Ein Massenspektrometer oder Massenspektrograf ist eine Apparatur, mit der man elektrisch geladene Teilchen unterschiedlicher Masse mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern trennen und die Häufigkeit der auftretenden Teilchenmassen (das sog. Massenspektrum) bestimmen kann.
Das erste empfindliche Massenspektrometer war der von Francis W. Aston 1919 gebaute Aston’sche Massenspektrograf. Er hatte den folgenden Aufbau:
- Die Teilchen werden zunächst ionisiert (wenn nötig, müssen sie vorher noch in die Gasphase überführt, d. h. verdampft werden).
- Die Ionen werden dann erst in einem senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden homogenen elektrischen Feld beschleunigt und treten als Ionenstrahl in den eigentlichen Messaufbau ein. Wegen der unterschiedlichen Massen haben die Teilchen im Ionenstrahl unterschiedliche Geschwindigkeiten.
- Der Strahl durchläuft zunächst ein weiteres elektrisches Feld; die Ionen erfahren dabei eine seitliche Ablenkung, die umgekehrt proportional zu ihrer Energie ist. Der Strahl wird dabei aufgefächert.
- Danach gelangen die Ionen in ein Magnetfeld, das senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum elektrischen Feld steht (Abb.). Durch die Lorentz-Kraft erfahren sie eine Richtungsänderung, die der Ablenkung im elektrischen Feld entgegengerichtet ist. Der Betrag der Ablenkung ist hier umgekehrt proportional zum Impuls der Teilchen. Wählt man die Abmessungen der Apparatur und die magnetische Flussdichte geeignet, so gehen alle Ionen, welche die gleiche spezifische Ladung (Ladung-zu-Masse-Verhältnis Q/m) haben, trotz unterschiedlicher Geschwindigkeit durch denselben Punkt. Dies bezeichnet man als Geschwindigkeitsfokussierung. Ferner lässt sich erreichen, dass die zu verschiedenen Ionen gehörenden Punkte alle in einer Ebene liegen. Bringt man in diese Ebene einen fotografischen Film oder einen Detektor, so kann man auf ihm das Massenspektrum aufzeichnen und – bei bekannter Ladung der Ionen – aus der Lage der Auftreffpunkte die jeweilige Masse des Ions berechnen.
Modernere Massenspektrometer erlauben neben der Geschwindigkeitsfokussierung durch geschickte Formgebung der Felder auch eine Richtungsfokussierung zum Ausgleich kleiner Richtungsunterschiede im Ionenstrahl. Solche doppelt fokussierenden Geräte haben eine höhere Empfindlichkeit als der Aston’sche Massenspektrograph und verkürzen die Messzeit.
