Anorganische Chemie

Massenspektrometer

In diesem Beitrag erfährst du, was ein Massenspektrometer ist und welche unterschiedlichen Arten in der Massenspektrometrie verwendet werden.

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Inhaltsübersicht

Massenspektrometer einfach erklärt

Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Bestimmung der Masse von Atomen und Molekülen. Das dafür zuständige Gerät kannst du als Massenspektrometer bezeichnen.

Ein Massenspektrometer besteht grundsätzlich aus drei Bestandteilen: Der Ionenquelle, dem Analysator und dem Detektor.

Die Masse des Teilchens kannst du bei bekannter Ladung q über folgende Formel bestimmen:

m = \frac {B_1 \cdot B_2 \cdot r \cdot q}{E}

Merke

Ein Massenspektrometer ist ein Gerät, um bei bekannter Ladung die Masse von Atomen oder Molekülen zu bestimmen. Als Ergebnis erhältst du ein sogenanntes Massenspektrum. Dieses ist eine grafische Darstellung der Intensität der Ionen in Abhängigkeit des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses.

Massenspektrometrie

Unter der Massenspektrometrie kannst du dir ein Verfahren vorstellen, mit dem du die Masse von Atomen und Molekülen bestimmen kannst.

Genauer gesagt bestimmst du zuerst das Masse-zu-Ladung-Verhältnis (\frac{m}{q}) von Teilchen. Das Masse-zu-Ladung-Verhältnis ist der Kehrwert der spezifischen Ladung (\frac{q}{m}).
Bei bekannter Ladung q kannst du nun auf die Masse schließen.

Außerdem kannst du die Anzahl von Teilchen mit bekanntem Masse-zu-Ladung-Verhältnis bestimmen.

Die Massenspektroskopie wird zum Beispiel in folgenden Bereichen eingesetzt:

  • Archäologie: Analyse von Isotopenverhältnissen in Knochen. Dadurch können unter anderem Rückschlüsse auf die Ernährung eines Menschen gewonnen werden.
  • Biologie: In der Biologie wird die Massenspektroskopie in der sogenannten Proteomik (= Erforschung der Proteine im Lebewesen) und in der Metabolomik (= Erforschung der Stoffwechseleigenschaften).
  • Chemie: Analyse zur Bestimmung von chemischen Elementen oder Verbindungen. Es sind jeweils qualitative (Erkennung von unbekannten Substanzen) und quantitative (Menge einer Substanz in einer Verbindung) möglich.
  • Physik: Messung der Isotopenzusammensetzung chemischer Elemente und Ermittlung der Masse von Atomkernen.

Als Ergebnis der massenspektrometrischen Untersuchungen erhältst du ein sogenanntes Massenspektrum. Dieses kannst du dir als eine grafische Darstellung der Intensität der Ionen (=Anzahl auftreffender Ionen) in Abhängigkeit vom Masse-zu-Ladung-Verhältnis vorstellen.

Die y-Achse beschreibt die absolute Intensität % Sollte es nicht "relative Intensität" statt "absolute Intensität" lauten?der Ionen und die x-Achse das Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Die gemessene Intensität der Signale werden zu einem Strich (Peak) zusammengefasst.

Massenspektrum illustriert
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Massenspektrum illustriert.

Massenspektrometer Aufbau

Das Messgerät innerhalb der Massenspektroskopie wird als Massenspektrometer oder auch Massenspektrograph oder Massenspektroskop bezeichnet.

Ein Massenspektrometer enthält grundsätzlich folgende drei Bauteile namens Ionenquelle, Analysator und Detektor.

Massenspektrometer prinzipieller Aufbau
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Massenspektrometer prinzipieller Aufbau.

Ionenquelle

Die Ionenquelle dient zur Ionisation der zu untersuchenden Probe (= Analyt). Als Ionisation wird der Vorgang bezeichnet, bei dem aus einem Atom oder Molekül Elektronen entfernt werden und meist ein positiv geladenes Ion (Kation) zurückbleibt. Es können aber auch negativ geladene Ionen (Anionen) gebildet werden.

Zur Ionisation mittels der Ionenquelle existieren verschiedenste Methoden. Eine in der Praxis oft verwendete Methode ist die sogenannte Elektronenstoßionisation (EI).

Hier werden die zu ionisierenden Probemoleküle zuerst in die Gasphase überführt. Danach wird ein Elektronenstrahl durch ein elektrisches Feld beschleunigt und trifft auf die einströmenden Probemoleküle.
Beim Aufeinandertreffen von Elektronenstrahl und Probemolekülen werden Elektronen aus den neutralen Molekülen „herausgeschlagen“ (= Ionisation). Dieses entstandene Radikalkation zerfällt dann meistens in kleinere Massefragmente, von denen eines geladen bleibt.

