FP16 Massenspektrometrie


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1 Zielsetzung des Versuchs

Der Versuch soll mit dem Verfahren der Massenspektrometrie sowie der qualitativen und quantitativen Analyse von Massenspektren vertraut machen. Dabei werden die unterschiedlichen Transmissionsbedingungen ΔM = const. und E = const. bei einem Quadrupol-Massenspektrometer untersucht und die aufgenommenen Spektren physikalisch interpretiert.
Als Abschluss des Versuchs werden vorher nicht bekannte gasförmigen Substanzen nach dem Cracking-Pattern-Verfahren durch Analyse der Massenspektren bestimmt.


Wolfang Paul war in den 1950er Jahren maßgeblich an der Entwicklung des Quadrupol-Massenfilters beteiligt. Seine Leistungen und die Beiträge von Norman F. Ramsey und Hans G. Dehmelt wurden 1989 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt.
(Hierzu finden Sie einen Artikel aus Physik in unserer Zeit, Vol.20, Iss.6 (1989), Seite 192-194; Wiley InterScience-Zugang aus dem Campusnetz der BUW)



2 Vorkenntnisse

  1. Kinetische Gastheorie, Grundlagen der Vakuumtechnik, Druckerzeugung und Druckmessung
  2. Grundkenntnisse zum lonisationsvorgang bei Elektronenstoß von Atomen und Molekülen, Dissoziation, Cracking Pattern, Ionen-Molekül-Reaktionen
  3. Prinzip der Massentrennung bei verschiedenen Massenspektrometern
  4. Aufbau und charakteristische Eigenschaften des Quadrupol-Massenspektrometers

Hinweis:
Zur praktischen Durchführung des Versuches sollte die Gebrauchsanweisung zum Massenspektrometer Quadruvac Q200 der Firma Leybold genau durchgelesen werden.



3 Literaturhinweise



4 Versuchsaufbau

  1. Drehschieberpumpe

  2. Turbomolekularpumpe

  3. Hochvakuumventil V1

  4. Hochvakuumventil V2

  5. Dosierventil

  6. Belüftungsventil für die Turbomolekularpumpe V3

  7. Adsorptionsfalle

  8. Wärmeleitvakuummeter Thermovac

  9. Wärmeleitvakuummeter Thermovac

  10. Ionisationsvakuummeter Penningvac

  11. Massenspektrometer Quadruvac Q200

  12. Messanordnung (Rezipient)


5 Versuchsdurchführung

Beachten Sie unbedingt die vom Betreuer erteilten Hinweise zu den einzelnen Geräten der Messapparatur!

Starten Sie danach einige Probemessungen, um sich mit der Messanordnung vertraut zu machen. Stellen Sie hierzu den Emissionsstrom auf 0,2 mA und vermessen das im Massenspektrometer enthaltene Restgas bei einem Druck < 1·10-5 mbar (gemessen mit dem Combivac). Betrachten Sie den Massenbereich von 2 bis 50 Massen auf dem Oszilloskop, bei einer Zeitablenkung von 1s/Div und einer Durchlaufzeit von 10 s. Verändern Sie die Y-Ablenkung am Oszilloskop und die Verstärkung des Ionenstromes so, dass das Spektrum optimal dargestellt wird.

Schauen Sie sich nun auf dem Oszilloskop mehrere Spektren an bei

  1. unterschiedlichen Massenbereichen,
  2. unterschiedlichen Durchlaufzeiten (beachten Sie die Erläuterungen und Beispiele im Punkt 7.4.5 der Anleitung zum Quadrovac Q200),
  3. unterschiedlichen Zeitkonstanten.

Gegebenenfalls können auch Spektren mit dem Y/t-Schreiber aufgezeichnet werden.

Hinweis: Sollte in der Zwischenzeit der Druck unter 5·10-6 mbar gefallen sein, so kann die Messung auch mit einem Emissionsstrom von 2 mA durchgeführt werden. Dazu wird erst einmal der Emissionsstrom ausgeschaltet. Danach wird der Knopf 2 mA gedrückt (der Knopf 0,2 mA springt heraus). Nun wird der Emissionsstrom wieder eingeschaltet.


5.1 Qualitative Bestimmung der chemischen Elemente und ihrer Massen im Restgas mit Hilfe der (ΔM = const.)-Spektren

Zeichnen Sie das Gesamtspektrum (2 - 50 Massen) in der Transmissionsbedingung ΔM = const. bei einer geeigneten Durchlaufzeit mit dem Y/t-Schreiber auf. Danach fahren Sie den Massenbereich in der Funktion Hand durch und bestimmen damit die Massen des aufgezeichneten Spektrums.

Grenzen Sie nun die erste Massengruppe (10 - 20) ein und verändern Sie die Einstellungen so, dass die Massengruppe auf dem Oszilloskop optimal dargestellt wird. Berücksichtigen Sie die Zeitkonstante. Nehmen Sie mit dem Y/t-Schreiber das Spektrum auf und fahren anschließend auch diese Massengruppe in der Funktion Hand durch.


5.2 Bestimmung des Auflösungsvermögen nach der 10% Tal-Definition

Grenzen Sie nun Massengruppen ein, jeweils um die Massen 18 (10 - 20), 28 (20 - 36) und 44 (36 - 50), und zeichnen von diesen die Spektren in geeigneter Weise auf, so dass Sie das Auflösungsvermögen M/ΔM gut bestimmen können.


5.3 Theoretisches Auflösungsvermögen

Berechnen Sie das benötigte Auflösungsvermögen, um die im Massenpeak m/z = 28 überlagerten Spezies N2 und CO voneinander trennen zu können. Die zugehörigen Massen betragen 28,0061 u bzw. 27,9949 u.
Ermitteln Sie ebenfalls das erforderliche Auflösungsvermögen für die Trennung der beiden Isotopologen 12C17O16O und 13C16O2 mit ihren zugehörigen Massen 44,9932 u und 44,9940 u.

Welche maximale Auflösung ist bei einem Quadrupol-Massenspektrometer theoretisch möglich?


5.4 Quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Restgases mit Hilfe eines (E = const.)-Spektrums

Stellen Sie mit Hilfe des Oszilloskopes die optimale Darstellung des Gesamtspektrums (2 - 50 Massen) ein. Zeichnen Sie das Massenspektrum des Restgases im (E = const.)-Mode mit dem Y/t-Schreiber auf. Notieren Sie den Totaldruck! (Combivac-Anzeige)


5.5 Qualitative Bestimmung der chemischen Elemente und ihre Massen in der Umgebungsluft mit Hilfe der (ΔM = const.)-Spektren

Die Bestimmung der Umgebungsluft wird bei einem Emissionsstrom von 2 mA vorgenommen. Öffnen Sie das Dosierventil und stellen Sie vorsichtig einen Druck zwischen 1·10-5 und 1·10-4 mbar ein.

Es muss immer darauf geachtet werden, dass bei den nachfolgenden Messungen der Druck konstant bleibt. Gegebenenfalls muss das Dosierventil nachgestellt werden.

Stellen Sie mit Hilfe des Oszilloskopes die optimale Darstellung des Gesamtspektrums ein. Zeichnen Sie dann das Spektrum mit dem Y/t-Schreiber im (ΔM = const.)-Mode auf.


5.6 Quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Umgebungsluft mit Hilfe der (E = const.)-Spektren unter Berücksichtigung des Restgasanteils

Stellen Sie mit Hilfe des Oszilloskopes die optimale Darstellung des Gesamtspektrums ein. Zeichnen Sie dann das Spektrum mit dem Y/t-Schreiber im (E = const.)-Mode auf. Achten Sie darauf, dass der Druck konstant bleibt. Notieren Sie den Totaldruck! (Combivac-Anzeige)


5.7 Bestimmung der Partialdrücke sowie des Totaldrucks aus den Ionenströmen

Messen Sie die Partialionenströme der einzelnen chemischen Elemente.


5.8 Aufnahme von Spektren im VAR-Mode (manuell variierbares Auflösungsvermögen)

Stellen Sie mit Hilfe des Oszilloskopes die optimale Darstellung des Gesamtspektrums (Masse 2 - 50) ein. Zeichnen Sie ca. zehn Spektren im VAR-Mode mit verschiedenen Linienbreiten (einzustellen mit dem Potentiometer) auf. Sie sollten bei einer Linienbreite beginnen, bei der sich ein vernünftiges Spektrum aufzeichnen lässt.


5.9 Qualitative und quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer „unbekannten Substanz“

Zeichnen Sie mehrere Spektren mit dem Y/t-Schreiber im (E = const.)-Mode auf.


5.10 Vergleichende Messung des Vakuums mit Hilfe des Massenspektrometers und des Ionisationsvakuummeters

Schalten Sie die Druckmessung des Quadruvac (Ptot) ein. Stellen Sie mittels des Dosierventils unterschiedliche Drücke ein (gemessen mit dem Combivac) und lesen die von dem Quadruvac angezeigten Werte ab. Tragen die Druckwerte in eine Tabelle ein.



6 Auswertung

6.1 Qualitative Bestimmung der chemischen Elemente und ihrer Massen im Restgas mit Hilfe der (ΔM = const.)-Spektren

Bestimmen Sie aus den gemessenen Spektren die im Restgas vorhandenen chemischen Elemente und ihre Massen nach dem Cracking-Pattern-Verfahren.


6.2 Bestimmung des Auflösungsvermögen nach der 10% Tal-Definition

Benutzen Sie die Massenpeaks mit m/z = 18, 28, 32, 44 und tragen Sie A = M/ΔM gegen M in einem Diagramm auf.


6.3 Theoretisches Auflösungsvermögen

Berechnen Sie das Auflösungsvermögen für die angegebenen Massenpeaks.
Hinweis zum maximalen Auflösungsvermögen: Interpretieren Sie das Stabilitätsdiagramm in vereinfachter Form.


6.4 Quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Restgases mit Hilfe eines (E = const.)-Spektrums

Berechnen Sie aus dem gemessenen Spektrum die prozentualen Anteile der chemischen Substanzen im Restgas. Bestimmen Sie die Partialdrücke als relative Anteile des Totaldrucks (Combivac-Anzeige)

.

6.5 Qualitative Bestimmung der chemischen Elemente und ihre Massen in der Umgebungsluft mit Hilfe der (ΔM = const.)-Spektren

Bestimmen Sie aus den gemessenen Spektren die in der Umgebungsluft vorhandenen chemischen Elemente und ihre Massen nach dem Cracking-Pattern-Verfahren.


6.6 Quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Umgebungsluft mit Hilfe der (E = const.)-Spektren unter Berücksichtigung des Restgasanteils

Bestimmen Sie die Partialdrücke als relative Anteile des Totaldrucks (Combivac-Anzeige) und berechnen Sie die prozentualen Anteile der chemischen Substanzen in der Umgebungsluft unter Berücksichtigung des Restgasanteils.


6.7 Bestimmung der Partialdrücke sowie des Totaldrucks aus den Ionenströmen

Berechnen Sie die Partialdrücke der Hauptbestandteile (siehe dazu Leybold, Theoretische Grundlagen, S. 14 - 17).
Ermitteln Sie anschließend den Totaldruck und vergleichen Sie ihn mit der Combivac-Anzeige.


6.8 Aufnahme von Spektren im VAR-Mode (manuell variierbares Auflösungsvermögen)

Interpretieren Sie die Spektren bezüglich Linienbreite und Linienhöhe. Tragen Sie für zwei Massenpeaks die Peakhöhe gegen die Linienbreite auf.


6.9 Qualitative und quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer „unbekannten Substanz“

Ermitteln Sie anhand der gemessenen Spektren die unbekannte Substanz und treffen Sie quantitative Aussagen.


6.10 Vergleichende Messung des Vakuums mit Hilfe des Massenspektrometers und des Ionisationsvakuummeters

Tragen die gemessenen Druckwerte in einem Diagramm gegeneinander auf und interpretieren Sie Ihre Ergebnisse.



7 Anhang

Zusammensetzung der Atmosphäre



Liste verschiedener chemischer Substanzen mit ihren Haupt- und Nebenpeaks

Substanz Hauptpeak Nebenpeaks
H2 Wasserstoff 2/100
He Helium 4/100
CH4 Methan 16/100 15/85 14/19 13/08 12/02
NH3 Ammoniak 17/100 16/80 15/08 14/02
H2O Wasser 18/100 17/23 16/02
Ne Neon 20/100 22/10
C2H2 Acetylen 26/100 25/20 24/06 13/06
CH2CHCl Venylchlorid 27/100 62/84 28/37 26/34
C2H4 Ethylen 28/100 27/65 26/62 25/12
CO Kohlenmonoxid 28/100 12/05 16/01
N2 Stickstoff 28/100 14/07 29/01
C2H6 Ethan 28/100 27/33 30/26 26/23
C2H4O Ethylenoxid 29/100 44/65 15/65 14/20
C2H4O Acetaldehyd 29/100 44/46 43/27 42/09
C3H8 Propan 29/100 28/59 27/38 44/26
CH3OH Methanol 31/100 32/67 29/65 28/06
C2H5OH Ethanol 31/100 45/51 29/30 27/24
O2 Sauerstoff 32/100 16/11
H2S Schwefelwasserstoff 34/100 32/44 33/42 36/04
HCl Chlorwasserstoff 36/100 38/32 35/17
Ar Argon 40/100 20/11
C3H6 Propen 41/100 39/74 42/70 27/38
C4H10 Butan 43/100 29/44 27/37 28/33
C3H6O Aceton 43/100 58/33 15/20 27/08 42/07
CO2 Kohlendioxid 44/100 28/12 16/16 12/07 22/03
C3H7OH Isopropanol 45/100 43/17 27/16 29/10
CxHy Rotationspumpenöle 57/100 55/73 43/73 41/33
SO2 Schwefeldioxid 64/100 48/49 32/10 16/05
C6H6 Benzol 78/100 52/19 51/19 39/14

    Christian Linke
Last modified: Wed Aug 19 14:25:48 CEST 2009