WO2014029378A1 - Ionenmobilitätsspektrometer zum erfassen von analyten - Google Patents

Ionenmobilitätsspektrometer zum erfassen von analyten Download PDF

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WO2014029378A1
WO2014029378A1 PCT/DE2013/000463 DE2013000463W WO2014029378A1 WO 2014029378 A1 WO2014029378 A1 WO 2014029378A1 DE 2013000463 W DE2013000463 W DE 2013000463W WO 2014029378 A1 WO2014029378 A1 WO 2014029378A1
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WO
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repeller
collector
ions
ion mobility
mobility spectrometer
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PCT/DE2013/000463
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English (en)
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Inventor
Jörg Sander
Matthias Kessler
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Eads Deutschland Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/622—Ion mobility spectrometry

Definitions

  • the invention relates to an ion mobility spectrometer for detecting analytes.
  • ion mobility spectrometers analytes such as molecules are ionized by removing or applying electrons to ions and then fed in a so-called drift space on a path toward a collector.
  • the drift space the ions flow against the gas particles with which the ions collide.
  • the interaction of continuous acceleration of the ions and deceleration by collisions with the gas particles in the drift space results in a constant drift velocity.
  • This drift speed depends, for example, on the mass, the shape (impact cross-sectional area) or the charge of the relevant ion. Therefore, ions of different analytes are separated in the drift space and strike the collector at different times.
  • the drift speed depends, for example, on the mass, the shape (impact cross-sectional area) or the charge of the relevant ion. Therefore, ions of different analytes are separated in the drift space and strike the collector at different times.
  • composition as well as concentration of analytes in a sample
  • Separation of the different ion species can be detected.
  • radioactive substances or a bombardment with electrons can be selected.
  • An alternative form of ionization is realized by irradiating the analytes with photons.
  • the ions are repelled in the known ion mobility spectrometers (FIG. 3) by a so-called repeller 12, which is usually formed by an electrode having the same electrical polarity as the ions. Due to the repulsion, the analytes 32 are not only introduced into the drift space 46 and directed to an ion trajectory in the direction of the collector 14, but they
  • CONFIRMATION COPY Also scatter with a directional component perpendicular to this web. Therefore, some of the ions do not reach the collector, but are lost on the walls of the drift path, as shown for example in FIG. 4 by the individual trajectories 44 of the ions 40.
  • the known structure of an ion mobility spectrometer forms a type of electrical diverging lens design.
  • the outer trajectories deviate greatly from the inner and do not reach the collector 14.
  • the individual equipotential lines 26 are highlighted.
  • Laser photon ionization requires relatively much electrical power as opposed to radioactive ionization or ionization with electrons.
  • the object of the invention is therefore to propose an alternative ion mobility spectrometer for detecting analytes, which provides a higher signal intensity.
  • An ion mobility spectrometer has an ionization region, a repeller, a drift space and a collector, wherein the ionization region for
  • Ionizing analytes to be detected is formed into ions, wherein the repeller and the collector are arranged and formed such that an electric field is formed in which the ions on a drift path in the drift space of the repeller away in the direction of the collector to move, and wherein the collector is formed for collecting and detecting the ions.
  • the ionization region is arranged so far apart between the repeller and the collector and to the repeller that a partial region of the electric field is formed between the ionization region and the repeller.
  • At least one potential-carrying element in particular an electrode with an electrical potential applied thereto, is arranged between the repeller and the ionization region. Between repeller and ionization thus arises an additional portion of the electric field.
  • the repeller and the additional portion of the field between repeller and ionization region act repulsively on the ions produced due to the arrangement of the ionization region, the scattering effect of the electric field generated by the repeller is so low in the drift space of the ions. that the ion trajectories have almost no directional component that is perpendicular to their trajectory towards the collector. Thus, a greater proportion of the ions impinge on the collector as compared to the known devices, in which the ionization region directly adjoins the repeller.
  • the ions preferably move toward the collector with a drift velocity defined only by their own properties (eg charge, impact cross-sectional area and mass).
  • the drift space already mentioned is provided for drifting the ions generated in the ionization region in the electric field, wherein potential guidance elements, in particular electrodes with electrical potentials applied thereto, are provided for forming the electrical drift field along the drift space.
  • the collector is advantageously arranged in a region of the drift path of the ions, in which the concentration of the ions is advantageously particularly high.
  • a high signal intensity of the analytes to be detected can be achieved.
  • a sufficient distance to the collector is preferably provided in order to allow the ion species, when passing through the drift space, to achieve the most unambiguous separation from one another.
  • the repeller is formed by electrodes with electrical potentials applied thereto.
  • the electrodes may also be artificially conductive high-resistance glasses, ceramics or plastics (eg PVDF-EL).
  • the repeller in the ion mobility spectrometer forms the highest electrical potential.
  • the ions can be guided to a trajectory in the direction of the collector.
  • the repeller has an inlet to
  • a photon source for applying the photons to be ionized for the purpose of ionization is preferably provided on the ionization region.
  • the photon source is an electromagnetic
  • Radiation source preferably formed by a laser.
  • the photon source is designed to generate photons having an energy corresponding to an ionization energy of predetermined analytes, preferably of photons having an energy in the ultraviolet range.
  • the selectivity of the analytes to be detected can be further increased, since preferably only the analytes are ionized with a predetermined ionization energy, which are of interest.
  • that can ion mobility spectrometer are preferably made particularly sensitive to certain analytes.
  • Fig. 2 trajectories of ionized analytes in the invention
  • FIG. 1 finite element method simulation (FEM)
  • Fig. 3 is a prior art ion mobility spectrometer
  • FIG. 4 Trajectories of ionized analytes in the ion mobility spectrometer according to the prior art from FIG. 3 (finite element method (FEM) simulation).
  • FEM finite element method
  • FIG. 1 shows an ion mobility spectrometer 10 with a repeller 12, a collector 14 and an electric field 16.
  • the electric field 16 is formed between collector 14 and repeller 12.
  • insulators are arranged between the individual electrodes 22 .
  • the electric field 16 is formed both in the region between ionization region 42 and collector 14 and in the additional partial region between repeller 12 and ionization region 42.
  • the electric field 16 is indicated in FIG. 2 by equipotential lines 26. This results in a potential gradient from the repeller to the collector, which preferably has a substantially linear course.
  • the repeller 12 is formed by electrodes 22 having an electric potential applied thereto. It forms the highest electrical potential in the ion mobility spectrometer 10.
  • an analyte 32 analyte inlet 30 through which the analytes 32 enter the ion mobility spectrometer 10. They move towards the ionization region 42.
  • the analytes 32 initially move toward the ionization region 42 as a result of their kinetic energy already present at the inlet 30 due to the partial region 34 of the electric field 16.
  • a photon source 36 Spaced to the repeller 12 and the collector 14 at the level of the ionization region 42, a photon source 36 is arranged.
  • the photon source 36 emits photons 38 toward the analytes 32 to ionize these ions 40. In the region in which the photons 38 strike the analytes 32, an ionization region 42 is thus formed.
  • the ions 40 generated by the photoionization are repelled by the repeller 12, since this is electrically charged the same.
  • the ions 40 and the repeller 12 are positively charged.
  • the ions 40 and repeller 12 may also be negatively charged. Due to the electric potential gradient, the ions 40 move towards the ion trajectories 44 (FIG. 2) in the direction of the collector 14, from which they are collected for the purpose of detection. In this case, the ions 40 drift toward the collector 14 due to the electric potential gradient between the repeller 12 and the collector 14 and impacts with gas molecules present in the ionization spectrometer.
  • a drift space 46 with a drift field 48 is formed between the ionization region 42 and the collector 14, in which the ions 40 move over a drift path 50 from the ionization region 42 to the collector 14. Since the ionization region 42 is widely spaced from the repeller 12 and its scattering effect is thereby low, the ions 40 scatter only slightly, so that the ions 40 all hit the collector 14.
  • the corresponding ion trajectories 44 are shown in FIG.
  • the ionization region 42 is disposed directly on the repeller 12, so that already act at the beginning of the trajectory of the ions 40 in the direction of the collector 14 to the scattering forces of the repeater 12. Therefore, a part of the ions 40 is scattered so much that this part does not reach the collector 14.
  • the associated trajectories 44 are shown in FIG. 4.
  • the known structure of an ionization region 42 forms an electrical diverging lens by design.
  • the analyzer loses signal intensity.
  • the described construction of an ion mobility spectrometer is realized. This improvement reduces or eliminates the electrical diverging lens, thus reducing ion loss and increasing signal intensity.
