Verfahren und Vorrichtung zur zeitlichen und räumlichen Koordination der Prozessabläufe einer Felddesorptions-Ionisierung

Abstract

 Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur zeitlichen und räumlichen Koordination der Prozeßabläufe des Felddesorptions-lonisierungsverfahrens mit Hilfe einer Vorrichtung, in der alle Prozeßschritte des Verfahrens simultan ablaufen. Die Prozeßschritte "Feldelektrodenaktivierung", "Beladen der aktivierten Feldelektroden mit Analysensubstanz", "lonisierung der Analysensubstanz durch Felddesorption" und "Reinigung der benutzten Feldelektroden" werden in aufeinander abgestimmten Prozeßschritten gleichzeitig an mehreren Feldelektroden in einem Gehäuse (7,27) durchgeführt, das mindestens vier mit einer Axialbohrung (6,26) verbundene Prozeßkammern (9-12, 29-32) besitzt, in die die auf einem in der Axialbohrung beweglichen Träger (1,21) angeordneten Feldelektroden (4) abdichtend hineinragen. Die genannten Prozeßschritte werden von jeder Elektrode in einem Cyclus durchlaufen, der voll automatisch steuerbar ist. Die simultane Durchführung der Prozeßschritte bewirkt, daß die Felddesorptionsmassenspektren mit jeweils frisch aktivierten Feldelektroden aufgenommen werden und der Feldelektrodenwechsel nach jeder Messung in Sekundenschnelle erfolgt.

Beschreibung

[0001] Verfahren und Vorrichtung zur zeitlichen und räumlichen Koordination der Prozeßabläufe einer Felddesorptions-Ionisierung.

[0002] Die Felddesorptions-Ionisierungstechnik ist eine bekannte, für die Massenspektrometrie entwickelte, weltweit verbreitete Methode zur schonenden Ionisierung von thermolabilen, schwer flüchtigen Substanzen. Der Nachteil der Methode liegt vor allem darin, daß das Verfahren zeitraubend ist und viele Eingriffe des Bedienungspersonals erfordert.

[0003] Die Feldelektroden müssen in einer eigenen Vorrichtung durch einen "Aktivierung" (Züchtung der Dendriten) genannten chemischen Prozeß präpariert werden, der je nach Verfahren einen Zeitraum von 10 Minuten bis zu mehreren Stunden beansprucht. Nach der Aktivierung muß die Feldelektrode der Aktivierungsapparatur entnommen und außerhalb der Apparatur mit der zu untersuchenden Analysensubstanz beladen werden. Sodann muß die beladene Feldelektrode in die Ionenquelle geschleust werden, in der Hochvakuum herrscht und die Untersuchung der Analysensubstanz eingeleitet wird. Nach der Untersuchung muß die verwendete Feldelektrode aus der Ionenquelle ausgeschleust werden und kann nach einer gründlichen Reinigung neu aktiviert werden.

[0004] Das Felddesorptions-Ionisierungsverfahren erfordert für einen Meßvorgang von der Aktivierung einer Feldelektrode bis zu ihrer Reinigung für die nächste Aktivierung nicht nur viel Zeit, sondern auch eine große Zahl von Handgriffen und Maßnahmen des die Analyse durchführenden Personals. Das Verfahren ist in dieser Form nicht voll automatisierbar. Eine direkte Kopplung an ein repetitiv (z.B, Fraktionssammler oder automatischer Probengeber) oder kontinuierlich (z.B. Hoohdruck-Flüssigkeitschromatograph) arbeitendes Gerät ist nicht möglich.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur zeitlichen und räumlichen Koordination der Prozeßabläufe des Felddesorptions-Ionisierungsverfahrens zu schaffen mit Hilfe einer Vorrichtung, in der alle Prozeßabläufe des Felddesorptions-Ionisierungsverfahrens integriert sind.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, durch das die Prozesse "Aktivierung der Feldelektrode", "Beladen der aktivierten Feldelektrode mit Analysensubstanz", "Ionisierung der Analysensubstanz an der aktivierten Feldelektrode" und "Reinigung der zur Ionisierung benutzten Feldelektrode" in unmittelbar aufeinander folgenden, zeitlich aufeinander abgestimmten Prozeßschritten an mehreren Feldelektroden oder diskreten Feldelektrodensegmenten simultan durchgeführt werden.

