Massenspektrometer – Aufbau, Funktionsweise und Anwendung

Im Allgemeinen besteht ein Massenspektrometer aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einem Detektor. Die Art des Massenspektrometers wird hierbei hauptsächlich durch den verwendeten Analysator bestimmt. Der einfachste und anschaulichste Aufbau für ein Massenspektrometer ist im folgenden Bild gezeigt.

Um überhaupt Massenspektroskopie betreiben zu können, ist es notwendig, dass geladene Teilchen vorliegen, da neutral geladene Atome oder Moleküle in einem Magnetfeld nicht abgelenkt werden. Um ein Gas zu ionisieren, genügt es in der Regel, das Gas sehr stark zu erhitzen, sodass die neutralen Atome oder Moleküle eines ihrer Elektronen verlieren und somit nicht mehr elektrisch neutral sind.

Der Analysator besteht in dem schematisch abgebildeten Massenspektrometer aus einem Geschwindigkeitsfilter und einem Magnetfeld. Dies hat den Grund, dass der Auftreffpunkt der Ionenströme auf dem Detektor zum einen vom Masse-Ladungs-Verhältnis, zum anderen aber auch von der Geschwindigkeit der Ionen abhängt. Um sicherzugehen, dass alle detektierten Ionen die gleiche Geschwindigkeit haben, wird vor dem Magnetfeld ein sogenannter wienscher Filter verwendet. Dieser nutzt aus, dass durch die senkrechte Überlagerung des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators mit einem magnetischen Feld nur Ionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit unabgelenkt durch diesen Filter fliegen können. Ionen mit anderen Geschwindigkeiten werden in diesem Filter abgelenkt und gehen in den Seitenwänden verloren.

Die nun gleich schnellen Ionen werden anschließend in ein Magnetfeld, den Massefilter, eingeschossen. In diesem werden sie aufgrund der Lorentzkraft auf eine Kreisbahn abgelenkt. Da sich die Ionen auf einer Kreisbahn bewegen, muss die Lorentzkraft gleichzeitig auch der Zentripetalkraft entsprechen. Setzt man nun beide gleich, kann man folgende Formel für den Radius der Kreisbahn erhalten. 

Da die Ionen in der Regel nur einfach ionisiert sind, lassen sich die über den Radius bekannten Masse-Ladungs-Verhältnisse direkt bestimmten Massen zuordnen. Aber auch mehrfach ionisierte Ionen stellen keine Probleme dar, da sie aufgrund ihrer höheren Ladung (mindestens doppelte Ladung) stärker abgelenkt werden und somit einen höchstens halb so großen Ablenkradius aufweisen. Somit lassen sich auch diese Ionen sehr gut von den einfach ionisierten Ionen unterscheiden.

Der Detektor entspricht im abgebildeten Fall einer Fotoplatte. Diese funktioniert im Grunde wie der Film einer alten Kamera. Bereiche, auf die viel Licht (oder hier Ionen) treffen, färben sich dunkel und Bereiche, auf die keine Ionen treffen, bleiben hell. Ordnet man die entsprechenden Massen nun den einzelnen Bereichen zu, kann man bestimmen, welche Bestandteile im ursprünglichen Gas enthalten waren.

Wie wir bereits gesehen haben, sind für die Funktion des Massenspektrometers zwei Bestandteile besonders wichtig. Hierbei handelt es sich um den Geschwindigkeitsfilter (wienscher Filter) und den Massefilter. Um nun Berechnungen für ein Massenspektrometer durchführen zu können, ist es notwendig und instruktiv, sich die Theorie hinter beiden Bauteilen genauer anzuschauen.

Geschwindigkeitsfilter: wiensche Filter

Der wiensche Filter nutzt aus, dass sowohl elektrische als auch magnetische Felder in der Lage sind, Ionen abzulenken. Die Kraft auf das Ion, die vom elektrischen Feld ausgeht, ist:

Dabei ist die Kraft F parallel zu den Feldlinien des elektrischen Feldes. Die Kraft, die vom magnetischen Feld ausgeht, das senkrecht zur Flugrichtung verläuft, ist:

Sie wirkt senkrecht zu der Flugrichtung und den Feldlinien des Magnetfeldes. Ordnet man nun das elektrische und das magnetische Feld so an, dass die Feldlinien senkrecht aufeinander stehen, ist es möglich, die Kräfte, die vom magnetischen und dem elektrischen Feld ausgehen, so zu überlagern, dass sie sich für eine bestimmte Geschwindigkeit exakt gegenseitig aufheben. Diese Geschwindigkeit kann man durch Gleichsetzen beider Kräfte erhalten.

Teilst du nun auf beiden Seiten durch und , erhältst du die Formel für die durchgelassene Geschwindigkeit.

Massefilter

Nachdem wir die Geschwindigkeit der betrachteten Ionen kennen, müssen wir nun herausfinden, an welchem Punkt die unterschiedlichen Ionen auf den Detektor treffen.
Hierfür können wir die Lorentzkraft mit der Zentripetalkraft gleichsetzen, da sich die Ionen aufgrund der Lorentzkraft auf einer Kreisbahn bewegen. Durch Gleichsetzen erhalten wir dann folgenden Ausdruck:

Diese Gleichung lässt sich nun nach dem Radius r umstellen.

Für den Radius r erhält man dadurch die folgende Formel:

Da wir durch den Aufbau die magnetische Flussdichte und durch den wienschen Filter die Geschwindigkeit kennen, hängt unser Radius nun nur noch vom Masse-Ladungs-Verhältnis ab. Somit können wir aus der Kenntnis des Auftreffpunkts auf das Masse-Ladungs-Verhältnis schließen.

Massenspektrometer können nicht nur allein dafür genutzt werden, um die Häufigkeiten einzelner Elemente zu bestimmen. Sie können auch zur Untersuchung des Isotopenverhältnisses genutzt werden. 

Zu fast allen Elementen gibt es verschiedene Atomkernsorten (Nuklide), die sich jeweils in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Für die Zugehörigkeit eines Nuklids zu einem bestimmten Element ist die Anzahl der Protonen im Kern entscheidend, nicht aber die Anzahl der Neutronen. So gibt es zum Beispiel drei Wasserstoffisotope. Das häufigste Wasserstoffisotop besteht nur aus einem Proton und keinem Neutron. Darüber hinaus gibt es noch eins mit einem Neutron (Deuterium) und ein radioaktives mit zwei Neutronen (Tritium). Die verschiedenen Isotope eines Elements lassen sich chemisch nicht voneinander unterscheiden, aber aufgrund der verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnisse eben mithilfe eines Massenspektrometers. 

Das Isotopenverhältnis ist für viele Elemente von Region zu Region unterschiedlich und auch das Alter der untersuchten Probe kann dieses beeinflussen. Somit kann über die Bestimmung des Isotopenverhältnisses erfahren werden, aus welcher Region eine Probe kommt und wie alt sie unter Umständen bereits ist.

In diesem Text hast du einfach erklärt bekommen, was ein Massenspektrometer ist und wie seine Auswertung funktioniert. Weiterhin hast du die Formel zur Bestimmung der Masse und ihre Herleitung kennengelernt, wodurch du nun in der Lage bist, Aufgaben und Rechnungen mit einem Massenspektrometer zu lösen.