Einfachfokussierendes Sektorfeld-MS

Einfachfokussierende Sektorfeldgeräte benutzen einen Elektromagneten, um den Ionenstrahl um 60 oder 90 Grad abzulenken. Ionen mit unterschiedlichem Masse/Ladungsverhältniss fliegen im Magnetfeld auf Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien. Die Radien hängen neben der Masse auch von magnetische Feldstärke B und der Beschleunigungsspannung U ab. Blendet man alle Ionen bis auf eine Masse aus, so kann man durch Variation z.B. der magnetischen Feldstärke, jeweils genau einen Typ von Ionen mit einem bestimmten Masse/Ladungsverhältnis auf den Ionendetektor bringen. Die Intensität des Signals am Auffänger als Funktion des Magnetfeldes ergibt dann das Massenspektrum.

Kreisbahnen der Masseteilchen im Sektormagnetfeld
(klicken sie auf das Bild für ein interaktives Beispiel )

Alle Ionen mit der Elementarladung e besitzen nach Durchlaufen des Potentialgefälles U in der Ionenquelle die kinetische Energie E_kin:

m Masse des Teilchens v Geschwindigkeit des Teilchens U Potentialgefälle e Elementarladung (e = 1.60·10-19 C Ekin kinetische Energie

Die Geschwindigkeit v eines Ions der Masse m ergibt sich damit als:

Beim Flug durch das Magnetfeld B muss die magnetische Kraft F_M mit der Zentrifugalkraft F_C im Gleichgewicht sein:

B Magnetfeldstärke r Radius der Flugbahn FC Zentrifugalkraft FM magnetische Kraft

Durch Einsetzen des Ausdruckes für die Geschwindigkeit v erhält man:

womit sich die zentrale Gleichung für die Flugbahnen der Ionen in einem magnetischen Sektorfeldgerät ergibt:

Bei einfachfokussierenden Sektorfeldgeräten entsprechen unterschiedlichen Masse/Ladungs-Verhältnissen also unterschiedliche Flugbahnradien. Die Massenauflösung wird (außer von der Breite des Austrittsspaltes) wesentlich durch die Energieverteilung der eintretenden Ionen bestimmt: Je einheitlicher die kinetische Energie ist, umso besser ist das Massenauflösungsvermögen. Einfachfokussierende Massenspektrometer haben typisch eine Auflösung von ca. 1000, für höhere Auflösungen benötigt man andere Konstruktionsprinzipien, z.B. doppelfokussierende Spektrometer. Massenauflösungsvermögen und Transmission (Anzahl der durch das Massenfilter tretenden Ionen, proportional zur Empfindlichkeit) sind umgekehrt propotional. Daher je nach Aufgabenstellung:

• hohe Transmission bei niedriger Auflösung (z. B. bei Aufnahme von Spektren in der GC-MS) oder
• hohe Auflösung bei niedriger Transmission (z. B. bei der Bestimmung von Summenformeln)