PIMMS - Ein Planar Integriertes Mikromassenspektrometer

Massenspektrometer zur mobilen Anwendung

  • Abb. 1: Der PIMMS-ChipAbb. 1: Der PIMMS-Chip
  • Abb. 1: Der PIMMS-Chip
  • Abb. 2: Mikrosystemtechnische Herstellungsschritte des PIMMS-Chips
  • Abb. 3: Demonstrator
  • Abb. 4: Massenspektren von a) Gemisch aus Argon , Methan und CO2 und b) Argon

Ein miniaturisiertes Massenspektrometer (MS) erweitert den Anwendungsbereich für die MS um mobile- und in-situ-Analyse von Gasen. Ein solches miniaturisiertes MS wurde an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) entwickelt. Es trägt die Bezeichnung PIMMS, was für das Planar Integrierte Mikromassenspektrometer steht. Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des gleichnamigen BMBF Projektes und in Zusammenarbeit zwischen der TUHH, Krohne Messtechnik, Bayer Technology Services und Ehrfeld Mikrotechnik BTS durchgeführt. An der TUHH ist es gelungen, alle ionenoptischen Komponenten eines MS auf einem Chip von ca. 1cm2 Größe zu integrieren [1][2]. Alle Komponenten des Chips sind in einer Ebene mit Standardprozessen der Mikrosystemtechnik aufgebaut.

Anordnung und Funktionsweise der Komponenten
In Abbildung 1 ist der planare Aufbau des PIMMS dargestellt. Als Elektronenquelle dient ein Argon-Hochfrequenz-Mikroplasma, welches mit einer Frequenz von 2,45 GHz angeregt wird. Die in der Plasmakammer entstehenden Elektronen werden mit 100 V extrahiert und in die Ionisationskammer geleitet. Innerhalb der Ionisationskammer wird das zu vermessende Gasgemisch mittels Elektronenstoßionisation ionisiert. Die so entstandenen Ionen werden durch ein Elektrodenpaar mit einer Spannungsdifferenz von 125 V extrahiert, anschließend in den Wanderfeldmassenseparator mit einer Spannung von ca. 67 V fokussiert und mit einer definierten Energie von 100 eV eingeleitet. Der Wanderfeldmassenseparator besteht aus einer Kammelektrode und mehreren ihr gegenüberliegenden Fingerelektroden. Das Potential der Fingerelektroden wird mittels einer Rechteckspannung in bestimmten Zeitintervallen geändert. Die Elektroden können abwechselnd zwei verschiedene Spannungswerte annehmen, 0 V oder 5 V. Jede zweite Fingerelektrode liegt auf demselben Potential. Fliegt ein Ion durch den Massenseparator, kann es eine Elektrode mit ­0 V ungehindert passieren. Kreuzt sein Weg eine Elektrode, welche zur Kammelektrode eine Potentialdifferenz (5 V) besitzt, wird es seitlich abgelenkt. Ionen mit einer definierten Energie haben eine Geschwindigkeit, welche nur von ihrer Masse abhängt. Schwere Ionen sind langsamer als Ionen mit einer geringeren Masse.

Wechseln die Fingerelektroden im Massenseparator mit einer bestimmten Frequenz (der Wanderfeldfrequenz) ihr Potential, können nur jene Ionen den Massenseparator passieren, welche eine solche Geschwindigkeit (und damit eine definierte Masse) haben, sodass sie beim Durchqueren des Massenseparators nur auf Fingerelektroden treffen, an denen keine Spannung anliegt. Ionen einer anderen Geschwindigkeit erfahren eine seitliche Ablenkung und können den Separator nicht passieren. Daraus folgt, dass die jeweilige Wanderfeldfrequenz die Masse der Ionen bestimmt, welche den Separator passieren. Eine Durchstimmung der Wanderfeldfrequenz führt zu einem vollständigen Massenspektrum. Hinter dem Massenseparator befindet sich ein Energiefilter, welcher nur von Ionen passiert werden kann, die ein bestimmtes Energie-zu-Ladung-Verhältniss haben. Die Ionen können durch thermische Streuung eine Varianz in ihrer Energie besitzen, zudem kann eine Energiestreuung durch Randfelder während des Durchlaufs durch den Separator entstehen. Nach dem Passieren des Energiefilters wird der Ionenstrom mittels einer hybridintegrierten MCP verstärkt, der verstärkte Ionenstrom trifft auf einen Faraday-Detektor und wird gemessen.

Der Aufbau des PIMMS-Chips
Die Herstellung des PIMMS-Chips unterliegt Standardprozessen der Mikrosystemtechnik. Basierend auf einem Glas-Silizium-Glas-Wafer-Aufbau, seitlich dargestellt in Abbildung 2. Die Elektroden des Massenspektrometers werden mittels des „Bosch-Prozesses" aus einem hochdotierten und damit gut leitenden Siliziumwafer heraus geätzt. Die Glaswafer bilden dabei die tragende Basis des Aufbaus und dienen zum Verschließen der gasführenden Massenspektrometerelemente wie Ionisationskammer und Plasmakammer. Die elektrische Kontaktierung der Siliziumelektroden wird durch Metallleiterbahnen realisiert, die eutektisch mit den Siliziumstrukturen verbunden sind. Dabei ergibt sich der Aufbau des Chips wie in den Schritten 1 - 7 in Abbildung 2. Schritt (1) zeigt die einzelnen bereits vorbereiteten Wafer. Auf dem unteren Glaswafer sind Metallleiterbahnen mittels eines Sputter-Prozesses aufgebracht und in den Siliziumwafer werden Stufen als Bondstop hinein geätzt. In (2) werden der untere Glaswafer und der Siliziumwafer durch anodisches Bonden miteinander verbunden. Die zuvor geätzten Stufen verhindern eine Verbindung an diesen Bereichen. Zwischen Silizium und Gold bildet sich ein eutektischer Kontakt. In (3) werden mit dem Bosch-Prozess Gräben in das Silizium geätzt. Die nicht benötigen Siliziumstukturen lassen sich entfernen (4), da diese nicht mit dem unteren Glas verbunden sind. In (5) wird die Glas-Silizium-Kombination mit dem oberen Glaswafer anodisch gebondet. In den oberen Wafer wird eine Bruchkante hinein gesägt (6) und dann gebrochen (7). Der so entstandene Chip wird auf eine Trägerplatine geklebt und mit Kapillaren zum Anschluss von Gasen versehen.

Peripherie des PIMMS
Im Laufe des PIMMS-Projektes sind verschiedene Varianten und Generationen von Demonstratoren entstanden. In Abbildung 3 ist der Aufbau eines an der TUHH entwickelten Demonstrators dargestellt. Der Aufbau stellt ein mobiles Laborgerät dar, bei dem die einzelnen Komponenten flexibel aufgebaut und damit zurzeit noch größer als nötig dimensioniert sind. Alle Komponenten sind leicht zugänglich. Der Aufbau beinhaltet Vakuumpumpen, eine Druckmesszelle, eine Argondruckflasche zur Versorgung des Plasmas, einen Aluminiumrezipienten und die Elektronik. Die Ansteuerung erfolgt über einen beliebigen PC oder Laptop, der per USB mit dem Aufbau verbunden werden kann. Das Pumpensystem besteht aus einer Membranvakuumpumpe (Pfeiffer MVP 006-4) und einer Turbomolekularpumpe (Pfeiffer Hipace 10). Der mit dieser Pumpenkombination erreichbare Druck liegt bei ca. 10-5 mbar. Der Betriebsdruck unter Verwendung des Plasmagases im Rezipienten liegt bei ca. 10-3 mbar. Ein zu vermessendes Gasgemisch kann über ein 1/16‘‘ Stahlrohr angeschlossen werden. Die Druckminderung des Messgases erfolgt passiv über Kapillaren. Sie wird nicht geregelt. Der Druck der zugeführten Probe darf deshalb nicht zu großen Schwankungen unterliegen. Der eigens entwickelte Wanderfeldgenerator kann den Wanderfeldseparator mit Frequenzen bis zu 270 MHz betreiben. Dies ermöglicht die Messung geringer Massen einschließlich 1m/z. Die kurzen Anschlusswege im Aufbau zwischen Chip und Elektronik sorgen dafür, dass die Aufnahme eines Spektrums von 0,1 Sekunden/Masse realisierbar ist.

Performance des PIMMS
In Abbildung 4 sind mit dem PIMMS gemessene Spektren dargestellt. 4 a) stellt ein Gemisch aus Argon, Methan und CO2 dar. Das PIMMS ist in der Lage, Spektren mit einem Auflösungsvermögen von bis zu 43 FWHM aufzunehmen (Argonspektrum 4 b)). Der mögliche Massenbereich beträgt m/z = 1 bis 200. Auch höhere Massen sind prinzipiell messbar, das erscheint jedoch bei einem Auflösungsvermögen von 43 FWHM derzeit nicht sinnvoll. Mit dem PIMMS konnten Messungen mit einer Sensitivität unterhalb von 100 ppm [3] durchgeführt werden.

Danksagung
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen" unter dem Förderkennzeichen 02PC2100 gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA), Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PFT), betreut.

Literatur
[1] Hauschild J.-P. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 264-1, pp. 53-60 (2007)
[2] Reinhardt M. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 295, pp. 145-148 (2010)
[3] Müller J. et al.: LC-MS in Drug Bioanalysis, Springer Verlag, 2012, 423 ff.

 

 

Autor(en)

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Technische Universität Hamburg- Harburg/ Mikrosystemtechnik
Eißendorfer Str. 42
21073 Hamburg
Telefon: 040/7718-01
Telefax: 040/7718-2573

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