Massenspektrometrie – mehr als nur eine Messmethode

Station 6

Friedrich Paneth vor einer Messapparatur 1956. Bild: MPI für Chemie

Die Massenspektrometrie war bis in die 1970er Jahre mehr als nur eine Methode zur Lösung wissenschaftlicher Probleme am MPI für Chemie. Sie schlug eine Brücke zwischen Kernchemie und Kernphysik, ehemals wichtigen Arbeitsgebieten des Instituts.

Ihr Prinzip besteht darin, positiv oder negativ geladene Ionen einer Probensubstanz zu beschleunigen und durch elektrische oder magnetische Felder so abzulenken, dass daraus auf die Masse der Atome und deren Häufigkeit geschlossen werden kann. Damit lässt sich nun zum Beispiel nachweisen, dass Elemente aus Isotopen bestehen – Atomvarianten, die zwar die gleiche Zahl von Protonen, aber unterschiedliche Mengen an Neutronen im Kern enthalten. Dadurch unterscheiden sie sich in ihrer Masse, aber nicht in ihrem chemischen Verhalten.

Mit relativ geringem apparativem Aufwand konnten so zahlreiche kernchemische Fragen beantwortet werden. Dies setzte sich später auch in den Abteilungen für die Geochemie und die Kosmochemie fort, in denen die Massenspektrometrie bei der Analyse von irdischen und extraterrestrischen Gesteinen half.

In Kombination mit Teilchenbeschleunigern konnte man höhere Messgenauigkeit der Teilchen erreichen, weswegen die Massenspektrometrie auch für die Kernphysik von großer Bedeutung war. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kernbindungsenergien messen und so Aussagen über die Strukturen der Atomkerne und den Verlauf von Kernreaktionen gewinnen.

Heute spielt die Massenspektrometrie im MPI für Chemie weiterhin eine wichtige Rolle beispielsweise bei der chemischen Analyse von Aerosolpartikeln sowie Stalagmiten und Glasschwämmen.

(teilweise aus: C. Reinhardt, Festschrift MPIC 2012)



Mutli-Ionenzählsystem

Ablenkrohr eines alten Massenspektrometers; vorne links: Fotoplatte mit Massenspektrum von Mondstaub 10084. Foto: S. Benner

Exponat 6a+b

Das Gerät ist ein so genanntes Multi-Ionenzählsystem aus einem ehemaligen Funkenmassenspektrometer. Man konnte damit gleichzeitig bis zu 20 verschiedene chemische Elemente beispielsweise aus Gesteinsproben nachweisen. Das System ist eine Eigenentwicklung des MPI für Chemie und wurde 1995 in der Werkstatt gebaut. Es ersetzte die weniger präzisen Fotoplatten, bei denen Ionen eine Fotoplatte schwarz färbten.

Auf der Unterseite der Apparatur erkennt man 20 schräg angeordnete Metallplättchen. Die hochenergetischen Ionen, die auf diese Plättchen auftrafen, lösten Elektronen aus. Die Elektronen wurden anschließend in extrem dünne Röhrchen, die so genannten Channeltrons geleitet und lawinenartig vervielfacht. Impulszähler am Ende der Röhrchen registrierten die Anzahl der Elektronen, woraus die Menge des jeweiligen chemischen Elements bestimmt werden konnte.

Dem Nachweissystem waren eine Ionenquelle und ein Analysator vorgelagert. In der Ionenquelle erhitzte man die Gesteinsprobe mit Hilfe einer Hochfrequenzspannung so stark, dass ein Plasma –  ein heißes Gas mit ionisierten Atomen –  entstand. Ein Magnetfeld lenkte die Ionen anschließend ihrer Masse entsprechend ab. Dies bedeutet, dass Elemente mit großen Massenzahlen – wie zum Beispiel Uran-238 oder Thorium-232 – viel weniger abgelenkt werden als Elemente mit kleinen Massenzahlen wie etwa Aluminium-27. Sie trafen daher an unterschiedlichen Metallplättchen auf und konnten dadurch getrennt werden.

Schematische Darstellung eines Massenspektrometers. Grafik: MPI für Chemie

Nach diesem Prinzip arbeiten auch heutige Massenspektrometer.

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