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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Spektroskopie
mit geladenen Analyten mit den Verfahrensschritten:
- – Einleiten von zu untersuchendem Gas in einen Reaktionsraum;
- – Durchführen eines zeitweiligen Ionisierungsvorgangs,
bei dem in dem Reaktionsraum mit Hilfe eines Ionisators geladene
Analyten erzeugt werden;
- – Durchführen eines zeitweiligen Überführungsvorgangs,
durch den geladene Analyten vom Reaktionsraum in einen Driftraum überführt
werden;
- – Drift der geladenen Analyten im Driftraum zu einem
Detektor mit Hilfe eines im Driftraum vorhandenen Driftfeldes und
Erfassen der am Detektor eintreffenden Analyten.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung für die Spektroskopie
mit geladenen Analyten.
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Ein
derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der
DE 2005 028 930 A1 bekannt.
Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich um ein Ionenmobilitätsspektrometer,
das beispielsweise zur Detektion von Explosivstoffen, Drogen, chemischen
Kampfstoffen oder toxischen Industriechemikalien in kleinsten Mengen
verwendet wird, um sowohl deren Art als auch Konzentration nachzuweisen.
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Beim
Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers wird ein zu untersuchendes
Gas, das Analytmoleküle enthält, in einen Reaktionsraum
des Ionenmobilitätsspektrometers eingeleitet. Im Reaktionsraum werden
die vorhandenen Reaktant-Ionen-Cluster, die beispielsweise Hydroniumionen
enthalten, unter Protonentransfer in Analyt-Ionen-Cluster überführt.
Es sei angemerkt, dass die Analyt-Ionen-Cluster im Folgenden der
Einfachheit halber als geladene Analyten und die Reaktant-Ionen-Cluster
als Reaktant-Ionen bezeichnet werden. Die Reaktant-Ionen positiver
und negativer Ladung wurden vorher im Reaktionsraum durch Gasphasenreaktionen
von Gasmolekülen und Elektronen gebildet, die von einer
gepulsten Elektronenquelle emittiert worden sind.
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Die
geladenen Analyte werden durch ein Extraktionsfeld zu einem Sperrgitter
transportiert und können in Abhängigkeit von der
am Sperrgitter anliegenden Spannung in einen Driftraum des Ionenmobilitätsspektrometers
eintreten. Die Analyte werden dort durch ein Driftfeld zu einem
im Driftraum angeordneten Detektor hin beschleunigt und entsprechend
ihrer unterschiedlichen Mobilität, örtlich voneinander
getrennt. Die auf diese Weise selektierten Analyte werden zeitaufgelöst
vom Detektor erfasst, so dass aus einem driftzeitabhängigen
Messsignal, beispielsweise einem Detektorstrom, sowohl auf die Art
als auch auf die Konzentration der erfassten geladenen Analyten
zurückgeschlossen werden kann.
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Es
ist ein Nachteil des bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung,
dass das beiden zugrunde liegende Messprinzip nur eine eingeschränkte
Selektivität hinsichtlich der zu erfassenden Analyten ermöglicht.
Es ist beispielsweise nicht möglich, geladene Analyten
unterschiedlicher Art mit annähernd gleichen Driftverhalten
im Driftfeld zu trennen, da die vom Detektor gleichzeitig erfassten
Analyten ein gemeinsames Messsignal generieren und somit nicht unterscheidbar
sind.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Spektroskopie mit
geladenen Analyten mit verbesserter Selektivität zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche gelöst. In
davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Verfahren für die Spektroskopie mit geladenen Analyten
wird ein zeitlicher Abstand zwischen dem Ionisierungsvorgang des
zu untersuchenden Gases und dem Überführungsvorgang
der aus dem Gas extrahierten geladenen Analyten in den Driftraum
dazu verwendet, die geladenen Analyten zusätzlich zu selektieren.
Durch den zeitlichen Abstand können die im Reaktionsraum
gebildeten geladenen Analyte in Abhängigkeit von der jeweiligen
Reaktionsgeschwindigkeit wieder mit anderen entgegengesetzt geladenen
Analyten oder Reaktant-Ionen rekombinieren, so dass die Konzentrationen
der verschiedenen Arten der gebildeten Analyte unterschiedlich schnell
abnehmen. Bei einer geeigneten Wahl des zeitlichen Abstands zwischen
dem Ionisierungsvorgang und dem Überführungsvorgang
kann daher sowohl die Art als auch die Konzentration der in den
Driftraum überführten Analyte selektiert werden.
Folglich wird dadurch eine weitere Selektionsmöglichkeit
der im Reaktionsraum gebildeten Analyten geschaffen, die der auf
der Driftzeit der geladenen Analyten im Driftraum beruhenden Selektion
vorangeht und die Dimensionalität des Verfahrens erhöht.
Wird der zeitliche Abstand zwischen dem Ionisierungsvorgang und
dem Überführungsvorgang beispielsweise kurz gewählt,
weist das Verfahren und die Vorrichtung eine geringe Selektivität
hinsichtlich einer bestimmten Analytart auf. Jedoch werden durch
eine solche Wahl des zeitlichen Versatzes des Ionisierungsvorgangs
und des Überführungsvorgangs viele verschiedene
Analytarten detektiert, da auch instabile Analyte mit großen
Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten in den Driftraum überführt und
vom Detektor erfasst werden können. Bei einem langen zeitlichen
Abstand zwischen dem Ionisierungsvorgang und dem Überführungsvorgang
weist das Verfahren und die Vorrichtung eine im Vergleich zum aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren und zur aus dem Stand
der Technik bekannten Vorrichtung signifikant gesteigerte Selektivität
auf, da Analyte mit hohen Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten bereits
rekombiniert sind und nur besonders stabile Analyte im Reaktionsraum
verbleiben, die dann zur weiteren Selektion in den Driftraum überführt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird der zeitliche Abstand
zwischen dem Ionisierungsvorgang und dem Überführungsvorgang
variiert, wodurch die verschiedenen Arten von Analyten in Abhängigkeit
ihres unterschiedlichen Rekombinationsverhaltens gezielt selektierbar
sind. Das Verfahren und die Vorrichtung sind somit geeignet, vielseitig zum
Erfassen der unterschiedlichsten Arten geladener Analyte eingesetzt
zu werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Folge
von Ionisierungsvorgängen mit zugehörigen Überführungsvorgängen
durchgeführt und mit dem Detektor die jeweils eintreffenden
Analyten erfasst. Durch die Wiederholung von Ionisierungsvorgängen
und Überführungsvorgängen kann zum einen
die Statistik verbessert werden. Zum anderen kann bei einer Variation
des zeitlichen Abstands zwischen verschiedenen Messzyklen von Ionisierungsvorgängen
und Überführungsvorgängen aus den entsprechenden
Signalen auf das Rekombinationsverhalten der Analyte und damit auf
die Art und Konzentration der Analyte zurückgeschlossen werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist während
des Überführungsvorgangs ein Extraktionsfeld im
Reaktionsraum erzeugbar, durch das eine Extraktion der geladenen
Analyten aus dem Reaktionsraum in den Driftraum bewirkt wird, während
der Reaktionsraum ansonsten nahezu feldfrei gehalten wird, so dass
die geladenen Analyten mit entgegengesetzt geladenen Analyten oder Reaktant-Ionen
rekombinieren können. Ferner wird durch das Anlegen des
Extraktionsfelds die Rekombination der Analyten unterbrochen, so
dass Analyte bestimmter Arten entsprechend ihrer aktuellen Konzentration
im Reaktionsraum in den Driftraum überführbar
sind.
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Vorzugsweise
werden im Ionisator mit einer gepulsten Elektronenquelle Elektronenpulse
erzeugt, mit denen das zu untersuchende Gas zum Erzeugen von geladenen
Analyten beaufschlagt wird. Alternativ werden im Ionisator mit einer
gepulsten Photonenquelle Photonenpulse erzeugt, mit denen das zu
untersuchende Gas zum Erzeugen von geladenen Analyten beaufschlagt
wird. Beide Ausführungsformen stellen an sich bekannte
Maßnahmen dar, um Gas zu ionisieren. Im ersten Fall werden
Pulse freier Elektronen erzeugt, die das Gas unter Bildung der Reaktant-Ionen
ionisieren. Im zweiten Fall werden Photonenpulse erzeugt, die mittels
Photoionisation das zu untersuchende Gas ionisieren, um die geladenen Analyte
zu erzeugen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Überführungsvorgang
mit Hilfe einer Sperrvorrichtung durchgeführt, die eine
zwischen dem Reaktionsraum und dem Driftraum angeordnete Sperreinheit
aufweist. Die Sperreinheit bewirkt durch ein zeitweiliges Öffnen
das Überführen der Analyten in den Driftraum in
Form von örtlich und zeitlich definierten Analytpaketen,
um dadurch einen definierten Anfangsdriftzeitpunkt und eine Anfangsdriftposition der
Analyte zu schaffen und die zeitabhängige Erfassung der
Analyten durch den Detektor in Abhängigkeit von deren jeweiligen
Drift durch den Driftraum zu gewährleisten.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Driftfeld
in dem Driftraum zwischen der Sperreinheit und dem Detektor erzeugt. Dadurch
kann insbesondere der Reaktionsraum nahezu feldfrei gehalten werden,
wenn kein Extraktionsfeld im Reaktionsraum ausgebildet ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der Ionisierungsvorgang
und der Überführungsvorgang mit Hilfe einer Steuereinheit gesteuert,
durch die der Ionisator mit einem pulsförmigen Ionisierungssignal
und die Sperrvorrichtung mit einem pulsförmigen Überführungssignal
beaufschlagt wird. Durch die pulsförmigen Signale werden der
ionisierungsvorgang und Überführungsvorgang zeitlich
genau eingegrenzt.
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Eine
Pulslänge des Ionisierungssignals liegt vorzugsweise zwischen
0,1 Mikrosekunden und 100 Millisekunden, weiter vorzugsweise zwischen
1 Mikrosekunde und 10 Millisekunden und noch weiter vorzugsweise
zwischen 10 Mikrosekunden und 1 Millisekunde.
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Eine
Pulslänge des Überführungssignals liegt
vorzugsweise zwischen 0,5 Mikrosekunden und 20 Millisekunden, weiter
vorzugsweise zwischen 5 Mikrosekunden und 2 Millisekunden und noch
weiter vorzugsweise zwischen 50 Mikrosekunden und 200 Mikrosekunden.
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Der
zeitliche Abstand liegt vorzugsweise zwischen 10 Mikrosekunden und
4 Sekunden, weiter vorzugsweise zwischen 100 Mikrosekunden und 400 Millisekunden
und noch weiter vorzugsweise zwischen 1 Millisekunde und 40 Millisekunden.
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Diese
Zeitbereiche der Pulslänge des Ionisierungssignals, der
Pulslänge des Überführungssignals und
des zeitlichen Abstands zwischen dem Ionisierungsvorgang und dem Überführungsvorgang
haben sich bei einem Durchführen des Verfahrens und einer
Verwendung der Vorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen. Die
einzelnen Zeitbereiche sind beliebig miteinander kombinierbar, so
dass eine Vielfalt von geladenen Analyten nach ihrer Art und/oder
ihrer Konzentration selektiert werden können.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen
Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers;
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2 eine
Pulsfolge einer Messsequenz;
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3 Konzentrationsverläufe
von Analyten in einer Reaktionskammer in Abhängigkeit einer
Verweilzelt;
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4 ein
dreidimensionales Messspektrum, das mit dem Ionenmobilitätsspektrum
aus 1 ermittelt wurde; und
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5 ein
weiteres dreidimensionales Messspektrum, das mit dem Ionenmobilitätsspektrum
aus 1 ermittelt wurde.
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In 1 ist
ein Ionenmobilitätsspektrometer 1 dargestellt,
das zur Bestimmung von geladenen Analyten in einem zu untersuchenden
Probengas dient und mit dem die Art der geladenen Analyten identifiziert
und deren Konzentration ermittelt werden können. Hierzu
werden die geladenen Analyten nach ihren Driftverhalten und zusätzlich
nach ihren Rekombinationsverhalten im Anschluss an ihren Generierungsprozess
selektiert.
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Das
Ionenmobilitätsspektrometer 1 weist einen Reaktionsraum 2 auf,
der mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4 für
das zu untersuchende Probengas und mit einem Driftmediumsauslass 5 für
ein gasförmiges Driftmedium versehen ist, dessen Funktion
später näher erläutert wird.
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Das
Ionenmobilitätsspektrometer 1 weist ferner einen
gepulsten Ionisator 6 auf, der mit einer an einer Außenwand
zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 für
das Probengas angeordneten Elektronenquelle 7 versehen
ist, die im Abstand einer Zeit tM Elektronenpulse
einer Pulslänge te aussendet. Alternativ
kann der Ionisator 6 eine Photonenquelle enthalten, um
eine Photoionisation des zu untersuchenden Probengases zu bewirken.
