[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus
einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenstroms, wobei bei der Ionisation
eines Quellgases in einem lonisationsbereich gebildete lonen und/oder aus dem lonisationsbereich
extrahierte lonen solange in einem Bereich, in welchem sich Quellgas befindet, reagieren
gelassen werden, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-lonensorten
vorliegen, die nicht mit dem Quellgas reagieren.
[0002] Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der AT 001 637 U1 bekannt. In dieser
Schrift ist ein Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus H
3O
+lonen bestehenden lonenstroms beschrieben. Hierzu wird in einem lonisationsbereich
mittels einer lonenquelle Wasserdampf ionisiert, wodurch verschiedene lonen gebildet
werden (O
+, OH
+, H
+, H
2+,.....). Diese lonen werden mittels eines schwachen elektrischen Feldes in einen außerhalb
des lonisationsbereiches sich befindenden Bereich extrahiert und werden solange in
diesem Bereich, in welchem sich H
2O mit einem Druck oberhalb 0,01 Torr befindet, belassen, bis sich auch die zunächst
von H
3O
+-lonen verschiedenen lonen durch Folgereaktionen in H
3O
+-lonen umgewandelt haben. In diesem Bereich und/oder in einem daran anschließenden
Bereich wird der lonenstrom weiters durch ein elektrisches Feld geführt, dessen Feldstärke
ausreichend hoch ist, sodass durch Assoziationsreaktionen gebildete H
3O
+.( H
2O)
n-Clusterionen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen mit neutralen Stoßpartnern
genügend kinetische Energie erlangt haben, damit diese Stöße überwiegend dissoziativ
sind. Es wird dadurch die Bildung von solchen Clusterionen verhindert bzw. weitgehend
rückgängig gemacht. Zur Verbesserung dieser Dissoziationsreaktionen kann dem H
2O auch ein zusätzliches Gas, wie Ar, Kr oder N
2 zugemischt werden, welches den Clusterionen als Stoßpartner dient mit den H
3O
+-lonen aber nicht chemisch reagiert.
[0003] Ein solcher im Wesentlichen aus H
3O
+-lonen bestehender Ionenstrom kann insbesondere als Primärionenstrom für die chemische
lonisation eines Probegases durch Protonentausch-Reaktionen eingesetzt werden, um
die gebildeten lonen des Probegases massenspektromerisch zu untersuchen. Diese Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie,
kurz PTR-MS, ist in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen beschrieben.
Es handelt sich hierbei um eine spezielle Art der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie
(IMR-MS), welche ebenfalls in der AT 001 637 U1 und den darin genannten Referenzen
beschrieben ist.
[0004] In der AT 406 206 B ist weiters ein vom Verfahrensablauf her zum aus der AT 001 637
U1 bekannten Verfahren analoges zur Gewinnung eines im Wesentlichen aus NH
4+-lonen bestehenden lonenstroms bekannt. Als Quellgas wird hierzu Ammoniak (NH
3) ionisiert und die gebildeten lonen werden nach Extraktion aus dem lonisationsbereich
solange in einem Bereich mit einem Ammoniumdruck von oberhalb 0,01 Torr (1,33 Pascal)
belassen, bis sich der im Wesentlichen nur aus NH
4+-lonen bestehende lonenstrom gebildet hat (wobei zur Verhinderung bzw. Rückgängigmachung
der Bildung von Clusterionen wiederum eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke
zur Induzierung von Stößen angelegt wird).
[0005] Aus der AT 403 214 B ist es weiters bekannt, in eine lonenquelle unterschiedliche
Quellgase einzubringen und aus den in der lonenquelle aus verschiedenen neutralen
Atomen oder Molekülen der Quellgase erzeugte Primärionenarten durch eine Filtereinrichtung
alle bis auf eine Primärionenart auszufiltern. Die verbleibende Primärionenart wird
in den Reaktionsraum durchtreten gelassen und im Reaktionsraum mit einem Probegas
reagieren gelassen, wobei die durch lonen-Molekülreaktionen (z. B. Protonenaustausch-Reaktionen)
entstehenden Reaktionsprodukte mit einem Massenspektrometer untersucht werden. Nachteilig
hierbei ist das zusätzlich erforderliche, die Filtereinrichtung bildende Massenspektrometer.
[0006] Die Gewinnung von nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenströmen
ohne eine solche massenspektrometrische Filterung, wie sie aus der AT 403 214 B bekannt
ist, ist durch die Verfahren der AT 001 637 U1 bzw. AT 406 206 B nur für wenige lonensorten
möglich, insbesondere für H
3O
+- lonen, NH
4+-lonen und H
3+-lonen. Nur bei wenigen Quellgasen bilden sich auf die in diesen beiden Schriften
beschriebene Art und Weise Ausgangs-lonen-ströme, die im Wesentlichen nur aus einer
einzigen lonensorte bestehen. Derartige Quellgase sind in der Fachliteratur als "Cl
Reagent Gases" beschrieben.
[0007] In der EP 000 865 A1 ist die Untersuchung eines Substanzgases beschrieben, welches
zu diesem Zweck durch lonen-Molekül-Reaktionen ionisiert wird. Die chemische lonisierung
des Substanzgases erfolgt in einem hier als lonisationskammer beschriebenen Raum (der
üblicherweise auch als "Drift Tube") bezeichnet wird. Der lonisationskammer wird partiell
ionisiertes Primärgas aus einer lonenquelle zugeführt, welche hier als Gasentladungskammer
ausgebildet ist. Der lonisationskammer wird neben dem Substanzgas auch ein Reaktantgas
zugeführt, welches mit den von der Ionenquelle in die lonisationskammer eintretenden
lonen reagiert und seinerseits das Substanzgas ionisiert. In der lonisationskammer
befindet sich somit ein Gemisch aus den mehr oder weniger ionisierten Komponenten
des Primärgases, Reaktantgases und Substanzgases. Eine Gewinnung eines im Wesentlichen
nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden Ausgangs-lonenstroms geht aus dieser
Schrift nicht hervor. Zur Ausgangsöffnung der lonisationskammer werden sowohl die
ionisierten Primärteilchen wie auch die Reaktantgas- und Substanzionen geführt.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, das Spektrum an erzeugbaren Ausgangs-lonenströmen,
die im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehen, zu erweitern, ohne
dass hierzu eine massenspektrometrische Filterung (wie in der AT 403 214 B beschrieben)
erforderlich ist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
[0009] Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere möglich im Wesentlichen
nur aus einer einzigen lonensorte bestehende Ausgangs-lonenströme zu erzeugen, welche
bei direkter Zugabe des Reaktantgases in den primären lonisationsbereich aufgrund
der in diesem Bereich anwesenden verschiedenen Spezies (lonen, Elektronen, Atome,
Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle) nicht in dieser Form entstehen
würden. Würde zum Beispiel Stickstoff (N
2) dem Quellgas H
2 beigemischt, so würde im Plasma des primären lonisierungsbereiches neutrales NH
3 entstehen (vgl.: ref1: Fuji et al., Int. J. Mass Spectrom. 216, 169, 2002). H
3+ würde so bevorzugt mit NH
3 in der Reaktion H
3+ + NH
3 → NH
4+ + H
2 reagieren und die Erzeugung eines N
2H
+-Ausgangsionenstroms (wie weiter unten erläutert) wäre nicht möglich.
[0010] Die Zugabe des Reaktantgases in einen vom primären lonisationsraum räumlich getrennten
Reaktionsbereich hat weiters den Vorteil, dass auch Gase beigemengt werden können,
deren Anwesenheit im primären lonisationsbereich problematisch wäre, z. B. NO in Filament-lonenenquellen
(führt zu raschem Filamentbruch) oder kohlenstoffhaltige Gase in Plasmaionenquellen
(führt zu Kohlenstoffabscheidungen).
[0011] Bevorzugerweise werden geeignete Maßnahmen getroffen, so dass eine Rückströmung des
Reaktantgases vom Reaktionsbereich in den lonisationsbereich im Wesentlichen unterbunden
wird, d. h. weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% des Partialdrucks im lonisationsbereich
soll vom Reaktantgas oder daraus gebildeten Produkten herrühren. Hierzu können beispielsweise
die den lonisationsbereich und den Reaktionsbereich bildenden Räume durch ein oder
mehrere Zwischenwände getrennt sein, wobei in einer jeweiligen Zwischenwand eine Blendenöffnung
angeordnet ist, und durch entsprechende Pumpeinrichtungen ein in Richtung vom lonisationsbereich
zum Reaktionsbereich weisender Gasfluss durch mindestens eine der Blendenöffnungen
aufrecht erhalten werden. Auch Zwischenabpumpungen zwischen den Bereichen sind denkbar
und möglich.
[0012] Prinzipiell wäre es - zumindest in einigen Anwendungsfällen - denkbar und möglich,
die aus dem lonisationsbereich extrahierten lonen direkt in den Reaktionsbereich zu
führen. Bevorzugt ist es aber, die aus dem lonisationsbereich extrahierten lonen zunächst
in einen Zwischenbereich zu führen, in welchem sie solange belassen werden, bis sich
auch die zunächst noch von der ein oder mehreren Quell-lonensorten verschiedenen lonen
im Wesentlichen (d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95%) in lonen der
ein oder mehreren Quell-lonensorten umgewandelt haben. Von diesem Zwischenbereich
können in der Folge lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten in den Reaktionsbereich
extrahiert werden, in dem sie durch Zugabe des Reaktantgases in die einzige lonensorte
des Ausgangsionenstroms im Wesentlichen (d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr
als 95%) umgewandelt werden.
[0013] Falls die Extraktion von lonen aus dem lonisationsbereich direkt in den Reaktionsbereich
erfolgt, sind die Reaktionen der bei der lonisation gebildeten lonen zu den lonen
der ein oder mehreren Quell-lonensorten im Wesentlichen bereits im lonisationsbereich
erfolgt oder diese Reaktionen finden hauptsächlich oder zum Teil im Reaktionsbereich
statt. Es muss dazu Quellgas mit einem ausreichenden Druck (beispielsweise mehr als
1 Pascal) im Reaktionsbereich vorhanden sein. Weiters soll das Reaktantgas möglichst
nicht mit lonen, welche noch nicht in lonen der einen oder mehreren Quell-lonensorten
umgewandelt worden sind, reagieren. Bei manchen Kombinationen von Quellgasen und Reaktantgasen
ist dies der Fall. Denkbar und möglich wäre es, in speziellen Fällen, von den Primärionen
und/oder Folgeprodukten störende lonensorten (die mit dem Reaktantgas zu unerwünschten
lonensorten reagieren) durch Zugabe eines geeigneten Zusatzgases in nicht störende
lonen umzuwandeln.
[0014] Als Quellgas kann ein Reingas oder ein Gasgemisch verwendet werden. Für das Reaktantgas
ist die Verwendung eines Reingases bevorzugt, wobei die Verwendung von Gasgemischen
ebenfalls denkbar und möglich wäre.
[0015] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung
erläutert. In dieser zeigt die einzige Fig. eine stark schematisierte Darstellung
einer Einrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
[0016] Die in der Fig. schematisch dargestellte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist drei Bereiche auf. Dem primären lonisationsbereich A wird durch eine
Zuführung 1 ein Quellgas zugeführt. Im lonisationsbereich A ist eine nicht im Einzelnen
dargestellte lonenquelle bzw. lonisationseinrichtung 2 angeordnet. Die primäre lonisation
des Quellgases erfolgt z. B. durch Elektronenemission aus einem Filament, durch ionisierende
Strahlung (z. B. α-Teilchen), durch eine elektrische Entladung oder andere lonisationsverfahren.
Die Wahl des primären lonisationsverfahrens ist für die gegenständliche Erfindung
nicht relevant.
[0017] Als Quellgas wird ein Reingas, z.B. Wasserstoff (H
2), oder ein Gasgemisch, z.B. H
2-Argon (Ar) oder Stickstoff (N
2)-Distickstoffmonoxid (N
2O), verwendet. Totaldruck und Partialdrücke hängen von der Wahl des lonisationsverfahrens
(Niederdruck- oder Hochdruck-lonenquelle) ab.
[0018] Im primären lonisationsbereich A existiert eine Vielzahl von Spezies (lonen, Elektronen,
Atome, Moleküle, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle).
[0019] Durch Anlegen eines elektrischen Feldes geeigneter Polarität werden entweder positive
oder negative lonen durch eine Blendenöffnung 3 in einer Zwischenwand 4 in den Zwischenbereich
B extrahiert. Der erzeugte lonenstrom ist in der Regel nicht selektiv, d.h. er besteht
im Allgemeinen aus verschiedenen lonensorten:
Im Fall von H2 als Quellgas besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener lonen
aus H+, H2+, H3+ und H3+·H2.
Im Fall eines H2-Ar-Gemisches besteht der extrahierbare positive lonenstrom einfach geladener lonen
aus Ar+, Ar2+, ArH+, ArH2+, ArH2+, H+, H2+, H3+, H3+•H2.
Im Fall eines N2-N2O-Gemisches besteht der extrahierbare negative lonenstrom aus vornehmlich O--lonen, mit Spuren von NO--lonen. (vgl. ref2: A.P. Bruins et al., Adv. Mass Spectrom. 7, 355, 1978)
[0020] Die Relativanteile der beispielhaft angeführten, extrahierbaren lonensorten hängen
von verschiedenen Quellparametern (Totaldruck des Quellgases bzw. Partialdrücke der
verschiedenen Quellgaskomponenten, Temperatur, u.a.) ab. Neben einfach geladenen lonen
können - in Abhängigkeit von der lonenquelle und vom Quellgas - auch mehrfach geladene
lonen auftreten und extrahiert werden.
[0021] Der Zwischenbereich B wird mit dem Quellgas (Totaldruck > 0,01 mbar, Teilchengasdichte
N
B) gespeist. Die Speisung kann durch aus dem lonisationsbereich A in den Zwischenbereich
strömendes Quellgas erfolgen. Es kann auch eine in der Fig. nicht dargestellte separate
Zuführung vorhanden sein. Der Druck des Quellgases im Zwischenbereich B kann ähnlich
oder gleich wie der Druck des Quellgases im lonisationsbereich A sein. Im Zwischenbereich
B wird durch Elektroden 5 ein elektrisches Feld der Feldstärke E
B angelegt. Der Zwischenbereich befindet sich auf einer Temperatur T
B.
[0022] Im Zwischenbereich B wechselwirken die aus dem primären lonisationsbereich A extrahierten
Ionen mit dem Quellgas. Das Spektrum an Wechselwirkungen umfasst binäre lonen-Molekül-Reaktionen
(z.B. H
2+ + H
2 → H
3+ + H), ternäre lonen-Molekül-Reaktionen (z.B. H
+ + H
2 + H
2 → H
3+ + H
2), stoßinduzierte Dissoziationsreaktionen (z.B. H
3+•H
2 + H
2 → H
3+ + H
2 + H
2), sowie An- und Abregungsreaktionen (z.B. (H
2+)
* + H
2 → H
2+ + H
2)
[0023] Die Parameter E
B/N
B und T
B definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es
möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen oder zu unterdrücken.
[0024] Durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen wird der, aus zahlreichen lonensorten
bestehende, aus dem primären lonisationsbereich A extrahierte lonenstrom in einen
selektiven lonenstrom im Wesentlichen einer nicht mit dem Quellgas reagierenden lonensorte
oder einen lonenstrom aus im Wesentlichen mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden
lonensorten umgewandelt. Diese ein oder mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden
lonensorten, d.h. sie sind gegenüber dem Quellgas "stabil", werden in dieser Schrift
als "Quell-lonensorten" bezeichnet. Am Ausgang des Zwischenbereichs B, zu dem der
Ionenstrom durch das elektrische Feld E
B geführt wird, besteht der lonenstrom vorzugsweise zu mindestens 90% aus der einen
oder mehreren Quell-lonensorten, wobei ein Wert von mindestens 95% besonders bevorzugt
ist.
