Funktionsweise Massenspektrometer

Wahrscheinlich hat jeder von uns schon einmal eine dieser Hollywood Produktionen wie „CSI“ und Co. gesehen. Der pfiffige Cop der Beweis- und Spurensicherungseinheit, findet auch die kleinsten unbekannten Partikel, die als Beweismittel dienen könnten und ermittelt dessen Zusammensetzung mittels eines Massenspektrometers. So wird der Täter überführt und alle können wieder ruhig schlafen. 

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Funktioniert es wirklich so einfach wie im Film?  

Bereits im frühen 19. Jahrhundert stellte der britische Chemiker William Prout fest, dass es einige chemische Elemente gibt, deren Atommasse dem ganzzahlig Vielfachen von der Masse des Wasserstoffatoms entsprechen. Somit stellte er folgende Hypothese auf:  Eine definierte Masse zu haben, ist die Eigenschaft eines Atoms – das sogenannte Atomgewicht. [1] 

In späteren Jahren bestimmten die Chemiker Jöns Jakob Berzelius und Edward Turner jedoch die Masse des Chlor-Atoms um das 35,45-fache des Wasserstoff-Atoms und schienen damit diese Hypothese zu widerlegen. Dies war der Beginn, der uns heute bekannten Massenspektrometrie.[2]

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts, gab es immer wieder verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Atommassen. Doch erst im Jahr 1932 wurde das erste Massenspektrometer mit einer Genauigkeit von 1 : 10.000 von dem US-amerikanischen Physiker Kenneth Bainbridge entwickelt.   

Aber wie funktioniert so ein Massenspektrometer eigentlich genau?  Alles beginnt mit der 

Ionenquelle

Um unsere Probe mit dem Massenspektrometer analysieren zu können, muss ein Teil der Probe in gasförmige Ionen überführt werden. Über einen Einlass gelangt die Probe in die sogenannte Ionenquelle und wird anschließen in einem elektrischen Feld, welches zwischen zwei Platten entsteht, ionisiert. Durch Anlegen einer bestimmten Spannung, werden die Ionen auf ihre Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt. 

Je nach dem welche Substanz, wie schonend, analysiert werden soll, gibt es verschiedene Methoden wie die zu untersuchende Probe ionisiert werden kann. Die häufigste Variante ist die Stoßionisation. Dabei ist typischerweise ein beschleunigtes Ion oder Elektron in einem äußeren elektrischen Feld der Stoßpartner. Nach erfolgreicher Rekombination, treten im sichtbaren Bereich Leuchterscheinungen auf. [3] 

Beim Bestimmen der molaren Masse leicht fragmentierender Substanzen, wird die Chemische Ionisation durchgeführt. Moleküle und Ionen treten während der Gasphase in Wechselwirkung. Durch die Übertragung eines Protons, Elektrons oder anderer Ionen zwischen den Reaktanden, wird sie vollzogen. [4] 

Das Fast Atom Bombardment (FAB) ist eine weitere Variante der Ionisierung. Eine Lösung der Probe wird mit einem Partikelstrom aus trägen Gasen (z.B. Xenon oder Argon)beschossen und dieser Prozess geschieht in einer flüssigen schwer-flüchtigen Matrix. [5] 

Desweiteren gibt es noch folgende Methoden zur Ionisierung, die in der Massenspektrometrie verwendet werden: 

• Photoionisation
• Elektrospray
• Desorptions Elektrospray
• Desorption Chemische Ionisation bei Atmosphärendruck
• Chemische Ionisation bei Atmosphärendruck
• Photoionisation bei Atmosphärendruck 
• Laserionisation bei Atmosphärendruck 
• Ionisation durch induktiv gekoppeltes Plasma  Direct Analysis in Real Time 
• Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation 

Felddesorption und Feldionisation [6] 

Jetzt wo unsere Probe Ionisiert ist, werden diese weitergeleitet zum 

Analysator

Oder auch Massenanalysator ist dafür verantwortlich, dass die Ionen getrennt werden. Die Art des Analysators, legt auch die Typenbezeichnung für das jeweilige Spektrometer fest.  

Sektorfeld-Massenspektrometer: 

In statischen magnetischen oder zusätzlich statischen elektronischen Feldern, werden die Ionen abgelenkt. Die Energie der Ionen im elektrischen Feld und der Impuls der Ionen im magnetischen Feld, lassen sie in bestimmte Kreisbahnen auf den Feldern durchlaufen. Sobald das Verhältnis der Ladung, des Impulses und der Energie bekannt sind, kann die Masse bestimmt werden. 

Ionenfallen-Massenspektrometer   

In einem Quadrupolfeld, erzeugt durch eine Ringelektrode mit zwei Endkappen, werden die Ionen gefangen gehalten. Je nachdem wie die die Spannung der elektrischen Felder verändert wird, kann man Ionen mit einer bestimmten Masse dazu bringen die Falle zu verlassen.  Bei dem Ionenfallen-Massenspektrometer gibt es vier Typen: Orbitrap, Linear trap, Quadrupol-Ionenfalle und Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz  [7]   

Quadrupol-Massenspektrometer: 

Bei einem elektrischen Quadrupol als Analysator, gibt es vier parallel liegende Stabelektroden, deren Schnittpunkte ein Quadrat bilden. In diesem Quadrat bildet sich ein Wechselfeld und es können nur Ionen dieses Feld durchqueren, die ein bestimmtes Masse-Ladungs-Verhältnis haben. Der Ionenstrom wird gemessen, sobald die Ionen auf einen Detektor getroffen sind. [8]   

Flugzeitmassenspektrometer Die Ionen durchlaufen eine Flugstrecke, nachdem sie in einem elektrischen Feld beschleunigt wurden. Am Ende der Flugstrecke sitzt ein Detektor, der den Zeitpunkt des Eintreffens der Ionen misst und über einen Konverter, werden die Daten in einem Spektrum dargestellt. In Flugzeitmassenspektrometern sind ohne Einschränkung im Massenbereich sehr schnelle Messungen möglich, da anders als bei anderen Varianten, alle Ionen gleichzeitig gemessen werden können. [9] 

Da die Ionen jetzt nach gleicher spezifischer Ladung getrennt sind, geht es weiter zum 

Detektor

Der Detektor hat die Aufgabe die getrennten Ionen zu erfassen. Auch hier gibt es wieder verschiedene Arten von Detektoren. Als die Massenspektrometrie noch in ihren Kinderschuhen steckte, verwendete man häufig Fotoplatten als Detektor. Doch mit fortschreitender Technik, setzten sich folgende Methoden zum Detektieren der zuvor selektierten Ionen durch. 

Daly-Detektor 

Ein Szintillator, ein Metallknopf und ein Photomultiplier sind die Bauteile eines Daly-Detektors (benannt nach seinem Erfinder Norman Richard Daly). Als erstes kommt der Metallknopf zum Einsatz. Ionen, die auf diesen treffen, senden Sekundärelektronen (Sekundäremission) aus und diese werden in Richtung Szintillator beschleunigt, da zwischen Szintillator und Metallknopf eine Hochspannung angelegt wurde und lösen dort Photonen aus, die durch den Photomultiplier detektiert werden. [10] 

Kanalelektronenvervielfacher 

In einem Vakuum wird aus einem Primärteilchen mittels Sekundärelektronenemission eine elektronische Lawine erzeugt und dank dieser Lawine, können die primären Teilchen gezählt werden. [11]   

Photoelektronenvervielfacher 

Die Basis des Photoelektronenvervielfachers bilden meist, ein Sekundärelektronenvervielfacher in einem evakuierten Glaskolben und einer Photokathode. Dank des photoelektrischen Effekts, lösen sich Elektronen aus der Oberfläche der Ionen, nachdem sie auf die Photokathode getroffen sind. Über ein elektrisches Feld werden die Photonen beschleunigt und durch ständiges aufeinander Treffen mit anderen Photonen, entstehen immer weitere Sekundäremissionen und die Anzahl der Elektronen nimmt stetig zu.  Nachdem die Elektronen auf eine Anode getroffen sind, erzeugen sie über einen Wiederstand einen Spannungsabfall, der wiederum unser Ausgangssignal darstellt. [12] 

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Weitere Detektoren die heutzutage ihre Anwendung finden:

•  Sekundärelektronenvervielfacher
• Mikrokanalplatten
• Faraday-Auffänger 

Am Ende dieser Prozesse haben wir ein Ergebnis: 

Von Andreas Böhm, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20655826

Das Massenspektrum

Dieses ist die Darstellung der Massenverteilung in einem Diagramm. Bei diesem Diagramm wird die Häufigkeit der Ionen auf der Y-Achse und die spezifische Ladung auf der X-Achse angegeben. Das Auftreten einer  spezifischen Ladung im Massenspektrum, nennt man Peak. Das Signal mit dem höchsten Peak, wird auf einen Wert von 100% gesetzt und alle anderen Signale werden von diesem abgeleitet. 

Alternativ kann das Massenspektrum auch in einer Tabelle dargestellt werden. 

Also wie ihr seht, werden Massenspektrometer nicht nur bei der Beweissicherungseinheit benötigt, sondern finden in vielen Bereichen ihre Anwendung. Ich selbst arbeite regelmäßig mit einem Massenspektrometer, da wir bei der Produktion von Gusseisen eine ständige Kontrolle der Qualität unserer Produkte gewährleisten müssen. 

Viele von Euch arbeiten bestimmt auch mit Massenspektrometern und mich würde mal interessieren, welche Art von Proben ihr so täglich analysiert.   

Ich bedanke mich bei allen die es bis hierher geschafft haben und über ein Upvote, ein Resteem und neue Follower würde ich mich freuen.

         

Quellenverzeichnis: 

• [1] http://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML 
• [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Massenspektrometrie#Geschichte 
• [3] Wolfgang Karl Ernst Finkelnburg: Einführung in die Atomphysik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-28827-6 
• [4] Jürgen H. Gross: Massenspektrometrie - Ein Lehrbuch. Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8274-2981-0 
• [5] https://de.wikipedia.org/wiki/Fast_Atom_Bombardment 
• [6] https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Ionisationsmethoden_in_der_Massenspektrometrie 
• [7] Raymond E.March, Richard J. Hughes: Quadrupole Storage Mass Spectrometry. Wiley-Interscience, New York 1989, ISBN 0471857947 
• [8] https://de.wikipedia.org/wiki/Quadrupol-Massenspektrometer 
• [9] https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeitmassenspektrometer 
• [10] N. R. Daly: Scintillation Type Mass Spectrometer Ion Detector. In: Review of Scientific Instruments 
• [11] Jörg Hoffmann: Messen nichtelektrischer Größen: Grundlagen der Praxis. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-01173-7 
• [12] Hamamatsu Photonics K.K.: Photomultiplier Tubes – Basics and Applications. 3. Auflage. 2006