, and more preferably at most 25 kHz. At a frequency between 1 kHz and 15 kHz, the
  • the voltage between the first and second electrodes may be applied by a sine voltage, wherein the sine voltage of one of the first and second electrodes is preferably shifted by half a period duration with respect to the other of the first and second electrodes.
  • An analysis device may be used in a method wherein a discharge gas and a sample are introduced into the inlet of an ionization device. A voltage is applied to the first and / or second electrodes to cause a dielectric barrier discharge in a dielectric barrier discharge region. In and / or after the dielectric barrier discharge region, the sample substance and / or the discharge gas is at least partially ionized and subsequently analyzed.
  • a voltage of up to 20 kV can be used in the method for analysis, preferably at most 10 kV and especially highest 5 kV. Especially good
  • Ionization results are achieved at a voltage between 1 kV and 3 kV.
  • the dielectric barrier discharge in the method of analysis can be determined by unipolar
  • Voltage pulses are effected to minimize the effects of a displacement current.
  • the pulses preferably have a duration of 1 and especially a maximum duration of 500 ns. Best results are achieved with a duration of pulses between 100 ns and 350 ns.
  • the pulses or pulses preferably have a frequency of at most 1 MHz, especially at most 100 kHz, and particularly preferably at most 25 kHz. At a frequency between 1 kHz and 15 kHz, the most energy-efficient ionization results are achieved.
  • the voltage between the first and second electrodes may be applied by a sine voltage, wherein the sine voltage of one of the first and second electrodes is preferably shifted by half a period duration with respect to the other of the first and second electrodes.
  • An ionization apparatus may be used for flow-through ionization of a discharge gas and a sample.
  • a discharge gas for example air or another atmosphere surrounding the inlet of the ionization device, can
  • a sample may be introduced into the device discontinuously or with the discharge gas continuously.
  • the ionization takes place in the interior of the ionization device in the flow. Specifically, when an analyzer unit is connected to the ionizer, it can be ensured that the ionized sample to be analyzed enters the analyzer unit without interacting with discharge gas that has not passed through the ionizer, as would occur, for example, in "plasma jets".
  • an ionization device may have a sample input, which is arranged downstream of the discharge region.
  • Sample input can be configured for example via a tee.
  • a discharge gas may pass through an inlet of a
  • the ionization device as above or below
  • Discharge region may be present in addition to the discharge gas dopant, which can be introduced as the discharge gas via the input of the ionization device or via a further input (Dopant input) can be introduced into the iontechnischsvoriques.
  • the discharge gas and / or the dopant is ionized in the ionization device.
  • the sample introduced after (downstream) the discharge region reacts with the ionized discharge gas and / or dopant, specifically by a charge transfer reaction, thereby ionizing the sample.
  • the ionization device preferably has an absolute pressure of more than 40 kPa during ionization.
  • An ionization device described above or hereinafter may be used such that in the discharge region during ionization, a discharge gas and / or Dopant is present, whereby the discharge gas and / or dopant are ionized.
  • an absolute pressure of more than 40 kPa prevails.
  • the ionized discharge gas and / or the dopant may ionize leave the ionization apparatus and impinge on a sample outside of the ionization apparatus, whereby a reaction, especially charge transfer reaction, occurs between the ionized discharge gas and / or dopant and the sample. This can ionize a sample.
  • An ion mass filter isolates or selects a particular ion or ions based on their mass or mass-to-charge ratio.
  • An example of an ion mass filter is a quadrupole.
  • the ion mass filter may be arranged between the discharge region of an ionization device and the sample input of the ionization device if the ionization device has a sample input.
  • the ion mass filter can also between the discharge of a
  • Sensitivity improvement may result during an analysis of the ionized sample.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R.
  • FIG. 1 a shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with a positive value of the distance D.
  • FIG. 1b shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with a negative value of the distance D.
  • FIG. 1c shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with a value of the distance D equal to zero.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R, with a section perpendicular to the flow direction A-A.
  • FIG. 3 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with a flow restriction 20.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with a flow restriction and an inlet or outlet A30.
  • FIG. 5 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section
  • FIG. 6 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section perpendicular to the flow direction R.
  • FIG. 7 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section perpendicular to the flow direction R.
  • FIG. 8 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section perpendicular to the flow direction R.
  • FIG. 9 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section perpendicular to the flow direction R.
  • FIG. 10 shows an embodiment of an ionization device 100 in a section perpendicular to the flow direction R.
  • FIG. 11 shows an embodiment of an analysis device 200 in a section through the longitudinal axis in the flow direction R with an ionization device 100 and an analysis unit 30.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an ionization device 100 having a first electrode 1, which rests on the outer side 2 a of a dielectric element 2.
  • a second electrode 3 is partially disposed inside the dielectric member 2 and abuts the inside 2b of the dielectric member.
  • the first and second electrodes 1, 3 and the dielectric element 2 are formed as cylindrical hollow bodies with open end faces.
  • the outer diameter and the wall thickness of the first electrode 1 are selected such that the first electrode 1 abuts against the dielectric element 2 and the outer diameter of the second electrode 3 with respect to the first electrode 1 substantially by twice the wall thickness of the first electrode 1 and twice the wall thickness of the dielectric element 2 is reduced.
  • the ionization device 100 can be traversed by a discharge gas G or a sample substance S (or a mixture of the discharge gas G and a sample substance S) in a flow direction R.
  • a discharge gas G or a sample substance S or a mixture of the discharge gas G and a sample substance S
  • the inlet E of the ionization device 100 which is open relative to the surrounding atmosphere, the discharge gas G and / or sample substance S can enter the ionization device 100.
  • the inlet E is formed by the open and istströmbare end face (opposite to the flow direction R) of the second electrode 3 as a surface with the inner diameter of the second electrode.
  • the second electrode 3 can be arranged completely inside the dielectric element 2, so that the inlet E of the ionization device 100 is formed by the open, opposite to the flow direction R end face of the dielectric element 2.
  • An outlet A of the ionization device 100 is formed by the end face of the dielectric element 2 lying in the flow direction R.
  • the flow-through surface of the outlet A is defined by the inner diameter of the
  • the first and second electrodes 1, 3 are so to each other arranged that they have in the flow direction R substantially no distance. A spacing of the electrodes 1, 3 perpendicular to the flow direction R results from the wall thickness of the dielectric element 2 lying between the electrodes 1, 3.
  • a negative pressure unit 10 is provided, in which a pressure below the atmospheric pressure prevails, whereby a flow in the iontechnischsvoriques 100 is caused and the pressure in the
  • Iontechnischsvortechnisch 100 is controlled (by controlling the pressure in the
  • a vacuum unit 10 may be disposed on all embodiments of the ionization apparatus 100.
  • Barrier discharge area 110 form to ionize a discharge gas G or the sample S.
  • the dielectric barrier discharge region 110 is shown only schematically in FIG. 1 and indicates that the formation of a reactive species by the dielectric barrier discharge takes place primarily in the region between the electrodes 1, 3.
  • first and / or second electrode 1, 3 may lie in the dielectric element 2 such that the electrodes 1, 3 are insulated from one another.
  • the distance D has a positive value (for example 1 mm) and results as a distance in or against the flow direction R between the two ends of the electrodes 1, 3.
  • the end of the first electrode 1 located in the direction of flow R is assigned Flow direction R last end of the second electrode 3.
  • the electrodes 1, 3 do not overlap in or against
  • FIG. 1b shows a distance D of the associated ends of the first and second electrodes 1, 3 in or against the flow direction R with a negative value (for example -1 mm).
  • a negative value for example -1 mm.
  • the end of the first electrode 1 which is located in the direction of flow R is assigned to the end of the second electrode 3 which is the last in the flow direction R. If the electrodes 1, 3 overlap, this results in negative values of the distance D.
  • the distance D between the ends of the electrodes 1, 3 is equal to zero. Assigned is the first end in the flow direction R of the first electrode 1 and the end in the flow direction R last end of the second electrode 3. The skilled person will appreciate that such a limiting case should be present only within the measurement accuracy of a distance measurement.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an ionization device 100 with overlapping electrodes 1, 3.
  • the distance D has a negative value.
  • Cross section is a section A-A perpendicular to the flow direction introduced (see Figure 5).
  • a flow restriction 20 is arranged in FIG.
  • an embodiment of the ionization device of FIG. 2 is shown, wherein a flow restriction 20 can be arranged on any other embodiment of the ionization device 100.
  • the flow restriction 20 is designed as a reduction piece that can be applied to the ionization apparatus 100, as a result of which the throughflowable area of the outlet A of the ionization apparatus is reduced.
  • a flow through the iontechnischsvoriques can be caused by a pressure gradient, for which preferably a vacuum (for example by a
  • Vacuum unit 10 is or is applied to the outlet A of the ionization device, outside the inlet is preferably atmospheric pressure.
  • the flow through the ionization device 100 can be easily regulated at a given pressure gradient (for example, by a specific vacuum at the outlet A20 of the flow restriction 20).
  • a pressure gradient in the ionization device 100 is low compared to a pressure gradient without flow restriction 20.
  • the pressure in the dielectric barrier discharge region 110 is, depending on the specific
  • the flow restriction 20 and the ionization device 100 are considerably higher than the pressure at the outlet A20 of the flow restriction 20 and only slightly lower than atmospheric pressure, which preferably prevails outside of the inlet E.
  • the specific pressure conditions result from the configuration of the respective components, substance-specific properties and the physical boundary conditions (temperature, ambient pressure, etc.).
  • the absolute pressure in the dielectric barrier discharge region 110 is greater than 40 kPa.
  • the flow through the ionization device 100 is between 0.01 L / min and 10 L / min, and more preferably between 0.1 L / min and 1.5 L / min.
  • Cross-sectional constriction also be effected by other structural or regulatory measures (for example, by a controllable change in cross section through a valve or a variable vacuum).
  • a narrowing of the outlet A of the ionization device 100 by a non-constant cross-section of the dielectric element 2 may be advantageous.
  • other suitable means for regulating the pressure in the ionization apparatus 100 and / or the flow through the ionization apparatus are possible.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of an ionization device 100 with an inlet or outlet A30.
  • the inlet or outlet A30 can be combined in all other embodiments of an ionization device 100 according to the invention (with or without flow restriction 20).
  • the inlet or outlet A30 is designed such that in the flow direction R after or in front of the dielectric barrier discharge region 110 an additional substance can be introduced into the ionization device 100 or a portion of the flowing discharge gas G and the sample S can be applied.
  • FIG. 5 shows a section A-A perpendicular to the flow direction R through the part of the embodiment of an ionization device 100 of FIG. 2 in which the electrodes 1, 3 overlap.
  • the first electrode 1, the dielectric element 2 and the second electrode 3 have a circular cross-section.
  • the first electrode 1 abuts the outer side 2 a of the dielectric element 2
  • the second electrode 3 abuts the inner side 2 b of the dielectric element 2.
  • the second electrode 3 does not abut against the inner side 2b of the dielectric element 2 and can be flowed through by a discharge gas G and sample substance S flowing through the ionization device 100.
  • the second electrode 3 is designed as a wire or elongated body which is in the middle region (area perpendicular to the flow direction R) of an ionization device 100 is arranged.
  • the inside 2b of the dielectric element 2 can be contacted by a discharge gas G and sample S flowing through the ionization device 100.
  • the first electrode 1 abuts on the outer side 2 a of the dielectric element 2.
  • the second electrode 3 is designed as a wire or elongated body.
  • the dielectric element 2 rests against the second electrode 3 with its inner side 2b.
  • a discharge gas G and a sample substance S can flow through the annular gap that forms between the dielectric element 2 and the first electrode 1.
  • a body K is arranged around the first electrode 1.
  • the second electrode 3 is configured as a wire or elongate body and does not contact the inside 2b of the dielectric element 2.
  • the first electrode 1 abuts on the outside 2a of the dielectric element 2.
  • the body K thus surrounds the first electrode 1 in such a way that a discharge gas G and sample substance S flowing through the ionization device 100 can be divided into two flowing portions.
  • a first portion may flow through an annular gap formed between the body K and the first electrode 1, and a second portion may flow through between the second electrode 3 and the second electrode
  • the discharge gas G and the sample S are preferably ionizable only or largely in the annular gap between the second electrode 3 and the dielectric member 2.
  • the dielectric barrier discharge region 110 preferably extends for the most part only into the annular gap between the second electrode 3 and the dielectric element 2.
  • the stream of the discharge gas G and the sample substance S which can be divided in this embodiment is preferably in the first and second after the inlet E into the ionization device Shareable and before (in each case in the flow direction R) the outlet A of
  • An embodiment of the ionization device 100 in FIG. 9 comprises a first electrode 1, a dielectric element 2 and a second electrode 3, which are rectangular
  • the second electrode 3 is surrounded by the sides of the dielectric element 2 (inside 2b) and can be traversed by a discharge gas G and a sample S and flows around.
  • the first electrode 1 abuts against the outer side 2 a of the dielectric element 2.
  • the first electrode 1, the dielectric element 2 and the second electrode 3 of the embodiment of the ionization device 100 shown in FIG. 10 have a triangular basic shape and are otherwise configured analogously to the embodiment of FIG. 9.
  • inner pages are grouped together as an inside and outside pages as an outside.
  • FIGS. 5-10 may be cross sections of the various embodiments of ionization device 100 disclosed herein.
  • An analysis device 200 shown in FIG. 11 comprises any one
  • Embodiment of the ionization device 100 which is connected to an analysis unit 30.
  • Analysis unit 30 can be configured in various ways. For example, a direct connection (direct transition of the ionization device 100 in the
  • Analysis unit 30 or an intermediate or transition piece between the ionization device 100 and the analysis unit 30.
  • the discharge gas G and the sample S is ionizable.
  • the ionized discharge gas G and the ionized sample S reach the analysis unit 30, the ionized sample S is analyzable.
  • the analysis unit 30 is suitable
  • an analysis unit 30 may be a mass spectrometer, an ion mobility spectrometer or other unit known as such.
  • An underpressure unit 10 can also be arranged on an analysis device 200.

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Abstract

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ionisierung eines gasförmigen Stoffes, speziell die Ionisierung oder Ionisation eines gasförmigen Stoffes als Vorbereitung zu dessen Analyse. Eine Vorrichtung soll im Durchfluss ein Entladungsgas und einen Probenstoff ionisierbar machen und den Probenstoff im Wesentlichen nicht zerstören oder fragmentieren. Sie soll zur Vermeidung eines hohen konstruktiven und apparativen Aufwands unter Umgebungsbedingungen anwendbar sein und bei einer möglichen Analyse eines ionisierten Stoffes eine hohe Sensitivität gewährleisten. Dafür wird die Verwendung einer Ionisierungsvorrichtung zur Durchflussionisierung eines Entladungsgases und eines Probenstoffes bei einem absoluten Druck in der Ionisierungsvorrichtung während einer Ionisierung von größer als 40 kPa. Die Ionisierungsvorrichtung umfasst einen Einlass, einen Auslass, eine erste Elektrode, dielektrisches Element und eine zweite Elektrode. Das dielektrische Element ist in Form eines Hohlkörpers mit einer Innenseite und einer Außenseite ausgebildet und von dem Entladungsgas und dem Probenstoff in einer Strömungsrichtung durchströmbar. Die erste Elektrode ist außerhalb der Außenseite des dielektrischen Elements angeordnet. Die zweite Elektrode ist zumindest abschnittsweise im Inneren des dielektrischen Elements angeordnet, von der Innenseite des dielektrischen Elements senkrecht zur Strömungsrichtung umgeben und von dem Entladungsgas und dem Probenstoff durchströmbar oder umströmbar. Ein Abstand in oder gegen Strömungsrichtung zwischen den zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode liegt zwischen -5 mm und 5 mm. Eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen Barriereentladungsbereich ist durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode bildbar, um das Entladungsgas oder den Probenstoff zu ionisieren.

Description

Verwendung einer lonisierungsvorrichtung, Vorrichtung und Verfahren zur Ionisation eines gasförmigen Stoffes sowie Vorrichtung und Verfahren zur Analyse eines gasförmigen ionisierten Stoffes
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ionisierung eines gasförmigen Stoffes, speziell die Ionisierung oder Ionisation eines gasförmigen Stoffes als Vorbereitung zu dessen Analyse.
WO 2009/102766 beschreibt eine Plasmasonde, die ein Entladungsgas durch eine dielektrische Barriereentladung ionisiert. Zur Ionisierung eines Probenstoffes wird die Plasmasonde auf einen Probenstoff gerichtet, um den Probenstoff zu ionisieren. Der ionisierte Probenstoff kann in einer in der Nähe des Probenstoffes angeordneten
Massenanalyseeinheit analysiert werden. Bei dieser Art der Ionisierung kommt es zu einer Abstoßung geladener Teilchen und zu Zusammenstößen mit Gasmolekülen, wodurch eine Entladung stattfinden kann, was einen erheblichen Verlust an Ionen bis zur Analyse und damit verminderte Sensitivität führt.
Aus US 2013/0161507 AI ist ein Massenspektrometer bekannt, bei dem zur Ionisierung eines Analyten die Technik der dielektrischen Barriereentladung eingesetzt wird. Speziell geht es in der Veröffentlichungsschrift um das Erreichen einer geringen Spannung zur Entladung zwischen zwei Elektroden (siehe S. 1, [0009]). Dabei ist eine zu analysierende Probe 101 in einem Probengefäß 106 einzubringen und gelangt durch einen
Druckgradienten unter Vakuum in einen Entladungsbereich 114, in dem die Ionisierung stattfindet. Im Entladungsbereich herrscht ein Druck zwischen 2 Torr und 300 Torr (zwischen 266 Pa und 39900 Pa) bei einem Abstand der Elektroden 112, 113 zwischen 1 mm und 100 mm (siehe S. 2, [0035]). Das Vakuum im Entladungsbereich 114 ist notwendig, um eine geringe Entladungsspannung zu erreichen. Zusätzlich wird eine Lichtbestrahlungseinheit 116 angewendet, die einen Bereich bestrahlt und eine Entladung generiert. Eine solche
Vorrichtung (unter Vakuum) ist konstruktiv aufwendig und die Notwendigkeit des
Einbringens einer Probe in das Probengefäß ist nur für bestimmte Analysen anwendbar.