  • FIG. 2 shows the ion trajectories 44 in the ion mobility spectrometer according to the invention as a result of a finite element method (FEM) simulation.
  • FEM finite element method
  • the improvements according to the invention protect the optical components used, both in the photon-producing device and along the optical path. Also, this can reduce the operating costs.
  • a high signal intensity of the ion mobility spectrometer can be achieved without having to apply a higher power to the photon source.
  • the mechanical and electrical construction of the ion mobility spectrometer can be kept very simple.
  • the inventive principle can be used in addition to the laser-induced photoionization of Anlayten for other types of ionization, in particular chemical ionization.

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Abstract

lonenmobilitätsspektrometer (10), aufweisend einen lonisationsbereich (42), einen Driftraum (46), einen Repeller (12) und einen Kollektor (14), wobei der lonisationsbereich (42) zum Ionisieren von zu erfassenden Analyten (32) zu Ionen (40) ausgebildet ist, wobei der Repeller (12) und der Kollektor (14) derart zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass sich ein elektrisches Feld (16) ausbildet, in dem die Ionen (40) sich auf einer Driftstrecke (50) in dem Driftraum (46) von dem Repeller (12) weg in Richtung auf den Kollektor (14) zu bewegen, und wobei der Kollektor (14) zum Sammeln und Erfassen der Ionen (40) ausgebildet ist, wobei der lonisationsbereich (42) zwischen Repeller (12) und Kollektor (14) und zu dem Repeller (12) so weit beabstandet angeordnet ist, dass zwischen dem lonisationsbereich (42) und dem Repeller (12) ein Teilbereich (34) des elektrischen Feldes (16) ausgebildet ist.

Description

lonenmobilitätsspektrometer zum Erfassen von Analyten
Die Erfindung betrifft ein lonenmobilitätsspektrometer zum Erfassen von Analyten. In lonenmobilitätsspektrometern werden Analyten wie beispielsweise Moleküle durch Entfernen oder Aufbringen von Elektronen zu Ionen ionisiert und dann in einem sogenannten Driftraum auf einer Bahn in Richtung auf einen Kollektor zugeführt. In dem Driftraum strömen den Ionen Gasteilchen entgegen, mit denen die Ionen stoßen. Durch das Zusammenspiel von fortwährendem Beschleunigen der Ionen und Abbremsen durch Stöße mit den Gasteilchen in dem Driftraum stellt sich eine konstante Driftgeschwindigkeit ein. Diese Driftgeschwindigkeit ist beispielsweise von der Masse, der Form (Stoßquerschnittsfläche) bzw. der Ladung des betreffenden Ions abhängig. Deshalb werden in dem Driftraum Ionen unterschiedlicher Analyten separiert und treffen zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf den Kollektor. Somit kann die
Zusammensetzung sowie Konzentration von Analyten in einer Probe durch
Separation der verschiedenen lonenspezies erfasst werden. Zum Ionisieren der zu erfassenden Analyten können radioaktive Substanzen oder auch ein Beschuss mit Elektronen gewählt werden. Eine alternative Form der Ionisierung wird durch Bestrahlung der Analyten mit Photonen realisiert.
Beispiele für bekannte lonenmobilitätsspektrometer sind z.B. in WO 2011/039010 A2, EP 1070247 B1 , DE 10247272 B4, DE 19650612 C2, DE 19815436 B4, DE 19861106 B4, DE 29824931 U1 , DE 102008035773 A1 und DE
102009048063 A1 beschrieben.
Die Ionen werden in den bekannten lonenmobilitätsspektrometern (Fig. 3) von einem so genannten Repeller 12 abgestoßen, der zumeist durch eine Elektrode gebildet ist, die die gleiche elektrische Polung aufweist wie die Ionen. Durch die Abstoßung werden die Analyten 32 nicht nur in den Driftraum 46 eingeleitet und auf eine lonenflugbahn in Richtung auf den Kollektor 14 geleitet, sondern sie
BESTÄTIGUNGSKOPIE streuen auch mit einer Richtungskomponente senkrecht zu dieser Bahn. Daher erreicht ein Teil der Ionen den Kollektor nicht, sondern gehen an den Wänden der Driftstrecke verloren, wie dies beispielsweise in Fig. 4 anhand der einzelnen Flugbahnen 44 der Ionen 40 gezeigt ist.