Die Photonenquelle emittiert dabei Photonenpulse, die das zu untersuchende
Probengas ionisieren.
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Zwischen
dem Reaktionsraum 2 und einem Driftraum 8 ist
ein Sperrgitter 9 einer Sperrvorrichtung 10 angeordnet.
Das Sperrgitter 9 ist mit einer Pulsquelle 11 der
Sperrvorrichtung 10 verbunden, die ein pulsartiges Öffnen
und Schließen des Sperrgitters 9 ermöglicht.
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In
einem dem Sperrgitter 9 gegenüberliegenden Endbereich
des Driftraums 8 ist ein Detektor 12 vorgesehen,
der aus einem Aperturgitter 13 und einem Faradayauffänger 14 besteht.
Zwischen dem Sperrgitter 9 und dem Aperturgitter 13 ist
eine Driftspannung UD in der Größenordnung
von einigen 1000 Volt anlegbar, die ein homogenes Gleichfeld, das
sogenannte Driftfeld, mit einer elektrischen Feldstärke
im Bereich von einigen 100 V/cm zwischen den beiden Bauteilen erzeugt.
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Darüber
hinaus weist der Driftraum 8 an dem Endbereich einen Einlass 15 für
das den Driftraum 8 vom Detektor 12 zum Sperrgitter 9 durchströmende gasförmige
Driftmedium auf.
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Der
Detektor 12 ist ferner mit einer Signalverarbeitungseinheit 16 verbunden,
die an eine Steuereinheit 17 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 17 besteht aus
einem konventionellen Rechner mit einem Monitor und einer Tastatur
und steuert die zwischen dem Sperrgitter 9 und dem Detektor 12 anlegbare
Driftspannung UD.
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Durch
den Aperturgitter-Widerstand 13a wird zwischen Detektor 12 und
Aperturgitter 13 ein Potential aufgebaut, dessen elektrisches
Feld einen fokussierenden Einfluss auf die Ionenpeaks besitzt.
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Die
Steuereinheit 17 steht ferner mit einer weiteren Steuereinheit 18 in
Verbindung, die aus einem Verzögerungsgenerator 19,
einer ersten Pulseinheit 20 und einer zweiten Pulseinheit 21 gebildet ist.
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Mittels
der Steuereinheit 18 ist der Ionisator 6 mit einem
Ionisierungssignal beaufschlagbar, indem die erste Pulseinheit 20 die
Elektronenquelle 7 mit einem Signal beaufschlagt, so dass
die Elektronenquelle 7 einen Elektronenpuls aussendet und
einen Ionisierungsvorgang des zu untersuchenden Probengases bewirkt.
Die Pulslänge des Ionisierungssignals entspricht dabei
der Pulslänge Δte des Elektronenpulses,
so dass eine direkte zeitliche Zuordnung zwischen dem Ionisierungssignal
und dem die Ionisation bewirkenden Elektronenpuls besteht.
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Ferner
ist die Sperrvorrichtung 10 mit einem von der Steuereinheit 18 erzeugten Überführungssignal
beaufschlagbar, indem die zweite Pulseinheit 21 an die
dem Sperrgitter 9 zugeordnete Pulsquelle 11 ein
entsprechendes pulsförmiges Signal der Länge ΔtF sendet. Die Pulslänge ΔtF entspricht dabei der Pulslänge
des Überführungssignals. Das an die Sperrvorrichtung 10 gesendete Überführungssignal veranlasst
das Anlegen eines Extraktionsfelds mit einer elektrischen Feldstärke
in der Größenordnung von 1000 V/cm an den Reaktionsraum 2,
wodurch die geladenen Analyten in Richtung auf das Sperrgitter 9 beschleunigt
und durch das Sperrgitter 9 hindurch in den Driftraum 8 gelangen
können. Ansonsten ist der Reaktionsraum 2 im Wesentlichen
feldfrei. Insbesondere wenn kein Extraktionsfeld im Reaktionsraum 2 vorhanden
ist, wird ein schwaches Feld mit elektrischen Feldstärken
im Bereich von 10 V/cm erzeugt, das verhindert, dass geladene Analyte
vom Rekombinationsraum 2 in den Driftraum 8 gelangen.