Die Erfindung steht vor der Aufgabe eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die im
Durchfluss ein Entladungsgas und einen Probenstoff ionisierbar ist und den Probenstoff im Wesentlichen nicht zerstört (fragmentiert), zur Vermeidung eines hohen konstruktiven und apparativen Aufwands unter Umgebungsbedingungen anwendbar ist und bei einer möglichen Analyse eines ionisierten Stoffes eine hohe Sensitivität gewährleistet. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Verwendung einer lonisierungsvorrichtung (Anspruch 1), eine lonisierungsvorrichtung (Anspruch 9), die in einem lonisierungsverfahren angewendet werden kann (Anspruch 17) und zur Durchflussionisation verwendet werden kann
(Anspruch 30). Eine Analyseeinheit macht einen ionisierten Probenstoff in einer
Analysevorrichtung (Anspruch 20) nach einem Analyseverfahren (Anspruch 25) analysierbar.
Die lonisierungsvorrichtung oder lonisationsvorrichtung umfasst zumindest zwei Elektroden, die durch ein dielektrisches Element getrennt sind. Das dielektrische Element weist die Form eines Hohlkörpers auf, so dass das Element von einem Entladungsgas und einem
Probenstoff durchströmbar ist. Außerhalb des dielektrischen Elements ist eine erste
Elektrode angeordnet. Die erste Elektrode kann als Ring oder als Hohlzylinder ausgestaltet sein und über das dielektrische Element geschoben oder aufgebracht sein. Die zweite Elektrode ist im Inneren des dielektrischen Elements angeordnet. Durch Anlegen einer ausreichend großen Wechselspannung an eine oder beide der Elektroden kommt es zu einer dielektrischen Barriereentladung in einem dielektrischen Entladungsbereich der
lonisierungsvorrichtung. Die Ionisierung gasförmiger Stoffe findet in und/oder nach dem dielektrischen Entladungsbereich statt.
Überraschend hat sich gezeigt, dass die lonisierungseffizienz oder lonisationseffizienz in erheblichem Maße von der Anordnung der Elektroden zueinander abhängt, wodurch sich, bei vorteilhafter Anordnung, die Sensitivität einer möglichen nachfolgenden Analyse erheblich steigern lässt. Für eine hohe lonisierungseffizienz liegt der Abstand zwischen den zugeordneten Enden der Elektroden zwischen -5 mm und 5 mm (eine detaillierte
Darstellung des Abstands findet sich bei den Figuren la bis lc).
Auch ein geringer zur Strömungsrichtung senkrechter Abstand zwischen den Elektroden ist vorteilhaft, kann indes unter Abwägung des Einflusses auf die dielektrische Entladung, die zwischen mindestens zwei Elektroden stattfinden kann, unterschiedlich ausgestaltet sein.
Ebenso überraschend ist eine hocheffiziente Ionisierung von gasförmigen Stoffen bei einem Druck von über 40 kPa im Entladungsbereich. Der Unterdruck kann durch eine am Auslass der lonisierungsvorrichtung angeordnete Unterdruckeinheit bereitgestellt werden.
Der von der Erfindung gewünschte und erreichte Erfolg ist die Durchflussionisierung eines Probenstoffes zur Analyse. Dabei wird eine sogenannte "softe" Ionisierung angewendet, die Moleküle größtenteils nicht zerstört oder fragmentiert, sondern durch Protonierungs- und Ladungstransferrekationen zu quasimolekularen Ionen führt. Speziell in Verbindung mit (hochauflösender) Massenspektrometrie kann hiermit eine direkte Identifizierung der Substanz über ihre Elementzusammensetzung erfolgen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der lonisierungsvorrichtung und des lonisierungsverfahrens wird bei einer anschließenden Analyse eine sehr hohe Sensitivität im niedrigen Femto- bis
Attogrammbereich erreicht.
Die Erfindung liefert eine hoch effiziente lonisierungsvorrichtung (mit zugehörigem
Verfahren), die in Kombination mit Massenspektrometrie oder
lonenmobilitätsspektrometrie eine hoch sensitive "elektronische Nase" (in einem
Analyseverfahren) liefert, die eine direkte chemische Analyse von Molekülen in der
Gasphase erlaubt. Anwendungsmöglichkeiten hierfür sind neben klassischer Kombinationen mit chromatographischen Verfahren (GC, HPLC, Nano-LC) auch direkte Screeninganalysen. z.B. direkte Pestizidanalyse auf Obst- oder Gemüseoberflächen. Militärisch oder im
Zivilschutz kann die Technik zum Nachweis giftiger Verbindungen oder Kampfstoffe eingesetzt werden. Insbesondere bei chemischen Kampfstoffen ist eine sehr hohe
Sensitivität notwendig, da diese schon in kleinsten Konzentrationen zu lebensgefährlichen Vergiftungen führen können. Ein weiterer verwandter Anwendungsbereich ist die Forensik oder Sicherheitskontrollen (Betäubungsmittel- oder Sprengstoffwischtests). Auch eine Kombination mit Probenvoranreicherungssystemen wie SPME ist möglich. Die Methode kann zur medizinischen "Point of Care" Diagnostik (z.b. Biomarkeranalyse in Atem oder in Kombination mit SPME für Gefahr- und Verbotsstoffe in Blut, Urin etc.) angewendet werden.
Durch die Möglichkeit einer Durchflussionisation wird generell die Probenahme bei der Analyse vereinfacht ("einsaugen" analog zur menschlichen Nase), was für schnelle Analyse- Anwendungen oder Screeninganalysen z.B. bei der Industriellen Prozesskontrolle wichtig ist. Weiterführend wird das bisher bestehende Problem eines effektiven Transfers von geladenen Teilchen bei Atmosphärendruck ins Vakuum (Analyse) gelöst. Durch die gegenseitige Abstoßung der geladenen Teilchen gehen bei aktuell eingesetzten Verfahren zur Atmosphärendruckionisation (beispielsweise ESI, HESI, APCI, DART, DESI, LTP) große Teile der gebildeten Ionen ungenutzt verloren. Durch die Bildung der Ionen direkt im oder am Einlass wird ein effektiver Transfer der geladenen Teilchen zur Analyse und damit eine hohe Sensitivität gewährleistet.
Chemische Analysen müssen zumeist nicht nur qualitativ sondern quantitativ geführt werden. Durch das Problem einer "offenen" Verbindung der Ionisation mit dem Analysator, wie bei bestehenden Methoden, kann die Quantifizierung leicht durch äußere Einflüsse (Luftzug, Eindiffusion von Störstoffen, etc.) gestört werden. Dies ergibt das Problem falscher, bzw. unrichtiger Analyseergebnisse. Durch eine Durchflussionisierung ist die Verbindung zwischen Ionisation und Analysegerät geschlossen und löst somit das beschriebene Problem bei der Quantifizierung.
Bestehende plasmabasierte lonisationsverfahren bei quasi Atmosphärendruck erlauben kein Einbringen des Analyten in das Entladungsgas, da der Analyt in der Entladung zerstört wird. Durch die Bildung eines äußerst "soften" Plasmas mit keiner oder kaum Fragmentierung wird dieses Problem gelöst.
Der Grad der auftretenden Fragmentierung hängt wie die Effizienz zum Teil von der
Zusammensetzung der umgebenden Atmosphäre (Luftfeuchtigkeit, etc.) ab. Somit kann über geeignete Wahl von Zusatzverbindungen (Dopants) oder Gaszusammensetzungen eine Absenkung oder Steigerung der lonisationseffizienz und/oder Fragmentierung erzielt werden. Letztere ist insbesondere für portable Anwendungen sinnvoll, da portable Systeme charakteristische Fragmente, die zur Identifikation der Stoffe genutzt werden, diese meist nicht selbst erzeugen können.
Weiterhin erlaubt die Erfindung eine Miniaturisierung von Analysegeräten und kann mit portablen Systemen kombiniert werden, was deren Sensitivität erheblich steigert. Dazu ist ein Batterie- oder Akkubetrieb möglich. Es werden keine Betriebsstoffe (außer elektrischer Energie) benötigt und Analysen können in weniger als 100 ms durchgeführt werden.
Zusätzlich kann durch die Miniaturisierbarkeit und Ausgestaltungsart der Erfindung eine Kombination mit anderen bereits existierenden lonisationsverfahren (z.B. ESI, APCI, etc.) erfolgen, was einen den gleichzeitigen Nachweis von unterschiedlichen Analyten ermöglicht, wie zum Beispiel die parallel Ionisation von sehr polaren und unpolaren Stoffen.
Eine weiterführende Ausgestaltung der lonisationsvorrichtung umfasst das Einbringen von sog. "Dopant" Stoffen (wie z.B. in der chemischen Ionisation) vor oder nach der
lonisationsvorrichtung, zum Zwecke der Selektivitäts- oder Sensitivitätssteigerung.
Durch die lonisierungsvorrichtung kann eine effiziente Ionisierung im dielektrischen
Barriereentladungsbereich sogar bei einem Druck von größer als 60 kPa, vorzugsweise größer als 80 kPa und besonders bevorzugt bei im Wesentlichen atmosphärischen Druck durchgeführt werden.
Der Abstand zwischen den zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode liegt vorzugsweise zwischen -3 mm und 3 mm, mehr bevorzugt zwischen -1 mm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen -0,2 mm und 0,2 mm und am meisten bevorzugt zwischen - 0,05 mm und 0,05 mm für eine besonders hohe Effizienz der Ionisierung durch eine dielektrische Barriereentladung.
Die zweite Elektrode, die zumindest teilweise im Inneren des dielektrischen Elements angeordnet ist kann eine hohlzylindrische Form aufweisen oder als Hohlkörper ausgestaltet sein, der eine nicht kreisrunde Grundfläche aufweist. Geeignete Grundformen eines Hohlkörpers umfassen zusätzlich eine dreieckige, rechteckige oder ovale Grundform. Die zweite Elektrode kann ebenso als Draht ausgestaltet sein, der konzentrisch oder exzentrisch zum dielektrischen Element angeordnet ist. Ein geringer Abstand zwischen der zweiten Elektrode senkrecht zur Strömungsrichtung der gasförmigen Stoffe und dem dielektrischen Element ist vorteilhaft. Speziell ist der Abstand kleiner als 0,5 mm und bevorzugt kleiner als 0,1 mm. Besonders gute lonisierungsergebnisse werden bei einem Anliegen der zweiten Elektrode an der inneren Seite des dielektrischen Elements erzielt.
Die erste Elektrode kann einen Abstand zum dielektrischen Element senkrecht zur
Strömungsrichtung der gasförmigen Stoffe aufweisen, wobei dieser bevorzugt kleiner als 5 mm ist. Speziell liegt die zweite Elektrode an der Außenseite des Dielektrischen Elements an. Die besten lonisierungsergebnisse werden erzielt, wenn die erste Elektrode als Schicht auf die Außenseite des dielektrischen Elements aufgetragen ist. Dadurch werden parasitäre Entladungen der ersten Elektrode vermieden, die auch bei einem (sehr) geringen Abstand (z.B. Gaseinschlüsse) der ersten Elektrode zu dem dielektrischen Element auftreten können. Die erste Elektrode kann als Schicht durch eine trocknende oder aushärtende Flüssigkeit oder Suspension aufgebracht werden, beispielsweise durch einen Metalllack. Die Schicht kann ebenso durch einen Übergang aus einer Gasphase in die feste Phase auf der
Außenseite des dielektrischen Elements aufgebracht sein. Dafür kann Beispielsweise Sputter, CVD oder PVD, oder andere Schichtauftragende Techniken verwendet werden.
Die erste und zweite Elektrode besteht aus einem leitfähigen Material (für elektrischen Strom). Speziell aus einem Metall, das bevorzugt Silber oder Gold ist, einen Silber- oder Goldanteil (auch in Form einer Schicht) umfasst oder aus einer metallischen Legierung besteht.
Das dielektrische Element kann aus einem Kunststoff (beispielsweise PMMA oder PP) bestehen oder bevorzugt aus Quarzglas oder einem anderen dielektrischen Material bestehen.
Die lonisierungsvorrichtung weist einen Einlass und einen Auslass auf. Durch den Einlass kann ein Entladungsgas und ein Probenstoff in die lonisierungsvorrichtung gelangen, im Inneren zumindest teilweise ionisiert werden und zumindest teilweise ionisiert durch den Auslass verlassen. Die vom Entladungsgas und vom Probenstoff durchströmbare Fläche des Einlasses ist bevorzugt größer als die durchströmbare Fläche des Aulasses, speziell ist eine Durchflussbegrenzung am Auslass der Vorrichtung angeordnet.
Eine Strömung durch die lonisierungsvorrichtung wird bevorzugt durch einen
Druckgradienten hervorgerufen. Dabei ist der Druck bevorzugt am Einlass der Vorrichtung größer als am Auslass der Vorrichtung, speziell herrscht am Auslass der Vorrichtung ein Druck, der geringer ist als der atmosphärische Druck und außerhalb des Einlasses atmosphärischer Druck.
Durch Anordnen einer Analyseeinheit an die lonisierungsvorrichtung kann eine
Analysevorrichtung gebildet werden. Bevorzugt ist die lonisierungsvorrichtung direkt (gegebenenfalls über ein kurzes Zwischenelement) mit der Analyseeinheit verbunden. Als Analyseeinheit ist bevorzugt eine Einheit angeordnet, die eine Analyse auf Grundlage einer Molekülladung durchführen kann, beispielsweise Massenspektrometer,
lonenmobilitätsspektrometer oder vergleichbare Geräte.
Bevorzugt kann in der Analysevorrichtung zusätzlich zu einer erfindungsgemäßen lonisierungsvorrichtung zumindest eine weiter ionisierende Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung von Elektronenstoßionisation,
Elektrosprayionisation oder vergleichbares.
Für eine konstruktiv besonders einfache Analysevorrichtung ist der Einlass der
lonisierungsvorrichtung gegenüber der Umgebung geöffnet und das Entladungsgas ist die den Einlass umgebende Atmosphäre, speziell Luft. Andere Entladungsgase sind ebenso einsetzbar, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Methan, Kohlenstoffdioxid,
Kohlenstoffmonoxid, mindestens ein Edelgas oder Mischungen davon.
In bevorzugten Ausführungen kann die lonisierungsvorrichtung oder die Analysevorrichtung so miniaturisiert sein, dass eine Portabilität gegeben ist (beispielsweise "Handheld"-Geräte).
Die lonisierungsvorrichtung kann in einem Verfahren eingesetzt werden, durch das ein Entladungsgas und ein Probenstoff, speziell im Durchfluss, ionisiert wird. Zunächst wird das Entladungsgas und der Probenstoff durch den Einlass der lonisierungsvorrichtung in die lonisierungsvorrichtung eingebracht, zwischen der ersten und zweiten Elektrode wird eine Spannung so angelegt, dass eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen Barriereentladungsbereich bewirkt wird und das Entladungsgas und/oder der Probenstoff im und/oder nach dem Entladungsbereich ionisiert wird.
Zur Erzeugung der dielektrischen Barriereentladung kann eine Spannung von bis zu 20 kV eingesetzt werden, vorzugsweise höchstens 10 kV und speziell höchsten 5 kV. Besonders gute lonisierungsergebnisse werden bei einer Spannung zwischen 1 kV und 3 kV erzielt.
Die dielektrische Barriereentladung kann durch unipolare Spannungsimpulse (oder
Hochspannungspulse) bewirkt werden, um die Auswirkungen eines Verschiebungsstroms zu minimieren und dadurch beispielsweise ungewünschte Fragmentierungsreaktionen zu unterdrücken. Dabei weisen die Impulse bevorzugt eine Dauer von 1 und speziell höchstens eine Dauer von 500 ns auf. Beste Ergebnisse werden bei einer Dauer der Impulse zwischen 100 ns und 350 ns erzielt. Darin weisen die Impulse oder Pulse bevorzugt eine Frequenz von höchstens 1 MHz, speziell höchstens 100 kHz und besonders bevorzugt von höchstens 25 kHz auf. Bei einer Frequenz zwischen 1 kHz und 15 kHz werden die
energieeffizientesten lonisierungsergebnisse erzielt.
Die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode kann durch eine Sinusspannung aufgebracht werden, wobei die Sinusspannung einer der ersten und zweiten Elektrode bevorzugt um eine halbe Periodendauer gegenüber der anderen der ersten und zweiten Elektrode verschoben ist.
Eine Analysevorrichtung kann in einem Verfahren angewendet werden, wobei in den Einlass einer lonisierungsvorrichtung ein Entladungsgas und ein Probenstoff eingebracht wird. Eine Spannung wird an die erste und/oder zweite Elektrode so angelegt, dass eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen Barriereentladungsbereich bewirkt wird. In und/oder nach dem dielektrischen Barriereentladungsbereich wird der Probenstoff und/oder das Entladungsgas zumindest teilweise ionisiert und nachfolgend analysiert.
Eine Spannung von bis zu 20 kV kann in dem Verfahren zur Analyse eingesetzt werden, vorzugsweise höchstens 10 kV und speziell höchsten 5 kV. Besonders gute
lonisierungsergebnisse werden bei einer Spannung zwischen 1 kV und 3 kV erzielt.