Der bekannte Aufbau eines lonenmobilitätsspektrometers bildet bauartbedingt eine elektrische Zerstreuungslinse. Die äußeren Flugbahnen weichen stark von den inneren ab und erreichen den Kollektor 14 nicht. Die einzelnen Äquipotentiallinien 26 sind hervorgehoben.
Je höher aber die Signalintensität des gemessenen lonenstroms am Kollektor ist, das heißt je höher die gemessenen Amplituden sind, desto besser können auch kleinere Konzentrationen der zu erfassenden Analyten vom Hintergrundrauschen unterschieden werden.
Um demnach auch bei kleinen Konzentrationen eine ausreichende Signalintensität zu erreichen ist es vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Analyten ionisiert wird. Dies kann beispielsweise auch durch Erhöhung der Effizienz der lonener- zeugung (Verhältnis erzeugte Ionen zu gemessene Ionen) erreicht werden.
Die Photonenionisation mittels Laser benötigt jedoch im Gegensatz zur radioaktiven Ionisation oder der Ionisation mit Elektronen relativ viel elektrische Leistung.
Daher ist es zusätzlich aus energetischen Gründen nicht sinnvoll, eine höhere Leistung auf die Photonenquelle aufzubringen, um die Signalintensität zu steigern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein alternatives lonenmobilitätsspektrometer zum Erfassen von Analyten vorzuschlagen, das eine höhere Signalintensität liefert.
Diese Aufgabe wird durch ein lonenmobilitätsspektrometer gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein lonenmobilitätsspektrometer weist einen lonisationsbereich, einen Repeller, einen Driftraum und einen Kollektor auf, wobei der lonisationsbereich zum
Ionisieren von zu erfassenden Analyten zu Ionen ausgebildet ist, wobei der Repeller und der Kollektor derart zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass sich ein elektrisches Feld ausbildet, in dem die Ionen sich auf einer Driftstrecke in dem Driftraum von dem Repeller weg in Richtung auf den Kollektor zu bewegen, und wobei der Kollektor zum Sammeln und Erfassen der Ionen ausge- bildet ist. Der lonisationsbereich ist zwischen Repeller und Kollektor und zu dem Repeller so weit beabstandet angeordnet, dass zwischen dem lonisationsbereich und dem Repeller ein Teilbereich des elektrischen Feldes ausgebildet ist.
Vorteilhaft wird zwischen dem Repeller und dem lonisationsbereich wenigstens ein Potentialführungselement, insbesondere eine Elektrode mit daran angelegtem elektrischem Potential, angeordnet. Zwischen Repeller und lonisationsbereich entsteht somit ein zusätzlicher Teilbereich des elektrischen Feldes.
Durch die Anordnung des lonisationbereichs beabstandet von dem Repeller wirken sowohl der Repeller als auch der zusätzliche Teilbereich des Feldes zwischen Repeller und lonisationsbereich zwar abstoßend auf die erzeugten Ionen, die streuende Wirkung des durch den Repeller erzeugten elektrischen Feldes ist im Driftraum der Ionen jedoch so gering, dass die lonenflugbahnen fast keine Richtungskomponente, die senkrecht ist zu ihrer Flugbahn in Richtung auf den Kollektor zu aufweisen. Somit trifft ein größerer Anteil der Ionen auf den Kollektor verglichen mit den bekannten Geräten, bei der der lonisationsbereich unmittelbar an den Repeller angrenzt.
So kann bei gleicher lonisationleistung eine höhere Signalintensität der auf den Kollektor auftreffenden Ionen erreicht werden, da mehr Ionen als bei bekannten Anordnungen den Kollektor erreichen. Durch die Ausbildung eines elektrischen Feldes im Driftraum bewegen sich die Ionen vorzugsweise mit einer nur durch ihre eigenen Eigenschaften (z.B. Ladung, Stoßquerschnittsfläche und Masse) definierten Driftgeschwindigkeit auf den Kollektor zu.
Zwischen lonisationsbereich und Kollektor ist der bereits erwähnte Driftraum zum Driften der im lonisationsbereich erzeugten Ionen in dem elektrischen Feld vorgesehen, wobei insbesondere Potentialführungselemente, insbesondere Elektroden mit daran angelegten elektrischen Potentialen, zum Bilden des elektrischen Driftfeldes entlang des Driftraums vorgesehen sind.
Durch das Vorsehen von Potentialführungselementen ist es vorzugsweise auch makroskopisch möglich, ein elektrisches Kraftfeld zwischen Repeller und Kollektor auszubilden.