Ionenquelle illustriert
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Ionenquelle illustriert.

Weitere wichtige Methoden zur Ionisation der Probemoleküle sind beispielsweise die chemische Ionisation (CI), die Feldionisation (FI), die Felddesorption (FD) oder die Elektronenspray-Ionisation (ESI).

Nach der Ionisation werden die Ionen mit einem elektrischen Feld aus der Ionenquelle extrahiert und werden häufig durch Anlegen einer Spannung in den Analysator übergeben.

Analysator

Um die Masse genau zu analysieren, müssen die Ionen eine gleiche Richtung und Geschwindigkeit aufweisen.

Dafür ist der sogenannte Analysator oder Massenselektor verantwortlich. Er selektiert die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (\frac{m}{q}) und leitet sie anschließend weiter. Er arbeitet nach dem Prinzip eines Geschwindigkeitsfilters oder auch Wienfilter genannt.

Der Analysator besteht oft aus einem Plattenkondensator und einem magnetischen Feld . Der Kondensator hat eine positiv geladenen Kondensatorplatte oben und eine negativ geladene Kondensatorplatte unten. Das magnetische Feld zeigt vom Beobachter weg.

Wenn nun das Ion durch den Kondensator läuft, wirkt die Lorentzkraft (\vec{F_L}) nach oben und die elektrische Kraft (\vec{F_{el}}) nach unten. Damit die Teilchen gerade durch den Geschwindigkeitsfilter durchfliegen, müssen diese beiden Kräfte gleich groß sein (\vec{F_{el}} = \vec{F_L}).
Die Ionen, die nun gerade fliegen, müssen eine einheitliche Geschwindigkeit und Richtung besitzen.

Detektor

Zuletzt werden die Ionen mit der selben Geschwindigkeit und Richtung in den sogenannten Detektor geleitet.

Die meisten Detektoren besitzen ein Magnetfeld, das wieder vom Beobachter weg zeigt.

Das Grundprinzip der meisten Detektoren beruht darauf, dass die Ionen durch einen Schirm in den Detektor fliegen. Hier werden sie in einer Kreisbahn abgelenkt und treffen nach einem Halbkreis wieder auf den Schirm. Positive Ionen werden nach oben abgelenkt und negative Ionen nach unten. Der Radius dieser Kreisbahn gibt dir Informationen über die Masse des Ions.

Wichtige Beispiele für einen Detektor sind der Faraday Auffänger, der Photomultiplier, der Daly-Detektor und der Sekundärelektronenvervielfacher (SEV).

Massenspektrometer Funktionsweise und Auswertung

Die wichtigste Voraussetzung zur Bestimmung der Masse eines Teilchens ist, dass du seine Ladung q kennst.

Wie bereits gesagt müssen die Teilchen, damit sie gerade durch den Geschwindigkeitsfilter durchfliegen, eine gleich große Lorentzkraft und elektrische Kraft besitzen.

\vec{F_L} = \vec{F_{el}} \Rightarrow \vec{B} \cdot q \cdot v =\vec{E} \cdot q

Die Lorentzkraft F_L steht für die Kraft auf bewegte Ladungen in Magnetfeldern. Sie ist senkrecht zur Bewegungsrichtung. Die elektrische Kraft F_{el} ist die Kraft zwischen zwei Punktladungen im elektrischen Feld. Sie ist senkrecht zu den Plattenoberflächen.
Die Lorentzkraft setzt sich unter anderem aus der magnetischen Flussdichte \vec{B} zusammen. Sie gibt dir an, wie stark ein Magnetfeld ist. Sie wirkt immer in eine bestimmte Richtung und ist deshalb ein Vektor. q steht für die Größe der Ladung des bewegten Teilchens und v für die Geschwindigkeit dieses Teilchens.

Die elektrische Kraft F_{el} setzt sich ebenfalls aus der Ladung q und zusätzlich aus der Stärke des elektrischen Feldes E zusammen.

Die Geschwindigkeit der Teilchen innerhalb des Analysators ergibt sich also aus:

v = \frac {\vec{E}}{\vec{B}}

Um die Masse der Teilchen im Detektor zu bestimmen, musst du die Lorentzkraft (F_L) mit der Zentripetalkraft (F_Z) gleichsetzen. Das ist die Kraft, die einen Körper auf die Kreisbahn zwingt.

