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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Gasionisierung eines Analyten in einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer
sowie ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit einem Ionisationsraum
mit Gaseinlass und Gasauslass, einer Ionisationsquelle und mit einem
Driftraum mit Driftgaseinlass.
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Ionenbeweglichkeitsspektrometer dienen unter
anderem zur Detektion von Spuren (typischerweise ng/L bis pg/L-Bereich
(ppmv bis pptv-Bereich)) von
Gasen in Luft oder anderen Trägergasen.
Sie sind insbesondere zur Detektion chemischer Kampfstoffe, von
Sprengstoffen oder Drogen geeignet, spielen aber auch in immer mehr
anderen Anwendungsgebieten eine Rolle.
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Die erforderliche Ionisierung des
Analysegases wird üblicherweise
mittels unterschiedlicher radioaktiver Strahlungsquellen (241Am, 3H, 63Ni) , über
unterschiedliche UV-Lichtquellen verschiedener Energieverteilungen
(z.B. 10.6 eV UV-Lampen), Laserionisierung, Elektro- oder Thermospray
oder verschiedene Entladungstechniken, darunter Koronaentladungen
oder Teilentladungen, bereitgestellt.
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Während
radioaktive Strahlungsquellen zwar eine hohe Lang zeitstabilität, aber
ein kompliziertes, häufig über mehrstufige
Ionen-Molekül-Reaktion
laufendes Ionenbildungsverfahren aufzeigen, können mittels UV-Lampen in der
Regel nur positive Ionen im Ionenbeweglichkeitsspektrometer detektiert
werden. Außerdem
ist in Luft die Ionenausbeute meist reduziert. Korona- wie auch
Teilentladungen führen
zwar zu positiven und negativen Ionen, jedoch sind die Spektren
wegen der Vielzahl der gebildeten Ionen, insbesondere bei höhermolekularen
Analytionen, häufig
sehr komplex. Dies führt
bei Gemischanalysen zur Notwendigkeit aufwendiger Vortrennungen,
beispielsweise mittels gaschromatographischer Verfahren. Ferner
müssen
Ionenbeweglichkeitsspektrometer Ionengitter oder Ionentore aufweisen,
die den Ionisationsraum vom eigentlichen Driftraum des Ionenbeweglichkeitspektrometers
trennen und die dazu dienen, nur diejenigen Ionen in den Driftraum
durchzulassen, die auch tatsächlich
analysiert werden sollen. Diese notwendige Trennung ist ersichtlich
aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Lösung
zu schaffen, mit der eine aufwendige Trennung von Analyten in einem
Ionenbeweglichkeitsspektrometer vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Gasionisierung durch Entladungen von wenigstens zwei gepulsten VUV- und/oder
UV-Strahlungsquellen unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt.
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Durch diese Art der Gasionisierung
mittels Entladungen unterschiedlicher Strahlungsquellen, nämlich gepulster
VUV- und/oder UV-Strahler,
die vorzugsweise parallel, jedoch mit unterschiedlicher Wellenlänge bzw.
Frequenz erfolgen, wird eine phasenselektive Detektion möglich, d.h.
es können
gezielt nur ausgesuchte Gruppen von Analyten ionisiert werden. Dabei
wird ausgenutzt, dass am Detektor, d.h. der Faraday-Platte des Ionenbeweglichkeitsspektrometers,
die bekannte Phasenmodulation aus den überlagerten Ionenbeweglichkeitsspektren
wieder herausgerechnet werden kann. Damit ist die Ionisierungsausbeute
maximal. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass alle Ionisationsquellen
ideal zur Ionisierung beitragen und damit bei gleicher Verweildauer
der Probe im Ionisationsraum (gleich Trägergasflüsse) auch kleinere Probemengen
effektiv ionisiert werden können,
gegenüber
einer Betriebsweise, bei der die einzelnen Strahlungsquellen nacheinander
eingesetzt würden.
Bei einer successiven Ionisierung wäre nämlich nur ein Teil eines Analyten
betroffen, der andere Teil wäre
bereits wieder aus dem Ionisationsbereich ausgetreten.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass die Gasionisierung durch mehrere dielektrisch
behinderte Entladungen unterschiedlicher Füllgasgemische erfolgt. Dabei
wird ermöglicht, mit
Hilfe gepulster Plasmen unterschied-1icher Emmissionswellenlänge eine
selektive Ionisierung der mit einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer
(IMS) zu untersuchenden Analyten durchzuführen. Damit können sequentiell
unterschiedliche Analyten untersucht werden. Indem gepulste Plasmen
mit Repetitionsraten und Pulslängen
im ns- bis μs-Bereich eingesetzt werden,
kann auf das üblicherweise
in Ionenbeweglichkeitsspektrometern verwendete Ionengitter (Bradbury-Nielsen-Gitter)
verzichtet werden.
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Dielektrisch behinderte Entladungen
(DBD) sind für
andere Anwendungszwecke grundsätzlich bekannt.
So beruhen inkoherente Ultraviolett-Excimer-Strahler auf dem Prinzip
der dielektrisch behinderten Entladung. Bei geeigneter Wahl von
Füllgasgemischen
aus Excimer-Kombinationen, bestehend aus den Elementen Ar, Kr, Xe,
F, Cl, Br, J, des Fülldruckes
und der Entladungsparameter, sind etwa 20 verschiedene schmalbandige
Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen zu erreichen. Da eine
Gasionisierung in erster Linie von der Wellenlänge oder der Photonenenergie
der verwendeten Strahlung abhängt,
können
gezielt Füllgasmischungen
gewählt werden,
die bestimmte Analyten ionisieren.
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Zur Lösung der eingangs gestellten
Aufgabe zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Ionenbeweglichkeitspektrometer
dadurch aus, dass die Ionisationsquelle von wenigstens zwei gepulsten
VUV-(Vakuumultraviolett) und/oder UV-(Ultraviolett)-Strahlungsquellen
unterschiedlicher Wellenlänge
gebildet ist.
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Ganz besonders bevorzugt sind die
Strahlungsquellen als Strahlungsquellen mit dielektrisch behinderter
Entladung gebildet, welche unterschiedliche Ionisierungsenergien
aufweisen. Durch den Einsatz beispielsweise eines auf dem Prinzip
der dielektrisch behinderten Entladung beruhenden Excimer-Strahlers kann aufgrund
der Pulse der dielektrisch behinderten Entladungen von wenigen μs bis ns Länge eine
direkte Ionisierung erfolgen, das sonst bei Ionenbeweglichkeitsspektrometern übliche Schaltgitter,
beispielsweise ein Bradbury-Nielsen-Gitter,
kann vollständig
entfallen. Dies ist ein wesentlicher fertigungstechnischer Vorteil,
insbesondere für
miniaturisierte Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit mikrostrukturierten
Driftröhren,
weil ein im Driftraum befindliches Gitter gegenüber von außen adaptierbaren Bauelementen
stets einen höheren
Aufwand darstellt. Da jede dielektrisch behinderte Entladung es gestattet,
die Moleküle
des Analyten zu ionisieren, die unterhalb der entsprechend zugeordneten
Ionisierungsenergie liegen, ergibt sich für jede dielektrisch behinderte
Entladung ein unterschiedliches Spektrum. Durch geeignete Differenzbildung
wird so eine Selektivitätssteigerung
gegenüber
einer einzelnen dielektrisch behinder ten Entladung erreicht.
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Grundsätzlich können die Strahlungsquellen unterschiedlich
ausgebildet werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die
Strahlungsquellen als Punktstrahler ausgebildet sind. Alternativ
können die
Strahlungsquellen auch als zylindrische Flächenstrahler ausgebildet sein.
Punktstrahler können
entweder am Umfang des Ionisationsraumes verteilt oder endseitig
axial am Ionisationsraum angeordnet sein.
