氣體分析裝置和用于進行氣體分析的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氣體分析裝置(1)，其至少具有離子遷移譜測定儀(2)，其特征在于，氣體分析裝置(1)具有對離子遷移譜測定儀(2)的反應室(5)產生作用的能量饋送裝置(50)，其被配置用于通過能量饋送操控反應室(5)中的自由反應離子的密度。本發(fā)明還涉及借助氣體分析裝置根據離子遷移譜測定法進行氣體分析的方法。
【專利說明】
氣體分析裝置和用于進行氣體分析的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及根據權利要求1所述的氣體分析裝置，其具有至少一個離子迀移譜測 定儀。本發(fā)明還涉及根據權利要求8所述的借助氣體分析裝置按照離子迀移譜測定法進行 氣體分析的方法。
【背景技術】
[0002] 本發(fā)明主要涉及氣態(tài)物質分析領域，其中，術語氣態(tài)物質應當以最寬的意義理解， 特別是還包括任意混合物。要在這些氣態(tài)物質中定性和/或定量地檢測其中包含的特定物 質。因此，在例如用于呼吸分析的醫(yī)療技術、安全技術或者對化學處理的監(jiān)視和控制/調節(jié) 中，存在對成本低廉、結構緊湊、快速并且靈敏的氣體分析裝置的迫切需要，用于對那里出 現(xiàn)的復雜的氣體混合物進行分析。在安全技術領域，例如要利用便攜式測量系統(tǒng)對環(huán)境中 的各種有害物質、例如甲苯和致癌的苯的密度進行連續(xù)監(jiān)視。所提及的物質甲苯和苯經常 共同出現(xiàn)。由于毒性不同，苯的極限值明顯小于甲苯。直到現(xiàn)在，利用已有的便攜式測量系 統(tǒng)、例如離子迀移譜測定儀不能在存在甲苯或者水的情況下對苯進行快速檢測。
[0003] 離子迀移譜測定儀（頂s，Ionenmobilit^itsspektiOmeter)具有如下優(yōu)點：其是相 對小的系統(tǒng)，其還能夠成功地用于對復雜的氣體混合物進行非?？焖俚姆治觯⑶覍τ谝?系列物質具有需要的低檢定極限。例如在US 4,777,363中描述了離子迀移譜測定儀?？上?由于橫向靈敏度，利用已知的離子迀移譜測定儀不能在混合物中使用時或者在空氣潮濕時 對多種實際重要的物質進行快速檢測。例如，在用于在存在甲苯或者水蒸氣的情況下以實 際重要的密度監(jiān)視空氣中的苯含量時，是這種情況。利用快速系統(tǒng)在事先不進行色譜預分 離的情況下不能對許多物質進行必要的定量檢定。

【發(fā)明內容】

[0004] 因此，本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種基于離子迀移譜測定法的氣體分析 裝置，其對于許多實際重要的待檢測的氣體成分具有低橫向靈敏度。此外，要提供一種對應 的用于氣體分析的方法。
[0005] 根據權利要求1，上述技術問題通過氣體分析裝置來解決，氣體分析裝置至少具有 離子迀移譜測定儀，其中，氣體分析裝置具有對離子迀移譜測定儀的反應室產生作用的能 量饋送裝置，其被配置用于通過能量饋送操控反應室中的自由反應離子的密度。自由反應 離子提供用于形成分析物離子，然后可以利用分析物離子進行離子迀移譜測定。在這種情 境下，詞語"自由"意為反應離子從與其鍵合的水分子或者其它不期望的鍵合對象釋放。通 過在反應室中針對性地進行能量饋送，可以使離子迀移譜測定法希望的自由反應離子從其 不希望的鍵合對象釋放，和/或完全或者部分地抑制希望的反應離子與不希望的鍵合對象 的鍵合。以這種方式，能夠提高反應室中的自由反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合的統(tǒng) 計概率，由此提高離子迀移譜測定法的自由反應離子的密度。
[0006] 相對于已知的單純的離子迀移譜測定儀，根據本發(fā)明的氣體分析裝置擴展了對離 子迀移譜測定儀的反應室產生作用的能量饋送裝置。能量饋送裝置可以以不同的方式實 現(xiàn)。借助能量饋送裝置饋送到反應室中的能量例如可以通過對反應室照射電磁波或者通過 熱輻射來饋送。電磁波例如可以以可見光波長范圍內或者其它波長范圍內、例如微波范圍 內的光的形式產生。有利的是，能量饋送也可以借助電場進行。
[0007] 在結構上，能量饋送裝置可以集成到離子迀移譜測定儀中、例如其反應室中或者 可以布置在其外部。
[0008] 根據本發(fā)明，氣體分析裝置具有與離子迀移譜測定儀的反應室耦合的負壓產生裝 置，其被配置用于至少在反應室中相對于大氣壓產生負壓。與此對應，至少修改離子迀移譜 測定儀，使其具有利用負壓工作的反應室。與此相反，已知的可獨立使用離子迀移譜測定儀 在大氣壓或者輕微的超壓下工作，以便通過超壓從離子迀移譜測定儀的內部室中去除雜 質。在此，負壓產生裝置可以直接或者間接地、例如經由離子迀移譜測定儀的另一個室與反 應室耦合。負壓產生裝置原則上可以具有任意結構，例如可以采用栗的形式，例如膜片式 栗、葉輪式回轉栗或者其它栗，或者可以采用鼓風機或者壓縮機的形式。在此，相對于大氣 壓產生的負壓不必呈現(xiàn)非常大的與大氣壓的壓力差，特別是不在例如在質譜儀中需要的、 通常被稱為高真空的壓力值范圍內的壓力差。根據本發(fā)明，負壓產生裝置產生2毫巴至100 毫巴范圍（絕對壓力）范圍內的負壓。這具有如下優(yōu)點:能夠實現(xiàn)具有簡單的、價格低廉的結 構的氣體分析裝置。特別是負壓產生裝置能夠利用常見的市場上能夠獲得產品來實現(xiàn)。
[0009] 本發(fā)明的這種擴展具有如下優(yōu)點：通過在反應室中產生負壓，減小存在于反應室 中的氣體混合物的粒子密度。通過減小粒子密度，可以增加粒子在反應室中能夠經過的平 均自由程。這帶來了如下可能性:通過能量饋送、例如通過電場使反應室中的粒子在兩次撞 擊之間加速為使得通過經由加速使粒子的能量加強到使得超過鍵合能，從而能夠使不希望 的粒子鍵合斷裂。由此，能夠在反應室中以更高的濃度提供希望的自由反應離子，用于化學 氣相電離，也就是說，使迄今為止與不希望的粒子鍵合的反應離子中至少較大的一部分從 不希望的粒子釋放，或者首先就完全不進入不希望的鍵合，由此以希望的純凈的反應離子 的形式來提供。這提高了反應離子與待分析的氣體成分、即所謂的分析物的反應概率。通過 化學氣相電離能夠產生大量希望的分析物離子，因為許多分析物的電離概率在未鍵合的反 應離子的數量大的情況下明顯提高，或者電離以這種形式才能夠進行。由此，能夠顯著提高 氣體分析裝置對于迄今為止利用離子迀移譜測定儀在復雜的混合物中不能檢測的多種分 析物的測量敏感度、即靈敏度。因此，以這種方式改進的氣體分析裝置適合于多種應用情 況，例如對環(huán)境空氣中的有毒成分的直接監(jiān)視、醫(yī)療技術中的呼吸分析、化學工業(yè)中、例如 在制造香水時以及其它領域、例如安全技術中的連續(xù)質量監(jiān)視。
[0010] 在所描述的離子迀移譜測定儀的一種示例性的工作方法中，例如通過電離包含在 空氣中的濕氣，來產生由電離源質子化的水離子H 30+(氧鑰(Oxonium))作為反應離子。在原 本的化學氣相電離中，然后應當在反應室中向作為氧鑰的具有較高質子親和力的分析物輸 送質子H+，由此使分析物電離。由此形成分析物離子，然后在離子迀移譜測定的進一步的進 程中對其進行分析。除了先前提及的希望的離子化過程之外，還產生不希望的競爭性的離 子化過程，其消耗反應離子或者使得不太適合于希望的離子化過程，因為其對于以這種形 式的許多反應物不再提供用于電離。在實際應用中總是出現(xiàn)的空氣濕氣使得形成水簇(H 30 + )(H20)n，其中，n=l，2,3...。這導致對關于純凈的反應離子的希望的電離的抑制。此外，具 有不同的質子親和力的分析物的同時存在導致競爭性的電離過程，由此其它物質被"遮 蔽"。其結果是，可用于分析物的電離的、不與水分子或者其它分析物鍵合的自由反應離子 的量減少，使得對于具有較低質子親和力的其它物質的測量的靈敏度降低，并且經常不能 進行檢測。利用根據本發(fā)明的氣體分析裝置，由于在反應室中產生的通過高場強的合適的 組合對反應離子的附加的能量傳輸以及由氣體壓力獲得的離子的中間自由程，使得能夠提 高不與水分子或者其它分析物鍵合的自由反應離子的密度。
[0011 ]利用根據本發(fā)明的氣體分析裝置，能夠非?？焖俚剡M行測量，由此能夠快速地重 復進行測量，而不需要對待分析的氣體混合物進行色譜預分離。測量例如可以以500HZ的頻 率進行。因此，根據本發(fā)明的氣體分析裝置能夠用于實時氣體分析。由于測量的可能的重復 率高，也可以在多個測量周期上進行平均，以改善輸出信號、特別是信噪比。
[0012] 用于抑制或者斷開不希望的鍵合的、在反應室中對反應離子的希望的能量饋送， 例如可以通過在反應室中產生電場來進行。因為作為離子還存在不希望地鍵合的分子、即 所謂的水簇，因此通過電場對其進行加速。因此，根據本發(fā)明的一個有利擴展方案設置為， 氣體分析裝置具有第一場產生裝置作為能量饋送裝置，其被配置用于在反應室中產生電 場。由此，通過增加第一場產生裝置，來相對于已知的離子迀移譜測定儀進一步修改離子迀 移譜測定儀。由于在反應室中形成負壓，結合電場能夠非常高效地使水簇斷裂，從而隨后存 在大量的希望的純凈的反應離子。電場例如可以具有每毫米30至100V范圍內的場強。形成 的水簇在這些條件下在反應室中離解。此外，由于動能高，新形成水簇的概率明顯降低。這 是可能的，因為在電場中接收到的能量超過了較大的水簇的鍵合能，由此存在的氫橋鍵被 分解。因此，平均來說，自由反應離子的密度提高。由此實現(xiàn)不同分析物的同時電離，因為競 爭性電離過程由于純凈的反應離子的高密度，直至分析物的特定濃度范圍不起決定性作 用。此外，由此還可以對具有高濕度的氣態(tài)樣本直接進行分析。
[0013] 第一場產生裝置可以布置在反應室上或者中，或者至少布置在反應室的范圍內， 使得能夠在反應室中產生希望的電場。第一場產生裝置特別地可以被配置用于產生從反應 室的電離源側區(qū)域向離子門的方向具有電勢梯度的電場。
[0014] 可以系統(tǒng)地改變存在于反應室中的場分布，使得形成不同密度的自由反應離子和 與水鍵合的反應離子。由此，能夠在不同的化學電離條件下以高重復率進行分析，由此能夠 獲得特別是關于待分析的氣體混合物中的不同物質的質子親和力的其它信息。
[0015] 除了所說明的修改之外，氣體分析裝置、特別是其離子迀移譜測定儀在其它情況 下可以像已知的離子迀移譜測定儀一樣構建。特別是，氣體分析裝置或者其離子迀移譜測 定儀至少可以具有以下部件：
[0016] a)具有電離源的電離源區(qū)域，
[0017] b)與電離源區(qū)域耦合的反應室，
[0018] c)具有漂移氣體饋送接頭的漂移室，漂移氣體饋送接頭連接到氣體饋送管線，用 于向漂移室中饋送漂移氣體，
[0019] d)在反應室和漂移室之間的能開關的離子門，
[0020] e)處于漂移室的背離離子門的一端的離子檢測器，
[0021] f)第二場產生裝置，其被配置用于在漂移室中產生電場。
[0022] 第二場產生裝置可以布置在漂移室上或者中，或者至少布置在漂移室的范圍內， 使得能夠在漂移室中產生希望的電場。第二場產生裝置特別地可以被配置用于產生從離子 門向離子檢測器的方向具有電勢梯度的電場。
[0023] 第一和/或第二場產生裝置例如可以具有依次布置在要產生的電場的希望的電勢 梯度的方向上的電極，例如布置在反應室或者漂移室中的環(huán)形電極。也可以利用在希望的 電勢梯度的方向上縱向延伸的、由具有相對高的電阻率的材料制造的、例如單環(huán)電極形式 的單電極形成第一和/或第二場產生裝置。由于電阻值相對高，也可以在縱向方向上、例如 在離子的希望的移動方向上產生希望的電場。因此，這種單環(huán)電極例如可以通過由導電玻 璃制造的圓柱體形成。第一和/或第二場產生裝置也可以具有先前提及的類型的電極的組 合。
[0024] 離子門用作分析物離子在其從反應室到漂移室中的路徑上的臨時障礙物。例如按 照一定的時間模式以脈沖方式驅動離子門，使得其打開以及關閉，并且在打開階段使分析 物離子從反應室到達漂移室中。由此，能夠與離子門的開關周期對應地預先給定氣體分析 裝置的定義的彼此分離的測量周期。
[0025] 離子門可以與已知的離子迀移譜測定儀中的離子門對應地構造，例如具有依次布 置在分析物離子的移動方向上的2個電極或者交錯(verschachtelt)布置在一個平面中的 電極。根據本發(fā)明的一個有利擴展，離子門具有在從反應室到漂移室的方向上依次布置的 至少3個電極。各電極可以與不同的電勢連接或者固定地連接。根據本發(fā)明的一個有利擴 展，能夠借助氣體分析裝置的電開關裝置對離子門的中間電極進行電勢切換。由此，借助開 關裝置，可以將中間電極從一個電勢切換到另一個電勢。這種離子門的截止效果的效率高。 另一個優(yōu)點是，通過依次布置的3個電極，可以分別成對地利用具有與相鄰的室中、即在反 應室的一側和在漂移室的另一側的場強對應的場強的電場操作彼此相鄰的電極。這又具有 如下優(yōu)點：通過在截止和打開狀態(tài)之間切換離子門，使得能夠盡可能不影響反應室和漂移 室中存在的電場。離子門的電極例如可以作為環(huán)形電極或者作為柵形電極來構造。
[0026] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，負壓產生裝置被配置用于與漂移室中的離子的漂移 方向相反地產生漂移氣體流。這具有如下優(yōu)點：能夠在不需要附加部件的情況下，引導對于 離子迀移譜測定的執(zhí)行本來就需要的漂移氣體通過漂移室。更確切地說，為此能夠一起使 用負壓產生裝置。通過所產生的漂移氣體流，不斷地饋送新鮮的漂移氣體，并且對由不希望 的粒子對漂移室的污染起反作用，因為漂移氣體流使得漂移室得到沖洗。在此，漂移氣體可 以通過過濾器凈化及干燥。
[0027] 原則上，負壓產生裝置可以連接到氣體分析裝置或者離子迀移譜測定儀的殼體的 不同位置。在本發(fā)明的一個有利構造中，反應室可以與漂移室壓力連接，也就是說，在反應 室和漂移室之間進行壓力均衡。由此，除了由于流動效應出現(xiàn)的小的壓力差之外，在反應室 中和在漂移室中存在的壓力基本上相等。因此，例如可以將負壓產生裝置連接到氣體分析 裝置的抽吸接頭。
[0028] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，負壓產生裝置具有吸入接頭，其連接到氣體分析裝 置的抽吸接頭，抽吸接頭布置在離子的漂移方向上在離子門的前面。因此，抽吸接頭例如可 以通向反應室中或者通向電離源區(qū)域中。這具有如下優(yōu)點：還能夠完全或者部分地引導漂 移氣體流通過反應室。由此，還可以針對不希望的粒子凈化反應室。這又對氣體分析裝置的 靈敏度和測量精度有好處。
[0029] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，氣體分析裝置具有流量控制器，其被配置用于饋送 漂移氣體并且連接到漂移室。這具有如下優(yōu)點：能夠向氣體分析裝置饋送可準確地調節(jié)的、 恒定的漂移氣體流。然而，在已知壓力差的情況下也可以經由恒定的流量限制調節(jié)并且保 持漂移氣體流，這使得系統(tǒng)的結構簡化。
[0030] 根據本發(fā)明，氣體分析裝置具有至少一個加熱裝置，其被配置用于對反應室和/或 漂移室進行加熱。特別地可以經由溫度控制器操作加熱裝置，以使反應室和漂移室中的溫 度保持恒定。通過這種針對性的加熱，例如可以對于強吸收氣體進一步減少氣體分析裝置 的反應時間。此外，經由加熱還可以使反應室中以及漂移室中的氣體粒子的撞擊的動能增 加，這使得反應離子的不期望的鍵合有利地減少。此外，定義的對結構的加溫防止環(huán)境溫度 對離子迀移以及對其它與溫度有關的參量產生影響。
[0031] 此外，根據權利要求8,前面提及的技術問題通過借助氣體分析裝置根據離子迀移 譜測定法進行氣體分析的方法來解決，其中，通過借助對離子迀移譜測定儀的反應室產生 作用的能量饋送裝置進行的能量饋送，操控反應室中的離子迀移譜測定法的自由反應離子 的密度，以將希望的自由反應離子從其不希望的鍵合對象釋放，和/或完全或者部分地抑制 希望的反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合。利用本方法，可以實現(xiàn)與前面針對氣體分析 裝置所描述的相同的優(yōu)點。為了執(zhí)行本方法，特別地可以使用前面描述的類型的氣體分析 裝置。
[0032] 根據本發(fā)明，通過電場使已經存在于反應室中的離子化的粒子加速，使得離子迀 移譜測定法希望的反應離子從其不希望的鍵合對象釋放，和/或完全或者部分地抑制希望 的反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合。因此，饋送的動能例如使前面描述的水簇的氫橋 鍵斷裂。還可以從一開始就抑制不希望的鍵合，其中，通常不能進行百分之百的抑制，但是 至少使不希望的鍵合的頻率明顯降低。這例如可以通過如下方法來進行:通過電場使已經 存在于反應室中的離子化的粒子加速，使得其動能超過離子迀移譜測定法希望的反應離子 和不希望的粒子之間的鍵合能。反應室中的電場例如可以由所描述的第一場產生裝置形式 的能量饋送裝置來產生。
[0033] 根據本發(fā)明，在反應室中以及在漂移室中產生在離子在漂移室中的希望的漂移方 向上的電場。反應室中的電場使存在于那里的離子加速，由此實現(xiàn)前面描述的希望的反應 離子的鍵合的分解。由于通過負壓產生的相對大的平均自由程，相對弱的、例如具有每毫米 30至100V范圍內的場強的電場對于希望的效果、由此對于可用于與質子親和力低的被分析 物質的反應的、未與水鍵合的自由反應離子的明顯增加已經足夠了。
[0034] 根據本發(fā)明，在氣體分析裝置工作期間，至少對反應室施加相對于大氣壓的負壓。
[0035] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，借助反應室中的負壓將待分析的氣體通過氣體分析 裝置的分析物進氣接頭吸入反應室中。因此，所產生的負壓可以用于其它功能，即待分析氣 體到氣體分析裝置中的饋送。由此，特別是可以向氣體分析裝置饋送穩(wěn)定的待分析氣體流。
[0036] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，將漂移氣體引入漂移室中，并且通過反應室中的負 壓與離子的漂移方向相反地引導通過漂移室。
[0037] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，以受控的方式向漂移室中饋入漂移氣體質量流。這 具有如下優(yōu)點:能夠向氣體分析裝置饋送可準確地調節(jié)的、恒定的漂移氣體流。
[0038] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，向反應室中饋入水蒸氣或者其它補充氣體。由此能 夠進一步提高或者改變可能的反應離子的量。由于由此在反應室中存在的自由反應離子的 密度高，可以同時將不同的分析物離子化，并且可以對物質的掩蔽進行反作用。此外，可以 使存在于樣本氣體中的空氣濕度的影響明顯減小，并且才使得能夠在潮濕的樣本氣體混合 物中直接檢測其中存在于水簇中的具有質子親和力的物質。作為補充氣體，特別是考慮能 夠產生變化的質子親和力的這些氣體，例如氨。
[0039] 根據本發(fā)明的一個有利擴展，在反應室中系統(tǒng)地改變能量饋送，以在不同的強鍵 合反應離子的情況下獲得關于待分析的物質的電離度的結論。可以系統(tǒng)地改變存在于反應 室中的場分布，使得形成不同密度的自由反應離子和與水鍵合的反應離子。由此，能夠在不 同的化學電離條件下以高重復率進行分析，由此能夠獲得特別是關于待分析的氣體混合物 中的不同物質的質子親和力的其它信息。
[0040] 根據本發(fā)明的氣體分析裝置可以特別有利地以下面的工作參數使用。根據本發(fā)明 的用于進行氣體分析的方法也可以對應地工作。在此，給出由第一場產生裝置產生的反應 室中的電場的場強作為場強。漂移室可以以類似的場強工作。對于壓力值，給出負壓產生裝 置在反應室中產生的絕對壓力。
[0041 ] 有利的是，場強在每毫巴絕對壓力12 · 5V/cm至每毫巴絕對壓力37 · 5V/cm的范圍 內。在此，絕對壓力與所選擇的、負壓產生裝置在反應室中產生的負壓有關。
[0042]在此，可以將負壓產生裝置產生的希望的負壓的額定值，用于確定要設置的場強。 例如可以借助壓力傳感器監(jiān)視由負壓產生裝置產生的負壓?？梢耘c由壓力傳感器確定的值 有關地執(zhí)行壓力控制，以產生反應室的恒定值的絕對壓力。替換地或者附加地，還可以與由 壓力傳感器檢測到的絕對壓力的實際值有關地跟蹤通過對第一場產生裝置或者其電壓源 進行自動控制而產生的場強。在壓力值相對于希望的絕對壓力的額定值向上偏離的情況 下，可以對應地增大場強，在壓力值向下偏離的情況下對應地減小場強。
[0043]在此，有利的是，離子迀移譜測定儀在室溫下、例如在15°C至30°C的范圍內、例如 在20°C下工作。但是，在特定應用中，對系統(tǒng)、至少對離子迀移譜測定儀進行加熱也可以是 有利的，例如加熱到30°C至70°C或者70°C至200°C的范圍內的溫度。因此，通常15至200°C的 溫度范圍是有利的。
[0044] 特別地，在這些工作條件下，根據選擇的反應室中的絕對壓力（下面以毫巴為單位 給出），可以在以下范圍內設置反應室中的電場的場強值：
[0045] 在2暈巴的情況下：25V/cm至75V/cm
[0046] 在10暈巴的情況下：125V/cm至375V/cm
[0047] 在20暈巴的情況下：250V/cm至750V/cm
[0048] 在50暈巴的情況下：625V/cm至1875V/cm
[0049] 在 100毫巴的情況下：1250V/cm至3750V/cm
【附圖說明】
[0050]下面，使用附圖根據實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0051] 其中：
[0052] 圖1以示意圖示出了氣體分析裝置的基本結構，以及
[0053] 圖2至4示出了在圖1的左側示出的部分地具有不同實施方式的電離源的氣體分析 裝置的區(qū)域，以及
[0054] 圖5示出了具有其它部件的根據圖1的氣體分析裝置，以及
[0055] 圖6和7示出了具有場產生裝置的不同設計的根據圖1的氣體分析裝置，以及
[0056] 圖8至12部分地示出了具有離子門的不同設計的根據圖1的氣體分析裝置的中間 區(qū)域，以及
[0057] 圖13示出了離子門的電極的不同實施方式，以及
[0058] 圖14以側向截面圖示出了離子迀移譜測定儀的結構設計，以及
[0059] 圖15示出了利用氣體分析裝置產生的譜圖。
[0060] 在附圖中，對于彼此對應的元素使用相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0061] 總的來說，還應當注意，圖1至4以及6至12示出了氣體分析裝置或其離子迀移譜測 定儀的結構和電氣接線，而圖5示出了同一對象的壓力管線以及氣體和其它物質的饋送的 連接。所描述的氣體分析裝置總是具有電氣接線和在圖5中示出的連接的組合，然而，為了 更清楚起見，這沒有以組合的方式再現(xiàn)。
[0062]在圖1中示出的氣體分析裝置1具有離子迀移譜測定儀2,其具有例如管狀或者筒 狀的殼體3。將殼體3劃分為電離源區(qū)域4、反應室5、離子門6、漂移室7以及離子檢測器8,其 如在圖1中示出的那樣，按照先前提及的順序一個接一個地布置。例如可以作為法拉第檢測 器構造的、例如杯狀或者金屬板形式的離子檢測器8,與連接到離子迀移譜測定儀2的電接 頭80的放大器9連接。放大器9對經由接頭80饋送的、通過對離子充電而產生的電流進行放 大，從而在放大器9的輸出端處得到譜圖10。圖1還示出了，在反應室5中以及在漂移室7中布 置有第一和第二場產生裝置的電極50、70。在所示出的實施例中，電極50、70作為環(huán)形電極 構造，其在反應室5和漂移室7內部形成環(huán)。
[0063]首先，借助圖2至4,說明根據圖1的氣體分析裝置1的電離源區(qū)域4的不同的實施方 式。圖2示出了借助于點對面幾何結構的電暈放電的電離。在此，在殼體3的左端面處插入電 離源區(qū)域4的電暈針40經由電線連接到電壓源41，電壓源41提供電暈電壓。電壓源41的另一 個接頭與柵形電極42電連接，柵形電極42布置在殼體3內部在電離源區(qū)域4中。在電暈針40 和柵形電極42之間產生電暈放電，其使得存在于那里的氣體分子電離。
[0064]在根據圖3的電離源區(qū)域4的實施方式中沒有設置柵形電極42。替代地，電壓源41 連接到反應室5的距離電離源區(qū)域4最近的環(huán)形電極50以及電暈針40。以這種方式，能夠借 助于點到環(huán)幾何結構的電暈放電實現(xiàn)電離。
[0065] 在根據圖4的電離源區(qū)域4的實施方式中，在電離源區(qū)域4中布置有電子發(fā)射器43， 利用其同樣能夠進行氣體的電離。
[0066] 氣體分析裝置1的電離源能夠以連續(xù)或者脈沖化的方式工作。
[0067] 圖5示出了經由中空管與離子迀移譜測定儀2的殼體3連接的氣體分析裝置1的其 它不同的構件。在殼體3處布置在電離源區(qū)域4中、但是例如也可以布置在反應室5的區(qū)域中 的抽吸接頭44,連接到負壓產生裝置11、例如栗的吸入接頭110。
[0068] 對于在電離源區(qū)域4中的電離所需的水分子例如可以來自于被引入到氣體分析裝 置中的環(huán)境空氣中的空氣濕度。特別地，在空氣相對干燥的情況下，可以經由水饋送接頭54 從水箱13向殼體3中、例如直接向反應室5中導入附加的水。例如水蒸氣形式的水的饋送可 以經由與水饋送接頭54連接的中空管直接從水箱13進行，或者如在圖5中所示出的，經由連 接在其之間的流量控制器12進行。通過流量控制器12,可以以限定的方式調節(jié)水饋送，并且 使其保持恒定。
[0069] 殼體3還具有分析物進氣接頭55,用于饋送分析物，即來自環(huán)境的待分析的樣本氣 體。分析物進氣接頭55例如可以通向反應室5，特別是反應室5的面對離子門6的一端。
[0070] 殼體3還具有漂移氣體饋送接頭74,其經由中空管連接到漂移氣體儲備。作為漂移 氣體，原則上可以使用各種各樣的與被分析離子的化學/物理表現(xiàn)為中性的氣體，例如氮氣 或者惰性氣體。由于環(huán)境空氣中的氮氣含量相對高，也可以直接使用環(huán)境空氣作為漂移氣 體，因此在圖5中僅示出了到環(huán)境空氣的連接?？梢栽谄茪怏w饋送接頭74的上游連接流量 控制器15,由此控制漂移氣體的饋送，并且使其保持恒定。還可以在漂移氣體饋送接頭74的 上游連接過濾器14,這特別是在使用環(huán)境空氣作為漂移氣體的情況下有利于對其進行凈 化。
[0071] 可以對電離源區(qū)域4、反應室5、離子門6的區(qū)域和漂移室7彼此進行壓力連接，即在 殼體3的這些區(qū)段之間進行壓力平衡。因此，可以通過負壓產生裝置11產生希望的負壓，在 此，同時通過分析物進氣接頭55吸入樣本氣體并且通過漂移氣體饋送接頭74吸入漂移氣 體。然后，經由負壓產生裝置11抽吸吸入的全部氣體并且又消散。
[0072] 圖6示出了反應室5和漂移室7的電氣接線，用于產生具有在殼體3的縱向方向上、 即從左向右的電勢梯度的電場。例如，所示出的環(huán)形電極5 0可以經由由電阻5 2構成的分壓 器電路連接到電壓源51。對應地，電極70可以經由由電阻72構成的分壓器電路連接到電壓 源71。因此，與反應室5相關聯(lián)的第一場產生裝置除了電極50之外，還具有電壓源51和電阻 52。與漂移室7相關聯(lián)的第二場產生裝置除了電極70之外，還具有電壓源71和電阻72。
[0073] 圖7示出了第一和第二場產生裝置的替換實施方式，其中，分別代替環(huán)形電極，設 置有例如由導電玻璃制成的圓柱體的形式的連續(xù)的、不間斷的電極53、73。在這種情況下， 可以省去先前說明的外部分壓器電路，因為通過電極53、73的相對高的電阻率已經進行了 連續(xù)的分壓。
[0074]圖8不出了離子門6的第一實施方式，其具有3個電極60,61,62,電極60,61,62在從 反應室5到漂移室7的方向上例如以大約450微米的間隔一個接一個地布置。電極60，61，62 同樣可以像電極50、70-樣構造為環(huán)形電極，或者可以如在圖8中示出的那樣構造為柵形電 極。在此，外部電極60,62分別連接到第一離子門電壓源63,由其提供門電壓。中間電極61可 經由可操控的開關裝置66、例如半導體開關或者由半導體開關構成的裝置，交替地連接到 由分壓器的電阻64根據門電壓產生的電壓電勢或者相對于該電壓電勢偏移了閉塞電壓 (Blockspannung)的電壓電勢。閉塞電壓由第二離子門電壓源65提供。如果可操控的開關裝 置66處于在圖8中示出的開關狀態(tài)，則由此第二離子門電壓源65的閉塞電壓起作用，這使得 離子門閉鎖。在這種狀態(tài)下，阻止反應室5中的離子進入漂移室7。通過切換到開關裝置66的 所示出的第二開關位置，可以使離子門打開。在這種狀態(tài)下，反應室5的離子迀移到漂移室7 中。
[0075]圖9示出了離子門6的一個替換實施方式，其中，相對于圖8改變第二離子門電壓源 65的電連接，使得現(xiàn)在第二離子門電壓源65的一個接頭直接連接到電極62,而另一個接頭 仍然連接到開關裝置66。以這種方式，閉塞電壓和門電壓具有相同的參考電勢。
[0076]圖10不出了離子門6的一個實施方式，其中，僅存在兩個電極61,62。通過開關裝置 66,可以將在左電極61處起作用的電勢從第一離子門電壓源63切換到第二離子門電壓源 65。右電極62連接到兩個電壓源63,65。
[0077]圖11示出了離子門6的一個實施方式，其中，實現(xiàn)了電極61，62的叉指型實施方式。 電極61，62位于同一個平面內并且以彼此交織的方式布置，如在圖12中所示出的，圖12示出 了沿圖11的視線方向A的電極61，62的視圖。在根據圖11的實施方式中，僅存在單個電壓源 65,其提供閉塞電壓。經由可操控的開關裝置66,電極61可以選擇性地連接到電壓源65或者 直接連接到另一個電極62。
[0078]圖13在視圖a)、b)和c)中示出了柵形電極的不同的電極形式，例如其可以用作電 極60,61，62。根據實施方式a)，電極具有條形的導體，其可以垂直、水平或者沿對角線延伸。 根據實施方式b)，電極具有六邊形結構的導體。根據實施方式c)，電極有具有圓形橫截面的 導體布置。
[0079]視圖d)并排示出了已經提到的3個電極60,61，62?？梢钥吹?，可以將電極一個接一 個地以條形導體的不同的朝向布置，以提高離子門的作用。
[0080] 視圖e)并排示出了已經提到的3個電極60,61，62?？梢钥吹剑姌O60,61，62還可以 具有相對于彼此偏移布置的條形導體，如由以虛線示出的對稱軸所示出的那樣。
[0081] 在圖13中再現(xiàn)的視圖示出了圖11的視線方向A上的電極。
[0082] 圖14示出了具有前面已經說明的元件的離子迀移譜測定儀2的一種結構設計。如 可以看到的那樣，在所示出的實施方式中，與在先前的示意性圖示中相比存在更大數量的 電極50、70。