[0007] Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung, bei der in einem Gehäuse mindestens vier Kammern angeordnet sind, derart, daß diese Kammern an ihrem unteren Ende eine Öffnung zu einer im Gehäuse liegenden Axialbohrung besitzen, daß in der Axialbohrung ein Körper gleichzeitig Träger der Feldelektroden zur Abdichtung der Kammern gegeneinander einführbar ist, und daß allen Kammern Anschlüsse zum Evakuieren und zum Gaseinleiten zugeordnet sind.

[0008] Die Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung erfolgt im einzelnen an Hand von Ausführungsbeispielen, bei denen das zuerst beschriebene Beispiel einzelne Feldelektroden und das zweite Beispiel Feldelektrodensegmente als diskrete Abschnitte eines langen, dünnen Drahtes als Basis hat.

[0009] In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein zylindrischer Körper 1 , beispielsweise ein Keramikrohr, als Transportkörper, dessen äußere Mantelfläche 2 als "endlose" Transportfläche wirkt, in deren Vertiefung 3 die Feldelektroden 4 mit ihren Halterungen 5 eingelassen sind. Der Körper 1 und die zylindrische Bohrung 6 eines kompakten Gehäuses 7 sind so dimensioniert, daß die Körper 1 vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung gleitend in die Bohrung 6 eingeführt werden kann und an der Wandung 8 der Bohrung 6 dicht anliegt.

[0010] Das Gehäuse 7 weist zahlreiche Bohrungen 9 bis 16 auf, die sich in ihren Abmessungen und Funktionen deutlich unterscheiden um im folgenden prinzipiell beschrieben werden.

[0011] Entsprechend der Anzahl der vier in den Körper 1 inkorporierten Feldelektroden 4 werden vier rechtwinklig zu einander versetzt angebrachte große Bohrungen 9 bis 12 und jeweils zwischen diesen insgesamt vier kleine Bohrungen 13 bis 16 vorgesehen. In Verbindung mit den Vertiefungen 3 stellen die großen Bohrungen 9 bis 12 die einzelnen Prozeßräume dar, in denen die in den vier folgenden Abschnitten beschriebenen Prozesse simultan ablaufen.

[0012] In Bohrung 9 wird eine zuvor in Bohrung 12 gereinigte Feldelektrode 4 dadurch aktiviert, daß auf der Elektrode 4 aus einer zugeführten Gasphase in an sich bekannter Weise Teilchen der Gasphase als dendritische Mikronadeln abgeschieden werden. Die Hilfsmittel für die Abscheidung sowie die Stromzufuhr zu den einzelnen Elektroden 4 sind der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet.

[0013] In Bohrung 10 wird eine zuvor in Bohrung 9 aktivierte Feldelektrode 4 mit der flüssigen Analysenlösung betropft, während gleichzeitig in Bohrung 9 eine andere Elektrode 4 aktiviert wird. Bei der Verdunstung des Lösungsmittels verbleibt die Analysensubstanz auf den Dendriten der aktivierten Elektrode 4 , so daß die Elektrode 4 auf diese Weise mit Analysensubstanz beladen wird.

[0014] In Bohrung 11 wird die zuvor in Bohrung 10 auf der aktivierten Feldelektrode 4 deponierte Analysensubstanz durch Ionisierung der Analyse zugänglich gemacht. Die Ionisierung erfolgt durch Felddesorptions-Ionisierung, Laser-Ionisierung, Chemische Ionisierung oder ein geeignetes anderes Festkörper-Ionisierungsverfahren.

[0015] In Bohrung 12 wird eine zuvor in Bohrung 11 zur Ionisierung benutzte Feldelektrode 4 von den dendritischen Mikronadeln und evtl. an diesen haftenden Resten der Analysensubstanz befreit. Diese sogenannte Reinigung der Feldelektrode 4 kann mechanisch durch Abstreifen der Dendriten erfolgen oder zweckmäßiger durch Abbrennen der Dendriten in einer elektrischen Entladung.

