Grundlegende Untersuchungen zur Ionenmobilität und Trennung von Isomeren mittels hochauflösender Ionenmobilitätsspektrometrie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263334553

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Realisierung eines kompakten hochauflösenden Ionenmobilitätsspektrometers (IMS) mit einer Auflösung von R > 300 und Nachweisgrenzen bis in den ppt-Bereich bei Messzeiten unter einer Sekunde sowie der Möglichkeit, applikationsabhängig verschiedene nicht-radioaktive Ionisationsquellen einsetzen zu können. Die besonderen technischen Herausforderungen bestehen dabei in der Konstruktion eines hinsichtlich Baugröße und analytischer Performance optimierten IMS sowie der Entwicklung spezieller Elektronik für den Betrieb eines solchen Systems. Unter anderem sind ein besonders rauscharmer und an die erreichte Auflösung bandbreitenangepasster Transimpedanz-Verstärker bis 150 kHz mit einer Verstärkung von mindestens 1 GV/A, schnelle Hochspannungsschalter zur Ansteuerung des Ionentors und eine kompakte Hochspannungskaskade zur direkten leistungsarmen Hochspannungsversorgung der Driftröhrenelektroden zu entwickeln. Die Konstruktion des IMS soll anhand analytischer und numerischer Modelle sowie eingehender experimenteller Untersuchungen entwickelt und weiter optimiert werden. Hierfür sind zunächst entsprechende theoretische Modelle zu entwerfen und experimentell zu validieren, die sämtliche für die analytische Performance relevanten Effekte berücksichtigen. In numerischen Simulationen soll insbesondere die Bewegung von Ionenwolken im IMS von der Entstehung bis zur Detektion modelliert werden. Hierbei sind die durch die Schaltvorgänge am Ionentor und die Ionenbewegung verursachten zeitveränderlichen elektrischen Felder, Entladungsvorgänge an metallischen Oberflächen, diffusive und konvektive Transportvorgänge der Ionen und Neutralteilchen sowie die Ionisationseigenschaften verschiedener Ionisationsquellen zu berücksichtigen. Dafür sind unter anderem die Ionenverteilung und dichte im Ionisationsbereich zum Zeitpunkt der Ioneninjektion in die Driftröhre experimentell zu ermitteln. Als Ionisationsquellen sollen ein nicht-radioaktiver Elektronenstrahler, eine schwache Röntgen- und eine Photoionisationsquelle zum Einsatz kommen. Mit Hilfe eines iterativen Optimierungsprozesses bestehend aus Modell-, Konstruktions- und Elektronikoptimierung sollen schließlich ein experimentell validiertes theoretisches Modell zur genauen Beschreibung der die analytische Leistungsfähigkeit beeinflussenden Effekte und ein kompaktes hochauflösendes IMS mit der Möglichkeit, unterschiedliche Ionisationsmethoden flexibel einsetzen zu können, zur Verfügung stehen. In einer angestrebten Projektverlängerung ist dieses System hinsichtlich spezieller Applikationen, wie der Atemgasanalyse und Bioreaktorkontrolle, weiter zu optimieren und die Ankopplung einer nano-Elektrosprayionisationsquelle zur schnellen Analyse von Flüssigkeiten vorzunehmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen