Schneller Schnüffler - Flexibles Abgasanalysesystem entwickelt

Ein kompaktes, direkt aufzeichnendes Prozeß-Massenspektrometer ermöglicht Abgasmeßtechnik in Echtzeit.

In der Umweltmeßtechnik der TUHH werden vor Ort einsetzbare chemische Analysegeräte und Analyseverfahren entwickelt. Mit ihnen können Schadstoffe in der Umwelt, d.h. in Luft, Boden, Wasser und auf Oberflächen sowie Abgase von Prozessen schnell erfaßt werden. Erste Praxistauglichkeit erlangen die Prototypen im Einsatz und durch Weiterentwicklungen während unterschiedlichste Meßkampagnen. Ein Massenspektrometersystem wurde z.B. an die Anforderung der Störfallanalytik angepaßt und wird derzeit routinemäßig von deutschen Feuerwehren betrieben. Die Kombination mehrerer unterschiedlicher Sensoren in einem Sensoren-Array führte zu einem Gerät, das anschaulich als elektronische Nase beschrieben werden kann. Im Rahmen der Prozeßmeßtechnik wurden Membransonden zur Probenahme flüchtiger Stoffe aus wäßrigen Reaktormedien eingesetzt, und schließlich gelang es, ein neues, sehr kompaktes und schnelles Massenspektrometer zu realisieren. Es kann durch Video-Aufzeichnung der on-line auf einem Leuchtschirm erzeugten Massenspektren unmittelbar die Analysenergebnisse von Abgasen aus sehr schnellen Prozessen erfassen.

Für die Meßtechnik an schnellen chemischen Prozessen werden herkömmlich Detektoren eingesetzt, mit denen einzelne Substanzen oder Summensignale gemessen werden. Einen einfachen Analysator, der sehr schnelle Prozeßänderungen im Bereich von Millisekunden erfassen und gleichzeitig die im Gemisch auftretenden Stoffe erkennen kann, gibt es bisher nicht.

Ein sehr leistungsfähiger Detektor, mit dem Substanzen identifizierbar sind, ist das Massenspektrometer. Hier werden die Moleküle ionisiert, z.T. gespalten und die Fragmente nach einer Massentrennung bestimmt. Das ergibt die Massenspektren, die wie Fingerabdrücke sehr typisch für die einzelne chemische Verbindungen sind und daher eine sehr treffsichere Identifizierung erlauben. Üblicherweise wird das Spektrum, welches z.B. die Molekülfragmente im Bereich 1-200 atomarer Masseneinheiten umfaßt, durch kontinuierliche Veränderung des Massenfilters aufgezeichnet. Der Detektor hinter dem Filter zeichnet nacheinander die durchgelassenen, unterschiedlich schweren Ionen auf. Dieses Arbeitsweise braucht Zeit, so daß mit sog. scannenden Massenspektrometern typischerweise 4 Spektren pro Sekunde aufgenommen werden können. Bisher erlauben nur die sehr aufwendigen und daher teuren Laser-Flugzeitmassenspektrometer sehr kurze Aufnahmezeiten von einigen Millisekunden. Wir haben uns daher die Aufgabe gestellt, ein nicht-scannendes Massenspektrometer zu bauen, bei dem alle getrennten Massen gleichzeitig und dadurch sehr schnell aufgezeichnet werden. Außerdem sollte das Gerät sehr kompakt konstruiert werden um einen Einsatz direkt am Prozeß zu ermöglichen. Im Rahmen der Promotion von Herrn Dipl.-Ing. Liebram und mehrerer von ihm betreuten Studien- und Diplomarbeiten wurde dieses Gerät realisiert.


Das komplette Massenspektrometersystem, konstruiert als kompakte Einheit

Das für Massenspektrometer notwendige Hochvakuum wird durch eine sehr kleine Turbomolekularpumpe mit einer Membranpumpe als Vorpumpe erzeugt. Das Probengas gelangt durch eine sehr feine Kapillare in den Analysator und wird durch Elektronenstoß ionisiert. Der Ionenstrahl wird in einer elektrostatischen Linse fokussiert und schließlich werden die Ionen in einem Magnetfeld, entsprechend ihrer Masse, in unterschiedliche Flugbahnen aufgetrennt. Die Ionen treten als aufgefächerter Ionenstrahl aus dem Magnetfeld aus, werden dort mit einer Multichannelplate zu Elektronen gewandelt, verstärkt und anschließend auf einem Leuchtschirm als Lichtpunkte abgebildet. Das Leuchtschirmbild wird durch eine im Vakuumgefäß eingelassene Glasplatte von einer handelsüblichen Videokamera aufgezeichnet. Die Leuchtpunkte werden hinsichtlich ihrer Position (Massenbestimmung) und ihrer Leuchtkraft (Intensitätsangabe) in einem PC als Massenspektren ausgewertet. Die schnellste Messung eines kompletten Spektrums beträgt 20 Millisekunden bei einer Nachweisgrenze von 1 Pikogramm, z.B. für Benzol oder Toluol.

Das Gerät wurde zur direkten Detektion einzelner Komponenten im Kfz-Abgas eingesetzt. Durch kurze Gaspedalstöße wurde eine dynamische Änderung der Abgaszusammensetzung hervorgerufen, die mit einer zeitlichen Auflösung von 20 ms aufgezeichnet wurde. In der Vergrößerung sieht man die sehr schnellen Oszillationen von Sauerstoff und Kohlendioxid im Abgas, die bisher nicht erfaßbar waren, aber neue Hinweise auf den Ablauf des Verbrennungsvorgangs im Motor geben.

Durch Kombination des MS mit einem neuen, sehr schnellen Gaschromatographen lassen sich Gemische aus vielen Komponenten in Einzelkomponenten auftrennen. Aufgrund der sehr dünnen GC-Säule und extrem kurzer Injektionsdauer ergeben sich sog. GC-Peaks von weniger als 100 ms Dauer, die durch ca. 5 komplette Massenspektren zu messen sind. Im folgenden Bild ist für jeden der analysierten Stoffe eine charakteristische Masse als Spur dargestellt. Man erkennt, daß bei dieser sehr schnellen Analyse die Substanzen aus dem Gemisch sowohl sicher identifiziert als auch quantitativ bestimmt werden können.


Ausschnitt eines schnellen GC/MS-Laufes; die Geschwindigkeit des MS reicht aus, um 100 ms-Signale aufzuzeichnen.

Das entwickelte kompakte Schnellmassenspektrometer übertrifft die zeitliche Auflösung handelsüblicher Massenspektrometer um mindestens das Zehnfache. Bei geringer Leistungsaufnahme und einem Gewicht unter 20 kg ermöglicht es erstmals schnelle chemische Reaktionsabläufe mit geringem Aufwand direkt am Prozeß messen zu können. Als nächster Schritt ist geplant, dieses Meßsystem zu einem vermarktbaren Produkt weiter zu entwickeln und damit neue Meßaufgaben in der Industrie zu lösen.

Prof. Dr.-Ing. G. Matz,
Dr. W. Schröder,
Dipl.-Ing A. Liebram
Arbeitsbereich Elektrotechnik 1
Tel.: 040/42878-3031
www.tuhh.de/et1/