Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer für die makroskopische Untersuchung von Stoffmengen, welches insbesondere unter Normalbedingungen betrieben werden kann.

Hintergrund der Erfindung

Massenspektrometrie mikroskopischer Analyten, also insbesondere von Einzelatomen, Molekülen oder Molekülbruchstücke, in gasförmigem Zustand ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Ein typisches Massenspektrometer (MS) besteht aus einer lonenquelle, einem

Analysator und einem Detektor. Zunächst wird dabei der zu untersuchende Analyt in der lonenquelle ionisiert und in dem Analysator nach dem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis separiert. Ist die Ladung beispielsweise der Atome bekannt, kann damit die Masse des Ions direkt ermittelt werden.

Zur Abdeckung verschiedener Einsatzgebiete haben sich sich unterscheidende Arten von Analysatoren etabliert, wobei der gesamte massenspektroskopische Apparat typischerweise anhand des eingesetzten Analysators benannt wird. Bekannte Typen sind das Sektorfeld- Massenspektrometer, das Quadrupol-MS, das Flugzeit-MS (TOF-MS für engl,„time of flight"), das Linear-Trap-MS oder das lonenfallen-MS.

Wesentliche Voraussetzungen für den Betrieb bekannter Massenspektrometer ist erstens das Bereitstellen der Analyten in gasförmiger Phase und zweitens die Vakuumierung zumindest der Flugstrecke der ionisierten Analyten zwischen der lonenquelle und dem Detektor.

Darüber hinaus ist die Grenze typischer Massenspektrometer erreicht, wenn komplexe Analyten eine Mehrzahl verschiedener insbesondere ähnlicher Masse-zu-Ladungs- Verhältnisse aufweisen und sich diese im Analysator überlagern. Noch darüber hinaus stellt aber auch die Ionisation komplexerer Analyten eine Herausforderung dar, da bereits hierbei verschieden starke Ionisierungen der Analyten auftreten können. Ferner ist es auch schwierig, wenn nicht gar teilweise unmöglich, makroskopische Teilchen in den gasförmigen Zustand zu versetzen.

Letztlich ist auch der Nachweis makroskopischer Teilchen grundlegend anders, so dass auch bezüglich der Detektortechnologie neue Wege zu beschreiten sind. Zumindest ein Teil dieser Gründe bzw. Voraussetzungen führt dazu, dass bislang noch kein makroskopisches Massenspektrometer insbesondere für den Nachweis von makroskopischen Teilchen realisiert wurde.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe gestellt, makroskopische Teilchen einer massenspektroskopischen Messung zuzuführen. Das vorgeschlagene Massenspektrometer weist einen verblüffend einfachen Aufbau auf.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Massenspektrometer für die Bestimmung makroskopischer

Teilchenmassen weist eine Teilchenquelle auf zur Bereitstellung makroskopischer Teilchen. In einem einfachen Beispiel umfasst die Teilchenquelle ein Teilchenreservoir, aus dem die Teilchen entnommen werden oder herausrinnen können. Bevorzugt gelangen die Teilchen aus dem Teilchenreservoir in eine Kapillare, zum Beispiel eine mit dem Teilchenreservoir verbundene Pipette.

Makroskopische Teilchen sind Stoffe, die mit einem herkömmlichen

Massenspektrometer angesichts der Partikelgröße und/oder aufgrund der bislang fehlenden Nachweisbarkeit nicht vermessen werden können. Beispiele solcher makroskopischer

Stoffmengen und Teilchen in nicht-abschließender Aufzählung können sein Stäube, also Staubteilchen beispielsweise von Hausstaub oder Aluminium- oder Aluminiumoxid-Staub, biologische Stoffe wie beispielsweise Pollen und/oder Stoffgemenge. Die makroskopischen Teilchen haben insbesondere eine Teilchengröße, die größer als eine typische Molekülgröße ist. Also bevorzugt weisen die makroskopischen Teilchen eine Einzelteilchengröße von größer als 1 0 ^"8 m, weiter bevorzugt größer 1Ί0 m, noch weiter bevorzugt größer als 1 0 ^"6 m auf. In einem Beispiel können Staubteilchen eines Aluminiumoxid-Staubs (AI2O3) vermessen werden, welche einen Durchmesser von um 2 0 ^"5 m, also 0,02 mm, aufweisen. Ein typischer

Arbeitsbereich des vorgestellten Massenspektrometers ist zur Messung makroskopischer Teilchen in einem Größenbereich zwischen 3 0 ^"6 m bis 5 0 ^"5 m.

Das Massenspektrometer weist ferner einen Massenfilter auf zur Separation der makroskopischen Teilchen. Mit anderen Worten werden die makroskopischen Teilchen einer inhomogenen Stoffmenge in dem Massenfilter zumindest hinsichtlich ihrer Masse aufgeteilt. Der Massenfilter ist dabei insbesondere hergerichtet, eine ausgewählte Teilchensorte mit einem bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von den übrigen Teilchen der Stoffmenge zu separieren.

Das Massenspektrometer weist ferner einen Detektor zum Nachweis der separierten makroskopischen Teilchen auf. Beispielsweise werden die Teilchen der ausgewählten

Teilchensorte dem Detektor zugeführt, der wiederum die Anzahl der Teilchen auszählt.

Der Massenfilter und der Detektor arbeiten bevorzugt derart synergistisch zusammen, dass der Massenfilter nur eine ausgewählte Teilchensorte mit einem - vorzugsweise

auswählbaren - bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis zu dem Detektor hindurchlässt, so dass der Detektor lediglich eine Zählrate bzw. Anzahl Teilchen bestimmt, die Teilchenmasse aber bereits in dem Massenfilter festgelegt wird, so dass durch die Verbindung des in dem

Massenfilter eingestellten Auswahlfensters für das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis und der mit dem Detektor hierzu festgestellten Zählrate die Masse der ausgewählten Teilchensorte bestimmt werden kann.

Die Teilchenquelle stellt bevorzugt ionisierte makroskopische Teilchen bereit.

Beispielsweise kann dies mittels Electrospray-Ionisation oder mittels Abstreifung durchgeführt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Massenspektrometer hergerichtet zum Betrieb in atmosphärischen Normalbedingungen. Beispielsweise kann das Massenspektrometer hergerichtet sein zum Betrieb bei einem Betriebsdruck größer oder gleich 10 ^"5 hPa, bevorzugt größer oder gleich 10- ³ hPa, weiter bevorzugt größer oder gleich 10- ² hPa. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung ohne die sonst notwendige aufwändige Apparatur einer Vakuumerzeugung bis hin zum Ultrahochvakuum betrieben werden, so dass der Gesamtaufbau des Massenspektrometers überaus unempfindlich, robust und störunanfällig im Betrieb ist.

Der Massenfilter weist bevorzugt eine symmetrische Mehrzahl an Elektroden auf.

Typischerweise weist der Massenfilter 4 Elektroden auf, oder ein Vielfaches von 4 Elektroden.

Die Elektroden weisen bevorzugt jeweils eine Elektroden-Haupterstreckungsrichtung auf. Mit anderen Worten sind die Elektroden bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine große

Erstreckung entlang der Elektroden-Haupterstreckungsrichtung und in den Richtungen senkrecht hierzu nur eine im Verhältnis geringe Erstreckung aufweisen. Beispielsweise sind die Elektroden stabförmig ausgebildet. Der Massenfilter weist dann eine parallel zu der Elektroden-

Haupterstreckungsrichtung verlaufende Zentrumsachse auf. Die Elektroden des Massenfilters können um die Zentrumsachse herum angeordnet sein und einen inneren Bereich zumindest teilweise umschließen, wobei die Zentrumsachse durch den inneren Bereich stößt.

Ferner können zueinander benachbarte Elektroden des Massenfilters mit einer gegenphasigen Wechselspannung beaufschlagt werden. Die gegenphasige Wechselspannung erzeugt dann ein, ggf. mehrere, Quadrupolfeld(er) in dem inneren Bereich.

In einer Ausführungsform der Erfindung stellt der Massenfilter ein Stabilitätsfeld bereit zum Filtern derjenigen Teilchen, die Stabilitätskriterien des Stabilitätsfeldes erfüllen. Das Stabilitätsfeld baut sich bevorzugt in dem inneren Bereich des Massenfilters, also in einem Zentral bereich zwischen den Elektroden, auf. Mit anderen Worten stellt der Massenfilter eine

Haltekraft bereit, die nur die ausgewählten Teilchen hält, so dass alle übrigen Bestandteile des zu analysierenden Stoffes den Massenfilter ungehindert passieren.

In einem einfachen Beispiel wird die Stoffmenge der Schwerkraft folgend in den inneren Bereich des Massenfilters gegeben, also beispielsweise hineinrieseln lassen, wobei die

Bestandteile der Stoffmenge, die die Stabilitätskriterien des Stabilitätsfeldes erfüllen, in dem Massenfilter gehalten werden und ggf. von dem Massenfilter von den übrigen Teilchen der Stoffmenge separiert werden.

Der Massenfilter kann zum Filtern von Teilchen einer bestimmten Teilchensorte derart hergerichtet sein, dass die Teilchen der bestimmten Teilchensorte eine zumindest teilweise entlang der Zentrumsachse wirkende auslenkende Kraft erfahren. Die Teilchen der bestimmten Teilchensorte sind dabei bevorzugt diejenigen Teilchen, die die Stabilitätskriterien des

Stabilitätsfeldes erfüllen.

In einem einfachen Beispiel kann der Massenfilter eine Orientierung im Raum aufweisen, wobei die Zentrumsachse jede Richtung einnehmen kann, die nicht parallel oder senkrecht zur Richtung zum Erdmittelpunkt ist. Die von dem Massenfilter in dem Stabilitätsfeld gehaltenen Teilchen erfahren dann eine Auslenkungskraft entlang der Zentrumsachse, die einem Vektorbestandteil der zum Erdmittelpunkt wirkenden Schwerkraft entspricht. Von dieser Auslenkungskraft werden die Teilchen der bestimmten Teilchensorte in dem Massenfilter entlang der Zentrumsachse beschleunigt und somit von den übrigen Teilchen der Stoffmenge separiert.

Der Detektor des Massenspektrometers kann eine Strahlungsquelle zur Bestrahlung der Teilchen der bestimmten Teilchensorte umfassen. Die Teilchen der bestimmten Teilchensorte können zum Beispiel das Strahlungslicht reflektieren, wodurch diese selbst besser sichtbar werden. Bei der Strahlungsquelle kann es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um eine Laserquelle handeln.

