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Quadrupol im Wandel der letzten 30 Jahre

Geschichte, Entwicklung und Trends von Quadrupol-Massenspektrometern

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Aktuelle Quadrupol-Massenspektrometer

Heutzutage dominieren am Markt die Kompakt-QMS. Lediglich bei sehr anspruchsvollen Applikationen werden die QMS mit Rack-Elektronik noch eingesetzt. Sie sind dank ihrer hochwertigeren Detektoren langzeitstabiler. Zudem sind die Analysatoren im Betrieb leichter ausheizbar und können ggf. auch in Umgebungen mit ionisierender Strahlung oder starken Magnetfeldern eingesetzt werden, wie es z.B. bei Teilchenbeschleunigern oder Kernfusionsexperimenten gefordert ist.

Die technischen Daten der Kompaktgeräte konnten über die Jahre hinweg deutlich verbessert werden. Heute sind selbst mit diesen kleinen Systemen (Stabdurchmesser 6 mm, Stablänge 125 mm) Nachweisgrenzen im Bereich von E-15 hPa möglich. Auch Messgeschwindigkeiten bis hinunter zu 1 ms/amu können realisiert werden, beschränken jedoch die Nachweisgrenze. Mit maximal 30 W ist ihre Leistungsaufnahme recht gering.

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Die Ionenquelle eines Massenspektrometers ist dem Aufbau einer Heißkathoden-Messröhre sehr ähnlich. Daher bieten einige QMS den Vorteil einer integrierten Totaldruckmessung. Dabei wird der Entladungsstrom der Ionen genutzt, die beim Übergang von der Ionenquelle in das Stabsystem auf die Ausgangsblende auftreffen statt hindurch zu fliegen. So wird das System vor unbeabsichtigtem Druckanstieg ohne die Verwendung einer externen Messröhre bzw. einer zusätzlichen Redundanz geschützt.

Die modernen Kompaktgeräte verfügen über eine Vielzahl von Schnittstellen. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel. Das hier gezeigte Gerät bietet dank der D-Sub-Stecker (EXT I/O und AUX I/O) zahlreiche analoge und digitale Ein- und Ausgänge. Die digitalen Eingänge ermöglichen es, zuvor erstellte Messrezepte auszuwählen und zu starten. Die digitalen Ausgänge versorgen eine übergeordnete Steuerung mit Informationen über den Status des QMS, z.B. über den Zustand der Emission oder über etwaige Fehlermeldungen, und können außerdem Ventile schalten. Über einen analogen Eingang besteht die Möglichkeit, externe Signale wie die Temperatur oder den Gasfluss einzulesen. Die analogen Ausgänge übermitteln die gemessenen Werte – Ionenströme oder Konzentration – an eine übergeordnete Steuerung. Zudem kann eine externe Totaldruckmessröhre zum Filamentschutz oder für Kalibrieraufgaben direkt angeschlossen werden.

Über eine Ethernet-Schnittstelle erfolgt die Kommunikation mit dem PC, ein Mini-USB-Stecker ermöglicht die Kommunikation mit dem Gerät zu Servicezwecken [5]. Neben der Kommunikation mit einer Software kann im industriellen Umfeld die Kommunikation des QMS auch direkt mit einer SPS erfolgen. Einige Anbieter haben auch Labview-Treiber (Labview ist eine Marke der National Instruments Corporation) im Angebot. Diese werden vor allem im universitären Umfeld für Versuchsaufbauten eingesetzt.

Ergänzendes zum Thema
LP-Info: Wie misst ein Quadrupol-Massenspektrometer?

Ein elektrischer Quadrupol kann aus zwei positiven und zwei gleich starken negativen Ladungen bestehen, die zwei entgegengesetzt-gleiche Dipole bilden. Ein Quadrupol-Massenspektrometer ist im Prinzip ein Massenfilter. Unter vorgegebenen physikalischen Bedingungen werden nur Ionen mit einem bestimmten m/z-Verhältnis zum Detektor durchgelassen. Erreicht wird dies durch vier parallele, in einem Quadrat angeordnete stabförmige Metallelektroden, die Ionen eines definierten m/z-Verhältnisses unter dem Einfluss eines kombinierten Wechsel- und Gleichspannungsfeldes durchlaufen können. Alle anderen Ionen fliegen auf instabilen Bahnen und werden durch Kollision mit den Metallstäben gestoppt. Nach Lottspeich und Zorbas: Bioanalytik

Perspektiven und Trends bei Quadrupol-Massenspektrometern

Das immer breiter werdende Feld potenzieller Anwendungen, die Digitalisierung sowie die veränderten Anforderungen in den Märkten stellen die Massenspektrometer vor immer neue Herausforderungen. Aus diesem Grund müssen sie kontinuierlich optimiert und an die sich ändernden Voraussetzungen angepasst werden. Aktuell zeichnen sich zwei wesentliche Trends für die Weiterentwicklung der QMS-Technologie in den nächsten Jahren ab. Zum einen die Weiterentwicklung der Bediensoftware: Die Nutzer wünschen eine einfach zu bedienende Oberfläche, ohne sich mit den Details und Theorien des QMS beschäftigen zu müssen. Nutzer aus der Industrie oder dem universitären Umfeld haben immer weniger Einarbeitungszeit, um sich mit den Geräten und ihrer Bedienung vertraut zu machen. Daher sollten tiefer gehende Einstellungen wie Ionenquellenparameter nur für erfahrene Nutzer verfügbar sein.

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