[0025] Am Ausgang des Zwischenbereichs könnte der Anteil an Ionen der Quell-lonensorten
auch niedriger als der angegebene Wert von vorzugsweise 90% bzw. 95% sein, beispielsweise
wenn am Ausgang des Zwischenbereichs noch ein Anteil von Clusterionen (z. B. H
3+.H
2) vorhanden ist, welcher erst im weiter unten beschriebenen Reaktionsbereich C durch
Dissoziationsreaktionen in lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten (plus neutrales
Quellgas) umgewandelt wird, indem im Reaktionsbereich C ein elektrisches Feld mit
einer ausreichenden Feldstärke zur Durchführung der erforderlichen stoßinduzierten
Dissoziationsreaktionen angelegt wird.
[0026] Die Werte von E
B/N
B und T
B variieren je nach Anwendungsbeispiel. Denkbar und möglich wäre es auch zur Verbesserung
der Effizienz der im Zwischenbereich B ablaufenden Dissoziationsreaktionen dem Quellgas
ein zusätzliches Gas (z. B. Ar, Kr oder N
2) zuzumischen, welches nicht mit den in den Zwischenbereich extrahierten Ionen über
lonen-Molekülreaktionen reagiert sondern nur als Stoßpartner dient.
[0027] Im Fall von H
2 als Quellgas entsteht ein selektiver H
3+-lonenstrom. Es laufen hierbei lonen-Molekülreaktionen folgender Art ab:
[0028] Durch das angelegte elektrische Feld laufen weiters Dissoziationsreaktionen ab, welche
gegenüber den Assoziationsreaktionen überwiegen und durch die die Bildung von Clusterionen
weitgehend rückgängig gemacht wird, bzw. ihre Bildung von vornherein verhindert wird:
[0029] Im Fall eines H
2-Ar-Gemisches als Quellgas entsteht ebenfalls ein selektiver H
3+lonenstrom (vgl. ref3: Praxmarer et al., J. Chem. Phys. 100 (12), 8884-8889, 1994).
Auch bei anderen Quellgasgemischen von H
2 mit einem Reingas X, dessen Protonenaffinität kleiner als die von H
2 ist wird als Quell-lonensorte H
3+ gebildet. Falls die Protonenaffinität der Komponente X größer als die von H
2 ist, entstehen XH
+-lonen als Quell-lonensorte.
[0030] Im Fall des N
2-N
2O-Quellgasgemisches werden die Reaktionsbedingungen so gewählt, dass ein selektiver
O
--Ionenstrom erhalten bleibt (ref2).
[0031] Der Zwischenbereich B ist von herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung
eines selektiven lonenstroms bereits bekannt (er entspricht den Bereichen B und C
der AT 001 637 U1 und AT 406 206 B) und wird auch als "source drift region" bezeichnet.
Der Zwischenbereich B könnte auch in zwei Unterbereiche B1 und B2 aufgeteilt sein.
Im Bereich B1 würde dann das Quellgas vorliegen, die elektrische Feldstärke aber zu
klein für Dissoziationsreaktionen sein. Im anschließenden Bereich B2 würde eine höhere
Feldstärke vorliegen, um die Dissoziationsreaktionen hervorzurufen.
[0032] Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die entstandenen lonen der ein oder
mehreren Quell-lonensorten durch eine Blendenöffnung 6 in einer Zwischenwand 7 in
den Reaktionsbereich C extrahiert.
[0033] Im Reaktionsbereich C wird ein zusätzlicher, vom Quellgas in seiner chemischen Zusammensetzung
verschiedener, reaktiver Stoßpartner beigemengt, der im Rahmen dieser Schrift als
Reaktantgas bezeichnet wird. Das Reaktantgas kann von einem Reingas oder einem Gasgemisch
gebildet werden. Der Totaldruck im Reaktionsbereich C beträgt mehr als 0,01 mbar (Teilchengasdichte
N
c). Die Partialdrücke von Quellgas und Reaktantgas variieren in Abhängigkeit vom verwendeten
Quell- und Reaktantgas. Die Beimengung des Reaktantgases erfolgt durch eine in der
Fig. schematisch dargestellte Zuführung 8. Mittels Elektroden 9 wird ein elektrisches
Feld der Feldstärke E
c angelegt. Der Reaktionsbereich C befindet sich auf einer Temperatur T
c.