Die Strahlungsquelle kann ferner derart eingerichtet sein, dass die Teilchen der bestimmten Teilchensorte von der Strahlungsquelle bestrahlt werden, wenn sich diese in dem Massenfilter befinden. Dann können die Teilchen der bestimmten Teilchensorte bereits bei der oder kurz nach der Separation von den übrigen Teilchen der Stoffmenge quantitativ erfasst bzw. nachgewiesen werden.

Der Detektor kann eine Aufnahmeeinrichtung wie beispielsweise eine Kamera umfassen. Die von den Teilchen der bestimmten Teilchensorte reflektierte Strahlung der Strahlungsquelle kann von der Aufnahmeeinrichtung erfasst werden, so dass mittels qualitativer oder quantitativer Analyse der Strahlungsmenge oder des Strahlungsortes - also dem Ort der Reflexion der Strahlung durch die Teilchen der bestimmten Teilchensorte - eine Aussage über die Teilchen der bestimmten Teilchensorte getroffen werden kann.

Die Teilchenquelle des Massenspektrometers umfasst bevorzugt eine Kapillare. Bei der Kapillare kann es sich beispielsweise um eine Pipette handeln. Ferner kann die Teilchenquelle ein mit der Kapillare verbundenes Teilchenreservoir umfassen. Die Stoffmenge wird dann in dem Teilchenreservoir bereitgestellt und der Kapillare zugeführt.

Die Teilchenquelle weist ferner bevorzugt einen Elektronengenerator auf, der die Kapillare mit Elektronen versorgt. Beispielsweise erzeugt der Elektronengenerator auf der Oberfläche der Kapillare ein elektrisches Feld. Passieren die Teilchen der Stoffmenge die

Kapillare, können sie durch Ladungsabstreifung von der Oberfläche der Kapillare auf die Teilchen geladen, das heißt ionisiert werden.

Die Teilchenquelle kann weiterhin einen Schwingungsgenerator umfassen zur Verbesserung des Transports der makroskopischen Teilchen durch die Kapillare. Mit anderen Worten verringert der Schwingungsgenerator die Anhaftung der makroskopischen Teilchen an der Innenwand der Kapillare, so dass im Ergebnis der Durchfluss der Teilchen durch die Kapillare verbessert wird.

Erfindungsgemäß ist auch ein Massenfilter, insbesondere für ein makroskopisches Massenspektrometer, welcher eine symmetrische Mehrzahl an Elektroden mit einer Elektroden- Haupterstreckungsrichtung aufweist. Typischerweise umfasst der Massenfilter 4 - oder ein Vielfaches von 4 - Elektroden. Der Massenfilter weist ferner eine parallel zu der Elektroden-Haupterstreckungsrichtung verlaufende Zentrumsachse auf, wobei die Elektroden um die Zentrumsachse herum angeordnet sind und einen inneren Bereich zumindest teilweise umschließen, wobei die Zentrumsachse durch den inneren Bereich stößt. Der Massenfilter stellt in seinem inneren Bereich ein

Stabilitätsfeld bereit zum Filtern von Teilchen, die Stabilitätskriterien des Stabilitätsfeldes erfüllen.

Der Massenfilter kann eine Spannungsquelle aufweisen zum Beaufschlagen zueinander benachbarter Elektroden mit einer gegenphasigen Wechselspannung, so dass insbesondere zumindest ein Quadrupolfeld in dem inneren Bereich bereitstellbar ist.

Der Massenfilter ist ferner insbesondere hergerichtet zum Betrieb unter

atmosphärischen Normalbedingungen, das heißt bevorzugt bei einem Betriebsdruck größer oder gleich 10 ^"5 hPa, bevorzugt größer oder gleich 10 ^"3 hPa, weiter bevorzugt größer oder gleich

10-2 hPa.

Der Massenfilter ist besonders bevorzugt zum Filtern von Teilchen einer bestimmten Teilchensorte, insbesondere der Teilchen, die die Stabilitätskriterien des Stabilitätsfeldes erfüllen, derart hergerichtet, dass für die Teilchen der bestimmten Teilchensorte eine zumindest teilweise entlang der Zentrumsachse wirkende auslenkende Kraft bereitgestellt wird.

Die entlang der Zentrumsachse wirkende auslenkende Kraft kann dabei derart von dem Massenfilter bereitgestellt sein, indem der Massenfilter gegenüber einer horizontalen Lage im Raum gekippt ist, so dass eine Vektorkomponente der Schwerkraft entlang der Zentrumsachse wirkt und die Teilchen der bestimmten Teilchensorte mittels der Schwerkraft in Richtung der Zentrumsachse ausgelenkt werden.

Der Massenfilter kann im Übrigen eine Auslenkungseinrichtung zur Bereitstellung der zumindest teilweise entlang der Zentrumsachse wirkenden auslenkenden Kraft aufweisen.

Die Auslenkungseinrichtung kann einen Magnetfelderzeuger, einen Felderzeuger für ein elektrisches Feld oder einen Strömungsgenerator umfassen. Mit anderen Worten werden die ausgewählten Teilchen der Stoffmenge entlang der Zentrumsachse beschleunigt und zwar - bevorzugt je nach Stoffzusammensetzung bzw. Stoffeigenschaften - entweder mittels einer durch ein Magnetfeld, durch ein elektrisches Feld oder durch ein Strömungsfeld bereitgestellten Kraft, die zumindest eine Vektorkomponente entlang der Zentrumsachse aufweist.

Die Elektroden des Massenfilters sind bevorzugt stab- oder halbstabförmig mit zumindest einer gerundeten Seite ausgebildet. Bevorzugt sind die Elektroden des Massenfilters dann mit der gerundeten Seite in Richtung der Zentrumsachse angeordnet. Die Spannungsquelle des Massenfilters kann die Elektroden ferner mit einem

Gleichspannungsoffset beaufschlagen.

Es ist ersichtlich, dass mit der vorliegenden Vorrichtung ein Verfahren zur Separation von ausgewählten Teilchen aus einer Stoffmenge durchgeführt werden könnte. Bei dem Verfahren könnte also eine - insbesondere inhomogene - Stoffmenge bereitgestellt werden. Die Stoffmenge würde bevorzugt ionisiert und anschließend einem Massenfilter zugeführt. In dem Massenfilter würde bei dem Verfahren eine ausgewählte Teilchensorte von den übrigen Teilchen separiert oder gefiltert und anschließend erfasst. Die Erfassung kann in dem Massenfilter oder im Anschluss an den Massenfilter durchgeführt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen

Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.

Kurzbeschreibun der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Massenspektrometers,

Fig. 2 Querschnitt durch eine Kapillare,

Fig. 3 perspektivische teilweise Darstellung des Massenfilters,

Fig. 4 Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform des Massenspektrometers,

Fig. 5 Darstellung einer Spannungsquelle,

Fig. 6 Stabilitätsdiagramme in Abhängigkeit von der Teilchenmasse,

Fig. 7 weitere Stabilitätsdiagramme, aufgenommen mit einem Aufbau gemäß der

vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 weiteres Stabilitätsdiagramm,

Fig. 9 Zusammensetzung einer beispielhaft zu analysierenden Stoffmenge (Analyt), Fig. 10 mit dem Massenspektrometer aus einer inhomogenen Stoffmenge ausgefilterte

Teilchen,

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm,

Fig. 12 Nachweisexperiment,

Fig. 13 weitere Ausführungsform des Massenspektrometers,

Fig. 14 Ausschnitt aus Fig. 13. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Ausführungsform des Massenspektrometers 10 gezeigt. Makroskopische Teilchen 8, also beispielsweise Aluminiumoxid-Staub 8, wird in der Teilchenquelle 20 bereitgestellt. Ein Teilchenreservoir 22 ist in der Ausführungsform der Fig. 1 mit den makroskopischen Teilchen 8 befüllbar, wobei die makroskopischen Teilchen 8 von dem Teilchenreservoir 22 in die Kapillare 24 gelangen können. In einer bevorzugten Bauform ist die Teilchenquelle 20 so konstruiert, dass die makroskopischen Teilchen 8 durch Ausnutzung der Schwerkraft in die Kapillare 24 weiterbefördert werden.

Zur Verbesserung des Transports der makroskopischen Teilchen 8 ist eine

Transporteinrichtung 26 eingesetzt. Die Transporteinrichtung 26 ist so realisiert, dass ein Schallerzeuger die Außenwand der Kapillare 24 in Schwingung versetzt, so dass die

makroskopischen Teilchen 8 weniger stark daran anhaften und der Schwerkraft folgend in Richtung einer Kapillarenöffnung 25 wandern.

Die Oberfläche der Kapillare 24 wird von einer Ladungsquelle 28 mit elektrischer Ladung versorgt zur Ionisierung oder Entionisierung der oder eines Teiles der makroskopischen Teilchen 8. Die Elektronen können dabei durch das Entlangwandern an der Kapillare 24, also besonders an der Innenwand und an der Kapillarenöffnung 25 der Kapillare 24, in direkten Einfluss des Ladungsfelds der Ladungsquelle 28 gelangen und dabei geladen werden.

Das Massenspektrometer 10 kann in einer bevorzugten Bauweise ganz ohne

Vakuumeinrichtung auskommen, jedoch soll ein zusätzlicher Einsatz einer solchen

Vakuumeinrichtung dadurch nicht ausgeschlossen werden. Obzwar es also besonders vorteilhaft ist, ein Massenspektrometer 10 ohne die Notwendigkeit der Bereitstellung von Vakuum einsetzen zu können, so verbessern je nach Bauweise des Massenspektrometers 10 vakuumisierte Bedingungen die damit erzielbaren Ergebnisse.

Die makroskopischen Teilchen werden in den Massenfilter 30 eingelassen, in welchem sie nach einem bestimmten Zustand gefiltert werden. Der filterbare Zustand beinhaltet insbesondere eine Teilchenmasse oder einen Teilchenmassenbereich, eine Teilchenladung oder einen Teilchenladungsbereich und ggf. eine kinetische Energie oder einen Energiebereich.

Allgemein bietet der Massenfilter einen Stabilitätsbereich für die in den Massenfilter eingelassenen makroskopischen Teilchen, welcher eine auswählbare Stoffmenge mit einem Eigenschaftenbereich herausfiltert.

