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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein transportierbares rezirkulierendes
Filter- bzw. Filtrationssystem zur Verwendung bei einer Ausführung von
Messungen mit einem Ionenbeweglichkeits-Spektrometer (IMS), und
auch auf ein transportierbares rezirkulierendes Filtrationssystem
zur Verwendung in einem Feld-IMS-Sensor in Gaschromatographie-Anwendungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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US-Patent
Nr. 5,420,424 stellt einen Sensor unter Verwendung von Ionenbeweglichkeits-Spektrometrie
(IMS) zur Verfügung,
um eine Spezies zu detektieren, die in einem Spurenkonzentrations-Niveau in
einem Probengasstrom vorhanden sind. Der IMS-Sensor, der in dem
US-Patent 5,420,424 geoffenbart ist, verwendet periodische elektrische
Felder, um unterschiedliche Spezies von Ionen gemäß der funktionellen
Abhängigkeit
ihrer Beweglichkeit bzw. Mobilität
mit elektrischer Feldstärke
zu trennen. Ionen, die in der Ionisations- bzw. Ionisierkammer des IMS-Sensors
generiert bzw. erzeugt werden, werden durch ein Ionenfilter zu einem
Ionendetektor durch ein elektrisches Feld geführt, das als das "Dispersionsfeld" bekannt ist. Dieses "Dispersionsfeld" wird durch eine
asymmetrische periodische Radiofrequenz-(RF)-Spannung erzeugt, die zwischen
einem Paar von nahe beabstandeten Longitudinal- bzw. Längs-Elektroden
angelegt ist. Die Verlagerung der Ionen, die durch das Dispersionsfeld
induziert ist bzw. wird, wird durch ein zweites elektrisches Feld modifiziert
oder kompensiert, das als das "Kompensationsfeld" bekannt ist. Das
Kompensationsfeld wird durch ein einstellbares zeitunabhängiges elektrisches
Gleichstrom-Potential erzeugt, welches zwischen den Elektroden angelegt
ist bzw. wird, um eine spezielle Ionenspezies zur Detektion als
ein Ergebnis der Varianz bzw. Änderung
in der Beweglichkeit zwischen speziellen Ionenspezies als eine Funktion
der elektrischen Feldstärke
zu isolieren. Diese Form von Ionenbeweglichkeits-Spektrometrie,
die als Feldionen-Spektrometrie bekannt ist, bietet ein neues Verfahren
zum Detektieren von Spezies, die in Spuren-Konzentrationsniveaus
(ppm bis ppb) in Gasproben vorhanden sind, die zu analysieren sind.
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Um
zu vermeiden, daß die
Sensorleistung aufgrund von Verunreinigungen beeinträchtigt wird, welche
in dem Trägerfluidstrom
vorhanden sein können,
welcher die Ionen durch das Ionenfilter transportiert, erfordern
bestehende IMS-Sensordesigns
eine Verbindung mit einem Filtrations- bzw. Filtersystem, um den
Trägerfluidstromfluß vor seinem
Einbringen in den Sensor zu reinigen. Die Verwendung einer stationären Filtrationsquelle
stellt ein Problem, wenn der IMS-Sensor als ein tragbares Instrument
in der Detektion von atmosphärischen
Verunreinigungen in entfernten Orten verwendet werden soll. Existierende tragbare
Filtrationssysteme, die mit IMS-Vorrichtungen verwendet werden,
sind nicht mit dem IMS-Design kompatibel, das im US-Patent Nr. 5,420,424
geoffenbart ist. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem ein
rezirkulierendes bzw. rückführendes
Filter- bzw. Filtrationssystem zur Verwendung mit einem transportablen
IMS-Sensor des Designs zur Verfügung gestellt
wird, das in dem US-Patent Nr. 5,420,424 geoffenbart ist.
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Eine
bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung stellt ein rezirkulierendes
bzw. rückführendes
Filter- bzw. Filtrationssystem zur Verwendung mit einem transportablen
IMS-Sensor beim Messen einer unbekannten Konzentration einer gewählten ionisierbaren
verunreinigenden Substanz zur Verfügung, die in einer Probe vorhanden
ist, in welcher andere Substanzen koexistieren bzw. vorhanden sein
können.
Die Umgebungsluftprobe, die die Verunreinigung von Interesse enthält, kann
eine IMS-Leistung aufgrund der variablen Menge von Feuchtigkeit
und Spurenspezies beeinträchtigen,
die in dem Umgebungsluftstrom vorhanden sind. Die Genauigkeit der
Konzentrationsmessung des Sensors kann nachteilig durch Ladungstransferreaktionen
beeinträchtigt
sein, welche zwischen der ionisierbaren Verunreinigung von Interesse
und anderen ionisierbaren Spezies auftreten, die in der Umgebungsluftprobe
vorhanden sind. Ladungstransferreaktionen können entweder die Nettoeffizienz
erhöhen
oder verringern, mit welcher die Verunreinigung von Interesse ionisiert
wird. Folglich würde
die offensichtliche bzw. augenscheinliche Antwort des Sensors nicht
nur von der Konzentration der Verunreinigung von Interesse in der
Umgebungsluftprobe, sondern auch von der Konzentration von anderen
Substanzen abhängen,
welche zu ihrer Ionisierung durch diese Ladungstransferreaktionen
beitragen. Diese nachteiligen Effekte von Ladungstransferreaktionen
der Leistung des IMS-Sensors können
durch die Verwendung einer Filtrationssystem-Konfiguration eliminiert werden,
welche eine bekannte Konzentration der ionisierbaren Verunreinigung
von Interesse in einen Fluidstrom einbringt, der eine unbekannte
Konzentration der gewählten Verunreinigung
enthält.
Dies erlaubt eine Verwendung einer Meßtechnik, die als das Standard-Additionsverfahren
bekannt ist, um die unbekannte Konzentration zu quantifizieren.
Das Standard-Additionsverfahren vergleicht die IMS-Messung des unbekannten
Konzentrationsniveaus mit dem bekannten Konzentrationsniveau in
einer Weise, welche die Effekte von Ladungstransferreaktionen an dem
Ergebnis eliminiert. Diese Ausbildung der vorliegenden Erfindung
kann auch verwendet werden, um den IMS-Sensor zu kalibrieren, indem
erstellt wird, welche Ionengrammstrukturen aus der Anwesenheit eines
speziellen Analyten in dem Probenstrom resultieren. Eine bekannte
Konzentration eines Analyten wird in den Probenstrom eingebracht.
Das resultierende Ionogramm wird mit einem Ionogramm verglichen,
das aufgezeichnet ist, wobei bzw. wenn keine Verunreinigungen vorhanden
sind. Durch ein Vergleichen dieser Spektren kann eine Korrelation
zwischen den Positionen der Merkmale in dem Ionogramm und dem Analyten
getätigt
werden, welcher Anlaß für diese
Merkmale gibt bzw. bietet.
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Eine
weitere bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung stellt
ein rezirkulierendes Filtrationssystem zur Verwendung mit einem
transportierbaren IMS-Sensor des Designs zur Verfügung, das
in dem US-Patent Nr. 5,420,424 geoffenbart ist, welches zur Verwendung
in Gaschromatographie-Anwendungen konfiguriert ist. Diese Ausbildung
stellt auch eine Heizvorrichtung zum signifikanten Minimieren der
Effekte einer Adsorption zur Verfügung, die an der IMS-Probenstrom-Einlaßoberfläche auftritt.
Dies verringert die Antwortzeit des IMS-Sensors und die Rückstellzeit-Charakteristika
in bezug auf ein schnelles Detektieren von sich ändernden Analyten-Konzentrationsniveaus.
Die Vorrichtung stellt ein Heizen bzw. Erwärmen des Probenstrom einlasses des
IMS-Sensors zur Verfügung,
um die Temperatur der Probenstrom-Einlaßoberfläche zu erhöhen. Diese erhöhte Temperatur
resultiert in weniger Zeit zwischen einer Adsorption und Desorption
des Analyten an der Probenstrom-Einlaßoberfläche, was
bewirkt, daß ein
größerer Anteil
des Konzentrationsniveaus des gesamten Analyten durch den IMS-Sensor zu detektieren
ist. Dies resultiert in einer signifikanten Reduktion der Zeit,
die für
den Analyten notwendig ist, um eine Gleichgewichtsdichte an der
Probenstrom-Einlaßoberfläche zu erreichen,
wodurch die Ansprech- bzw.
Antwortzeit des IMS-Sensors und die Rückstellzeit-Charakteristika in bezug auf ein Detektieren
von sich schnell ändernden
Konzentrations-Niveaus abgesenkt werden. Die Heizvorrichtung kann operational
mit einem einen Fluß glättenden
Einsatz konfiguriert sein, um die Turbulenz in dem Fluidstrom zu
reduzieren, der in den Probenstrom-Gesamteinlaß des IMS-Sensors eintritt.
Eine Eliminierung dieser Turbulenz ist notwendig, um ein Mischen
des Träger- und des Probenfluidstroms
in dem Ionenfilter zu verhindern, was ansonsten nachteilig die Empfindlichkeit
des IMS-Sensors
aufgrund der Verunreinigungen beeinflussen würde, die in dem Probenfluidstrom
enthalten bzw. vorhanden sind. Ohne die Verwendung eines einen Strom
bzw. Fluß glättenden Einsatzes
ist eine Reduktion des Trägerstromflusses notwendig,
um diese Turbulenz zu eliminieren, was wiederum nachteilig die IMS-Sensor-Empfindlichkeit beeinflußt. Diese
abgesenkte Empfindlichkeit wird durch die erhöhte Menge an Zeit bewirkt,
die für
die ionisierte Substanz erforderlich ist, um das Ionenfilter zu
passieren. Ein Erstrecken des Zeitintervalls, für welches Ionen in dem Ionenfilter
verbleiben, erlaubt mehr Zeit für
Verlustmechanismen (wie eine Diffusion zu den Filterwänden und
Ladungsneutralisierungsreaktionen), um den Ionenstrom abzuschwächen, welcher
den Ionendetektor erreicht. Der einen Fluß glättende Einsatz reduziert somit
eine Turbulenz in dem Trägerstromfluß, wobei
eine Rückkehr
des Flusses auf ein Niveau erlaubt wird, welches die Empfindlichkeit
des IMS-Sensors wieder herstellt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Allgemein
stellt die vorliegende Erfindung ein rezirkulierendes bzw. rückführendes
Filter- bzw. Filtrationssystem zur Verwendung mit einem transportierbaren
Ionenmobilitäts-Spektrometer zur
Verfügung.
Eine erste bevorzugte Ausbildung des transportierbaren rezirkulierenden
Filtrationssystems umfaßt
eine Pumpe, die mit einem Satz von Filtern und Strömungs- bzw.
Flußsensoren
mit einem Ionenmobilitäts- bzw. -beweglichkeits-Spektrometriesensor verbunden
ist, der vorzugsweise von dem Design ist, wie es im US-Patent 5,420,424
geoffenbart ist. Der Auslaßstrom
des IMS-Sensors wird durch die Filter gereinigt und durch die Pumpe
zurück
in den IMS-Sensor als der Trägerfluidstromfluß rezirkuliert bzw.
rückgeführt. Ein
Teil des Auslaßflusses
bzw. -stroms des IMS-Sensors gleich der Menge des Flusses, der in
den Sensor eingetragen wird, wird aus dem Filtrationssystem ausgetragen,
um ein konstantes Gesamtflußvolumen
durch das System aufrecht zu erhalten, wenn die Probe aufgenommen
wird.
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Eine
zweite bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung stellt ein
transportierbares rezirkulierendes Filtrationssystem bzw. tragbares
rückführendes
Filtersystem zum Messen einer nicht bekannten Konzentration einer
gewählten
ionisierbaren verunreinigenden Substanz, wie Benzol, zur Verfügung, die
in einem Probenfluidstrom vor handen ist, in welcher andere Substanzen
koexistent sein können. Das
Filtrationssystem dieser abgewandelten bevorzugten Ausbildung umfaßt eine
Pumpe, die mit einem Satz von Filtern Strömungs- bzw. Flußsensoren
und einer Mehrzahl von Ventilen mit einer Vorrichtung verbunden
ist, um eine gesteuerte bzw. geregelte Konzentration der gewählten ionisierbaren
Verunreinigung in einen Ionenbeweglichkeits-Spektrometriesensor vorzugsweise von
dem Design einzubringen, wie es in US-Patent 5,420,424 geoffenbart
ist. Die Messung einer unbekannten Konzentration der gewählten Verunreinigung
umfaßt
vorzugsweise die folgenden Schritte: (1) Kombinieren einer gesteuerten bzw.
geregelten Verunreinigungs-Konzentration mit einer nicht bekannten
Konzentration derselben Verunreinigungen, um die IMS-Sensor-Antwort auf die kombinierten
gesteuerten bzw. geregelten und unbekannten Konzentrationen zu messen;
(2) Messen der IMS-Sensor-Antwort auf nur die unbekannte Konzentration;
und (3) Bestimmen dieser unbekannten Konzentration durch ein Vergleichen
der Messung in Schritt (1) mit der Messung in Schritt (2). Diese
Ausbildung der vorliegenden Erfindung stellt auch ein rezirkulierbares
Filtrationssystem zur Verfügung,
welches verwendet werden kann, um den IMS-Sensor zu kalibrieren,
indem aufgebaut wird, welche Ionogrammstrukturen aus dem Vorhandensein
eines speziellen Analyten in dem Probenstrom resultieren. Eine bekannte
Konzentration eines Analyten wird in den Probenstrom eingebracht.
Das resultierende Ionogramm wird mit einem Ionogramm verglichen,
das aufgezeichnet wurde, wobei keine Verunreinigungen vorhanden
sind. Durch ein Vergleichen dieser Spektren kann eine Korrelation
zwischen den Positionen von Merkmalen in dem Ionogramm und dem Analyten
gemacht werden, welcher diese Merkmale hervorbringt.
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Eine
dritte bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung stellt ein
rezirkulierendes Filtrationssystem bzw. rückführendes Filtersystem zur Verwendung
mit einem transportierbaren IMS-Sensor des Designs zur Verfügung, das
in US-Patent Nr. 5,420,424 geoffenbart ist, welches konfiguriert
ist zur Verwendung in Gaschromatographie-Anwendungen. Der Gaschromatograph
besteht vorzugsweise aus einer Mehr- bzw. Multikapillarsäule, enthaltend
eine Beschichtung, die aus einer Substanz einer stationären Phase
besteht. Die Multikapillarsäule
ist in Wechselwirkung bzw. Verbindung mit dem IMS-Sensor-Probenstromeinlaß zum Übertragen
eines unbekannten Konzentrationsniveaus von wenigstens einem Analyten
in den IMS-Probenstromeinlaß,
um durch das Ionenbeweglichkeits-Spektrometer gemessen zu werden.
Eine Quelle von Trägergas
in Kommunikation bzw. Verbindung mit einem Probeninjektor nimmt
den Analyten in dem Probeninjektor zum Transport in die Mehrkapillarsäule mit.
Der Analyt ist in der stationären
Phasensubstanz löslich, sodaß ein Transport
des Analyten in den IMS-Probenstromeinlaß um ein vorbestimmtes "Retentionszeit"-Intervall in der
Mehrkapillarsäule
verzögert
ist bzw. wird. Eine Änderung
in der Rückhalte-
bzw. Retentionszeit zwischen unterschiedlichen Analytenarten erlaubt
es dem IMS-Sensor, genau die individuellen Konzentrationen der verschiedenen
Analytenspezies bzw. -arten zu messen, da der Eintritt von jeder Analytenspezies
in den IMS-Probenstromeinlaß,
verglichen mit den anderen Spezies, die in dem Probenstrom vorhanden
sind, abgestuft ist.
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Vorzugsweise
ist bzw. wird die Mehrkapillarsäule
zu einer beheizten bzw. erwärmten Übertragungsleitung
versiegelt bzw. abgedichtet, die zu dem Probenstromeinlaß des IMS-Sensors führt. Die Übertragungsleitung
ist vorzugsweise auf einer Temperatur von 10 °C–40 °C über jener der Mehrkapillarsäule gehalten,
um sicherzustellen, daß eine
Analytenspezies sich nicht an den Wänden der Übertragungsleitung adsorbieren
wird statt in den Probenstromeinlaß des IMS-Sensors einzutreten.
Die Übertragungsleitung
kann fakultativ mit einem einen Fluß glättenden Einsatz konfiguriert
sein, um ein laminares Flußprofil durch
das Volumen zwischen dem Übertragungsleitungs-Auslaßende und
dem IMS-Sensor-Gehäuse nach
bzw. bei einem Austritt des IMS-Trägerflußstroms von dem einen Fluß glättenden
Einsatz auszubilden. Das Heizen bzw. Erwärmen, das durch die Übertragungsleitung
zur Verfügung
gestellt wird, erhöht
auch die Temperatur der Probenstromeinlaß-Oberfläche, um die Menge an Zeit bzw.
das Zeitausmaß zwischen
einer Adsorption und Desorption zu reduzieren, die an der Oberfläche stattfindet.
Dies verbessert signifikant die Fähigkeit des IMS-Sensors, sich schnell ändernden
Analyten-Konzentrationsniveaus zu folgen. Die Einlaßheizvorrichtung
umfaßt einen
hohlen Metalldurchtritt für
einen Durchtritt eines Probenfluidstroms von der Außenseitenumgebung
in den Probenstromeinlaß des
Ionenbeweglichkeits-Spektrometers. Ein hohles Metallgehäuse ist vorzugsweise
hermetisch sowohl mit den Durchtrittseinlaß- als auch -auslaßenden verschweißt, um die
Vorrichtung an dem Probenstromeinlaß des Ionenbeweglichkeits-Spektrometers
unter Verwendung eines keramischen Flansches festzulegen. Ein Heizelement,
vorzugsweise bestehend aus einem Hochwiderstandsdraht, umgibt die
Oberfläche
des Durchtritts, um elektrisch den Durchtritt zu heizen. Eine Temperatur-Steuer-
bzw. -Regelschaltung steuert bzw. regelt eine elektrische Leistungseingabe bzw.
-zufuhr zu dem Heizelement, um den Durchtritt auf einem im wesentlichen
konstanten Bezugswert zu halten. Die Temperatur-Steuer- bzw. -Regelschaltung
umfaßt
wenigstens eine Temperaturmeßvorrichtung,
vorzugsweise ein einen elektrischen Widerstand messendes Thermometer,
das an der Oberfläche
des Durchtritts festgelegt ist, um eine Temperatur des Durchtritts
zu messen. Eine Temperatur-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung, die eine
Eingabe bzw. Eingang, die (der) elektrisch mit der Temperaturmeßvorrichtung
verbunden ist, und eine Ausgabe bzw. einen Ausgang aufweist, die
(der) elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist, vergleicht die
Temperatur, die durch die Temperaturmeßvorrichtung gemessen ist, mit
einem vorbestimmten Referenz- bzw. Bezugswert und stellt die elektrische
Leistung, welche zu dem Heizelement eingegeben wird, so ein, um
im wesentlichen die Temperatur des Durchtritts mit dem Bezugswert
abzugleichen.