Erfindungsgemäß werden Streueffekte besonders effizient vermieden, wobei gleichzeitig der Kollektor vorteilhaft in einem Bereich der Driftbahn der Ionen angeordnet ist, in dem die Konzentration der Ionen vorteilhaft besonders hoch ist. So kann vorzugsweise eine hohe Signalintensität der zu erfassenden Analyten erreicht werden. Gleichzeitig wird vorzugsweise ein ausreichender Abstand zu dem Kollektor bereitgestellt, um es den lonenspezien beim Durchgang durch den Driftraum zu ermöglichen, eine möglichst eindeutige Separation voneinander zu erreichen. Bevorzugt ist der Repeller durch Elektroden mit daran angelegten elektrischen Potentialen gebildet. Bei den Elektroden kann es sich neben metallischen Elektroden auch um künstlich leitfähig gemachte hochohmige Gläser, Keramiken oder Kunststoffe (z.B. PVDF-EL) handeln. Weiter vorteilhaft bildet der Repeller in dem lonenmobilitätsspektrometer das höchste elektrische Potential. So können vorteilhaft durch einfache Abstoßungskräfte zwischen Repeller und Ionen die Ionen auf eine Flugbahn in Richtung auf den Kollektor zu geführt werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung weist der Repeller einen Einlass zum
Einlassen der zu erfassenden Analyten auf. In dieser konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung entsteht durch den Einlass ein stark nicht homogenes elektrisches Feld im Bereich des Repeller, wodurch die Ionen stark gestreut werden. Daher ist es besonders bei dieser Ausgestaltung, bei der die zu erfassenden Analyten durch den Repeller in das lonenmobilitätsspektrometer eingelassen werden, vorteilhaft, wenn der lonisationbereich beabstandet zu dem Repeller angeordnet ist
Alternativ zu der Ausgestaltung, bei der der Einlass der zu erfassenden Analyten durch den Repeller hindurch geschieht (also parallel zur Bewegung der Ionen im Driftraum), ist selbstverständlich auch eine Ausführung möglich, bei der die Analyten direkt in den lonisationsbereich eingeleitet werden (insbesondere senkrecht zur Bewegung der Ionen im Driftraum). Vorzugsweise ist an dem lonisationsbereich eine Photonenquelle zum Beaufschlagen der zu ionisierenden Analyten mit Photonen zwecks Ionisation vorgesehen. Beispielsweise ist die Photonenquelle durch eine elektromagnetische
Strahlungsquelle, vorzugsweise durch einen Laser, gebildet. Besonders bevorzugt ist die Photonenquelle zum Erzeugen von Photonen mit einer Energie entsprechend einer lonisationsenergie von vorbestimmten Analyten, vorzugsweise von Photonen mit einer Energie im ultravioletten Bereich, ausgebildet.
Somit kann vorteilhaft die Selektivität der zu erfassenden Analyten noch weiter vergrößert werden, da vorzugsweise nur die Analyten mit einer vorbestimmten lonisationsenergie ionisiert werden, die von Interesse sind. Somit kann das lonenmobilitätsspektrometer vorzugsweise für bestimmte Analyten besonders empfindlich aufgebaut werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes lonenmobilitätsspektrometer;
Fig. 2 Flugbahnen von ionisierten Analyten in dem erfindungsgemäßen
lonenmobilitätsspektrometer nach Fig. 1 (Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM));
Fig. 3 ein lonenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik;
Fig.4 Flugbahnen von ionisierten Analyten in dem lonenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik aus Fig. 3 (Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM)).
Fig. 1 zeigt ein lonenmobilitätsspektrometer 10 mit einem Repeller 12, einem Kollektor 14 und einem elektrischen Feld 16.
Das elektrische Feld 16 bildet sich zwischen Kollektor 14 und Repeller 12 aus. Dabei ist eine Mehrzahl von Potentialführungselementen 20, die durch Elektroden 22 mit daran angelegtem elektrischem Potential gebildet sind, zwischen Repeller 12 und Kollektor 14 angeordnet. Zwischen den einzelnen Elektroden 22 sind Isolatoren (nicht dargestellt) angeordnet. Das elektrische Feld 16 bildet sich sowohl in dem Bereich zwischen lonisationsbereich 42 und Kollektor 14 als auch in dem zusätzlichen Teilbereich zwischen Repeller 12 und lonisationsbereich 42 aus.
Das elektrische Feld 16 ist in Fig. 2 durch Äquipotentiallinien 26 angedeutet. Es ergibt sich ein Potentialgefälle vom Repeller zum Kollektor, das bevorzugt einen im Wesentlichen linearen Verlauf aufweist. Auch der Repeller 12 ist durch Elektroden 22 mit daran angelegtem elektrischem Potential gebildet. Er bildet in dem lonenmobilitätsspektrometer 10 das höchste elektrische Potential. In dem Repeller 12 ist ein Einlass 30 für zu erfassende Analyten 32 vorgesehen, durch den die Analyten 32 in das lonenmobilitätsspektrometer 10 eintreten. Sie bewegen sich auf den lonisationsbereich 42 zu.
Dabei bewegen sich die Analyten 32 zunächst durch ihre bereits beim Einlass 30 vorhandene kinetische Energie bedingt durch den Teilbereich 34 des elektrischen Feldes 16 auf den lonisationsbereich 42 zu.
Beabstandet zu dem Repeller 12 und dem Kollektor 14 auf Höhe des lonisations- bereichs 42 ist eine Photonenquelle 36 angeordnet. Die Photonenquelle 36 sendet Photonen 38 in Richtung auf die Analyten 32 aus, um diese Ionen 40 zu ionisieren. In dem Bereich, in dem die Photonen 38 auf die Analyten 32 treffen, ist somit ein lonisationsbereich 42 ausgebildet.
Die durch die Photoionisation erzeugten Ionen 40 werden von dem Repeller 12 abgestoßen, da dieser elektrisch gleich geladen ist. In der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die Ionen 40 und der Repeller 12 positiv geladen. Alternativ können die Ionen 40 und der Repeller 12 allerdings auch negativ geladen sein. Durch das elektrische Potentialgefälle bewegen sich die Ionen 40 auf lonenflug- bahnen 44 (Fig. 2) in Richtung auf den Kollektor 14 zu, von dem sie zwecks Erfassung gesammelt werden. Dabei driften die Ionen 40 bedingt durch die das elektrische Potentialgefälle zwischen dem Repeller 12 und dem Kollektor 14 und Stöße mit in dem lonisationsspektrometer vorhandenen Gasmolekülen auf den Kollektor 14 zu. Daher ist zwischen dem lonisationsbereich 42 und dem Kollektor 14 ein Driftraum 46 mit einem Driftfeld 48 gebildet, in dem die Ionen 40 sich über eine Driftstrecke 50 von dem lonisationsbereich 42 zu dem Kollektor 14 bewegen. Da der lonisationbereich 42 weit von dem Repeller 12 beabstandet ist und dessen streuende Wirkung dadurch gering ist, streuen sich die Ionen 40 nur geringfügig, so dass die Ionen 40 alle auf den Kollektor 14 treffen. Die entsprechenden lonenbahnen 44 sind in Fig. 2 dargestellt.
Bislang ist im Stand der Technik, wie in Fig. 3 gezeigt, der lonisationsbereich 42 direkt an dem Repeller 12 angeordnet, so dass bereits zu Beginn der Flugbahn der Ionen 40 in Richtung auf den Kollektor 14 zu die streuenden Kräfte des Repeliers 12 wirken. Deshalb wird ein Teil der Ionen 40 so stark gestreut, dass dieser Teil den Kollektor 14 nicht erreicht. Die zugehörigen Flugbahnen 44 sind in der Fig. 4 gezeigt.
Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 kann einer solchen Streuung nun entgegengewirkt werden, so dass ein größerer Anteil an Ionen 40 den Kollektor 14 erreicht, und bei gleichen Randbedingungen für die lonisationsquelle eine größere Signalintensität erzielt werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Beabstandung von Repeller und lonisationsbereich 42 kann somit der streuende Effekt des Repellers 12 auf die lonenflugbahnen auf der Driftstrecke 50 minimiert werden.
Der bekannte Aufbau eines lonisationsbereichs 42 bildet bauartbedingt eine elektrische Zerstreuungslinse. Dadurch verliert das Analysegerät an Signalintensität. Um den lonenverlust zu vermeiden und dadurch die Signalintensität zu erhöhen, wird der beschriebene Aufbau eines lonenmobilitätsspektrometeres realisiert. Diese Verbesserung verringert bzw. eliminiert die elektrische Zerstreuungslinse, verringert somit den lonenverlust und erhöht die Signalintensität.
