Mass Spectrometry – More Than a Measurement Method

Station 6

Friedrich Paneth besides a mass spectrometer, circa 1956. Source: MPI for Chemistry

Until the 1970s, mass spectrometry was more than just a method for scientific problem-solving at the MPI for Chemistry. It bridged the gap between nuclear chemistry and nuclear physics, once the Institute’s key areas of research.

The underlying principle involves accelerating positively or negatively charged ions of a sample material and then deflecting them with electrical or magnetic fields in order to determine mass and frequency of atoms. This made it possible, for example, to show that elements consist of several isotopes – atomic variants having the same number of protons but different numbers of neutrons in the nucleus. This means that they differ in mass but not in chemical behaviour.

This realization allowed many questions in nuclear physics to be answered relatively easily. The work was continued later in the departments of geochemistry and cosmochemistry, where mass spectrometry was used to assist in the analysis of terrestrial and extraterrestrial rocks. This, together with particle accelerators, allowed greater particle measurement accuracy to be achieved, which is why mass spectrometry also became an important tool in nuclear physics. It can be used to measure nuclear binding energies, which sheds light on the structure of atomic nuclei and the sequence of nuclear reactions.

Mass spectrometry continues to play an im-portant role at the MPI for Chemistry today.  For instance, it is used in the chemical analysis of aerosol particles, fossils and stalagmites.

(partly quoted: C. Reinhardt, Festschrift MPIC 2012)

Mutli-Ionenzählsystem

Exponat 6a+b

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

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.

Nach diesem Prinzip arbeiten auch heutige Massenspektrometer.

Schematische Darstellung eines Massenspektrometers. Grafik: MPI für Chemie

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