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Die
Erfindung betrifft ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Detektion
positiver und negativer Ionen mit einem Ionisationsraum mit einem
Gaseinlass und Gasauslass und mit einer innerhalb des Ionisationsraumes
angeordneten Ionisationseinrichtung sowie mit zwei im Wesentlichen
symmetrisch zum Ionisationsraum angeordneten Drifträumen, welche
jeweils durch ein Ionengitter vom Ionisationsraum getrennt sind,
wobei der eine Driftraum am dem Ionengitter abgewandten Ende einen
Detektor für negative Ionen und der andere Driftraum am
dem Ionengitter abgewandten Ende einen Detektor für positive
Ionen aufweist.
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Die
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie bzw. Ionenmobilitätsspektrometrie
ist ein Verfahren zur Charakterisierung gasförmiger chemischer
Substanzen über ihre Beweglichkeit in der Gasphase bei
Umgebungsdruck. Die z. B. mittels Licht (UV, Laser oder dgl.), Teilentladung,
Radioaktivität, Plasmen, Elektrospray erzeugten Ionen werden
in einem elektrischen Feld in Richtung des Detektors beschleunigt.
Dabei bewegen sie sich in entgegengesetzter Strömungsrichtung
eines Driftgases und stoßen mit den Driftgasmolekülen
zusammen. Dies bewirkt ein Abbremsen der Ionen in Abhängigkeit
von ihrer Masse, Form und Ladung. Aus der Driftzeit, welche die
Ionen benötigen, um den Detektor zu erreichen, der elektrischen
Feldstärke sowie der Länge der Driftstrecke im Driftraum
wird die Beweglichkeit der Ionen berechnet, mit deren Hilfe ein
Analyt identifiziert werden kann. Die Bestimmung der Signalfläche
im Vergleich mit einer vorhergehenden Kalibrierung erlaubt außerdem
die quantitative Bestimmung der detektierten Substanz. Durch einen
Wechsel der Polarität der angelegten Spannung können
in einem konventionallen Ionenbeweglichkeitsspektrometer positive
oder negative Ionen detek tiert werden.
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Die
Auswahl der Ionisationseinrichtung des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
richtet sich nach den zu detektierenden Substanzen (unterschiedliche Ionisationseinrichtungen
haben unterschiedlicher Ionisierungsenergien und können
daher unterschiedliche Substanzen ionisieren) und den Nachweisgrenzen.
Beispiele hierfür sind die Detektion, z. B. von Monomeren
bei der Polymerisation oder von Terpenen mittels UV, bei geringeren
Konzentrationen z. B. in der Prozesskontrolle oder in der Atemluftanalytik mittels β-Strahlen
oder bei chlorierten Verbindungen die Teilentladung.
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Die
meisten chemischen Substanzen bilden mit denen bei der Ionenbeweglichkeitsspektrometrie eingesetzten
Ionisationsmethoden positive Ionen, während nur wenige
auch oder ausschließlich negative Ionen bilden. Des Weiteren
ist die Bildung insbesondere negativer Ionen, auch abhängig
von der Ionisationsmethode bzw. -energie. Daher werden herkömmliche
Ionenbeweglichkeitsspektrometer im Allgemeinen zur ausschließlichen
Detektion positiver oder negativer Ionen eingestellt.
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Aus
US 4,445,038 ist ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer
mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches
1 bekannt.
Dieses Ionenbeweglichkeitsspektrometer weist einen Ionisationsraum
mit einer Ionisationsquelle als Ionisationseinrichtung auf, wobei
symmetrisch zum Ionisationsraum zwei Drifträume angeordnet
sind, wobei entlang des gesamten Ionenbeweglichkeitsspektrometers
ein elektrisches Feld derart angelegt ist, dass der eine Driftraum
zur Detektion positiver Ionen und der andere Driftraum zur Detektion
negativer Ionen ausgebildet bzw. geeignet ist. Bei diesem Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist die Anordnung der Innenquelle im Ionisationsraum und des Gaseinlasses und
des Gasauslasses im Ionisationsraum derart, dass sich der Gaseinlass
und der Gasauslass gegenüberliegen, so dass das Probengas
an der Ionisationsquelle vorbeiströmen muss. Dies führt
dazu, dass dieses bekannte Ionenbeweglichkeitsspektrometer auf bestimmte
Ionisationsverfahren, insbesondere auf β-Strahlung beschränkt
ist, was die Anwendbarkeit dieser Vorrichtung, insbesondere zur
Analyse komplexerer Gemische, einschränkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer der eingangs
bezeichneten Art so weiter zu entwickeln und zu verbessern, dass
der Anwendungsbereich auch die Detektion von Ionen komplexer Gasgemische
erweitert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer der eingangs
bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Ionisationseinrichtung wenigstens zwei unterschiedliche
Ionisationsquellen aufweist, die unabhängig voneinander
aktivierbar sind.