Entsprechend wird die Effizienz der lonenerzeugung erhöht. Fig. 2 zeigt die lonenflugbahnen 44 in dem erfindungsgemäßen lonenmobilitäts- spektrometer als Ergebnis einer Simulation mittels finiter Elementemethode (FEM). Die einzelnen Äquipotentiallinien 26 sind hervorgehoben. Die äußeren Flugbahnen weichen kaum von den inneren Flugbahnen ab. Alle Flugbahnen erreichen den Kollektor 14. Der beschriebene Effekt der Zerstreuungslinse ist vernachlässigbar.
Durch die erfindungsgemäßen Verbesserungen werden die verwendeten opti- sehen Bauelemente, sowohl in dem Photonen erzeugenden Gerät als auch entlang des optischen Pfades, geschont. Auch können dadurch die Betriebskosten gesenkt werden.
Des Weiteren kann eine hohe Signalintensität des lonenmobilitätsspektrometers erreicht werden, ohne dass eine höhere Leistung auf die Photonenquelle aufgebracht werden muss.
Der mechanische und elektrische Aufbau des lonenmobilitätsspektrometers kann sehr einfach gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann neben der laserinduzierten Photoionisation der Anlayten auch für andere Arten der Ionisation, insbesondere chemische Ionisation verwendet werden.
Bezugszeichenliste
10 lonenmobilitätsspektrometer
12 Repeller
14 Kollektor
16 elektrisches Feld
20 Potentialführungselement
22 Elektrode
26 Äquipotentiallinie
28 höchstes elektrisches Potential
30 Einlass
32 Analyt
34 Teilbereich des elektrischen Feldes
36 Photonenquelle
38 Photon
40 Ion
42 lonisationsbereich
44 lonenflugbahn
46 Driftraum
48 Driftfeld
50 Driftstrecke

Claims

Patentansprüche
1. lonenmobilitätsspektrometer (10), aufweisend einen lonisationsbereich (42), einen Driftraum (46), einen Repeller (12) und einen Kollektor (14),
wobei der lonisationsbereich (42) zum Ionisieren von zu erfassenden Analyten (32) zu Ionen (40) ausgebildet ist, wobei der Repeller ( 2) und der Kollektor ( 4) derart zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass sich ein elektrisches Feld (16) ausbildet, in dem die Ionen (40) sich auf einer Driftstrecke (50) in dem Driftraum (46) von dem Repeller (12) weg in Richtung auf den Kollektor (14) zu bewegen, und wobei der Kollektor (14) zum Sammeln und Erfassen der Ionen (40) ausgebildet ist, wobei der lonisationsbereich (42) zwischen Repeller (12) und Kollektor (14) und zu dem Repeller (12) so weit beabstandet angeordnet ist, dass zwischen dem lonisationsbereich (42) und dem Repeller (12) ein Teilbereich (34) des elektrischen Feldes (16) ausgebildet ist.
2. lonenmobilitätsspektrometer (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen lonisationsbereich (42) und Repeller (12) wenigstens ein Potentialführungselement (20), insbesondere Elektroden (22) mit daran angelegten elektrischen Potentialen, angeordnet ist.
3. lonenmobilitätsspektrometer (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Driftraum (46) zwischen lonisationsbereich (42) und Kollektor (14) zum Driften der Ionen (40) in einem elektrischen Driftfeld (48) vorgesehen ist, wobei Potentialführungselemente (20), insbesondere Elektroden (22) mit daran angelegten elektrischen Potentialen, zum Bilden des elektrischen Driftfeldes (48) in und/oder an dem Driftraum (46) vorgesehen sind.
4. lonenmobilitätsspektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Repeller (12) durch Elektroden (22) mit daran angelegten elektrischen Potentialen gebildet ist.
5. lonenmobilitätsspektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Repeller (12) einen Einlass (30) zum Einlassen der zu erfassenden Analyten (32) aufweist.
6. lonenmobilitätsspektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Photonenquelle (36) zum Beaufschlagen der zu ionisierenden Analyten (32) mit Photonen (38) zwecks Ionisation vorgesehen ist.
PCT/DE2013/000463 2012-08-21 2013-08-19 Ionenmobilitätsspektrometer zum erfassen von analyten WO2014029378A1 (de)

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