[0034] Durch lonen-Molekül-Reaktionen mit dem Reaktantgas wird der aus dem Zwischenbereich
B extrahierte lonenstrom - vorzugsweise bestehend im Wesentlichen aus der einen oder
mehreren Quell-lonensorten - in einen Ausgangs-lonenstrom umgewandelt, der im Wesentlichen,
d. h. zu mehr als 90%, vorzugsweise zu mehr als 95% aus einer einzigen lonensorte
besteht. In der Praxis können Werte von bis zu mehr als 99% erreicht werden. Besteht
der aus dem Zwischenbereich B extrahierte lonenstrom aus mehr als einer Quell-lonensorte,
so gelingt die Umwandlung in den im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte
bestehenden Ausgangs-lonen-strom dadurch, dass aus den Reaktionen der verschiedenen
Quell-lonensorten mit dem Reaktantgas nur eine einzige Produktionensorte hervorgeht.
[0035] Die Parameter E
c/N
c und T
c definieren die Reaktionsbedingungen, d.h. durch Variation dieser Parameter ist es
möglich, gewisse Reaktionskanäle zu bevorzugen und andere zu unterdrücken, um einen
selektiven Ausgangs-lonenstrom einer lonensorte zu erzeugen. Beispielsweise können
durch geeignete Wahl der Feldstärke des Feldes E
c Dissoziationsreaktionen bewirkt werden, um die Bildung von Clusterionen rückgängig
zu machen bzw. ihre Bildung von vorneherein zu verhindern. Zur Verbesserung der Effizienz
solcher Dissoziationsreaktionen könnte in den Reaktionsbereich C auch ein zusätzliches
Gas zugemischt werden, welches nicht mit den im Reaktionsbereich C vorhandenen Ionen
über lonen-Molekülreaktionen reagiert, sondern nur als Stoßpartner dient.
[0036] Durch das elektrische Feld E
c werden die lonen durch den Reaktionsbereich C zum Ausgang 10 geführt.
[0037] Durch die Elektroden 5 im Zwischenbereich B und/oder durch die Elektroden 9 im Reaktionsbereich
C wird bevorzugterweise ein elektrostatisches Potential erzeugt. Es ist hierbei bevorzugt,
dass im Zwischenbereich B und/oder im Reaktionsbereich C ein homogenes elektrisches
Feld E
B bzw. E
c erzeugt wird. Durch die Homogenität des elektrischen Feldes E
B bzw. E
c können die Reaktionsbedingungen in vorteilhafter Weise manipuliert werden, d.h. gewisse
Reaktionskanäle bevorzugt oder unterdrückt werden.
[0038] Durch den Wechsel des Reaktantgases können auf einfachem, schnellem Wege unterschiedliche
selektive Ausgangs-lonenströme (d. h. im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte
bestehende Ausgangs-lonenströme) erzeugt werden, welche z.B. als Primärionen für chemische
lonisationsverfahren genutzt werden können. Solche chemische lonisationsverfahren
werden zum Beispiel bei der lonen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS) oder
der Protonentausch-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS) eingesetzt. Es wird dabei
ein zu untersuchendes Substanzgas mittels des Ausgangs-lonenstroms in einer Drift
Tube ionisiert und in der Folge massenspektrometrisch untersucht. Der Reaktionsbereich
C bleibt dabei aber im Wesentlichen frei von dem zu untersuchenden Substanzgas, d.h.
der Partialdruck des Substanzgases im Reaktionsbereich C beträgt weniger als 1/10
des Partialdruckes des Substanzgases in der Drift Tube. Im Reaktionsbereich C sollen
abgesehen von den Komponenten des Quell- und Reaktionsgases bevorzugterweise weniger
als 50 ppm an anderen reaktiven Komponenten (=reaktiven Verunreinigungen) vorliegen
(die beispielsweise von rückströmenden Komponenten eines zu analysierenden Substanzgases
gebildet werden), wobei ein Wert von weniger als 25 ppm besonders bevorzugt ist. Nicht
reaktive Komponenten (z.B. Stickstoff) können dagegen mit höheren Anteilen vorliegen.
[0039] Die lonensorte am Ausgang 10 unterscheidet sich von der einen bzw. den mehreren Quell-lonensorten.
[0040] Falls als Quell-lonensorte am Ausgang des Zwischenbereichs B H
3+-lonen extrahiert werden, so sind aus diesen beispielsweise Ausgangs-lonenströme erzeugbar,
welche als jeweils im Wesentlichen einzige lonensorte folgende lonen aufweisen: N
2H
+, H
3O
+, NO
+, NH
4+. Reaktantgase, welche mit dem H
3+-lonenstrom aus dem Zwischenbereich B zu der jeweiligen, den Ausgangs-lonenstrom bildenden
einzigen lonensorte reagieren, sind:
Stickstoff (N2) |
H3+ + N2 → N2H+ + H2 |
entstehender selektiver Ausgangs-lonenstrom |
N2H+ |
|
Wasser (H2O) |
H3+ + H2O → H3O+ + H2 |
entstehender selektiver Ausgangs-Ionenstrom |
H3O+ |
|
Stickstoffmonoxid (NO) |
H3+ + NO → HNO+ + H2
HNO+ + NO → NO+ + HNO |
entstehender selektiver Ausgangs-lonenstrom |
NO+ |
|
Ammoniak (NH3) |
H3+ + NH3→ NH4+ + H2 |
entstehender selektiver Ionenstrom: NH
4+
[0041] Ein selektiver OH
--Ausgangs-Ionenstrom kann aus dem aus dem Zwischenbereich B extrahierten O
--lonenstrom mittels der Reaktantgase Methan (CH
4)oder H
2 gewonnen werden:
[0042] Falls als Quell-lonensorte XH
+-lonen vorliegen, wobei X eine Komponente des Quellgases ist, dessen Protonenaffinität
größer als H
2 ist, so entsteht mit N
2 als Reaktantgas als Ausgangs-lonenstrom N
2H
+, wenn die Protonenaffinität der Komponente X kleiner als diejenige von N
2 ist. Mit H
2O als Reaktantgas entsteht, falls die Protonenaffinität von X kleiner als die Protonenaffinität
von H
2O ist, als im Wesentlichen einzige lonensorte des Ausgangsionenstroms H
3O
+.
[0043] Grundsätzlich wäre es auch denkbar und möglich, dass der Zwischenbereich B entfällt.
Die Reaktionen der im lonisationsbereich gebildeten lonen zu der nicht mit dem Quellgas
reagierenden Quell-lonensorte bzw. den mehreren nicht mit dem Quellgas reagierenden
Quell-lonen-sorten könnte dann entweder schon im lonisationsbereich im Wesentlichen
vollständig ablaufen und/oder nach der Extraktion der (nicht oder nur teilweise zu
den ein oder mehreren Quell-lonensorten reagierten) Ionen aus dem lonisationsbereich
in den Reaktionsbereich C in diesem durch den vorhandenen Partialdruck an Quellgas
weiterlaufen. Es sollen dabei solche Verhältnisse vorliegen, dass das Reaktantgas
nicht mit den Vorläufer-Produkten der ein oder mehreren Quell-lonensorten reagiert
und/oder mit dem Reaktantgas reagierende Vorläufer-Produkte werden mit einem geeigneten
Zusatzgas in nicht störende Ionen reagieren gelassen.
[0044] Auch bei vorhandenem Zwischenbereich B wäre es denkbar und möglich, dass die Vervollständigung
der Reaktionen zu den ein oder mehreren Quell-lonensorten erst im Reaktionsbereich
C stattfindet.
[0045] Es können sich somit die Bereiche A und B zumindest teilweise überdecken oder es
können sich die Bereich B und C teilweise überdecken, soweit sich B nicht mit A überdeckt.