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Die
erhitzte Übertragungsleitung
ist gegebenenfalls mit einer einen Fluß glättenden Vorrichtung versehen,
um die Turbulenz abzusenken, die in dem Fluidstrom vorhanden ist,
der in den Trägerstromeinlaß des IMS-Sensors
eintritt. Dieser einen Fluß glättende Einsatz
erlaubt ein Erhöhen
der Fluidstrom-Geschwindigkeit bzw. -Rate, die in den Trägerstromeinlaß des IMS-Sensors
eintritt, auf Niveaus, welche Meßempfindlichkeit des IMS-Sensors
maximieren, ohne ein Mischen der Probe und der Trägerfluid-Stromflüsse zu bewirken.
Das einen Fluß glättende Element
umfaßt
einen Einsatz aus einem porösen
Material, vorzugsweise ein scheibenförmiges Metallsieb mit einer
zentralen Öffnung,
welche über das
Gehäuse
der Heizvorrichtung paßt,
welches zwischen dem Heizvorrichtungsgehäuse und der Oberfläche des
Bodenstromeinlasses an einem Ort bzw. einer Stelle nahe dem Auslaßende der
Heizvorrichtung angeordnet ist. Der einen Fluß glättende Einsatz füllt den
Spalt zwischen dem Heizvorrichtungsgehäuse und der Plenum- bzw. Gesamtoberfläche des
Probenstromeinlasses, was bewirkt, daß die Geschwindigkeit des Fluidstromflusses,
der in den Trägerstromeinlaß eintritt, über die
Auslaßseite
des einen Fluß glättenden
Elements vergleichmäßigt wird,
um Strömungs-
bzw. Flußturbulenzen
zu eliminieren. Vorzugsweise ist der einen Fluß glättende Einsatz elektrisch von
der Gesamtoberfläche
des IMS-Probenstromeinlasses durch ein Band von elektrisch isolierendem
Material getrennt, das zwischen dem Einsatz der IMS-Probenstrom-Einlaßoberfläche angeordnet
ist.
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Andere
Details, Gegenstände
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
der gegenwärtig
bevorzugten Ausbildungen offensichtlich werden.
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Kurze Beschreibung
der detaillierten Zeichnungen
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In
den beiliegenden Zeichnungen sind die bevorzugten Ausbildungen der
vorliegenden Erfindung und bevorzugte Verfahren zum Ausführen der vorliegenden
Erfindung illustriert, wobei:
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1 ein
schematisches Fluidsystem-Diagramm einer ersten bevorzugten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist, welche ein rezirkulierendes Filtrationssystem
bzw. rückführendes
Filtersystem zur Verwendung mit einem transportierbaren bzw. tragbaren
IMS-Sensor zur Verfügung
stellt.
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2 ein
schematisches Fluidsystem-Diagramm einer zweiten bevorzugten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist, die ein portables bzw. tragbares
rückführendes
bzw. Rezirkulations-Filtrationssystem zum Messen einer nicht bekannten
Konzentration einer gewählten,
ionisierbaren, verunreinigenden Substanz zur Verfügung stellt,
wenn sie in einem Probenfluidstrom vorhanden ist, in welchem andere
Substanzen koexistent bzw. ebenfalls vorhanden sein können.
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3 ein
schematisches Fluidsystem-Diagramm einer dritten bevorzugten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist, welches ein rezirkulierendes Filtrationssystem
zur Verwendung mit einem transportierbaren IMS-Sensor in Gaschromatographie-Anwendungen
zur Verfügung
stellt.
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4 eine
Querschnittsansicht einer bevorzugten Heizvorrichtung für die vorliegende
Erfindung ist.
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5 eine
Querschnittsansicht einer anderen Ausbildung einer Heizvorrichtung
ist, wie sie mit einem einen Fluß glättenden Einsatz konfiguriert
ist.
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6 eine
vereinfachte Darstellung einer IMS-Sensor-Antwortzeit- und Rückstellzeit-Charakteristik
beim Detektieren eines stufenweisen Anstiegs in der Konzentration
des Analyten mit und ohne Heizen des Ionisationskammer-Einlasses
ist.
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7 ein
Graph des Temperaturprofils über eine
bevorzugte Heizvorrichtung ist.
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8 ein
Graph ist, der den Effekt der Verwendung einer bevorzugten Einlaßheiz-Vorrichtung an
eine IMS-Sensor-Antwortzeit- und Rückstellzeit-Charakteristik
auf Änderungen
in den Analyten-Konzentrationsniveaus illustriert.
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9A einen
typischen Satz von Daten zeigt, die durch einen IMS-Sensor ohne
einen einen Fluß glättenden
Einsatz gesammelt sind, der an die Heizvorrichtung festgelegt ist;
und
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9B die
erhöhte
Empfindlichkeit einer IMS-Messung mit einem einen Fluß glättenden
Einsatz zeigt, der an der Heizvorrichtung festgelegt ist.
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Detaillierte Beschreibung
der gegenwärtig
bevorzugten Ausbildungen
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1 zeigt
eine erste bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung, welche
ein rezirkulierendes Filtrationssystem bzw. rückführendes Filtersystem zur Verwendung
mit einem tragbaren bzw. transportierbaren IMS-Sensor zeigt. Die
in 1 gezeigte Ausbildung beinhaltet bzw. umfaßt eine
Pumpe 21 in Kombination mit einem Satz von Filtern 22a und 22b in
dem Einlaß-
und Auslaßstrom
davon, gemeinsam mit einer Mehrzahl von Strömungs- bzw. Flußsensoren
FS und Strömungs-
bzw. Flußeinstellventilen 50,
alle in Wechselwirkung bzw. Verbindung mit einem Ionenbeweglichkeits-Spektrometrie-(IMS)-Sensor 10.
Der IMS-Sensor 10 ist
vorzugsweise von dem Design, das im US-Patent 5,420,424 beschrieben
ist. Der IMS-Sensorauslaß-Fluidflußstrom 6 wird
gereinigt und in den IMS-Sensor 10 als der Trägerfluidstromfluß 7 rezirkuliert,
wie dies im US-Patent 5,420,424 beschrieben ist. Ein Teil des IMS-Sensorauslaß-Fluidflußstroms 6 gleich
der Menge des Probenfluidflußstroms 3,
der in den IMS-Sensor 10 eingebracht wird, wird als ein
Austrag bzw. Abgas 8 von dem Filtrationssystem entfernt,
wodurch eine konstante Gesamtflußgeschwindigkeit bzw. -rate
durch das System aufrecht erhalten wird, wenn die Probe genommen
wird. Die Flußgeschwindigkeiten bzw.
Strömungsraten
der Fluidströme
der Probe 3 und des Austrags 8 sind typischerweise
in dem Bereich von 10 bis 500 Milliliter pro Minute, wobei typische
Flußraten
des Trägerfluidstroms 7 in
der Größenordnung
von 2 bis 4 Liter pro Minute liegen.
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Die
Pumpe 21, vorzugsweise des Designs des ASF-Modells Nr.
5010 oder 7010 Oil-less-Diaphragma-Pumpen, zirkuliert einen Fluidstromfluß durch
das System. Filter 22a und 22b, vorzugsweise bestehend
aus 100 bis 500 Kubikzentimeter (cc) Aktivkohle, kombiniert mit
200 cc bis 1000 cc eines kombinierten Typ 5A und 13X Molekularsiebs
reinigen den Auslaßfluid-Flußstrom 6 vor
einer Rezirkulation bzw. Rückführung in
den IMS-Sensor 10 als das Trägergas 7, wie dies
im US-Patent 5,420,424 beschrieben ist. Eine Mehrzahl von Strömungs- bzw. Flußsensoren
FS, vorzugsweise Honeywell Modell AWM3000 oder AWM5000 Serien-Massenflußsensoren
ist installiert, um Flußgeschwindigkeiten
bzw. Strömungsraten
an verschiedenen Punkten in dem System zu messen. Eine Mehrzahl
von Strömungs- bzw.
Flußeinstellventilen 50,
vorzugsweise Ventile Modell Nr. SS-2MG4, hergestellt von Newpro
Inc., ist bzw. wird eingestellt, um zu Beginn die verschiedenen
Flußgeschwindigkeiten
in dem System auf ihre geeigneten Werte einzustellen. Diese Ventile 50 werden
dann an ihren anfänglichen
Positionen während einer
Verwendung des Systems bei einer Ausführung von IMS-Messungen belassen.
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Das
rezirkulierende Filtrationssystem, das in 1 gezeigt
ist, wird eine Arbeit bzw. einen Betrieb eines tragbaren IMS-Sensors
zur Detektion von gewählten
atmosphärischen
Verunreinigungen in entfernten Orten erlauben. Jedoch kann die Genauigkeit der
Konzentrationsmessung des Sensors nachteilig durch Ladungstransferreaktionen
beeinflußt
werden, welche zwischen der ionisierbaren Verunreinigung von Interesse
und anderen ionisierbaren Spezies auftreten können, die in der Umgebungsluftprobe vorhanden
sind. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausbildung der
vorliegenden Erfindung, welche den Effekt von Ladungstransferreaktionen
auf der gewählten
ionisierbaren verunreinigenden Substanz eliminiert, um eine genaue
Messung eines unbekannten Konzentrationsniveaus Cs der gewählten Verunreinigung
in einem Probenfluid-Stromfluß 3 zu
er möglichen,
in welchem andere Substanzen koexistent sein können.
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Das
rezirkulierende Filtrationssystem von 2 ist auch
vorzugsweise zur Verwendung mit dem IMS-Sensor 10 ausgebildet,
der im US-Patent Nr. 5,420,424 geoffenbart ist. Das Filtrationssystem von 2 umfaßt vorzugsweise
eine Permeations-Kalibriervorrichtung 20, eine Pumpe 21,
einen Satz von Filtern 22a und 22b, Flußsensoren
FS und zwei Drei-Öffnungs-Zwei-Weg-Magnetventile 23 und 24 mit
miteinander verbindenden Fluidfluß-Durchtritten Flußeinstellventilen 50.
Vorzugsweise bringt eine konventionelle Permeations-Kalibriervorrichtung 20, wie
jene, die in US-Patent
Nr. 4,399,942 oder 4,715,217 geoffenbart sind, eine gesteuerte bzw.
geregelte Konzentration Cpd der gewählten ionisierbaren verunreinigenden
Substanz mittels des Fluidstroms 2 in den Gesamtfluß 4 ein,
der in den Probeneinlaßstrom
des IMS-Sensors eintritt. Der Fluidstrom 2 tritt durch
die Permeations-Kalibriervorrichtung 20 hindurch, um die
Antwort des IMS-Sensors 10 auf jene zu kalibrieren, die
für die
eingebrachte Ionenkonzentration erwartet wird, und um eine Verwendung
des Standard-Additionsverfahrens
beim Berechnen einer unbekannten Konzentration der gewählten Verunreinigung
zu ermöglichen,
wie sie durch den IMS-Sensor 10 gemessen ist. Andere Mittel
zum Einbringen einer gesteuerten bzw. geregelten Konzentration Cpd
der gewählten
ionisierbaren Verunreinigung in das System, welche verwendet werden
können,
sind Diffusionsphiolen, Diffusionsröhren bzw. -rate, Standards
von unter Druck gesetzten Kalibrierzylindern und andere Verfahren,
wie sie in Gas Mixtures Preparation and Control, von Gary O. Nelson
(1992) geoffenbart sind.
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Vorzugsweise
besteht das eingebrachte bzw. hindurchgetretene Fluid, das die gesteuerte bzw.
geregelte Konzentration Cpd ausbildet bzw. bereitstellt, aus einer
Substanz, wie Benzol, die in der Permeations-Kalibriervorrichtung 20 in
flüssiger Form
vorhanden ist und in den Kalibrier-Fluidstrom 2 in gasförmiger Form
abgegeben wird, jedoch kann das Filtrationssystem-Design, das in 2 gezeigt ist,
auch zur Verwendung von flüchtigen
Feststoffen oder flüchtigen
Flüssigkeiten,
die einen Siedepunkt zwischen 40 und 125 °C aufweisen, ebenso wie für andere
Gase einer Phase, Zwei-Phasen-Feststoff-Gas-Systeme oder Zwei-Phasen-Flüssigkeits-Gas-Systeme
adaptiert werden, die zur Verwendung als das permeatierte bzw. eingebrachte Fluid
gewünscht
sind. Zusätzlich
zu dem eingebrachten Fluid besteht der Kalibrierstrom 2 vorzugsweise aus
einem inerten Gas oder einer inerten Mischung von Gasen, wie sie
in entfeuchteter Luft gefunden werden, welche durch Aktivkohle gefiltert
wurde. Typische Emissions-Konzentrationen für das eingebrachte Fluid sind
zwischen 0,1 und 10 ppm für
Flußgeschwindigkeiten
des Kalibrierungs-Fluidstroms 2 in dem Bereich von 50 bis
200 Milliliter pro Minute.
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Die
Pumpe 21, vorzugsweise das Design des ASF-Modells Nr. 5010
oder 7010 ölfreie
Diaphragmapumpen, zirkuliert einen Fluß durch das System. Die Filter 22a und 22b,
welche vorzugsweise aus 100 bis 500 Kubikzentimeter (cc) Aktivkohle kombiniert
mit 200 bis 1000 cc des kombinierten Typs 5A und 13X Molekularsiebs
bestehen, reinigen den Auslaßfluid-Stromfluß 6 von
dem IMS-Sensor 10 vor einem Rezirkulieren bzw. Rückführen in
den IMS-Sensor 10 als der Trägerfluidstrom 7, der
im US-Patent 5,420,424 beschrieben ist. Ein erster Anteil des gereinigten
Auslaßflusses 6,
der nicht in den Trägerfluidstrom 7 eingebracht
wird, wird durch die Permeations-Kalibriervorrichtung 20 als
der Kalibrierstrom 2 und dann in den Gesamtfluß 4 zirkuliert,
der in dem Probenstromeinlaß des
IMS-Sensors 10 eintritt. Ein zweiter Anteil des gereinigten
Auslaßflusses 6,
der nicht in den Trägerfluidstrom 7 eingebracht wird,
wird zurück
in den Gesamtstrom 4 zirkuliert, der in den Probenstromeinlaß des IMS-Sensors 10 als die
Ausbildungskomponente 5 des rezirkulierten Verdünnungsflusses 9 eintritt,
welcher die Probe 3 auf das Niveau verdünnt, welches für eine Messung
der unbekannten Konzentration erforderlich ist. Ein dritter Anteil
des gereinigten Auslaßstroms 6,
der nicht in den Trägerstrom 7 eingebracht
wird, wird als ein Austrag bzw. Abgas 8 aus dem Filtrationssystem
entfernt, um ein konstantes Gesamtflußvolumen durch das System aufrecht
zu erhalten, wenn die Probe genommen wird. Dieser Austragsstrom 8 ist
gleich der Menge an Probenfluidstromfluß 3, die in den IMS-Sensor 10 eingebracht
wird. Fluidstrom-Strömungsgeschwindigkeiten
bzw. -raten der Probe 3 und des Austrags 8, die
durch das System zur Verfügung
gestellt bzw. geliefert werden, sind typischerweise in dem Bereich
von 10 bis 500 Milliliter pro Minute, während typische Flußgeschwindigkeiten
des Trägerfluidstroms 7 in
dem Bereich von 2 bis 4 Liter pro Minute liegen.
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Eine
Mehrzahl von Strömungs-
bzw. Flußsensoren
FS, vorzugsweise Honeywell Modell AWM3000 oder AWM5000-Serie Massenflußsensoren
ist installiert, um einen Fluß an
verschiedenen Punkten in dem System zu messen. Eine Mehrzahl von
Flußeinstellventilen 50 ist
eingestellt, um zu Beginn die verschiedenen Flußgeschwindigkeiten bzw. Strömungsraten
in dem System auf ihre geeigneten Werte festzulegen bzw. einzustellen.
Diese Ventile 50 werden dann an ihre ur sprünglichen
bzw. Anfangspositionen während
einer Verwendung des Systems beim Ausbilden von IMS-Messungen belassen.
Ein Ventil 23, vorzugsweise des Designtyps LHDA1211111H,
hergestellt von Lee Company, richtet dem Kalibrierfluidstrom 2 von
der Permeations-Kalibriervorrichtung 20 in den Gesamtfluß 4,
der in den Probenstromeinlaß des
IMS-Sensors 10 eintritt,
oder aus dem System, wie erforderlich. Ein Ventil 24, wiederum
vorzugsweise des Lee LHDA1211111H Designtyps, stellt die Bereitstellungs-
bzw. Ausbildungskomponente 5 des rezirkulierten Verdünnungsstroms 9 derart
ein, daß ein
konstanter gesamter IMS-Probenstrom-Einlaßfluß 4 aufrecht erhalten wird,
um die gesteuerte bzw. geregelte Konzentration der gewählten Verunreinigung,
die in dem Kalibrierstrom 2 vorhanden ist, mit der unbekannten
Konzentration zu vergleichen, die in der Probe 3 zu messen ist.
Dieser konstante Gesamt-IMS-Probenstrom-Einlaßfluß 4 erlaubt eine Verwendung
des Standard-Additionsverfahrens beim Berechnen der unbekannten Konzentration
Cs aus der bekannten gesteuerten bzw. geregelten Konzentration Cpd.
Ein konventioneller IMS-Sensor 10 wird mit dem System arbeiten, jedoch
ist die bevorzugte Ausbildung zur Verwendung mit dem IMS-Sensor
ausgebildet, der in dem US-Patent Nr. 5,420,424 geoffenbart ist.
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Die
Messung einer unbekannten Konzentration der gewählten Verunreinigung beinhaltet
vorzugsweise die folgenden Schritte: (1) Kombinieren der gesteuerten
bzw. geregelten Verunreinigungs-Konzentration mit einer nicht bekannten
Konzentration derselben Verunreinigung, um die IMS-Sensor-Antwort auf die kombinierte
gesteuerte bzw. geregelte und unbekannte Konzentration zu messen;
(2) Messen der IMS-Sensor-Antwort
auf nur die unbekannte Konzentration; und (3) Bestimmen dieser unbekannten
Konzentration durch Ver gleichen der Messung in Schritt (1) mit der
Messung in Schritt (2).
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In
dem ersten Schritt wird bzw. ist das Ventil 23 positioniert,
um die gesteuerte bzw. geregelte Konzentration Cpd in den Gesamtstrom 4 einzubringen,
der in den IMS-Probenstrom-Einlaßeintritt. Das Ventil 24 ist
positioniert, um den Ausbildungsstrom 5 aus dem System
als den Austrag 8 abzuleiten bzw. auszutragen. Die Positionierung
des Ventils 24 erlaubt es der Probe 3, in den
Gesamtstrom 4 eingebracht zu werden, der in den IMS-Probenstromeinlaß eintritt.
Das Positionieren des Ventils 24, gemeinsam mit der Voreinstellung
der Ventile 50 bewirkt, daß der Probenstrom 3 gleich
10 % des Gesamtstroms 4 ist, der in den IMS-Probenstromeinlaß eintritt.
Dieser 10 %-ige Verdünnungsfaktor
ist notwendig, um die unbekannte Konzentration der gewählten Verunreinigung
in der Probe 3 auf ein Niveau zu verdünnen, welches eine lineare
Antwort bzw. ein lineares Ansprechen des IMS-Sensors 10 auf Änderungen
in dem unbekannten Konzentrationsniveau sicherstellen wird, jedoch
könnten
die Flußgeschwindigkeiten bzw.
Strömungsraten,
die durch die Ventile 50 vorab festgelegt sind, eingestellt
werden, um andere Verdünnungsfaktoren
zur Verfügung
zu stellen. Der IMS-Sensor 10 mißt die kombinierte Signalausgabe Stotal,
die durch Ionisieren von sowohl der kontrollierten bzw. gesteuerten
bzw. geregelten Konzentration Cpd als auch der nicht bekannten Konzentration Cs
der gewählten
Verunreinigung gebildet wird. Stotal kann durch die Gleichung gekennzeichnet
werden, Stotal = Spd + Ss = A·Cpd
+ 0,1·A·Cs. A
ist eine Proportionalitätskonstante
zwischen der elektrischen Signalausgabe S des IMS 10 und
der Verunreinigungskonzentration C und ist allgemein aufgrund ihrer
Abhängigkeit
von Ladungstransferreaktionen unbekannt. Die Signalausgabe Ss, die
durch die unbekannte Konzentration Cs produziert wird, reflektiert den
10 %-igen Verdünnungsfaktor,
der durch das Ventil 24 erzeugt wird.
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In
dem zweiten Schritt wird das Ventil 23 neu positioniert,
um den Kalibrierungsstrom 2 aus dem System zu richten.
Das Ventil 24 wird neu positioniert, um den maximalen Ausbildungsstrom 5 in
Kombination mit der Probe 3 als den Gesamtfluß 4 wieder einzusetzen,
der in den IMS-Probenstrom-Einlaß eintritt. Die Menge des erhöhten Ausbildungsstroms 5, die
durch das Ventil 24 zur Verfügung gestellt wird, kompensiert
die Menge an Kalibrierungsstrom 2, die aus dem System gerichtet
wurde, um den Probenstrom 3 gleich 10 % des Gesamtstroms 4 zu
halten, der in den IMS-Probenstromeinlaß eintritt.
Der IMS-Sensor 10 mißt
die Signalausgabe Ss, die durch eine Ionisierung bzw. Ionisation
nur der unbekannten Konzentration Cs der gewählten Verunreinigung gebildet
wird. Ss kann neuerlich durch die Gleichung Ss = 0,1·A·Cs, wie
oben beschrieben, charakterisiert werden.
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Nach
Ausführen
der oben beschriebenen Meßsequenz,
wird die unbekannte Konzentration Cs der gewählten Verunreinigung, die in
der Probe 3 vorhanden ist, durch das Standard-Additionsverfahren berechnet.
Da die gesteuerte bzw. geregelte Konzentration Cpd bekannt ist,
kann die Konzentration Cs der unbekannten Verunreinigung leicht
durch ein Vergleichen der Signalausgabe Ss mit der kombinierten Signalausgabe
Stotal erhalten werden. Diese unbekannte Konzentration Cs wird durch
ein Lösen
der Gleichung Cs = 10·Cpd/(R – 1) berechnet,
wobei R = Stotal/Ss. Eine Verwendung des Standard-Additionsverfahren
zum Berechnen der unbekannten Konzentration Cs korrigiert die Effekte
von Ladungstransferreaktionen an der IMS-Konzentrationsmessung durch
ein Eliminieren der Notwendigkeit eines Ankommens an einem Wert
für eine
allgemein nicht bekannte Proportionalitäts-Konstante A. Diese Berechnung
kann mittels eines Algorithmus ausgeführt werden, der auf einem Computerprozessor
durch Computersoftware läuft,
die für
diesen Zweck programmiert ist, welche auf einem computerlesbaren
Speichermedium gespeichert ist. Andere Mittel eines Berechnens der
nicht bekannten Konzentration Cs der Verunreinigung der gewählten Verunreinigung
sind auch möglich,
wie eine Verwendung einer elektronischen integrierten Differential-Verstärkerschaltung, einer
analogen oder einer kombinierten analogen und digitalen Vergleichsschaltung,
bestehend aus diskreten elektrischen und digitalen Logikkomponenten,
oder einer anderen ähnlichen
Schaltung, die im Stand der Technik vorhanden ist.
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Die
zweite bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt
ist, stellt auch ein rezirkulierendes Filtrationssystem zur Verfügung, welches
verwendet werden kann, um den IMS-Sensor 10 zu kalibrieren,
indem ausgebildet wird, welche Ionogramstrukturen aus der Anwesenheit
eines bestimmten Analyten in dem Probenstrom resultieren. Eine bekannte
Konzentration eines Analyten wird in den Probenstrom 3 eingebracht.
Das resultierende Ionogram wird mit einem Ionogram verglichen, das aufgezeichnet
wurde, wobei keine Verunreinigungen vorhanden sind. Beim Vergleichen
dieser Spektren kann eine Korrelation zwischen den Positionen von Merkmalen
in den Ionogramm und dem Analyten gemacht werden, der diese Merkmale
erzeugt. Eine Kalibrierung des IMS-Sensors 10 wird durch
ein Einbringen nur der gesteuerten bzw. geregelten Konzentration
Cpd der gewählten
Verunreinigung in den IMS aus geführt.
Dies ermöglicht
ein Korrelieren der Kompensationsspannung, um ein Ionogram aus den
Messungen zu generieren bzw. zu erzeugen, die durch den IMS-Sensor 10 aufgenommen
wurden. In dem Kalibrierungsschritt wird das Ventil 23 positioniert, um
die gesteuerte bzw. geregelte Konzentration Cpd, die in dem Kalibrierungs-Fluidstrom 2 vorhanden
ist, in den Gesamtfluß 4 einzubringen,
der in den IMS-Probenstromeinlaß eintritt.
Die Ventile 23 und 24 sind bzw. werden positioniert,
um einen maximalen Ausbildungsfluß 5 zur Verfügung zu
stellen. Das Fehlen des Austragsstrom 8 aus dem System
verhindert den Eintritt von Probenfluß 3 in den IMS 10.
Der Gesamt-IMS-Probenstrom-Einlaßfluß 4 wird durch den IMS-Sensor 10 geführt, um
die Ausgabe Spd des IMS-Sensors 10 zu kalibrieren. Spd
kann durch die Gleichung Spd = A'·Cpd charakterisiert
werden, wo A' eine
Proportionalitätskonstante
ist, analog zu jener, die oben beschrieben ist, welche jedoch einen unterschiedlichen
Wert aufgrund einer unterschiedlichen Zusammensetzung des gesamten
IMS-Probenstrom-Einlaßflusses 4 besitzt.
Eine Verwendung dieser Gleichung ermöglicht einen Vergleich von
Spd mit der Ausgabe, die von einer Ionisation von nur der gesteuerten
bzw. geregelten Konzentration Cpd gewählten Verunreinigung antizipiert
bzw. angenommen wird. Das resultierende Ionogram wird mit einem Ionogram
verglichen, das Verunreinigungen vorhanden sind aufgezeichnet wird,
wobei durch ein Vergleichen dieser Spektren kann eine Korrelation
zwischen den Positionen von Merkmalen in dem Ionogram und dem Analyten
getätigt
werden, der diese Merkmale veranlaßt.
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3 zeigt
eine dritte bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung, welche
ein rezirkulierendes Filtrationssystem zur Verwendung mit einem
transportierbaren IMS- Sensor
in Gaschromatographie-Anwendungen zur Verfügung stellt. Die dritte bevorzugte
Ausbildung, die in 3 gezeigt ist, umfaßt neuerlich
eine Pumpe 21 in Kombination mit Filtern 22a und 22b in
dem Einlaß-
und Auslaßstrom davon,
gemeinsam mit einer Mehrzahl von Flußsensoren FS und Flußeinstellventilen 50,
alle in Wechselwirkung bzw. Verbindung mit einem IMS-Sensor 10.
Der IMS-Sensor 10 ist neuerlich vorzugsweise von dem Design
bzw. der Konstruktion, das (die) im US-Patent 5,420,424 beschrieben
ist. Der Auslaßfluidflußstrom 6 des
IMS-Sensors ist bzw. wird neuerlich gereinigt und zurück in den
IMS-Sensor 10 als der Trägerfluidstromfluß 7 rezirkuliert,
wie dies im US-Patent 5,420,424 beschrieben ist. Ein Anteil des Auslaßfluidflußstroms 6,
neuerlich gleich der Menge des Probenfluid-Stromflusses 3, der in den
IMS-Sensor 10 eingebracht wird, wird als ein Austrag bzw.
Abgas 8 aus dem Filtrationssystem ausgetragen, wodurch
eine konstante Gesamtfluß-Geschwindigkeit durch
das System aufrecht erhalten wird. Die Flußgeschwindigkeiten bzw. -raten
des Fluidstroms der Probe 3 und des Abgases 8 sind
typischerweise in dem Bereich von 10 bis 100 Milliliter pro Minute,
während typische
Flußgeschwindigkeiten
des Trägerfluidflußstroms 7 in
dem Bereich von 2 bis 4 Litern pro Minute liegen.
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Die
Pumpe 21, neuerlich vorzugsweise vom Design des ASF-Modells Nr. 5010
oder 7010 ölfreie Diaphragmapumpe,
zirkuliert den Fluidstromfluß durch
das System. Die Filter 22a und 22b, neuerlich vorzugsweise
bestehend aus 100 cc bis 500 cc aktivierter Aktivkohle, kombiniert
mit 200 cc bis 1000 cc, des kombinierten Typs 5A und 13X Molekularsiebs, reinigen
den Auslaßfluidstromfluß 6 vor
einer Rezirkulation zurück
in den IMS-Sensor 10. Eine Mehrzahl von Flußsensoren
FS, vorzugsweise vom Design des Honeywell Modells AWM3000, ist installiert,
um Flußgeschwindigkeiten
an verschiedenen Punkten in dem System zu messen. Eine Mehrzahl
von Flußeinstellventilen 50,
vorzugsweise Ventile vom Modell Nr. SS-2MG4, hergestellt durch Newpro
Inc., wird eingestellt, um zu Beginn die verschiedenen Flußgeschwindigkeiten
in dem System auf ihre geeigneten Werte festzulegen. Diese Ventile 50 werden
dann an ihren Anfangspositionen während einer Verwendung des
Systems beim Durchführen
der IMS-Messungen belassen.
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Wie
dies in 3 gezeigt ist, stammt ein Probenfluid-Stromfluß 3 aus
einer Quelle von Hochdruckträgergas 70 und
wird durch ein Einspritzmagnetventil 71 in einen Gaschromatographen
eingespritzt, welcher vorzugsweise aus einer Multi- bzw. Mehrkapillarsäule 72 besteht.
Das Trägergas 70 wird vorzugsweise
in die Mehrkapillarsäule 72 durch
einen Probeninjektor 73 vor einem Eintreten in den Probenstromeinlaß des IMS-Sensors 10 injiziert.
Aufgrund des bevorzugten Designs des Systems wird die Probenfluidstrom-Flußgeschwindigkeit
bzw. -Strömungsrate 3 durch
die Mehrkapillarsäule 72 gleich
der Austrittfluidstrom-Flußgeschwindigkeit 8 sein
und wird mittels eines Flußbeschränkungsventils 51 mit
einstellbarer Öffnung
gesteuert bzw. geregelt, das in Serie mit dem Ventil 71 angeordnet
ist und vorzugsweise durch Sibertech Company, Novosibirsk, Rußland, hergestellt
ist. Das Ventil 71, welches vorzugsweise ein Zwei-Wege-Drei-Öffnungs-Einspritz-Solenoid-Design
ist, das durch die Sibertech Company hergestellt ist, ist entweder
(i) positioniert, um den Probeninjektor 73 zu umgeben, um
es reinem Trägergas 70 zu
ermöglichen,
in den IMS-Sensor 10 als der Probenfluid-Stromfluß 3 einzutreten,
oder ist alternativ (ii) positioniert, um es dem Trägergas 70 zu
ermöglichen,
durch den Probeninjektor 73 hin durchzutreten, um den Analyten
mitzureißen,
der durch den IMS-Sensor 10 zu bearbeiten ist. Obwohl ein
Mehrkapillarsäulen-Design
als der Gaschromatograph in der bevorzugten Ausbildung verwendet
ist bzw. wird, sind andere Designs mit einer einzelnen Kapillare
und gepackter Säule
in dem gegenwärtigen
Stand der Technik zur Verwendung akzeptabel, solange Mittel einer
Fluß-
und Temperaturkontrolle bzw. -steuerung analog zu jenen zur Verfügung gestellt
sind, die hier beschrieben sind, und solange der Gaschromatograph
hermetisch gegenüber
dem Probenstromeinlaß des
IMS-Sensors abgeschlossen bzw. abgedichtet ist.
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Das
Trägergas 70 wird
in das Flußsystem
bei hohem Druck mittels einer konventionellen Druckregulator- und
Entspannungsventil-Anordnung eingebracht. Die bevorzugte Ausbildung
verwendet ein Druckregulator- und Entspannungsventil-System, das
durch Sibertech Company hergestellt ist. Ein Druck im Tank 69 wird
durch den Druckregulator 68 von 100 auf 2500 psia an dem
Auslaß des
Tanks 69 auf 15 bis 25 psig am Kopf der Mehrkapillarsäule 72 reduziert.
Das Trägergas 70 ist
vorzugsweise inert, wie reiner Stickstoff, oder es kann ultrareine
Luft sein. Der Nachteil einer Verwendung von Stickstoff als dem
Trägergas 70 ist
jener, daß,
wenn das Instrument bzw. Gerät
das erste Mal eingeschaltet wird, eine gewisse Luft immer in dem
IMS-Sensor-10-Stromsystem
vorhanden sein wird. Wenn das Gerät arbeitet, wird sich das reine
Stickstoffträgergas damit
mischen und stufenweise bzw. zunehmend diese Luft verdrängen bzw.
ersetzen. Während
dieser Periode wird die Zusammensetzung des rezirkulierenden Gases
in dem IMS-Sensor-10-Flußsystem sich
stufenweise bzw. zunehmend von Luft zu Stickstoff verschieben. Jedoch
können
stabile Ablesungen nicht mit dem IMS-Sensor 10 erreicht
werden, bis die Zusammensetzung des rezirkulierenden Gases für den IMS-Sensor 10 stabil
ist. So wird ein Betrieb mit Stickstoff als dem Trägergas 70 die
Zeit erstrecken bzw. verlängern,
die für
den IMS-Sensor 10 erforderlich ist, um einen stabilen Betrieb
zu erreichen. Ultrareine Luft ist die Quelle von Trägergas 70, das
in der bevorzugten Ausbildung verwendet wird.
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Der
Probeninjektor 73 ist ein hohler Behälter, der vorzugsweise aus
Metall, wie rostfreiem Stahl gefertigt bzw. hergestellt ist und
eine Wand besitzt, welche hermetisch mit der Mehrkapillarsäule 72 verschweißt ist.
In einer Konfiguration besteht eine zweite Wand des Probeninjektors 73 aus
einer Septummembran. Diese Membran ist vorzugsweise aus Silizium
oder anderen ähnlichen
Materialien, wie einem Teflon-artigen Elastomer gefertigt. Eine
Gas- oder Flüssigkeitsprobe,
die durch den IMS-Sensor 10 zu bearbeiten ist, ist bzw.
wird vorzugsweise durch die Membran mittels einer Spritze injiziert.
Da sich der Probeninjektor 73 auf einer erhöhten Temperatur (100 °C oder höher) befindet,
verdampfen flüssige Proben
schnell, sobald sie in das Volumen des Probeninjektors 73 eintreten.
In einer alternativen Anordnung wird die Membranwand des Probeninjektors entfernt
und eine Probenpatrone wird in den Injektor eingesetzt. Einmal in
dem Probeninjektor 73, wird die Patrone rasch erhitzt,
wodurch Materialien desorbiert werden, welche auf der Drahtnetz-Sammeloberfläche der
Patrone gesammelt wurden. In jeder Konfiguration werden die Dampfproben,
die in dem Probeninjektor 73 vorhanden sind, auf die Mehrkapillarsäule 72 durch
ein momentanes Zuführen
eines Pulses an Trägergas 70 zu
dem Probeninjektor-73-Volumen gezwungen. Der Probenfluid-Stromfluß 3,
der in den Probenstromeinlaß des
IMS-Sensors 10 eintritt, ist somit eine Mischung von Trägergas 70,
das unbekannte Konzentrationen von einem oder mehreren Analyten,
die zu analysieren sind, mit sich reißt bzw. mitnimmt. Der Probenfluid-Stromfluß 3,
der den Probeninjektor 73 verläßt, ist bzw, wird vorzugsweise
bei einer Geschwindigkeit bzw. Rate von 10–100 ml/min, und vorzugsweise
zwischen 50 und 80 ml/min in die Mehrkapillarsäule 72 eingebracht.
Die Mehrkapillarsäule 72 ist
vorzugsweise ein hohles Bündel
von Glaskapillarröhren,
welche eine Auskleidung enthalten, die als die stationäre Phase
bekannt ist. Diese Glasröhren
reichen von etwa 25 bis 100 Mikrometer (μm) Innendurchmesser (ID) und
sind vorzugsweise 40 μm
in ID. Die stationäre
Phase kann aus Substanzen bestehen, wie SE-30, SE54 oder Carbowax
20M, wobei SE-54 in der bevorzugten Ausbildung verwendet wird.
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Im
Betrieb des Systems tritt das Trägergas 70 zuerst
durch den Probeninjektor bzw. die Probeneinspritzrichtung 73 durch,
wo Proben des Analyten in einer pulsartigen Weise in das Trägergas 70 injiziert
werden, wodurch räumlich
getrennte Trägergas-"Stöße" gebildet werden,
die verschiedene Arten des mitgerissenen Analyten enthalten. Diese
mitgerissenen bzw. mitgezogenen Analyten-Trägergasstöße werden dann durch die Mehrkapillarsäule 72 bei der
Flußgeschwindigkeit
des Trägergases 70 hindurchgeführt bzw.
-geleitet. Die Moleküle,
beinhaltend die verschiedenen Analytenspezies, die in dem Probeninjektor 73 vorhanden
sind, sind jeweils in unterschiedlichem Ausmaß in der Substanz der stationären Phase
löslich.
So werden alle Analytenspezies, die in einem Trägergasstoß mitgerissen sind, zahlreiche
Passagen in- und außerhalb
der Lösung mit
der Substanz der stationären
Phase unterliegen, wenn der Trägergasstoß die Länge der
Mehrkapillarsäule 72 durchläuft. Jede
Analytenspezies von Interesse wird eine Ver weilzeit in der Mehrkapillarsäule 72 besitzen,
die von jener der anderen Analytenspezies, die in dem Trägergasstoß vorhanden
sind, aufgrund des unterschiedlichen Ausmaßes verschieden ist, in welchem
jede Analytenspezies in der stationären Phase löslich ist. Diese Durchgangs-
bzw. Verweilzeit ist als die "Rückhaltezeit" bzw. "Retentionszeit" für diese
spezielle Analytenspezies bekannt. Diese Variation in Retentionszeiten
erlaubt es dem IMS-Sensor, eine verbesserte Selektivität bei einem
Unterscheiden zwischen verschiedenen Analytenspezies bzw. -gattungen
zu erreichen, die in dem Trägergas 70 mitgerissen
sind, da der Eintritt von jeder Analytenspezies in den Probenstromeinlaß des IMS-Sensors 10 verglichen
mit anderen Spezies, die in dem Trägergas 70 vorhanden
sind, abgestuft bzw. gestaffelt ist. So ist es von dem IMS-Sensor 10 erforderlich, daß er nur
auf eine einzige Analytenspezies zu einer Zeit antwortet, wodurch
eine Verschlechterung in der IMS-Messung durch die anderen Spezies
verhindert wird, die in der Analytenprobe vorhanden sind.
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Die
Mehrkapillarsäule 72 wird
durch einen umgebenden Ofen erhitzt und innerhalb einer gewählten Temperatur
gehalten, die in das Band von 100–180 °C fällt, um die optimale Retentionszeit-Verteilung
für die
verschiedenen Analytenspezies von Interesse sicherzustellen. Die
Mehrkapillarsäule 72 ist
hermetisch mit einer Übertragungsleitung 74 verschweißt, welche
zu dem Probenstrom-Einlaß des IMS-Sensors 10 führt. Die Übertragungsleitung 74 ist vorzugsweise
auf einer Temperatur von 10 °C–40 °C über (und
am bevorzugtesten 10 °C über) jener
der Mehrkapillarsäule 72 gehalten,
um sicherzustellen, daß eine
Analytenspezies nicht an den Wänden
der Übertragungsleitung 74 adsorbieren wird,
statt daß sie
in den Probenstromeinlaß des
IMS-Sensors 10 eintritt.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausbildung der erhitzten Übertragungsleitung 74.
Sie hat ein Heizelement 78 aus einem oder mehreren Abschnitt(en) aus
isoliertem Hochwiderstandsdraht, vorzugsweise 0,02 Zoll Durchmesser
mit Tetrafluorethylen (TFE) beschichtetem Constantan-Thermokopplungsdraht, der
um den erhitzten Durchgang der Übertragungsleitung 74 von
dem Einlaßende 75 zu
dem Auslaßende 77 gewickelt
ist, um ein elektrisches Erhitzen des Übertragungsleitungsdurchtritts 74 zur
Verfügung
zu stellen. Andere Metalle, wie Platin, welches als ein dünner Film
ausgebildet werden kann, der die Übertragungsleitung 74 umgibt,
könnten
als das Heizelement 78 verwendet werden. Zusätzlich könnte ein
flexibles Heizelement 78, in welchem der dünne Metallfilm
in einem Material, wie einen klaren bzw. durchsichtigen Polyimidfilm,
ein Faserpapieraramid oder einem Siliziumkautschuk eingebettet ist,
verwendet werden. Zusätzlich
könnte
das dünne
Metallfilm-Heizelement 78 in einer starren Glimmerschale
eingebettet sein. Die Heizelementdrähte 78 der bevorzugten
Ausbildung sind in einer einzigen oder vorzugsweise einer Doppelhelix-Weise
um die Übertragungsleitungsdurchtritt 74 gewickelt.
Vorzugsweise durchdringen die Heizelementdrähte 78 Löcher in
zwei, miteinander verbundenen Zylinderhalbabschnitten 90 aus
isolierendem Material, wie Kel-F-Kunststoff, welcher zwischen Metallschalen 76a und 76b eingebettet
ist. Alternativ kann wenigstens ein elektrischer Kontaktstift, der
aus einer Gewindestange aus Nr. 2–56 rostfreiem Stahl gebildet
ist, in einem oder beiden Halbabschnitten 90 festgelegt
sein. Die Metallschalen 76a und 76b können mit
der Übertragungsleitung 74 verschweißt sein
und sind vorzugsweise durch die zylindrischen Halbabschnitte 90 und
O-Ringe (nicht gezeigt) oder andere Mittel abgestützt, die in
der Technik bekannt sind. In der bevorzugten Ausbildung hält eine
Schicht aus Teflon-Band 95 vorzugsweise die Heizelementdrähte 78 gegen
den Übertragungsleitungsdurchtritt 74,
um eine Wärmeübertragungseffizienz
zwischen den Heizelementdrähten 78 und
dem Übertragungsleitungsdurchtritt 74 zu
verbessern. Um ein gleichmäßigeres
Temperaturprofil über
die Länge
des Durchtritts 74 zur Verfügung zu stellen, wird die Wicklungsdichte
(oder der Abstand) der Heizelementdrähte 78 in der bevorzugten
Ausbildung nahe dem Heizvorrichtungs-Einlaßende 75 und Auslaßende 77 erhöht, wo Wärmeverluste
ihr Maximum besitzen.
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Zwei
Drahtwiderstands-Thermometer 91a und 91b, jeweils
vorzugsweise ein Minco-Thermal-Ribbon-Platinwiderstands-Meßthermometer, Modell
Nr. S651PDZ24A, sind vorzugsweise an dem Übertragungsleitungsdurchtritt 74 festgelegt,
um die Temperatur der Übertragungsleitung 74 zu überwachen.
Andere Komponenten, welche als Thermometer 91a und 91b verwendet
werden könnten,
sind ein Thermoelement, ein Thermistor und ein Halbleiter. Das erste
Thermometer 91a ist vorzugsweise nahe dem Mittelpunkt der Übertragungsleitung 74 positioniert,
während
das zweite Thermometer 91b vorzugsweise nahe dem Auslaßende 77 positioniert
ist. Die Thermometer 91a und 91b sind vorzugsweise
mit einer Temperatur-Steuer- bzw.
-Regeleinrichtung verbunden, welche Leistung zu dem (den) Heizelement-Abschnitt(en) 78 schaltet,
um ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturprofil über den Übertragungsleitungsdurchtritt 74 aufrechtzuerhalten. Eine
konventionelle, einen Widerstand messende Temperatur-Steuer- bzw. -Regeleinheit,
wie ein MINCO Modell Nr. CT-149, vergleicht vorzugsweise die durch
das Thermometer 91a oder 91b gemessene Temperatur
mit einer gewählten
festgelegten Temperatur, die in der Temperatur-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung
vorprogrammiert ist. Der Temperaturvergleich kann mittels eines
Algorithmus ausgeführt werden,
der auf einem Computerprozessor, durch eine Computersoftware durchgeführt wird,
die für
diesen Zweck programmiert ist, welche auf einem computerlesbaren
Speichermedium programmiert ist. Andere Mittel zum Ausführen des
Temperaturvergleichs sind auch möglich,
wie eine Verwendung einer elektronischen integrierten Differential-Verstärkerschaltung,
einer analogen oder einer kombinierten analogen und digitalen Vergleichsschaltung,
bestehend aus diskreten elektrischen und digitalen logischen Komponenten
oder einer anderen analogen Schaltung, die gegenwärtig Stand
der Technik ist. Wie dies in 7 gezeigt
ist, resultiert die Temperatur-Steuer- bzw. -Regelschaltung in der bevorzugten
Ausbildung in einem stabilisierten Temperaturprofil über den Übertragungsleitungsdurchtritt 74.
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6 zeigt
eine vereinfachte Darstellung der IMS-Sensor-Antwortzeit bzw. -Ansprechzeit und der Rückstellzeit-Charakteristika für einen
stufenweisen Anstieg oder Absenken in der Konzentration des Analyten
mit und ohne ein Heizen der IMS-Sensor-10-Ionisierkammer-Einlasses
des US-Patents Nr. 5,420,424.
Wie dies aus 6 gesehen werden kann, zeigt
die IMS-Sensor-Antwort eine Zeitverzögerung von dem Punkt T1, wenn
die Konzentration ansteigt bzw. erhöht wird, bis zu dem Punkt Tp,
wenn die IMS-Sensor-Antwort zu Beginn ihren Spitzenwert Cp erreicht.
Diese Zeitverzögerung
beruht auf der Adsorption des Analyten auf der IMS-Sensor-Ionisierkammer-Oberfläche, wenn
die Probe von der Außenseitenumgebung
in den IMS-Sensor eintritt. Diese Adsorption resultiert in weniger
des Analyten, der für
eine Ionisierung bzw. Ionisation und Detektion verfügbar ist,
als er tatsächlich
in der Probe vorhanden ist. Die Spitzen-IMS-Sensorantwort Cp wird erhalten,
wenn das Konzentrationsniveau des Analyten auf der IMS-Sensor-Ionisationskammer-Oberfläche eine
Gleichgewichtsdichte erreicht hat, welche mit dem erhöhten Konzentrationsniveau
des Analyten übereinstimmt,
der in der Probe vorhanden ist. Zu dem Zeitpunkt Tp, wenn die Gleichgewichtsdichte
erreicht ist, wird eine Adsorption des Analyten, die an der IMS-Sensor-Probenstrom-Einlaßoberfläche stattfindet,
durch eine Desorption des Analyten von dem Probenstromeinlaß so ausgeglichen,
daß keine Nettoadsorption
des Analyten auftritt. Dies bewirkt, daß die vollständige Menge
des Analyten, die in die IMS-Sensor-Ionisierungskammer eintritt,
für eine
Ionisation und Detektion verfügbar
ist.
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Der
Anstieg in der Analytenkonzentration wird dann an einem Zeitpunkt
T2 eliminiert, sehr bald nachdem der Gleichgewichtszeitpunkt Tp
erreicht ist. Dieses schrittweise Absenken in dem ursprünglichen Konzentrationsniveau
bewirkt, daß der
umgekehrte bzw. Umkehreffekt stattfindet, und resultiert in einer zusätzlichen
Zeitverzögerung,
bis das ursprüngliche Analyten-Konzentrationsniveau
Co durch den IMS-Sensor zum Zeitpunkt To detektiert wird. In diesem
Fall resultiert ein zunehmendes Freisetzen des desorbierten Analyten
von der IMS-Sensor-Ionisierkammer-Oberfläche darin, daß mehr Analyt
für eine Ionisierung
und Detektion verfügbar
ist, als er tatsächlich
in der Probe vorhanden ist. Die ursprüngliche IMS-Sensor-Antwort
Co wird erhalten, wenn das Konzentrationsniveau des Analyten auf
der Ionisierkammer-Oberfläche
zu seiner Gleichgewichtsdichte entsprechend dem ursprünglichen
Konzentrationsniveau des Analyten zurückgekehrt ist, der in der Probe vorhanden
ist.
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Die
Zeitverzögerung
in jedem Fall ist direkt von der Temperatur innerhalb des IMS-Sensor-Einlasses
abhängig.
