Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss hoher effektiver Ionentemperaturen auf die Kinetik von Ionen-Molekülreaktionen in der Gasphase mittels Hochenergie-Ionenmobilitätsspektrometrie mit selektiven Ionenquellen

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Benter; Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390583968

Ziele dieses Fortsetzungsvorhabens sind a) eine detaillierte Beschreibung der Kinetik von Ionen-Molekülreaktionen in der Gasphase in Abhängigkeit der effektiven Ionentemperatur auf Basis experimenteller Untersuchungen und b) die Schaffung der hierfür erforderlichen instrumentellen Voraussetzungen in Form eines Hochenergie-Ionenmobilitätsspektrometers (HiKE-IMS) mit selektiven Ionenquellen. Während für Raumtemperatur umfangreiche Daten für die Beschreibung der Kinetik verschiedenster Gasphasenreaktionen zur Verfügung stehen, existieren für hohe Temperaturen nur sehr wenige Daten. Vor allem experimentelle Untersuchungen zur Kinetik von Clusterassoziations- und Dissoziationsreaktionen finden sich kaum. Grundsätzlich ist bekannt, dass eine Erhöhung der Ionentemperatur die internen Energiezustände und Wechselwirkungsenergien zwischen Ionen und Neutralgasteilchen und damit auch Dissoziations- und Fragmentierungsprozesse sowie die Umsatzraten von Gasphasenreaktionen beeinflusst. Im Rahmen dieser Fortsetzung sollen diese bei erhöhten Ionentemperaturen auftretenden Effekte grundlegend untersucht werden. Mit kinetischen und dynamischen Simulationen der ablaufenden Prozesse ergeben sich zusammen mit den experimentellen Daten schließlich neue Erkenntnisse zur temperaturabhängigen Kinetik von Gasphasenreaktionen, die nicht nur von akademischem Interesse sind, sondern auch eine anwendungsspezifische Optimierung des HiKE-IMS für die sensitive und selektive Detektion bestimmter Zielsubstanzen erlauben. Eine erfolgreiche Durchführung der experimentellen Untersuchungen setzt allerdings voraus, dass abgesehen vom Zielreaktionssystem keine weiteren reaktiven Ionen im HiKE-IMS vorliegen, da parallel ablaufende Reaktionen eine eindeutige Interpretation der Messergebnisse erschweren oder gar unmöglich machen. Das HiKE-IMS aus dem vorherigen Vorhaben erfüllt diese Anforderung bisher nicht, was vor allem an der verwendeten Koronaentladungsquelle liegt. Im Rahmen der Fortsetzung soll stattdessen eine zum HiKE-IMS kompatible Hohlkathoden-Ionenquelle realisiert werden, um definierte Ionenpopulationen zu erzeugen. Außerdem ist eine Laserionisationsquelle geplant, bei der die Ionisation von Molekülen über eine resonante Multiphotonenanregung erfolgt. So lassen sich insbesondere mittelpolare bis unpolare aromatische Substanzen sehr selektiv ionisieren. Mit durchstimmbaren Lasern können so auch andere Substanzklassen untersucht werden. Zudem lassen sich in einem räumlich und zeitlich sehr definierten Bereich Ionen erzeugen, um durch Variation des Ionisationsortes die Aufenthaltszeit der erzeugten Ionen im Reaktionsraum unabhängig von anderen Parametern zu variieren. Diese Zeitvariation ermöglicht die Berechnung von Reaktionsgeschwindigkeiten und Reaktionsratenkonstanten. Hierfür ist ein HiKE-IMS mit örtlich variabler Einkopplung des Laserstrahls in den Reaktionsraum zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen