Schema eines Massenspektrometer-Systems

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1 Vakuumsystem Probe Druck hpa Einlaßsystem Ionenquelle Massenanalysator Detektor Signalverarbeitung Ausgabe Schema eines Massenspektrometer-Systems Einlasssystem für direkte Probenaufgabe Es wird ein Molekularstrahl erzeugt, der in die Ionenquelle eintritt. Die Probe kann auch über eine beheizte Sonde direkt in der Ionenquelle verdampft werden. Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 1/11

2 Häufigkeit CH 3 -CH -CH -CH Massenspektrum von n-butan (Elektronenstoß-Ionisation mit 70 ev) Gemessen werden einfach positiv geladene Ionen. Massenzahl des Molekülions M + : 58 Massenzahl Die übrigen Ionenmassen entstehen folgendermaßen: Fragmentierungen: CH 3 -CH -CH -CH Umlagerungen: CH 3 -CH -CH -CH 3 CH CH + H + CH CH 8 8 CH 3 -CH -CH -CH 3 (CH 3 -CH -CH) + CH 4 4 (CH 3 -CH -CH ) (CH CH-CH ) + H (CH CCH) + H (CH 3 -CH ) (CH 3 C) + H 7 CH CH CH CH + H 6 Die schwache Linie bei der Massenzahl 44 entsteht durch ein 13 C-Atom im Radikal-Ion (CH 3 -CH -CH ) +. Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme /11

3 Magnetische Ablenkung Schema eines einfachen 60 -Sektorfeld-Massenspektrometers mit Elektronenstoßionisation A: Anode; K: Kathode; D: Düse; E: Beschleunigungselektroden; P: Vakuumpumpe; Es: Eintrittsspalt; As: Austrittsspalt Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 3/11

4 Doppelt-fokussierendes Massenspektrometer in Nier-Johnson-Geometrie Doppelt-fokussierendes Massenspektrometer in Mattauch-Herzog-Geometrie Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 4/11

5 Elektrische Trennstufe zur Energiefokussierung In der Realität ist d << R, d.h. E Ue d Die durchgezogene Linie ist eine zu den Kondensatorplatten konzentrische Bahn positiver Ionen mit der Energie W kin. Aus den Bewegungsgleichungen geladener Teilchen im Zylinderfeld folgt, daß auch Ionen, die unter einem Winkel α von etwas mehr als 90 gegen den Vektor E in das Feld eintreten (gepunktete Bahn), dann auf den Asutrittsspalt treffen, wenn sie auch die Energie W kin aufweisen. Für Eintrittswinkel α < 90 gilt dies nicht. Für die dargestellte Geometrie, bei der die Brennpunkte der Ionenbahnen im Ein- bzw. Aus-trittsspalt liegen, ergibt sich γ 10 37'. Die gestrichelten Bahnen gelten für Energien W' W kin. Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 5/11

6 Schema eines Quadrupol-Massenspektrometers Plausibilitätsbetrachtung zur Stabilität von Ionenbahnen im Quadrupolfeld Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 6/11

7 Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 7/11

8 Geometrie des Quadrupolfeldes Es ist: ψ U + V cos ωt Für das elektrische Potential zwischen den Stäben gilt dann: ϕ (x, y) ψ (x r y ) Die Bewegungsgleichungen F ma ee e grad ϕ lauten: d x dt e d y e d z + (U + V cos ωt)x 0 ; (U + V cos ωt) y 0; 0 mr dt mr dt Mit der Transformation ωt Φ und den Abkürzungen a 4eU ω ev ω m r ; q m r ergeben sich die Mathieuschen Differentialgleichungen: d x dφ + (a + q cos Φ)x 0 und d y dφ (a + q cos Φ)y 0 Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 8/11

9 Gebiete stabiler Lösungen der Mathieuschen Differentialgleichungen Der Massenbereich wird durch gleichzeitige Variation von ΔU und ΔV mit ΔU/ΔV const. durchlaufen. Der Stabilitätsbereich zwischen q 1 und q bleibt dabei konstant. Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 9/11

10 Schema einer Ionenfalle (Ion Trap) Die Elektroden haben die Form von Rotationshyperboloiden. Die Ionisation kann als Elektronenstoß- oder als chemische Ionisation erfolgen. Schema eines Flugzeit-Massenspektrometers mit Ionenreflektor Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 10/11

11 Auflösungsvermögen von Magneten und Quadrupolen Quadrupol: Bei einer bestimmten Hochfrequenzspannung V wird bei q 1 das Ion mit der ev ev Masse m1 stabil, während das Ion mit der Masse m q1ω r qω r gerade noch stabil ist. Für die Auflösung gilt also Δ m m m ev ω r 1 q 1 q 1 1 const. Magnet: Für die Ionenbahn im Magnetfeld gilt: v v m evb und m r eu b Elimination von v und Ausflösen nach m liefert: m r B e U b Daraus folgt: dm dr ; m r dabei ist dr der Bereich der Radien derjeniger Bahnen, die noch in den Detektor führen; somit ist dr const. m 1 r Also ist: R const. Δm dr Prof. Dr. D. Winklmair Massenspektrometrie: Grundlagen und Trennsysteme 11/11