DE69028304T2

DE69028304T2 - Miniaturisiertes massenspektrometersystem

Info

Publication number: DE69028304T2
Application number: DE69028304T
Authority: DE
Inventors: Russell Drew; Thomas Kuehn
Original assignee: Viking Instrument Corp
Current assignee: Viking Instrument Corp
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: GB2249662A; CA2058763A1; EP0476062A4; DE69028304D1; GB2249662B; CA2058763C; WO1990015658A1; EP0476062B1; AU5856490A; EP0476062A1; GB9125854D0; JPH05500726A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von unbekannten chemischen Verbindungen. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von in der Umgebung vorkommenden sowie nicht in der Umgebung vorkommenden Substanzen, wie zum Beispiel gefährlichen und toxischen Chemikalien, sowie Verschmutzungen in der Luft und im Wasser.
Auf dem Gebiet der Umgebungsanalyse im Hinblick auf die Zusammensetzung von Luft, Wasser, gefährlichen Chemikalien und anderen Proben, die aus der Umgebung stammen können, einschließlich der Aufspürung von Medikamenten und Explosivstoffen, ist es häufig wünschenswert und in vielen Fällen notwendig, die Analysen bzw. Untersuchungen solcher Materialien an ihrer Quelle bzw. dort durchzuführen, wo sie vorgefimden werden. Da sich solche Stoffe bzw. Materialien häufig nicht in der Nähe von Umgebungen befinden, in denen eine Leistungsversorgung vorhanden ist, und da es häufig wichtig ist, zum Beispiel im Falle von Medikamenten (Drogen) und Explosivstoffen das Vorhandensein solcher Substanzen schnell feststellen zu können, ohne daß Leistungsquellen vorhanden sind, ist ein Bedarf nach einem kompakten, leistungsfähigen und trotzdem sehr empfindlichen Instrument zur Untersuchung sowie zur Überwachung der chemischen Zusammensetzung solcher Stoffe entstanden.
In der Zeitschrift "International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes" 60 (1984), September, Nr. 1, Amsterdam, Seiten 289 bis 297, wird ein magnetisches Massenspektrometer zur Analyse der Atmosphäre beschrieben. Das Spektrometer soll die Vorteile haben, daß es Spuren von Materialien überwachen, Daten für eine spätere Analyse aufzeichnen und unter Verwendung einer durch ein Programm bestimmten Betriebsart arbeiten kann. Das Massenspektrometer wird in einem Vakuum gehalten und arbeitet durch Steuerung mit einem Mikroprozessor.
In der US-A-4.442.353 wird ein Verfahren zur Messung der Konzentrationen von Gasen und flüchtigen Stoffen unter Verwendung eines Massenspektrometers beschrieben.
Die US-A-4.0 16.421 betrifft eine Vorrichtung mit einem Gaschromatographen und einem Massenspektrometer, die über eine geeignete Schnittstelle miteinander verbunden sind, um Unterschiede der jeweiligen Betriebsdrucke jeder Vorrichtung zu kompensieren.
Bei vielen der gegenwartig bekannten Systeme dauert es Tage und oftmals auch Wochen, bis die Proben zu einem zentralen Labor transportiert und die Ergebnisse mit den hochentwickelten Verfahren, die erforderlich sind, um die chemische Zusammensetzung bestimmter Substanzen zu analysieren, ermittelt werden. Mit der Erfindung werden demgegenüber solche Substanzen in Minuten an dem Ort, an dem sie gefimden werden, sowohl erfaßt, als auch analysiert. Zusätzlich zur Schaffimg einer fortschrittlichen Felduntersuchung und -analyse ist es mit der Erfindung, die eine neue Kombination eines Gaschromatographen mit einem Massenspektrometer umfaßt, möglich, daß Wissenschaftler, Ingenieure, Prüfspezialisten und andere, für den Umweltschutz und die öffentliche Sicherheit verantwortliche Personen, eine umfassende Echtzeit-Überwachung und Abschätzung an Ort und Stelle durchführen können.
Mit der Erfindung wird in einer tragbaren kompakten Einheit ein voll integriertes und absolut unabhängiges System vereint, das einen temperaturprogrammierten Gaschromatographen mit einem miniaturisierten Hochleistungs-Massenspektrometer und einem enthaltenen (on-board) Computer verbindet. Der Computer umfaßt ein Betriebssystem sowie eine Bibliothek (Datenbank) der Massenspektren und eine Analysesoftware.
Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich, daß nach wie vor ein Bedarf für ein tragbares, unabhängiges und miniaturisiertes Untersuchungs- und Überwachungssystem für Substanzen besteht, das in einfacher Weise durch eine Person an die Quelle der zu analysierenden Stoffe gebracht werden kann, und mit dem schnell und wirksam eine chemische Analyse der Substanz durchgeführt werden kann, deren chemische Zusammensetzung zu bestimmen ist. Eine solche Vorrichtung könnte auch an einer entfernten Stelle installiert werden, um unbeaufsichtigt oder durch eine Fernsteuerung eine automatische Überwachung und Analyse einer chemischen Verschmutzung durchzufhhren.
Erfindungsgemäß wird dazu ein analytisches Stufen-Massenspektrometersystem zur Untersuchung einer Probe geschaffen, das in einem einzigen Gehäuse (Einkapselung) enthalten ist, mit:
einem analytischen Stufen-Massenspektrometer, mit dem eine Auflösung von mehr als 1 AMU (atomare Masseneinheit) erreichbar ist und das einen Massenbereich von mehr als 200 AMU aufweist und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Eigenschaften einer untersuchten Probe darstellt;
einem Gaschromatographen, der mit dem Eingang des Massenspektrometers verbunden ist;
einer Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung zur Kopplung des analytischen Stufen-Massenspektrometers mit dem Gaschromatographen;
einer Vakuumkammer, in der das analytische Stufen-Massenspektrometer einem Vakuum von mindestens 10&supmin;&sup5; Torr (13,3322 x 10&supmin;&sup4; pa) ausgesetzt ist;
Einrichtungen innerhalb des einzigen Gehäuses zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Vakuumkammer;
Steuereinrichtungen innerhalb des einzigen Gehäuses zum Betreiben und Überwachen des analytischen Stufen-Massenspektrometers;
Einrichtungen zur Verarbeitung der Ausgangssignale des analytischen Stufen- Massenspektrometers zur Erzeugung einer Darstellung der Eigenschaften des Massenspektrums einer untersuchten Probe, wobei die Einrichtungen zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Massenspektrometers eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung aufweisen und das Massenspektrometersystem ferner mit einer Anzeigeeinrichtung versehen ist, die beide in dem einzigen Gehäuse enthalten sind, und wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung Einrichtungen zur Speicherung von Informationen zum Betreiben des Massenspektrometers aufweist;
Einrichtungen zum Eingeben von Informationen und Daten in die digitale Datenverarbeitungseinrichtung sowie zum Ausgeben von Informationen und Daten aus der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen in dem einzigen Gehäuse enthalten sind; und wobei
das einzige Gehäuse ein inneres Volumen von weniger als 0,25 m³ (1 Kubikyard) aufweist.
Mit der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Analyse unbekannter Substanzen zur Bestimmung ihrer chemischen Zusammensetzung geschaffen, die durch ein kompaktes, leichtgewichtiges, leistungseffizientes und unabhängiges Hochleistungssystem gekennzeichnet ist, das sich eines Gaschromatographen und eines Massenspektrometersystems bedient, die von einer on-board-Computereinheit betrieben werden und das insbesondere zur Überwachung der Luft- und Wasserqualität, von gefährlichen Materialien, Explosivstoffen und Medikamenten anwendbar ist.
Im einzelnen wird ein miniaturisiertes Gaschromatograph/Massenspektrometersystem (GC/MS) geschaffen, das kompakt und robust ist und mit dem an dem betreffenden Ort eine schnelle und wirksame Analyse verschiedener Proben in nahezu Echtzeit möglich ist.
Weiterhin wird ein Gaschromatograph/Massenspektrometersystem geschaffen, das relativ kostengünstig und einfach herstellbar ist.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise weiterhin ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, bei dem ein Stufen-Messenspektrometer mit einer Auflösung von mindestens 1 AMU und einem Massenbereich von mindestens 200 AMU verwendet wird.
Ferner wird mit der Erfindung vorzugsweise ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, das ein analytisches Stufen-Massenspektrometer umfaßt und bei dem alle Hauptkomponenten des gesamten Systems, ebenso wie die Datenverarbeitungsfünktionen des Systems, in einem einzigen kompakten Gehäuse enthalten sind.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise ein kompaktes, tragbares und unabhängiges miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, das ein analytischen Stufen- Massenspektrometer sowie eine Datenverarbeitungseinheit und einen Mikrocomputer umfaßt, die alle in einem tragbaren und unabhängigen kompakten Gehäuse, zusammen mit einem Display (Anzeigeeinheit) und einer Eingabe-/Ausgabeeinrichtung für einen Benutzer, enthalten sind.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, das ein analytisches Stufen-Massenspektrometer und eine Vakuumpumpe in einem einzigen, unabhängigen und tragbaren Gehäuse umfaßt.
Ferner wird mit der Erfindung vorzugsweise ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, mit dem mehr als eine Stufe der analytischen Stufen- Massenspektrometrie realisiert wird.
Mit der Erfindung wird ferner vorzugsweise eine Massenanalysatoranordnung geschaffen, die einen Teil eines Massenspektrometers innerhalb einer Vakuumkammer bildet und bei der die Ausrichtung des Ionenstrahls durch eine einzige einheitliche Ausrichtanordnung erzielt wird, mit der zwei oder mehr Ionenquellen, elektrische Abtastsektoren, magnetische Analysatoren oder Ionen-Detektorkomponenten ausgerichtet werden.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise auch eine Massenanalysatoranordnung geschaffen, bei der die Mechanismen zum Ausrichten der Sektionen des Massenanalysators als Teil des Vakuumgehäuses ausgebildet sind, das die Massenanalysatoranordnung enthält.
Mit der Erfindung wird auch eine Massenanalysatoranordnung mit einer Vakuumquelle geschaffen, die innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, die die Massenanalysatoranordnung umgibt.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise auch eine kompakte Magnet-Jochkombination geschaffen, die eine doppelte Funktion hat und das Magnetfeld erzeugt, das sowohl für die Ionen-Vakuumpumpe, als auch für den magnetischen Analysator erforderlich ist, der in Verbindung mit der Massenanalysatoranordnung verwendet wird.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise eine Magnet- und Jochstruktur für eine Ionenpumpe und magnetische Analysatorsektionen eines Massenspektrometers geschaffen, bei der ein Teil der Jochstruktur dazu verwendet wird, einen Teil des Ionenstrahls abzuschirmen, der durch das Massenspektrometer verwendet wird, und/oder bei der das Joch einen Teil der Vakuumkammer bildet.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise eine neue Magnet- und Jochstruktur zur Verwendung mit einem Massenspektrometersystem in der Weise geschaffen, daß das Magnet- und Jochsystem außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, und bei der der Magnet aus einem magnetischen Material mit hohem Fluß gebildet ist, so daß der Magnet entfernt werden kann, um ein Ausheizen (Entgasen) der Vakuumkammer mit hoher Temperatur zu ermöglichen, ohne die Magnetstruktur zu überhitzen.
Mit der Erfindung wird ferner vorzugsweise eine neue Magnet- und Jochstruktur zur Verwendung mit einem Massenspektrometersystem in der Weise geschaffen, daß das Magnet- und Jochsystem innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, und bei der der Magnet aus einem hitzebeständigen magnetischen Material mit hohem Fluß gebildet ist, so daß er mit der Vakuumkammer ausgeheizt (entgast) werden kann, ohne daß seine magnetischen Eigenschaften gefährdet werde.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise eine zuverlässige, einfach auszurichtende und zusammenzubauende Ionenquelle und eine elektrische Sektoranordnung zur Verwendung mit einem miniaturisierten Gaschromatograph/Massenspektrometersystem geschaffen.
Mit der Erfindung wird vorzugsweise ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem geschaffen, das einen Probenkonzentrator, einen Gaschromatographen, eine Gaschromatorgraph-Massenspektrometer-Schnittstelle, ein analytisches Stufen- Massenspektrometer, einen Mikrocomputer, elektronische Einheiten und die zum Betrieb des Systems erforderliche Leistungsquelle in einem kompakten, unabhängigen, einzigen Gehäuse umfaßt, das auch einen on-board-Computer sowie einen Anzeigeschirm aufweist. Mit dem in dem Gesamtsystem enthaltenen Massenspektrometersystem kann eine Auflösung von mehr als 1 AMU und ein Massenbereich von mehr als 200 AMU erzielt werden. Das tragbare Massenspektrometersystem ist in einer Vakuumkammer enthalten, die zunächst mit einer externen Pumpe auf einen Druck von etwa 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup6; Torr (13,3322 x 10&supmin;³ Pa bis 1,33322 x 10&supmin;&sup4; Pa) evakuiert wird, wobei das Vakuum anschließend mit einer inneren Vakuumpumpe mit diesem Druck aufrechterhalten wird. Die Vakuumkammer besteht aus zwei oder mehr Teilen sowie einer Hochvakuumdichtung, so daß die Wartung der Massenanalysatoranordnung leicht durchzuführen ist. Zusätzlich kann die Vakuumkammer einen Mechanismus zum Ausrichten von zwei oder mehr Komponenten der Massenanalysatoranordnung enthalten.
Vorzugsweise ist eine neue elektrische Sektorstruktur vorgesehen, bei der zwei Sektorabschnitte und die elektrischen Sektorplatten mit hochgenauen Kugeln, die aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Material hergestellt sind, prazise zueinander ausgerichtet und voneinander isoliert sind. Ferner wird vorzugsweise eine neue Ionenquelle verwendet, die eine Reihe von einheitlich montierten Scheiben aufweist, die mit hoher Präzision hergestellte Linsen halten. Die Linsen sind voneinander mit elektrisch isolierenden Abstandshaltern getrennt und in einem Gehäuse enthalten, das aus keramischen oder anderen isolierenden und nur geringfügig ausgasenden Materialien hergestellt ist. Diese Struktur ist einfach und kompakt und ermöglicht trotzdem ein zuverlässiges Verfahren zum Ausrichten der Linsen, wobei gleichzeitig eine elektrische Isolation zwischen den Linsen geschaffen wird.
Außerdem wird vorzugsweise eine dazugehörige neue Magnet- und Jochanordnung geschaffen, sie so geformt werden kann, daß sie einen Teil des Äußeren der Vakuumkammer umgibt und von dieser abnehmbar ist, so daß die Vakuumkammer entgast werden kann, ohne die Magneten zu überhitzen. Zusätzlich kann eine solche Magnet- und Jochstruktur zur Erzeugung der magnetischen Felder verwendet werden, die zum Betrieb sowohl der Ionenpumpe, als auch der magnetischen Analysatorkomponenten des Massenspektrometers erforderlich sind.
Die Erfindung soll nun anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, der nachfolgenden Ansprüche sowie der Zeichnungen im Detail erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Es zeigt:
Figur 1a ein Blockschaltbild der verschiedenen Hauptkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 1b ein Blockschaltbild der verschiedenen Hauptkomponenten einer alternativen Ausführungsform eines Tandem-Massenanalysators einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 2a eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes miniaturisiertes Massenspektrometersystem, das in seinem tragbaren Gehäuse montiert ist;
Figur 2b eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen miniaturisierten Massenspektrometersystems, das in seinem tragbaren Gehäuse montiert ist;
Figur 2c eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen miniaturisierten Massenspektrometersystems, das in seinem tragbaren Gehäuse montiert ist;
Figur 3a eine isometrische Darstellung des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems, in der die Lage der Hauptkomponenten und Anordnungen einschließlich eines Gaschromatographen und einer Frontplatte in einem tragbaren Gehäuse gezeigt sind;
Figur 3b eine isometrische Darstellung der Lage der Hauptkomponenten und Anordnungen des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems, bei der zur deutlicheren Darstellung des Massenanalysators und anderer Schlüsselkomponenten der GC entfernt ist;
Figur 4a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausfuhrungsform der Massenanalysatoranordnung von oben einschließlich des Gehäuses für die Präzisionsausrichtung und der mit der Erfindung verwendeten Magnetanordnung;
Figur 4b einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Massenanalysatoranordnung von oben einschließlich eines Gehäuses für die Präzisionsausrichtung, der Magnetanordnung, sowie eines getrennten Ionenpumpen-Magneten, die mit der Erfindung verwendet werden;
Figur 5a eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform einer mit der Erfindung verwendeten Präzisions-Ausrichtanordnung;
Figur 5b eine Vorderansicht der bevorzugten Ausführungsform der mit der Erfindung verwendeten Präzisions-Ausrichtanordnung;
Figur 5c eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer mit der Erfindung verwendeten Präzisions-Ausrichtanordnung;
Figur 5d eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform einer mit der Erfindung verwendeten Präzisions-Ausrichtanordnung;
Figur 6a eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform einer Vakuumkammer für die Präzisionsausrichtung zur Verwendung mit der Erfindung;
Figur 6b eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Vakuumkammer für die Präzisionsausrichtung zur Verwendung mit der Erfindung von hinten;
Figur 6c eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Vakuumkammer für Präzisionsausrichtung zur Verwendung mit der Erfindung;
Figur 6d eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Vakuumkammer für Präzisionsausrichtung zur Verwendung mit der Erfindung von hinten;
Figur 7a eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform einer Magnetanordnung, die aus kombinierten Analysator- und Ionenpumpen-Magneten und Jochen zur Verwendung mit der Erfindung besteht;
Figur 7b eine Draufsicht auf die Magnetanordnung gemäß Figur 7a;
Figur 7c eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Magnetanordnung, die aus einem getrennten Analysator- und Ionenpumpen-Magnet und Joch zur Verwendung mit der Erfindung besteht;
Figur 7d eine Draufsicht auf die Magnetanordung gemäß Figur 7c;
Figur 8a eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform eines Massenanalysators, wobei die Vakuumkammer und die Magnetanordnung zu erkennen sind;
Figur 8b eine isometrische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Massenanalysators, in der die Vakuumkammer und die Magnetanordnung gezeigt sind;
Figur 9a eine Draufsicht auf die Ionenquelle und die elektrische Sektionsanordnung zur Verwendung mit der Erfindung;
Figur 9b eine isometrische Darstellung der Ionenquelle und der elektrischen Sektoranordnung, in der die Ionenquellen-Montageplatte und die elektrischen Durchführungsverbindungen zur Verwendung mit der Erfindung gezeigt sind;
Figur 10 eine schematische Darstellung des Weges des Ionenstrahls, der mit dem erfindungsgemäßen Massenanalysator erzeugt wird;
Figur 11a eine Draufsicht auf die Blockanordnung zur Verwendung als Teil der Ionenquellen-Anordnung gemäß der Erfindung;
Figur 11b eine Seitenansicht der Blockanordnung zur Verwendung als Teil der Ionenquellen-Anordnung gemäß der Erfindung;
Figur 11c einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Blockanordnung entlang der Linie D-D in Figur 11b;
Figur 11d einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Blockanordnung entlang der Linie B-B in Figur 11a;
Figur 11e einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Blockanordnung entlang der A-A in Figur 11a;
Figur 11f eine Querschnitt durch die erfindungsgemäße Blockanordnung entlang der Linie C-C in Figur 11a;
Figur 12a eine Draufsicht auf eine mit der Erfindung verwendete Montagescheibe, die eine mit der Ionenquelle verwendete Linsenanordnung trägt;
Figur 12b eine Draufsicht und eine Kantenansicht eines ersten Teils eines eine Linse bildenden Elementes, das an der Scheibe gemäß Figur 12a befestigt ist;
Figur 12c eine Draufsicht und eine Kantenansicht eines zweiten Teils eines eine Linse bildenen Elementes, das an der in Figur 12a gezeigten Scheibe befestigt ist;
Figur 12d eine Draufsicht auf die Linse, die aus den in den Figuren 12a bis 12c gezeigten Komponenten zusammengebaut ist;
Figur 13a eine Seitenansicht einer elektrischen Sektorenanordnung zur Verwendung mit der Erfindung;
Figur 13b einen Querschnitt durch die elektrische Sektoranordnung entlang der Linie A-A in Figur 13a;
Figur 14 eine schematische Ansicht des Probenflusses sowie der Ventilanordnungen zur Verwendung mit dem miniaturisierten Massenspektrometersystem gemäß der Erfindung;
Figur 15 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des Computers und des Steuersystems, die mit der Erfindung verwendet werden; und
Figur 16 ein Flußdiagramm der durch das Programm ausgeführten Funktionen, mit denen das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystem betrieben wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden wird nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffem bezeichnet sind. Figur 1a zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden ein oder mehrere magnetische Sektor-Massenanalysatoren verwendet, wie zum Beispiel eine Nier-Johnson-Ionenoptik mit einem elektrostatischen 90º-Analysator und einem magnetischen 90º-Analysator. Es können jedoch auch anderen bekannte Arten von Massenanalysatoren verwendet werden, wie zum Beispiel Vierpole und Ionenfallen. Die Figuren 2a bis 2c zeigen zusätzliche Details des beschreibenen Systems.
Das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 umfaßt eine Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung 12, die dazu dient, die zu untersuchenden Proben zu sammeln. Die Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung umfaßt einen Atmosphäreneinlaß 228, eine Injektoröffnung 216, einen Konzentrator 214, eine Gaschromatographen-Säule 210, eine Probenpumpe 206, Ventile 212, eine GC- Schnittstelle 16, sowie dazugehörige Schläuche (Rohre) und Amaturen. Das Zusammenwirken zwischen diesen Elementen und dem Probenfluß durch die Anordnung 12 ist in Figur 14 dargestellt.
Die Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung 12 kann eine Öffnung aufweisen, die für atmosphärische oder andere Probennahme verwendet wird. Die Probennahme mit dem atmosphärischen Einlaß kann unter Verwendung einer on-board-Probenpumpe 206 sowie einer Konzentratpatrone, die mit einem Adsorptionsmittel wie zum Beispiel TENAX-C gefüllt ist, erreicht werden, das vor dem Analysevorgang der Probe thermisch in der Gaschromatographen-Säule 210 desorbiert wird.
Neben einer Betriebsart für atmosphärische Probennahme kann die Erfindung auch in einer Betriebsart für direkte Injektions-Probennahme verwendet werden. Diese Betriebsart ist ähnlich dem Verfahren, das bei einer konventionellen Gaschromatographen-Analyse in einem Labor verwendet wird, bei dem eine Probe in ein Lösungsmittel extrahiert und eine Spritze verwendet wird, um eine kalibrierte Menge der Probe in die Injektoröffnung 216 für die Probe zu injizieren. Das Lösungsmittel wird verflüchtigt und mit einem Trägergas durch die Gaschromatographen-Säule getragen, und zwar in der gleichen Weise, in der bekannte Analysen mit Gaschromatographen durchgeführt werden.
Sowohl die Injektoröffnung 216 als auch die atmosphärische Einlaßöffhung 228 sind gemäß der Darstellung in den Figuren 2a bis 2c an der Fronttafel 204 des erfindungsgemäßen miniaturisierten Massenspektrometersystems 10 angeordnet. In dem Fall, in dem eine Probensonde zu verwenden ist, wird diese mit der Atmosphären-Einlaßöffnung 228 verbunden. Das erfindungsgemaße miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 ist somit sehr flexibel anwendbar, wobei alle erforderlichen Einlaßverbindungen für eine Bedienperson leicht zugänglich sind.
Die Möglichkeit, mit dem hier beschriebenen miniaturisierten Massenspektrometersystem 10 sowohl atmosphärische Analysen, als auch Analysen von Proben in einer Lösungsmittelmatrix durchzuführen, hat zur Folge, daß die erfindungsgemaße Vorrichtung für eine Vielzahl von Analysen verwendet werden kann. Das Instrument kann zum Beispiel zur Untersuchung der Wasserqualität anhand von Proben verwendet werden, die aus Speichern oder an anderen Stellen entnommen, dann zur Analyse unter Verwendung von einfachen Lösungsmittel-Extraktionspatronen oder Reinigungs und Einsammelvorrichtungen oder anderen geeigneten Extraktionsverfahren vorbereitet und schließlich in das hier beschriebene Instrument einbracht werden, um die unbekannten Bestandteile der Probe zu identifizieren.
In ännlicher Weise können auch feste Proben analysiert werden, wenn sie in geeigneter Weise für eine Injektion vorbereitet werden können. Für diese Injektionsläufe des Gaschromatographen ist eine zusätzliche Proben-Verarbeitungseinheit oder -einrichtung mit den notwendigen Lösungsmitteln, Mischbehältern, Extraktionspatronen, Meßeinrichtungen und vereinfachten Befehlen vorgesehen, so daß eine geeignete Probenbehandlung durch nur geringfügig ausgebildetes Personal möglich ist. Eine solche Anwendung der Erfindung ist für einen einschlägigen Fachmann offensichtlich. Somit ist es bei geeigneter Probenvorbereitung mit dem beschriebenen miniaturisierten Massenspektrometersystem 10 möglich, Analysen nicht nur von einfachen atmosphärischen Proben durchzuführen.
Von dem Probeneinlaß und der Konzentratoranordnung 12 wird die Probe in die Gaschromatographen-Anordnung 14 geführt. Um ein miniaturisiertes Massenspektrometersystem zu schaffen, das für eine große Anzahl von Aufgaben im Hinblick auf die Analyse von Umgebungsproben einschließlich der Analyse von in eine Lösungsmittelmatrix injizierten Proben verwendet werden kann und nützlich ist, wird eine Gaschromatographen-Säule 210 mit einer Leistungsfähigkeit, die für eine detaillierte Analyse unbekannter Proben ausreicht, vorzugsweise als Teil der Gaschromatographen-Anordnung 14 verwendet. Erfindungsgemäß wird ein Kapillarrohr aus geschmolzener Kieselerde (Quarz), wie zum Beispiel eine Säule mit einem inneren Durchmesser von 0,25 mm, deren Innenseite mit einem Polymer beschichtet ist, verwendet, die unter der Bestellnummer DB624 von der Firma Supelco Inc. erhältlich ist.
Die Gaschromatographen-Anordnung 14 umfaßt einen Ofen, der die Gaschromatographen-Säule 210 umgibt. Der Ofen wird unter der Steuerung eines on-bord-Computersystems 24 beheizt. Mit einem Ventilator wird sichergestellt, daß die Hitzeverteilung innerhalb des Ofens einen hohen Grad an Gleichförmigkeit besitzt. Zusätzlich wird die Temperatur unter Verwendung von wärmegekoppelten Sensoren zum Erfassen der inneren Temperatur in dem Ofen sowie mit einer mit der Ofenheizung verbundenen Steuerschleife gesteuert, damit die Ofentemperatur ein vorprogrammiertes Temperaturprofil einhält Thermische Sicherungen dienen zum Schutz des Systems gegen eine fehlerhafle Überhitzung, die durch durchgehende Heiz- oder Steuerelemente verursacht werden kann.
Die Temperatur des Ofens und die Heizrate sind variabel und können durch die Bedienperson des miniaturisierten Massenspektrometersystem 10 in der Weise eingestellt werden, daß eine optimale Analyse der untersuchten Probe erreicht wird. Zur Steuerung des Trägergases und zur Führung der Probe und anderer Strömungen durch das System sind Ventile 212 vorgesehen. Die in dem System verwendeten Ventile 212 sind so gestaltet, daß sie eine minimale Reaktivitat mit dem Probenmaterial aufweisen, so daß der weitaus größte Anteil der Proben die Gaschromatographen-Säule 210 erreicht. Es wird vorgezogen, zu diesem Zweck mit Glas verkleidete Rohre und andere Materialien mit geringer Reaktivität zu verwenden. Alle Ventile 212 können elektrisch durch Verriegeln von elektromagnetischen Spulen oder anderen Einrichtungen gesteuert werden. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad und sind für die Gaschromatographie geeignet.
Der Gaschromatograph 14 ist mit dem Massenspektrometersystem 18 mittels einer Gaschromatograph-Massenspektrometer-(GC/MS)-Schnittstelle 16 verbunden. Die GS/MS-Schhittstelle 16 dient zur Verbindung der Gaschromatographen-Säule 210 des Gaschromatographen-Anordnung 14, die mit einem Druck von einer Atmosphäre oder gringfügig darüber arbeitet, mit dem Massenanalysator 21 des Massenspektrometers 18, der bei einem Druck von etwa 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup6; Torr (13,3322 x 10&supmin;³ bis 1,33322 x 10&supmin;&sup4; pa) arbeitet. Auch wenn mehrere unterschiedliche Arten von Schnittstellen eingesetzt werden können, wie zum Beispiel eine direkte Gaschromatographen-Verbindung, ein Düsenseparator, ein Watson-Biemann- Seperator oder ein Membranseparator, wird bei der bevorzugten Ausführungsform ein Membranseparator 16a verwendet. Membran-Separatoren haben deshalb Vorteile gegenüber anderen Arten von Separatoren, weil sie sehr klein und robust sind und kein gesondertes Pumpensystem erfordern. Zusätzlich wird mit dem erfindungsgemäßen Membranseparator ein gewisser Grad an Probenanreicherung und Konzentration erreicht und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis gegenüber dem Trägergas- Hintergrund um zwei oder drei Größenordnungen verbessert.
Der Membranseparator 16a dient zum Abtrennen des Trägergases durch selektives Einleiten der organischen Verbindungen in den Massenanalysator 21, wodurch die Mnege des Gases reduziert wird, das durch die Vakuumpumpe 22 entfernt werden muß. Dies ermöglicht die praktische Verwendung einer Ionenpumpe für einen tragbaren Betrieb bei geringem Leistungsverbrauch.
Das vorzugsweise für die Membranschnittstelle 16a verwendete Membranmaterial besteht aus Dimethylsilikon mit einer Dicke von 1 mil (etwa 0,0254 mm). Dieses Material ist von der Firma General Electric Company erhältlich und bleibt bis zu einer Temperatur von 200º C stabil.
In Verbindung mit einer externen Vakuumpumpe mit höherer Kapazität kann auch eine alternative Schnittstelle, nämlich eine direkte kapillare Gaschromatograph GC/MS -Schnittstelle 16 verwendet werden. Mit einer solchen alternativen Schnittstelle wird eine empfindlichere und genauere Quantisierung der relativen Zusammensetzung der Proben ermöglicht.
Die konzentrierte Probe wird von der GC/MS-Schnittstelle 16 zum Eingang des Massenspektrometersystems 18 geführt. Wie im folgenden noch genauer beschrieben werden soll, arbeitet das Massenspektrometersystem 18 unter Verwendung eines Magnetfeldes mit einer Stärke von etwa 0,7-1,4 T (7,5-15 KGauss) und einem allgemein erhältlichen Ionendetektor 44, so daß mit dem Detektor ein ausreichender Gewinn mit einem Faktor von 10&sup4; bis 10&sup6; oder mehr erreicht werden kann. Die Ionenquelle 34, die ebenfalls noch erläutert werden soll, wird vorzugsweise zum Teil aus einem bearbeitbaren keramischen Material, wie zum Beispiel Macor von der Firma Corning, hergestellt. Die Massenanalysatoren 21 und 23 (Figur 1b) des Massenspektrometersystems 18 sowie einige innere Teile werden vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Alle inneren Oberflächen, die den Ionen ausgesetzt sein können, sollten goldbeschichtet sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Massenanalysatoranordnung 21 eine Ionenquelle 34, einen elektrischen Sektor 36, einen magnetischen Sektor 40, einen Ionendetektor 44, sowie eine Präzisions-Ausrichtvorrichtung 500, die alle in einer Vakuumkammer 20 enthalten sind, die aus einer Vielzahl von Materialien, wie zum Beispiel Aluminium, rostfreiem Stahl, technischen Kunststoffen oder Keramikmaterialien hergestellt sein kann. Mit der Vakuumkammer 20 ist eine Vakuumpumpe 22 verbunden, mit der ein Vakuum mit einem Druck von 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup7; Torr (13,3322 x 10&supmin;³ bis 1,33322 x 10&supmin;&sup5; pa) aufrechterhalten wird. Ein Hochvakuum- Ventil 46 ist zum Vorpumpen vorgesehen, wenn eine interne Ionen-Vakuumpumpe 42 vorgesehen ist. Dieses kann zwischen eine externe Vakuumpumpe 22 und den Massenanalysator 21 geschaltet sein.
Das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 wird durch einen on-bord-Mikrocomputer 24, eine Datenerfassung 26 sowie eine Steuerelektronik 28 gesteuert. Der Mikrocomputer ist vorzugsweise ein IBM-kampatibler AT- oder PS/2- Mikrocomputer mit einem in Echtzeit arbeitenden Multitasking Betriebssy stem. Der Mikrocomputer 24, die Datenerfassung 26 und die elektronischen Steuermodule 28 umfassen eine Anzeige 218, ein Tastenfeld 220 und andere Komponenten, die in den Figuren 2a bis 2c gezeigt und erläutert sind. Ein Flußdiagramm der Arbeitsweise des Computers und des Steuersystems, durch die das miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 betrieben wird, ist in Figur 15 dargestellt. Ein Flußdiagramm der von dem Programm ausgeführten Funktionen ist in Figur 16 gezeigt. Ferner sind Datenerfassungs-Elektronikeinheiten 26 sowie Hochspannungsversorgungen 30 für die Komponenten des Massenanalysators 21 (Ionenquelle 34, elektrischer Sektor 36 und Ionenpumpe 42) vorgesehen.
Die Steuerelektronik 28, der Mikrocomputer 24, die Datenerfassungselektronik 26 und die Hochspannungs-Leistungsversorgung 30 können mit tragbaren Batterien 202 versorgt werden, so daß das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 ohne weiteres tragbar und unabhängig ist. Vorzugsweise wird eine abgedichtete Blei-Säurebattene verwendet. Alternativ können jedoch auch Batterien verwendet werden, die aus Lithium oder anderen seltenen Materialien hergestellt und somit allerdings wesentlich teurer sind.
Alternativ dazu können zur Leistungsversorgung auch ein kleiner Benzinaggregat oder eine externe Batterieeinheit oder Kraftstoffzellen verwendet werden.
Die Haupt-I/O-Schnittstellen zwischen dem Computer 24 und den verschiedenen elektrisch betriebenen Elementen des Systems sind in Figur 15 gezeigt. Das Mikrocomputersystem 24 kann zur Anzeige der Analysenergebnisse sowie zur Anzeige von steuer-diagnostischen Informationen, wie zum Beispiel der Trägergasversorgung und der Höhe des Vakuum verwendet werden, indem diese Werte zum Beispiel auf einem Flachbildschirm 218 wiedergegeben werden. Der Mikrocomputer 24 weist vorzugsweise eine entfernbare Halbleiter-Speicherkarte mit einer Kapazität von vorzugsweise mindestens 1 Mb zur Verwendung mit einem entsprechenden entfernbaren Kartentreiber 226 auf Alternativ dazu kann noch ein Disketten- oder Festplattenlaufwerk verwendet werden. In diesem Fall kann das Betriebssystem für das miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 innerhalb des Systems (on-board) gespeichert werden. Ferner kann darin auch eine Datenbank (Bibliothek) der Massenspektren on-board gespeichert sein, wobei eine Einrichtung zur Aufzeichnung der Ergebnisse vorgesehen ist.
In den Figuren 1a und 1b stellen die durchgezogenen Linien 15, die die Elemente verbinden, den Fluß des Probengases zwischen diesen Elementen dar. Mit unterbrochenen Linien 17 sind elektronische oder elektrische Steuerleitungen gekennzeichnet.
Figur 1b zeigt eine alternative Ausführungsform des Massenspektrometersystems 18, bei der anstelle des einzigen Massenanalysators 21 gemäß Figur 1a zwei Massenanalysatoren 21 und 23 verwendet werden. Bei der alternativen Tandem-MS- Ausführungsform enthält der erste Massenanalysator 21 die Ionenquelle 34, einen elektrischen Sektor 36 und einen magnetischen Sektor. Der zweite Massenanalysator 23 enthält einen weiteren elektrischen und magnetischen Sektor sowie den Ionendetektor 44. In einem solchen Tandem-Massenspektrometer sind die zwei Massenanalysatoren 21 und 23 über eine Massenanalysator-Schnittstelle 25 miteinander verbunden. Mit einem solchen System wird eine größere Empfindlichkeit und Auflösung erzielt, als mit dem in Figur 1a gezeigten Massenspektrometer 18 mit einem einzigen Massenanalysator. Die Massenanalysator-Schnittstelle 25 erzeugt eine sekundäre Ionisation des Probengases durch eine oberflächeninduzierte Ionisation (SID). Das bevorzugte SID-Verfahren besteht in der Verwendung einer mehrkanaligen Platte oder einer ähnlichen Einrichtung zur Erzeugung von mehrfachen Ionenkollisionen aufgrund paralleler Kanäle. Mit diesem SID-Verfahren wird eine Ionisation mit hohem Wirkungsgrad erzielt, ohne daß ein zusätzliches Vakuum gepumpt werden muß, was bei üblichen chemischen Ionisationsverfahren erforderlich ist.
Die Figuren 2a bis 2c zeigen Ansichten des genannten miniaturisierte Massenspektrometersystem 10, das in einem einzigen Gehäuse oder einer Box mit einer Breite von zum Beispiel 50 cm (20 Zoll), einer Länge von zum Beispiel 50 cm (20 Zoll) und einer Höhe von zum Beispiel 25 cm (10 Zoll) oder weniger montiert ist, von oben, von der Seite bzw von vorn. Ein solches System, das vorzugsweise weniger als 33 kg (75 Pfund) wiegt, kann von einem Benutzer leicht von einem Ort zu einem anderen Ort getragen werden und stellt ein tragbares analytische und miniaturisiertes Stufen-Massenspektrometersystem dar. Das Layout der Hauptkomponenten eines solchen Systems ist in den Figuren 2a bis 2c gezeigt.
In Figur 2a ist die Anordnung des Mikrocomputers 24 gezeigt, der ein Kartengehäuse für verschiedene Schnittstellenkarten sowie seine eigene Leistungsversorgung, einen Speicher mit wahifreiem Zugriff (RAM) und andere on-board-Speicher (EPROM, SRAM, ROM) aufweist, wie es allgemein im Stand der Technik bekannt ist. Eine Flasche 200 für Trägergas ist in einem Gehäuse 201 montiert, dessen Funktion später beschrieben werden soll. Ferner ist gemäß obiger Beschreibung eine Batteneeinheit 202 vorgesehen.
Alternativ dazu kann es sinnvoll sein, die Batteneeinheit 202 nicht zum Betrieb des genannten miniaturisierten Massenspektrometersystems 13 zu verwenden. Weiterhin ist ein DC/AC-Filter und ein Konverter 208 vorgesehen, die in der Nähe der Batterieeinheit 202 angeordnet sind. Der DC/AC-Filter und ein Konverter 208 dienen zur Reduzierung von Leistungsversorgungsschwankungen in der Weise, daß diese nicht in das Massenspektrometersystem 10 gelangen können.
Außerdem ist auch eine Probenpumpe 206, deren Funktion später beschrieben werden soll, in dem Gehäuse 201 enthalten. Benachbart zu der Probenpumpe 206 liegt die Gaschromatographenanordnung 14, die den Ofen und andere Steuereinrichtungen und Elemente zum Heizen (der Gaschromatographen-Säule 210) aufweist. Benachbart dazu ist ein Membranseparator 1 6a angeordnet, der in bekannter Weise mit dem Ausgang der Gaschromatographen-Säule 210 verbunden ist. Benachbart zu der Gaschromatographenanordnung 14 und über dem Massenspektrometersystem 18 ist eine Reihe von elektronisch oder elektrisch gesteuerten Ventilen 212 (einschließlich der Elemente 1402, 1404, 1406, 1408, 1410, 1412 und 1416, was im folgenden noch beschrieben werden soll) angeordnet. Ein Ventilator 224 dient zur Kühlung der innerhalb des Gehäuses 201 angeordneten Komponenten durch eine Öffnung 229 in der vorderen Fläche 204. Unter der Flasche 200 für Trägergas sind eine Mehrzahl von Hochspannungs-Leistungsversorgungen 30 angeordnet.
Wie bereits beschrieben wurde, ist innerhalb des Gehäuses 201 ein Treiber 226 für austauschbare Halbleiter-Speicherkarten vorgesehen, der so angeordnet ist, daß die vordere Fläche 227, die einen Einführschlitz 231 aufweist, für einen Benutzer durch das vordere Panel 204 des Gehäuses 201 zugänglich ist. Wie in Figur 2c gezeigt ist, sind durch die vordere Fläche 204 auch die Atmosphären-Einlaßöffnung 228, die Injektoröffnung 216 und die Patronenanordnung 214 für thermische Desorption zugänglich. Die vordere Fläche 204 des Gehäuses umfaßt auch eine Leistungs- und Indikator-Lichtplatte 230 mit LEDs zur Anzeige des eingeschalteten, unter Vakuum stehenden und betriebsbereiten Zustandes des miniaturisierten Massenspektrometersystems 10. Zusätzlich dazu ist in der Frontplatte auch ein LCD-Display 218 oder ein Flachbildschirm anderer Art zur Verwendung durch eine Bedienperson vorgesehen. Als Teil einer gelenkig verbundenen Frontabdeckung 205 ist eine Standard- Computertastatur 220 vorgesehen, so daß die Bedienperson gemäß der noch folgenden Beschreibung mit dem miniaturisierten Massenspektrometersystems 10 kommunizieren und dieses steuern kann.
Figur 3a zeigt eine vollständige Ansicht eines erfindungsgemäßen miniaturisierten Massenspektrometersystems 10 einschließlich der Anordnung des Gaschromatographen und der Frontplatte mit den Displays und Einlaßöffnungen.
Figur 3b zeigt eine isometrische Darstellung der oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen miniaturisierten Massenspektrometersystems 10, wobei jedoch der Gaschromatograph entfernt ist, sowie eine aufgeschnittene Darstellung des Trägergaszylinders 200, wodurch die Anordnung der anderen Hauptkomponenten deutlich wird.
Die Figuren 4a und 4b zeigen das allgemeine Layout der Komponenten, die die Massenanalysator-Anordnung 21 umfassen, die einen Teil des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems 18 bildet. Bei der in Figur 4a gezeigten, bevorzugten Ausführungsform des Massenanalysators 21 liegt die integrale Ionenpumpe 42 benachbart zu dem magnetischen Analysator 40, um ein maximales Ionen- Pumpvolumen in einem möglichst kompakten Vakuumgehäuse 20 zu erzielen.
Bei der in Figur 4b gezeigten alternativen Ausführungsform des Massenanalysators 21a ist die integrale Ionenpumpe 42a an der Vorderseite, jedoch innerhalb des gleichen Vakuumgehäuses 20a angeordnet. Die zu dem magnetischen Analysator 40 und der Ionenpumpe 42 gehörenden Magnete teilen eine bereits anderweitig beschriebene gemeinsame Jochstruktur. Bei einer alternativen Ausführungsform haben die zu dem magnetischen Analysator 40a und der Ionenpumpe gehörenden Magnete getrennte Jochstrukturen. Die Ionenpumpe 42, 42a ist an allen Seiten von einem magnetischen Joch 41, 41a umgeben, das in die Vakuumkammer 20, 20a eingebaut sein kann. Die innerhalb der Vakuummkammer 20, 20a angeordneten Komponenten des Massenanalysators müssen in einem hohen Vakuum betrieben werden. Demzufolge müssen die elektrischen Leitungen, die zur Versorgung und Steuerung dieser Komponenten erforderlich sind, durch vakuumdichte, elektrisch isolierte Verbinder, die Durchführungen 50 genannt werden, geführt werden.
Wie in den Figuren 4a und 4b gezeigt ist, wird die Probe aus dem Gaschromatographensystem 14 von dem Membranseparator 16a in die Vakuumkammer 20, 20a sowie in die Ionenquelle 34 in Form von Dampf mit geringem Druck geführt. Zur Verbindung der Probenleitung von dem Membranseparator 16a ist zu diesem Zweck eine vakuumdichte Swagelock-Armatur 51 vorgesehen. Elektronen, die an dem innerhalb der Ionenquelle 34 vorhandenen Heizdraht freigesetzt werden, schlagen auf die Probenmoleküle mit einer Energie von etwa 70 eV auf, so daß positive Ionen gebildet werden. Dieser Vorgang wird allgemein als Elektronen-Stoßionisation bezeichnet. Die sich ergebenden positiven Ionen werden aus der Ionenquelle 34 herausbeschleunigt, bilden in bekannter Weise einen Ionenstrahl und gelangen in den elektrischen Sektor 36.
Die Ionenquelle 34 ist aufgrund der Verwendung eines Nebenschlußwiderstandes für das elektrische Feld, der Rand- bzw. Interferenzeffekte des elektrischen Feldes reduziert, mit einem Ende des elektrischen Sektors 36 verbunden. Bestimmte ionisierte Partikel der Probe laufen durch ein elektrisches Feld 37, das mit zwei parallelen Platten des elektrischen Sektors 36 erzeugt wird. Der elektrische Sektor 36, der als elektrostatischer Analysator arbeitet, erzeugt ein radiales elektrisches Feld 37, das die durch die Ionenquelle 34 erzeugten Ionen ablenkt. Die in dem elektrischen Sektor 36 erzeugte Ablenkung ist proportional zu der Energie der Ionen. Auf diese Weise werden Ionen mit geringffigig abweichenden Energien bei ihrem Eintritt selektiv ausgefiltert, so daß die aus dem elektrischen Sektor 36 austretenden Ionen in hohem Maße definierte Energien aufweisen. Die den elektrischen Sektor 36 verlassenden Ionen werden auf den magnetischen Analysator gerichtet, der durch die Permanentmagnet- Anordnung 40 gebildet ist.
Mit dem magnetischen Analysator werden die Ionen entsprechend ihrer relativen Masse-zu-Ladungsverhältnisse getrennt. Mit einer integralen Ionenpumpe 42 wird sichergestellt, daß das Massenanalysatorsystem in hohem Vakuum gehalten wird.
Da die Flugbahn der Ionen in dem magnetischen Feld der Permanentmagnet- Anordnung 40 proportional zu ihrem Impuls ist, kann durch Veränderung der Beschleunigungspannung der Ionenquelle 34 ein Ion mit einer gewählten Masse durch einen Ausgangschlitz 45 auf den Ionendetektor 44 gerichtet werden.
Da die durch das Feld der Permanentmagnet-Anordnung 40 laufenden Ionen in Abhängigkeit von Ihrem Impuls abgelenkt werden, unterscheiden sich die Flugbahnen von Ionen mit der gleichen Masse, jedoch geringfügig abweichenden Geschwindigkeiten (eine Funktion der Energie) voneinander. Somit wäre die mit der Magnetanordnung 40 erzeugte Bildbreite ohne elektrischen Sektor oder ohne elektrostatischen Analysator 36 größer, und die Auflösung wäre erheblich reduziert.
Nachdem die Ionen das Feld der Permanentmagnet-Anordnung 40 und den Ausgangsschlitz 45 durchlaufen haben, treten sie in den Ionendetektor 44 ein. Der Ionendetektor 44 dient zur Messung der relativen Intensität des Ionenstroms. Diese Informationen werden von ihrer analogen Form in ein digitales Signal umgesetzt und dann zur Verarbeitung der Datenerfassungs-Elektronik 26 sowie dem Mikrocomputer 24 zugeführt.
Der in diesem erfindungsgemäßen System verwendeten Ionendetektor 44 bewirkt eine kurze Antwortzeit bei hoher Empfindlichkeit. Eine Art eines solchen Ionendetek tors, die verwendet werden kann, ist als Elektronenvervielfacher (Sekundärelektronenvervielfacher) bekannt. Ein Elektronenvervielfacher besteht aus Dynoden (Sekundaremissionskathoden) die aus einem bestimmten Material, z.B. einer Kupfer- Berylhum-Legierung hergestellt sind, das die Eigenschaft aufweist, daß es sekundäre Elektronen emittiert, wenn geladene Partikel auf dieses auftreffen. Auf diese Weise kann durch einen Kaskadeneffekt der Elektronen, durch den durch einen ersten Stoß weiteren Elektronen erzeugt werden, eine Verstärkung mit einem Faktor von mehr als 106 erreicht werden. Es wird bevorzugt, daß der in der Erfindung verwendete Ionendetektor 44 ein kontinuierlicher Dynoden-Elektronenvervielfacher ist. Das von dem Ionendetektor 44 erzeugte Signal wird verstärkt und einem in Figur 15 gezeig ten Analog-Digital-Wandler 1522 zugeführt, mit dem es digitalisiert und dann dem Mikroprozessor-Steuersystem 1500 zugeführt wird.
Um eine geeignete Umgebung zu schaffen, in der das oben beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann, muß die Massenanalysator-Anordnung 21 in ein Vakuum gebracht werden. Die erfindungsgemäße Massenanalysator-Anordnung 21 wird über ein Hochvakuum-Absperrventil 46 bis auf einen Druck von 10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;&sup7; Torr (1,33322 x 10&supmin;&sup4; bis 1,33322 x 10&supmin;&sup5; Pa) evakuiert, um die mittlere freie Weglänge der Ionen und die Wahrscheinlichkeit zu vergrößern, daß die Ionen auf ihrem Weg zu dem Detektor 44 nicht mit restlichen Gasmolekülen kollidieren. Bei einem Druck von 10&supmin;&sup7; Torr (1,33322 x 10&supmin;&sup5; Pa) ist die mittlere Weglänge der Ionen zwischen zwei Kollisionen im Vergleich zu der Weglänge durch die Massenanalysator-Anordnung 21 lang.
Ein Vakuum dieser Größenordnung kann durch viele verschiedene Vakuumpumpen erzeugt werden. Hierzu gehören Diffüsionspumpen, bei denen Strahlen von Öldampf dazu verwendet werden, die Moleküle aus der Hochvakuumkammer herauszuziehen, oder turbomolekulare Pumpen, die die Moleküle mit mechanischen Mitteln entfernen. Es wird bevorzugt, in dem erfindungsgemäßen Massenspektrometersystem 18 eine Ionenpumpe 42 unter Verwendung eines geeigneten, von Kunden entworfenen oder allgemein erhältlichen Ionenpumpenkems einzusetzen. Nach dem anfänglichen Auspumpen und Entgasen der Massenanalysator-Anordnung bei einer Temperatur von über 200º C, wodurch die meisten, signifikant ausgasenden Verschmutzungsstoffe entfernt werden, wird die Ionen-Vakuumpumpe 42 verwendet, um das Vakuum mit den gewünschten Betriebswerten aufrechtzuerhalten. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit der Verwendung einer externen Hochvakuumpumpe, wie zum Beispiel einer turbomolekularen Vakuumpumpe oder einer molekularen Saugpumpe mit einer geeigneten Vorpumpe zur Verwendung mit der alternativen kapillaren direkten GC/MS-Schnittstelle 16.
Die Figuren 5a bis 5d zeigen die oberen und vorderen Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform einer Präzisions-Ausrichtanordnung 500 bzw. eine obere und vordere Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Präzisions- Ausrichtanordnung 500a, die mit der Erfindung verwendet werden. Mit der Präzisions-Ausrichtanordnung 500 wird eine präzise Einrichtung zur Positionierung der Hauptkomponenten der Massenanalysator-Anordnung zueinander in der Weise geschaffen, daß der Ionenstrahl 39 exakt ausgericht ist. Weiterhin wird mit der Präzisions-Ausrichtanordnung 500 ein Mittel zum Sichern der ausgerichteten Hauptkomponenten der Massenanalysator-Anordnung 21 an der Vakuumkammer 20 in der Weise geschaffen, daß die magnetische Analysatorsektion 40 bereits mit der Ionenquelle 34, dem elektrischen Sektor 36, dem Ausgangschlitz 45 und dem Detektor 44 ausgerichtet ist, wenn diese an der Präzisions-Ausrichtanordung 500 befestigt ist.
Wie in den Figuren 5a und 5b gezeigt und weiter unten in Verbindung mit den Figuren 6a und 6b beschrieben werden soll, die der in den Figuren 5a und 5b gezeigten Präzisions-Ausrichtanordnung 500 entsprechen, ist die Präzisions Ausrichtanordnung 500 durch eine Präzisions-Justierplatte 501 und ein Präzisions- Flugrohr 503 gebildet, das durch Gießen, Pressen oder Schweißen aus einem einzigen Stück sowie anschließende Präzisionsverarbeitung hergestellt werden kann, um die zur Ausrichtung der aktiven Komponenten des den Ionenstrahl erzeugenden Massenanalysators 21 erforderlichen Bezugspunkte zu schaffen. Mit der Präzisions Justierplatte 500 wird eine einzige Einrichtung mit verschiedenen Bezugspunnten geschaffen, an der zwei oder mehr Komponenten montiert und ausgerichtet werden können, die den Ionenstrahl erzeugen und innerhalb eines dreidimensionalen Raumes oder Ebenen steuern. Das Präzisions-Flugrohr 503 ist an der Präzisions- Justierpiatte 501 befestigt, um den elektrischen Sektor und den schmalen magnetischen Analysatorabschnitt des Flugrohres 502 zwischen den Analysatormagneten 40 innerhalb der Vakuumkammer 20 einzuschließen. Alternativ dazu können die Analysatormagnete auch von dem Flugrohr 503 eingeschlossen sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Präzisions-Ausrichtanordnung 501 durch ein in Figur 5a gezeigtes halb-U-förmiges Element gebildet, durch das mehr Raum für die Ionenpumpe 42 benachbart zu dem Analysatormagnet 40 geschaffen wird, wobei jene zur Bildung eines Teils der Vakuumkammer 20 gemäß der Darstellung in den Figuren 4a und 6a geschweiß, gepreßt oder gegossen wird. Mit der Präzisions-Ausrichtplatte 501 wird auch eine flache Ebene zur Montage von Hochvakuum-Durchführungen 50 geschaffen, durch die die erforderlichen elektrischen Leitungen durch die Vakuumkammer in den Massenanalysator geführt werden. Ferner ist auch eine Probenleitungs-Durchführung 505 vorgesehen, um die Gasprobe von der GC-Schnittstelle 16 in den mit einer Swagelock-Armatur 51 verbundenen Massenanalysator 21 zu führen.
Bei einer in den Figuren 5c und 5d gezeigten alternativen Ausführungsform der Präzisions-Ausrichtanordnung 500a ist ein gerades Element 501a vorgesehen, das in der gleichen Weise wie das halb-U-förmige Element 501 gemäß der Figuren 5a und Sb funktioniert. Da jedoch die in den Figuren 5c und 5d gezeigte Präzisions- Ausrichtanordnung zur Verwendung mit der in Figur 4b gezeigten alternativen Ausfühningsform des Massenanalysators vorgesehen ist, hat sie eine zusätzliche Funktion als Vakuumflansch, um die Hochvakuumdichtung 610 gemäß Figur 6c zu halten. Die integrale Ionenpumpe 42a ist an der anderen Seite des Vakuumflansches 604a angeordnet. An einer Durchführungsplatte 504 kann eine Mehrzahl von elektrischen Durchführungen 50 befestigt sein, um die Installation der Präzisions Ausrichtplaffe 501, 501a in der Weise zu erleichtern, daß sie vakuumdicht ist. In ähnlicher Weise konnen einzelne Vakuum-Durchführungen 50 auch auf andere Weise über Öffnungen 506, die für diesen Zweck vorgesehen sind, an die Präzisions- Ausrichtplatte geschweißt oder direkt an dieser befestigt sein.
Die Figuren 6a und 6b zeigen eine obere bzw. eine Seitenansicht einer Vakuumkammer für Präzisionsausrichtung zur Verwendung mit der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Massenanalysatorsystems 21. Wie bereits beschrieben wurde, umfaßt die Vakuumkammer Elemente, die als Teil dieser Kammer ausgebildet sind und zum Ausrichten der Komponenten des Massenanalysatorsystems 21 dienen, wenn sie an der einen Teil der Vakuumkammer 20 bildenen Präzisions- Ausrichtanordnung 500 montiert sind.
Die Vakuumkammer 20 ist durch die Präzisions-Ausrichtanordnung 500, die Vakuum-Seitenwände 600, sowie ein Paar von Vakuum-Flanschen 602 und 604 ge bildet. Diese Komponenten sind durch Schweißen, Gießen oder Pressen zu einem einzigen, vakuumdichten Gehäuse zusammengefügt, mit Ausnahme eines der Vakuum-Flansche 604, der entfernt werden kann, um einen Zugang zu den darin enthaltenen Komponenten des Massenanalysators 21 zu ermöglichen. Der Vakuumflansch 604 ist mit einer Mehrzahl von Kopfbolzen 608 entfernbar an dem Gehäuseflansch 602 gesichert. Zur Erzielung einer im wesentlichen lufidichten Abdichtung zwischen den Vakuumflanschen 602 und 604 wird ein O-Ring oder eine metallische Drahtdichtung 610 verwendet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Vakuumkammer naherungsweise 8,9 cm (3,5 Zoll) hoch, 25,4 cm (10 Zoll) breit und 15,24 cm (6 Zoll) tief
Figur 6b zeigt eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Vakuumkammer für Präzisionsausrichtung von hinten. Dies ist auch die Hinteransicht der in den Figuren 5a und 5b gezeigten Prazisions-Ausrichtanordnung.
Die Figuren 6c und 6d zeigen Ansichten einer alternativen Ausführungsform der Vakuumkammer für Präzisionsausrichtung von oben bzw. von hinten, die zur Verwendung mit der Erfindung und insbesondere zur Verwendung mit der in den Figuren 5c und 5d gezeigten Präzisions-Ausrichtanordnung 500a vorgesehen ist. Wie in Figur 6c zu erkennen ist, bildet bei der alternativen Ausführungsform, bei der die Präzisions-Ausrichtplatte 501a eine rechteckige Form hat, die Präzisions- Ausrichtanordnung 500a den entfernbaren Vakuum-Flanschteil der Vakuumkammer 20a. Das Flugrohr 503a für Präzisionsausrichtung ist an einer Plattensektion 602a an der Hinterseite der Vakuunrkammer montiert. Bei dieser Ausführungsform ist der magnetische Analysatorteil 502a zwischen den Analysatormagneten durch magneti sche Polstücke gebildet, die in die Wände der Vakuumkammer eingebaut sind, um die Nord- und Südpole der Analysatormagnete zu erweitern und dadurch den wirksamen Spalt innerhalb des Flugrohres zwischen den Magneten zu verkleinern und gleichzeitig den magnetischen Fluß zu erhöhen. Eine Abdichtung 610 dient zum Abdichten der Präzisions-Ausrichtanordnung 501a an der hinteren Platte 602a in ähnlicher Weise, wie es in Verbindung mit der Abdichtung 610 gemäß Figur 6a beschrieben wurde. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform sind die oberen, unteren, seitlichen und hinteren Wände 600 der Vakuumkammer miteinander durch Schweißen, Gießen oder Pressen verbunden, so daß ein vakummdichter Einschluß (Kammer) gebildet wird.
Figur 7a zeigt eine Seitenansicht einer externen Magnetstruktur 700, die zur Montage an der Außenseite der in den Figuren 6a und 6b gezeigten Vakuumkammer 20 ausgelegt ist. Figur 7b zeigt eine Ansicht der Magnetstruktur von oben, die im allgemeinen U-förmig ist und Abmessungen aufweist, die eine Befestigung über der Vakuumkammer 20 für Präzisionsausrichtung ermöglichen. Wie in Figur 7a gezeigt ist, paßt die Magnet- und Jochstruktur über das Flugrohr 502 des Analysatormagneten und die Vakuumkammer über dem Bereich der Ionenpumpe 42, die von der Wand der Vakuunrkammer 20 umgeben ist.
Die Magnetanordnung umfaßt ein Paar von rechteckig geformten, angehängten lonenpumpen-Magneten 702 an der Innenseite, wobei ein Ende von diesen an einem Paar von 90º-Analysatormagneten 704 montiert ist. Die zwei 90º-Analysatormagnete 704 sind voneinander beabstandet, um ein homogenes magnetisches Feld mit hoher Flußdichte bei einem minimalen Spalt zwischen den zwei Magneten zu schaffen. Die Magnetanordnung ist durch ein U-förmiges magnetisches Joch 706 gesichert, dessen mittlerer Abschnitt senkrecht zu jedem der angehängten Ionenpumpen- Magnete 702 verläuft und dessen zwei lange Schenkel parallel zu den Ionenpumpen- Magneten 702 liegen.
Bei der in den Figuren 7a und 7b gezeigten Magnetstruktur sind die angehängten Magnete 702 mit den größeren magnetischen Polstücken oder magnetischen Joche 706 verbunden, wobei alle Magnete vorzugsweise außerhalb der Vakuminkammer 20 liegen, die mit der Massenanalysatoranordnung 21 verwendet wird. Alternativ dazu kann das angehängte Ionenpumpen-Joch 706 auch einen Teil der Vakuumkammer 20 bilden oder innerhalb der Vakuumkammer 20 liegen. Ferner kann der angehängte Magnetiochteil des Jochs 706 alternativ auch mit einer entfernbaren oberen Platte zur Installation der Magnete in die Vakuumkammer eingebaut sein, und zwar in der Weise, daß das Joch 706 vollständig den Ionenpumpen-Magnet und den Ionenpumpen-Kern 42 mit Ausnahme der inneren Öffnungen 47 zur Führung des Gases in den Ionenpumpen-Hohiraum umgibt. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß das umgebende Joch 706 als magnetischer Schirm verwendet wird, der den Ionenstrahl vör den schädlichen Randfeldeffekten durch die angehängten Magnete 702 schützt.
Durch die Konstruktion der angehängten Magnete 702, der 90º-Analysatormagnete 704 und des magnetischen Jochs 706 gemäß Figur 7a kann die gesamte Magnetan ordnung aus der Vakuumkammer 20 entfernt werden, wobei diese in ihrem abgedichteten Zustand bleibt. Diese Konstruktion ermöglicht das Entgasen der Vakuumkammer 20, ohne daß dabei die angehängten Analysatormagnete 702 oder die 90º-Magnete 704 überhitzt werden. Dies führt zu dem vorteilhafien Ergebnis, daß die angehängten Magnete 702 und die 90º-Analysatormagnete 704 solche mit we sentlich höherer Flußdichte sein können, als in dem Fall, in dem das Entgasen der Vakuumkammer 20 mit diesen Magneten 702 und 704 als Teil der Gesamtanordnung erfolgen würde.
Ein weiterer Vorteil der in Figur 7a gezeigten Magnetstruktur besteht neben der Tatsache, daß ein kompaktes Magnetsystem mit hoher Flußdichte geschaffen wird, darin, daß die gleichen Magnete 702, 704 und die gleiche Jochstruktur 706 auch zum Treiben sowohl der Ionenpumpe 42, als auch des magnetischen Analysators 40 verwendet werden kann.
Es wird bevorzugt, die angehängten Ionenpumpen-Magnete 702 und die 90º-Analysatormagnete 704 aus Neodym-Bor-Eisen, erhältlich von der Firma General Motors Magnaquench Division und anderen, herzustellen. Alternativ dazu können diese Magnete 702 und 704 auch aus Samarium-Kobalt, das in höherem Maße hitzebeständig ist, oder anderen Materialien mit hoher Flußdichte hergestellt werden.
Die Figuren 7c und 7d zeigen eine alternative Ausführungsform der Magnetstruktur, die mit der alternativen Ausfhhrungsform des in Figur 4b gezeigten Massenanalysators verwendet werden kann. Wie in den Figuren 7c und 7d zu erkennen ist, werden zwei getrennte Magnetsätze verwendet, um die magnetischen Felder für den magnetischen Analysator 40a und die Ionenpumpe 700b zu erzeugen. Der 90º-Analysatormagnet ist aus einem U-förmigem Joch 706a und zwei magnetischen Polstücken 704a gebildet.
Bei einer alternativen Magnetstruktur können die Materialien, die die Polstücke 704a des 90º-Analysatormagneten und den vertikalen Abschnitt des Jochs 706b bilden, in der Weise vertauscht werden, daß das Joch 706b aus einem magnetischen Material mit hohem Fluß, wie zum Beispiel Neodym-Bor-Eisen, und die Kompensation des Jochs 706a und der Polstücke 704a aus einem hochpermeablen magnetisch leitenden Eisen hergestellt wird, wodurch die gleiche Art von magnetischem Feld mit hohem Fluß in dem Spalt erzeugt wird. Diese Konfiguration erlaubt auch für kurze Zeitperioden das Aufireten einer höheren Temperatur beim Entgasen der Vakuumkammer, ohne daß die magnetischen Materialen überhitzt werden. Die gleiche alternative Magnetstruktur kann auch bei dem kombinierten Magnetsatz 700 durch Hinzufügen eines zweiten vertikalen Magneten (anstelle eines Joehs) gegenüber dem vorhandenen vertikalen Joch 706 angewendet werden.
Der zu der Ionenpumpe gehörende Magnet 700a besteht aus zwei Magnetpolstücken 702a, die über der Ionenpumpe 42a innerhalb der Vakuumkammer 20a angeordnet sind, sowie einer Jochstruktur 706c. Das dazugehörende magnetische Joch 706c umgibt die Ionenpumpe an allen Seiten vollständig, mit Ausnahme einer Öffnung 47a mit einem Durchmesser von näherungsweise 50 mm (2 Zoll), die in die Hauptkammer des Vakuumgehäuses führt. Auf diese Weise hat das dazugehörende magnetische Joch 706c die Wirkung einer magnetischen Abschirmung, die den Ionenstrahl 39 vor Randfeldern schützt, die durch die dazugehörenden Magnete 702a erzeugt werden. Das umgebende Joch 706c kann teilweise in die Wände der Vakuumkammer 41a eingebaut und/oder extern um die Außenseite des Ionenpumpen-Hohlraums befestigt sein.
Die in die Vakuumkammer eingebauten Seitenwände 41a des Ionenpumpen-Jochs sind in Figur 4b mit Einrichtungen zum Entfernen der Vorderwand gezeigt, so daß die Ionenpumpen-Zelle in dem Hohlraum installiert werden kann. Wie in Figur 8b zu erkennen ist, sind der U-förmige Teil des Jochs 706a und die 90º-Analysatormagnete 704a, die dieses tragen, über dem äußeren Teil des Flugrohres 501a für Präzisionsausrichtung montiert, während das dazugehörende Magnetteil des Jochs 706c über der anderen Seite der Vakuumkammer 20a in der Weise montiert ist, daß es direkt über der Ionenpumpe 42a liegt.
Die Figuren 8a und 8b zeigen isometrische Darstellungen der bevorzugten bzw. alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Massenanalysators, wobei die Vakuumkammer und die Magnetanordnung zu erkennen sind.
Figur 9a ist eine Ansicht der Ionenquelle 34 und der elektrischen Sektoranordnung 36 zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen magnetischen Analysator 21 von oben. Figur 9a zeigt die Details der Ionenquelle 34 sowie Details der Montage des elektrischen Sektors 36 an der Plattenanordnung 912 für die Montage der Ionenquelle in der Weise, daß der elektrische Sektor 36 prazise mit der Ionenquelle 34 mit Ausrichtstiften 900 und Befestigern (Haltern), die nicht gezeigt sind, ausrichtbar ist.
Die Ionenquelle 34 weist eine Blockanordnung 1102 auf, an der die übrigen Komponenten der Ionenquelle 34 gesichert sind. Mit der Blockanordnung 1102 wird der Ausrichtmechanismus für die Komponenten der Elektronenkanone und der Ionenstrahl-Linsenanordnung geschaffen, wobei jene auch den Heizdraht der Ionenquelle und den Einlaß 914 zur Aufnahme der Probe aus dem Membranseparator 1 6a enthält. Die Ionenquelle 34 dient zur Beschleunigung und Formung eines Strahls von nahezu monoenergetischen Ionen, die in der Ionenquelle 34 durch Elektronenstöße mit 70 eV erzeugt werden.
Zum Ausrichten und Sichern der Linsenelemente der Ionenquelle 34 wird ein zylindrisches Gehäuse 1124 verwendet. Der Boden des zylindrischen Gehäuses 1124 ruht auf der Blockanordnung 1102. Innerhalb des zylindrischen Gehäuses 1124 dient ein erster zylindrischer Abstandshalter 1116 zum Trennen einer Sattellinse 1114 von der Oberfläche der Blockanordnung 1102. Auf der Sattellinse 1114 ruht ein zweiter kreisförmiger Abstandshalter 1118, der diese von einer Teilerlinse 1112 beabstandet. Ein dritter zylindrischer Abstandshalter 1120, der um ein Mehrfaches dicker ist, als der erste bzw. zweite zylindrische Abstandhalter 1116 bzw. 1118 ruht über der Teilerlinse 1112 und trennt diese von der Objektplatte 1106. Ein vierter Abstandshalter 1122, der um ein Mehrfaches dicker ist, als der dritte Abstandshalter 1120, dient zur Beabstandung der Objektplatte 1106 von einer Kollimator-Schlitzlinse 1104 und ist so konfiguriert, daß die Kollimator-Schlitzlinse 1104 mit der äußeren oberen Fläche des zylindrischen Gehäuses 1124 fluchtet. Mit Ausnahme des Abstandshalters 1122, der aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel goldbeschichtetem rostfreien Stahl besteht, sind die isolierenden Abstandshalter aus Macor oder einer ahnlichen bearbeitbaren Glaskeramik hergestellt, während die Linsen vorzugsweise aus goldbeschichtetem rostfreien Stahl sind, um eine Wechselwirkung der Probe mit den Metall-Linsen zu redüzieren, wodurch die Stärke des Ionenstrahls vermindert wird.
Eine Montageplatte 912 ruht auf der oberen Fläche des zylindrischen Gehäuses 1124 und ist mit vier isolierenden Schrauben an der Blockanordnung 1102 befestigt. An der Platte 912 ist ein Eintrittsschlitz vorgesehen und eine elektrische Nebenschlußplatte 1110 so gesichert, daß die obere Fläche des Eintrittsschlitzes 1110 mit der oberen Fläche der Montageplatte 912 für die Ionenquelle fluchtet.
Die Montageplatte 912 der Ionenquelle umfaßt zwei Ausrichtbohrungen (nicht gezeigt), in die zwei Ausrichtstifie 900 des elektrischen Sektors 36 eingesetzt werden, um den elektrischen Sektor 36 an der Montageplatte 912 für die Ionenquelle auszur richten. Die Ionenquelle 34 ist ebenfalls präzise an der Montageplatte 912 der Ionenquelle in der Weise montiert, daß die Ionenquelle 34 und der elektrische Sektor 36 präzise in Bezug zueinander ausgerichtet sind, so daß der innerhalb der Blockanordnung 1102 der Ionenquelle 34 erzeugte Ionenstrahl wiederum durch jede der elektrisch geladenen Linsen 1114 und 1112 hindurchtritt. Der Ionenstrahl läuft durch die Schlitze 1106 und 1104 und den Eintrittsschlitz 1110 in den elektrischen Sektor 36 und wird innerhalb des zwischen den zwei Platten 1300 des elektrischen Sektors 36 erzeugten elektrischen Feldes 37 gehalten. Er tritt dann durch den Ausgangs- Nebenschluß 908 des elektrischen Sektors 36.
An der Vorderseite der Platte 912 der Ionenquelle sind eine Mehrzahl von elektrischen Durchführungs-Verbinderstifien 904 angeordnet. An der gegenüberliegenden Seite sind zwei Ausrichtstifie 906 in der Weise angeordnet, daß der elektrische Sektor 36 und die an der Platte 912 befestigte Ionenquelle 34 in einfacher Weise mit der Präzisions-Ausrichtplatte 501, die entsprechende Ausrichtbohrungen (nicht gezeigt) aufweist, ausgerichtet werden kann.
Figur 9b zeigt eine isometrische Darstellung einer Ionenquelle 34 und eines elektrischen Sektors 36, die an der Ionenquellen-Montageplatte 912 montiert sind, sowie im Detail die Mehrzahl der elektrischen Durchführungs-Verbinderstifte 904.
Figur 10 zeigt schematisch einen bevorzugten Weg 39 des mit dem Massenanalysator 21 erzeugten Ionenstrahls und insbesondere den Weg des Ionenstrahls von dem Ionenquellen-Objektschlitz 916 durch den elektrischen Sektor 36 und den magnetischen Sektor 40 auf den Ausgangsschlitz 45 des Ionendetektors 44. Alternativ dazu können auch andere optische Geometrien für die Ionen verwendet werden, um die gewünschten Leistungscharakteristiken des Massenspektrometers zu optimieren.
Die Figuren 11a bis 11d zeigen die mit der Ionenquellenanordnung 34 verwendete Blockanordnung 1102. Figur 11a zeigte eine Vorderansicht der Blockanordnung, wänrend Figur 11b eine Seitenansicht dieser Blockanordnung 1102 erkennen läßt. Figur 11c zeigt einen Schnitt durch die Blockanordung 1102 entlang der Linie D-D in Figur 11b. Die Funktion der Blockanordnung besteht darin, einen zentralen Ausrichtpunkt sowohl für die Elektronenkanone, als auch für die Ionenstrahl- Linsenanordnung zu schaffen. Zur Verminderung von Probenverlusten wird sie erhitzt.
Figur 11c zeigt einen Schnitt entlang der Linie D-D in Figur 11b. Die Blockanordnung 1102 umfaßt, wie in Figur 11c gezeigt ist, einen Block 1202, der eine allgemein rechteckige Form hat und einen ausgehöhlten zentralen Bereich aufweist. Auf der Oberseite des Blocks 1202 ist eine Heizdraht-Kappe 1204 befestigt, in der sich ein Heizdraht 1228 befindet, was später noch beschrieben werden soll. An dem Bo den des Blocks 1202 ist eine Anodenkappe 1206 montiert, die den Anodenteil der Blockanordnung 1102 sowie der Ionenquelle 34 bildet.
In dem Zentrum des Blocks 1202 ist ein zylindrischer Magnet 1208 gesichert, der sich über die gesamte Länge des Blocks 1202 erstreckt. Am Bodenteil und innerhalb des zylindrischen Magneten 1208 befindet sich ein zylindrischer Anoden- Abstandshalter 1210, der die Anode 1215 umgibt. Ein Befestigungselement 1239 dient zur Verbindung der Anode mit der Bodenkappe 1206 des Blocks 1202 und verläuft durch die Anodenkappe 1206. Innerhalb des zylindrischen Magneten 1208 ist ein Reflektor 1214 in der Weise montiert, daß er in einer an der Oberseite des Abstandshalters 1210 ausgebildeten, kreisförmigen Stufe ruht. Der Reflektor ist von anderen Komponenten der Ionenquelle isoliert und dient zum Aussenden der positiven Ionen, die in dem Beschleunigungsfeld entstehen. Der Reflektor 1214 enthält einen Reflektoreinsatz 1216, dessen Funktion darin besteht, die Form des Ionenstrahls zu verbessern und seine Energiestreuungen zu reduzieren. Der Reflektoreinsatz 1216 ist an den Reflektor 1214 angeschweißt.
An der Oberseite des Reflektors 1214 ist ein kreisförmiger Heizdraht-Abstandshalter 1218 angeordnet, der dazu dient, den Reflektor 1214 von der Innenwand des kreisförmigen Magneten 1208 zu beabstanden. Eine Schlitzplatte 1220 mit im allgemeinen konischer Form ist in umgekehrter Weise so angeordnet, daß sie in den Heizdraht-Abstandshalter 1218 hineinpaßt. Zwischen dem Boden des zylindrischen Teils der im allgemeinen konisch geformten Schlitzplatte 1220 und der Oberseite des Blocks 1202 ist ein zweiter Heizdraht-Abstandshalter 1222 angeordnet, der den Bodenteil der Schlitzplatte 1220 von der oberen Kante des Blocks 1202 beabstandet.
Der Heizdraht 1228 ist an der Heizdraht-Kappe 1204 mit zwei kreisförmigen Heizdraht-Befestigungen 1226 montiert, die mit zwei Schrauben/Mutterneinheiten 1242 an der oberen inneren Fläche der Heizdraht-Kappe 1204 gesichert sind. Direkt über dem Heizdraht 1228 ist eine Heizdrahtabschirmung 1224 angeordnet, um den Elektronenfluß in die Ionenkammer zu verbessern. Die Heizdraht-Kappe 1204 ist an dem Block 1202 mit einer Mehrzahl von Kopfbolzen 1238 gesichert.
Figur 11e zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 11a. Wie in Figur 11e zu erkennen ist, wird die Ionenquelle 34 mit einem Patronenheizer 1232 geheizt, der zum Beispiel vom Typ SC181 sein kann, der von der Firma Scientific Instrument Services Inc. erhältlich ist. Alternativ dazu kann auch eine solche Einheit mit der Teilenummer 40003-48020 von der Firma Finnigan Corporation of Sunnyvale, Californien, verwendet werden.
Figur 11f zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C in Figur 11a. Wie in Figur 11f zu erkennen ist, kann zur Erfassung der Temperatur des Blocks ein Thermokoppler 1234, der zum Beispiel die Teilenummer PT-B, erhältlich von der Firma Scientific Instrument Services Inc., hat, verwendet werden.
Die Figuren 12a bis 12d zeigen Details der Formation einer Linse, die gemäß obiger Beschreibung einen Teil der Ionenquelle 34 bildet. Das in Figur 12a gezeigte Beispiel stellt die Montageplatte der Kollimatorlinse dar.
Wie in Figur 12a zu erkennen ist, hat eine aus einem elektrisch leitenden Metall, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl hergestellte Montagescheibe 1280 in ihrem Zentrum einen Schlitz 1282 mit geeigneten Abmessungen.
Wie in den Figuren 12b und 12c zu erkennen ist, ist eine große Klinge 1284 und eine kleine Klinge 1286 im allgemein rechteckig geformt und an einer ihrer längeren Kanten mit einem Winkel von näherungsweise 450 abgeschrägt. Die Klingen 1284 und 1286 werden vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Metall, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl hergestellt. Um die Linsen zu formen, werden ein Paar von großen Klingen 1284 und ein Paar von kleinen Klingen 1286 permanent oder einstellbar so an der Montageplatte 1280 befestigt, daß sie den Schlitz 1282 umgeben und zwischen sich einen Schlitz mit gewünschten Abmessungen abgrenzen. Alternativ dazu können die Linsenschlitze auch direkt in eine freie Scheibe 1280 eingearbeitet werden, wobei neue Präzisionsverfahren zum Beispiel mit einer Draht- oder einer konventionellen elektrischen Entladevorrichtung (EDM) unter Verwendung von für diesen Zweck besonders geformter EDM-Senker oder Schneidspitzen angewendet werden.
Die Figuren 13a bis 13c zeigen die zur Verwendung mit der Erfindung vorgesehene elektrische Sektoranordnung 36. Figur 13a ist eine Seitenansicht der elektrischen Sektoranordnung 36, deren Hauptkomponenten eine elektrische Sektorplatte 1302 sind, an der zwei Sektoren 1300 in der Weise montiert sind, daß die zwei Sektoren sehr präzise parallel voneinander beabstandet sind und einen Winkel von genau 90º in bezug auf die elektische Sektorplatte 1302 einschließen.
Um die für eine korrekte Funktion der elektrischen Sektoranordnung 36 erforderliche exakte Ausrichtung zu erzielen, haben die elektrische Sektorplatte 1302 und beide Sektoren 1300 an entsprechenden Stellen eine Mehrzahl von Bohrungen 1304. Zwischen den entsprechenden Bohrungen, die in die elektrische Sektorplatte 1302 und die zwei Sektoren 1300 a und b eingebracht sind, ist eine entsprechende Anzahl von Rubin-Saphir-Kugeln 1306 angeordnet.