Eine größere Temperatur
resultiert in weniger Zeit, zwischen welchen eine Adsorption und
Desorption auf der Ionisierkammer-Oberfläche stattfindet und eine folglich
kleinere Dauer von vergangener Zeit, bis das Gleichgewicht erreicht
ist. Die Heizvorrichtung, die in 4 gezeigt
ist, stellt Mittel zum Erhöhen
der Temperatur innerhalb des IMS-Sensor-Einlasses zur Verfügung, um
die Zeitverzögerung
zu minimieren, die bei der Detektion einer Änderung in einem Analyten-Konzentrationsniveau
erwartet bzw. erfahren ist.
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8 illustriert
den Effekt eines Verwendens einer erhitzten Einlaß-Übertragungsleitung 74 oder 92,
wie dies in 4 oder 5 gezeigt
ist, auf die IMS-Sensor-Antwort auf Änderungen in den Analyten-Konzentrationsniveaus.
Die Verwendung der erhitzten Übertragungsleitung 74 oder 92,
um den IMS-Sensor-Einlaß 10 auf
eine typische Betriebstemperatur (etwa 126 °C) zu erhitzen, bewirkt eine
etwa zehnfache Verbesserung in der IMS-Sensor-Antwortzeit verglichen
mit einem Aufrechterhalten des Einlasses bei Raumtemperatur (wie
dies durch das Zeitintervall von T1 bis Tp' mit der Verwendung der erhitzten bzw.
erwärmten Übertragungsleitung
angedeutet bzw. gezeigt ist im Gegensatz zu dem Zeitintervall von
T1 zu Tp ohne die erhitzte Übertragungsleitung).
Wie dies aus 8 gesehen werden kann, wird
die IMS-Sensor-Rückstellzeit-Charakteristik ebenfalls
durch eine Verwendung des erhitzten Einlasses der Übertragungsleitung
verbessert (wie dies durch das Zeitintervall von T2' bis T0 mit der Verwendung
der erhitzten Übertragungsleitung
gezeigt ist im Gegensatz zu dem Zeitintervall von T2 bis zu einem Punkt
nach dem Ende des Graphen ohne die installierte erhitzte Übertragungsleitung).
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Um
eine Verschlechterung bzw. einen Abbau der IMS-Sensor-Empfindlichkeit zu
verhindern, muß ein
Mischen des Träger- und Probengasstromflusses verhindert
werden, wenn der Trägerstrom
in den IMS-Sensor-Analytikspalt von dem IMS-Trägerstromplenum
eintritt, wie dies im US-Patent Nr. 5,420,424 beschrieben ist. Dies
ist notwendig, um zu verhindern, daß Verunreinigungen, die in
dem Probenfluidstrom vorhanden sind, in den analytischen Spalt eintreten
und nachteilig die IMS-Sensor-Ionendetektor-Messung beeinflussen.
Um die Segregation bzw. Trennung des Träger- und Probenstromflusses zu
erzielen, übersteigt
die Menge des Flusses, der in das IMS-Trägerstromplenum eintritt, typischerweise den
Anteil des Trägerstromflusses,
der in den analytischen Spalt 25 eintritt, um 1 bis 1,5
Liter pro Minute. Um jedoch eine Degradation bzw. einen Abbau der Empfindlichkeit
zu verhindern (d.h. eine Änderung
in der Signalamplitude pro Einheitsänderung in der Analytenkonzentration)
muß der
IMS-Trägerstromplenumfluß in der
Größenordnung
von 3 bis 4 Liter pro Minute liegen. Ein Absenken dieses Strömungs- bzw. Flußniveaus
resultiert in zusätzlicher
Zeit für
die Ionen, um den analytischen Spalt des IMS-Sensors zu dem Ionendetektor
zu durchqueren, was es mehr Ionen ermöglicht, zu den Wänden des
analytischen Spalts aufgrund einer Diffusion zu wandern oder Ladungs-Neutralisationsreaktionen
zu unterliegen und somit einer Messung durch den Ionendetektor zu
entfliehen bzw. zu entkommen. Eine Verwendung eines erhitzten Einlasses
einer Übertragungs-Leitung 74 oder 92,
wie dies in 4 und 5 gezeigt
ist, macht es schwierig, eine Verschlechterung bzw. einen Abbau
in der Empfindlichkeit des IMS-Sensor-Antwort zu verhindern, während zur
selben Zeit ein Mischen des Träger-
und Probenstromflusses verhindert wird, da der maximale IMS-Trägerstrom-Plenumfluß, der möglich ist,
ohne ein Vermischen zu bewirken, etwa 1,8 Liter pro Minute beträgt. Ein
Vermischen wird bei höheren
Trägerstromfluß-Niveaus aufgrund
von Turbulenzen bewirkt, die durch die stumpfe Form des Heizvorrichtungs-Auslaßendes 77 erzeugt
wird, wie dies in 4 gezeigt ist.
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Wie
dies in 5 gezeigt ist, kann ein einen Fluß glättender
Einsatz 93 in dem Spalt zwischen einer erhitzten Übertragungsleitungs-Hülle bzw.
-Schale 76c und der Innenoberfläche des IMS-Gehäuses 11 angeordnet
werden, um die Turbulenz zu eliminieren, die durch das Auslaßende 77 der Übertragungsleitung
bewirkt wird. Die Form der Schale 76c reduziert den Spalt
zwischen der inneren Oberfläche
des IMS-Gehäuses 11 und
der Schale 76c an dem Übertragungsleitungs-Montageflansch 79,
während
stufenweise bzw. zunehmend dieser Spalt näher zu dem Übertragungsleitungs-Auslaßende 77 vergrößert wird.
Der einen Fluß glättende Einsatz 93 ist
vorzugsweise aus einem feinmaschigen Sieb aus rostfreiem Stahl gebildet,
das in der Form einer runden Scheibe geformt ist, wobei eine zentrale Öffnung konzentrisch mit
dem Außenumfang
der Scheibe ist. Andere mögliche
Materialien für
den einen Fluß glättenden
Einsatz 93 sind Titan, rostfreier Stahl, Gold, Nickel und andere
nicht-reaktive Metalle, die eine inhärent niedrige Dampfdruckcharakteristik
besitzen. Andere niedrig reaktive nicht-metallische Materialien
geringer Porosität
und niedrigen Dampfdrucks, wie Glas, Quarz, Teflon und Saphir können für den einen
Fluß glättenden
Einsatz 93 verwendet werden. Der einen Fluß glättende Einsatz 93 ist
vorzugsweise über
das Auslaßende 77 der Übertragungsleitung
ge stülpt,
um eine Interferenzpassung mit der Übertragungsleitungs-Schale
bzw. -Hülle 76c vor
einem Montieren der Heizvorrichtung an dem IMS-Sensor auszubilden.
Wenn die Heizvorrichtung 92 auf den IMS-Sensor 10 montiert
wird, wird der einen Fluß glättende Einsatz 93 den
Spalt zwischen der Übertragungsleitungs-Hülle 76c und
der inneren Oberfläche
des IMS-Gehäuses 11 an
einem Ort nahe dem Übertragungsleitungs-Auslaßende 77 ausfüllen. Da
die Oberfläche
der Übertragungsleitungs-Hülle 76c mit der
Elektrode 32 elektrisch verbunden ist (nicht gezeigt),
um zu dem radialen elektrischen Feld beizutragen, das durch das
Vorspannungspotential erzeugt wird, das an die Elektrode 32 angelegt
ist, muß der
einen Fluß glättende Einsatz 93 elektrisch
von dem geerdeten IMS-Gehäuse 11 isoliert
sein. Dies kann durch ein Anordnen eines Bands 94 aus elektrisch
isolierendem Material, wie Teflon, zwischen dem einen Fluß glättenden
Einsatz 93 und der Innenoberfläche des IMS-Gehäuses 11 erreicht
werden. Nachdem die Einlaßheizvorrichtung 92 an
den IMS-Sensor 10 montiert ist, wobei der einen Fluß glättende Einsatz 93 festgelegt
ist, wird der Fluß,
der in das Trägerstromplenum 26 des
IMS-Sensors 10 eintritt, einer stufenweisen bzw. zunehmenden
Volumenexpansion unterliegen, bevor er durch den einen Fluß glättenden
Einsatz 93 filtriert wird. Diese zunehmende Volumenexpansion
in Kombination mit dem Filtern wird ein laminares Trägerstrom-Strömungs- bzw.
-Flußprofil
durch das Volumen zwischen dem Übertragungsleitungs-Auslaßende 77 und
dem IMS-Gehäuse 11 nach
einem Austritt des Trägergasflußstroms
aus dem einen Fluß glättenden
Einsatz 93 bewirken. Dieses laminare Flußprofil
hindert den Probenstrom daran, daß er mit dem Anteil des Trägerstroms
vermischt wird, der in den analytischen Spalt des IMS-Sensors 10 des
US-Patents Nr. 5,420,424 eintritt. Dies wird wiederum ein Erhöhen des
Flusses ermöglichen,
der in das Trägerstromplenum 26 eintritt,
sodaß Verluste
in der IMS-Empfindlichkeit
aufgrund von Ionendiffusion in dem analytischen Spalt minimiert
sind bzw. werden. 9B zeigt die erhöhte Empfindlichkeit
der IMS-Sensor-Antwort mit dem einen Fluß glättenden Einsatz 93,
der an den erhitzten Einlaß der Übertragungsleitung 74 oder 92 festgelegt ist,
verglichen mit den IMS-Sensor-Messungen ohne den einen Fluß glättenden
Einsatz 93, wie dies in 9A gezeigt
ist.
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Während gegenwärtig bevorzugte
Ausbildungen eines Ausführens
der Erfindung gezeigt und insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen beschrieben wurden, kann die Erfindung anders innerhalb
des Rahmens der folgenden Ansprüche
verkörpert
sein.