Die dielektrische Barriereentladung im Verfahren zur Analyse kann durch unipolare
Spannungsimpulse (oder Hochspannungspulse) bewirkt werden, um die Auswirkungen eines Verschiebungsstroms zu minimieren. Dabei weisen die Impulse bevorzugt eine Dauer von 1 und speziell höchstens eine Dauer von 500 ns auf. Beste Ergebnisse werden bei einer Dauer der Impulse zwischen 100 ns und 350 ns erzielt. Die Impulse oder Pulse weisen bevorzugt eine Frequenz von höchstens 1 MHz, speziell höchstens 100 kHz und besonders bevorzugt von höchstens 25 kHz auf. Bei einer Frequenz zwischen 1 kHz und 15 kHz werden die energieeffizientesten lonisierungsergebnisse erzielt.
Die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode kann durch eine Sinusspannung aufgebracht werden, wobei die Sinusspannung einer der ersten und zweiten Elektrode bevorzugt um eine halbe Periodendauer gegenüber der anderen der ersten und zweiten Elektrode verschoben ist.
Eine lonisierungsvorrichtung kann zur Durchflussionisierung eines Entladungsgases und eines Probenstoffes verwendet werden. Ein Entladungsgas, beispielsweise Luft oder eine andere den Einlass der lonisierungsvorrichtung umgebende Atmosphäre, kann
kontinuierlich in die Vorrichtung eingebracht werden. Eine Probe kann diskontinuierlich oder mit dem Entladungsgas kontinuierlich in die Vorrichtung eingebracht werden. Die Ionisierung findet im Inneren der lonisierungsvorrichtung im Durchfluss statt. Speziell kann bei Anschluss einer Analyseeinheit an die lonisierungsvorrichtung sichergestellt werden, dass der zu analysierende ionisierte Probenstoff in die Analyseeinheit gelangt, ohne mit Entladungsgas zu interagieren, das nicht die lonisierungsvorrichtung durchströmt hat, wie es beispielsweise bei "Plasma-Jets" auftreten würde.
In einer weiteren Ausgestaltung kann eine lonisierungsvorrichtung einen Probeneingang aufweisen, der nach (stromabwärts) dem Entladungsbereich angeordnet ist. Der
Probeneingang kann beispielsweise über ein T-Stück ausgestaltet sein.
In einer solchen Ausgestaltung kann ein Entladungsgas durch einen Einlass einer
lonisierungsvorrichtung, die lonisierungsvorrichtung wie oben oder im Weiteren
beschrieben, eingebracht werden und im Entladungsbereich ionisiert werden. Im
Entladungsbereich kann zusätzlich zum Entladungsgas ein Dopant vorliegen, der wie das Entladungsgas über den Eingang der lonisierungsvorrichtung eingebracht werden kann oder über einen weiteren Eingang (Dopant-Eingang) in die lonisierungsvorrichtung eingebracht werden kann. Dadurch wird in der lonisierungsvorrichtung das Entladungsgas und/oder der Dopant ionisiert. Die nach (stromabwärts) des Entladungsbereichs eingebrachte Probe reagiert, speziell durch eine Ladungstransferreaktion, mit dem ionisierten Entladungsgas und/oder Dopant, wodurch die Probe ionisiert wird. In der lonisierungsvorrichtung herrscht während der Ionisierung vorzugsweise ein absoluter Druck von mehr als 40 kPa.
Eine oben oder im Weiteren beschriebene lonisierungsvorrichtung kann so verwendet werden, dass im Entladungsbereich während einer Ionisierung ein Entladungsgas und/oder Dopant vorliegt, wobei das Entladungsgas und/oder der Dopant ionisiert werden. Bevorzugt herrscht während der Ionisierung in der lonisierungsvorrichtung ein absoluter Druck von über 40 kPa. Das ionisierte Entladungsgas und/oder der Dopant können ionisiert die lonisierungsvorrichtung verlassen und außerhalb der lonisierungsvorrichtung auf eine Probe treffen, wodurch eine Reaktion, speziell Ladungstransferreaktion, zwischen dem ionisierten Entladungsgas und/oder Dopant und der Probe stattfindet. Dadurch kann eine Probe ionisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein lonenmassenfilter an einer
lonisierungsvorrichtung, wie oben oder im Weiteren beschrieben, angeschlossen sein.
Durch einen lonenmassenfilter wird ein bestimmtes Ion oder werden bestimmte Ionen auf Grundlage ihrer Masse oder ihres Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses isoliert oder ausgewählt. Ein Beispiel eines lonenmassenfilters ist ein Quadrupol. Der lonenmassenfilter kann zwischen dem Entladungsbereich einer lonisierungsvorrichtung und dem Probeneingang der lonisierungsvorrichtung, falls die lonisierungsvorrichtung einen Probeneingang aufweist, angeordnet sein.
Der lonenmassenfilter kann ebenso zwischen dem Entladungsbereich einer
lonisierungsvorrichtung und dem Ausgang oder Auslass der lonisierungsvorrichtung angeordnet sein. Durch die Anwendung eines lonenmassenfilters können spezielle Ionen des Entladungsgases und/oder des Dopants selektiert werden, die mit einer Probe in Kontakt gebracht werden, wodurch sich eine Selektivitäts- und/oder
Sensitivitätsverbesserung während einer Analyse der ionisierten Probe ergeben kann.
Die beschriebenen lonisierungsvorrichtungen können in oben oder im Weiteren
dargestellten Analysevorrichtungen, Verfahren zur Ionisierung oder Verfahren zur Analyse eingesetzt werden.
Die Ausführungsformen der Erfindung sind anhand von Beispielen dargestellt und nicht auf eine Weise, in der Beschränkungen aus den Figuren in die Patentansprüche übertragen oder hineingelesen werden.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R.
Figur la zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einem positiven Wert des Abstands D.
Figur lb zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einem negativen Wert des Abstands D.
Figur lc zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einem Wert des Abstands D von gleich Null.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung A-A.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einer Durchflussbegrenzung 20.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einer Durchflussbegrenzung und einem Einlass oder Auslass A30.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt
A-A der Ausführungsform der Figur 2 senkrecht zur Strömungsrichtung R.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R. Figur 8 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R.
Figur 9 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R.
Figur 10 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 in einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung R.
Figur 11 zeigt eine Ausführungsform einer Analysevorrichtung 200 in einem Schnitt durch die Längsachse in Strömungsrichtung R mit einer lonisierungsvorrichtung 100 und einer Analyseeinheit 30.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 mit einer ersten Elektrode 1, die auf der Außenseite 2a eines dielektrischen Elements 2 anliegt. Eine zweite Elektrode 3 ist teilweise im Inneren des dielektrischen Elements 2 angeordnet und liegt an der Innenseite 2b des dielektrischen Elements an. In dieser Ausführungsform ist die erste und zweite Elektrode 1, 3 und das dielektrische Element 2 als zylindrische Hohlkörper mit geöffneten Stirnseiten ausgebildet. Der Außendurchmesser und die Wandstärke der ersten Elektrode 1 sind so gewählt, dass die erste Elektrode 1 an dem dielektrischen Element 2 anliegt und der Außendurchmesser der zweiten Elektrode 3 gegenüber der ersten Elektrode 1 im Wesentlichen um die zweifache Wandstärke der ersten Elektrode 1 und der zweifachen Wandstärke des dielektrischen Elements 2 verkleinert ist. Die lonisierungsvorrichtung 100 kann von einem Entladungsgas G oder einem Probenstoff S (oder einer Mischung des Entladungsgases G und eines Probenstoffes S) in einer Strömungsrichtung R durchströmt werden. Durch den gegenüber der umgebenden Atmosphäre geöffneten Einlass E der lonisierungsvorrichtung 100 kann das Entladungsgas G und/oder Probenstoff S in die lonisierungsvorrichtung 100 gelangen. In dieser Ausführungsform ist der Einlass E durch die geöffnete und durchströmbare Stirnseite (entgegen der Strömungsrichtung R) der zweiten Elektrode 3 als Fläche mit dem Innendurchmesser der zweiten Elektrode ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Elektrode 3 vollständig im Inneren des dielektrischen Elements 2 angeordnet sein, sodass der Einlass E der lonisierungsvorrichtung 100 von der geöffneten, entgegen der Strömungsrichtung R liegenden Stirnseite des dielektrischen Elements 2 gebildet ist. Ein Auslass A der lonisierungsvorrichtung 100 ist durch die in Strömungsrichtung R liegende Stirnseite des dielektrischen Elements 2 gebildet. Die durchströmbare Fläche des Auslasses A ist durch den Innendurchmesser des
dielektrischen Elements 2 bestimmt. Die erste und zweite Elektrode 1, 3 sind so zueinander angeordnet, dass diese in Strömungsrichtung R im Wesentlichen keinen Abstand aufweisen. Ein Abstand der Elektroden 1, 3 senkrecht zur Strömungsrichtung R ergibt sich aus der Wandstärke des zwischen den Elektroden 1, 3 liegenden dielektrischen Elements 2.
Am Auslass A der lonisierungsvorrichtung 100 ist eine Unterdruckeinheit 10 angeordnet, in der ein Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks herrscht, wodurch eine Strömung in der lonisierungsvorrichtung 100 verursacht wird und der Druck in der
lonisierungsvorrichtung 100 gesteuert wird (durch Steuern des Drucks in der
Unterdruckeinheit 10). Eine Unterdruckeinheit 10 kann an allen Ausführungsformen der lonisierungsvorrichtung 100 angeordnet sein.
Bei angelegter Spannung, speziell Wechselspannung, an eine oder beide der Elektroden 1, 3 kann sich eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen
Barriereentladungsbereich 110 bilden, um ein Entladungsgas G oder den Probenstoff S zu ionisieren. Der dielektrische Barriereentladungsbereich 110 ist in Figur 1 nur schematisch dargestellt und deutet an, dass die Bildung einer reaktiven Spezies durch die dielektrische Barriereentladung primär im Bereich zwischen den Elektroden 1, 3 stattfindet.
In einer anderen Ausführungsform kann die erste und/oder zweite Elektrode 1, 3 so im dielektrischen Element 2 liegen, dass die Elektroden 1, 3 gegeneinander isoliert sind.
Der Abstand D zwischen den zugeordneten Enden der Elektroden 1, 3 ist am besten in den Figuren la, lb und lc ersichtlich.
In Figur la hat der Abstand D einen positiven Wert (beispielsweise 1 mm) und ergibt sich als Distanz in oder gegen Strömungsrichtung R zwischen den beiden Enden der Elektroden 1, 3. Zugeordnet wird das in Strömungsrichtung R erstliegende Ende der ersten Elektrode 1 und das in Strömungsrichtung R letztliegende Ende der zweiten Elektrode 3. Bei positiven Werten des Abstands D überlappen die Elektroden 1, 3 nicht in oder entgegen
Strömungsrichtung R.
Figur lb zeigt einen Abstand D der zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode 1, 3 in oder gegen Strömungsrichtung R mit einem negativen Wert (beispielsweise -1 mm). Bei einer Überlappung der Elektroden 1, 3 in oder gegen Strömungsrichtung R wird das in Strömungsrichtung R erstliegende Ende der ersten Elektrode 1 dem in Strömungsrichtung R letztliegenden Ende der zweiten Elektrode 3 zugeordnet. Bei einer Überlappung der Elektroden 1, 3 ergeben sich negative Werte des Abstands D. In Figur lc ist der Abstand D zwischen den Enden der Elektroden 1, 3 gleich Null. Zugeordnet wird das in Strömungsrichtung R erstliegende Ende der ersten Elektrode 1 und das in Strömungsrichtung R letztliegende Ende der zweiten Elektrode 3. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass ein solcher Grenzfall lediglich im Rahmen der Messgenauigkeit einer Abstandsmessung vorliegen sollte.
Eine Anordnung der Elektroden 1, 3 wie in Figur lc liefert die besten Ergebnisse der
Ionisierung. Mit zunehmendem Abstand D der zugeordneten Enden der Elektroden 1, 3 sinkt die Effizienz der Ionisierung oder Ionisation, wobei die Senkung der Effizienz mit
zunehmendem Betrag negativer Werte des Abstands D weniger ausgeprägt ist als die Effizienzsenkung bei zunehmendem Betrag positiver Werte des Abstands D.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 mit überlappenden Elektroden 1, 3. Der Abstand D hat einen negativen Wert. Zur Verdeutlichung des
Querschnitts wird ein Schnitt A-A senkrecht zur Strömungsrichtung eingeführt (siehe Figur 5).
An den Auslass A einer lonisierungsvorrichtung 100 ist in Figur 3 eine Durchflussbegrenzung 20 angeordnet. Beispielhaft ist eine Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung der Figur 2 dargestellt, wobei an jeder anderen Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100 eine Durchflussbegrenzung 20 angeordnet sein kann. In Figur 3 ist die Durchflussbegrenzung 20 als auf die lonisierungsvorrichtung 100 aufbringbares Reduzierungsstück ausgebildet, wodurch die durchströmbare Fläche des Auslasses A der lonisierungsvorrichtung verkleinert wird. Eine Durchströmung der lonisierungsvorrichtung kann durch einen Druckgradienten verursacht werden, wofür bevorzugt ein Vakuum (beispielsweise durch eine
Unterdruckeinheit 10) an den Auslass A der lonisierungsvorrichtung angelegt ist oder wird, außerhalb des Einlasses herrscht bevorzugt atmosphärischer Druck. Durch die Verkleinerung der Querschnittsfläche am Auslass A kann der Durchfluss durch die lonisierungsvorrichtung 100 auf einfache Weise bei vorgegebenem Druckgradienten (beispielsweise durch ein spezifisches Vakuum am Auslass A20 der Durchflussbegrenzung 20) reguliert werden. Bei Anwendung einer Durchflussbegrenzung 20 und einem vorgegebenen Vakuum am Auslass A20 der Durchflussbegrenzung 20, ist der Druckgradient in der lonisierungsvorrichtung 100 verglichen mit einem Druckgradienten ohne Durchflussbegrenzung 20 gering. Der Druck im dielektrischen Barriereentladungsbereich 110 ist, in Abhängigkeit der spezifischen
Abmessungen der Durchflussbegrenzung 20 und der lonisierungsvorrichtung 100, erheblich höher als der Druck am Auslass A20 der Durchflussbegrenzung 20 und lediglich geringfügig geringer als atmosphärischer Druck, der bevorzugt außerhalb des Einlasses E herrscht. Dem Fachmann ist verständlich, dass die spezifischen Druckverhältnisse aus der Ausgestaltung der jeweiligen Komponenten, stoffspezifischer Eigenschaften und den physikalischen Rahmenbedingungen (Temperatur, Umgebungsdruck, etc.) ergeben. Bevorzugt ist der absolute Druck im dielektrischen Barriereentladungsbereich 110 größer als 40 kPa.
Bevorzugt ist der Durchfluss durch die lonisierungsvorrichtung 100 zwischen 0,01 L/min und 10 L/min und besonders bevorzugt zwischen 0,1 L/min und 1,5 L/min.
Neben einer Durchflussbegrenzung 20 kann eine Durchflussregulierung durch
Querschnittsverengung ebenfalls durch andere konstruktive oder auch regelungstechnische Maßnahmen (beispielsweise durch eine regelbare Querschnittsveränderung durch ein Ventil oder ein variables Vakuum) bewirkt werden. Beispielsweise kann eine Verengung des Auslasses A der lonisierungsvorrichtung 100 durch einen nicht konstanten Querschnitt des dielektrischen Elements 2 vorteilhaft sein. Indes sind andere geeignete Maßnahmen zur Regulierung des Drucks in der lonisierungsvorrichtung 100 und/oder des Durchflusses durch die lonisierungsvorrichtung möglich.
In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 mit einem Einlass oder Auslass A30 dargestellt. Dabei ist der Einlass oder Auslass A30 in allen anderen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen lonisierungsvorrichtung 100 (mit oder ohne Durchflussbegrenzung 20) kombinierbar. Der Einlass oder Auslass A30 ist so ausgestaltet, dass in Strömungsrichtung R nach oder vor dem dielektrischen Barriereentladungsbereich 110 ein zusätzlicher Stoff in die lonisierungsvorrichtung 100 eingebracht werden kann oder ein Anteil des strömenden Entladungsgases G und des Probenstoffes S ausgebracht werden kann.
Figur 5 zeigt einen Schnitt A-A senkrecht zur Strömungsrichtung R durch den Teil der Ausführungsform einer lonisierungsvorrichtung 100 der Figur 2 in dem sich die Elektroden 1, 3 überlappen. Darin weist die erste Elektrode 1, das dielektrische Element 2 und die zweite Elektrode 3 einen kreisrunden Querschnitt auf. Die erste Elektrode 1 liegt an der Außenseite 2a des dielektrischen Elements 2 an, die zweite Elektrode 3 liegt an der Innenseite 2b des dielektrischen Elements 2 an. In einer anderen Ausführungsform liegt die zweite Elektrode 3 nicht an der Innenseite 2b des dielektrischen Elements 2 an und kann von einem die lonisierungsvorrichtung 100 durchströmenden Entladungsgas G und Probenstoff S durchströmt und umströmt werden.
In Figur 6 ist die zweite Elektrode 3 als Draht oder langgestreckter Körper ausgeführt, der im mittleren Bereich (Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung R) einer lonisierungsvorrichtung 100 angeordnet ist. Die Innenseite 2b des dielektrischen Elements 2 kann von einem die lonisierungsvorrichtung 100 durchströmenden Entladungsgas G und Probenstoff S kontaktiert werden. Die erste Elektrode 1 liegt auf der Außenseite 2a des dielektrischen Elements 2 an.
In Figur 7 ist die zweite Elektrode 3 als Draht oder langgestreckter Körper ausgeführt. Das dielektrische Element 2 liegt mit seiner Innenseite 2b an der zweiten Elektrode 3 an. Ein Entladungsgas G und ein Probenstoff S kann den Ringspalt durchströmen, der sich zwischen dem dielektrischen Element 2 und der ersten Elektrode 1 bildet.
