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    Das Physikalisch Chemische Praktikum I (Wusel-ID: 192CHE303040) wird im kommenden Wintersemester... [mehr]
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Transferkapillaren

In der Atmosphärendruck-Massenspektrometrie (API-MS) werden die zu analysierenden Ionen bei Atmosphärendruck erzeugt. Im Massenanalysator des Spektrometers muss hingegen ein Hochvakuum herrschen, um stoßfreie Bedingungen zur störungsfreien Detektion zu gewährleisten.
Bei der nötigen Reduktion des Drucks um mindestens fünf Größenordnungen ist eine möglichst effiziente, d.h. mit geringen Verlusten verbundene Überführung der Ionen von der Ionenquelle in den Massenanalysator das Ziel.
Die heutigen technischen Realisierungen solcher Druckreduktionssysteme führen in der Regel zu drastischen Ionenverlusten. Eine Identifikation der Ursachen für den Ionenverlust könnte daher Wege zu einer deutlichen Empfindlichkeitssteigerung von API-Massenspektrometern eröffnen.
In kommerziell erhältlichen, modernen API-MS Systemen findet die erste Druckreduktion häufig durch kritisch betriebene Kapillaren. Solche Kapillaren sind einfache Metall oder Glasrohre mit einer Länge von etwa 20 cm und einem Innendruchmesser von 0,5 bis 1 mm. Diese Kapillaren begrenzen durch den Strömungswiderstand, den sie dem hindurchströmenden Gas entgegensetzen, den Gasfluss. Hierdurch wird es möglich, hinter der Einlasskapillare ein ausreichend kleinen Druck aufrecht zu erhalten, so dass nachfolgende Druckreduktionsstufen effizient arbeiten können. Auf der Eingangsseite saugen die Kapillaren direkt aus der Ionenquelle Gas an.
Die physikalischen und chemischen Prozesse, denen die Ionen innerhalb der Einlasskapillaren unterworfen sind, sind weitgehend unklar. Ionen können in der Kapillare intensive Wechselwirkungen mit dem umgebenden Neutralgas und untereinander eingehen. Einlasskapillaren sind daher auch eine Art chemischer Reaktor, in dem sich Ionenpopulationen durch Reaktion verändern können. Die mit dem Massenanalysator beobachten Ionen sind dann nicht mehr identisch mit den primär erzeugten Ionen, was die Interpretation der erhaltenen Massenspektren schwierig gestalten kann. Im Extremfall ist es nicht mehr möglich eine sinnvolle Aussage über die ursprüngliche Ionenpopulation zu treffen.
Unsere Arbeitsgruppe versucht tiefere Einblicke in die dynamischen Prozesse innerhalb von MS-Einlasskapillaren zu gewinnen:

  • Grundlegende Charakterisierung der Fluiddynamik innerhalb von und hinter Einlasskapillaren:
    • Strömungsstruktur in der Kapillare
    • Untersuchung der Ausströmung aus Einlasskapillaren und der Wechselwirkung mit nachfolgenden Druckreduktionsstufen
  • Dynamik der Ionen innerhalb von Einlasskapillaren:
    • Ionentransmission und Ionentransferzeiten durch Kapillaren
    • Einfluss von elektrischen Feldern auf Ionen innerhalb von Kapillaren
  • Reaktionsdynamik von Ionen innerhalb von Einlasskapillaren:
    • Ionen-Neutral / Ionen-Ionen Reaktionen, Clusterbildung
  • Numerische Simulation von Einlasskapillaren
    • Fluiddynamik-Simulationen (CFD)
    • Numerische Berechnung von Ionentrajektorien in und hinter der Einlasskapillare

Die Untersuchungen der Eigenschaften von AP-MS Einlasskapillaren stellt einen stark von Interdisziplinarität geprägten Bereich dar, der die Verknüpfung verschiedener Disziplinen der Naturwissenschaften, Chemie und Physik, zusammen mit Ingenieurwissenschaften erfordert.