DE19814177A1 - Gaschromatographmassenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaschromatographmassenspek­ trometer mit einem Schnittstellenteil zwischen dem Gaschro­ matographenteil und dem Massenspektrometerteil.

In einem Gaschromatographmassenspektrometer wird eine Probe in eine Reihe von Bestandteilen in einer Säule im Gaschromatographenteil aufgeteilt und werden die Bestand­ teile über den Schnittstellenteil in den Massenspektrometer­ teil eingeführt, in dem die Bestandteile der Reihe nach einer Massenanalyse unterworfen werden. Wie es in Fig. 3 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist, strömt ein Trägergas mit konstantem Durchsatz durch die gaschromatographische Säule 12 im Gaschromatographenteil 10, die durch den Säulen­ ofen 13 auf eine passende Temperatur erwärmt ist. Wenn eine Probe in den Injektor 11 eingeblasen wird, wird die Probe verdampft und durch das Trägergas zur Säule 12 geführt. Wenn die Probe durch die Säule 12 durchgeht, wird sie in ihre Bestandteile bezüglich der Durchgangszeit aufgeteilt, wobei die Bestandteile der Reihe nach durch den Schnittstellenteil 20 in die Ionisationskammer 31 des Massenspektrometerteils 30 eingeführt werden. Die Moleküle der Bestandteile werden durch Elektronen im Falle der Elektronenstoßionisation in der Ionisierungskammer 31 ionisiert, und die Ionen werden durch die Ionenlinse 32 konvergiert und in das Quadrupolfil­ ter 33 oder ein anderes Massenspektrometer eingeführt. An den vier Stangen des Quadrupolfilters 33 liegt eine kombi­ nierte Spannung aus einer Gleichspannung und einer Hochfre­ quenzspannung, so daß Ionen mit einer gegebenen Massenzahl, das heißt einem gegebenen Verhältnis m/z der Masse zur elek­ trischen Ladung des Ions, die oder das der anliegenden Span­ nung entspricht, das Quadrupolfilter 33 passieren können und in den Ionendetektor 34 eintreten können.

Die Säule 12 liegt auf einer Temperatur im Bereich von 100-300°C, wobei diese Temperatur von den zu analysierenden Bestandteilen und anderen Faktoren abhängt. In vielen Fällen wird die Temperatur nach Maßgabe des Siedepunktes des Be­ standteiles gewählt. Wenn die Temperatur der Probe am Ende der Säule 12 abnimmt, nimmt der Probenstrom ab und wird die Genauigkeit der Analyse beeinträchtigt. Das ist der Grund dafür, daß der Schnittstellenteil 20 auf etwa die gleiche Temperatur wie die Säule 12 erwärmt wird. Die Ionisierungs­ kammer 31 wird auf eine Temperatur erwärmt, die für eine stabile Ionisation der Moleküle angemessen ist und normaler­ weise einige zehn Grad Celsius unter der Temperatur des Schnittstellenteils 20 liegt.

Der Schnittstellenteil 20 und die Ionisationskammer 31 werden somit bei einem herkömmlichen Gaschromatographenmas­ senspektrometer getrennt erwärmt, und es ist jeweils eine Heizeinheit vorgesehen und am Schnittstellenteil 20 und an der Ionisierungskammer 31 jeweils angebracht. Ein erster Nachteil dieses herkömmlichen Aufbaus besteht darin, daß er die Kosten des Gaschromatographmassenspektrometers erhöht. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Wartung der Ionisierungskammer 31, beispielsweise ihre Reinigung, problematisch ist, da die Ionisierungskammer 31 in einem Unterdruckgehäuse 35 aus Edelstahl aufgenommen ist. Zu die­ sem Zweck müssen nämlich zunächst die Zuleitungsdrähte vom Gehäuse 35 abgenommen werden, muß die Ionisationskammer 31 aus dem Gehäuse 35 herausgezogen werden und muß dann die Heizeinheit von der Ionisierungskammer 31 abgenommen werden.

Fig. 4 zeigt einen weiterentwickelten Schnittstellen­ teil 20, bei dem eine Kapillarröhre 21, die mit der gaschro­ matographischen Säule verbunden ist, die in Fig. 4 nicht dargestellt ist, in eine Schnittstellenleitung 22 aus Edel­ stahl eingesetzt und durch diese gehalten ist und eine Heiz­ einheit 23 an der Schnittstellenleitung 22 angebracht ist. Am Ende der Schnittstellenleitung 22 in Richtung auf den Massenspektrometerteil 30 ist ein Verbindungsring 24 mit einem passenden Wärmewiderstand angebracht. Der Verbindungs­ ring 24 verbindet thermisch die Schnittstellenleitung 22 und die Ionisationskammer 31. Da in der oben beschriebenen Weise die Temperatur der Ionisierungskammer 31 unter der Tempera­ tur der Schnittstellenleitung 22 liegen kann, wird die Schnittstellenleitung 22 direkt durch die Heizeinheit 23 erwärmt und wird die Ionisierungskammer 31 durch die Wärme von der Schnittstellenleitung 22 erwärmt, die über den Ver­ bindungsring 24 geleitet wird. Dieser Aufbau erfordert nur eine einzige Heizeinheit 23, in der Ionisierungskammer 31 wird keine Heizeinheit benötigt, was die Kosten herabsetzt und die Wartung der Ionisierungskammer 31 erleichtert.

Das in Fig. 4 dargestellte Gaschromatographmassenspek­ trometer hat dennoch gewisse Nachteile. Da die Ionisierungs­ kammer 31 durch die Wärme von der Schnittstellenleitung 22 erwärmt wird, ist die Temperatur in der Ionisierungskammer 31 solange nicht stabil, solange die Temperatur der Schnitt­ stellenleitung 22 nicht stabil ist. Das erfordert ein langes Zeitintervall, bevor eine korrekte Probenanalyse begonnen werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die lange Schnittstellenleitung 22 notwendigerweise zu einer Ungleichförmigkeit in der Temperatur führt, da ein Teil der Schnittstellenleitung 22 direkt durch die Heizeinheit 23 erwärmt wird, während der andere Teil nicht erwärmt wird und Wärme an den Verbindungsring 24 verliert. Das beeinträchtigt die Genauigkeit der Analyse. Noch ein Nachteil besteht dar­ in, daß eine genaue Temperatursteuerung und -kontrolle der Ionisationskammer 31 schwierig ist, da diese nur indirekt über den Verbindungsring 24 erwärmt wird.

Die Erfindung befaßt sich mit den oben beschriebenen Problemen und hat die Schaffung eines Gaschromatographmas­ senspektrometers zur Aufgabe, das einen einfach Aufbau und einen vorteilhaften Heizmechanismus für den Schnittstellen­ teil und die Ionisationskammer hat.

Das erfindungsgemäße Gaschromatographmassenspektrometer mit einer Probenleitung zwischen einer gaschromatographi­ schen Säule und einer Ionisationskammer, die in einem Unter­ druckgehäuse angeordnet ist, umfaßt
eine Heizeinheit, die in Kontakt mit der Probenleitung vorgesehen ist, um diese zu erwärmen,
eine erste Wärmeleiteinrichtung, die zwischen der Heiz­ einheit und der Ionisationskammer vorgesehen ist, um Wärme von der Heizeinheit zur Ionisationskammer mit einem ersten Wärmewiderstand zu leiten, und
eine zweite Wärmeleiteinrichtung, die zwischen der Ionisationskammer und dem Unterdruckgehäuse vorgesehen ist, um Wärme von der Ionisationskammer zum Unterdruckgehäuse mit einem zweiten Wärmewiderstand zu leiten.

