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Tutorial MenueMassenspektrometrieLerneinheit 13 von 14

Massenspektrometer - Der Massenanalysator - Quadrupol

Funktionsweise eines Quadrupols

Um die Funktionsweise eines Quadrupols als Massenfilter zu verstehen, muss man die Flugbahn der Ionen im elektrischen Feld der Quadrupolstäbe in Abhängigkeit von den Parametern

  • Ionenmasse
  • Ionenladung
  • Radius und Abstand der Quadrupolstäbe
  • Stärke der angelegten Gleichspannung
  • Frequenz und Amplitude der angelegten Wechselspannung

berechnen. Diese Berechnungen sind mathematisch sehr anspruchsvoll. Das Grundprinzip der Wirkungsweise kann man aber erklären, wenn man die Trajektorien (Flugbahnen) von Ionen unterschiedlicher Masse zwischen zwei Stäben in Abhängigkeit von den elektrischen Potenzialen untersucht. Dazu betrachten wir vereinfachend ein einfach positiv geladenes Ion. Es gilt prinzipiell, dass dieses positive Ion vom negativ geladenen Stab angezogen und vom positiv geladenen Stab abgestoßen wird. Wenn sich das Potenzial ändert, bevor das Ion mit dem Stab kollidiert, ändert das Ion seine Richtung. Ein Ion, das auf einen negativ geladenen Stab trifft, wird entladen und vernichtet oder als Molekül in das Vakuum entfernt.

Zum Verständnis sollen im Folgenden die Flugbahnen von einfach positiv geladenen Ionen unterschiedlicher Masse in Abhängigkeit von den anliegenden elektrischen Feldern analysiert werden. Zu beachten ist, dass die Gesamtgeschwindigkeit der Ionen in z-Richtung allein von der Masse abhängt.

1. Flugbahn der Ionen zwischen vier Stäben ohne Potenzial

Abb.1
Vier Stäbe ohne Potenzial

Einfluss auf die Flugbahn hat lediglich die Masse der Ionen. Schwere Ionen erhalten durch die Beschleunigung im elektrischen Feld der Ionenquelle eine geringe, leichte Ionen eine hohe Geschwindigkeit (siehe Elektronenstoß-Ionisation/Beschleunigung). Nimmt man näherungsweise an, dass die Ionen parallel, also nicht gestreut, in den Quadrupol gelangen, resultiert eine direkte Bewegung aller Ionen entlang der z-Achse zum Detektor, den sie zu verschiedenen Zeiten erreichen.

2. Flugbahn der Ionen zwischen zwei Stäben mit Wechselspannung

Die positiv geladenen Ionen bewegen sich während der positiven Halbphase des Wechselstrompotenzials zur Mittelachse und während der negativen Halbphase zum Stab hin. Aufgrund des sinusförmigen Wechselspannungsfeldes resultiert eine sinusförmige Flugbahn der Ionen, deren Frequenz mit der Wechselspannung korelliert. Die schneller fliegenden leichten Ionen reagieren stärker auf das Wechselstrompotenzial und werden weiter aus der Flugbahn abgelenkt als die langsamer fliegenden schweren Ionen.

Abb.2
Ion mit geringer Masse
Abb.3
Ion mit mittlerer Masse
Abb.4
Ion mit großer Masse

3. Flugbahn der Ionen zwischen zwei Stäben mit Gleichspannung

Abb.5
Zwei Stäbe mit Gleichspannung

Betrachtet man das Paar benachbarter Stäbe, werden die Ionen vom positiven Stab abgestoßen und zum negativen hingezogen. Schwere Ionen reagieren aufgrund ihres größeren Momentes und der längeren Verweilzeit zwischen den Stäben (aufgrund der geringeren Geschwindigkeit) stärker auf dieses Feld und werden eher auf den Stab treffen. Leichtere Ionen werden so wenig beeinflusst, das sie evtl. den Quadrupol passieren können.

4. Flugbahn der Ionen zwischen zwei Stäben mit Wechselspannung und Gleichspannung

Wenn an zwei benachbarten Stäben gleichzeitig eine Wechselspannung und eine Gleichspannung mit positivem Pol an einem Stab und negativem Pol am anderen Stab anliegt, überlagern sich die oben beschriebenen Flugbahnen. Leichtere Ionen reagieren weniger auf das Gleichstrompotenzial, ihre Bewegung zum negativen Stab wird vom Wechselstrompotenzial ausgeglichen. Das heißt, dass das positive Feld der Wechselspannung ausreicht, um die leichteren Ionen wieder zur Mitte zu bringen. Sie bewegen sich so durch die Stäbe hindurch. Schwerere Ionen reagieren stärker auf das Gleichstrompotenzial und fliegen auf den negativ geladenen Stab.

Abb.6
Ion mit geringer Masse
Abb.7
Ion mit mittlerer Masse
Abb.8
Ion mit großer Masse

5. Flugbahn der Ionen zwischen zwei Stäben mit Wechselspannung und positiver Gleichspannung

Um den Einfluss einer positiven Gleichspannung an zwei Stäben auf die Flugbahn zu analysieren, muss man die beiden gegenüberliegenden Stäbe betrachten. Wenn keine Wechselspannung überlagert ist, führt dieses Feld zu einer Fokussierung des Ionenstromes, da die Ionen von der positiven Gleichspannung abgestoßen und damit zur Mittelachse bewegt werden. Dabei reagiert wieder das schwerere Ion weniger. Wird eine Wechselspannung überlagert, kann die zusätzliche sinusförmige Bewegung für das schwerere Ion von der Gleichspannung stärker ausgeglichen werden als für das leichtere Ion. Es wird stärker zur Mitte fokussiert und bleibt somit zwischen den Stäben. Ein leichtes Ion wird weniger stark fokussiert. Im Fall einer hohen Amplitude der Wechselspannung (in Film und Bild nicht gezeigt) gelingt es nicht, das leichte Ion in die Mitte zwischen den Stäben zu fokussieren, es wird sehr stark ausschwingen und mit einem Stab kollidieren.

Abb.9
Ion mit geringer Masse
Abb.10
Ion mit mittlerer Masse
Abb.11
Ion mit großer Masse
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