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Es
wird somit ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Verfügung
gestellt, das nicht nur zur (gleichzeitigen) Detektion positiver
und negativer Ionen geeignet ist, sondern bei dem die Ionisationseinrichtung
wenigstens zwei ggf. aber auch mehr als zwei unterschiedliche Ionisationsquellen
aufweist, die bei Bedarf ein- bzw. ausgeschaltet werden können.
Dieser Aufbau erlaubt den gleichzeitigen Einsatz verschiedener Ionisationsquellen
nacheinander oder gleichzeitig zur Untersuchung ein und derselben Probe
und des weiteren die simultane Detektion positiver und negativer
Ionen, so dass mit nur einem einzigen Ionenbeweglichkeitsspektrometer
auch komplexere Gasgemische zuverlässig analysiert werden
können. Für die Analyse einfacher Gemische kann
dann je nach Einsatzfall durchaus auch nur eine einzige Ionisationsquelle
im Einsatz sein, d. h. aktiviert sein.
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In
besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Ionisationsraum
rohrförmig ist und die Ionisationsquellen am Umfang des
Ionisationsraumes verteilt angeordnet sind. Die Ionisationsquellen
ragen dann radial nach innen in den Ionisationsraum hinein.
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Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ionisationsquellen in Längsrichtung
des Ionisationsraumes gesehen im Zentrum desselben angeordnet sind,
und dass der Gaseinlass und Gasauslass in Längsrichtung
des Ionisationsraumes gesehen axial voneinander beabstandet angeordnet
sind. Da sich der Gaseinlass und Gasauslass dann nicht direkt gegenüberliegen,
muss die Gasprobe nicht zwingend an der Ionisationsquelle vorbeiströmen,
so dass das Ionenbeweglichkeitsspektrometer nicht auf die Verwendung
von Ionisationsquellen, an denen die Probe vorbeiströmen
muss, wie z. B. β-Strahlung, beschränkt ist. Vielmehr
können alle bekannten. Ionisationsquellen eingesetzt werden.
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Bei
dieser geometrischen Anordung ist bevorzugt vorgesehen, dass der
Gaseinlass und der Gasauslass in Längsrichtung des Ionisationsraumes gesehen
diesseits bzw. jenseits der Ionisationsquellen angeordnet sind.
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Ferner
sieht die Erfindung vor, dass die Ionisationseinrichtung wenigstens
eine nicht elektrisch ein- und ausschaltbare Ionisationsquelle aufweist, welche
zur Aktivierung bzw. Deaktivierung wenigstens teilweise aus dem
Ionisationsraum herausziehbar ist. Die Aktivierung bzw. Nichtaktivierung
der nicht elektrisch ein- und ausschaltbaren Ionisationsquelle,
z. B. einem β-Strahler, erfolgt dann mechanisch, d. h.
die betreffende Ionisationsquelle wird sozusagen aus dem Ionisationsraum
herausgezogen und zur Aktivierung wieder hineingeschoben. Dazu kann
die Ionisationsquelle in einem ringförmigen oder rohrförmigen
Stutzen in der Wandung des Ionisa tionsraumes aufgenommen sein.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
Prinzipdarstellung eines dualen Ionenbeweglichkeitspektrometers
ohne Ionisationseinrichtung,
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2 beispielhaft
die Darstellung eines homogenen elektrischen Feldes entlang des
im Ionenbeweglichkeitsspektrometers nach 1,
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3 verschiedene
Ionisationsquellen, die die Ionisationseinrichtung des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
aufweisen kann,
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4 eine
mögliche Anordnung der Ionisationsquellen der Ionisationseinrichtung,
bei welcher nicht alle Ionisationsquellen aktiviert sind und
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5 die
Ionisationseinrichtung nach 4 mit Aktivierung
sämtlicher Ionisationsquellen.
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Ein
(duales) Ionenbeweglichkeitsspektrometer zur Detektion positiver
und negativer Ionen ist in 1 allgemein
mit 1 bezeichnet und weist vorzugsweise eine rohrförmige
Form auf.
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Das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 weist zunächst
vorzugsweise in Längsrichtung gesehen im Zentrum einen
Ionisationsraum 2 auf, an den sich in Längsrichtung
gesehen beidseitig jeweils ein vorzugsweise symetrisch zum Ionisationsraum 2 angeordneter
Driftraum 3, 4 anschließt. Beim Ausführungsbeispiel
dient der Driftraum 3 als Driftstrecke für negative
Ionen und der Driftraum 4 als Driftstrecke für posi tive
Ionen. Der Driftraum 3 ist durch einen Ionengitter 5 und
der Driftraum durch ein Ionengitter 6 vom Ionisationsraum 2 getrennt.
Diese Ionengitter 5, 6 können in bekannter
Weise als Bradbury-Nielsen-Gitter ausgebildet sein.
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Jeder
Driftraum 3, 4 weist an dem jeweiligen Ionengitter 5, 6 abgewandten
Ende einen Detektor und einen Driftgaseinlass auf, nämlich
der Innenraum 3 einen Detektor 7 für
negative Ionen und einen Driftgaseingang 8 und der Driftraum 4 einen
Detektor 9 für positive Ionen und einen Driftgaseingang 10.
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Ferner
weist das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 einen Gaseinlass 11 für
die zu analysierende Probe und einen Gasauslass 12 auf,
aus dem das Probengas und die Driftgase wieder austreten.
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Wie
in 1 dargestellt, sind der Gaseinlass 11 und
der Gasauslass 12 vorzugsweise in Längsrichtung
gesehen beabstandet voneinander am Umfangsrand des Ionisationsraumes 2 angeordnet
und zwar vorzugsweise diesseits und jenseits des gestrichelt angedeuteten
Bereich innerhalb des Ionisationsraumes 2, in dem die nachfolgend
näher beschriebene Ionisationseinrichtung angeordnet ist.
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Entlang
des Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 ist ein elektrisches
Feld angelegt, das z. B. ein homogenes elektrisches Feld sein kann,
wie dies in 2 dargestellt ist.
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In 2 ist
beispielsweise an der Position e (Detektor 9 für
positive Ionen) die Spannung 0 kV angelegt und an der Position a
(Detektor 7 für negative Ionen) die Spannung +8
kV. Dabei bezeichnet in 2 der Buchstabe b die Position
des Ionengitters 5 für negative Ionen, der Buchstabe
c die Ionisationseinrichtung und der Buchstabe d das Ionengitter 6 für
positive Ionen. Somit bildet der Bereich a–b die Drift strecke
für negative Ionen, der Bereich b–d den Ionisationsraum
und der Bereich d–e die Driftstrecke für positive
Ionen.
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Wesentlich
für das erfindungsgemäße Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist, dass die Ionisationseinrichtung wenigstens zwei unterschiedliche
Ionisationsquellen aufweist, die unabhängig voneinander
aktivierbar sind.
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In 3 sind
beispielhaft mehrere verwendbare Ionisationsquellen dargestellt,
nämlich ein β-Strahler 13 (z. B. 63Ni), eine Teilentladung mit Entladungsnadel 14 und
Gegenelektrode 14a, eine UV-Lampe 15 und ein miniaturisiertes
Plasma 16.
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Wie
in 4 dargestellt, sind diese verschiedenen Ionisationsquellen 13, 14 mit 14a, 15 und 16 am
Umfang des Ionisationsraumes 2 verteilt angeordnet und
zwar vorzugsweise in Längsrichtung gesehen im Zentrum des
Ionisationsraumes 2.
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Bei
der in 4 und 5 dargestellten Anordnung sind
die Ionisationsquellen symmetrisch verteilt. An der mit 17 bezeichneten
Stelle kann noch eine weitere Ionisationsquellen vorgesehen sein.
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Alle
Ionisationsquellen 13, 14 mit 14a, 15 und 16 sind
getrennt voneinander aktivierbar, entweder durch elektrisches Ein-
oder Ausschalten oder mechanisch. Dies betrifft eine Ionisationsquelle
wie den β-Strahler 13. Dieser ist zur Aktivierung
bzw. Deaktivierung wenigstens teilweise aus dem Ionisationsraum 2 hinausziehbar,
wie dies in 4 dargestellt ist. Dabei ist
das freie Ende des β-Strahlers 13 gegenüber
dem Ionisationsraum 2 abgetrennt, z. B. durch einen mit 18 angedeuteten
Verschluss.
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Bei
der Darstellung gemäß 5 ist der β-Strahler 13 ak tiviert,
nämlich bei geöffnetem Verschluss 18 in
dem Ionisationsraum 2 eingeführt.
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Die
Funktionsweise des Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 ist
wie folgt:
Der Ionisationsraum 2 wird von einem zu
analysierenden Probengas durchströmt, das in den Gaseinlass 11 z.
B. mit einer Flussrate von 150 mL/min eingeleitet wird, und das
den Ionisationsraum 2 durchquert und dann durch den Gasauslass 12 aus
dem Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 wieder austritt.
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Im
Ionisationsraum 2 werden die Inhaltsstoffe des Probengases
durch eine oder mehrere der Ionisationsquellen 13, 14, 15, 16 ionisiert.
Alternativ können auch flüssige Proben in den
Ionisationsraum 2 eingeleitet werden und mittels Elektrospray
ionisiert und innerhalb des Ionisationsraumes 2 verdampft werden.
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Die
gebildeten Ionen werden im elektrischen Feld beschleunigt. Da das
elektrische Feld in der Form gemäß 2 kontinuierlich
von 0 Volt am Detektor 9 für positive Ionen bis
zu 8 kV am Detektor 7 für negative Ionen ansteigt,
werden die entstehenden positiven und negativen Ionen bereits im
Ionisationsraum 2 getrennt und bewegen sich durch die Drifträume 3 und 4 in
Richtung der Detektoren. Die negativen Ionen wandern in Richtung
der positiven Hochspannung am Detektor 7 und die positiven
Ionen in Richtung des auf 0 kV liegenden Detektors 9. Alternativ kann
die Spannung auch von 0 kV bis zu einer negativen, beispielsweise –8
kV oder von einer positiven bis zu einer negativen, beispielsweise –4
kV bis +4 kV ansteigen.
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Da
das duale Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 vorzugsweise
symmetrisch zum Ionisationsraum 2 ausgebildet ist, kann
der Verlauf des elektrischen Feldes auch in jeder Anwendung umgekehrt angelegt
werden. Das elektrische Feld kann über das ganze Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 homogen sein,
wie in 2 dargestellt.
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Je
nach Anwendung kann aber auch ein inhomogenes Feld im Ionisationsraum 2 und/oder
in den Drifträumen 3 und 4 von Vorteil
sein. Die Felder in den beiden Drifträumen 3 und 4 können
durch analoge Spannungsintervalle und Homogenität/Inhomoginität
gekennzeichnet sein. Je nach Anwendung können sie jedoch
auch unabhängig voneinander eingestellt sein. Die beiden
Ionengitter 5 und 6 sind vorzugweise Bradbury-Nielsen-Gitter,
welche Ionen nur in bestimmten Zeitintervallen, beispielsweise alle 100
ms für kurze Zeit, beispielsweise 300 μs in die Drifträume 3 und 4 einlassen.
Dabei können diese Zeiten für beide Drifträume 3 und 4 gleich
sein oder je nach Anwendung voneinander abweichen. Für
bestimmte Anwendungen können die Ionengitter 5 und 6 auch
beide oder einzeln weggelassen werden, um beispielsweise bei einer
Vortrennung der Probe das duale Ionenbeweglichkeitsspektrometer
nur als Detektor zu verwenden.
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Die
beiden Drifträume 3 und 4 können
gleiche Dimensionen haben, beispielsweise 120 mm Länge
und 15 mm Innendurchmesser. Je nach Anwendung können aber
auch unterschiedliche Dimensionen verwendet werden. Beide Drifträume 3 und 4 können
durch die Driftgaseinlässe 8 und 10 mit
einem Driftgas, beispielsweise Luft oder Stickstoff, mit einem Fluss
von beispielsweise 100 mL/min durchströmt werden. Durch
die Stöße mit den Driftgasmolekülen werden
die Ionen auf ihrem Weg zum jeweiligen Detektor 7 bzw. 9 nach
ihrer Mobilität im Driftgas getrennt. Die Detektoren 7 bzw. 9 sind
vorzugweise als Faradayplatte ausgebildet, mit der die positiven und
negativen Ionen nachgewiesen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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