[0016] Nachdem die in den vier vorangehenden Abschnitten beschriebenen Elektrodenprozesse ausreichend lange, beispielsweise 10 Minuten lang, abgelaufen sind, wird der Körper 1 um 90^o gedreht, so daß die in Bohrung 9 aktivierte Elektrode 4 zum Beladeraum der Bohrung 10, die in Bohrung 10 mit Analysensubstanz beladene Elektrode 4 in den Ionisierungsraum der Bohrung 11, die in Bohrung 11 zum Ionisieren benutzte Elektrode 4 in den Reinigungsraum der Bohrung 12 und die in Bohrung 12 gereinigte Elektrode 4 erneut in den Aktivierungsraum der Bohrung 9 gelangen.

[0017] Während der Drehung des Körpers 1 gleiten alle Elektroden 4 gleichzeitig an den Bohrungen 13 bis 16 vorbei, durch welche die in den Vertiefungen 3 verbliebenen Gasreste des vorangegangenen Prozesses vor dem Erreichen des jeweils nächst folgenden Prozeßraums 9 bis 12 weitgehend abgesaugt werden. Die Gasanschlüsse und Absaugleitungen sind der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet.

[0018] Die Steuerung der einzelnen Prozesse, ihre Unterbrechung und die Drehbewegung des Körpers 1 zwischen den sich wiederholenden Prozeßabläufen kann in einfacher Weise beispielsweise durch eine geeignete Schaltuhr oder auf elektronischem Wege erfolgen.

[0019] Die Bohrung 6 wird während des Betriebs beidseitig durch einen festen Verschluß bzw. durch einen Deckel verschlossen, in die der Durchgriff für den Antrieb der Drehbewegung des Körpers 1 und Durchführungen für elektrische Zuleitungen integriert sein können.

[0020] Zur Erfassung von gasförmigen Substanzen wird erfindungsgemäß in einer oder mehreren Vertiefungen 3 des Körpers 1 eine Einrichtung zur Elektronenstoß-Ionisierung und/oder zur chemischen Ionisierung eingebracht. Das gleiche läßt sich auch gemäß Fig. 2 in die Vertiefungen 29; 30; 31; 32 des Körpers 21 einbringen.

[0021] Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen nicht prinzipiell, sondern nur durch die Art der Feldelektroden. Die unterschiedlichen Aufgaben, die die vier Feldelektroden 4 in den Prozeßräumen bewältigen, werden in dem zweiten Ausführungsbeispiel von diskreten Segmenten 41 eines zusammenhängenden dünnen Drahts 24 in den Prozeßräumen 29 bis 32 wahrgenommen. Der Draht 24 wird dabei von dem stationären, zylinderförmigen, seitlich geschlitzten Körper 21 in einer radial umlaufenden Kerbe 23 durch die Prozeßräume 29 bis 32 geführt. Als Transportkörper wirkt nicht der Körper 21, sondern der Draht 24, der beispielsweise von einer Vorratsspule 20 abgewickelt und auf eine motorisch antreibbare Leerspule 25 aufgewickelt oder gem. Fig. 3 in Form einer endlosen Drahtschleife von den Führungs- und Antriebsrollen 17 bis 19 um das Rohr 21 in Pfeilrichtung durch die Kerbe 23 gezogen wird.

[0022] Hierbei treten prinzipiell die gleichen Prozeßräume auf wie zuvor erwähnt.

[0023] Raum 29 wirkt als Aktivierungsraum, Raum 30 wirkt als Beladeraum, Raum 31 ist der Ionisierungsraum und Raum 32 ist der Reinigungsraum. Diese Räume wirken genauso wie die entsprechenden Räume im ersten Beispiel.

[0024] In den Räumen 29 bis 32 laufen an diskreten Drahtsegmenten 41 prinzipiell die gleichen Prozesse simultan ab. Jedes beliebige, beispielsweise etwa 1 mm lange Segment 41 des Drahts 24 wird auf diese Weise sukzessive in Raum 29 aktiviert, in Raum 30 mit Analysensubstanz beladen, in Raum 31 zur Ionisierung der Analysensubstanz benutzt und schließlich in Raum 32 von den Dendriten und von möglichen Substanzresten befreit. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel müssen die Räume 29 bis 32 nicht im rechten Winkel bzw. in gleichen Abständen zu einander angeordnet sein. Es genügt, wenn die Abstände der Räume 29 bis 32 zu einander jeweils ganzen Vielfachen der als Feldelektroden dienenden Drahtsegmenten 41 entsprechen und genügend Zwischenraum für die Absaugbohrungen 33 bis 40 belassen. Die Bohrungen 33 bis 38 werden gemeinsam von einem Pumpsystem evakuiert und sollen verhindern, daß Gase von einem der Prozeßräume 29 bis 32 in den jeweils benachbarten Prozeßraum gelangen. Die Bohrungen 39 und 40 werden von einem weiteren Pumpsystem differentiell zu den Bohrungen 33 bis 38 abgepumpt, so daß in Raum 31 trotz einer gewissen Leckrate durch die Kerbe 23 das Hochvakuum aufrecht erhalten werden kann, das für die Ionisierung im allgemeinen erforderlich ist.

[0025] Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel liegt die Wandung 22 des Körpers 21 dicht an der Wandung 28 der Bohrung 26 des Metallblocks 27 an. Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung oder bei einem Wechsel des Drahts 24 wird der Körper 21 in die Bohrung 26 eingeführt. Während des Betriebs ist die Bohrung 26 fest verschlossen. In den Verschluß können die Durchgriffe für den Antrieb zur Bewegung des Drahts 24 und Durchführungen für elektrische Zuleitungen inkorporiert sein.

Ansprüche

1. Verfahren zur zeitlichen und räumlichen Koordination der Prozeßabläufe des Felddesorptions-Ionisierungsverfahrens zwecks Automation, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozesse "Aktivierung der Feldelektrode"; "Beladen der aktivierten Feldelektrode mit Analysensubstanz"; "Ionisierung der Analysensubstanz an der aktivierten Feldelektrode" und "Reinigung der zur Ionisierung benutzten Feldelektrode" in unmittelbar aufeinander folgenden, zeitlich aufeinander abgestimmten Prozeßschritten an mehreren Feldelektroden oder diskreten Feldelektrodensegmenten simultan durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionisierung der Analysensubstanz an den in prinzipiell gleicher Weise behandelten Drähten oder Drahtsegmenten durch ein Festkörper-Ionisierungsverfahren ausgeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet , daß in einem Gehäuse (7 oder 27) mindestens vier Prozeßräume (9 - 12 und 29 -32) angeordnet sind, derart, daß diese Prozeßräume an ihrem unteren Ende Öffnungen zu einer im Gehäuse liegenden Axialbohrung (6 und 26) besitzen, daß in der Axialbohrung ein Körper (1 oder 21) gleichzeitig als Träger der Feldelektroden (4) oder des als Feldelektrodensegmente (41) wirkenden Drahts (24) zur Abdichtung der Kammern gegeneinander einführbar ist und daß allen Prozeßräumen Anschlüsse zum Evakuieren und zur Gaseinleitung zugeordnet sind,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein oder mehrere Räume (3; 29; 30; 31; 32) mit einer Einrichtung zur Elektronenstoß-Ionisierung und/oder zur chemischen Ionisierung ausgerüstet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , daß der Träger (1) als zylindrischer Körper ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zylindrische Körper (1) mindestens 4 Feldelektroden trägt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß dem zylindrischen Körper (21) ein dünner Draht (24) als diskrete Feldelektrodensegmente (41) und als gemeinsamer Transportkörper dieser Feldelektrodensegmente zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß der dünne Draht (24) ein in sich geschlossenes endloses Transportsystem bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß der dinne Draht (24) als endliches Transportsystem von einer Vorratsspule (20) abwickelbar und auf eine Leerspule (25) aufwickelbar ist.

Zeichnung