Ionenselektiver Sensor mit modulierter Ionisationsdauer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194215494

Aufbauend auf den im laufenden Vorhaben erreichten Ergebnissen zu einem neuen Sensorkonzept zur schnellen, hochempfindlichen Detektion flüchtiger organischer Verbindungen in Luft soll in der Projektverlängerung das Konzept mit dem Ziel einer verbesserten Selektivität weiterentwickelt werden. Das bisherige Sensorprinzip beruht auf einer gepulsten chemischen Gasphasenionisation bei Atmosphärendruck der zu messenden Substanzen. Nach Abschalten der Ionisation führen die ionenspezifische Rekombination sowie Ladungsaustauschprozesse zu einer individuellen Lebensdauer der einzelnen Ionenspezies im Ionisationsbereich. Mit zunehmender zeitlicher Verzögerung zwischen Abschalten der Ionisation und Messung der verbleibenden Gesamtladung lassen sich kurzlebige Ionenspezies zunehmend diskriminieren. Die Selektivität basiert somit auf den ionenspezifischen Rekombinations- und Ladungsaustauschraten, so dass eine Differenzierung von Stoffgemischen anhand ihrer charakteristischen Abklingkurven möglich ist. Zudem können bei Festlegung eines Grenzwertes der gemessenen Gesamtladung zu einer bestimmten Verzögerungszeit langlebige Ionenspezies ab einer bestimmten Konzentration von kurzlebigen Ionenspezies unterschieden und sicher detektiert werden. Für eine zusätzliche Differenzierbarkeit der Ionenspezies soll im Rahmen der Projektverlängerung auch die ionenspezifische Bildungsrate und deren Einfluss auf die Abklingkurve berücksichtigt werden. Dieser Ansatz soll zudem in der Ionenmobilitätsspektrometrie zur gezielten Steuerung der Ionenbildung genutzt werden, um beispielsweise schwach proton- und elektronaffine Substanzen im Beisein höher proton- und elektronaffiner Substanzen detektieren zu können. Hierfür sind Ionisationsquellen mit kurzen Pulslängen im Bereich 0,1 µs bis 10 ms und einstellbarer konstanter Ladungsgenerierungsrate erforderlich. Die bisher genutzte kommerzielle Elektronenstrahlquelle (Optimare Analytik) ist aufgrund minimaler Pulslängen von 10 µs sowie einer ungeeigneten Regelung nicht einsetzbar. Im Fortsetzungsvorhaben sollen daher eine eigene nicht-radioaktive Elektronenquelle und eine modifizierte Koronaentladungsquelle mit gepulster UV-LED mit entsprechenden Schaltgeschwindigkeiten und Regelungen aufgebaut werden. Durch Variation der Ionisationsdauer kann die Ionenverteilung im Ionisationsbereich gezielt beeinflusst werden. Dies lässt sich in zweierlei Hinsicht vorteilhaft nutzen: 1. zur gezielten Diskriminierung von Ionenspezies mit geringer Bildungsrate durch kurze Ionisationszeiten, und 2. zur Beeinflussung der für Gasgemische charakteristischen Abklingkurve aufgrund einer veränderten Ionenverteilung zum Abschaltzeitpunkt der Ionisation (Generierung charakteristischer Kurvenscharen). Beide Effekte lassen sich für eine Differenzierung unterschiedlicher Ionenspezies nutzen und sollen im Rahmen der geplanten Fortsetzung untersucht werden. Zudem ist ein ionenselektiver Sensor mit modulierter Ionisation aufzubauen und zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen