Analytische Verfahren spielen heutzutage in allen Bereichen der Wirtschaft eine unverzichtbare Rolle. Der Fortschritt in Forschung, Medizin, Biowissenschaften und Umwelt und Technik ist untrennbar auch mit der Entwicklung der Analytik verbunden. Besonders im Technologiebereich und in der industriellen Produktion wird dies gegenwärtig besonders deutlich.

Bereits die Entwicklung eines neuen Produktes oder Produktionsverfahrens ist eng mit den verschiedensten Analysenmethoden verbunden. Auch der Herstellungsprozess wird oft durch eine Vielzahl notwendiger, analytischer Messungen begleitet. Die Eingangskontrolle der Rohstoffe, die Steuerung und Überwachung des eigentlichen Produktionsprozesses, die Kontrolle der Produktqualität und Aufgaben im Personen- und Umweltschutz erfordern eine Vielzahl analytischer Aufgaben.

Einfache physikalische Messgrößen wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand werden dabei mit wertvollen Daten zur Konzentration und Stoffzusammensetzung sowie mit Angaben von spezifischen Produkteigenschaften ergänzt.

Die Massenspektrometrie zählt zu den bedeutendsten Analysentechniken, da sie sehr vielfältig eingesetzt werden kann. Der Grund dafür liegt in der Universalität des Messprinzips, das sich durch hohe Selektivität, Multikomponentenfähigkeit, kurze Messzeiten, sehr gute Empfindlichkeit und eine weite Messbereichsdynamik auszeichnet.

Massenspektrometer sind Analysesysteme, die elektrisch geladene Atome und Moleküle auf der Grundlage ihrer Teilchenmassen analysieren. Diese universelle Fähigkeit, nahezu alle ionisierbaren Stoffe untersuchen zu können, hat zu der sehr weiten Verbreitung dieser Analysentechnik geführt.

Die Massenspektrometrie hat ihren Siegeszug in die analytischen Labore in den letzten Jahrzehnten mit der Entwicklung der Kopplungstechniken GC/MS und LC/MS angetreten. Hier wird das Massenspektrometer als Online-Detektor für die chromatografischen Trenntechniken verwendet.

Parallel dazu entwickelte sich die Anwendung des Massenspektrometers als online-Analysengerät für die schnelle und kontinuierliche Messung von Stoffzusammensetzungen sowohl im Forschungsbereich als auch im industriellen Einsatz.

Die Arbeitsweise eines Massenspektrometers ist generell durch die folgenden Hauptschritte gekennzeichnet:

• der zu untersuchende Stoff wird vorzugsweise gasförmig in ein Vakuumsystem überführt
• die Atome und/oder Moleküle des Stoffgemisches werden ionisiert
• die entstandenen Ionen werden in einem Massenanalysator nach ihrer Teilchenmasse getrennt
• jede so aufgetrennte Teilchensorte wird einzeln detektiert und kann quantitativ erfasst werden
• die Steuerung aller Abläufe sowie die Datenaufnahme und Datenverarbeitung erfolgt durch ein Rechnersystem

Daraus ergeben sich auch die grundsätzlichen Baugruppen eines Massenspektrometers:

1. Gaseinlass-System
2. Ionenquelle
3. Massenanalysator
4. Detektor
5. Steuer- und Datensystem

Die Ionenquelle, der Massenanalysator und der Detektor werden unter Hochvakuum betrieben.

Massenspektrometer in der Prozessanalytik

In der modernen produktionsbegleitenden Analytik gewinnen die Online-Verfahren gegenüber der klassischen Laboranalytik zunehmend an Bedeutung. Die Laboranalytik, die gerade in der chemischen Industrie noch in weiten Bereichen überwiegt, ermöglicht eine umfassende und vollständige Analyse aller gewünschten Parameter. Die Analysengeräte sind jedoch nicht direkt mit dem Produktionsprozess verbunden. Diese Art der Analyse wird deshalb auch als Offline-Analytik bezeichnet.

Offline-Techniken sind dadurch gekennzeichnet, dass die Proben aus dem Produktionsprozess diskontinuierlich entnommen werden und mit einer unvermeidbaren, zeitlichen Verzögerung in einem Betriebslabor analysiert werden.