Jedenfalls befindet sich der Reaktionsbereich C außerhalb des lonisationsbereiches
A (d. h. außerhalb des Bereiches, in welchem das bei der lonisation des Quellgases
entstehende Plasma vorliegt). Der Reaktionsbereich C ist somit vom lonisationsbereich
A räumlich getrennt und es wird eine Rückführung von Reaktantgas aus dem Reaktionsbereich
C in den lonisationsbereich A im Wesentlichen unterbunden.
Legende zu den Hinweisziffern:
[0046]
- 1
- Zuführung
- 2
- lonisationseinrichtung
- 3
- Blendenöffnung
- 4
- Zwischenwand
- 5
- Elektrode
- 6
- Blendenöffnung
- 7
- Zwischenwand
- 8
- Zuführung
- 9
- Elektrode
- 10
- Ausgang
1. Verfahren zur Gewinnung eines im Wesentlichen nur aus einer einzigen lonensorte bestehenden
Ausgangs-lonenstroms, wobei bei der lonisation eines Quellgases in einem lonisationsbereich
(A) gebildete lonen und/oder aus dem lonisationsbereich (A) extrahierte lonen solange
in einem Bereich (A, B, C), in welchem sich Quellgas befindet, reagieren gelassen
werden, bis im Wesentlichen nur noch eine oder mehrere Quell-lonensorten vorliegen,
die nicht mit dem Quellgas reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass einem Reaktionsbereich (C), der sich außerhalb des lonisationsbereiches (A) befindet
und in dem lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten vorhanden sind, ein vom Quellgas
sich unterscheidendes Reaktantgas zugeführt wird, welches mit den lonen der ein oder
mehreren Quell-lonen-sorten reagiert, wobei die lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten
im Wesentlichen in die den Ausgangs-lonenstrom bildende einzige lonensorte umgewandelt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückströmung des Reaktantgases vom Reaktionsbereich (C) in den lonisationsbereich
(A) im Wesentlichen unterbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem lonisationsbereich (A) extrahierten lonen in einen Zwischenbereich (B)
geführt werden, in welchem sie solange belassen werden, bis sich durch lonen-Molekül-Reaktionen
mit im Zwischenbereich vorhandenem Quellgas auch die zunächst noch von der ein oder
mehreren Quell-lonensorten verschiedenen Ionen im Wesentlichen in lonen der ein oder
mehreren Quell-lonensorten oder Clusterionen hiervon umgewandelt haben.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zwischenbereich (B) lonen der ein oder mehreren Quell-lonensorten oder Clusterionen
hiervon in den Reaktionsbereich (C) extrahiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem lonisationsbereich extrahierten lonen unmittelbar in den Reaktionsbereich
(C) geführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsbereich (C) auch Quellgas zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Reaktionsbereiches (C) benachbarten Abschnitt
ein elektrisches Feld (Ec) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus der lonensorte
des Ausgangsionenstroms verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dem Ausgang des Zwischenbereichs (B) benachbarten Abschnitt ein
elektrisches Feld (EB) einer Stärke angelegt wird, durch welches die Bildung von Clusterionen aus den ein
oder mehreren Quell-lonensorten verhindert wird bzw. rückgängig gemacht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Quell-lonensorte gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Bereich (A, B, C), in welchem die im lonisationsbereich (A) gebildeten
lonen und/oder aus dem lonisationsbereich (A) extrahierten lonen zu den ein oder mehreren
Quell-lonensorten reagieren gelassen werden, Quellgas mit einem Druck von mindestens
1 Pascal vorhanden ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung von jeweils im Wesentlichen nur einer einzigen lonensorte bestehenden
Ausgangs-lonenströmen, die sich in der lonensorte unterscheiden, dem Reaktionsbereich
(C) in Abhängigkeit von der zu bildenden lonensorte des Ausgangs-lonenstroms verschiedene
Reaktantgase zugeführt werden, wobei vor der Zuführung eines jeweiligen Reaktantgases
der Reaktionsbereich (C) zur Entfernung von vorausgehend eingesetztem unterschiedlichen
Reaktantgas abgepumpt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsbereich (C) angelegte elektrische Feld (Ec) elektrostatisch und homogen ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zwischenbereich (B) angelegte elektrische Feld (EB) elektrostatisch und homogen ist.