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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung und zum an-
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schließenden Nachweis von Substanzen. Außerdem bezieht sie sich auf
eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Ein bekanntes Verfahren zur Trennung und zum Nachweis von Substanzen
ist die Chromatographie. Die Flüssigkeits-Chromatographie ist z.B. ein analytisches
Verfahren, das es gestattet, Substanzen mit chemisch verschiedenen Komponenten im
gleichen Lösungsmittel aufgrund ihrer unterschiedlichen Durchlaufzeiten durch eine
sogenannte Trennsäule zu trennen. Dazu wird die Lösung mit sehr hohem Druck durch
ein Rohr, das mit einem geeigneten, feinverteilten Adsorptionsmaterial (z.B. Al2
03) gefüllt ist, gepreßt. Bei der technischen Realisierung läuft ein kontinuierlicher
Lösungsmittelstrom durch die Trennsäule.
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Zu bestimmten Zeiten wird die unbekannte Substanz am Eingang der Säule
injiziert, Die verschiedenen Komponenten der Lösung verlassen nach unterschiedlichen
Durchlaufzeiten (typisch zwischen 1 und 15 Minuten) die Trennsäule. Die zeitliche
Breite einer Einzellinie liegt bei einigenSekunden, Als Lösungsmittel werden z.B.
Wasser Alkohol, Benzol und dergleichen verwendet.
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Zum Nachweis der sich nach dem Auslaufen aus der Trennsäule in einer
großen Menge Lösungsmittel befindlichen Substanzkomponenten wird am häufigsten ein
UV-Detektor verwendet. Der Nachteil eines derartigen Detektors besteht darin, daß
er nicht substanzspezifisch arbeitet. Außerdem besitzt er eine Nachweisgrenze von
höchstens 10 9 g.
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Bei der Gaschromatographie ist die dem Lösungsmittel entsprechende
mobile Phase ein Trägergas; die stationäre Phase ist in der Regel eine Flüssigkeit,
die auf porösem, in der Tennsäule befindlichem Füllmaterial eine dünne Schicht bildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zurTrennung und zum anschließenden Nachweis von Substanzen anzugeben, das nicht
nur hinsichtlich der Nachweisgrenze um mehrere Zehnerpotenzen verbessert ist, sondern
auch ein größeres Spektrum von Informationen über die zu untersuchenden Substanzen
liefert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu untersuchende
Substanz zunächst einem aus der Chromatographie bekannten Trennverfahren unterworfen
wird, daß die dadurch erhaltenen Substanzkomponenten jeweils auf einen oder mehrere
Festkörper aufgebracht werden und daß anschließend jeweils die Bereiche der Oberflächen
der Festkörper, auf denen sich die Substanzkomponenten befinden, mit Hilfe eines
Oberflächenanalyseverfahrens untersucht werden.
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Unter "Oberflächenanalyseverfahren" sollen hier diejenigen für die
Analyse von Festkörperoberflächen geeigneten Verfahren verstanden werden, bei denen
der zu untersuchende Bereich der Oberfläche mit Primärteilchen oder Photonen beschossen
wird und die Informationen über die Beschaffenheit und/oder Eigenschaften der Festkörperoberfläche
aus der Untersuchung der durch den Beschuß ausgelösten Sekundärteilchen oder Photonen
gewonnen werden. Aus der inzwischen bekannten Vielzahl der Oberflächenanalyseverfahren
seien nur die wesentlichen genannt: Das sind die Elektronen-Spektroskopie für die
chemische Analyse (ESCA), die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) und die Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie
(BIMS), Die wesentliche der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht also darin,
die aus der Chromatographie an sich bekannten Trennverfahren mit einem der ebenfalls
an sich bekannten Oberflächenanalyseverfahren zu kombinieren. Der wesentliche Vorteil
dieser
Kombination liegt darin, daß dadurch die Nachweisgrenze erheblich (mindestens um
vier Zehnerpotenzen) gesenkt werden kann. Außerdem erhält man bei Anwendung der
Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie Informationen nicht nur über das Molekulargewicht
aufgrund der Emission charakteristischer Molekülionen sondern auch über die Struktur
der zu untersuchenden Substanz aufgrund der Emission von Fragmentionen, die für
bestimmte funktionelle Gruppen charakteristisch sind.Besonders vorteilhaft ist die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf hochmolekulare organische Substanzen
(Vitamine, Peptide, Pharmaka, Pestizide, Herbizide, Drogen), deren Analyse in der
Medizin, Umweltkontrolle, Biologie, Pharmazie und auch in der Kriminologie r a immer
größere Bedeutung gewinnt, Alsbesonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn zur
Trennung der Substanzkomponenten eine aus der Flüssigkeits-Chromatographie bekannte
Trennsäule verwendet wird und als Oberflächenanalyseverfahren die Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie
Anwendung findet.
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Bei diesem Verfahren liegen die zu untersuchenden Substanzen in gelöster
Form vor. Sie können in einfacher Weise auf eine Festkörperoberfläche aufgebracht
werden. Eine Konzentration der zu untersuchenden Substanz kann dabei erzielt werden,
daß das Lösungsmittel vor der Anwendung des Oberflächenanalyseverfahrens z.B. durch
Beheizung des Festkörpers verdampft wird. Die Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie
ist äußerst empfindlich. Die dadurch gewonnen Ergebnisse liegen sehr schnell vor
Liegen die zu untersuchenden Substanzen gasförmig vor, dann kann im Rahmen der Erfindung
eine aus der Gaschromatographie bekannte Trennsäule für die Trennung der Substanzen
Anwendung finden.
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Die Aufbringung der dann ebenfalls gasförmig vorliegenden Substanzkomponenten
auf eine Festkörperoberfläche kann dabei z.B.
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dadurch erreicht werden, daß der jeweilige Bereich der Festkörperoberfläche
so tief gekühlt wird,daß die zu untersuchenden Gase darauf kondensieren, oder es
wird eine Oberfläche angeboten, mit
der die infrage kommende Substanz
eine stabile, nichtflüssige Bindung eingeht. Als solche wirken z.B. für praktisch
alle gasförmigen Substanzen im UHV leicht herstellbare atomar saubere Metalloberflächen.
Je nach Wahl des Metalls haben derartige Oberflächen häufig sogar eine selektive
Wirkung, so daß z.B. die zu untesuchende Substanz von einem Trägergas getrennt werden
kann.
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Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Vorrichtung umfaßt zweckmäßig eine aus der Chromatographie bekannte Trennvorrichtung,
eine Einrichtung zur Aufbringung der Substanz-Komponenten auf die Festkörperoberfläche
und eine Einrichtung zur Oberflächenanalyse.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines
in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles für eine Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.
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Bei der dargestellten Vorrichtung ist die Trennvorrichtung allgemein
mit 1 bezeichnet. Sie besteht aus der Trennsäule 2, die in Richtung der Pfeile 3
von einem Lösungsmittel durchströmt ist. Mittels der Proben-Eingabe 4 wird die zu
untersuchende Substanz am Eingang der Trennsäule 2 injiziert. Über die.
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Leitung 5 wird ein Teil des aus der Trennsäule 2 austretenden Eluats
einer schematisch als Block dargestellten, allgemein mit 6 bezeichneten Vorbehandlungseinrichtung
zugeführt. Der Rest des Eluats kann über die Leitung 7 einem zusätzlichen Detektor
zugeführt werden. In den Leitungen 5 und 7 sind noch die Ventile 8 und 9 vorgesehen,
mit denen eine Regulierung der der Vorbehandlungseinrichtung 6 zugefUhrten Eluatmenge
möglich ist.
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In der Vorbehandlungseinrichtung 6 kann z.B. ein Vorverdampfen des
Lösungsmittels vorgenommen werden, so daß eine zu hohe Lösungsmittel-Belastung der
nachgeordneten Einrichtungen vermieden ist. Weiterhin können an dieser Stelle dem
Eluat Zusätze zugeführt werden, die bei der Anwendung der Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie
ein Heraufsetzen der Ionisierungswahrscheinlichkeit ermöglichen. Je nach Art der
nachzuweisenden Stoffklassen kommen Puffer zur Einstellung eines bestimmten pH-Wertes
oder auch der Zusatz anderer Ionen, z.B. Metall- oder Halogen-Ionen infrage.
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Aus der Vorbehandlungseinrichtung 6 gelangen die zu untersuchenden
Substanzen über das Rohr 10 auf die Festkörperoberfläche 11.
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Die Festkörperoberfläche 11 wird beim dargestellte iusführungsbeispiel
von dem Rand einer Rotorscheibe 12 gebildet, die sich um die Achse 13 dreht. Die
Achse 13 kann horizontal oder vertikal ausgerichtet sein. Als Festkörperoberfläche
11 dient beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Peripherie der Scheibe 12.
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Natürlich können die zu untersuchenden Substanzen auch auf einen anderen
Randbereich der Scheibe 12 aufgebracht werden. Die Aufbringung der zu untersuchendenbubstanz
auf die Festkörperoberfläche 11 erfolgt dadurch, daß das Rohr 10 auf der Fläche
11 schleift. Sie kann auch in anderer Weise, z.B. durch Tropfen, Sprühen oder Düsen
erfolgen. Außerdem kann als Festkörperoberfläche auch eine andere Endlosfördereinrichtung
zum Beispiel ein Förderband, Anwendung finden.
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Die Rotorscheibe 12 ist in einem Gehäuse untergebracht, das mehrere,
dem Rand 11 der Scheibe 12 zugeordnete Zonen aufweist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
sind acht Zonen 14 bis 21 vorgesehen, die jeweils mit Hilfe von radial einwärts
gerichteten Stegen 22, die möglichst nahe bis an die Rotorscheibe 12 herangeführt
sindt
voneinander getrennt werden. Der zwischen den Stegen 22 und der Scheibe 12 verbleibende
Spalt ist so klein, daß unterschiedliche Drücke in den einzelnen Zonen aufrechterr
halten werden können.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel mündet das Rohr 10 in die Zone
14, die über den Anschlußstutzen 23 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen
ist, Durch Drehung der Scheibe 13 in Richtung der Pfeile 24 gelangt die in der Zone
14 auf den Rand 11 aufgebrachte Probe nacheinander durch die Zonen 15, 16 und 17,
die jeweils über die Anschlußstutzen 25, 26 und 27 derart an weitere Vakuumpumpen
angeschlossen sind, daß in den Zonen ein gegenüber der vorhergehenden Zone jeweils
kleinerer Enddruck aufrechterhalten wird (differentielles Pumpen). Während des Durchwanderns
der verschiedenen Zonen verdampft das noch vorhandene Lösungsmittel, so daß auf
der Oberfläche 11 nur eine dünne Schicht der eigentlichen getrennten Substanz übrigbleibt.
Das Verdampfen kann noch durch Beheizen der Oberfläche 11 unterstützt werden. Als
Beispiel für eine Heizeinrichtung ist in der Zone 15 ein Infrarothstrahler 28 dargestellt.
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Eine andere Möglichkeit besteht z.B. darin, die Scheibe 12 selbst
zu beheizen.
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In der Zone 18 erfolgt die eigentliche Analyse der Oberfläche 11.
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Mit in der schematisch dargestellten Photonen- oder Teilchenquelle
29 erzeugten Photonen oder Primärteilchen wird die Oberfläche 11 mit der darauf
befindlichen, zu untersuchenden Substanz beschossen. Die aus der Oberfläche 11 emittierten
Photonen oder Teilchen gelangen in die ebenfalls schematisch dargestellte Analysier-
und Registriereinrichtung 30. Je nach dem, ob z.B.
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die Elektronen-Spektroskopie für die chemische Analyse, die Auger-Elektronen-Spektroskopie
oder die Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie Anwendung finden, ist die Teilchenquelle
29 als
Photonen-Ionent oder Elektronenquelle ausgebildet. Die Analysier-und
Registriereinrichtung 30 hat jeweils die für die gewünschten Sekundärteilchen geeigneten
Eigenschaften. In den DT-OSen 22 55 302 und 23 31 091 sind z.B. derartige Einrichtungen
beschrieben In den Zonen 19, 20 und 21 findet ein Reinigen der Oberfläche 11 statt.
Wegen der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine äußerst gründliche
Reinigung erforderlich.
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In den Fällen, in denen mechanisches Reinigen oder sinne Reinigung
mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels nicht ausreicht, kann ein Verdampfen der
Restsubstanzen durch starkes Erhitzen oder ein Bedampfen der vorgereinigten Oberfläche
mit einem Metall, Oxid oder ähnlichem durchgeführt- werden. Schließlich besteht
auch die Möglichkeit, ein Reinigen der Oberflächen durch Ionenbeschuß mit Edelgasen
oder Sauerstoff (sei es durch Strahlbeschuß oder Gasentladungsbeschuß) zu erreichen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Zonen 19,20 und 21 Elektroden
31, 32 und 33 angeordnet. Mit Hilfe der Elektrode 31 kann z.B.
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ein starkes Erhitzen der Oberfläche 11 durchgeführt werden.
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Die Elektrode 32 bewirkt bei geeigneter Polung ein Reinigen der Oberfläche
11 durch Ionenbeschuß. Die Elektrode 33 ermöglicht ein Bedampfen der durch Erhitzen
und anschließendem Ionenbeschuß vorgereinigten Oberfläche und damit ein vollständiges
Abdecken der gegebenfalls noch vorhandenen, nachträgliche Messungen verfälschenden
Verunreinigungen.
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In der Zone 14 steht dann die gereinigte Oberfläche 11 für die Aufbringung
einer neuen Substanz zur Verfügung.
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Im Falle der Gaschromatographie ist die Trennsäule 2 in Richtung der
Pfeile 3 von einem Trägergas durchströmt. Das die Trennsäule 2 verlassende Gemisch
aus Trägergas und zu untersuchender gasförmiger Substanz wird dann zwecknäßig direkt
der Oberfläche 11 zugeführt und dort kondensiert. Die Oberfläche 11 kann dann z.B.
auch von einem Förderband gebildet werden, das in dem Bereich, in dem die zu untersuchende
Substanz als Kondensat auf der Oberfläche 11 vorhanden sein soll, gekühlt ist.
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In der letzten Zone kann z.B. eine Präparation der Oberfläche derart
vorgenommen werden, daß eine atomar saubere Fläche entsteht. Das ist z.BU der Fall,
wenn die Oberfläche einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird, der u.a. auch der beschriebenen
Abdeckung der Festkörperoberfläche dient. Allein dadurch wird die Haft- und Ionisierungswahrscheinlichkeit
für Gase in bedeutendem Maße erhöht. Darüberhinaus haben derartige Flächen je nach
Art des Metalls auch die bereits erwähnte selektive Wirkung, so daß z.B.eine Trennung
des Trägergases von der zu untersuchenden Substanz erzielt werden kann.