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Das
Extraktionsfeld 6 wird erzeugt, indem zwischen eine dem
Sperrgitter 9 gegenüberliegende Wand 22 des
Driftraums 8 und das Sperrgitter 9 eine Extraktionsspannung
UF angelegt wird. Um ein homogenes Extraktionsfeld
in dem Reaktionsraum 2 zu erzeugen, kann dabei eine Eintrittsmembran 23 der Elektronenquelle 7,
durch die die Elektronen in den Reaktionsraum 2 eintreten,
auf einer dem Reaktionsraum 2 zugewandten Seite metallisiert
sein.
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Der
Verzögerungsgenerator 19 steuert einen zeitlichen
Abstand ☐tR zwischen dem Ionisierungssignal
und dem Überführungssignal, so dass das Überführungssignal
zu dem Ionisierungssignal zeitversetzt ausgegeben wird.
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Beim
Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers 1 wird
das zu untersuchende Probengas durch den Einlass 3 in den
Reaktionsraum 2 eingeleitet. Das Probengas wird während
eines Ionisierungsvorgangs durch Reaktant-Ionen ionisiert, die durch
Gasphasenreaktion von den durch die Elektronenquelle 7 emittierten
Elektronenpulsen mit Gasmolekülen des Driftgases gebildet
worden sind, so dass die geladenen Analyte positiver und negativer
Ladung entstehen. Hierzu beaufschlagt die erste Pulseinheit 20 die Elektronenquelle 7 mit
dem Ionisierungssignal. Die geladenen Analyten rekombinieren im
Anschluss an ihre Bildung in Abhängigkeit ihrer Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten
mit entgegengesetzt geladenen Analyten oder Reaktant-Ionen.
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Während
des zeitlich um ☐tR versetzten Überführungsvorgangs
der geladenen Analyten in den Driftraum 8 wird in dem Reaktionsraum 2 das
Extraktionsfeld an den im Wesentlichen feldfreien Reaktionsraum 2 angelegt
und die gebildeten Analyten ladungsabhängig voneinander
getrennt und zum Sperrgitter 9 beschleunigt. Dadurch wird
die Rekombination der gebildeten Analyten unterbrochen und die geladenen
Analyte als Analytpakete definierter örtlicher und zeitlicher
Auflösung in den Driftraum 8 überführt.
Die Analyte driften in Abhängigkeit ihrer Mobilität
zu dem Detektor 12, durchtreten das Aperturgitter 13 und
werden durch den Faradayauffänger 14 erfasst.
Aus einem gemessenen Detektorstrom in Abhängigkeit der
Driftzeit tD der erfassten Analyten kann
deren Art und/oder Konzentration ermittelt werden.
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Die
Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1 wird
neben dem Driftverhalten der geladenen Analyte im Driftfeld durch
deren Rekombinationsverhalten im Reaktionsraum 2 bestimmt,
dessen Einfluss nachfolgend in Verbindung mit einer beispielhaften
Pulsfolge einer Messsequenz und zugehörigen Konzentrationsverläufen
von durch die Messsequenz gebildeten Analyten in dem Reaktionsraum 2 erläutert
wird.
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2 zeigt
die Ionisierungssignale 24 und Überführungssignale 25 einer
Messsequenz. Beide weisen einen pulsförmigen Verlauf auf
und geben die Zeitdauer an, während der die Elektronen
in den Reaktionsraum 2 injiziert werden, sowie den Zeitraum, während
dessen das Sperrgitter 9 geöffnet ist. Das Ionisierungssignal 24 kann
von außen an die Elektronenquelle 7 angelegt werden oder
intern in der Elektronenquelle 7 erzeugt werden. Das Überführungssignal
kann beispielsweise zur Steuerung einer Beschleunigungsspannung
dienen, durch die die Elektronen von einer Heizwendel in Richtung
auf die Membran 23 beschleunigt werden. Das Überführungssignal 25 stellt
ein Steuersignal dar, mit der die Pulsquelle 11 beaufschlagt
wird oder das intern in der Pulsquelle 11 erzeugt wird,
um den Verlauf der Extraktionsspannung UF zu
steuern.
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Die
in 2 gezeigte Messsequenz besteht aus einer n-fachen
Wiederholung von gleichartigen pulsförmigen Ionisierungssignalen 24 und
ebenfalls pulsförmigen Überführungssignalen 25.
