Eine Ionenquelle auch Ionenkanone dient der Erzeugung von Ionen Inhaltsverzeichnis 1 Ionisationsarten 1 1 Elektronenionisation 1 2 Feldionisationsmethoden 1 3 Teilchenbeschussmethoden 1 4 Spruhmethoden 1 5 Photoionisationsmethoden 1 6 Weitere Methoden 2 Anwendung 3 Bauformen 4 Weblinks und Literatur 5 EinzelnachweiseIonisationsarten BearbeitenElektronenionisation Bearbeiten nbsp Ionenquelle eines Massenspektrometers geeignet fur Elektronionisation und Chemische IonisationElektronenionisation EI engl electron ionization Die Ionisation mit Elektronen ist die meistgenutzte Ionisationsmethode 1 Dabei werden Elektronen aus einem Gluhfaden Filament durch ein elektrisches Feld beschleunigt und durch die zu ionisierenden Molekule geschickt Die Beschleunigungsspannung betragt dabei 5 bis 200 Volt typischerweise 70 V bei denen der Ionisationsquerschnitt fur die meisten Molekule maximal ist Beim Stoss der Elektronen mit den Molekulen wird ein weiteres Elektron herausgeschlagen es entsteht ein Radikalkation Dieses ist meistens instabil und zerfallt in kleinere Massenfragmente von denen mindestens eines geladen bleibt Falls das Molekul bereits ein Radikal war ist das Produkt meist stabil Die geladenen Teilchen werden vor der Auftrennung in einem weiteren elektrischen Feld das durch eine Spannung von einigen tausend Volt erzeugt wird beschleunigt und fokussiert Die Grossen und Haufigkeiten der Fragmente sind bei gegebener Beschleunigungsspannung der Elektronen fur eine Substanz in Datenbanken katalogisiert und konnen zur Identifizierung herangezogen werden Chemische Ionisation CI Bei der chemischen Ionisation wird ein Gas zugefuhrt das durch Elektronenionisation angeregt bzw ionisiert wird Als Reaktionsgase werden Stickstoff Edelgase oder Kohlenwasserstoffe mit bis zu funf Kohlenstoffatomen benutzt Die aus dem Gas gebildeten Ionen reagieren dann mit dem Analyten und ionisieren ihn Der Fragmentierungsgrad ist geringer als bei der Elektronenionisation Diese Methode wird auch haufig in Kopplung mit einem Gaschromatographen angewendet Wegen der geringen Fragmentierung eignet sich die chemische Ionisation beispielsweise in der biochemischen Analytik zur Sequenzbestimmung von Peptiden oder zum Nachweis von Arzneimitteln Sanfte Ionisation Bei der sanften Ionisation werden Gase mit geringer Ionisationsenergie von 10 bis 14 eV zur Ionisation der Probengase verwendet z B Xenon Argon oder Quecksilber Dazu wird eine Ionenwolke des Ionisationsgases mittels Elektronenbeschusses erzeugt Durch eine Auswahl uber Vorfelder erreichen nur einfach ionisierte Atome des Ionisationsgases das zu ionisierende Probengas Eine Fragmentierung der Molekule des Probengases wird dadurch nahezu ganz unterbunden Da sich zudem unterschiedliche Gase mit gleicher Massenzahl von den Ionisierungsgasen verschieden ionisieren lassen ist eine Differenzierung von Isomeren durch analytische Vergleiche moglich Feldionisationsmethoden Bearbeiten Feldionisation FI Bei der Feldionisation werden Molekule in einem elektrischen Feld mit einer hohen Feldstarke ionisiert Hohe Feldstarken lassen sich erreichen indem die Anode aus einem Metalldraht mit einer Spitze besteht oder besser indem der Metalldraht mit zahlreichen Spitzen Mikronadeln aus Graphitdentriten versehen ist Zwischen der Anode und der Kathode als Gegenelektrode liegt eine Spannung von einigen tausend Volt an Die Probe wird im gasformigen Zustand zugefuhrt Die Ionisation findet sowohl im Raum zwischen den Elektroden als auch an der Oberflache der Anode statt Bei dieser Methode werden die Molekule nur wenig fragmentiert Hierdurch lassen sich auch gut Gemische untersuchen Ein Beispiel ist die Untersuchung von Pyrolyseprodukten hochmolekularer Substanzen Felddesorption FD Die Felddesorption