Zusätzlich zu der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform ist in der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100 ein Körper K um die erste Elektrode 1 angeordnet. Die zweite Elektrode 3 ist als Draht oder langgestreckter Körper ausgestaltet und kontaktiert nicht die Innenseite 2b des dielektrischen Elements 2. Die erste Elektrode 1 liegt an der Außenseite 2a des dielektrischen Elements 2 an. Der Körper K umgibt so die erste Elektrode 1, dass ein die lonisierungsvorrichtung 100 durchströmendes Entladungsgas G und Probenstoff S in zwei strömende Anteile aufteilbar ist. Ein erster Anteil kann durch einen zwischen dem Körper K und der ersten Elektrode 1 gebildeten Ringspalt strömen und ein zweiter Anteil kann durch einen zwischen der zweiten Elektrode 3 und dem
dielektrischen Element 2 gebildeten Ringspalt strömen. Das Entladungsgas G und der Probenstoff S sind vorzugsweise lediglich oder größtenteils in dem Ringspalt zwischen der zweiten Elektrode 3 und dem dielektrischen Element 2 ionisierbar. Der dielektrische Barriereentladungsbereich 110 erstreckt sich vorzugsweise größtenteils lediglich in den Ringspalt zwischen der zweiten Elektrode 3 und dem dielektrischen Element 2. Der in dieser Ausführungsform aufteilbare Strom des Entladungsgases G und des Probenstoffes S ist vorzugsweise nach dem Einlass E in die lonisierungsvorrichtung in den ersten und zweiten Anteil aufteilbar und vor (jeweils in Strömungsrichtung R) dem Auslass A der
lonisierungsvorrichtung 100 zusammenführbar. Durch eine solche Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit lediglich einen bestimmten Anteil (in Abhängigkeit der spezifischen
Abmessungen der Komponenten dieser Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100) des Entladungsgases G und des Probenstoffes S zu ionisieren, wodurch auch eine geringfügige Fragmentierung von ionisierten Stoffen reduziert wird, da der nicht durch den dielektrischen Barriereentladungsbereich strömenden Anteil der Stoffe bei einer
Vermischung mit dem Anteil der Stoffe, der durch den dielektrischen
Barriereentladungsbereich geströmt ist, in Kontakt kommt und durch beispielsweise Ladungstransferreaktionen ionisiert werden kann. Eine Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100 in Figur 9 weist eine erste Elektrode 1, ein dielektrisches Element 2 und eine zweite Elektrode 3 auf, die eine rechteckige
Grundform besitzen. Die zweite Elektrode 3 ist von den Seiten des dielektrischen Elements 2 (Innenseite 2b) umgeben und kann von einem Entladungsgas G und einem Probenstoff S durchströmt und umströmt werden. Die erste Elektrode 1 liegt an der Außenseite 2a des dielektrischen Elements 2 an.
Die erste Elektrode 1, das dielektrische Element 2 und die zweite Elektrode 3 der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100 weist eine dreieckige Grundform auf und ist sonstig analog der Ausführungsform der Figur 9 ausgestaltet. Bei geometrischen Grundformen mit mehr als einer Seite (Beispielsweise Dreieck, andere polygonale Formen oder sonstige Grundformen) werden innenliegende Seiten als eine Innenseite und außenliegende Seiten als eine Außenseite zusammengefasst.
In anderen Ausführungsformen können verschiedene polygonale, elliptische und sonstige Grundformen vorteilhaft sein.
Alle Querschnitte der Figuren 5 bis 10 können Querschnitte der verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen der lonisierungsvorrichtung 100 sein.
Eine in Figur 11 dargestellte Analysevorrichtung 200 umfasst eine beliebige
Ausführungsform der lonisierungsvorrichtung 100, die mit einer Analyseeinheit 30 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der lonisierungsvorrichtung 100 und der
Analyseeinheit 30 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine direkte Verbindung (direkter Übergang der lonisierungsvorrichtung 100 in die
Analyseeinheit 30) ausgestaltet sein oder ein Zwischen- oder Übergangsstück zwischen der lonisierungsvorrichtung 100 und der Analyseeinheit 30 angeordnet sein. Bei einem
Durchströmen eines Entladungsgases G und eines Probenstoffes S durch die
lonisierungsvorrichtung 100 ist das Entladungsgas G und der Probenstoff S ionisierbar. Gelangt das ionisierte Entladungsgas G und der ionisierte Probenstoff S in die Analyseeinheit 30, ist der ionisierte Probenstoff S analysierbar. Als Analyseeinheit 30 eignet sich
grundsätzlich jede Analyseeinheit, die eine Eigenschaft eines geladenen Probenstoffes analysieren kann. Beispielweise kann eine Analyseeinheit 30 ein Massenspektrometer, ein lonenmobilitätsspektrometer oder eine andere als solche bekannte Einheit sein. Auch an eine Analysevorrichtung 200 kann eine Unterdruckeinheit 10 angeordnet sein.

Claims

Ansprüche ...
Verwendung einer lonisierungsvorrichtung (100) zur Durchflussionisierung eines Entladungsgases (G) und eines Probenstoffes (S) bei einem absoluten Druck von größer als 40 kPa in der lonisierungsvorrichtung (100), während der Ionisierung, die lonisierungsvorrichtung (100) mit einem Einlass (E), einem Auslass (A), einer ersten Elektrode (1), einem dielektrischen Element (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei
(a) das dielektrische Element (2) in Form eines Hohlkörpers mit einer Innenseite (2b) und einer Außenseite (2a) ausgebildet ist und von dem Entladungsgas (G) und dem Probenstoff (S) in einer Strömungsrichtung (R) durchströmbar ist;
(b) die erste Elektrode (1) außerhalb der Außenseite (2a) des dielektrischen
Elements (2) angeordnet ist;
(c) die zweite Elektrode (3) zumindest abschnittsweise im Inneren des
dielektrischen Elements (2) angeordnet ist, von der Innenseite (2b) des dielektrischen Elements
(2) senkrecht zur Strömungsrichtung (R) umgeben ist und von dem Entladungsgas (G) und dem Probenstoff (S) durchströmbar oder umströmbar ist;
(d) ein Abstand (D) in oder gegen Strömungsrichtung (R) zwischen den
zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) zwischen -5 mm und 5 mm liegt;
(e) eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen
Barriereentladungsbereich (110) durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) bildbar ist, um das Entladungsgas (G) oder den Probenstoff (S) zu ionisieren.
Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Druck in der lonisierungsvorrichtung (100) größer als 60 kPa, bevorzugt größer als 80 kPa und besonders bevorzugt im Wesentlichen atmosphärischer Druck ist.
Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Abstand (D) zwischen den zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode (1,
3) zwischen -3 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen -1 mm und 1 mm, mehr bevorzugt zwischen -0,2 mm und 0,2 mm und am meisten bevorzugt zwischen -0,05 mm und 0,05 mm liegt.
4. Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Elektrode (3) eine hohlzylindrische Form, die Form eines sich längserstreckenden Hohlkörpers mit einer dreieckigen, rechteckigen oder ovalen Grundform aufweist oder ein Draht ist.
5. Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die äußere Seite der zweiten Elektrode (3) zur inneren Seite (2b) des dielektrischen Elements (2) einen Abstand von weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,1 mm aufweist und bevorzugt an der inneren Seite (2b) des
dielektrischen Elements (2) anliegt.
6. Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektrode (1) im Wesentlichen an der äußeren Seite (2a) des dielektrischen Elements (2) anliegt und bevorzugt als Schicht ausgebildet ist, die durch eine trocknende oder aushärtende Flüssigkeit oder Suspension aufgebracht ist oder durch einen Übergang aus einer Dampfphase in eine feste Phase aufgebracht ist.
7. Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die durchströmbare Fläche des Auslasses (A) der lonisierungsvorrichtung (100) kleiner oder gleich der Fläche des Einlasses (E) der lonisierungsvorrichtung (100) ist und bevorzugt am Auslass (A) der lonisierungsvorrichtung (100) eine
Durchflussbegrenzung (20) angeordnet ist.
8. Verwendung der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Druckgradient innerhalb der lonisierungsvorrichtung (100) eine Strömung mit der Strömungsrichtung (R) in der lonisierungsvorrichtung (100) verursacht, bevorzugt durch einen Unterdruck am Auslass (A) und einen im Wesentlichen atmosphärischen Druck direkt außerhalb des Einlasses (E).
9. lonisierungsvorrichtung (100) zur Durchflussionisierung mit einem Einlass (E), einem Auslass (A), einer ersten Elektrode (1), einem dielektrischen Element (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei
(a) das dielektrische Element (2) in Form eines Hohlkörpers mit einer Innenseite (2b) und einer Außenseite (2a) ausgebildet ist und von einem Entladungsgas (G) und einem Probenstoff (S) in einer Strömungsrichtung (R) durchströmbar ist;
(b) die erste Elektrode (1) außerhalb der Außenseite (2a) des dielektrischen
Elements (2) angeordnet ist;
(c) die zweite Elektrode (3) zumindest abschnittsweise im Inneren des
dielektrischen Elements (2) angeordnet ist, von der Innenseite (2b) des dielektrischen Elements (2) senkrecht zur Strömungsrichtung (R) umgeben ist und von dem Entladungsgas (G) und dem Probenstoff (S) durchströmbar oder umströmbar ist;
(d) ein Abstand (D) in oder gegen Strömungsrichtung (R) zwischen den
zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) zwischen -5 mm und 5 mm liegt;
(e) eine dielektrische Barriereentladung in einem dielektrischen
Barriereentladungsbereich (110) durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) bildbar ist, um das Entladungsgas (G) oder den Probenstoff (S) zu ionisieren; und
(f) der absolute Druck in der lonisierungsvorrichtung (100) während einer
Ionisierung größer als 40 kPa ist.
10. lonisierungsvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der Druck in der
lonisierungsvorrichtung (100) größer als 60 kPa, bevorzugt größer als 80 kPa und besonders bevorzugt im Wesentlichen atmosphärischer Druck ist.
11. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der
Abstand (D) zwischen den zugeordneten Enden der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) zwischen -3 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen -1 mm und 1 mm, mehr bevorzugt zwischen -0,2 mm und 0,2 mm und am meisten bevorzugt zwischen -0,05 mm und 0,05 mm liegt.
12. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Elektrode (3) eine hohlzylindrische Form, die Form eines sich längserstreckenden Hohlkörpers mit einer dreieckigen, rechteckigen oder ovalen Grundform aufweist oder ein Draht ist.
13. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die äußere Seite der zweiten Elektrode (3) zur inneren Seite (2b) des dielektrischen Elements (2) einen Abstand von weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,1 mm aufweist und bevorzugt an der inneren Seite (2b) des dielektrischen Elements (2) anliegt.
14. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die erste Elektrode (1) im Wesentlichen an der äußeren Seite (2a) des dielektrischen Elements (2) anliegt und bevorzugt als Schicht ausgebildet ist, die durch eine trocknende oder aushärtende Flüssigkeit oder Suspension aufgebracht ist oder durch einen Übergang aus einer Dampfphase in eine feste Phase aufgebracht ist.
15. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die
durchströmbare Fläche des Auslasses (A) der lonisierungsvorrichtung (100) kleiner oder gleich der Fläche des Einlasses (E) der lonisierungsvorrichtung (100) ist und bevorzugt am Auslass (A) der lonisierungsvorrichtung (100) eine
Durchflussbegrenzung (20) angeordnet ist.
16. lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei ein
Druckgradient innerhalb der lonisierungsvorrichtung (100) eine Strömung mit der Strömungsrichtung (R) in der lonisierungsvorrichtung (100) verursacht, bevorzugt durch einen Unterdruck am Auslass (A) und einen im Wesentlichen atmosphärischen Druck direkt außerhalb des Einlasses (E).
17. Analysevorrichtung (200) zur Analyse eines Probenstoffes (S) in einem
Entladungsgas (G) mit der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 16 und einer Analyseeinheit (30), wobei die Analyseeinheit (30) mit der lonisierungsvorrichtung (100) verbunden ist.
18. Analysevorrichtung (200), nach Anspruch 17, wobei zusätzlich zu der
lonisierungsvorrichtung (100) zumindest eine weitere ionisierende Vorrichtung angeordnet ist.
19. Analysevorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei der Einlass (E) der lonisierungsvorrichtung (100) gegenüber der Umgebung geöffnet ist und das Entladungsgas (G) bevorzugt die den Einlass (E) umgebende Atmosphäre ist.
20. Verfahren zum Ionisieren eines Entladungsgases (G) und eines Probenstoffes (S), umfassend die Schritte:
Einbringen eines Entladungsgases (G) und eines Probenstoffes in den Einlass (E) der lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 16; Anlegen einer Spannung an die erste und/oder zweite Elektrode (1, 3), so dass eine dielektrische Barriereentladung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) in einem dielektrischen Barriereentladungsbereich (110) bewirkt wird;
Ionisieren des Entladungsgases (G) und/oder des Probenstoffes (S) im und/oder nach dem dielektrischen Barriereentladungsbereich (110).
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die angelegte Spannung höchstens 20 kV,
bevorzugt höchstens 10 kV, bevorzugter höchstens 5 kV und am meisten bevorzugt zwischen 1 kV und 3 kV beträgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, wobei die dielektrische
Barriereentladung durch unipolare Hochspannungspulse bewirkt wird, bevorzugt mit einer Pulsdauer von höchstens 1 με, besonders bevorzugt von höchstens 500 ns, und am meisten bevorzugt mit einer Dauer zwischen 100 ns und 350 ns.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Hochspannungspulse eine Frequenz von höchstens 1 MHz aufweisen, bevorzugt höchstens 100 kHz, bevorzugter höchstens 25 kHz und am meisten bevorzugt zwischen 1 kHz und 15 kHz.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die erste und zweite Elektrode (1, 3) mit einer Sinusspannung versorgt wird, wobei die Sinusspannungen einer Elektrode (1, 3) bevorzugt um eine halbe Periodendauer gegenüber der anderen Elektrode (1, 3) verschoben ist.
25. Verfahren zur Analyse eines Probenstoffes (S) in einem Entladungsgas (G),
umfassend die Schritte:
Einbringen eines Probenstoffes (S) in einem Entladungsgas (G) in den Einlass (E) der lonisierungsvorrichtung (100) der Analysevorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11;
Anlegen einer Spannung an die erste und/oder zweite Elektrode (1, 3), so dass eine dielektrische Barriereentladung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 3) in einem dielektrischen Barriereentladungsbereich bewirkt wird;
Ionisieren des Probenstoffes (S) in dem Entladungsgas (G) im und/oder nach dem dielektrischen Barriereentladungsbereich (110); Analysieren des ionisierten Probenstoffes (S).
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die angelegte Spannung höchstens 20 kV,
bevorzugt höchstens 10 kV, bevorzugter höchstens 5 kV und am meisten bevorzugt zwischen 1 kV und 3 kV beträgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, wobei die dielektrische
Barriereentladung durch unipolare Hochspannungspulse bewirkt wird, bevorzugt mit einer Pulsdauer von höchstens 1 με, besonders bevorzugt von höchstens 500 ns, und am meisten bevorzugt mit einer Dauer zwischen 100 ns und 350 ns.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Hochspannungspulse eine Frequenz von höchstens 1 MHz aufweisen, bevorzugt höchstens 100 kHz, bevorzugter höchstens 25 kHz und am meisten bevorzugt zwischen 1 kHz und 15 kHz.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die erste und zweite Elektrode (1, 3) mit einer Sinusspannung versorgt wird, wobei die Sinusspannungen einer Elektrode (1, 3) bevorzugt um eine halbe Periodendauer gegenüber der anderen Elektrode (1, 3) verschoben ist.
30. Verwendung einer lonisierungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Durchflussionisierung eines Entladungsgases (G) und eines Probenstoffes (S).
31. Verwendung einer lonisierungsvorrichtung (100) zur Durchflussionisierung bei einem absoluten Druck von größer als 40 kPa in der lonisierungsvorrichtung (100), während der Ionisierung,
(a) die lonisierungsvorrichtung (100) mit einem Einlass (E),
einem Auslass (A), einer ersten Elektrode (1), einem
dielektrischen Element (2) und einer zweiten Elektrode (3),
wobei
(aa) das dielektrische Element (2) in Form eines
Hohlkörpers mit einer Innenseite (2b) und einer Außenseite
(2a) ausgebildet ist;
(bb) die erste Elektrode (1) außerhalb der Außenseite (2a) des dielektrischen Elements (2) angeordnet ist;
(cc) die zweite Elektrode (3) zumindest abschnittsweise
im Inneren des dielektrischen Elements (2) angeordnet ist und von der Innenseite (2b) des dielektrischen Elements (2)
senkrecht zur Strömungsrichtung (R) umgeben ist;
(b) ein Abstand (D) in oder gegen Strömungsrichtung (R)
zwischen den zugeordneten Enden der ersten und zweiten
Elektrode (1, 3) zwischen -5 mm und 5 mm liegt;
(c) durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und
zweiten Elektrode (1, 3) eine dielektrische Barriereentladung
in einem Entladungsbereich (110) bildbar ist zum Ionisieren
des Entladungsgases (G) oder des Probenstoffes (S). , Verwendung nach Anspruch 31, wobei das dielektrische Element (2) von dem
Entladungsgas (G) und dem Probenstoff (S) in einer Strömungsrichtung (R) durchströmbar ist. , Verwendung nach Anspruch 31 oder 32, wobei die zweite Elektrode (3) von dem Entladungsgas (G) und dem Probenstoff (S) in einer Strömungsrichtung (R) durchströmbar oder umströmbar ist. , Verwendung nach Anspruch 1 oder 31, wobei die lonisierungsvorrichtung (100) von dem Entladungsgas (G) durchströmt wird und der Probenstoff außerhalb der lonisierungsvorrichtung (100) von dem ionisierten Entladungsgas (G) angeströmt wird und gemeinsam einer Analysevorrichtung (200) zuführbar sind.
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