Nun setzt du diese beiden Kräfte gleich:

F_L = F_Z \Rightarrow \vec{B} \cdot q \cdot v = \frac {m \cdot v^2}{r}

Um die spezifische Ladung (q/m) des Teilchens herauszufinden, kannst du ein v aus der Gleichung kürzen und durch m teilen:

\frac {q}{m} = \frac {v}{\vec{B} \cdot r}

Das Masse-zu-Ladung-Verhältnis wäre nun der Kehrwert der Gleichung:

\frac {m}{q} = \frac {\vec{B} \cdot r}{v}

Multipliziert mit q erhältst du nun die Formel für die Masse des Teilchens:

m = \frac {\vec{B} \cdot r \cdot q}{v}

Nun kannst du für v obige Formel einsetzen. Du musst jedoch beachten, dass du für die Geschwindigkeit v den Wert für B aus dem ersten Magnetfeld einsetzen musst (B_1):

m = \frac {B_1 \cdot B_2 \cdot r \cdot q}{E}

Massenspektrometer Arten

Du kannst die verschiedenen Massenspektrometer Arten nach ihren jeweiligen eingesetzten Analysatoren unterscheiden.

Einzelpartikel-Massenspektrometer

Das Einzelpartikel-Massenspektrometer die Analyten in Echtzeit untersuchen.

Es besteht aus einem Einlasssystem, einem Laserpuls, einem Analysator und einem Detektor. Durch das Einlassystem können die zu analysierenden Partikel in eine Vakuumkammer aufgenommen werden. Der Laserpuls ionisiert die Partikel, deren Masse-zu-Ladungsverhältnis du im Analysator feststellen kannst. Zum Schluss kannst du die Partikelgröße im Detektor anhand der Fluggeschwindigkeit messen.

Flugzeit-Massenspektrometer

Das Flugzeit-Massenspektrometer kann das Masse-zu-Ladung-Verhältnis durch Messung der Flugzeit bestimmen. Die Ionen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und durchlaufen die Flugstrecke d.

Beim Eintritt in den Analysator haben alle Ionen die gleiche Energie, wodurch sich leichte Ionen schneller bewegen als schwere. Dieser sogenannte Flugzeitanalysator misst wie der Name schon sagt, die Flugzeit T_f der Analyten. Diese Flugzeit T_f ist proportional zum Masse-zu-Ladung-Verhältnis (T_{f}\propto {\sqrt {\frac {m}{q}}}).

Ionenfallen-Massenspektrometer

Das Ionenfallen-Massenspektrometer, das oft in Zusammenhang mit der Gaschromatographie eingesetzt wird.

Die Ionen werden durch ein Kühlgas (z.B. Helium) gesammelt und stabilisiert. Danach hält ein elektromagnetisches Feld die Ionen in einem bestimmten Bereich, sodass sie analysiert werden können. Wenn nun eine Spannung angelegt wird, werden Ionen mit einer bestimmten Masse instabil gemacht und in einen Detektor (Elektronenverfielfacher) transportiert.

Quadrupol-Massenspektrometer

Das Quadrupol-Massenspektrometer besitzt als Analysator einen sogenannten elektrischen Quadrupol. Dieser besteht aus vier parallel liegenden Stabelektroden, die zwei gleich große positive und negative Ladungen haben.

Die Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und landen im Quadrupol. Im Wechselfeld dieses Quadrupols werden die Ionen nach dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis selektiert, sodass nur Teilchen mit einer bestimmten Mase das Feld durchlaufen können.

Sektorfeld-Massenspektrometer

Beim Sektorfeld-Massenspektrometer werden die Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt.

Im Detektor kannst du aus dem Radius der Kreisbahnen, der abhängig vom Impuls im magnetischen Feld und der Energie im elektrischen Feld ist, die Masse der Teilchen bestimmen.

Tandem-Massenspektroskopie

Die Tandem Massenspektroskopie oder auch MS/MS ist eine Erweiterung der klassischen Massenspektroskopie. Mit ihr kannst du die Zusammensetzung und Struktur einer Probe untersuchen.

Innerhalb der Tandem Massenspektroskopie hat das Massenspektrometer zwei Analysatoren. Im ersten Analysator werden die Ionen selektiert. Danach durchlaufen diese Ionen eine Reaktion, deren Produkte im zweiten Analysator untersucht werden.

Die häufigsten Analysatoren bei der Tandem Massenspektrometrie sind unter anderem Ionenfallen oder Quadrupole.


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