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In allen vorgenannten Ausgestaltungen
wird wegen der kurzen Strahllängen
ein eng umrissener Bereich des Gases im Ionisationsraum ionisiert.
Der Vorteil einer radialen Anordnung liegt dabei darin, dass dies
in einer schmaleren Ebene geschieht als bei axialer Einstrahlung.
Damit ist ein räum– licher Startpunkt
bzw. eine räumliche
Startebene besser fixiert. Hierbei kann die Einstrahlung punktförmig oder auch
scheibchenförmig
(zylindrischer Flächenstrahler)
erfolgen. Eine in den Innenraum eines Hohlzylinders aus dem Mantel
einstrahlende dielektrisch behinderte Entladung zeigt meist die
höchste
Ionenausbeute pro Gasvolumen aller Ausführungsformen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass die einzelnen Strahlungsquellen derart mit
einer Steuerung versehen sind, dass sie in kurzen zeitlichen Abständen, Idealerweise
nach einigen 50 ns für
wenige ns bis μs,
einschaltbar sind. Die einzelnen dielektrisch behinderten Entladungen
mit unterschiedlichen Energieverteilungen (Intensität oder Wellenlängen) können dann
nacheinander geschaltet werden.
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Dabei ist für das Ionenbeweglichkeitspektrometer
eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche zur Bildung einer Differenz
der Spektren der einzelnen Strahlungsquellen geeignet ist. Durch
geeignete Differenzbildung der einzelnen mit unterschiedlichen dielektrisch
behinderten Entladungen aufgenommenen Spektren wird so eine Selektivitätssteigerung
erreicht.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung beispielhaft näher
erläutert.
Diese zeigt in:
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1 in
schematischer perspektivischer Darstellung ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach
einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers,
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3 eine
dritte Ausführungsform
eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers,
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3a einen
Ausschnitt aus 3,
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4 eine
Auswahl verschiedener Excimere in Abhängigkeit von der Wellenlänge und
der Photonenenergie,
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5 eine
Auswahl verschiedener Excimerspektren dielektrisch behinderter Entladungen
in unterschiedlichen Gasen und
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6 eine
Darstellung der Selektivitätssteigerung
bei Einsatz von dielektrisch behinderten Entladungen unterschiedlicher
Ionsierungsenergien.
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Ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist üblicherweise
röhrenförmig ausgebildet
und weist bei der Ausführungsform
nach 1 zunächst einen röhrenförmigen Ionisationsraum 1 auf,
der in üblicher Weise
mit einem nicht dargestellten Gaseinlass versehen ist, durch den
zu analysierende Gasmoleküle aus
der Umgebung in den Ionisationsraum 1 eintreten. Der Ionisationsraum 1 geht
in einen ebenfalls röhrenförmigen Driftraum 2 über, an
dessen in 1 gesehen
unteren Ende eine geeignete Detektoreinrichtung, beispielsweise
eine Faraday-Platte, angeordnet ist.
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Im an den Driftraum 2 angrenzenden
Randbereich des Ionisationsraumes 1 ist in üblicher
Weise ein Gasauslass vorge sehen, der nicht dargestellt ist. Entlang
des gesamten röhrenförmigen Ionisationsraumes 1 sowie
des Driftraumes 2 ist ein elektrisches Feld angelegt, das
ebenfalls nicht dargestellt ist.
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Im Randbereich sowohl des Ionisationsraumes 1 als
auch des Driftraumes 2 können in üblicher Weise beabstandet voneinander
Driftringe angeordnet sein, diese sind ebenfalls nicht dargestellt.
Am Ende des Driftraumes 2 ist ein ebenfalls nicht dargestellter
Driftgaseinlass angeordnet.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Ionenbeweglichkeitspektrometers ist nun die Gestaltung der Ionisationsquelle
im bzw. am Ionisationsraum 1. Diese Ionisationsquelle ist
von wenigstens einer Strahlungsquelle mit dielektrisch behinderter
Entladung gebildet, beispielsweise einem auf dem Prinzip der dielektrisch
behinderten Entladung beruhenden Excimer-Strahler. Eine solche Ionisationsquelle
ist beim Ausführungsbeispiel
nach 1 als radial am
Umfang des Ionisationsraumes 1 angeordneter Punktstrahler 3 ausgebildet.
Dabei ist beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 nicht nur ein einziger
Punktstrahler 3 vorgesehen, sondern es sind zur Selektivitätserhöhung mehrere
Punktstrahler 3, im Wesentlichen in einer Ebene am Umfang
des Ionisationsraumes 1, angeordnet. Gezeigt sind in 1 sieben verschiedene Punktstrahler.
Dabei handelt es sich um Strah lungsquellen mit Strahlungen unterschiedlicher
Wellenlängen
bzw. Energieverteilungen (Intensität über Wellenlängen).
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Alternativ zeigt 2 eine Ausführungsform, bei der die Punktstrahler 3 nicht
radial am Umfang des Ionisationsraumes 1 angeordnet sind,
sondern endseitig axial verteilt am Ionisationsraum 1.
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Bei der Ausgestaltung nach 3 sind die Ionisationsquellen
mit dielektrisch behinderter Entladung als zylindrische Flächenstrahler 3' ausgebildet. Ein
einzelner solcher Flächenstrahler 3' ist in 3a gezeigt, er weist eine
radial nach innen gerichtete Einstrahlungsrichtung auf, was durch
Pfeile in 3a angedeutet
ist.
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Bei den Strahlungsquellen 3, 3' handelt es sich
um Excimer-Strahler
mit dielektrisch behinderter Entladung.
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4 zeigt
eine Auswahl von im Labor getesteten Excimeren, in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
und der Photonenenergie. Bei geeigneter Wahl von Füllgasgemischen
aus Excimer-Kombinationen, bestehend aus den Elementen Ar, Kr, Xe,
F, Cl, Br, J, des Fülldruckes
und der Entladungsparameter, sind etwa 20 verschiedene schmalbandige
Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen zu erreichen.
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Die Linienbreite einiger im Labor
getesteter Excimer-Strahlungen ist in 5 dargestellt.
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Da eine Gasionisierung in erster
Linie von der Wellenlänge
oder der Photonenenergie der verwendeten Strahlung abhängt, können gezielt
Füllgasmischungen
gewählt
werden, die bestimmte Analyten ionisieren.
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Mit den in den 1 bis 3 dargestellten
verschiedenen Anordnungen der Strahlungsquellen kann erreicht werden,
dass die einzelnen Strahlungsquellen mit dielektrisch behinderten
Entladungen mit unterschiedlichen Energieverteilungen (Intensität über Wellenlängen) nacheinander
geschaltet werden können.
Da jede dielektrische behinderte Entladung es gestattet, die Moleküle des Analyten
zu ionisieren, die unterhalb der entsprechend zugeordneten Ionisierungsenergie
liegen, erfolgt hier für
jede dielektrisch behinderte Entladung ein unterschiedliches Spektrum.
Durch geeignete Differenzbildung wird so eine Selektivitätssteigerung
gegenüber
einer einzelnen dielektrisch behinderten Entladung erreicht. Ein Beispiel
beim Einsatz von drei dielektrisch behinderten Entladungen unterschiedlicher
Ionisierungsenergien zur Detektion dreier unterschiedlicher Substanzen
ist in 6 dargestellt.
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Natürlich ist die Erfindung nicht
auf die dargestellten Aus führungsbeispiele
beschränkt.
Weitere Ausgestaltungen sind möglich,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. So eignet sich die Erfindung nicht
nur für
dargestellte "klassische" Ionenbeweglichkeitspektrometer,
sondern auch für
sogenannte "high
field asymmetric waveform"-Ionenbeweglichkeitsspektrometer.