PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10310924B3 11.11.2004
Titel Miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer
Anmelder Gesellschaft zur Förderung der Spektrochemie und angewandten Spektroskopie e.V., 44139 Dortmund, DE;
G.A.S. Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH, 44227 Dortmund, DE
Erfinder Baumbach, Jörg Ingo, Dr., 44141 Dortmund, DE;
Sielemann, Stefanie, Dr., 44143 Dortmund, DE;
Pilzecker, Peter, 45141 Essen, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Meinke, Dabringhaus und Partner GbR, 44141 Dortmund
DE-Anmeldedatum 13.03.2003
DE-Aktenzeichen 10310924
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.11.2004
IPC-Hauptklasse G01N 27/62
IPC-Nebenklasse A62B 37/00   
Zusammenfassung Bei einem miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit wenigstens einer Driftröhre, die einen Ionisationsraum mit Gaseinlass und Gasauslass und einen Driftraum mit Driftgaseinlass aufweist, und einer elektrischen Energieversorgung für die Driftröhre, sollen die Trage- und Gebrauchseigenschaften für eine eine Schutzkleidung tragende Person wesentlich verbessert werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Driftröhre (5) in ein Kleidungsstück (K, K') integriert ist und die elektrische Energieversorgung wenigstens einen in das Kleidungsstück integrierten Thermogenerator (1) aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit wenigstens einer Driftröhre, die einen Ionisationsraum mit Gaseinlass- und Gasauslass und einen Driftraum mit Driftgaseinlass aufweist, und einer elektrischen Energieversorgung für die Driftröhre.

Ionenbeweglichkeitsspektrometer dienen unter anderem zur Detektion von Spuren (typischerweise ng/L bis pg/L-Bereich (ppmv bis pptv-Bereich)) von Gasen in Luft oder anderen Trägergasen. Sie sind insbesondere zur Detektion chemischer Kampfstoffe, von Sprengstoffen oder Drogen geeignet, spielen aber auch in immer mehr anderen Anwendungsgebieten eine Rolle. In letzter Zeit sind solche Spektrometer miniaturisiert worden. Waren Ionenbeweglichkeitsspektrometer zunächst als Auftischgeräte bekannt, kamen im letzten Jahrzehnt tragbare Spektrometer zum Einsatz, deren Hauptkomponenten so klein sind, dass sie zum Beispiel auf einen Handteller passen. Dies trifft insbesondere auf die Herzstücke, die miniaturisierten Driftröhren, zu, die inzwischen nur wenige Zentimeter lang sind und Außendurchmesser von ca. 1 cm haben.

Diese miniaturisierten, als selbständiges Gerät gebauten Spektrometer weisen in der Regel einen Gaskreislauf auf und ein Probenentnahmesystem. Betriebsgemäß strömt dem den Analyten enthaltenden Trägergas ein Driftgas entgegen. Dieses Driftgas dient unter anderem dazu, zu sichern, dass selbst bei nicht ideal geschlossenem Gitter höchstens neutrale Trägergasmoleküle in den Driftraum des Ionenbeweglichkeitspektrometers gelangen können. Als Driftgas wird üblicherweise gereinigte Umgebungsluft verwendet.

Für moderne Analytik ist oft die Zeit, die für eine Analyse benötigt wird, ein ausschlaggebender Faktor. Solche miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometer, die sich kostengünstig beispielsweise über moderne mikrostrukturtechnische Verfahren herstellen lassen, können sehr nahe an den Ort der Probennahme gebracht werden, ohne selbst störend ins Gewicht zu fallen.

Für den Personenschutz sind Kombinationen aus Atemschutz (beispielsweise Schutzmasken mit integrierten Filtern) und Körperschutz (beispielsweise Schutzkleidung) weit verbreitet. Von besonderer Bedeutung ist die erfolgreiche Wirkung für den Schutz vor chemischen und biologischen Kampfstoffen. Es wäre deshalb wünschenswert, derartige miniaturisierte Ionenbeweglichkeitsspektrometer für diese Zwecke nutzen zu können, um beispielsweise direkt am Körper der die Schutzkleidung tragenden Person eine Probennahme durchführen und diese sogleich analysieren und dann ggf. unmittelbar reagieren zu können.

Aus DE 30 05 980 C2 ist ein Atemschutzanzug mit einer Anzeigeeinrichtung für den Gasvorrat des Atemschutzgerätes als Behältergerät im Sichtbereich des Trägers bekannt, bei dem im Anzugsstoff dem Druckmesser des Behältergerätes gegenüber ein Fenster vorhanden ist. Der Behälterdruck kann dadurch auch von der Außenseite des Atemschutzanzuges her abgelesen werden, obwohl sich der Gasvorrat innerhalb des Schutzanzuges befindet.

Aus JP 2001307268 A ist ein System zur Messung physikalischer Größen in einer Umgebung bekannt, welches mehrere münzstückgroße Transponder aufweist, die an der Außenoberfläche eines Kleidungsstückes angeordnet sind. Diese Transponder sind mit Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren zur Messung einer Temperatur und Feuchtigkeit in der Umgebung eines das Kleidungsstück tragenden Golfspielers versehen. Der jeweilige Transponder übermittelt die ermittelten Messdaten an einen entfernten Computer.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Trage- und Gebrauchseigenschaften eines miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers für eine eine Schutzkleidung tragende Person wesentlich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit einem miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Driftröhre in ein Kleidungsstück integriert ist und die elektrische Energieversorgung wenigstens einen in das Kleidungsstück integrierten Thermogenerator aufweist.

Erfindungsgemäß ist somit ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer direkt in ein Kleidungsstück, d.h. insbesondere in eine Schutzkleidung, integriert, und zwar einschließlich der Energieversorgung. Dabei wird der Temperaturunterschied zwischen der menschlichen Körpertemperatur und der Außentemperatur mit Hilfe eines an sich bekannten Thermogenerators ausgenutzt. Dabei handelt es sich nicht nur um eine einfache Verbindung bekannter Komponenten, sondern um eine wechselseitige Integration. So wird das textile Material der Schutzkleidung für bestimmte oder alle Bestandteile des Ionenbeweglichkeitsspektrometers eingesetzt, insbesondere ist der wesentliche Bestandteil des Spektrometers, nämlich die Driftröhre, direkt in das Kleidungsstück integrieret.

Thermogeneratoren sind in den letzten Jahren für verschiedene Einsatzzwecke, insbesondere auch zur Integration in Kleidung, bekannt geworden, sie sind beispielsweise zur Energieversorgung medizinischer Sensoren, z.B. für Puls, Temperatur oder dergl., geeignet. Da elektrische Ströme in miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometern im Bereich 10–9 bis 10–12 A liegen und elektrische Felder im Bereich einiger 100 V/cm im Driftbereich von wenigen Zentimetern Länge benötigt werden, liegen die erforderlichen Spannungen im Bereich von ca. 103 V und damit ergeben sich Werte für das Produkt von Spannung und Strom im Bereich von 10–6 bis 10–9 VA für den Betrieb der Driftröhre selber. Diese Werte lassen sich mit verfügbaren Thermogeneratoren erreichen.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft auch möglich, dass mehrere Driftröhren vorgesehen sind, die jeweils in das Kleidungsstück integriert sind. Es ist dann problemlos möglich, etwa gleichzeitig verschiedene Messungen durchzuführen.

Um eine weitgehend vollständige Integration in das Kleidungsstück zu erreichen, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Driftröhre in das textile Gewebe des Kleidungsstückes integriert ist und Feldstabilisierungselemente der Driftröhre von leitenden und nicht leitenden Fasern des Gewebes und/oder von in das Gewebe eingebettetem polymeren Material gebildet sind.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Driftröhre und den Thermogenerator verbindende elektronische Bauelemente einschließlich elektrischer Leiterbahnen in das textile Gewebe integriert sind.

