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Das Massenspektrometer ist ein Versuchsaufbau, mit dessen Hilfe die Masse von Atomen und Molekülen bestimmt werden kann. Anfang des 20. Jahrhunderts veränderte sich das Verständnis des Atomaufbaus mehrfach gewaltig. Unter anderem begannen die Wissenschaftler zu hinterfragen, wie sich die Massen der verschiedenen Atome erklären lassen. Dafür benötigten sie ein Gerät, um die Massen zuverlässig messen zu können. Seitdem hat sich das Massenspektrometer stark weiterentwickelt und hat heute viele Anwendungsmöglichkeiten.
Mit dem Massenspektrometer können nur elektrisch geladene Teilchen untersucht werden. Nur Teilchen wie Elektronen und Protonen oder aber ionisierte Atome und Moleküle werden von den elektromagnetischen Feldern beeinflusst und können daher ein Massenspektrometer durchlaufen.
Zuerst benötigst du eine Teilchenquelle. Sie stellt die Teilchen zur Verfügung, die du untersuchen möchtest. Anschließend müssen diese beschleunigt werden. Dafür gibt es einen Kondensator mit einer Lochanode bzw. -kathode. Er beschleunigt die Teilchen mit einer einstellbaren Beschleunigungsspannung .
Anschließend passieren die Teilchen einen Wienschen Geschwindigkeitsfilter. In diesem wirken ein elektrisches und ein magnetisches Feld gegeneinander, um nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit passieren zu lassen. Das ist wichtig, da die spätere Auswertung unter anderem voraussetzt, dass du die Geschwindigkeit der Teilchen kennst.
Nun gelangen die Teilchen in ein weiteres Magnetfeld. Durch die Lorentzkraft werden sie hier auf eine Kreisbahn gelenkt. Wenn du alles wichtige zur Lorentzkraft nicht mehr weißt, schau dir gern auch unseren Artikel dazu an! Senkrecht zur Bewegungsrichtung ist neben dem Eintrittsort am Magnetfeld ein Detektor angebracht. Diesen erreichen die Teilchen, nachdem sie die Hälfte der Kreisbahn zurückgelegt haben.
Der Aufbau eines Massenspektrometers mit der Bahn, auf der sich die Teilchen darin bewegen
Da der Detektor die Position der Teilchen registriert, weißt du, welchen Weg sie genommen haben, nachdem sie in das Magnetfeld eingetreten sind. Die Entfernung zwischen Eintrittspunkt und gemessenem Punkt entspricht genau dem Durchmesser des Kreises. Die Hälfte davon ist damit der Radius.
Der Detektor eines Massenspektrometers
Mit dieser Formel kannst du nach erfolgreicher Messung die Masse deiner Teilchen bestimmen:
Die Formel enthält dabei folgende Größen:
Damit du verstehst, wo die Formel herkommt ist eins besonders wichtig: Die Lorentzkraft wirkt als Zentripetalkraft.
Die Zentripetalkraft ist die Kraft, die einen Körper auf einer Kreisbahn hält. Sie wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung in Richtung des Mittelpunkts des Kreises. Sie wirkt rein ablenkend.
Die Zentripetalkraft berechnet sich durch
Für unsere Formel bedeutet das, dass die beiden Kräfte gleich sind. Wir können also die Lorentzkraft, die im zweiten Magnetfeld auf die Teilchen wirkt mit der Zentripetalkraft der Kreisbewegung gleichsetzen.
Die Lorentzkraft berechnet sich durch
Aus der Ladung , der Geschwindigkeit der Teilchen
und der magnetischen Flussdichte
.
Die Zentripetalkraft berechnet sich durch
Aus der Masse der Teilchen , der Geschwindigkeit der Teilchen
und dem Radius der Kreisbahn null.
Diese beiden Formeln kannst du nun in die obenstehende Gleichung einsetzen und erhältst folgendes:
Da du mit dem Massenspektrometer die Masse der Teilchen feststellen willst, musst du die Formel nach dieser umstellen. Dafür gehst du folgendermaßen vor:
Vorausgesetzt wird also, dass du die Ladung deiner Teilchen kennst. Außerdem verbleibt noch die Geschwindigkeit als Größe, die du nicht direkt messen kannst. Mithilfe des Wienschen Geschwindigkeitsfilter, der Teil des Massenspektrometers ist, lässt sich diese aber bestimmen. Wenn dir dieser nicht (mehr) geläufig ist, wirf doch noch einen Blick in unseren Artikel dazu.
Dort findest du auch die folgende Formel für die Geschwindigkeit:
Diese ist abhängig von der Stärke des elektrischen Felds
Setzt du diese nun in die Formel für die Masse ein, erhältst du die endgültige Formel für die Masse der Teilchen. Alle Größen, die noch vorkommen, kannst du direkt im Experiment bestimmen:
Massenspektrometrie ist nach diesem Prinzip nur mit geladenen Teilchen möglich. Es kann also die Masse von zum Beispiel Elektronen, Protonen oder Ionen bestimmt werden. Für die praktische Anwendung ist es aber oft unerlässlich, auch die Massen von ungeladenen Atomen und Molekülen zu bestimmen. Dafür wird oft die sogenannte Stoßionisation genutzt, und von diesen Ionisationsmetoden am meisten die Elektronenstoßionisation.
Bei der Elektronenstoßionisation kollidieren die zu untersuchenden Teilchen mit beschleunigten Elektronen. Dadurch können die Teilchen ionisiert werden. Der Prozess findet an einem Punkt innerhalb des Beschleunigungsfelds statt. Dadurch werden die neu entstandenen Ionen sofort beschleunigt und in das Massenspektrometer gelenkt.
Ionisation von Molekülen oder Atomen durch Kollision mit Elektronen
Die Masse der Ionen weicht leicht von der Masse der ursprünglichen Teilchen ab. Dieser Unterschied ist aber sehr gering, da die Elektronen nur einen kleinen Teil des Gewichts der Atome ausmachen. Außerdem kann der Unterschied für genaue Messungen noch mit einberechnet werden. Dadurch können auch ungeladene Teilchen mit einem Massenspektrometer untersucht werden.
Oft wirst du bei Messungen mit dem Massenspektrometer nicht nur einen Ausschlag des Detektors erhalten. Im sogenannten Massenspektrum wirst du einige Peaks sehen. Das bedeutet, dass sich Teilchen unterschiedlicher Masse im Spektrometer befinden. Das kann auch auftreten, wenn du eigentlich nur eine Art von Teilchen verwendest.
Für die Skala der Intensität im Massenspektrum wird der höchste Peak, der sogenannte Basispeak als 100% angenommen.
Massenspektrum von EthanolQuelle: https://www.dshs-koeln.de/institut-fuer-biochemie/analyse-methoden/massenspektrometrie/
Ein Grund dafür sind verschiedene Isotope der verwendeten Stoffe. Dann sind meist zwei nah aneinander gelegene Peaks zu sehen, von denen einer deutlich stärker ist als der andere. Bei größeren und komplexeren Molekülen hingegen können auch mehr, weiter entfernte Peaks entstehen. Gerade bei der Ionisierung der Moleküle können diese ungewollt reagieren und zerfallen, wodurch Fragmente der Moleküle in das Massenspektrometer geraten.
Diese werden dann gemessen und als Peaks bei geringeren Massen in der Messung sichtbar.
Der Peak bei der höchsten Masse ist daher der Peak, der im Normalfall die Masse des Moleküls angibt. Von diesem gab es keine Abspaltungen oder andere Abweichungen.
Das Massenspektrometer ist ein wichtiges Analysewerkzeug in vielen wissenschaftlichen Teilgebieten. Es kann verwendet werden, um verschiedenste Proben zu untersuchen.
Das Verhältnis zwischen verschiedenen Isotopen eines Elements in einer Probe kann aufschlussreich sein.
Auch Chemiker verwenden Massenspektrometer, um die Bestandteile und den Aufbau unbekannter Gemische zu untersuchen. Dabei können sie Stoffe identifizieren, die sonst durch keine Probe nachgewiesen werden können. Auch sehr kleine Mengen von Stoffen, die in einem Gemisch enthalten sind, können auf diese Weise nachgewiesen werden.
Diese Technik wird auch in der Biochemie angewendet, um Proteine und Aminosäuresequenzen zu analysieren.
Auch technische Abläufe setzten Massenspektrometer in verschiedenen Formen ein. Beispielsweise werden die für Prozesse notwendigen Gase untersucht, um diese richtig zu dosieren. Auch die bei Ätzprozessen entstandenen Stoffe können genauer bestimmt werden, damit der Vorgang rechtzeitig abgebrochen werden kann.
In einem Massenspektrometer wird ein unbekannter Stoff untersucht. Du weißt, dass dieser einfach negativ geladen ist. Der Wien-Filter lässt die Moleküle mit einer Geschwindigkeit von passieren. Sie treten dann in ein Magnetfeld der Stärke ein und treffen auf den Detektor mit einem Abstand von . Wie schwer sind die Moleküle?
Zunächst benötigst du folgende Formel:
Da in diesem Fall aber bereits die Geschwindigkeit gegeben ist, musst du die Formel mit
zu
umstellen.
Die Ladung entspricht in diesem Fall der Elementarladung , da die Teilchen einfach negativ geladen sind.
Außerdem musst du beachten, dass der Abstand , in dem die Teilchen auf den Detektor treffen dem Durchmesser des Kreises und nicht seinem Radius entsprechen. Der Radius berechnet sich durch
Anschließend solltest du diesen noch in die SI-Einheit Meter umwandeln, um das Rechnen zu vereinfachen.
Nun kennst du alle Größen, die in der Formel vorkommen und kannst sie einsetzen.
Das untersuchte Molekül wiegt also oder auch .
Ein Massenspektrum ist die Menge der Ergebnisse, die eine Messung mit dem Massenspektrometer ergibt. Es gibt an, welche Massen die Teilchen in welchen Anteilen haben, die im Spektrometer untersucht werden.
Mit einem Massenspektrometer wird die Masse von Teilchen gemessen. Es ist in der Lage Elementarteilchen wie Elektronen, Atome oder auch größere Moleküle zu untersuchen.
Das Massenspektrometer bringt Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit in ein Magnetfeld. Dieses bringt sie auf eine Kreisbahn, von der der Radius gemessen wird. Da für diese Kreisbewegung die Lorentzkraft als Zentripetalkraft wirkt, kann über die Stärke des Magnetfelds, den Radius der Bahn und die Geschwindigkeit der Teilchen auf deren Masse geschlossen werden.
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