Die Massenspektrometrie ist eines der meistverbreiteten Analyseverfahren. Ein Massenspektrometer analysiert die Zusammensetzung chemische Substanzen mithilfe einer Partialdruckmessung im Vakuum.
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Abbildung 6.1: Total- und Partialdruckmessung
Typische Analysen werden im Bereich Forschung & Entwicklung und bei der Herstellung von Produkten des täglichen Lebens durchgeführt:
Forschung & Entwicklung
Katalyseforschung
Medikamententwicklung
Entwicklung neuer Materialien
Überwachung von Produktionsprozessen
in der Metallurgie
bei der chemischen Synthese
bei der Halbleiterherstellung
in der Oberflächentechnologie
Spuren- und Umweltanalyse
Aerosol- und Schadstoffüberwachung
Dopingkontrolle
Forensische Analytik
Isotopenanalyse zur Herkunftsbestimmung
Analyse von Produkten
der chemischen Industrie
der Reinstgasherstellung
der Pharmazie
der Automobil(zuliefer)industrie (Lecksuche)
Qualitätssicherung von Lebensmitteln
In einem Massenspektrometer werden Gase analysiert. Feste oder flüssige Substanzen lassen sich ebenfalls analysieren, wenn sie in einem vorgeschalteten Einlasssystem verdampft werden. Das Gas wird durch Abpumpen in einer Vakuumkammer auf einen niedrigen Druck (molekularer Strömungsbereich) verdünnt und durch Elektronenbeschuss ionisiert. Die so erzeugten Ionen werden in einem Massenfilter nach dem Verhältnis Masse zu Ladung getrennt.
Abbildung 6.2 stellt die typischen Komponenten eines Massenspektrometersystems dar.
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Abbildung 6.2: Komponenten eines Massenspektrometers
Durch das Einlasssystem werden die zu analysierenden Substanzen z. B. über eine Kapillare oder ein Dosierventil in eine Vakuumkammer eingelassen und
mit dem Vakuumsystem bis auf den Arbeitsdruck des Systems abgepumpt.
Der eigentliche Analysator befindet sich im Vakuum und besteht aus folgenden Komponenten:
Die Ionenquelle ionisiert neutrale Gasteilchen, die dann
im Massenfilter nach dem Masse-Ladungs-Verhältnis m/e separiert werden.
Mit Hilfe eines Faraday-Detektors oder eines Sekundärelektronenvervielfachers SEV (engl. SEM = Secondary Electron Multiplier), wird der Ionenstrom gemessen, nachdem die Ionen das Trennsystem verlassen haben. Der gemessene Strom ist ein Maß für den Partialdruck der jeweiligen Gaskomponente oder von eventuell in der Ionenquelle erzeugten Bruchstücken.
Ein Datenauswertesystem verarbeitet die mit Hilfe des Detektors gemessenen Ionenströme und stellt sie in verschiedenen Formen dar. Softwareprogramme zur Datenauswertung unterstützen den Anwender bei der Interpretation der Massenspektren.
Massenspektrometer unterscheiden sich durch eine Vielfalt von Varianten. Der Hauptunterschied liegt in den Trennsystemen. Die folgenden vier Typen von Massen- filtern sind heute verbreitet:
Sektorfeldgeräte nutzen die Ablenkwirkung eines Magnetfeldes auf bewegte Ladungsträger.
Beim Flugzeit-Massenspektrometer (TOF = time of flight) wird die unterschiedliche Geschwindigkeit der Teilchen bei gleicher Energie zur Trennung genutzt.
Bei Ionenfallen werden die Flugbahnen der Ionen durch ein Hochfrequenzfeld beeinflusst.
Bei Quadrupol-Massenspektrometern wird die Resonanz bewegter Ionen in einem Hochfrequenzfeld ausgenutzt (ähnlich wie bei Ionenfallen).
Wir wollen uns im Folgenden auf die Sektorfeld- und Quadrupol-Massenspektrometer beschränken, da sie in der Vakuumtechnik die am meisten genutzten Geräte sind.