Der Massenfilter 30 weist vier stabförmige Elektroden 32, 32a, 32b, 32c, 32d auf (32c, 32d siehe z.B. Fig. 3). Die stabformigen Elektroden 32 werden von einer Spannungsquelle 34 mit einer Spannung versorgt, so dass die Elektroden 32 in dem Innenbereich 36 einen

Stabilitätsbereich erzeugen können. Beispielsweise stellt die Spannungsquelle 34 hierfür eine Wechselspannung bereit, mit welcher die Elektroden zueinander gegenphasig beaufschlagt werden, so dass ein Quadrupolfeld in dem Innenbereich 36 erzeugbar ist. Zur Einstellung des Stabilitätsbereiches und somit zur Auswahl oder Bestimmung der bestimmten makroskopischen Teilchen 8 kann die Spannungsquelle 34 ferner ein Gleichspannungsoffset bereitstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die makroskopischen Teilchen 8 von oben aus der Kapillare 24 freigelassen - oder fallen dort heraus - und rieseln in den Massenfilter 30 hinein. Diejenigen makroskopischen Teilchen 8, die den Stabilitätskriterien entsprechen, also eine Masse innerhalb eines bestimmten Massen bereiches und/oder eine Ladung innerhalb eines bestimmten Ladungsbereiches aufweisen, werden von dem Massenfilter 30 in dem

Stabilitätsbereich in dem Innenbereich 36 eingefangen. Dies sind die bestimmten Teilchen.

Die bestimmten Teilchen können nun zunächst in dem Innenbereich 36 einer Kreisbahn folgen. Diese Kreisbahn weist jedoch nur eine begrenzte Kapazität für makroskopische Teilchen auf, bevor weitere in den Massenfilter 30 einströmende makroskopische Teilchen 8 mit den bereits darin befindlichen bestimmten Teilchen kollidieren oder von einer zu geringen Feldstärke nicht gehalten werden. Bereits aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die bestimmten makroskopischen Teilchen 8 nach der Auswahl, das heißt sobald diese sich in dem

Stabilitätsbereich im Innenbereich 36 aufhalten, aus dem Einlassbereich der makroskopischen Teilchen 8 in den Massenfilter 30 ausgelenkt oder verschoben werden.

In der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform ist zur Bereitstellung einer solchen

Auslenkungskraft der Massenfilter 30 gegenüber einer Horizontalen 5 um einen Winkel w gedreht. Mit anderen Worten bildet der Massenfilter 30 eine schiefe Ebene. Die Schwerkraft g erzeugt für die in dem Stabilitätsbereich des Massenfilters 36 gehaltenen makroskopischen Teilchen 8 dann eine vektorielle Kraftkomponente, die sich entlang der Zentrumsachse 38 ausrichtet. Die in dem Stabilitätsbereich des Massenfilters 36 gehaltenen makroskopischen Teilchen 8 werden somit entlang der Zentrumsachse 38 beschleunigt. Der Einlassbereich des Massenfilters 30 kann somit freigehalten werden, und eine Separation der ausgewählten Teilchen von den übrigen makroskopischen Teilchen wird vereinfacht.

Zum Nachweis der makroskopischen Teilchen 8 wird in der vorliegenden

Ausführungsform ein optischer Nachweis realisiert, wobei eine Strahlungsquelle 40 Strahlung 42 erzeugt und die makroskopischen Teilchen 8, die sich in dem Massenfilter 36 befinden, beleuchtet. Die in dem Massenfilter 36 befindlichen makroskopischen Teilchen 8 reflektieren die Strahlung 42 und können dadurch beispielsweise mit einer Aufnahmeeinrichtung 45 erfasst werden. Die Aufnahmeeinrichtung 45 umfasst in diesem Beispiel eine Kamera 44 mit einer optischen Linse 46.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Kapillare 24 dargestellt, wobei sich makroskopische Teilchen 8 in der Kapillare 24 befinden. Die Kapillare 24 (Plastikrand) wird von einer Ladungsquelle 28 mit Ladung versorgt, die sich auf der Oberfläche der Kapillare 24 als Feld anlegt. Von dem Plastikrand der Kapillare 24 kann die Ladung auf die makroskopischen Teilchen 8 übertragen werden. Zunächst werden dabei die in einem äußeren Bereich der Kapillare 24 sich bewegenden makroskopischen Teilchen 8 zu geladenen Teilchen 8b. Die weiter entfernt von der Oberfläche der Kapillare 24 befindlichen makroskopischen Teilchen 8 bleiben zunächst ungeladene Teilchen 8a. Je nach Ausgestaltung der Kapillare 24 können die ungeladenen Teilchen 8a an dem Auslass 25 der Kapillare 24 ggf. durch Coulombexplosion oder andere geeignete Verfahren ebenfalls geladen werden, so dass möglichst nur noch geladene Teilchen 8b aus dem Auslass 25 der Kapillare 24 austreten. Es hat sich allerdings experimentell gezeigt, dass es zum Nachweis und Sortierung der Teilchen auch ausreichend ist, wenn nur ein Teil der zunächst ungeladenen makroskopischen Teilchen 8a in geladene makroskopische Teilchen 8b umgewandelt wird.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung von Teilen des Massenfilters 30. Vier stabförmige Elektroden 32, 32a, 32b, 32c, 32d werden von einer Spannungsquelle 34 mit einem Gleichspannungsoffset und einer Wechselspannung versorgt, wobei jeweils benachbarte Elektroden 32 gegenphasig beaufschlagt werden. Die Elektroden sind zueinander beabstandet angeordnet, berühren sich also nicht. Gegenüberliegende Elektroden 32, also z.B. die Elektroden 32a und 32d bzw. die Elektroden 32b und 32c haben in dem gezeigten Beispiel den Abstand 2r ₀ .

Bezug nehmen auf Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Massenspektrometers

10 gezeigt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus einer Pipette 24 werden die makroskopischen Teilchen 8 (vgl. z.B. Fig. 1) durch die Luft in den Massenfilter 30 eingeleitet - sie fallen der Schwerkraft folgend aus der Pipette 24 durch die Luft herunter.

Die Teilchen, die die von dem Massenfilter 30 aufgestellten Stabilitätskriterien erfüllen, werden in dem inneren Bereich des Massenfilters 30 gefangen und bewegen sich entlang einer spiralförmigen Bahn entlang der Zentrumsachse 38 bzw. um die Zentrumsachse 38 herum. In einer Auffangvorrichtung 52 werden die makroskopischen Teilchen 8 voneinander separiert aufgefangen. In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden die ungeladenen Teilchen 8a bzw. die Teilchen, die nicht die Stabilitätskriterien des Massenfilters 30 erfüllen, durch den Massenfilter 30 hindurchfallen und einen ersten Teilchenhaufen in der Auffangvorrichtung 52 bilden. Die Teilchen, die die Stabilitätskriterien des Massenfilters 30 hingegen erfüllen, werden entlang der Spiralbahn in Richtung der Zentrumsachse 38 verschoben und in einen anderen Bereich der Auffangvorrichtung 52 fallen, also einen zweiten Teilchenhaufen bilden. Die Teilchen sind hernach separiert. Ein quantitativer Nachweis kann beispielsweise anhand der Teilchenhaufen durchgeführt werden.

Mittels der Strahlungsquelle 40, in diesem Fall eine Laserquelle 40, können die makroskopischen Teilchen 8 in dem Massenfilter beleuchtet werden. Das von den Teilchen reflektierte Licht kann von einer Aufnahmeeinrichtung 45 erfasst werden. Strahlungsquelle 40 und Aufnahmeeinrichtung 45 bilden also zusammen mit einer der Aufnahmeeinrichtung 45 nachgeschaltete Auswertungseinheit den Detektor zum Nachweis der ausgewählten

makroskopischen Teilchen 8.

Bezugnehmend auf Fig. 5 ist schematisch die Realisierung der Versorgungsspannung der Spannungsquelle 34 für die Elektroden 32 skizziert. Für höhere Gleichspannungen musste ich mir ein neues Verfahren ausdenken. Ein Funktionsgenerator 62 stellt eine

Ausgangsspannung von 10V bereit. Um Hochspannungsrückschläge in das Netzteil zu vermeiden, wird das Signal der Ausgangsspannung in zwei Transformatorstufen 64, 66 hoch transformiert, mittels eines Diodengleichrichters 68 gleichgerichtet und in den Stromkreis eingekoppelt. Dadurch kann mit der vorliegenden Ausführungsform eine Gleichspannung bis zu 2000V erreicht werden und der Hochspannungsstromkreis ist galvanisch vom Netzteil getrennt. Ein zweiter Funktionsgenerator 70 erzeugt ferner die Wechselspannung zur Erzeugung des Quadrupolfeldes im Innenbereich 36. Gleichspannungsoffset und Wechselspannung zusammen bilden mit den eingestellten Werten die Basis für die Stabilitätskriterien für die makroskopischen Teilchen. Fig. 6 stellt verschiedene Stabilitätsdiagramme für unterschiedliche Teilchenmassen dar. Der vorliegende Massenfilter 30 kann nur Teilchen eines bestimmten Uac/Udc/f

Verhältnisses stabil fangen. Es lassen sich Stabilitätsdiagramme erstellen, welche aufzeigen, wie stabil sich die Teilchen in der Falle halten. Anhand der Stabilitätsdiagramme lässt sich daher auswerten, welche Art des Teilchens 8 in dem Massenfilter gefiltert wird.

Um die Art des Teilchens 8 exakt zu bestimmen, kann man die an dem Massenfilter 30 angelegte Spannung der Spannungsquelle 34 verändern. Die angelegte Spannung beeinflusst die in Fig. 6 aufgetragenen„Parameter a" und„Parameter b".

Der Massenfilter 30 selektiert in Abhängigkeit der von der Spannungsquelle 34 bereitgestellten Wechselspannung (Uac) und dem Gleichspannungsoffset (Udc) und der Frequenz(f) die Teilchen eines bestimmten ε - Wertes, welcher sich aus

q 1

ε = 2

zusammensetzt, ω ist dabei die Winkelfrequenz und ro der Abstand der Elektroden zum Nullpunkt bzw. zur Zentrumsachse 38.

Der ε - Wert ist ein teilchenspezifischer Parameter. Zur Vereinfachung der Darstellung lassen sich die Parameter a und b definieren, welche einen Wert für die Stabilität in der Falle angeben und aus welchen sich Stabilitätsd erstellen lassen.

Zwischen den Stabilitätsdiagrammen verschiedener Massen der gleichen Teilchensorte können sich nicht überlappende Bereiche herausbilden. Beispielsweise lässt sich durch diese Bereiche eine Gerade legen und entlang dieser Geraden die Spannung und Frequenz der Spannungsquelle 34„durchfahren", also zeitlich verändern. So kann die Art der Teilchen festgestellt werden.

Bezugnehmend auf Fig. 7 werden zwei mit der vorliegenden Erfindung aufgenommene Stabilitätsdiagramme dargestellt. Um die Unterscheidbarkeit zwischen den Teilchensorten zu realisieren, wurde zunächst ein Stabilitätsdiagramm für Aluminiumoxid (AI2O3) bei

unterschiedlichen Frequenzen erstellt (60 Hz und 110 Hz). Dabei fiel auf, dass bei größeren Frequenzen auch größere Spannungen benötigt werden. Fig. 8 zeigt ferner ein weiteres Stabiltätsdiagramm von AI2O3 und Aluminium bei 40 Hz. Überlappende Bereiche sind erkennbar, es gibt allerdings auch nicht überlappende Bereiche. Dies bedeutet, dass es anhand von Einstellungen der Spannungsquelle 34 in den nicht- überlappenden Bereichen möglich ist AI2O3, von AI zu trennen.

Um zu diesen Überlegungen den Nachweis zu liefern, wurde die Frequenz der

Wechselspannung der Spannungsquelle 34 auf 40 Hz, die Amplitude der Wechselspannung auf 2800V und das Gleichspannungsoffset auf 1400V eingestellt, so dass nur noch AI2O3 gefangen wird. Danach wurde der Massenfilter 30 ausgeschaltet, die„gefangenen" Teilchen auf einen Objektträger fallen gelassen und diese danach mikroskopiert. Fig. 9 zeigt diesbezüglich makroskopische Teilchen 8, wie sie beispielsweise im Vorratsreservoir 22 bereitgestellt werden können (Anfangsgemisch). In diesem Beispiel eine Mischung aus AI2O3 und AI. Fig. 10 zeigt demgegenüber eine Stoffmenge reinen AI2O3, die mittels des Massenfilter 30 selektiert und von den übrigen kleineren und masseärmeren Aluminiumteilchen getrennt wurde.

Bezugnehmend auf Fig. 11 ist der Ablauf einer beispielsweise mit Simulink

durchführbaren Simulation hinsichtlich des Detektierens und Auswertens schematisch dargestellt. Anfangs wird mit Schritt 102 ein Strom aus Teilchen simuliert, welcher dann in Schritt 104 in den Detektor kommt (Detektor Data-Input). Ferner wird das Signal in Schritt 104 mit einem periodischen Rauschen versehen. Dieses Signal kann als Vorsignal 105 beispielsweise auf einem Monitor ausgegeben werden. Danach wird das Signal mit Schritt 106 verstärkt. Das aufgenommene Rauschen kann anschließend mit Schritt 108 wieder aus dem Signal subtrahiert werden. Als Zwischenergebnis kann das wegoptimierte Signal 110 ausgegeben werden. Die Peaks des Signals werden mit Schritt 112 unter Anderem gezählt und man erhält mit Schritt 114 oder 116 die einzelnen detektierten Teilchen als numerische Teilchenanzahl 114 oder

Teilchenanzahl 116. In einem durchgeführten Beispiel kann die komplette Simulation 1000 Sekunden betrieben werden, in einer solchen Zeitspanne wurden beispielsweise 2736 Teilchen detektiert.

Fig. 12 zeigt aus einem laufenden Experiment in dem Stabilitätsbereich des

Massenfilter 30 befindliche makroskopische Teilchen 8, welche von Strahlung 42 der

Strahlungsquelle 40 beleuchtet werden. Die makroskopischen Teilchen 8 bewegen sich auf einer Spiralbahn in dem Innenbereich 36 zwischen den stabförmigen Elektroden 32.

Bezugnehmend auf Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Aus dem Teilchenreservoir 22 der Teilchenquelle 20 gelangen die Teilchen 8 mit Unterstützung durch die Transporteinrichtung 26 in die Kapillare 24, wo sie zumindest teilweise geladen werden. Aus dem Auslass 25 gelangen die Teilchen 8, 8a, 8b in den Massenfilter, in diesem Beispiel unter Zurücklegung einer freien Wegstrecke durch die Atmosphäre, d.h. unter Normalbedingungen der gewöhnlichen Raumtemperatur und des Raumdrucks. Obzwar dieser Aufbau durch seine nur sehr geringe Komplexität fehlersicher und einfach zu bedienen ist, ist eine Druckreduktion, d.h. die Anwendung von vakuumisierten Bedingungen, jedoch ebenfalls möglich und hinsichtlich der Ergebnisausbeute vorteilhaft. Die Lichtquelle 40, die Teil der Detektoreinrichtung 45 ist, beleuchtet die in dem Massenfilter 30 befindlichen Teilchen 8, 8b.

Fig. 14 zeigt einen Ausschnitt aus dem mit Fig. 13 dargestellten Aufbau, wobei die Teilchenquelle 20 mit Teilchenreservoir 22, Pipette 24, Transporteinrichtung 26 und Auslass 25 dargestellt sind.

Mit Fig. 15 wird ein beispielhaftes Detektionsergebnis einer selbständig ablaufenden Messung wiedergegeben, wobei aus einer inhomogenen Stoffmenge (Anfangsgemisch) nacheinander die Bestandteile Aluminium und Aluminiumoxid herausgefiltert wird.

Zunächst werden in einem ersten Zeitbereich 202 Teilchen 8 aus dem

Teilchenreservoir 22 mittels Aktivierung der Transporteinrichtung 26 in die Pipette 24 befördert und durch den Auslass 25 an den Massenfilter 30 abgegeben. Dieser erste Zeitbereich 202 ist also das„Einstreuen" der Teilchen 8 in den Massenfilter 30. Der Detektor 45 erfasst in dieser Zeitphase keine Teilchen, sondern lediglich ein kompensierbares Hintergrundsignal bzw. eine Resthelligkeit, welches anzeigt, dass sich keine Teilchen 8 im Massenfilter 30 befinden. Der Massenfilter 30 ist in diesem Zeitbereich 202 so eingestellt, dass sich ein Stabilitätsbereich im Innenbereich 36 ausbildet, in welchem Aluminiumpartikel gefangen werden können. Der erste Zeitbereich 202 wird beispielsweise auf 5 Sekunden Dauer eingestellt, wobei die Zeit von den zu messenden Partikeln, von der Größe des Massenspektrometers 10 und von weiteren

Bedingungen abhängig ist. Bevorzugt wird nach Ablauf des ersten Zeitbereichs 202 automatisch ein zweiter Zeitbereich 204 von einer Steuerung aktiviert.

In dem zweiten Zeitbereich 204 ist die Transporteinrichtung 26 deaktiviert, so dass keine oder nur wenige weitere Teilchen 8 in den Massenfilter 30 gelangen. Die Elektroden 32 des Massenfilters 30 bleiben so eingestellt, dass die Aluminiumpartikel 8b weiter im Stabilitätsbereich im Innenbereich 36 verbleiben und in spiralförmiger Bewegung durch den Massenfilter 30 hindurch zu dem Erfassungsbereich des Detektors 45 gelangen. Der Detektor 45 zeigt schließlich die sich durch den Massenfilter 30 bewegenden geladenen Aluminiumpartikel 8b an. Die Aluminiumpartikel 8b treten nach einer bestimmbaren Zeit aus dem Massenfilter 30 oder aus dem Detektionsbereich des Detektors 45 aus, so dass das in Fig. 15 am Ende des zweiten

Zeitbereichs 204 dargestellte Signal auf das ursprüngliche Niveau des Hintergrundsignals abfällt. Der zweite Zeitbereich 204 wird beispielsweise auf 10 Sekunden Dauer eingestellt. Bevorzugt wird wiederum nach Ablauf des zweiten Zeitbereichs 204 automatisch ein dritter Zeitbereich 206 von der Steuerung aktiviert.

In dem dritten Zeitbereich 206 werden die Elektroden 32 neu eingestellt, um einen Stabilitätsbereich im Innenbereich 36 für Aluminiumoxid-Teilchen 8 bereitzustellen.

Beispielsweise wird hierfür mit dem Verstärker 34 ein geändertes Gleichspannungsoffset oder eine geänderte Wechselspannung an die Elektroden 32 des Massenfilter 30 bereitgestellt. Die Transporteinrichtung 26 ist aktiviert, um erneut Teilchen 8 des inhomogenen Anfangsgemisches 8 aus der Teilchenquelle 20 in den Massenfilter 30 einzugeben. Der dritte Zeitbereich 206 wird beispielsweise auf 5 Sekunden Dauer eingestellt. Bevorzugt wird nach Ablauf des dritten Zeitbereichs 206 automatisch ein vierter Zeitbereich 208 von der Steuerung aktiviert.

In dem vierten Zeitbereich 208 schließlich ist die Transporteinrichtung 26 deaktiviert, so dass keine oder nur wenige Teilchen 8 in den Massenfilter 8 eingegeben werden. Die im

Massenfilter 30 im Stabilitätsbereich befindlichen Teilchen 8b passieren den Massenfilter 30 und gelangen zu dem Detektionsbereich des Detektors 45 und werden erfasst.

Aufgrund der bekannten geänderten Parameter, mit welchen die Elektroden angesteuert werden, ist auch die Akzeptanz des Stabilitätsbereichs bekannt und somit auch absehbar, welche Teilchensorte vom Massenfilter 30 eingefangen wird. Mittels der Messung mit dem Detektor 45 braucht also nur noch die Amplitude des Detektorsignals erfasst zu werden, um anhand des bekannten und voreingestellten Stabilitätsbereiches direkt die Quantität der ausgewählten Teilchensorte zu bestimmen.

Anhand einer Simulation der relevanten Parameter, also insbesondere der Amplitude und Phase des von dem Verstärker 34 für die Elektroden 32 bereitgestellten Signals, kann eine Reihe von relevanten Stabilitätsbereichen - d.h. ggf. eine Reihe von Stabilitätsdiagrammen - vorbestimmt werden, so dass diese bei einer entsprechenden Messung von Teilchen 8 ausgewählt und zur Messung eingesetzt werden können.

Zusammenfassend ist mit der vorliegenden Erfindung die massenspektrometrische

Erfassung makroskopischer Teilchen 8 ermöglicht und zugleich deren Ausführbarkeit belegt. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen

Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der

Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Bezuqszeichenliste:

8 makroskopische Teilchen

8a ungeladene makroskopische Teilchen

8b geladene makroskopische Teilchen

10 Massenspektrometer

20 Teilchenquelle

22 Teilchenreservoir

24 Kapillare

25 Auslass (der Kapillare)

26 Transporteinrichtung

30 Massenfilter

32 Elektroden

32a stabförmige Elektrode

32b stabförmige Elektrode

32c stabförmige Elektrode

32d stabförmige Elektrode

34 Spannungsquelle

36 Innenbereich

38 Zentrumsachse

40 Strahlungsquelle

42 Strahlung

44 Kamera

45 Aufnahmeeinrichtung bzw. Detektoreinrichtung

46 optische Linse (Kameralinse)

52 Auffangvorrichtung

102 bis 116 Abiaufschritte der Simulation