Es kann eine dritte Wärmeleiteinrichtung zwischen der Probenleitung und dem Unterdruckgehäuse vorgesehen sein. Die dritte Wärmeleiteinrichtung sollte einen größeren Wärmewi­ derstand als die erste und die zweite Wärmeleiteinrichtung haben.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung sind die Proben­ leitung oder die Schnittstellenleitung und die Ionisations­ kammer thermisch getrennt und werden dieser unabhängig von­ einander von der Heizeinheit erwärmt. Die Probenleitung wird direkt von der Heizeinheit erwärmt, und die Ionisationskam­ mer wird indirekt über die erste Wärmeleiteinrichtung er­ wärmt. Die Temperatur der Probenleitung ist daher nahezu gleich der der Heizeinheit. Das Unterdruckgehäuse hat eine große Wärmekapazität, da es die Ionisationskammer aufnimmt, und seine Temperatur ist verglichen mit der der Heizeinheit sehr niedrig, sie liegt normalerweise bei Raumtemperatur. Von der Heizeinheit wird Wärme somit zur Ionisationskammer über die erste Wärmeleiteinrichtung geführt, und von der Ionisationskammer wird Wärme zum Unterdruckgehäuse über die zweite Wärmeleiteinrichtung geführt. Im Gleichgewicht hat die Temperatur der Ionisationskammer einen Wert zwischen der Temperatur der Heizeinheit und der Temperatur des Unter­ druckgehäuses, wobei dieser Wert durch das Verhältnis des ersten und zweiten Wärmewiderstandes der ersten und der zweiten Wärmeleiteinrichtung bestimmt ist. Der erste und der zweite Wärmewiderstand der ersten und der zweiten Wärmeleit­ einrichtung kann durch die Verwendung von Metallen mit ge­ eigneter Wärmeleitfähigkeit festgelegt werden und gleich­ falls über die Querschnittsfläche der Bauelemente bezüglich des Wärmestromes eingestellt werden. Jede Wärmeleiteinrich­ tung kann aus einer Vielzahl von Bauelementen bestehen, in welchem Fall der Wärmewiderstand problemlos dadurch einge­ stellt werden kann, daß die Bauelemente, aus denen die Wär­ meleiteinrichtung besteht, kombiniert werden.

Die dritte Wärmeleiteinrichtung mit einem großen Wärme­ widerstand isoliert thermisch die Probeleitung, die durch die Heizeinheit erwärmt wird, gegenüber dem Unterdruckgehäu­ se, das eine sehr große Wärmekapazität hat und normalerweise auf Raumtemperatur liegt. Das stellt eine schnelle Erwärmung und genaue Temperatursteuerung und -kontrolle der Probenlei­ tung und gleichfalls der Ionisationskammer sicher.

Da in der oben beschriebenen Weise die Probenleitung und die Ionisationskammer unabhängig durch die Heizeinheit erwärmt werden, haben sie aufeinander nahezu keinen Einfluß, wenn sie erwärmt werden. Aufgrund dieser Tatsache können die Temperaturen der Probenleitung und der Ionisationskammer jeweils genau kontrolliert und gesteuert werden und in kür­ zerer Zeit stabilisiert werden.

Die Probenleitung gibt Wärme nur an die darin strömende Probe und an die Umgebungsluft ab, so daß der Temperatur­ unterschied zwischen dem Teil in der Nähe der Heizeinheit und dem Teil im Abstand davon kleiner als bei dem herkömm­ lichen Gaschromatographmassenspektrometer ist, das im Vor­ hergehenden beschrieben wurde.

Es ist leichter, die Temperaturen der Probenleitung und der Ionisationskammer auf geeignete Werte bei der erfin­ dungsgemäßen Ausbildung zu legen. Der Grund dafür ist fol­ gender: Die Temperatur der Probenleitung ist dazu gleich der der Heizeinheit, und die Temperatur der Ionisationskammer ist durch das Verhältnis der Wärmewiderstände der ersten und der zweiten Wärmeleiteinrichtung bestimmt.

Es besteht keine Notwendigkeit, eine separate Heizein­ heit für die Ionisationskammer vorzusehen. Das reduziert die Kosten des erfindungsgemäßen Gaschromatographmassenspektro­ meters und beseitigt die problematische Wartung der Ionisa­ tionskammer, die oben beschrieben wurde.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Gaschromatographmassenspektro­ meters,

Fig. 2 das thermische Schaltbild dieses Ausführungs­ beispiels,

Fig. 3 eine Gesamtansicht eines herkömmlichen Gaschro­ matographmassenspektrometers und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht im Bereich des Schnitt­ stellenteils eines herkömmlichen Gaschromatographmassenspek­ trometers.