Ein Ionisierungssignal 24 eines Messzyklus' hat eine definierte Pulslänge Δte und bewirkt die Ionisation des in den Reaktionsraum 2 eingeleiteten
Probengases, wodurch die geladenen Analyten entstehen. Dabei reagieren
die während des Ionisierungssignals ausgesandten Elektronen
mit Gasmolekülen in dem Reaktionsraum 2, so dass
Reaktant-Ionen positiver und negativer Ladung entstehen. Die Reaktant-Ionen
ionisieren dann das eingeleitete Probengas. Zwei aufeinanderfolgende
Ionisierungssignale 24 sind um eine Repetitionszeit ☐tM versetzt, die gleichzeitig die Messfrequenz
der mit dem Detektor 11 aufgenommen Messspektren festlegt.
Die Repetitionszeit ☐tM entspricht
vorzugsweise mindestens einer typischen Driftzeit von Analyten vom
Sperrgitter 9 zum Detektor 12, so dass ein zeitlicher Überlapp
zweier unterschiedlicher Analytpakete während eines Messzyklus'
vermieden wird. Im zeitlichen Abstand ☐tR zu dem
Ionisierungssignal 24 wird das pulsförmige Überführungssignal 25 erzeugt,
das das Anlegen des Extraktionsfeldes an den Reaktionsraum 2 und
das Öffnen des Sperrgitters 9 für die
Zeitdauer ΔtF des Überführungssignals 25 bewirkt.
Vorzugsweise ist die Pulslänge Δte der
Ionisierungssignale 24 länger als die Pulslänge ΔtF der Überführungssignale 25,
so dass die Analyte in einem engen Zeitfenster in den Driftraum 8 überführt
werden. Im Zeitraum ☐tR zwischen
einem Beginn des ionisierungssignals 24 und einem Beginn
des Überführungssignals 25 verbleiben
die gebildeten Analyte im Reaktionsraum 2 und rekombinieren
in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten
mit entgegengesetzt geladenen Analyten oder Reaktant-Ionen, so dass
die Konzentration der geladenen Analyten im Reaktionsraum 2 mit
der Zeit abnimmt.
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Die
Pulslänge Δte der Ionisierungssignale 24 beträgt
dabei zwischen 0,1 Mikrosekunden und 100 Millisekunden, vorzugsweise
zwischen 1 Mikrosekunde und 10 Millisekunden und weiter vorzugsweise zwischen
10 Mikrosekunden und 1 Millisekunde. Die Pulslänge ΔtF des Überführungssignals 25 kann
vorzugsweise zwischen 0,5 Mikrosekunden und 20 Millisekunden, weiter
vorzugsweise zwischen 5 Mikrosekunden und 2 Millisekunden und noch
weiter vorzugsweise zwischen 50 Mikrosekunden und 200 Mikrosekunden
gewählt werden. Der zeitliche Abstand ☐tR zwischen einem Ionisierungspuls 24 und
einem darauffolgenden Überführungspuls 25 beträgt
zwischen 10 Mikrosekunden und 4 Sekunden, vorzugsweise zwischen
100 Mikrosekunden und 400 Millisekunden und weiter vorzugsweise
zwischen 1 Millisekunde und 40 Millisekunden.
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Die
Pulslänge Δte der Ionisierungssignale 24, die
Pulslänge ΔtF der Überführungssignale 25 und der
zeitliche Abstand ☐tR zwischen
dem Ionisierungssignal 24 und dem Überführungssignal 25 können
jeweils unabhängig voneinander in jedem Messzyklus variiert
werden, um die Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1 zu
beeinflussen.
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3 zeigt
beispielhafte Verläufe von Konzentrationen 26 und 27 zweier
im Reaktionsraum 2 befindlicher Analyte in Abhängigkeit
des zeitlichen Abstands ☐tR zwischen
einem Ionisierungssignal 24 und einem Überführungssignal 25.
Mit einem Beginn eines Ionisierungssignals 24 werden die
Analyte erster und zweiter Art gebildet. Während der Dauer ☐te des Ionisierungssignals nehmen die Konzentrationen 26, 27 der
Analyten erster und zweiter Art kontinuierlich zu und erreichen
entsprechend ihres Vorkommens in dem zu untersuchenden Probengas
ein zueinander unterschiedliches Konzentrationsmaximum. In dem gezeigten
Beispiel erreicht die Zahl der gebildeten Analyte erster Art mit
2,53·107 Moleküle/ml eine
etwa doppelt so große Konzentration 26 wie die
der geladenen Analyte zweiter Art, deren Konzentration 27 zum
selben Zeitpunkt etwa 1,5·107 Moleküle/ml
beträgt. Aufgrund der im Vergleich zu den Analyten erster
Art höheren Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten der geladenen
Analyten zweiter Art nimmt die Konzentration 27 der Analyten
zweiter Art deutlich schneller als die Konzentration 26 der Analyten
erster Art ab. Die Konzentration 27 der Analyten zweiter
Art ist nach der Zeit ☐tR ~ 0,02
Sekunden bereits auf etwa Null abgefallen, so dass zu diesem Zeitpunkt
im Reaktionsraum 2 keine Analyten zweiter Art vorhanden
sind, die in den Driftraum 8 übergeführt
werden könnten. Dadurch wird in dem Reaktionsraum 2 eine
Selektion nach der Art der geladenen Analyten bewirkt, so dass ein
entsprechend aufgenommenes Messspektrum beispielsweise frei von
Signalen der Analyten zweiter Art ist, die sich mit Signalen anderer
Analyte hätten überlagern können.
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Daher
dient der zeitliche Abstand ☐tR zwischen
dem Ionisierungsvorgang und dem Überführungsvorgang
als einer die Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1 beeinflussender
Parameter. Wird beispielsweise, wie in 4 dargestellt, ☐tR linear ansteigend gewählt, so
verändert sich das zeitabhängige Messsignal 28 eines
stabilen Analyts nicht mit längerem zeitlichen Abstand ☐tR, da sich die Konzentration der Analyte
in dem Reaktionsraum 2 mit deren längeren Verweilzeit
im Reaktionsraum 2 kaum verändert. Ein als sogenannter
Reaktant-Ionenpeak 29 bekanntes Signal von instabilen Reaktant-Ionen,
die auch in den Driftraum 8 gelangt sind und vom Detektor 12 erfasst
werden, nimmt mit größerem zeitlichen Abstand ☐tR ab, da die Reaktant-Ionen im Reaktionsraum 2 deutlich
schneller rekombinieren, so dass bei genügend großem
zeitlichen Abstand ☐tR die Konzentration
der Reaktant-Ionen unter eine Nachweisgrenze des Ionenmobilitätsspektrometers 1 gesunken
ist. Eine Erhöhung von ☐tR bewirkt folglich
eine erhöhte Selektivität des Ionenmobilitätsspektrometers 1,
während ein kleiner zeitlicher Abstand ☐tR den Nachweis einer großen Analytvielfalt ermöglicht.
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5 zeigt
ein weiteres dreidimensionales Messspektrum des Ionenmobilitätsspektrometers 1, das
ein durch instabile Reaktant-Ionen hervorgerufenes Signal 30 und
ein durch instabile zu bestimmende Analyte gebildetes Signal 31 enthält.
Sowohl der Reaktant-Ionenpeak 30 als auch das Signal 31 der instabilen
Analyten nehmen mit zunehmendem zeitlichem Abstand ☐tR ab, wodurch die Identifizierung der Analyten
bei bekannten Reaktant-Ionen möglich ist.
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Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die
im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben
worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können, außer wenn dies aus
Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Schließlich
wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und
in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt,
außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt.
Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl
der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Ionenmobilitätsspektrometer
- 2
- Reaktionsraum
- 3
- Einlass
- 4
- Auslass
- 5
- Driftmediumsauslass
- 6
- Ionisator
- 7
- Elektronenquelle
- 8
- Driftraum
- 9
- Sperrgitter
- 10
- Sperrvorrichtung
- 11
- Pulsquelle
- 12
- Detektor
- 13
- Aperturgitter
- 13a
- Aperturgitter – Widerstand
- 14
- Faradayauffänger
- 15
- Driftmediumseinlass
- 16
- Signalverarbeitungseinheit
- 17
- Steuereinheit
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Verzögerungsgenerator
- 20
- erste
Pulseinheit
- 21
- zweite
Pulseinheit
- 22
- Wand
- 23
- Membran
- 24
- Ionisierungssignal
- 25
- Überführungssignal
- 26
- Konzentrationsverlauf
- 27
- Konzentrationsverlauf
- 28
- Messsignal
- 29
- Reaktantionenpeak
- 30
- Reaktantionenpeak
- 31
- Signal
Analyt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2005028930
A1 [0003]