Der Vorteil der Laboranalytik besteht hauptsächlich in der Flexibilität bei der Anwendung verschiedener Methoden. Außerdem lassen sich auch Proben mit unbekannten Komponenten erfolgreich analysieren.

Die Nachteile liegen in dem hohen personellen Aufwand und der zeitlichen Verzögerung, mit der die Ergebnisse in der Regel vorliegen (Stunden bis Tage). Auch die diskontinuierliche Auslastung und die Kosten für die umfangreiche Geräteausstattung wirken sich negativ aus.

Im Gegensatz dazu zeichnen sich Online-Verfahren dadurch aus, dass die Analysengeräte ständig direkt mit dem Produktionsprozess verbunden sind. Der gesamte Analysenablauf verläuft dabei kontinuierlich und automatisch. Die Messwerterfassung erfolgt zeitlich im Sekunden- bis Minutenbereich.

Diese ständige und unmittelbare Erfassung prozessrelevanter analytischer Messgrößen ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Prozessänderungen und führt zur Erhöhung der Sicherheit für Mitarbeiter, Anlage und Umwelt, zur Prozessoptimierung und zur Steigerung der Produktqualität. Damit trägt sie wesentlich zur Effektivitätssteigerung und Kostensenkung bei.

Je nach Art der eingesetzten Technologie gibt es eine Vielzahl verschiedener Massenspektrometer-Systeme. Die Quadrupol-Massenspektrometer sind heute die am weitesten verbreiteten Geräte, weil sie sehr leistungsstark sind und sich durch eine kompakte und robuste Bauweise auszeichnen.

Für die Massentrennung wird bei den Quadrupolgeräten ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld verwendet. Als Detektoren kommen der Faraday-Auffänger und Sekundärelektronenvervielfacher (SEV, Channeltron) zum Einsatz.

Quadrupol-Massenspektrometer ermöglichen schnelle Messungen im Millisekundenbereich und besitzen eine hohe Messdynamik vom ppt- bis in den Prozent-Bereich. Je nach Verwendungszweck in der Online-Analytik können diese Systeme unterschiedlich konfiguriert werden und ermöglichen so ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis.

InProcess Instruments hat sich deshalb auf die Entwicklung modularer Systeme von Quadrupol-Massenspektrometern für die Online-Gasanalyse spezialisiert und bietet eine breite Palette individueller Gerätekombinationen, die für den Endkunden anwendungs- und problemorientiert optimiert sind.

Quadrupol-Massenspektrometer finden heute in der Prozessanalytik zum überwiegenden Teil bei der Analyse gasförmiger oder leicht verdampfbarer Prozessströme Anwendung. Flüssige oder feste Proben sind für die Online-Massenspektrometrie nur schwer zugänglich.

Da der eigentliche Messvorgang (Ionisierung der Probe, Trennung und Nachweis der Ionen) im Hochvakuum bei etwa 0,00001 bis 0,000001 mbar stattfindet, kommt dem Einlass-System die erste wichtige Aufgabe im Messablauf zu. Die Probe muss kontinuierlich und unter Druckreduktion bis in den Vakuumbereich der Ionenquelle gebracht werden.

Dafür werden je nach vorliegendem Druck an der Probennahmestelle verschiedene Anordnungen aus Blenden und Kapillaren mit Bohrungen und Innendurchmessern im Mikrometerbereich verwendet.

Der Probenverbrauch ist in der Massenspektrometrie generell sehr gering. Meist werden nur wenige ml/min Volumenstrom (Normbedingungen) für den eigentlichen Messprozess verbraucht. Ein weitaus größerer Volumenstrom wird für den raschen Transport des Probengases von der Entnahmestelle bis zum Analysengerät benötigt, um eine schnelle Ansprechzeit zu ermöglichen. Hier hängt viel von der richtigen Dimensionierung der Probennahmeleitung und der Art der Messgasaufbereitung ab. Totzeiten von nur wenigen Sekunden und Ansprechzeiten unter einer Sekunde sind so auch bei einigen Metern Leitungslänge kein Problem.

Die Massenspektrometrie ist eine molekulare Bestimmungsmethode. Das Gasgemisch wird unter Vakuumbedingungen in der Ionenquelle ionisiert und die gebildeten Ionen (geladene Atome, Moleküle und Molekülfragmente) können dann durch das Quadrupoltrennsystem nach ihrer Teilchenmasse sortiert werden. In Bruchteilen von Sekunden können dann die Zielkomponenten der Reihe nach am Detektor nachgewiesen werden.

So liefert z.B. die quantitative Bestimmung eines Gasgemisches, das sechs verschiedene Komponenten enthält, im Sekundentakt Konzentrationswerte für alle Komponenten. Dieses hohe zeitliche Auflösungsvermögen zählt zu den besonderen Stärken der Quadrupol-Massenspektrometer.

Da in der Ionenquelle nahezu alle Bestandteile der Gasmischung ionisiert werden können, ist die Anwendbarkeit der Methode universell. So sind z.B. die inerten Gase Stickstoff, Argon und Helium problemlos bestimmbar, für die es sonst kaum andere direkte Bestimmungsverfahren gibt.

Die Ionisation der Moleküle findet in der Ionenquelle unter Vakuumbedingungen statt, bei denen die gegenseitige Beeinflussung der gebildeten Ionen praktisch zu vernachlässigen ist. Das hat zur Folge, dass man die Hauptkomponenten (bis zu 100 Prozent) und die Nebenkomponenten (bis zu sub-ppm-Anteilen) gleichzeitig nebeneinander bestimmen kann. Eine schnelle Detektorelektronik sorgt dafür, dass die Ionensignale über weite Bereiche (acht bis neun Größenordnungen) sicher erfasst werden können.

Grenzen sind dem Verfahren nur dann gesetzt, wenn sich bei komplexen Gasgemischen ungünstige Überlagerungen von Molekül- und Fragmentmassen ergeben. Unter diesen Umständen kann entweder der erreichbare Nachweisbereich eingeschränkt sein oder die Bestimmung einzelner Komponenten erfolgt zusammengefasst in Gruppen.

Online-Massenspektrometrie in der Praxis

Für viele Anwendungsfälle existieren bereits ausgereifte und langjährig erprobte Lösungen. Dazu zählen Anwendungen in der chemischen Industrie, z.B. die Überwachung und Steuerung der Ethylenoxid- und Ammoniak-Synthese oder die Optimierung komplexer Reaktionsabläufe wie der Keten-Produktion. Erfolgreich werden Online-Massenspektrometer auch bei der Überwachung von Emissionen und Immisionen im Bereich von Industrieanlagen eingesetzt.

Verschiedene Prozesse der Metallurgie (Hochofen, Stahl, Sekundärmetallurgie) laufen ebenfalls seit Jahren erfolgreich unter massenspektrometrischer Kontrolle. Als weitere Beispiele lassen sich die Fermenterüberwachungen und die Biogasproduktion nennen.

Anwendungsbeispiele finden sich darüber hinaus in anderen Industriezweigen bei der Qualitätskontrolle in der laufenden Produktion. Dazu gehört z.B. die Lampenherstellung, die Glasproduktion oder auch die Kontrolle spezieller elektronischer Komponenten mit Schutzgasfüllungen.

Neben den angeführten Beispielen liegt aber das besondere Potenzial der Prozessmassenspektrometrie vor allem in der Problemlösung und bei der Erarbeitung neuer Anwendungen. Ausgehend von der Verfahrensentwicklung, wo besonders die Flexibilität der Methode von Vorteil ist, lassen sich so bereits die Applikationen für die eigentliche Prozesssteuerung mitentwickeln. Diese Aufgaben werden von uns in intensiver Zusammenarbeit mit Verfahrensentwicklern, Anlagenbauern und Betreibern gelöst.

Online-Massenspektrometer auf Basis der Quadrupol-Technik haben inzwischen einen hervorragenden gerätetechnischen Stand bezüglich der Betriebskosten und der Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen erreicht. Vollautomatischer Betrieb, gute Langzeitstabilität und einfache Bedienung unter industriellen Einsatzbedingungen sind heute ebenso selbstverständlich, wie langfristig planbare Service- und Wartungsintervalle.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung dieser Technik im industriellen Umfeld ist aber auch das gut abgestimmte Zusammenspiel von Hard- und Software für eine entsprechende Einbindung des Systems in das Produktionsumfeld und die Prozessleitsysteme.