Bei dem in Fig. 1 in einer Querschnittsansicht darge­ stellten Gaschromatographmassenspektrometers ist der Massen­ spektrometerteil 30 ähnlich dem, der im Vorhergehenden an­ hand von Fig. 4 beschrieben wurde. Der Schnittstellenteil 20 ist das Charakteristikum des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels insofern, als eine Heizeinheit 23 um die Schnittstel­ lenleitung 22 herum angebracht ist. Die Heizeinheit 23 weist eine Heizpatrone 23a und einen Temperatursensor 23b auf, und die Leistung der Heizpatrone 23a wird so eingestellt, daß die vom Sensor 23b erfaßte Temperatur auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

Die Schnittstellenleitung 22 wird direkt durch die Heizeinheit 23 an der Kontaktfläche erwärmt. Eine Verbin­ dungsstange 25 ist an der Heizeinheit 23 angebracht, und die Verbindungsstange 25 ist mit einer Seitenwand der Ionisa­ tionskammer 31 über eine versenkte Kappe 26 verbunden. Die versenkte Kappe 26 ist an die Öffnung des Unterdruckgehäuses 35 des Massenspektrometerteils 30 angepaßt, das aus Edel­ stahl besteht, und kontaktiert die Ionisationskammer 31 im Unterdruckgehäuse 35. Ein Loch 28 ist in der versenkten Kappe 26 ausgebildet, um die Schnittstellenleitung 22 hin­ durchzuführen. Eine Verschlußkappe 27 verbindet den Umfang des Loches 28 und den der Schnittstellenleitung 22, so daß die Ionisationskammer 31 im Unterdruckgehäuse 35 luftdicht gehalten ist. Die Verschlußkappe 27 kann aus einem ähnlichen Material wie die Verbindungsstange 25 und die versenkte Kappe 26 bestehen, sie ist jedoch so ausgebildet, daß sie einen sehr großen Wärmewiderstand hat, so daß die Ionisa­ tionskammer 31 und die Schnittstellenleitung 22 thermisch gegeneinander isoliert sind.

Das thermische Schaltbild des Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Die Heizeinheit 23 und die Ionisationskammer 31 sind über eine erste Wärmeleiteinrichtung verbunden, die aus der Verbindungsstange 25 und einem kleinen Teil 26a der ver­ senkten Kappe 26 besteht und einen Wärmewiderstand R1 hat. Die Ionisationskammer 31 und das Unterdruckgehäuse 35 sind durch eine zweite Wärmeleiteinrichtung verbunden, die aus einem Teil 26b der versenkten Kappe 26 besteht und einen Wärmewiderstand R2 hat. Die Heizeinheit 23 wird erwärmt und auf einer Temperatur T0 gehalten. Die Temperatur T0 ist nach Maßgabe des Zielbestandteiles festgelegt und liegt normaler­ weise im Bereich von 100-300°C. Die Schnittstellenleitung 22 wird direkt durch die Heizeinheit 23 erwärmt und somit auf der Temperatur T0 gehalten. Das Unterdruckgehäuse 35 steht andererseits in einem Kontakt mit der Umgebungsluft, und seine Wärmekapazität ist im wesentlichen so groß, daß die Temperatur T1 des Unterdruckgehäuses 35 in der Nähe der Umgebungstemperatur, das heißt der Raumtemperatur, gehalten wird. Durch die Festlegung des Verhältnisses R1/R2 der Wär­ mewiderstände R1 und R2 in der oben beschriebenen Weise auf einen geeigneten Wert kann somit die Temperatur T2 der Ioni­ sationskammer 31 auf einen gewünschten Wert zwischen T0 und T1 festgelegt werden.

Wenn die Temperaturen stabil sind und ein Gleichgewicht besteht, dann ist:

T2 = R2.(T0 - T1)/(R1 + R2) + T1.

Da in der oben beschriebenen Weise die Temperatur der Heiz­ einheit 23 genau gesteuert wird und das Unterdruckgehäuse 35 eine sehr große Wärmekapazität hat, sind die Temperaturen TO und T1 nahezu stabil. Die Temperatur T2 der Ionisationskam­ mer 31 erreicht daher schnell nach Beginn der Erwärmung ein Gleichgewicht, und die Gleichgewichtstemperatur wird auf einem stabilen Wert gehalten.

Für die Verbindungsstange 35, die versenkte Kappe 26 und die Verschlußkappe 27 können verschiedenartige Materia­ lien verwandt werden. Wenn ein kleinerer Wärmewiderstand benötigt wird, werden hochleitende Metalle, wie beispiels­ weise Aluminium, Kupfer oder Messing, verwandt. Wenn größere Wärmewiderstände benötigt werden, sind schlechter leitende Metalle, wie beispielsweise Edelstahl, geeignet. Es ist auch möglich, den Wärmewiderstand oder die Wärmeleitung dadurch einzustellen, daß die Querschnittsfläche der Bauelemente verändert wird. Für die Verschlußkappe 27, die einen sehr großen Wärmewiderstand haben muß, wird daher Edelstahl ver­ wandt, wobei ihre Querschnittsfläche so klein wie möglich gewählt wird, solange eine passende konstruktive Festigkeit gewährleistet ist.

Claims (7)

1. Gaschromatographmassenspektrometer mit einer Proben­ leitung, die mit einer gaschromatographischen Säule verbun­ den ist, und mit einer Ionisationskammer, die in einem Un­ terdruckgehäuse angeordnet ist, gekennzeichnet durch
einer Heizeinrichtung (23), die in Kontakt mit der Probenleitung vorgesehen ist, um die Probenleitung zu erwär­ men,
eine erste Wärmeleiteinrichtung, die zwischen der Heiz­ einrichtung (23) und der Ionisationskammer (31) vorgesehen ist, um Wärme von der Heizeinrichtung (23) zur Ionisations­ kammer (31) mit einem ersten Wärmewiderstand zu leiten, und
eine zweite Wärmeleiteinrichtung, die zwischen der Ionisationskammer (31) und dem Unterdruckgehäuse (35) vor­ gesehen ist, um Wärme von der Ionisationskammer (31) zum Unterdruckgehäuse (35) mit einem zweiten Wärmewiderstand zu leiten.

2. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Wärmeleiteinrichtung zwischen der Probenleitung und dem Unterdruckgehäuse (35) vorgesehen ist, die einen größeren Wärmewiderstand als die erste und die zweite Wärmeleiteinrichtung hat.

3. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmeleiteinrichtung und/oder die zweite Wärmeleiteinrichtung aus einer Vielzahl von wärmeleitenden Bauelementen besteht/bestehen.

4. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmeleiteinrichtung aus einer Verbindungsstange (25) zum Verbinden der Heizein­ richtung (23) und eines Teils einer versenkten Kappe (26) zum Schließen einer Öffnung des Unterdruckgehäuses (35) und zum Verbinden der Verbindungsstange (25) mit der Ionisa­ tionskammer (31) besteht.

5. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeleiteinrichtung aus einem anderen Teil der versenkten Kappe (26) besteht.

6. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des ersten Wärmewider­ standes und des zweiten Wärmewiderstandes so festgelegt sind, daß das Verhältnis dieser Werte eine gewünschte Tempe­ ratur der Ionisationskammer (31) zwischen der Temperatur der Heizeinrichtung (23) und der Temperatur des Unterdruckgehäu­ ses (35) gewährleistet.

7. Gaschromatographmassenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmewiderstand und der zweite Wärmewiderstand jeweils auf den gewünschten Wert dadurch festgelegt sind, daß ein Metall mit einem passenden spezifischen Wärmewiderstand gewählt ist und die Quer­ schnittsfläche der ersten Wärmeleiteinrichtung oder der zweiten Wärmeleiteinrichtung einen passenden Wert hat.