Jeder Sektor 1300 enthält auch eine Mehrzahl von Bohrungen 1308, die Gewindebohrungen 1310 entsprechen, die sich in der elektrischen Sektorplatte 1302 befinden. Durch die Bohrung 1308 in jedem Sektor 1300 ist eine entsprechende Anzahl von Sicherungseinrichtungen, wie zum Beipiel Kopfbolzen 1312 geführt, die mit isoherenden Unterlegscheiben 1301 elektrisch von den Sektoren getrennt sind und in die in dem elektrischen Sektor vorhandenen Gewindebohrungen 1310 in der Weise eingeschraubt werden, daß beim Anziehen jeder Sektor 1300 automatisch in einer präzise orthogonalen Konfiguration an der elektrischen Sektorplatte 1302 gesichert wird. Die Sektoren 1300 a und b sind ebenfalls präzise parallel zueinander ausgerichtet.
Zusätzlich zu der Funktion, die Sektoren 1300 zueinander und zu der elektrischen Sektorplatte 1302 auszurichten, dienen die Rubin-Saphir-Kugeln 1306 auch zur Beabstandung jedes Sektors 1300 von der elektrischen Sektorplatte 1302, ebenso wie zur elektrischen Isolierung jedes Sektors 1300 von der elektrischen Sektorplatte 1302.
Um die elektrische Sektoranordnung 36 an der Ionenanordnung 34 zu sichern, ist eine Kappenanordnung 1314 mit zwei Kopfbolzen 13 16 und 1318 an einer Eingangsstütze 1320 befestigt. Ein Bolzen 1318 sichert die Eingangsstütze 1320 an der elektrischen Sektorplatte 1302 in der Nähe ihres Eintrinsendes. Der andere Bolzen 13 16 verbindet die Kappenanordnung 1314 mit der Eingangsstütze 1320. Die Kappenanordnung 1314 umfaßt auch einen Eingangs-Nebenschluß-Schlitz 1110, der am Eingangsende der Sektoren 1300 montiert ist, sowie eine elektrische Sektorplatte 1302, die das elektrische Feld abschließt und Störungen des Ionenstrahls durch Randfelder vermeidet.
Figur 13b zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 13a und insbesondere die Struktur des elektrischen Sektors 36, in dem das elektrische Feld 37 erzeugt wird.
Die elektrische Sektoranordnung 36 umfaßt auch eine Ausgangstütze 1324, die zur Sicherung des Ausgangsendes der elektrischen Sektoranordnung 36 innerhalb des Präzisions-Flugrohres 503 dient. Die Ausgangsstütze 1324 ist an dem Boden der elektrischen Sektorplatte 1302 mit zwei Kopfbolzen 1326 und 1328 gesichert. Ein Ausgangs-Nebenschlußwiderstand 908, der auch zur Verringerung von Randfeldeffekten dient, ist am Ausgangsende jedes Sektors 1300 angeordnet. Er ist mit einem Kopfbolzen 1328 als Teil der elektrischen Sektoranordnung 36 gesichert.
Figur 14 zeigt schematisch die Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung 12 und den Gaschromatographen 14 und verdeutlicht den Verlauf den Probenflusses in dem erfindungsgemäßen miniaturisierten Massensprektrometersystem 10. Diese Anordnungen sind so gewählt, daß sie eine Arbeitsweise des Massenspektrometersystems 10 in einer Vielzahl von weiter unten beschriebenen Betriebsarten ermöglichen. Das Gas-Strömungssystem umfaßt ein Ventil 1402, das mit dem Eingang der Atmosphären-Einlaßöffnung 228 verbunden ist. Wie oben beschrieben wurde, kann darüberhinaus eine Probe in den Injektor 216 eingespritzt werden. Alle Ventile und Probenleitungen, die in Figur 14 gezeigt sind, werden auf näherungsweise 50º C erhitzt, um zu verhindern, daß die Probe innerhalb der Ventile und Probenleitungen kondensiert. Alle erhitzten Komponenten befinden sich innerhalb eines isolierten Bereiches oder einer Wärmezone 1400, um Wärmeverluste zu verhindern und den Leistungsverbrauch zu minimieren.
Der Injektor 216 ist direkt mit dem Eingang des Gaschromatographen 14 verbunden, dessen Ausgang an dem Eingang des Membranseparators 16a anliegt. Der Ausgang des Membranseparators 16a ist, wie oben beschrieben wurde, mit dem Einlaß 914 der Ionenquelle 34 verbunden. Mit dem Membranseparator 16a ist über ein Ventil 1416 auch eine Probenpumpe 206 in der Weise verbunden, daß wenn die Pumpe eingeschaltet ist und das Ventil 1416 seine normalerweise geschlossene Stellung einnimmt, ein Unterdruck in dem Membranseparator 16a erzeugt wird, der bestimmte, später beschriebene Funktionen hat.
Die Atmosphären-Einlaßöffnung 228 ist über zwei Ventile 1402 und 1406 mit verschiedenen Abschnitten des erfindungsgemäßen Proben-Leitungssystems verbunden. Die Probe tritt durch die entsprechend geschalteten Ventile 1402 und 1406 sowie durch die Atmosphären-Einlaßöffnung 228 in das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystem 10 ein und wird direkt zu dem Eingang des Membranseparators 1 6a gefülrrt. Wie im folgenden noch beschrieben werden soll, wird die Probenpumpe 206 zur Unterstützung dieses Vorgangs verwendet. Alternativ dazu kann die Probe, die durch die Gruppe von Ventile 1402 und 1406 hindurchtritt, durch geeignete Einstellung des Ventils 1406 durch eine Anreicherungspatrone 214 geführt werden, die wahlweise mit einer Heizeinrichtung 1414 beheizt wird, und dann durch ein weiteres Ventil 1412 zu dem Eingang des Membranseparators 1 6a gelangen. Die zweite Gruppe von Ventilen 1404 und 1408 wird zur Zufühung eines Trägergases aus dem Trägergas-Zylinder 20 in das System verwendet, was im folgenden noch beschrieben werden soll.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Erfindung in mindestens fünf Zyklen arbeiten. Im ersten Zyklus, der als direkter Massenspektrometrie- oder direkter MS-Zyklus bezeichnet wird, tritt eine atmosphärische Probe durch die Einlaßöffnung 228 und das erste Ventil 1402, das normalerweise geöffnet ist, hindurch, und gelangt dann durch das dritte Ventil 1406, das normalerweise geschlossen ist, so daß die Probe direkt zu dem Eingang des Membranseparators 16a geleitet wird. Mit der Probenpumpe 206 und dem Ventil 1416, das in seine geöffnete Stellung geschaltet wird, wird durch den Membranseparator ein Saugdruck erzeugt, der dazu dient, die Probe in den Einlaß des Membranseparators 1 6a fließen zu lassen.
In einem zweiten Betriebszyklus des miniaturisierten Massenspektrometersystems 10, der Anreicherungs-Massenspektrometrie- oder Anreichungs-MS-Zyklus genannt wird, wird die Probe erneut durch die Einlaßöffnung 228 und das Ventil 1402 sowie durch das dritte Ventil 1406 geflihrt, das normalerweise geschlossen ist, so daß die Probe durch die Anreicherungspatrone 214, durch das fünfie Ventil 1410 und das sechste Ventil 1412 sowie durch das siebte Ventil 1416 gelangt, und zwar aufgrund des durch die Probenpumpe 206 erzeugten Unterdrucks. Dieser Teil des zweiten Zyklus wird Adsorptionszyklus genannt.
Der zweite Unterzyklus des Anreicherungs-MS-Zyklus ist ein Desorptionszyklus. Das Trägergas tritt über das zweite und vierte Ventil 1404 und 1408, die so geschaltete sind, daß das Gas direkt zu der Eingangsseite der Anreicherungspatrone 214 geführt wird, in das erfindungsgemäße miniaturisierte Massenspektrometersystern 10 ein, fließt dann durch die Anreicherungspatrone und wird mit der Heizeinrichtung 1414 der Anreicherungspatrone erhitzt. Die angereicherte Probe fließt durch das fünfte Ventil 1410 und das sechste Ventil 1412, die so geschaltet sind, daß die Probe anschließend direkt zu dem Eingang des Membranseparators 16a gelangt. Die Probenpumpe 206 wird in diesem Zyklus nicht betrieben, das siebte Ventil 1416 ist jedoch offen, so daß der Membranseparator 16a an der Ausgangsseite der Probenpumpe 206 in die äußere Atmosphäre entlüftet wird.
In einem dritten Zyklus, der direkter Injektionszyklus genannt wird, wird die Probe mit einer Spritze in die Injektoröffnung 216 eingespritzt, während ein Trägergas über ein zweites Ventil 1404 und ein viertes Ventil 1408, die so geschaltet sind, daß das Trägergas von der Außenseite des vierten Ventils 1408 in den Injektor 216 eintritt, in das System gelangt. Die Injektor-Heizeinrichtung 1422 wird in einer die Hitze aufnehmenden Weise betrieben. Die eingespritzte Probe tritt dann in das Gaschromatographensystem 1410 ein, dessen Heizeinrichtung 1424 gemäß späterer Beschreibung in programmierter Weise betrieben wird. Die Probe gelangt dann von dem Ausgang des Gaschromatographen zu dem Eingang des Membranseparators 16a. In diesem Zyklus wird die Probenpumpe 206 wiederum nicht betrieben und das siebte Ventil 1416 wird in seine offene Position gebracht, so daß der Membranseparator 16a in die äußere Atmosphäre entlüftet werden kann.
Ein vierter Zyklus, der Anreicherungs-GC/MS-Zyklus genannt wird, enthält drei Un terzyklen. Im ersten Unterzyklus, der Proben-Unterzyklus genannt wird, wird die Probe durch die Einlaßöffnung 228 und das erste und dritte Ventil 1402 und 1406 zu dem Eingang der Anreicherungspatrone 214 geführt, deren Heizeinrichtung 1414 nicht eingeschaltet ist. Die Probe strömt durch das fünfte und sechste Ventil 1410 und 1412 aus und wird durch das siebte Ventil 1416 nach außen in die Atmosphäre gerichtet, und zwar durch Betreiben der Probenpumpe 206.
In dem zweiten Unterzyklus des Anreicherungs-GC/MS- oder Gaschromatographen- Massenspektrometer-Zyklus, der Kaltströmungs-Unterzyklus genannt wird, wird das Trägergas durch das zweite und vierte Ventil 1404 und 1408 zu dem Eingang der Anreicherungspatrone 214 geführt. Auch hier ist die Heizeinrichtung 1404 der Anreicherungspatrone nicht eingeschaltet. Das Trägergas strömt durch das geschlossene fünfte und sechste Ventil 1410 und 1412 sowie durch das geschlossene siebte Ventil 1416 und die nicht betriebene Probenpumpe 206 nach außen in die Atmosphäre.
In dem letzten Unterzyklus des Anreicherungs-GC/MS-Zyklus, der Desorptions Unterzyklus genannt wird, wird das Trägergas wiederum durch das offene zweite und vierte Ventile 1404 und 1408 sowie durch die Anreicherungspatrone 214 geführt, deren Heizeinrichtung 1414 in einer ballistischen Betriebsart betrieben wird. Die Probe strömt dann durch das offene fünfte Ventil 1410 und durch den Injektor 216, dessen Heizeinrichtung 1422 in einer Hitze-Aufnahmebetriebsart betrieben wird, und gelangt dann zu dem Eingang des Gaschromatographen 14. Die Heizeinrichtung 1426 des Gaschromatographen wird in programmierter Weise betrieben. Der Ausgang des Gaschromatographen 14 wird zu dem Membranseparator 16a geführt. Der Membranseparator ist über das offene (eingeschaltete) siebte Ventil 1416 und die nicht betriebene Probenpumpe 206 zur Atmosphäre offen.
Figur 15 zeigt ein Blockschaltbild des Mikrocomputers 24 und der Steuerelektronik 28, die mit der Erfindung verwendet werden. Der Mikrocomputer 24 und die Steuerelektronik 28 sind über einen Mikroprozessorbus 1501 miteinander verbunden, der auch ein Multiprozessorbus sein kann. Wie bereits erwähnt wurde, kann der Mikro prozessorbus 1501 aus einem allgemein erhältlichen IBM-kompatiblen AT- oder PS/2- oder einem leistungsfahigeren PC sein. Wie allgemein bekannt ist, dient der Bus zur Übertragung von Befehlen, Daten und anderen Informationen zwischen den verschiedenen Komponenten des Mikrocomputers 24. Eine CPU 1500 ist zum Beispiel, ebenso wie ein Speicher-RAM 1502 und -EPROM 1504 so geschaltet, daß sie über den Bus 1501 Informationen aussendet und empfängt. Wenn es gewünscht wird, kann das on-board-Betriebssystem des Mikrocomputersystems 24 für das erfindungsgemäße Massenspektrometersystem 10 auch in dem EPROM 1504 oder dem ROM 1510 gespeichert werden.
Der eingebaute (on-board-) Mikrocomputer 24 ist über eine Halbleiter- Speichereinrichtung 226, die vorzugsweise eine Karte mit einer Mehrzahl von batteriegestützen dynamischen Speichern mit wahlfreiern Zugriff (DRAM), statischen RAM (SRAM) oder Nur-Lesespeichern (ROM) enthält, mit zusätzlicher Speicherkapazität versehen. Zusätzlich zu den Betriebsbefehlen zur Steuerung der Funktionen des Massenspektrometersystems 10 kann die entfernbare Halbleiter- Speichereinrichtung 226 auch zur Speicherung von anderen Daten und Informationen verwendet werden. Da die Halbleiter-Speichereinrichtung 226 in einfacher Weise in den Mikrocomputerteil 24 des Massenspektrometersystems 10 eingesetzt und aus diesem entfernt werden kann, kann sie in einfacher, kostengünstiger und bekannter Weise zum Laden von Software und Systems-Updates verwendet werden. Die Halbleiter-Speichereinrichtung 226 ist über eine Datenspeicher-Schnittstelle 1506 mit dem Mikrokomputer-Bus 1501 verbunden.
Wie bereits beschrieben wurde, enthält das erfindungsgemäße Massenspektrometersystem 10 seine eigene Datenbank (Bibliothek) der Massenspektren von bekannten Verbindungen, die mit dem Massenspektrometer untersucht werden sollen und die durch Anpassung der unbekannten Spektren an die Datenbank der bekannten Spektren identifiziert werden sollen. Insoweit eine allgemein vorbestimmte Anzahl von Umgebungs-Verbindungen vorhanden ist, die mit dem Massenspektrometersystem 10 identifiziert werden sollen, kann diese Datenbank in einem Nur-Lesespeicher (ROM), der auch das Programm zur Anpassung der zu identifizierenden unbekannten Umgebungsproben mit der Datenbank bekannter Massenspektren enthält, gespeichert werden.
Mit dem Mikroprozessor-Bus 1501 ist über einen bekannten LCD-Displaytreiber 1512 in bekannter Weise ein LCD-Display 218 verbunden. Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Massenspektrometersystem 10 auch mit einer visuellen oder akustischen Alanneinrichtung 1510 versehen sein, die ebenfalls mit dem LCD- Displaytreiber 1512 verbunden ist, um Signale aus dem Mikroprozessor-Bus 1501 zu empfangen. Ferner sind andere akustische und visuelle Indikatoren 1516 einschließlich von LED-Displays 230 vorgesehen, die als visuelle Indikatoren für den Zustand des Systems verwendet werden.
Wie bereits beschrieben wurde, kann das erfindungsgemäße Massenspektrometersystem 10 zum Empfang von Steuersignalen oder anderen Daten und Informationen über eine Funkübertragungsstrecke oder Femleitungen oder andere Leitungen unter Verwendung von Modems oder anderen Signalwandlern verwendet werden. Somit sind Telemetrie- und Kommunikationsanschlüsse 1518 vorgesehen, die mit dem Mikroprozessor-Bus 1501 verbunden sind. In dem Fall, in dem es gewünscht wird, entweder Daten, Informationen oder Befehle von dem erfindungsgemäßen Massenspektrometersystem 10 zu empfangen oder zu diesem zu senden, kann ein externer tragbarer Mikrocomputer mit einem eingebauten Display 1520 in bekannter Weise verwendet werden.
Zur Steuerung der Arbeitsweise des GC/MS- oder Tandem-Massenspektrometers (MS/MS) sind durch Steuerung der CPU 1500 verschiedene Steuersignale vorgese hen. Um eine solche Steuerung automatisch zu bewirken, werden die Signale, die auf dem Mikroprozessor-Bus 1501 entweder direkt durch die CPU 1500 oder von einem der Speicher 1502, 1504 oder 226 erzeugt werden, mit einem bekannten Digital- Analog-Wandler 1524, der ebenfalls mit dem Mikroprozessor-Bus 1501 verbunden ist, von digitalen in analoge Signale umgewandelt und dann entweder als Steuersi gnal oder alssteuersignal für elektrische Sektorabtastung dem GC/MS oder MS/MS zugeführt, was später noch beschrieben werden soll. Zur Diagnose und Steuerung werden die Rückkoppelsignale der elektrischen Sektorabtastung und die System- Diagnosesignale mit einem Analog-Digital-Wandler 1522 zurück auf den Mikroprozessor-Bus 1501 geführt. Darüberhinaus werden die von dem Ionen- Detektionssystem 44 ausgegebenen Daten ebenfalls mit einem A/D-Wandler 1522 von analogen in digitale Signale umgewandet und dann auf den Mikroprozessor-Bus 1501 geführt, von wo diese Informationen gemäß nachfolgender Beschreibung abgerufen und analysiert werden können.
Der Mikroprozessor 24 des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems 10 umfaßt auch eine Mehrzahl von digitalen oder parallelen Eingangs-/Ausgangs- Schnittstellen 1526 und 1528, die dazu verwendet werden, mittels elektromechanischer Einrichtungen viele Funktionen des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems 10 zu steuern. Mit den parallelen I/O-Schnittstellen sind somit verschiedene Merkmale bzw. Funktionen verbunden, wie zum Beispiel die Abschaltsteuerung 1532, das Ein- und Ausschalten der elektrischen Heizeinrichtungen, wie zum Beispiel der Heizelemente 1414, 1422 und 1424, der Betrieb der mit dem Probenkonzentrator 12 verwendeten Probenpumpe 206, der Betrieb des mit Temperatursensoren verwendeten Kühlungsventilators 224 zur Steuerung der inneren Temperaturen des Systems 10, sowie der Betrieb der verschiedenen Relais und Ventile, die gemäß dem Stand der Technik zusammen mit einem GC/MS oder MS/MS verwendet werden. Zusätzlich werden die von den Alarmdetektoren und den Schalt- Überwachungen empfangenen Signale zur Übertragung zu den Mikroprozessor-Bus 1501 ebenfalls der parallelen I/O-Schnittstelle zugelhhrt. Die Betätigung der verschiedenen Tastaturen 220 und/oder Funktionstasten 1630 wird mit einer parallen Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle 1526, 1528 ebenfalls dem Mikroprozessor-Bus 1501 übermittelt.
Figur 16 zeigt ein lunktionales Flußdiagramm der Arbeitsweise der in dem Mikrocomputer 24 vorhandenen Software. Die Software dient zum Betreiben und Überwachen des erfindungsgemäßen Massenspektrometersystems 10.
Wie in Figur 16 gezeigt ist, hat die Software sechs Hauptfunktionen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind: Organisation 1600 der Leistungsversorgung und des Vakuums in dem Massenspektrometer, Organisation 1602 der extemen Schnittstellen, Steuerung und Überwachung 1604 der Zyklen des GC/MS- Instrumentes, Steuerung 1606 des Massenspektrometers und Verarbeitung der Daten des Massenspektrometers, Analyse 1608 der Daten des Massenspektrometers und Aufrechterhaltung 1610 der Funktionen des GC/MS-Instrumentes.
Die Basis-Programmfünktionen zur Steuerung des Massenspektrometers und zur Analyse der durch die Funktionen 1602, 1604, 1606 und 1608 repräsentierten Daten der Massenspektren sind von den kommerziellen Vertreibem von Massenspektrometer-Datensystemen erhältlich, wie zum Beispiel das von der Firma Vacumetrics, Inc. in Ventura, Califomien, vertriebene Shrader System oder das von der Firma Teknivent Corp. in St. Louis, Missouri erhältliche Vector/One -GS/MS-Softwaresystem. Diese kommerziell erhältlichen Programmpakete arbeiten direkt mit MS-DOS auf einem IBM-AT-kompatiblen Computersystem oder können an andere geeignete Echtzeit-Betriebssysteme angepaßt werden, die in dem Mikrocomputer 24 des Massenspektrometersystems 10 laufen.
Jede dieser Funktionen wird zusammen mit den dem GC/MS-Instrument zugeführten Spektrometerdaten und den kennzeichnenden Massenspektrometer- Datenbankdaten 1612, die gemäß obiger Beschreibung in der ROM-Datenbank 1510 oder in anderen dafür vorgesehen Speichereinrichtungen gespeichert sein können, wie zum Beispiel der Halbleiter-Speichereinrichtung 226 oder dem EPROM 1504, zum Betrieb des Massenspektrometersystems 10 verwendet. Wie in Figur 16 gezeigt ist, sind alle Steuerfunktionen 1600 bis 1610 miteinander verbunden.
