DE2245395A1

DE2245395A1 - Vorrichtung zur bestimmung und anzeige von massenzahlen in einem massenspektrometer

Info

Publication number: DE2245395A1
Application number: DE19722245395
Authority: DE
Inventors: Kjell Uno Linderoth
Original assignee: KUNGL KAROLINSKA MEDIKO KIRURG
Current assignee: KUNGL KAROLINSKA MEDIKO KIRURG
Priority date: 1971-09-15
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1973-03-29
Also published as: DE2245395B2; DE2245395C3; JPS4857691A; GB1396937A; FR2154020A5; SE358254B

Description

Patentanwalt Dipl;-Phys. Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 2984

A 5774

Kungl. Karolinska mediko-kirurgiska Institutet STOCKHOLM / Schweden

Vorrichtung zur Bestimmung und Anzeige von Massenzahlen

in einem Massenspektrometer "■"·■-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und Anzeige von Massenzahlen in einem Massenspektrometer mit einem Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Ablenkung des lonenstromes.

Massenspektrometer werden seit langer Zeit zur Analyse organischer Verbindungen zur Bestimmung der Anreicherung von stabilen Isotopen und zur exakten Bestimmung von Molekulargewichten usw. verwendet. Die Verfahren, welche zur Bestimmung von Massenzahlen in einem Massenspektrometer zur Anwendung kommen, sind jedoch relativ teuer.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu zeigen, mit der billig und wirkungsvoll die Massenzahlen bestimmt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Elektromagnet zur Erzeugung des Magnetfeldes durch die Ablenkung des Ionenstromes und/oder ein Meßmagnet, der in Serie oder parallel zum Elektromagneten geschaltet ist, zwe!gelenkig miteinander verbundene Glieder aufweist, mit denen eine Kraftmeßeinrichtung verbunden ist, wobei die Kraftmeßeinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ein Ausgangssignal liefert.

Anhand der beiliegenden Figuren soll an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Massenspektrum;

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Massenspektrometers In der Ansicht von oben;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erf indungsgemäBen Vorrichtung.

Im allgemeinen wird bei der Massenspektroekopie (s. Fig. 2) ein Gas, welches die Substanzen, die zu analysleren sind, enthält, in das Massenspektrometer eingebracht und in der Ionisationskammer 1 des Massenspektrometers ionisiert. Die Ionisierung kann beispielsweise durch Anstoßprozesse mit Elektronen erzielt werden. Die Ionen werden beschleunigt und durch einzelne Elektroden 2 fokussiert. Sie gelangen dann durch ein Magnetfeld 3, wo sie entsprechend ihrer Masse und ihrer Ladung ge-

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trennt werden. Die Trennung erfolgt nach folgender Formel: V = Vl₁ , (U.m/eJ^/B (Gleichung I)

In dieser Formel bedeuten k^ einen Umwertungsfaktor, r den Radius des Weges, den die Ionen nehmen, B die magnetische Feldstärke, m die Mas* se, e die Ladung, m/e die Massenzahl und U die Beschleunigungsspannung, Die voneinander getrennten Ionen, welche in den Detektorspalt 4 treffen, wurden mit einem bestimmten Radius abgelenkt, der spezifisch ist für das Massenspektrometer. Nachdem die Ionen durch das Magnetfeld und den Detektorspalt hindurchgetreten sind, werden sie in einem sogenannten Ab- . schirmkäfig eingefangen oder sie treffen auf die erste Sekundäremissionskathode eines ElektronenvervieIfachers 5. Der Ausgang des Elektronenvervielfachers ist mit einem Aufzeichnungsgerät, der gegebenenfalls einen UV-Rekorder enthält, verbunden. Das Ergebnis kann auch auf analog-digitale Weise aufgezeichnet werden. Wenn die Probe ionisiert ist, wird ein Teil des Ionengesamtstromes mittels einer Elektrode 6, welche mit einem Verstärker und einem Kompensationsschreiber verbunden ist, angezeigt. Die Aufzeichnung des Massenspektrums beginnt dann, wenn der Ionenstrom einen Maximalwert erreicht. Während der Analyse kann die Beschleunigungsspannung oder der magnetische Strom, d. h. die Magnetfeldstärke, fortlaufend geändert werden, so daß eine Abtastung erfolgt.

Das Massenspektrum kann relativ kompliziert sein aufgrund der vielen Peaks für Jede organische Verbindung. Bin bestimmtes Massenspektrum ist charakteristisch für eine Substanz und kann zur Bestimmung der Struktur verwendet werden. Das Massenspektrum kann gegebenenfalls so in Erscheinung treten wie es aus der Fig. 1 ersichtlich ist. Die Fig. 1 zeigt ein Maesenspektrum für Cholesterien. Bei der Aufnahme dieses Spektrums wurde der das Magnetfeld erzeugende.Strom fortlaufend geändert.

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Ein derart großer Bereich von Massenzahlen, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist (m/e a 12-366), kann jedoch nicht durch Änderung der Beschleunigungsspannung erfaßt werden, da Letztere bei der niedrigsten Massenzahl [(m/e^/fm/ejg a 12/386] auf etwa 1/32 der maximalen Spannung erniedrigt werden müßte. Die Ionenausbeute, welche eich etwa proportional mit der Beschleunigungsspannung ändert, würde bei den hohen Massenzahlen in diesem Fall zu gering sein.

Bei der Aufzeichnung von Massenspektra ist es wichtig, daß Jedes Molekül und jeder Bruchteil eines Ions aufgrund seiner Massenzahl gleich identifiziert werden kann. Wenn nun im Massenspektrometer der Radius für die Ionen, welche den Detektorspalt treffen, vorgegeben ist und die Beschleunigungsspannung bekannt 1st, können die Massenzahlen der in Frage kommenden Ionen durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:

m/e = kJB²/U (Gleichung 2)

Gemäß der Erfindung ist das Quadrat des Magnetfeldes, welches die Ionen ablenkt oder das Quadrat eines Magnetfeldes, welches zu diesem proportional ist, bestimmt durch die Messung der Kraft, welche durch das in Rede stehende Magnetfeld erzeugt wird. Die Kraftmessung erfolgt in geeigneter Weise durch Widerstands-Dehnungsmeßstreifen oder durch eine geladene Zelle und durch Umwandlung des Meßergebnisses in elektrische Signale, gegebenenfalls über Widerstandsänderungen In den Widerstands-Dehnungsmeßstreifen oder der Zelle.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausftihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im einzelnen. Das Magnetjoch enthält zwei Glieder 7 und 8, welche gelenkig miteinander verbunden sind. Diese Verbindung wird erzielt durch einen Vorsprung 9, welcher am Glied 8 vorgesehen ist. Der Vor-

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sprung 9 befindet sich in einer Aussparung des Gliedes T. Bei einem be-ν orzugten Ausführungsbeispiel ist der Radius der Aussparung 10 größer als der Radius des Vorsprungs 9.

Mit 11 sind Magnetspulen bezeichnet und mit 12 ein Luftspalt zwischen den Polen der Magnetspulen. An die Jochglieder 7 und 8 sind Befesti- χ gungsniittel 13 und 14 befestigt. Diese Befestigungsmittel bilden einen Luftspalt 15. Im Luftspalt 15 ist eine belastete Zelle 16 angeordnet.

Der Ionenstrom tritt durch den Luftspalt 12 hindurch. Pas Magnetfeld, welches vom Magneten erzeugt wird und welches zur Ablenkung des Ipnenstromes dient, erzeugt eine Kraft zwischen den Jochgliedern 7 und 8 über den Luftspalt 12 hin. Da die Befestigungsmittel 13 und». 14 fest mit den Gliedern 7 und 8 verbunden sind, wirkt über den Luftspalt 15 hin ebenfalls eine Kraft, welche proportional ist zur Kraft, welche über den Luftspalt 12 hin wirkt. Die Kraft über den Luftspalt 15 wird mittels der belasteten Zelle 16 gemessen. Die belastete Zelle 16 ist bevorzugt ein Widerstands-Dehnungsmeßstreifen, welcher seinen Widerstand linear zur Belastung ändert.

Wenn AR die Widerstandsänderung in der belasteten Zelle ist und k„, k-, k. und k_c Koeffizienten bedeuten, können die Massenzahlender Ionen, wel-

4 ,5 , ^f

ehe in den Detektor gelangen, durch folgende Gleichungen ermittelt werden:

Gleichung 2 m/e a k . B /U

Gleichung	5	F m	^k3	•	B²
Gleichung	6	AR =	k₄	•	F
		k =		^k2
			*3	#	h

Gleichung 7 m/e α k- · AR/U

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In der Fig, 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar gestellt. Diese Ausführungsform kann in den Fällen benutzt werden, wenn die Messung nicht direkt am Hauptmagneten des Massenspektrometer vorgenommen werden kann. In der Figur ist ein Hauptmagnet 17 des Massenspektrometer dargeetellt. Dieser Hauptmagnet weist einen Luftspalt auf, durch welchen der Ionenstrom des Massenspektrometer» hindurchfließt und abgelenkt wird. Weiterhin ist ein Meßmagnet 19 vorgesehen, welcher in Serie oder parallel rim Hauptmagneten 17 geschaltet 1st. Mit 20 ist eine belastete Zelle bezeichnet. Der Meßmagnet weist bevorzugt die gleichen magnetischen Eigenschaften auf wie der Hauptmagnet. Der Meßmagnet ist in bevorzugter Weise so ausgestaltet wie es die Vorrichtung in der Fig. 3 zeigt. Der Meßmagnet kann auch so auf gebaut sein, daß die belastete Zelle 16 im Luftspalt 12 angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung soll nun nicht nur allein auf die Verwendung einer belasteten Zelle, welche nach Art eines Widerstands-Dehnungsmeßstreifens arbeitet, bei der Bestimmung der Kraft zwischen den Magnetjochgliedern beschränkt sein. Diese Kraft kann durch jedes geeignete Kraftmeßgerät, welches die Kraft in ein elektrisches Ausgangesignal umwandelt, gemessen werden.

Die Anordnungen gemäß der Fig. 3 und 4 können eberfalls vollständig oder teilweise in ein Kühlmedium, beispielsweise öl, eingebracht sein. Eine Temperaturkompensation kann ebenfalls durch eine Brückenverbindung erzielt werden.

Bei schnellen dynamischen Meßabläufen, d.h. bei raschen Änderungen des das Magnetfeld aufbauenden Stromes kann es vorkommen, daß das Ausgangssignal der belasteten Zelle eine unerwünschte Nacheilung aufweist. Diese Nacheilung kann jedoch durch elektronische Mittel, welche mit der belasteten Zelle verbunden sind, kompensiert werden.

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BADORlGtHAL

Die Erfindung ist nicht nur auf die im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

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Claims

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Bestimmung und Anzeige von Massenzahlen in einem Massenspektrometer mit einem Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Ablenkung des Ionenstromes, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet zur Erzeugung des Magnetfeldes fUr die Ablenkung des Ionenstromes und/oder ein Meßmagnet, der in Serie oder parallel zum Elektromagneten geschaltet ist, ζ we gelenkig miteinander verbundene Glieder (7, 6) aufweist, mit denen eine Kraftmeßeinrichtung (16) verbunden ißt, die in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ein Ausgangssignal liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrichtung (16) eine belastete Zelle enthält, welche sich eines Widerstands-Dehnungsmeßstreifens bedient.

3, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßmagnet im wesentlichen die gleichen magnetischen Eigenschaften aufweist, wie der Elektromagnet.

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