Zweckmäßig ist es auch, dass Anzeige- und Steuerelemente in das Kleidungsstück integriert und über einen in das Kleidungsstück integrierten Vorverstärker mit der Driftröhre verbunden sind. Als Anzeige kann beispielsweise ein LCD-Schirm verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Driftröhre und/oder der Vorverstärker mit einem EMV-(Elektromagnetische Verträglichkeit)-Textilmaterial ummantelt sind, dabei kann es sich um ein Shield®-Material handeln, welches eine elektrische Abschirmung der Driftröhre und/oder des Vorverstärkers bewirkt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gaseinlass und/oder der Driftgaseinlass mit einem textilen Membranmaterial verbunden ist, welches außenseitig in das textile Gewebe des Kleidungsstückes integriert ist. Das Trägergas (Analyt) und beispielsweise Luft, die gereinigt wird und als Driftgas verwendet wird, kann dann durch die jeweilige Membran in in das Kleidungsstück integrierte Gastransportröhren eintreten und zur Driftröhre gelangen.

Wenn dies beispielsweise zum einwandfreien Betrieb der Anzeige- und Steuerelemente notwendig ist, kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die elektrische Energieversorgung neben dem wenigstens einen Thermogenerator zusätzlich Solarzellen und/oder Akkumulatoren aufweist, die in das Kleidungsstück integriert sind.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in:

1 eine Prinzipdarstellung eines in ein Kleidungsstück integrierten miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers nach einer ersten Ausgestaltung und

2 eine Prinzipdarstellung nach einer zweiten Ausgestaltung.

In 1 ist ein beispielsweise als Pullover ausgebildetes Kleidungsstück mit K bezeichnet, welches vorzugsweise als Schutzkleidung ausgebildet ist.

In dieses Kleidungsstück K ist ein miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer integriert, dessen wesentlicher Bestandteil eine Driftröhre 5 ist, die in das Kleidungsstück K integriert ist, und zwar direkt in das textile Gewebe desselben. Die Driftröhre 5 schließt in üblicher Weise einen im Einzelnen nicht näher dargestellten Ionisationsraum und einen davon durch ein Gitter oder Ionentor getrennten Driftraum ein. Die für den Betrieb des Ionenbeweglichkeitsspektrometers erforderliche elektrische Energieversorgung weist einen Thermogenerator 1 auf, der ebenfalls in das Kleidungsstück K integriert ist. Solche Thermogeneratoren sind für sich betrachtet bekannt, so dass deren Funktionsweise nicht im Einzelnen erläutert wird. Die elektrische Verbindung zwischen der Driftröhre 5 und dem Thermogenerator 1 ist von elektrischen Leiterbahnen 7 gebildet, die ebenfalls in das Gewebe des Kleidungsstückes K integriert sind.

An der Oberfläche des Kleidungsstückes K ist an geeigneter Stelle ein Gaseinlass 2 (linke Seite in 1) vorgesehen, welcher vorzugsweise aus einem textilen Membranmaterial besteht. Dieser Gaseinlass 2 ist über in das Gewebe des Kleidungsstückes K integrierte Gastransportröhren 3 und eine vorzugsweise ebenfalls in das Kleidungsstück K integrierte miniaturisierte Pumpe 4 mit dem Eintritt in den Ionisationsraum der Driftröhre 5 verbunden, in ähnlicher Weise ist auch ein Gasauslass vorgesehen, der nicht dargestellt ist.

Ferner ist ein weiterer Gaseinlass 2 (rechte Seite der 1) vorgesehen, der als Driftgaseinlass dient, wobei vorzugsweise als Driftgas Umgebungsluft verwandt wird. Dieser Driftgaseinlass 2 ist an eine in das Gewebe integrierte Gastransportröhre 3' angeschlossen, die in ein geeignetes Gasreinigungselement 6 für das Driftgas mündet und von dort über eine weitere miniaturisierte Pumpe 4 in die Driftröhre 5 des Ionenbeweglichkeitsspektrometers mündet. Das Gasreinigungselement 6 kann dabei vom textilen Gewebe des Kleidungsstückes K gebildet sein.

Die vom Thermogenerator 1 erzeugte elektrische Energie wird über die elektrischen Leiterbahnen 7 elektronischen Bauelementen 8 zur Bereitstellung der für den Betrieb der Driftröhre 5 benötigten Spannungen und dergl. geleitet und gelangt von dort zur Driftröhre 5. Ferner kann die elektrische Energie von den Bauelementen 8 auch über Leiterbahnen 7 zu einer Anzeigeeinheit 10, beispielsweise einer LCD-Anzeige, geleitet werden, diese Anzeigeeinheit 10 kann alternativ aber auch mit einer eigenen zusätzlichen Energieversorgung (z.B. Solarzellen) versehen sein, falls dies erforderlich ist. Diese Anzeigeeinheit 10 ist darüber hinaus über einen Vorverstärker 9 mit der Driftröhre 5 über in das Gewebe integrierte Leiterbahnen 7 verbunden.

Ferner ist zweckmäßig vorgesehen, was zeichnerisch nicht dargestellt ist, dass Feldstabilisierungselemente der Driftröhre 5 von leitenden. und nicht leitenden Fasern des textilen Gewebes und/oder von in das Gewebe eingebettetem polymeren Material gebildet sind. Außerdem kann die Driftröhre 5 und/oder der Vorverstärker 9 mit einer EMV-Textilummantelung zur Abschirmung versehen sein, was ebenfalls zeichnerisch nicht dargestellt ist.

Erkennbar sind sowohl die Energieversorgung (Thermogenerator 1) als auch alle Bauteile des Ionenbeweglichkeitsspektrometers vollständig in das Kleidungsstück K integriert, wobei das Kleidungsstück K selbst einen wesentlichen Teil der Bauteile des Ionenbeweglichkeitsspektrometers bildet.

Eine zweite Ausführungsform zeigt 2, wobei dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwandt sind, sofern gleiche Teile betroffen sind.

Bei dieser Ausführungsform ist das Kleidungsstück K' in Form eines Hemdes dargestellt, in diesem Falle sind zwei Thermogeneratoren 1 vorgesehen, die jeweils parallel angeordnet sind und über elektrische Leiterbahnen 7 mit den elektronischen Bauelementen 8 und den weiteren Bauteilen verbunden sind. Ansonsten unterscheidet sich die Ausführungsform nach 2 nicht von derjenigen nach 1, in dieser Figur ist allerdings der Analytgaseinlass mit 2a und der Driftgaseinlass mit 2b bezeichnet.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann das Ionenbeweglichkeitsspektrometer auch mehr als eine Driftröhre aufweisen, welche jeweils in das Kleidungstück K, K' integriert sind. In das Kleidungsstück kann auch ein GPS-System integriert werden, um die Position des Sensors und der jeweiligen Person ermitteln zu können. Auch andere Sensoren (Druck, Temperatur, medizinische Sensoren (Puls, EEG, EKG)) und Satellitenantennen- und -empfangsanlagen können integriert werden.


Anspruch[de]
  1. Miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit wenigstens einer Driftröhre, die einen Ionisationsraum mit Gaseinlass- und Gasauslass und einen Driftraum mit Driftgaseinlass aufweist, und einer elektrischen Energieversorgung für die Driftröhre, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre (5) in ein Kleidungsstück (K, K') integriert ist und die elektrische Energieversorgung wenigstens einen in das Kleidungsstück (K, K') integrierten Thermogenerator (1) aufweist.
  2. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Driftröhren (5) vorgesehen sind, die jeweils in das Kleidungsstück (K, K') integriert sind.
  3. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre (5) in das textile Gewebe des Kleidungsstückes (K, K') integriert ist und Feldstabilisierungselemente der Driftröhre (5) von leitenden und nicht leitenden Fasern des Gewebes und/oder von in das Gewebe eingebettetem polymeren Material gebildet sind.
  4. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre (5) und den Thermogenerator (1) verbindende elektronische Bauelemente (8) einschließlich elektrischer Leiterbahnen (7) in das textile Gewebe integriert sind.
  5. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass Anzeige- und Steuerelemente (10) in das Kleidungsstück (K, K') integriert und über einen in das Kleidungsstück integrierten Vorverstärker (9) mit der Driftröhre (5) verbunden sind.
  6. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Driftröhre (5) und/oder der Vorverstärker (9) mit einem EMV-Textilmaterial ummantelt sind.
  7. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass und/oder der Driftgaseinlass mit einem textilen Membranmaterial (2, 2a, 2b) verbunden ist, welches außenseitig in das textile Gewebe des Kleidungsstückes (K, K') integriert ist.
  8. Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energieversorgung zusätzlich Solarzellen und/oder Akkumulatoren aufweist, die in das Kleidungsstück integriert sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com