unterscheidet sich vom grundsatzlichen Aufbau her nicht von der Feldionisation Der Unterschied besteht darin dass ein fester oder flussiger Analyt vorher auf der Emitteroberflache Anode adsorbiert wird Damit entfallt ein separater Verdampfungsprozess Die Ionisierung erfolgt hierbei durch feldinduzierte Oberflachenreaktionen Wegen der schonenden Ionisierung eignet sich diese Methode zur Analyse schwer fluchtiger oder thermisch labiler Substanzen beispielsweise aus der Naturstoffchemie Ausserdem lassen sich gut Gemische und auch anorganische Salze untersuchen Liquid Injection Field Desorption Ionization LIFDI Bei der LIFDI wird durch den Druckunterschied zwischen Normaldruck und Vakuum ein flussiger Analyt uber eine Kapillare direkt auf den Graphitdendriten gespritzt und dort in einem hohen elektronischen Feld wie bei FI sehr schonend ionisiert Da die Zufuhrung des Analyt durch eine Kapillare erfolgt ist diese Methode speziell fur das Analysieren von luftempfindlichen Substanzen geeignet Teilchenbeschussmethoden Bearbeiten Flussigkeiten und Feststoffe konnen mit schnellen Atomen oder Ionen beschossen werden worauf sich Ionen losen Kommen Atome zum Einsatz heisst die Methode FAB engl Fast Atom Bombardment Schneller Atombeschuss bei Ionen SIMS engl secondary ion mass spectrometry Sekundarionen Massenspektrometrie Neben den Sekundarionen werden auch ungeladene Teilchen Sekundarneutralteilchen erzeugt Wenn diese zum Beispiel mit Laserlicht nachionisiert und dann analysiert werden spricht man von Sekundar Neutralteilchen Massenspektrometrie SNMS Gerate die eine raumliche Auflosung kleiner als 50 Nanometer ermoglichen werden NanoSIMS genannt Diese Methoden werden u a in der Oberflachenchemie eingesetzt Spruhmethoden Bearbeiten Elektrospray Ionisation Bei der Elektrospray Ionisation ESI werden Losungen geladener oder polarer Substanzen verspruht ionisiert und die Tropfchen dann getrocknet so dass Ionen des Analyten zuruckbleiben Diese Methode ist besonders geeignet fur grossere Molekule wie beispielsweise Proteine Atmospheric Pressure Chemical Ionization Die chemische Ionisation unter Atmospharendruck engl Atmospheric Pressure Chemical Ionization APCI funktioniert ahnlich wie ESI nur dass die Losung des Analyten vor der Ionisation verdampft wird Die Losemittelmolekule werden an einer spitzen Elektrode bei Atmospharendruck ionisiert Die Methode ist auch fur weniger polare Analyten geeignet Photoionisationsmethoden Bearbeiten Ein Photonen Ionisation Bei der Ein Photonen Ionisation engl Single Photon Ionization SPI wird die Ionisationsenergie durch ein einzelnes Photon uberwunden dessen Wellenlange im Vakuum Ultraviolett Bereich VUV liegt Diese hochenergetischen Photonen konnen entweder als Synchrotronstrahlung oder mit Entladungslampen erzeugt werden Ein weit verbreiteter Spezialfall ist die Atmospharendruck Photoionisation engl Atmospheric Pressure Photo Ionization APPI Resonanzverstarkte Mehrphotonenionisation Die resonanzverstarkte Mehrphotonenionisation engl Resonance Enhanced Multi Photon Ionization REMPI basiert auf der nahezu gleichzeitigen Absorption mehrerer ultravioletter Photonen die mittels eines Lasers erzeugt werden deren Gesamtenergie oberhalb der Ionisationsenergie des zu ionisierenden Molekuls liegt Auch zu dieser Ionisationsmethode existiert eine Atmospharendruckvariante die Atmospharendruck Laserionisation engl Atmospheric Pressure Laser Ionization APLI Die beiden Photoionisationsmethoden unter Atmospharendruck werden hauptsachlich bei der Kopplung von Massenspektrometern mit LC Systemen verwendet Der Eluent wird zunachst verdampft und anschliessend durch Photonen ionisiert Dabei werden die Photonen senkrecht zum Molekulstrahl ausgesandt Matrix unterstutzte Laser Desorption Ionisation Bei der Matrix unterstutzten Laser Desorption Ionisation MALDI wird der Analyt mit einem grossen Uberschuss einer Matrix genannten Substanz gemischt und cokristallisiert Einbindung des Analyten in die kristalline Matrix Die Matrix hat die Eigenschaft beim Beschuss mit einem Laser bestimmter Wellenlange Energie zu absorbieren zum Beispiel Stickstofflaser 337 nm Durch den Beschuss mit dem Laser wird der intakte Analyt verdampft an den ein von der Matrix bereitgestellter Ladungstrager z B ein Proton gebunden ist Weitere Methoden Bearbeiten Thermische Ionisation TIMS thermische Ionisationsmassenspektrometrie wird in der Festkorpermassenspektrometrie eingesetzt Dabei wird die Probe Probenmenge je nach Stoff ng bis µg zum Beispiel auf ein Wolframfilament aufgebracht Durch das Filament wird Strom geschickt wobei es sich erhitzt und die aufgebrachte Probe verdampft Ein Teil der abgedampften Atome wird dabei ionisiert weil die kinetische Energie der Atome so hoch ist dass sie sich durch Stosse gegenseitig ionisieren konnen 2 Ein induktiv gekoppeltes Plasma engl inductively coupled plasma ICP bricht die meisten Verbindungen in ihre Elemente auf und es entstehen vorwiegend einfach positiv geladene Ionen Diese Methode wird daher vor allem bei der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma in der anorganischen Elementanalytik und Spurenanalytik eingesetzt Bei der Ionisation durch Glimmentladung engl glow discharge ionization GDI wird die Probe durch ein durch einen Lichtbogen erzeugtes Plasma ionisiert Anwendung BearbeitenDie erzeugten Ionen konnen z B in Teilchenbeschleunigern beschleunigt werden Ihre Masse kann in einem Massenspektrometer bestimmt und die Zusammensetzung der untersuchten Probe analysiert werden Der erzeugte Ionenstrahl kann aber auch direkt zur Dotierung von Halbleitern durch Ionenimplantation benutzt werden oder beispielsweise in einer Ionenfeinstrahlanlage eingesetzt werden Ausserdem werden derartige Teilchenbeschleuniger auch als Ionenantrieb fur Raumfahrzeuge verwendet Bestimmend fur die Anforderungen an eine Ionenquelle sind die Arten der zu ionisierenden Atome oder Molekule die gewunschten Ladungszustande Zulassigkeit oder gar Wunsch nach Fragmentation von Molekulen gewunschter Ionenstrom Energieverteilung der Ionen Fur einige Anwendungen reicht die Ausgangsenergie einer Ionenquelle aus und der Ionenstrahl kann direkt verwendet werden Andere Anwendungsgebiete speziell die Kern und Teilchenphysik erfordern hohere Energien fur die die Ionen in einem Teilchenbeschleuniger nachbeschleunigt werden mussen Bauformen BearbeitenBeispiele fur Bauformen von Ionenquellen sind Duoplasmatron Plasmatron mit zwei Kammern Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle EZR Ionenquelle Elektronenstrahl Ionenquelle EBIS EBIT siehe Electron Beam Ion Trap Kapillaritron Kapillarenanode mit Extraktionskathode Mikrowellen Ionenquelle zum Beispiel mit einem Magnetron Penning Ionenquelle fur Teilchenbeschleuniger gleiches Prinzip wie Penning Vakuummeter Sputter Ionenquelle insbesondere geeignet zur Erzeugung negativ geladener Ionen fur TandembeschleunigerWeblinks und Literatur BearbeitenIonenquellen der GSI Anwendungen von Ionenquellen Vorlesungsskript Kapitel an der Uni Frankfurt Frank Hinterberger Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik 2 Auflage Springer Verlag Berlin 2008 ISBN 978 3 540 75281 3 S 104 114 doi 10 1007 978 3 540 75282 0 Einzelnachweise Bearbeiten Teach Me Instrumentelle Analytik Abgerufen am 9 Dezember 2010 Demtroder Experimentalphysik 3 Atome Molekule Und Festkorper Band 3 Springer Berlin Heidelberg 2010 ISBN 3642039111 S 36 Google Books Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Ionenquelle amp oldid 227863705