[0083] 圖15示例性地示出了利用具有根據前面的附圖中的一個的離子迀移譜測定儀2的 氣體分析裝置記錄的譜圖10。關于時間^、即以毫秒為單位的漂移時間示出了以納安為單 位的測量的粒子流I。記錄了在電流幅值方面不同的3個測量曲線21，22,23。這3個不同的測 量曲線在電壓源71的不同的電壓、即漂移室7中的不同的場強下被記錄。在此出現(xiàn)的尖峰值 對于包含在樣本氣體中的特定物質是特征性的。尖峰24由反應離子引起。
[0084] 為了進行氣體分析，可以如下操作所描述的氣體分析裝置1。
[0085] 將樣本氣體通過分析物進氣接頭55引入反應室5中離子門6前面。在該時刻，樣本 氣體仍然包含電中性的分析物，即沒有分析物離子。通過連接在反應室5上游的電離源區(qū)域 4,可以進行離子化。在那里，通過電離源40,41，42,43并且在需要時通過直接進行的氮、氧 和水之間的化學氣相反應，首先產生H 30+形式的反應離子。在此，在反應室中存在條件，特別 是定義的負壓和定義的場強，通過其在能量上抑制不希望的水簇的形成，由此提供大量自 由的H 30+反應離子。同時，經由漂移氣體饋送接頭74將漂移氣體引入漂移室7。漂移氣體流過 漂移室7、相鄰的離子門6以及與其相鄰的反應室5,以便被處于殼體3的端部的負壓產生裝 置11抽吸。流過反應室5的漂移氣體與由電場預先給定的通過反應室的漂移方向相反地吸 引引入的樣本氣體。在其通過反應室的路徑上，樣本氣體的分析物分子由于與反應離子撞 擊時的電荷轉移而被電離。然后，在進行電離之后，以這種方式形成的分析物離子與其先前 的漂移方向相反地向離子門6的方向移動。
[0086] 在反應室5中，可以經由流量控制器12或者還可以通過固定的連接添加水蒸氣或 者其它氣體，以便進一步提高或者改變可能的反應離子的量。由于由此在反應室中存在的 自由反應離子的密度高，可以同時將不同的分析物離子化，并且可以對物質的掩蔽進行反 作用。此外，可以使存在于樣本氣體中的空氣濕度的影響明顯減小，并且才使得能夠在潮濕 的樣本氣體混合物中直接檢測其中存在于水簇中的具有質子親和力的物質。
[0087]通過在定義的時刻（圖15中的t = 0)打開離子門6,分析物離子到達漂移室7的漂移 區(qū)域中并且穿過漂移室7,以便在離子檢測器8處被檢測到。例如，利用具有針對該應用情況 優(yōu)化的帶寬、例如具有60KHz的帶寬的放大器9,對離子檢測器8的信號進行放大。由此，能夠 使不希望的噪聲最小。測量離子檢測器8的與時間有關的檢測器電流作為離子迀移譜10,根 據其能夠計算與相應的物質有關的離子迀移?？梢砸悦棵攵啻蔚姆绞剑缫?00Hz的重復 頻率，重復離子迀移譜10的記錄。
[0088]反應室的示例性的工作參數是在反應室5的20毫巴的壓力以及100mm的長度下每 毫米45V的場強。漂移室7的示例性參數是在20毫巴的壓力以及100mm的漂移室長度下每毫 米12V的場強。電場可以是靜態(tài)電場或者動態(tài)可變電場。
[0089]先前描述的、利用H30+反應離子進行質子化的過程(這產生正分析物離子），也可以 在對電場進行極性轉換的情況下以其它方式進行。由此可以產生負分析物離子，其中，電荷 轉移例如可以通過0?Γ反應離子進行。
[0090] 由于氣體分析裝置1在負壓下工作，樣本氣體的饋送能夠簡單地實現(xiàn)，因為樣本能 夠通過分析物進氣接頭55被吸入系統(tǒng)。此外，由于負壓以及特別快速的反應時間以及短的 不敏感時間（Refrakmrzeit)而是有利的。
[0091] 例如，選擇離子門6的區(qū)域內的電場強度，使得保證離子門6的定義的打開和關閉， 從而使得離子從反應室5到漂移室7中的傳輸最大化。運行的最佳參數與漂移室中和反應室 中各自的壓力和場強有關。在此，也可以選擇性地操作離子門6,使得根據特定模式計劃離 子門的打開持續(xù)時間和打開的時刻，由此在離子檢測器8處得到與時間有關的電流，根據其 能夠通過對形成的信號進行變換、例如阿達瑪(Hadamard)或傅立葉變換，來計算離子迀移。 由此還可以改善獲得的譜的信噪比。
[0092] 也可以按照其它分離方法、例如FAIMS操作漂移室7。
[0093] 通過改變反應室中的場強，可以改變提供的自由的H30+反應離子的密度。由此能夠 根據需要改變競爭性的電離過程對獲得的譜的影響，由此能夠在幾毫秒內得出關于包含在 譜中的物質的質子親和力或者電子親和力的附加結論。
[0094] 利用根據本發(fā)明的氣體分析裝置的嘗試顯示，在樣本氣體的濕度不同的情況下， 例如在小于1%至80%的相對空氣濕度下，能夠以相同的靈敏度檢測具有低質子親和力的 物質，例如190ppb 1-己醇（Ι-Hexanol)。此外，證實了具有明顯更高的質子親和力的物質， 例如500ppb 2-壬酮(2-Nonanone)，其同樣不產生低質子親和的物質的信號強度的變化。
[0095] 通過改變反應室中的場強，能夠確定一些物質是否具有較高的質子親和力，因為 其在低場強的情況下已經能夠被離子化。由此，利用根據本發(fā)明的氣體分析裝置，能夠獲得 附加的信息，用于識別相應的物質。
【主權項】
1. 一種氣體分析裝置(1)，其至少具有以下部件： a) 離子迀移譜測定儀(2)， b) 對離子迀移譜測定儀(2)的反應室(5)產生作用的能量饋送裝置，其被配置用于通過 能量饋送操控反應室(5)中的自由反應離子的密度， c) 作為能量饋送裝置的第一場產生裝置(50,51，52,53)，其被配置用于在反應室(5)中 產生電場， d) 與離子迀移譜測定儀(2)的反應室(5)耦合的負壓產生裝置（11)，其被配置用于至少 在反應室(5)中相對于大氣壓產生負壓， e) 其中，通過負壓產生裝置（11)在反應室（5)中產生2毫巴至100毫巴絕對壓力范圍內 的負壓，以及 f) 其中，通過第一場產生裝置(50,51，52,53)在反應室(5)中產生電場的場強，在該場 強下在給定的負壓下由于由此減小的粒子密度，反應室中的粒子由于電場進行的能量饋送 而在兩次撞擊之間加速，使得從其不希望的鍵合對象釋放希望的自由反應離子，和/或完全 或者部分地抑制希望的反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合， g) 其中，自由反應離子從與其鍵合的水分子或者其它不期望的鍵合對象釋放。2. 根據上述權利要求所述的氣體分析裝置，其中，氣體分析裝置（1 )、特別是其離子迀 移譜測定儀(2)至少具有以下部件： a) 具有電離源(40,41，42,43)的電離源區(qū)域(4)， b) 與電離源區(qū)域(4)耦合的反應室(5)， c) 具有漂移氣體饋送接頭(74)的漂移室（7)，漂移氣體饋送接頭(74)連接到氣體饋送 管線(75)，用于向漂移室中饋送漂移氣體， d) 在反應室(5)和漂移室(7)之間的能開關的離子門（6)， e) 處于漂移室(7)的背離離子門（6)的一端的離子檢測器(8)， f) 第二場產生裝置(70,71，72,73)，其被配置用于在漂移室(7)中產生電場。3. 根據權利要求2所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述離子門（6)具有在從反應室 (5)到漂移室(7)的方向上依次布置的至少3個電極(60,61，62)。4. 根據權利要求3所述的氣體分析裝置，其特征在于，能夠借助氣體分析裝置（1)的電 (66)開關裝置對離子門（6)的中間電極(60,61,62)進行電勢切換。5. 根據權利要求1所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述負壓產生裝置(11)被配置用 于與漂移室(7)中的離子的漂移方向相反地產生漂移氣體流。6. 根據權利要求1至5中任一項所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述負壓產生裝置 (11)具有吸入接頭（110)，其連接到氣體分析裝置（1)的抽吸接頭(44)，抽吸接頭布置在離 子的漂移方向上在離子門（6)的前面。7. 根據上述權利要求中任一項所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述反應室(5)與漂 移室(7)壓力連接。8. -種借助氣體分析裝置（1)根據離子迀移譜測定法進行氣體分析的方法，其特征在 于，通過借助對離子迀移譜測定儀(2)的反應室(5)產生作用的能量饋送裝置進行的能量饋 送，操控反應室(5)中的自由反應離子的密度，以將希望的自由反應離子從其不希望的鍵合 對象釋放，和/或完全或者部分地抑制希望的反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合，其中， 在氣體分析裝置（1)工作期間，至少對反應室(5)施加2毫巴至100毫巴絕對壓力范圍的相對 于大氣壓的負壓，其中，第一場產生裝置(50，51，52，53)形式的能量饋送裝置在反應室(5) 中產生電場的場強，在該場強下在給定的負壓下由于由此減小的粒子密度，反應室中的粒 子由于電場進行的能量饋送而在兩次撞擊之間加速，使得希望的自由反應離子從其不希望 的鍵合對象釋放，和/或完全或者部分地抑制希望的反應離子與不希望的鍵合對象的鍵合， 其中，自由反應離子從與其鍵合的水分子或者其它不期望的鍵合對象釋放。9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在反應室(5)中以及在漂移室(7)中產生在 離子在漂移室(7)中的希望的漂移方向上的電場。10. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，借助反應室(5)中的負壓將待分析的氣體 通過氣體分析裝置的分析物進氣接頭(55)吸入反應室中。11. 根據權利要求8至10中任一項所述的方法，其特征在于，將漂移氣體引入漂移室(7) 中，并且通過反應室(5)中的負壓與離子的漂移方向相反地引導通過漂移室(7)。12. 根據權利要求8至11中任一項所述的方法，其特征在于，在反應室(5)中系統(tǒng)地進行 能量饋送，以在不同的強鍵合反應離子的情況下獲得關于待分析的物質的電離度的結論。
【文檔編號】G01N27/62GK106030299SQ201480075644
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月10日
【發(fā)明人】S.齊默爾曼, P.科切姆斯, J.蘭格于爾根, A.柯克
【申請人】漢諾威戈特弗里德威廉萊布尼茨大學