Quadrupol-Massenspektrometer

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Ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) ist ein Massenspektrometer, dessen Analysator ein elektrischer Quadrupol ist. Die Ionen werden zunächst durch ein statisches elektrisches Feld beschleunigt und fliegen dann entlang der Achse zwischen vier parallel liegenden Stabelektroden, deren Schnittpunkte mit einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse ein Quadrat bilden. Im Wechselfeld zwischen den Quadrupol-Stäben findet eine m/q-Selektierung statt, so dass jeweils nur Teilchen mit einem bestimmten Verhältnis ihrer Masse m zur Ladung q das Feld durchlaufen können. Die Ionen treffen in einem Detektor mit Messverstärker auf, der den Ionenstrom misst und von der Software des angeschlossenen PCs zur Zählrate bzw. zum Partialdruck umgerechnet wird.

Die Ionisationseinheiten, Quadrupole und Detektoren sind in unterschiedlichsten Varianten für unterschiedliche Anwendungen erhältlich. Das Quadrupol-Massenspektrometer – eine Anwendung der Paul-Falle – ist in teuren, hochauflösenden, aber auch in preisgünstigen Varianten (als Restgasanalysator) zu erhalten und ist in Forschung und Entwicklung weit verbreitet.

Quadrupol-Massenspektrometer Anordnung der Elektroden und Beispiel einer Flugbahn
Quadrupol eines Triple-Quadrupol-Massenspektrometer

Massen-Selektierung im Quadrupol-Feld[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die einander gegenüberliegenden Elektroden des Quadrupols befinden sich jeweils auf gleichem Potential. Zwischen benachbarten Elektroden wird eine Spannung mit einem Gleich- und einem hochfrequenten Wechselspannungs-Anteil angelegt, d. h. . Die Bahn der Ionen im QMS wird durch die Mathieusche Differentialgleichung beschrieben. Aus systematischen Untersuchungen dieser Differentialgleichungen ist bekannt[1], dass es gewisse stabile und instabile Bereiche gibt. Die Arbeitsgerade, d. h., die Gerade, auf der alle beobachtbaren Massen liegen, wird durch das Verhältnis bestimmt. Um ein möglichst gutes Auflösungsvermögen (in der Praxis R = 1.000 bis 4.000) zu erreichen, muss gelten. Der Schnitt aus Arbeitsgerade und stabilem Bereich der Mathieuschen Differentialgleichungen ist dann sehr klein. Der Wert 0,1678 darf aber auf keinen Fall überschritten werden, sonst sind alle Ionen instabil, d. h., sie kollidieren während des Durchlaufes mit einem der vier Stäbe.

Über die Einstellung der Frequenz oder Spannungen lässt sich festlegen, welche Teilchen mit welchem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis den Detektor über die zentrale Flugbahn erreichen. Die Bahn eines Teilchens mit richtigem m/q-Verhältnis ist sinusförmig mit gleichbleibenden Abständen zur Mittelbahn des Quadrupols. Alle anderen Ionen fliegen zwar auch im Sinustakt durch das Wechselfeld um diesen Sollbahnbereich, werden aber zunehmend weiter herausbeschleunigt, so dass sie irgendwann seitlich außerhalb des Quadrupols hinausschießen und den Einflussbereich des EM-Feldes verlassen.

Da die Ionisierung durch Elektronenstoß erfolgt, treten bei fast allen Atomen/Molekülen statt eines Peaks bei der entsprechenden Masse des Atomes/Moleküles mehrere Peaks im Massenspektrum auf. Dies hat verschiedene Ursachen:

  • Die Moleküle können bei der Kollision mit den Elektronen in verschiedene Bestandteile zerbrechen (Fragmentierung). So ruft z. B. Ethanol (C2H5OH) (Masse 46,07 g/mol) einen schwachen Peak bei 46 Th (C2H5OH) hervor, einen stärkeren Peak bei 45 Th (ein Wasserstoffatom fehlt) und den stärksten Peak (ca. 10-mal höher als die anderen Peaks) bei 31 Th (CH2OH). Weitere Peaks sind u. a. 17 Th (OH).
  • Eine Rekombination oder Neubildung von Molekülen ist sehr selten. Es ist aber wegen der hohen Genauigkeit des Quadrupol-Massenspektrometers nicht auszuschließen, dass entsprechende Zählraten auftreten können.
  • Die Bruchstücke der Moleküle bzw. Atome können zweifach oder sogar dreifach ionisiert werden. Da das Quadrupol-Massenspektrometer – wie andere Massenspektrometer – prinzipbedingt nur das m/q-Verhältnis misst, ergeben sich folglich mehrere Peaks, z. B. Argon bei 40 Th und bei 20 Th.
  • Bei hohen Konzentrationen von Edelgasen in einer Probe sind die sogenannten Cluster zu sehen, z. B. für Argon 40 ein Peak bei 80 AMU.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Gerald Teschl: Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems (= Graduate Studies in Mathematics. Band 140). American Mathematical Society, Providence 2012, ISBN 978-0-8218-8328-0 (mat.univie.ac.at).