Flugzeitmassenspektrometer

Flugzeitmassenspektrometer (ESI-TOF).

Flugzeitmassenspektrometer (englisch Time-of-flight mass spectrometer) sind eine Unterklasse der Massenspektrometer.

Sie werden oft als TOFMS, TOF-MS oder nur TOF abgekürzt. Systeme mit einem Reflektron werden auch RTOF (für Reflectron time-of-flight) genannt.

Funktionsweise

Im Flugzeitmassenspektrometer findet die Massenbestimmung (genauer: Bestimmung von Masse/Ladung) durch Messung der Flugzeit statt. Dazu werden die Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt und durchlaufen anschließend eine sogenannte Flugstrecke. Wegen des Zusammenhangs $E=\frac{1}{2}mv^2$ verhalten sich die Flugzeiten in quadratischer Abhängigkeit zum Verhältnis Masse/Ladung $tof \propto \sqrt\frac{m}{q}$.

Der Zeitpunkt des Eintreffens der Ionen am Ende der Flugstrecke wird durch einen Detektor, meist Sekundärelektronenvervielfacher nachgewiesen, dessen Signal kann dann durch einen schnellen ADC oder Time-to-Digital-Converter digitalisiert und in einem Spektrum dargestellt werden. Zurzeit sind Massenbestimmungen mit einer Genauigkeit von etwa 2 ppm möglich. Außerdem kann auch eine recht hohe Massenauflösung erreicht werden.

Im Gegensatz zu vielen anderen Massenspektrometertypen sind Flugzeitmassenspektrometer keine Filter, das heißt, alle Ionen werden simultan gemessen. Dies eliminiert die Notwendigkeit, durch den Massenbereich zu scannen, und erlaubt sehr schnelle Messungen ohne Einschränkung im Massenbereich. Der Massenbereich wird praktisch nur durch die Elektronik begrenzt. Mit Flugzeitmassenspektrometern können bis zu 100.000 komplette Massenspektren pro Sekunde aufgenommen werden.

Ionenspiegel und Reflektron

Reflektron.

Bei der Verwendung eines Ionenspiegels wird am Ende des Flugpfades ein elektrisches Feld angelegt, welches der Beschleunigungsspannung entgegengesetzt ist. Dadurch werden die Ionen abgebremst und dann erneut in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Die Ionen verhalten sich dabei wie Licht auf einem Spiegel das bedeutet durch Veränderung der Ausrichtung des Feldes können die Ionen um die Ecke gelenkt werden. Wird statt eines einfachen Feldes ein Gradient angelegt, kann die Energieverteilung der Ionen verringert werden und somit die Massenauflösung erhöht. Diese Anordnung bezeichnet man dann als Reflektron. Angelegt wird das Feld durch mehrere ringförmige Elektroden um den Flugpfad der Ionen. Je nach mathematischer Funktion, der die Abstufungen der Spannungen folgen, unterscheidet man zwischen linearen und nicht-linearen Reflektra. Die nichtlinearen sind noch einmal unterteilt in solche mit quadratischer Funktion und solche mit einer Kreisbahn-Funktion.

Anwendungen

Die Hauptvorteile von Flugzeitmassenspektrometern liegen im großen Massenbereich, weshalb sie oft zusammen mit weichen Ionisationsmethoden in biologischen Analysen eingesetzt werden (siehe z. B. MALDI). Flugzeitmassenspektrometer eignen sie sich auch zur Analyse von schnellen Prozessen. So etwa beim GCxGC-TOF und beim IMS-TOF. Mittels Flugzeitmassenspektrometrie kann die Element-, Molekül- und Isotopen-Zusammensetzung in der Erdatmosphäre und Ionosphäre bestimmt werden.

In der Kometensonde Rosetta der Europäischen Weltraumbehörde ESA kommt ein Flugzeitmassenspektrometer zum Einsatz. Die Sonde fliegt seit 2004 in Richtung des Kometen Tschurjumow-Gerasimenko, den sie 2014 erreichen wird. In diesem Komet haben sich Spuren der Urgeschichte des Sonnensystems erhalten. Seit der Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren hat sich die chemische Zusammensetzung und das Isotopenverhältnis kaum verändert, weil der Komet während seiner Existenz sehr weit von der Sonne entfernt und wenig Wärme ausgesetzt war. Mittels Flugzeitmassenspektrometrie von Teilen des Kometen soll untersucht werden, welche Zusammensetzung die Akkretionsscheibe hatte, aus der das Sonnensystem entstand.

Weblinks

• Foto eines Flugzeitmassenspektrometers
• Matthias Schrod: Analyse von Harzen: Seite 43: Abbildung 3.2: Schema eines MALDI-TOF-Massenspektrometers mit Reflektrongeometrie