De massaspectrometer

Binnen de analytische chemie zijn er veel apparaten die stoffen in verschillende matrices kunnen aantonen. Een voorbeeld daarvan is de massaspectrometer. Dit is een apparaat dat gebruik maakt van de ionisatie van moleculen en de specifieke massa's waarin de moleculen uiteenvallen. De massaspectrometer wordt vaak gebruikt in combinatie met GC en LC. Een massaspectrometer bevat veel verschillende onderdelen, die allemaal hun eigen functie hebben.

Interface

De interface is de koppeling van de gaschromatograaf aan de massaspectrometer. Door de interface kan het verschil tussen de atmosferische druk in de GC en vacuüm in de massaspectrometer gemaakt worden. Ook houdt de interface het draaggas tegen.

Ionenbron

De moleculen kunnen geïoniseerd worden door elektrische of chemische ionisatie. Hier wordt verder ingegaan op de elektrische ionisatie. De moleculen komen in een ruimte die onder vacuüm staat. Het is heel belangrijk dat deze ruimte onder vacuüm staat, omdat de moleculen niet in botsing mogen komen met luchtmoleculen. Vervolgens worden ze door een elektronenstroom geleid. Hierdoor worden de moleculen “beschoten” door elektronen. Door het beschieten van de componenten met de elektronen, worden elektronen van de moleculen weggeslagen en worden er dus positieve ionen gevormd. Het gevormde positieve ion houdt een ongepaard elektron over, daardoor wordt dit ook wel een radicaal-kation genoemd. Dit is in de onderstaande reactievergelijking weergegeven.

M+e →M+• +2e

 
Naast het vormen van positieve ionen, treedt ook fragmentatie op van de gevormde positieve ionen. Dit komt omdat moleculen instabieler worden wanneer ze een elektron missen. Het ene molecuul zal instabieler worden dan het andere, waardoor deze in kleinere delen uiteen zal vallen. Het principe van de massaspectrometer is dan ook is gebaseerd op het feit dat de componenten altijd in dezelfde stukken uiteen vallen, mits de hoek en de energie van de elektronen hetzelfde blijven. Ook de verhouding van de fragmenten is constant. De positieve ionen worden door de repeller naar de quadrupool gedreven, omdat deze ook een positieve lading krijgt.

Analysator

Er zijn verschillende analysatoren. Er zal verder ingegaan worden op de magnetische analysator, de quadrupool analysator en de ion trap.

Magnetische analysator
In een massaspectrometer met een magnetische analysator worden de ionen vanuit de ionenbron versneld door er een spanning op te zetten. Vervolgens komen de ionen in een magnetisch veld waar ze afgebogen worden naar hun massa/ladingsverhouding. Het magneetveld wordt van hoog naar laag (of omgekeerd) gevarieerd in de tijd, zodat de ionen afhankelijk van hun m/z-waarde na elkaar de uitgangsspleet passeren en gedetecteerd worden. Er zit echter een limiet aan de scansnelheid, omdat er altijd vertraging optreedt bij het variëren van het magneetveld.

Quadrupool
Een quadrupool bestaat uit vier evenwijdige staven die cilindrisch of hyperbolisch zijn. Op de staven staat een wissel- en een gelijkspanning. De tegenoverliggende staven zijn met elkaar verbonden en vormen een elektrostatisch veld. Afhankelijk van de waardes van de gelijk- en wisselspanning kunnen componenten wel of niet door de quadrupool reizen. Dit gebeurt met een stabiel oscillerende beweging, zoals een helix. Als de staven niet de juiste spanningen hebben voor het passerende ion, slaat dit component dood. Dit begint meestal al vooraan de staven, waar de pre-filters zitten. Het doodslaan van de ionen op de pre-filters heeft als gevolg dat de staven zelf minder vervuild raken. De pre-filters zijn makkelijker te vervangen en goedkoper. Door de gelijk- en wisselspanning snel te variëren, zullen de ionen afhankelijk van hun m/z-waarde na elkaar worden doorgelaten en de detector passeren. Het voordeel van de quadrupool ten opzichte van de magnetische analysator is dat de spanningen op de quadrupoolstaven veel sneller gevarieerd kunnen worden dan het magnetische veld.

Ion Trap
De Ion Trap heeft hetzelfde principe als de quadrupool. Het verschil tussen deze twee analysators is dat de gevormde ionen eerst opgeslagen worden, voordat ze gedetecteerd worden. De moleculen worden op dezelfde manier geïoniseerd als bij de quadrupool. Vervolgens worden de ionen door de end cap gedreven middels de poortelektrode. Op de ringelektrode wordt een spanning gezet, waardoor de ionen opgeslagen worden. Door het voltage op de ringelektrode gelijkmatig te verhogen, worden de banen van de ionen instabiel en verlaten ze de trap via een opening in de tweede end cap. Dan worden de ionen gedetecteerd. Dus waar de quadrupool ionen doorlaat die een stabiele baan beschrijven, laat de ion trap ionen door die een instabiele baan beschrijven. Het voordeel van de Ion Trap ten opzichte van de quadrupool is dat de Ion Trap gevoeliger is.

Detector

Uiteindelijk komen de ionen na het passeren van de analysator bij de detector. Dit is een elektron-multiplier die in verschillende typen voorkomt. De werking ervan is gebaseerd op het principe van secundaire elektronen-emissie. Door een metalen oppervlak bloot te stellen aan energierijke deeltjes, in dit geval ionen, worden elektronen vrij gemaakt. Deze maken op een tweede oppervlakte meerdere elektronen vrij en dit wordt een aantal keer herhaald. Op deze manier wordt het signaal versterkt en kunnen ionenstromen vanaf 10-19 Ampere worden gemeten. Er worden nu twee typen elektron-multipliers kort toegelicht.

Een dynode multiplier is opgebouwd uit 12 tot 30 achtereenvolgend geplaatste dynodes van koper-berrylium. Al deze dynodes zijn gekoppeld in een netwerk van weerstanden, waardoor elke volgende dynode een hogere spanning heeft dan zijn voorganger.

De channel multiplier is een variant van de dynode multiplier. De dynodes zijn hier als een gebogen metalen trechtervormige buis aangebracht. Over deze buis wordt een elektrische spanning van 1 tot 3 kV aangebracht.

Massa's

In de theorie van de massaspectrometer wordt niet uitgegaan van de gemiddelde massa, maar van de absolute massa. Zo heeft chloor een gemiddelde massa van 35,5 en een absolute massa van 35. Omdat chloor een isotoop heeft van 37 en de verhouding waarin deze verschillende massa’s voorkomen 3:1 is, krijgt chloor een gemiddelde massa van 35,5.