Zur Organisation der Leistungsversorgung und des Vakuums überwacht die Leistungs- und Vakuumsteuerung 1600 sowohl den Bingang der Gleichspannungs versorgung (im Falle der bevorzugten Ausffiluungsform des Massenspektrometersystems 10), als auch die Ein- und Ausschaltsteuerung des on-board-Computers. Die Leistungs- und Vakuum-Steuerfunktion 1600 übermittelt eine Leistungs-/Vakuum- Statusmitteilung an die Steuerung der externen Schnittstellen 1602 sowie ein Leistungs-Ivakuum-Statusdatensignal an die für die Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion zuständige Einheit 1610. Die Leistungs- und Vakuum- Steuerfunktion 1600 verteilt mittels eines Signals, das an die Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Instrumentenzyklen übermittelt wird, die verfügbare Leistung an die verschiedenen Einrichtungen. Schließlich werden auch Hardware- Indikatoren, wie zum Beispiel LEDs zur Anzeige des Status der Leistungsversorgung und der Batterie, durch die Steuerung der Leistungs- und Vakuumfiinktion 1600 aktiviert.
Die externe Schnittstellenorganisation 1602 organisiert die Ein- und Ausgabe von Informationen von bzw. zu dem Benutzer und externen Einrichtungen einschließlich der LCD-Anzeige, der Tastatur, der Drucker, der Modems und anderer Einrichtun gen. Die externe Schnittstellenorganisation 1602 empfängt Eingangssignale von dem Benutzer oder dem on-board-Computer 24, Daten von einem Benutzer oder einer externen Quelle sowie Eingabewerte von einem Benutzer oder einer externen Einrichtung. Die externe Schnittstellenorganisation 1602 erzeugt Ausgangssignale für das Benutzer-Display oder den on-board-Computer 24, Daten-Ausgangssignale für einen externen Computer, Ausgangssignale für eine externe Einrichtung sowie für einen externen Drucker oder andere Einrichtungen.
Die Organisation der externen Schnittstellen 1602 dient auch zur Steuerung der Instrumentenzyklen des Massenspektrometer-Instrumentensystems 10 durch seine Kommunikation mit der Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Funktion der Instrumentenzyklen. Ferner dient diese über ihre Kommunikation mit der Massenspektrometer-Datenanalysatorfiinktion 1608 zur Steuerung der Datenanalyse des Massenspektrometers.
Andere, von der MS-Steuer- und MS-Prozeßdatenfimktion 1606 zu der externen Schnittstellenorganisation 1602 geführte Eingangsgrößen sind die ermittelten und zu der externen Schnittstellenorganisation 1602 des Instrumentes zurückübertragenen MS-Daten sowie die kennzeichnenden MS-Bibliotheksdaten 1612. Weiterhin kommuniziert der Massenspektrometer-Datenanalysator 1608 mit der externen Schnittstellenorganisation 1602, so daß die Massenspektrometer-Datenanalyse und die analysierten Massenspektrometerdaten überwacht werden können. Außerdem wird von der Einheit 1610 zur Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion eine den Funktionsstatus des Instrumentes betreffende Meldung zu der externen Schnittstellenorganisation 1602 übertragen.
Mit der Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Funktion der Instrumentenzyklen werden die oben beschriebenen und in Figur 14 dargestellten Betriebszy klen organisiert und gesteuert, und zwar einschließlich des Einstellens der Ventile, der Heiz-Steuerelemente, der Temperaturen und der Zeittakt-Parameter, die jedem Zyklus zugeordnet sind. Zusätzlich zu den bereits erläuterten Kommunikationen dient diese Funktion zur Übermittlung einer Leistungsanforderung verschiedener Einrichtungen an die Leistungs- und Vakuumorganisation 1600, einer Anforderung zum Selbsttest eines Instrumentes und des Status der Einheit 1610 zur Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion, sowie zur Realisierung des Steuerung des Massenspektrometers 18 infolge seiner Kommunikation mit der MS-Steuer- und MS- Prozeßdatenfunktion 1606.
Informationen, die die zu analysierende Substanz betreffen, werden in die Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Instrumentenzyklen eingegeben, die dann diese Informationen über ihre Kommunikation mit der MS-Steuer- und MS Prozeßdatenfunktion 1606 zu dem Massenspektrometer 18 überträgt. Die Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Instrumentenzyklen empfängt auch Daten von der Einheit 1612 für Instrumenten-Massenspektrometer- sowie kennzeichnende Massenspektrometer-Bibliotheksdaten, die zur Einstellung eines Datenbank- Suchalgorytlimus für eine Betriebsart zur Erfassung und Überwachung von einzelnen Ionen oder mehrfachen Ionen verwendet werden. Von der MS-Steuer- und MS- Prozeßdatenfunktion 1606 wird der Status des Massenspektrometers auch zu der Einheit 1604 zur Steuerung und Überwachung der Instrumentenzyklen übermittelt.
Mit der MS-Steuer- und Prozeßfünktion 1606 wird auch das Massenspektrometersystem gesteuert, einschließlich einer Kallibrierung und Synchronisierung der Beschleunigungsspaunung der Ionenquelle, der elektrostatischen Analysatorspannung und des Ionendetektor-Ausgangs, um die resultierenden Massenspektren zu erzeugen und zu kallibrieren. Die MS-Steuer- und MS-Prozeßdatenfunktion 1606 kann auch auf die Instrumenten-Massenspektrometerdaten und die kennzeichnenden Bibliotheksdaten des Massenspektrometers 1612 Zugriff nehmen, um eine Echtzeitverarbeitung durchzuführen und die Massenspektren an die Bibliotheksdaten anzupassen. Mit der gleichen Funktion 1606 wird zusätzlich zu den oben beschriebenen Kommunikationswegen eine Anzeige der Funktionsfähigkeit des Massenspektrometers 18 erzeugt und der Einheit 1610 zur Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion zugeführt. Die MS-Steuer- und MS-Prozeßdatenfünktion 1606 empfängt im Falle eines Systemfehlers oder eines Leistungsausfalls ein Signal von der Einheit 1610 zur Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion, um den Betrieb des Massenspektrometers 18 sicherzustellen, wobei auch ein Datenaustausch mit dem Massenspektrometer- Datenanalysator 1608 stattfindet.
Mit dem Massenspektrometer-Datenanalysator 1608 werden die analytischen Programme erzeugt, die zur vollständigen Analyse der als Ergebnis des Betriebes der Einheit 1606 gesammelten Daten der Massenspektren erforderlich sind. Die Einheit 1606 umfaßt diejenigen Funktionen zu Analyse der Massenspektren, die auch in den oben erläuteren kommerziellen Arbeitsstationen vorhanden sind. Mit der Einheit 1606 können die Daten der Massenspektren in Echtzeit verarbeitet oder für eine spätere Analyse mit den analytischen Programmen der Einheit 1608 gespeichert werden. Der Massenspektrometer-Datenanalysator 1608 ist auch so geschaltet, daß er auf die Instrumenten-Massenspektrometerdaten und die kennzeichnenden Bibliotheksdaten des Massenspektrometers 1612 zugreifen kann, um eine Anpassung unbekannter Massenspektren vornehmen zu können. Zusätzlich dazu dient der Massenspektrometer-Datenanalysator 1608 zum Schutz der Datenanalyse aufgrund der Steuerung der Einheit 1610 zur Aufrechterhaltung der Instrumentenfunktion.
Alle diese Funktionen der Systemsofiware werden nachfolgend im Zusammenhang mit dem Betrieb des Massenspektrometersystems 10 eingehender beschrieben.
Das Massenanalysatorsystem muß zum Betrieb immer unter einem hohen Vakuum im Bereich von 10&supmin;&sup5; Torr (1,33322 x 10&supmin;³ Pa) oder höher stehen. Um sicherzustellen, daß das Vakuum nicht nur wänrend des Systembetriebes, sondern auch in den Perioden aufrechterhalten wird, in denen sich das Massenspektrometersystem 10 entweder außer Betrieb oder in einer Stand-by Betriebsart befindet, ist eine kontinuierliche Leistungsversorgung der eingebauten Ionenpumpe 42 vorgesehen, die somit eine autonome Vakuum-Schutzfünktion des Systems erfüllt. Die Leistung wird von einer eingebauten Batterie 202 zur Verfügung gestellt, die mit einer Wechselspannung von 110 Volt und einer Frequenz von 50 bis 60 Hz wiederaufladbar ist. Es ist nicht erfor derlich, daß zum Betrieb dieser Vakuum-Schutzeinrichtung der Computer 24 eingeschaltet oder in anderer Weise eine manuelle Steuerung des Massenspektrometersystems 10 vorgenommen wird. Die Einrichtung ist vielmehr ständig aktiv.
Ferner ist eine Alarmschaltung vorgesehen, die ein akustisches Alarmsignal erzeugt, wenn das System 10 an eine Steckdose angeschlossen wird, die zur Zeit nicht in Betrieb ist, so daß wänrend der Speicherperioden zur Alarmierung der Bedienperson ein Signal erzeugt wird, da ein Verlust der AC-Versorgung über eine längere Zeitdauer eventuell zu einem Zusammenbruch der Batterieversorgung 202 und einem nachfolgenden eventuellen Verlust des Vakuums führen kann. Ein nicht mehr ausrei chend hohes Vakuum kann mit der Systemeinheit 10 selbst nicht wieder aufgebaut werden. Wenn ein Vakuumverlust auftritt, ist eine externe Vorpumpe erforderlich, für die ein Anschluß vorgesehen ist. Das System müßte dann zunächst grob wiederhergestellt werden, woraufhin dann die Ionenpumpe 42 wieder aktiviert werden müßte.
Wenn das Massenspektrometersystem 10 erstmals nach seinem Zusammenbau oder an einer zentralen Servicestation in Betrieb genommen wird, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eine an das System 10 angeschlossene Vorpumpe verwendet. Anschließend wird ein Ventil geschlossen, das dieses externe System mit der internen Vakuumkammer 20 verbindet. Das System wird dann mit der internen Ionenpumpe auf einem Druck von 10&supmin;&sup5; bis 10&supmin;&sup7; Torr (1,33322 x 10&supmin;³ bis 1,33322 x 10&supmin;&sup5; Pa) gehalten. Die Vorpumpe wird dann abgetrennt. Wenn die Ionenpumpe arbeitet, ist das System unabhängig und funktioniert automatisch. Als Teil des Vakuumschutzes des Systems 10 ist auch eine Schutzschaltung vorgesehen, die im Falle der Verringerung der Spannung der Batterieversorgung 202 andere, leistungsverbrauchende Einrichtungen innerhalb des Systems 10 abschaltet und so lange wie möglich die Leistung fur die Ionenpumpe 42 aufrecht erhält und gleichzeitig für eine Bedienperson ein Wamsignal erzeugt, mit dem angezeigt wird, daß die Batteriespannung abfällt. Wie bereits beschrieben wurde, arbeitet das System 10 vor dem Einschalten in einer unabhängigen Betriebsart, in der ein Benutzer nicht eingreifen muß.
Der zum Betrieb des Systems 10 erforderliche Einschaltvorgang beginnt mit einem Einschalten des Computers 24. Das Computersystem 24 stellt das Zentrum der Schnittstelle zwischen der Bedienperson und dem Instrument dar, so daß alle Betriebsvorgänge, Auswahlvorgänge von Betriebszyklen und Steuervorgänge durch die Bedienperson mittels des Mikrocomputers 24 ausgeführt werden, mit der einzigen Ausnahme des oben beschriebenen unabhängigen Vakuum-Steuersystems.
Die Kommunikation zwischen der Bedienperson und dem Computer 24 wird über eine Tastur und eine visuelle Anzeige abgewickelt, die dem Benutzer eine Führung bietet, indem Menüs zur Unterstützung des Auffindens der Tastenoptionen sowie des Systemstatus und ebenso zur Anzeige von Daten-Systemifinktionen vorgesehen sind. Die Anzeige arbeitet somit als ein Mehrfunktions-Untersystem. Nachdem der Computer während des Einschaltvorganges aktiviert worden ist, führt das System ein Programm zur Selbstprüfung aus, das zahlreiche Funktionen aufweist, von denen die wichtigste die Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Ionenquelle 34 ist. Der erste Test der Ionenquelle 34 dient zur Überprüfung des Heizdrahtes, da das Heizelement 1228 ein wesentliches Teil der Ionenquelle 34 ist. Anschließend wird die Arbeitsweise der Hochspannungsversorgungen 30, die die Ionenquelle 34 und den elektrischen Sektor 36 versorgen, überprüft. Eine weitere Schaltung, die während des Hochfahrens überprüft wird, ist die Hochspannungsversorgung 30 für den Ionendetektor 44, die ebefalls sehr große Bedeutung für den Betrieb des Massenspektrometers 18 hat.
Das System 10 enthält auch eine Anzahl von mit Spulen betätigte Ventile 212, 1402 bis 1412 und 1416, deren Stellung überprüft wird, um sicherzustellen, daß sie sich in einer Ausgangsposition (vor Beginn des Betriebes) befinden. Diese Ventilstellungen gewährleisten, daß das Proben-Untersystem und der Einlaß 914 der Ionenquelle abgesperrt sind, um eine mögliche Verschmutzung während der Ruhephase oder einer Pause zwischen zwei Abtastzyklen auszuschließen.
Als nächster Schritt folgt nach dem Einschalten die Kalibrierung des Systems. Die primäre Funktion der Kalibrierung besteht darin, das Verhältnis zwischen dem Abtastpotential an der Ionenquelle 34 oder der Beschleunigungsspannung der Ionenquelle 34 und den Massenwerten, die den Signalen in dem Massenspektrum zugewiesen werden, zu validieren. Unter "Zuweisungen der Massenwerte" ist die Kalibrierung der X-Achse auf der Basis des Massenspektrums zur Bestimmung des Spektrums an diesem Punkt zu verstehen, während das Masse-zu-Ladungsverhältnis einen bestimmten Wert hat. Es dient zur Zuweisung eines Skalierungsfaktors zu der horizontalen Achse (X-Achse) für das Massenspektrometer 18.
Die Systemkalibrierung schließt auch ein Kalibrierungsgas ein, das innerhalb des Systems 10 gespeichert ist. Eine kurzzeitige Freisetzung von Kalibrierungsgas in die Ionenquelle 34 des Massenspektrometers 18 dient mit der nachfolgenden Erzeugung eines Massenspektrums zur Kalibrierung. Das Massenspektrum wird mit einer Standardabtastung erzeugt, wobei die Werte der Spannungen, die die Abtastung erzeugen, mit der Position der Bezugsmassen von Ionen des Kalibrierungsgases verglichen werden. Jede Veränderung gegenüber den erwarteten vorbestimmten Positionen wird zur erneuten Berechnung der Abtastspannungen verwendet und dient somit zur Korrektur jeder kleinen Schwankung, die aufgrund einer Temperaturänderung, einer Fehlausrichtung oder anderer Anderungen der Untersysteme, die das Massenspektrometer 18 des Systems 10 bilden, auftreten können.
Zur Durchführung dieser Kalibrierungsfunktion wird das Kalibrierungsmuster und die Eigenschaft der Abtastspannung innerhalb des Systems 10 (on-board) gespeichert. Die Abtastspannung ist eine exponential abfallende Spannung näherungsweise zwischen 3000 und 150 Volt im oberen Bereich der Masse. Das Kalibrierungsmuster ist in einem EPROM 1504 gespeichert, das einen Teil jedes Systems 10 darstellt und die in jedem System 10 einzigartigen Informationen über das Kalibrierungsmuster enthält. Es wird zum Abschluß der Herstellung jedes Systems während der Überprüfung und des Tests jeder Einheit bestimmt, um geringen Schwankungen der Herstellungstoleranzen und möglichen anderen Veränderungen bei jedem Massenspektrometer 18 Rechnung zu tragen.
Der Kalibrierungszyklus kann darüberhinaus jederzeit aktiviert werden, wenn die Bedienperson Zweifel im Hinblick auf die Genauigkeit des Systems 10 hat. Bei normalem Betrieb bleibt das System 10 für eine längere Zeitdauer in der Größenordnung von Tagen in kalibriertem Zustand. Als Vorsichtsmaßnahme sollte jedoch in Abhängigkeit von den Umständen, d.h. dem Alter und der Lagerung des Systems 10 eine Kalibrierung zu Beginn jedes Tages durchgeführt werden. Während der Benutzung kann die Bedienperson dann entscheiden, ob zusätzliche Kalibrierungen erfor derlich sind.
Zusätzlich zur Kalibrierung der Basis-Betriebszyklen des Systems 10 können vier weitere Zyklen durch Betätigen einer Funktionstaste oder Steuerung mit der Tastatur durch einen Benutzer ausgeführt werden. Der erste Betriebszyklus ist der direkte MS-Zyklus. In diesem Betriebszyklus wird eine Atmosphären-Probe in den Membranseparator 16a eingebracht. Sie gelangt durch eine Atmosphären-Einlaßöffnung 228, die durch ein In-Line-Filter zum Zurückhalten von kleinen Teilchen und anderen Verschmutzungen aus der Einlaßleitung geschützt ist, in das System 10. Hinter dem In-Line-Filter liegt ein kleiner Wasserdampfer-Extraktor, der zur Reduktion des Wasserdampfgehaltes der Probe dient, bevor diese tatsächlich zu dem Membranseparator 16a gelangt.
Die Funktion des Membranseparators 16a beruht auf der Verwendung der selektiven Permeabilität der Membran, aufgrund der Probenmoleküle, die im allgemeinen organisch sind, selektiv mit einer wesentlich höheren und schnelleren Rate durch die Membran hindurchtreten können, als das in der Atmosphäre vorhandene Trägergas, wie zum Beispiel Stickstoff und Sauerstoff Die mit dem Probenseparator 16a erzielte Probenkonzentration ist zugunsten der organischen Probenmoleküle im allgemeinen um drei Größenordnungen höher als am Eingang. Die Probe gelangt dann zur Ionenquelle 34, woraufhin die normale Abtastung mit dem Massenspektrometer 18 durchgeführt wird.
Wenn die Probenmoleküle durch den Membranseparator 16a in die Ionenquelle 34 gelangen, werden sie über ein Einlaßrohr 914 und das höhere Vakuum an der anderen Seite des Rohres zu dem Block 1202 der Ionenquelle 34 geführt. Der Block 1202 schaffl einen Durchgang für die Probenmoleküle in eine Ionisationskammer, die das Zentrum der Blockanordnung 1102 darstellt. Bei normalem Betrieb wird der Block 1202 mit einem Heizelement 1232, das innerhalb eines Bereiches von 50 bis 200º C einstellbar ist, erhitzt. Zur Bestimmung der Temperatur des Blocks 1202 wird ein Thermokoppler 1234 verwendet, so daß der Block im Normalfall isothermisch bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird, die durch die Bedienperson gewählt werden kann. Der Block 1202 wird erhitzt, um ein Abscheiden oder eine Adsorption der Probenmoleküle an der Metalloberfiäche des Blocks zu verhindern. Der Block 1202 ist ferner mit Gold beschichtet, um die Reaktivität und die Möglichkeit einer Probenabscheidung zu reduzieren.
Die Probenmoleküle treten dann in die Ionisationskammer ein. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die in der Ionenquelle 34 vorhandene Elektronenkanone einen Elektronenstrahl, dessen Energie etwa 70 eV beträgt. Der Elektronenstrahl wirkt auf die Probenmoleküle in bekannter Weise ein, so daß positive Ionen und Ionenfragmente der organischen Moleküle in bekannter Weise erzeugt werden.
Das magnetische Feld in der Ionenquelle 34, durch das eine schraubenförmige Elektronen-Flugbahn erzeugt und dadurch die Wirksamkeit der Ionisation verbessert und die Weglänge erhöht wird, wird durch einen zylindrischen Magneten 1220 erzeugt, der integral mit der Blockanordnung 1102 vorgesehen ist. Der zylindrische Magnet 1220 umgibt die Ionisationskammer. Er weist einen schlitzförmigen Einschnitt mit einem vorbestimmten Winkel auf, um den durch die elektrischen und magnetischen Felder auf die Elektronenflugbahn mit einem Winkel von näherungsweise 6º ausgeübten Wirkungen zweiter Ordnung Rechnung zu tragen.
In der Ionisationskammer werden die durch den Elektronenstoß erzeugten Ionen- Bruchstücke durch eine Rückstoßanordnung 1214, die innerhalb des zylindrischen Magneten 1220 angeordnet ist, der den Körper der Ionisationskammer bildet, in Richtung auf die Extraktionslinse 1114 bewegt. Die Rückstoßanordnung 1214 ist zweistückig, wobei ihre vordere Fläche so geformt ist, daß sie an die innerhalb der Ionisationskammer erzeugten elektrischen Feldlinien angepaßt ist. Die Elektronen in diesem Bereich erzeugen positive Ionen, die dann in den wirksamen Bereich der Sattellinse 1114 zurückgestoßen werden.
Die Sattellinse 1114 erzeugt das Extraktionspotential, mit dem die Ionen aus der Io nisationskammer herausgeffihrt und zu dem ersten Element des Beschleunigungs- Linsensystems, d.h. der Spaltlinse 1112, geleitet werden. In dem Beschleunigungs- Linsensystem hat jede Linse ein unabhängiges, gesondertes Potential. Die Spaltlinse 1112 ermöglicht eine Abstimmung des Massenspektrometersystems 18 sowie eine erneute Ausrichtung des Ionenstrahls, so daß dieser optimal auf den Eingangsschlitz 1106 des Massenspektrometersystems 18, der das nächste Linsenelement darstellt, focussiert werden kann.
Der Eingangschlitz 1106 erzeugt den ersten Brennpunkt des Ionenstrahls dieses doppelt focussierenden Massenanalysatorsystems 21. Dieser bildet den Ausgangspunkt flir den durch den Rest des Massenanalysators 21 hindurchtretenden Ionenstrahl. Der Ionenstrahl wird als nächstes mit einem Linsensystem 1104 geformt, das eine Überwachungseinrichtung für den Ionenstrom aufweist. Die Ionenstrom- Überwachungseinrichtung nimmt einen festen Anteil des Ionenstrahls auf, der erzeugt wurde und durch den Eingangsschlitz 1106 geführt wird und zeigt die Gesamtanzahl von Ionen an, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Quelle erzeugt wor den sind. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil es eine Rückkopplung mit anderen Elementen des Massenspektrometersystems 18 ermöglicht.
Eines dieser Elemente ist das Einlaßventil, mit dem das Massenspektrometersystem 10 den Einlaß zu der Ionenquelle 34 (den Einlaß der Proben zu dem Membransepa rator) schließen kann, um ei ne Überbelastung durch die Probe zu vermeiden, bei der die Vakuumpumpe 22 mit der Gesamt-Probenmenge überlastet sein könnte. Somit ist es durch Erfassen eines zu hohen Ionenstroms an der Linse 1104 und Rückkopplung zu dem Einlaß 914 möglich, die Ionenquelle 34 sowie das Vakuum in dem Instrument zu schützen. Alternativ dazu ist dies bei entsprechender Programmierung auch automatisch durch das System 10 möglich.
Darüberhinaus gibt es zwei weitere Anwendungen für diesen Gesamt-lonenstrom. Die erste beruht darauf, daß dieser aufgezeichnet wird und einen Teil des in dem Datensystem verfügbaren Spektrums darstellt, so daß eine Darstellung des gesamten Io nenstroms bei einem gegebenen GC/MS-Lauf möglich ist. Eine zweite Anwendung des gesamten Ionenstroms liegt darin, den Gewinn in dem Ionendetektor 44 zu verändern, um eine Anpassung an starke Schwankungen der Probenkonzentration vorzunehmen und sicherzustellen, daß der Gewinn des Ionendetektors an das vorhandene Ionensignal angepaßt ist.
Nach dem Linsensystem 1104 breiten sich die Ionen dann weiter durch den Eingangs-Nebenschlußwiderstand 1110 aus bzw. werden in dieser Richtung beschleunigt. Der Eingangs-Nebenschlußwiderstand 1110 ist ein geerdeter Schlitz, der einen Abschluß für das elektrische Feld darstellt, das mit den inneren und äußeren Segmenten des elektrischen Sektors erzeugt wird. Durch das Nebenschließen dieses Feldes werden die Randfeldeffekte, die andernfalls den genau abgegrenzten Ionenstrahl stören, aufspreitzen und ändern würden, reduziert. Die Eingangs- und Ausgangs-Nebenschlußwiderstände 1110 und 908 an beiden Enden des elektrischen Sektors erzeugen Abschlußpunkte für das elektrische Feld und beseitigen ferner alle auf den Ionenstrahl einwirkenden Randfelder.
Wie bereits beschrieben wurde, werden die positiven Ionen durch die Kombination von Linsen beschleunigt, zu einem Strahl geformt und treten dann durch den Eingangs-Nebenschlußwiderstand 1110 in den elektrischen Sektor 36 ein. Der Ionenstrahl gelangt in den elektrischen Sektor 36 in dem Bereich zwischen den zwei elektrischen Sektorpiatten 1300a und 1300b. Die elektrischen Sektorplatten 1300 erzeugen ein radiales und in hohem Maße homogenes elektrische Feld, das auf die positiv geladenen Ionenteile gemäß den allgemein bekannten Prinzipien der Elektrodynamik einwirkt. Die Höhe der Energie der eintreffenden Ionenbruchstücke und das elektrische Feld bestimmen die bevorzugte Flugbahn entlang der Mittellinie der Platten 1300. Um die geladenen Partikel entlang eines kreisförmigen Weges zu beschleunigen, können somit durch Veränderung des Potentials an den Platten 1300 in einem festen Verhältnis zu dem Beschleunigungspotential der Ionenquelle 34 verschiedene Energien gewählt werden, die durch den elektrischen Sektor und den Ausgangs-Nebenschlußwiderstand 908 hindurchtreten.
Am Ausgang des elektrischen Sektors 36 befindet sich ein weiterer primärer Brennpunkt 910, der zur Ausrichtung der Kombination aus elektrischem Sektor und Ionenquelle verwendet wird. Die physikalische Ausrichtung des elektrischen Sektors 36 und der Ionenquelle 34 ist oben bereits in Verbindung mit der Montage des elektrischen Sektors 36 und den Konstruktionsdetails der Ionenquelle 34 sowie ihrer Beziehung zueinander bei der beschriebenen Konstruktion erläutert worden. Das Ausmaß der elektrischen Abstimmung, das erforderlich ist, um sicherzustellen, daß der Ionenstrahl auf den Ausgang des elektrischen Sektor 36 focussiert wird, ist gering.
Die Ionen treten dann in einen feldfreien Bereich ein, in dem sie nicht beschleunigt werden. Die Ionen breiten sich weiter aus, bis sie in den Bereich eintreten, in dem das mit dem magnetischen Analysator 40 erzeugte Magnetfeld vorhanden ist. Während das durch den elektrischen Sektor 36 erzeugte elektrische Feld radial ist, verläuft das durch den magnetischen Analysator 40 erzeugte magnetische Feld in z- Richtung, d.h. es läuft vertikal aus der Zeichenebene heraus. In Übereinstimmung mit den allgemein bekannten Gesetzen der Elektrodynamik wird ein geladenes Teilchen auch in einem magnetischen Feld beschleunigt. Bei dem vorliegenden Massenanalysator 21 ist das magnetische Feld stationär und wirkt somit als Stoßkraftfilter, mit dem Ergebnis, daß aufgrund der Tatsache, daß die Geschwindigkeit der Teilchen durch das Beschleunigungspotential und die weitere Ausformung dieses Potentials in dem elektrischen Sektor 36 bestimmt worden ist, die Masse der Ionen die einzige Variable in dem System ist. Eine Veränderung der Geschwindigkeit führt zu einer Anderung der Masse, die sich auf der bevorzugten Flugbahn auf der Mittellinie durch den Magneten 40 zum Ausgangsschlitz 908 befindet.
Auf diese Weise erzeugt das Beschleunigungspotential der Ionenquelle 34 und das angepaßte Potential an dem elektrischen Sektor 36 das Massenspektrum durch Veränderung des Masse-zu-Ladungsverhältnisses derjenigen Ionen, die den Ausgangsschlitz des magnetischen Analysators 40 erreichen.
Auf der anderen Seite des Ausgangsschlitzes befindet sich ein Ionendetektor 44 beliebiger Art. Wenn die Ionen den Magneten 40 verlassen, tritt eine gewisse Trennung auf bevor sie tatsächlich den primären Brennpunkt erreichen, der den Ausgangsschlitz darstellt. Der Ionendetektor 44 ist somit auf der anderen Seite des Ausgangsschlitzes angeordnet. Der Ionendetektor 44 hat eine empfindliche Oberfläche, die Elektronen aussendet, wenn ein geladenes Teilchen aufirift. Das Beschleunigungsfeld in dem Ionendetektor 44 verstärkt dann den Ionenstrom, der die Anzahl von Ionen darstellt, die in einer Zeiteinheit auf die Oberfläche auftreffen. Das verstärkte Signal wird dann von seiner groben analogen Form mit einem A/D-Wandler 1522 in ein digitalisiertes Signal umgewandelt. Das digitalisierte Signal wird gespeichert und in den Datenanalyse-Einrichtungen des Instrumentes verwendet.
Das erfindungsgemäße Massenspektrometersystem 10 kann in vier verschiedenen Zyklen oder Betriebsarten arbeiten. Es sind jedoch auch weitere Betriebsarten möglich. Die erste ist die direkte MS-Betriebsart, die normalerweise verwendet wird, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Verbindung in der Atmosphäre vorhanden ist, ohne eine komplexe Analyse der Atmosphäre durchzufuhren. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei einer direkten MS-Betriebsart alle Verbindungen, die in der Probe vorhanden sein könnten, Ionen in den Massenspektren erzeugen und eine vollständige Analyse der Massenspektren eine sehr komplexe analytische Aufgabe ist. Wenn andererseits unter Bezugnahme auf die kennzeichnenden Bibliotheksdaten fur direkte MS-Abtastung nach einer bestimmten Verbindung gesucht wird, kann das System 10 ein oder zwei prinzipielle Ionen bestimmen, die für die Verbindung charakteristisch sind und nur nach diesen Ionen suchen. Das Vorhandensein dieser Ionen wird zur Indikation des Vorhandenseins der gesuchten Verbindung verwendet.
In dieser Betriebsart fragt eine Bedienperson normalerweise nach dem Vorhandensein der Verbindung X. In der direkten MS-Betriebsart muß die Bedienperson mehrere Entscheidungen treffen und diese in das System eingeben. Eine der Entscheidungen betrifft die gesuchte Verbindung. Die zweite Entscheidung ist die Dauer des Abtastvorgangs, mit dem nach der Verbindung gesucht werden soll. Im allgemeinen handelt es sich dabei um die Zeitdauer, während der die eingebaute Probenpumpe 206 eine atmosphärische Probe durch das oben beschriebene Atmosphären- Einlaßsystem 228 sowie durch den Membranseparator 16a und dann nach außen zieht. Die Probenpumpe 206 wird zum Ziehen der Probe durch die Membran 16a verwendet. Wie in Figur 14 gezeigt und im Zusammenhang damit beschrieben wur de, ist eine Reihe von Ventilen vorhanden, die durch Steuerung mit dem Computer 24 in Abhängigkeit von der Wahl des Probenzyklus durch die Bedienperson geöffnet und geschlossen werden. Dieses System kombiniert eine Vielzahl von Kennzeichen, die normalerweise nur in getrennten Systemen vorhanden sind oder manuell von Punkt a zu Punkt b übertragen werden müssen. Da erfindungsgemäß ein analytisches Stufen-Massenspektrometer sowie unterstützende analysierende und steuernde Untersysteme zusammen in einem integrierten Gehäuse geschaffen wurden, kann eine Bedienperson durch einfache Tastenauswahl eine entsprechende Auswahl treffen.
In der direkten MS-Betriebsart wird die Probe mit der Pumpe 206 durch das Ventilsystem und über den Membranseperator 16a und anschließend aus dem System 10 herausgepumpt. Durch Auswahl der Verbindung, nach der die Bedienperson sucht, geht das System in die geeignete Bibliothek (Datenbank), die zu dem ausgewählten Zyklus gehört und sucht nach den charakteristischen Ionen und der Ionenquellen- Temperatur, die zu verwenden ist, um die betreffende Probe zu identifizieren.
Bei dieser direkten MS-Betriebsart wird anstelle einer Abtastung des vollen Massenbereichs des Massenspektrometersystems 18 die Ionenquellen-Beschleunigungsspannung nur auf denjenigen Wert eingestellt, der für die spezifischen und charakteristischen Ionen geeignet ist. In Abhängigkeit von der Art des untersuchten Materials sowie davon, wie charakteristisch ein einzelnes Ion sein kann, können ein oder zwei charakteristische Ionen verwendet werden. Ein solcher Ablauf wird im allgemeinen als Einzelionen-Überwachungsbetriebsart oder SIM-Betriebsart bezeichnet, die für Massenspektrometer allgemein bekannt ist. Im Falle einer Detektion wird ein akustischer Alarm ausgelöst, der die Bedienperson informiert.
Der zweite Betriebszyklus ist im wesentlichen der direkten MS-Betriebsart gleich, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Anreicherungs-Zyklus vorgesehen ist, so daß mit dem Massenspektrometer 10 nach stärker verdünnten Proben gesucht werden kann, als es bei der direkten MS-Betriebsart der Fall ist. Der Zyklus für die Anreicherung des MS erfordert, daß die Bedienperson die Dauer der Anreicherungszeit wählt, d.h. die Zeit, in der die Anreicherungs- oder Konzentrationspatrone 214 tatsächlich einen Probenfluß aufnimmt. Im Anreicherungszyklus ist somit die Anreicherungs-Patrone 214 ein Teil der Schleife, durch die die Probe geführt wird. Dies wurde in Verbindung mit Figur 14 beschrieben. Die Atmosphärenprobe wird durch Aktivieren der Probenpumpe 206 durch die Anreicherungs-Patrone 214 in das System 10 eingebracht. Nach Ablauf der durch die Bedienperson für die Abtastung gewählten Zeit schließt das System 10 automatisch das Proben-Einlaßventil 1402, das Probenventil 1406, öffnet die Trägergaspatrone 200, die in dem System 10 vorhanden ist und läßt das Trägergas für ungefähr eine Sekunde kalt durch das System fließen, um die Atmosphärenprobe herauszulösen Das System 10 desorbiert die Probe dann thermisch aus der Anreicherungs-Patrone 214 auf den Membranseparator 16a, wo die übrige Abtastung stattfindet. Es wird die gleiche Bibliothek (Datenbank) verwendet, wie in der direkten MS-Betriebsart.
Darüberhinaus kann die Wahl eines Trägergases vorgesehen sein. Bei der bevorzug ten Ausfühmngsform wurde in dem System 10 Helium verwendet werden, es ist jedoch auch möglich, entweder Wasserstoff oder Stickstoff zu verwenden.
Der Gaschromatograph 14 ist auch thermisch programmierbar, so daß die Bedienperson die Anfangstemperatur, die Endtemperatur, sowie die Heizrate fur den GC- Zyklus festlegen kann.
Im dritten Zyklus, der Anreicherungs-GC/MS-Betriebsart, ist die Abtastphase durch die Patrone 214 die gleiche, wie sie in Verbindung mit der Anreicherungs-MS- Betriebsart beschrieben wurde. In der Anreicherungs-GCIMS-Betriebsart fließt die Probe jedoch nach thermischer Desorption zu dem Gaschromatographen und dann zu dem Membranseparator 16a. Dadurch wird es möglich, mit dem System 10 eine sorgfältige und detaillierte Analyse der Zusammensetzung der untersuchten Probe zu erhalten. In dieser Betriebsart stellt sich der Bedienperson im allgemeinen die Frage, welche Verbindung(en) vorhanden ist (sind). Aufgrund der Verwendung einer vollständigen GC/MS-Analyse können mit dem System die in einer atmosphärischen Probe vorhandenen Verbindungen ermittelt werden. Für diese Betriebsart wird eine andere on-board-Vergleichsdatenbank (Bibliothek) verwendet. Diese Datenbank verwendet eine volle Abtastung, um den gesamten Massenbereich zu bestimmen.
Die vierte Betriebsart ist ein manuell unterstützter Zyklus, in dem die Probe außerhalb des Gerätes mit einem der bekannten Verfahren vorbereitet und in ein Lösungsmittel extrahiert wird, das dann zum Transport der Probe in das System 10 dient. Dieses manuelle Verfahren erfordert die Verwendung einer Spritze, die durch einen in der Öffnung vorhandenen gewachsten Verschluß in die Injektorzöffnung 216 eingeführt wird. Die Injektoröffnung 216 wird mit einem Heizelement 1422 erhitzt.
Durch die erhitzte Injektoröffnung 216 wird das Lösungsmittel zu einem GC-Träger der Probe verdampft. Wie in Figur 26 gezeigt ist, ist die Injektoröffnung 216 von außerhalb des Systems 10 zugänglich. In der Injektoröffnung 216 ist eine Führung vorgesehen, in der die Nadel der Spritze geführt wird.
Der Betrieb des Gaschromatographen 14 wird dann unter Verwendung des Trägergases, das im Zusammenhang mit dem Zyklus 3 beschrieben wurde, fortgesetzt, wobei das Massenspektrometer 18 eine volle Abtastung durchfiit. Im Gegensatz zu der den ersten zwei Betnebsarten zugrundeliegenden Frage, ob eine Verbindung x vorhanden ist, stellt sich hier die Frage, welche Verbindungen vorhanden sind. Bei dieser Betriebsart können die Proben aus Wasser oder aus Erde extrahiert werden. Es ist auch möglich, die Proben aus biologischen Flüssigkeiten unter Verwendung von Verfahren zu extrahieren, die allgemein bekannt sind. Bei solchen GC/MS-Läufen werden die gesammelten Daten digitalisiert und fur jede Abtastung mit dem Massenanalysator 21 gespeichert.
Wie im Zusammenhang mit den Zyklen 3 und 4 beschrieben wurde, ist eine Bedienperson normalerweise daran interessiert, zu bestimmen, welche Verbindungen vorhanden sind. Zur Durchführung dieser Bestimmung werden die gespeicherten Daten auf das on-board-Datenanalyseprogramm bezogen, mit dem eine Datenbankrecherche zwischen den bei diesen Läufen ermittelten Spektren und den gespeicherten Kennzeichnungen unter Verwendung eines Datenbank-Suchalgorythmus durchgeführt wird, der ähnlich den bekannten Suchalgorythmen ist. Diese Recherche furt dann zu potentiellen Anpassungen zwischen den in der Datenbank gespeicherten Kennzeichen und der unbekannten Kennzeichnung der unbekannten Verbindung. Die drei besten Anpassungen werden der Bedienperson auf einem Flachbildschirm angezeigt, sofern diese tatsächlich die aufgestellten Kriterien erfüllen. Wenn mehr als drei Anpassungen vorhanden sind, werden nur die drei besten dargestellt. Die anderen Daten sind jedoch auch verfügbar und können entweder über eine direkte Kabelverbindung oder ein Modem einem externen Speichermedium zugeführt oder über Telemetrie oder ein Modem zu einem externen Computer 1520 übertragen werden.
Mit dem System 10 ist es einem Benutzer auch möglich, die Massenspektren für alle Abtastungen, die einer bestimmten, vom Benutzer gewählten Verbindung zugeordnet sind, auf dem Display in graphischer Form wiederzugeben. Das System ermöglicht auch einen visuellen Vergleich zwischen den in der Datenbank gespeicherten Kennzeichen und den Abtastungen, um eine Verifikation der Anpassung in Abhängigkeit von einer Auswahl durch den Benutzer durchzuführen. Der Benutzer kann auch ein Gesamt-Ionenchromatogramm aufrufen, das allgemein als alternative Form der Daten bekannt ist.
Der Benutzer kann auch Abläufe zur Speicherung in geeigneten Speichereinrichtungen oder entfernbaren Speichermedien wahlen. Jeder Lauf wird automatisch mit einer Zeit- und Datumsangabe markiert, die aus der Uhr des Systems 10 abgerufen werden kann. Ferner besteht die Möglichkeit der Auswahl von in dem Gerät enthal tenen Kennzeichen-Datensätzen, die verfügbar sind und von einer externen Quelle eingelesen werden können. Kundenabhängige Datenbanken für Verbindungen, die von besonderem Interesse für einen bestimmten Anwender sind und mit deren Auftreten der Anwender rechnet, können ebenfalls berücksichtigt werden.
Auch wenn in diese Beschreibung nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt wird, sind zahlreiche Modifikationen und Anderungen auf der Grundlage der obigen Erläuterungen sowie unter Berücksichtigung der nachfolgenden Ansprüche möglich, ohne vom Inhalt der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Analytisches Stufen-Massenspektrometersystem (10) zur Untersuchung einer Probe, das in einem einzigen Gehäuse (Einkapselung) enthalten ist, mit:

einem analytischen Stufen-Massenspektrometer, mit dem eine Auflösung von mehr als 1 AMU (atomare Masseneinheit) erreichbar ist und das einen Massenbereich von mehr als 200 AMU aufweist und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Eigenschaften einer untersuchten Probe darstellt;

einem Gaschromatographen (210), der mit dem Eingang des Massenspektrometers verbunden ist;

einer Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung (12) zur Kopplung des analytischen Stufen-Massenspektrometers mit dem Gaschromatographen (210);

einer Vakuumkammer (20), in der der analytische Stufen-Massenspektrometer einem Vakuum von mindestens 10&supmin;&sup5; Torr (13,3322 x 10&supmin;&sup4; pa) ausgesetzt ist;

Einrichtungen (22) innerhalb des einzigen Gehäuses zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Vakuumkammer;

Steuereinrichtungen (28) innerhalb des einzigen Gehäuses zum Betreiben und Überwachen des analytischen Stufen-Massenspektrometers;

Einrichtungen zur Verarbeitung der Ausgangssignale von dem analytischen Stufen- Massenspektrometer zur Erzeugung einer Darstellung der Eigenschaften des Massenspektrums einer untersuchten Probe, wobei die Einrichtungen zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Massenspektrometers eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung (24) aufweisen und das Massenspektrometersystem ferner mit einer Anzeigeeinrichtung (218) versehen ist, die beide in dem einzigen Gehäuse enthalten sind, und wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung Einrichtungen (226) zur Speicherung von Informationen zum Betreiben des Massenspektrometers aufweist; Einrichtungen zum Eingeben von Informationen und Daten in die digitale Datenverarbeitungseinrichtung sowie zum Ausgeben von Informationen und Daten aus der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen in dem einzigen Gehäuse enthalten sind; und

das einzige Gehäuse ein inneres Volumen von weniger als 0,25 m³ (1 Kubikyard) aufweist.

2. Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine Massenanalysator-Anordnung mit einem doppelt fokusierenden analytischen Stufen-Massenanalysator (21) mit einem magnetischen Sensor, der in der Vakuumkammer (20) enthalten ist, um die genannte Auflösung von mehr als 1 AMU und den Massenbereich von mehr als 200 AMU zu erzielen, und der das Ausgangssignal erzeugt, welches die Eigenschaften einer untersuchten Probe darstellt;

wobei der Gaschromatograph (14) mit dem Eingang des Massenanalysators verbunden ist;

eine Probeneinlaß- und Konzentratoranordnung (12) zm Koppeln des analytischen Stufen-Massenanalysators (21) mit dem Gaschromatographen (14);

wobei das Massenspektrometersystem weniger als 136 kg (300 Pfund) wiegt und das analytische Stufen-Massenspektrometersystem einen Leistungsverbrauch von weniger als 500 Watt aufweist.

3. Analytisches Stufen-Massenspektrometersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in sich geschlossene Leistungsquelle zur Versorgung des Massenspektrometersystems.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenanalysator-Anordnung (21) aufweist: Einrichtungen (34) zur Erzeugung einer Quelle von Ionen aus der zu untersuchenden Probe und zur Fokusierung der erzeugten Ionen zu einem fokussierten Ionenstrahl; Einrichtungen (36), die mit den Einrichtungen zur Erzeugung einer Quelle von Ionen verbunden und dazu vorgesehen sind, den fokussierten Ionenstrahl einem radialen elektrischen Feld (37) auszusetzen;

Einrichtungen (40) zur magnetischen Ablenkung des fokussierten Ionenstrahls in eine Ionenstrahl-Detektoreinrichtung, nachdem der Ionenstrahl dem radialen elektrischen Feld (37) ausgesetzt worden ist;

Einrichtungen (42) zur Erzeugung eines Vakuums in einer Vakuumkammer in der Weise, daß der Ionenstrahl immer einem Vakuum ausgesetzt ist; wobei mindestens zwei der Ionenquellen (34), die Einrichtung (36) zur Erzeugung eines radialen elektrischen Feldes, die Einrichtung (40) zur Erzeugung einer magnetischen Ablenkung des Ionenstrahls und die Ionenstrahl-Detektoreinrichtung (44) mit einer unitären Ausrichteinrichtung (500) in Ausrichtung zu dem Ionenstrahl gehalten werden.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unitäre Ausrichteinrichtung (500) einen Teil der einzigen Vakuumkammer (20) bildet.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unitäre Ausrichteinrichtung (500) ferner Einrichtungen zur Ausrichtung der Einrichtungen zur magnetischen Ablenkung des fokussierten Ionenstrahls aufweist.

7. System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur magnetischen Ablenkung des Ionenstrahls aufweist:

ein magnetisches Joch (706);

ein erstes Paar von Magneten (704), die einen ersten, vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen, um einen Spalt für den Ionenstrahl zu bilden, wobei das erste Paar von Magneten mit dem magnetischen Joch verbunden ist; und

ein zweites Paar von Magneten (702), welches benachbart zu dem ersten Paar von Magneten angeordnet ist, wobei das zweite Paar von Magneten einen zweiten vorbestimmten Abstand voneinander aufweist, der größer ist, als die Breite des Spaltes für den Ionenstrahl, um eine magnetische Antriebseinrichtung für eine Vakuumpumpe vom Ionentyp zu bilden.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch in Form von zwei Stücken ausgebildet ist, wobei das erste der zwei Stücke zumindest teilweise das erste Paar vom Magneten umgibt und das zweite der zwei Stücke mindestens teilweise das zweite Paar von Magneten umgibt.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch einen magnetischen Schirm für den Ionenstahl bildet.

10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch einen Teil der Vakuumkammer bildet.

11. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch und die Magnetpaare dazu dienen, sowohleine Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums, als auch eine Einrichtung zur magnetischen Ablenkung des Ionenstrahls anzutreiben.

12. System nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle eine Blockanordnung (1102) mit einer Elektronenquelle, eine Mehrzahl von Linsen (1114), die durch eine gleiche Mehrzahl von Abstandshaltem (1116) voneinander getrennt sind, wobei jede Linse eine unitäre Platte zur Fokussierung und Beschleunigung der durch die Elektronen in der Blokkanordnung erzeugten Ionen umfaßt, sowie Abstandshalter zur Ausrichtung der Linsen relativ zu der Blockanordnung aufweist, die aus einem Hochtemperatur-Material, welches elektrisch isolierend und chemisch inert ist, gebildet sind.

13. Massenspektrometersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenanalysator-Anordnung aus zwei oder mehr Massenanalysator-Einrichtungen (21, 23) gebildet ist.

14. Massenspektrometersystem nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Massenanalysator-Koppeleinrichtung (25), die zwischen den zwei oder mehr Massenanalysator-Einrichtungen (21, 23) zur Zwischenstufenionisation zwischen zwei oder mehr Massenanalysator-Einrichtungen verbunden ist, sowie zur Erzeugung von sekundären oder Tochter-Ionen-Massenspektren, um die Vakuumpumpe zu entlasten und den Leistungsverbrauch des Massenspektrometersysterns zu verringern.

15. System nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanalysator eine elektrische Analysatorsektion aufweist, mit:

einer Montageplatte (912);

einem Paar elektrisch leitender Sektorplatten, die isolierend so an der Montageplatte montiert sind, daß das Paar von Sektorplatten parallel zueinander und senkrecht zu der Montageplatte ausgerichtet ist; wobei

jede Montageplatte (912) und das Paar von Sektorplatten eine Mehrzahl von entsprechenden, darin ausgebildeten Löchern aufweist, in denen eine gleiche Mehrzahl von Kugeln positioniert ist, um die Ausrichtung zu gewährleisten und die elektrische Isolation zwischen jeder Montageplatte (912) und jeder Sektorplatte (1302) sicherzustellen.

16. Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zur Aufrechterhaltung des Vakuums dazu vorgesehen ist, das Vakuum innerhalb der Vakuumkammer aufrechtzuerhalten, während der Massenspektrometer arbeitet, sowie weiterhin dazu dient, das Vakuum auch zwischen verschiedenen Anwendungen des Massenspektrometersy sterns aufrechtzuerhalten.

17. Massenspektrometersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zur Aufrechterhaltung des Vakuums mit einer tragbaren elektrischen Energiequelle versorgt wird.

18. Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zur Aufrechterhaltung des Vakumms in der Vakuumkammer eine Vakuum-Hilfspumpe zur Verwendung während hoher Gasbelastungen in der Vakuumkammer aufweist.

19. Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch eine außerhalb der Vakuumkaminer angeordnete Vorpumpe, die zum einleitenden Aufbau eines Vakuums in der Vakuumkammer dient.

20. Massenspektrometersystem nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch mindestens eine Sprachverarbeitungseinrichtung, ein Modem und einen Satelliten-Transceiver, die zur Übertragung von Steuerbefehlen, Daten und Informationen, die von einer entfernten Stelle empfangen werden, zu der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind.

21. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums eine Ionenpumpe ist, die durch Neodymium-Bor-Ionen-Magnete angetrieben wird, die außerhalb der Vakuum-Umhüllung verbunden sind, und die während der Entgasung der Vakuum-Umhüllung entfernt werden kann.

22. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums eine Ionen-Pumpe ist, die durch Hochenergie-Magnete mit hoher Temperatuffestigkeit angetrieben wird, welche innerhalb der Vakuumkammer montiert sind.

23. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums eine Ionen-Pumpe ist.

24. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums eine turbomolekulare Vakuumpumpe ist, die an der Vakuumkammer montiert ist.

25. Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine digitale Datenverarbeitungseinheit zur Steuerung eines Betriebes des Gaschromatograph/Massenspektrometersystems und zur Verarbeitung der mit diesem System ermittelten Spektren;

ein System zur Sammlung und Zuführung von Proben, welches mikroprozessorgesteuert betrieben wird;

einen temperaturgesteuerten Gaschromatographen, der zur Steuerung der Temperatur und des Probenflusses durch den Gaschromatographen elektrisch mit der digitalen Datenverarbeitungseinheit verbunden ist;

wobei das System zur Sammlung und Zuführung von Proben mit dem temperaturgesteuerten Gaschromatographen über eine Mehrzahl von verschiedenen Proben- Wegfuhrungen verbunden ist, die eine Mehrzahl von Proben-Zuführ-Betriebsarten für das Gaschromatograph/Massenspektrometersystem oder direkt zu dem Massenspektrometer schaffen;

eine Massenspektrometer-Koppelanordnung, die zwischen den Gaschromatographen und den Massenspektrometer geschaltet ist, und die elektrisch mit der digitalen Datenverarbeitungseinheit zur Steuerung ihrer Temperatur und des Probenflusses verbunden ist;

wobei die digitale Datenverarbeitungseinheit einen integralen Teil des analytischen Stufen-Gaschromatograph/Massenspektrometersystems bildet und eine Steuerung des Betriebes des Massenspektrometers, des Gaschromatographen, des Systems zur Sammlung und Zuführung von Proben, sowie der Massenspektrometer Koppelanordnung bewirkt, und zwar in Abhängigkeit von einer programmierten Steuerung durch einen Benutzer.

26. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der verschiedenen Proben-Wegführungen des Systems zur Sammlung und Zufühirung von Proben eine Mehrzahl von Ventileinrichtungen unter Steuerung der digitalen Datenverarbeitungseinheit verwendet, um die Mehrzahl von Betriebsarten der Probenzufüuung zu erzielen.

27. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaschromatograph Einrichtungen zur Erzeugung einer aktiven Kühlung in Abhängigkeit von einer Steuerung durch die digitale Datenverarbeitungseinheit aufweist.

28. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung des Massenspektrometers ein Einlaßsystem mit zweifachen oder mehrfachen Öffnungen aufweist, welches einen Eintritt der Proben aus dem System zur Sammlung und Zufrung von Proben und dem Gaschromatographen ermöglicht, und dessen Ausgang mit dem Massenspektrometer verbunden ist.

29. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Einlässe ein direkter Einlaß von dem System zur Sammlung und Zufürung von Proben zu der Massenspektrometer- Koppelanordnung ist.

30. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenspektrometer-Koppelanordnung eine selektive Membran-Koppelanordnung aufweist.

31. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Vakuumpumpe eine Ionenpumpe ist und daß das Gaschromatograph/Massenspektrometersystem eine Batterie zur Aufrechterhaltung eines ständig mit Leistung versorgten Zustandes der Ionenpumpe auch während solcher Perioden aufweist, in denen das Gaschromatograph/Massenspektrometersystem abgeschaltet ist.

32. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der analytische Stufen-Massenspektrometer ein doppelt fokussierender Massenspektrometer mit einer unitären Ausrichteinrichtung ist.

33. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der analytische Stufen-Massenspektrometer eine Magnetanordnung verwendet, die ein magnetisches Feld zum Pumpen einer Ionenpumpe erzeugt, die zur Aufrechterhaltung des Vakuumdrucks des Massenspektrometers und für eine Analysator-Magnetanordnung dient.

34. Gaschromatograph/Massenspektrometersystem nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung ein magnetische Joch aufweist, welches als Abschirmung für die Ionenpumpe dient und die einen Teil einer Vakuumumhüllung bildet, welche das Massenspektrometer umgibt.

35. Massenspektrometersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch ein System zur Sammlung und Zufuhrung von Proben zur Schaffuhg einer Mehrzahl von Betriebsarten der Probenzuführung in das Gaschromatograph/Massenspektrometersystem, mit:

einer digitalen Datenverarbeitungseinheit zur Steuerung des Systems zur Sammlung und Zuführung von Proben;

einer Injektoröffnung zur Aufnahme einer mit dem Gaschromatograph/Massenspektrometersystem zu analysierenden Probe, wobei die Injektoröffnung eine Heizeinrichtung aufweist, die so geschaltet ist, daß sie durch die digitale Datenverarbeitungseinheit zur Schaffung einer thermischen Desorption der Probe steuerbar ist;

einer Konzentratoröffnung zur Aufnahme der mit dem Gaschromatograph/Massenspektrometersystem zu analysierenden Probe, wobei die Konzentratoröffnung eine Heizeinrichtung aufweist, die so geschaltet ist, daß sie durch die digitale Datenverarbeitungseinheit zur Schaffung einer thermischen Desorption der Probe steuerbar ist; einem Atmosphären-Einlaß zur Aufnahme einer mit dem Gaschromatograph/Massenspektrometersystem zu analysierenden atmosphärischen Probe; einem Membran-Separator, der zwischen die Konzentratoröffnung und den Atmosphären-Einlaß sowie den Massenspektrometer des Gaschromatograph/Massenspektrometersystems geschaltet ist; einer Proben-Pumpe, die so geschaltet ist, daß sie eine Saugquelle durch den Membran-Separator darstellt; und einer Mehrzahl von Probenleitungen und Probenventilen oder Probenventilen mit mehrfachen Öffnungen, die zwischen jede der Injektor- und Konzentratoröffiiungen, den Atmosphären-Einlaß, die Proben-Pumpe und den Membran-Separator geschaltet sind, wobei der Betrieb der Ventile mit der digitalen Datenverarbeitungseinheit gesteuert wird.

36. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitungen und die Ventile mit der digitalen Datenverarbeitungseinheit temperaturgesteuert sind.

37. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitungen und Ventile einen ersten Probenweg von dem Atmosphären-Einlaß zu dem Membran-Separator in einem direkten MS-Zyklusmodus schaffen.

38. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitungen und Ventile einen zweiten Probenweg von dem Atmosphären-Einlaß durch die Konzentratoröffnung und zu dem Membran-Separator in einem angereicherten MS-Zyklusmodus schaffen.

39. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitungen und Ventile einen dritten Probenweg von der Injektoröffnung durch den Gaschromatographen zu dem Membran- Separator in einem direkten Injektions-Zyklusmodus schaffen.

40. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitungen und Ventile einen vierten oder angereicherten GC/MS-Zyklusmodus schaffen, mit dem erhöhte Konzentrationswerte der Proben erzeugt werden.

41. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von gleichen Zuführungsmoden automatisch mit dem System zur Sammlung und Zuführung von Proben unter programmierter Steuerung der digitalen Datenverarbeitungseinheit ausgefuhrt werden.

42. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Membran-Separator einen direkten Membraneinlaß in den Massenspektrometer des Gaschromatograph/Massenspektrometersystems schaffi.

43. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch ein externes tragbares Mikrocomputer-Display (1520), Kommunikations-Schniffstellen (1518) für Telemetrie oder andere Einrichtungen zur Anzeige der Daten (213).

44. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Eingeben von Informationen und Daten in und zur Ausgabe von Informationen und Daten aus der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung (24), mit einem externen tragbaren Mikrocomputer und einem Display (1520), Telemetrie- und Kommunikationsschnittstellen (1518), anderen externen Anzeigen (218) oder anderen Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (1522, 1524, 1526, 1528 und 1530), wobei die digitale Datensignalverarbeitungseinrichtung einen Mikroprozessor-Bus oder andere solche Einrichtungen zur Übertragung von Daten (1501) und eine Einrichtung zur Speicherung von Informationen (226) zum Betrieb des Massenspektrometers aufweist.

45. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Massenanalysator mit einem Vierfach- oder einem Ionenfalle-Massenanalysator.