Massenspektrometrie

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Massenspektrometrie

Als Massenspektrometrie werden Verfahren zum Messen der Masse von Atomen oder Molek√ľlen bezeichnet. Die Massenspektrometrie z√§hlt nicht zu den Methoden der Spektroskopie, da es nicht um Spektren von elektromagnetischer Strahlung geht.

Die zu untersuchende Substanz, der Analyt, wird in die Gasphase √ľberf√ľhrt und ionisiert. Die Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und dem Analysator zugef√ľhrt, der sie nach dem Masse-zu-Ladung-Verh√§ltnis m/q "sortiert", beispielsweise (im Sektorfeld-Massenspektrometer, siehe unten) r√§umlich in Teilstrahlen auftrennt. Die Molek√ľle k√∂nnen dabei fragmentiert werden.[1][2]

Massenspektrometrie findet in vielen Bereichen Anwendung. Eingesetzt wird sie unter anderem bei der Charakterisierung von chemischen Verbindungen, in der medizinischen Chemie zur Identifizierung von Substanzen in K√∂rperfl√ľssigkeiten oder Organen, in kriminaltechnischen Untersuchungen, Dopingkontrollen, der milit√§rischen Analytik von chemischen Kampfstoffen und in der Pharmakokinetik. Es gibt sehr unterschiedliche Techniken, die sich je nach Aufwand, Anwendung und Genauigkeit unterscheiden.

Vorteilhaft ist in vielen Bereichen, dass die Datenmenge recht gering ist und damit eine Kopplung mit Datenbanken von Massenspektren leicht möglich ist. Es ist auch verhältnismäßig leicht ein Massenspektrometer mit einer HPLC-Anlage oder einem Gaschromatographen zu koppeln und so die verschiedenen Massenspektren der im Analyten enthaltenden Verbindungen zu erhalten.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Nachbau des dritten Massenspektrometers von J. J. Thomson

Die Massenspektrometrie basiert auf einer Hypothese, die vom britischen Chemiker William Prout im fr√ľhen 19. Jahrhundert aufgestellt wurde und besagt, dass es eine Eigenschaft eines Atoms ist, eine bestimmte Masse zu haben ‚Äď das Atomgewicht. Er hatte beobachtet, dass sich Atome von ihrer Masse her als ganzzahliges Vielfaches der Masse von Wasserstoff-Atomen verhalten. [3] [4] Sp√§tere und genauere Messungen von J√∂ns Jakob Berzelius (1828) und Edward Turner (1832) schienen jedoch diese Hypothese zu widerlegen, denn es wurde z. B. f√ľr das Chlor-Atom eine Masse bestimmt, die das 35,45-fache der Wasserstoffmasse betr√§gt.

Sir Joseph John Thomson

In der Mitte des 19. Jahrhunderts beobachtete Julius Pl√ľcker den Einfluss von magnetischen Feldern auf das Leuchten von Gasentladungsr√∂hren.

Eugen Goldstein und Wilhelm Wien publizierten in den Jahren 1886 und 1898 die sogenannten Kanalstrahlen und ihre Ablenkung durch Felder. Sie hatten die weitreichenden Konsequenzen ihrer Entdeckungen jedoch 1886 noch nicht erkannt. [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Fr√ľhe Fotoplatte mit den Isotopen von Neon (20Ne und 22Ne)

Sp√§ter, im Jahr 1897, publizierte J. J. Thomson verschiedene Experimente, in denen er in Vakuumr√∂hren Kathodenstrahlen von verschiedenen Kathodenmetallen mit elektromagnetischen Feldern ablenkte, und stellte korrekte Gleichungen zum Zusammenhang zwischen Masse, Geschwindigkeit und Bahnradius auf. 1913 publizierte er eine Methode, um mit Hilfe eines Massenspektroskops Fotoplatten zu belichten und so qualitative und quantitative Untersuchungen an den in einer R√∂hre enthaltenen Gasen durchzuf√ľhren.

Ein Sch√ľler von Thomson, der britische Chemiker und Physiker Francis William Aston, baute 1919 das erste funktionierende Massenspektrometer. Mit dieser neuen Technik konnte er die Isotope von Chlor (35Cl und 37Cl), von Brom (79Br und 81Br) und von Krypton (78Kr, 80Kr, 82Kr, 83Kr,84Kr und 86Kr) beobachten. Aston wurden schlie√ülich im Jahr 1922 mit dem Nobelpreis f√ľr Chemie f√ľr seine Untersuchungen der Isotope geehrt. Durch die Verwendung der Technik des Elektrofokusierens konnte er nicht weniger als 212 der damals bekannten 287 Isotope beobachten.

Im Jahr 1918 wurde von Arthur Jeffrey Dempster das erste moderne Massenspektrometer entworfen und gebaut, welches 100 fach genauer arbeitete als alle vorherigen Entwicklungen und legte den Grundstein f√ľr das Design heutiger Massenspektrometer. Aufgrund dieser Entwicklung hat er im Jahr 1935 das das Uranisotop mit der Masse 235 identifizieren k√∂nnen.

Während des Manhattan-Projekts wurden riesige Isotopenanreicherungsanlagen auf Grundlage der Massenspektrometrie gebaut.

Stark Fragmentiertes Massenspektrum - Elektronenstoss-Ionisation

In den 1950er Jahren wurde von Roland Gohlke und Fred McLafferty das erste Mal ein Massenspektrometer als Detektor f√ľr eine Chromatographie-Methode eingesetzt. Beide koppelten einen Gaschromatographen mit einem Massenspektrometer. Durch diese Methode konnten das erste Mal Substanzgemische in einer Anlage getrennt und identifiziert werden.[11][12] F√ľr die Anwendung in einer gaschromatographischen Methode m√ľssen die entsprechenden Verbindungen jedoch im Vakuum fl√ľchtig und dabei unzersetzlich verdampfbar sein.

Im Jahr 1974 entwickelten Alan G. Marshall und Melvin B. Comisarow von der University of British Columbia inspiriert von den Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance (FT-NMR) und ICR Methoden ein Fouriertransform-Massenspektrometer.[13]

Die bisherigen Methoden zur Erzeugung der ben√∂tigten Ionen waren sehr aggressiv und f√ľhrten zu vielen Bruchst√ľcken (Fragmente) beim vermessen organischer Verbindungen. Daher setzte ab den 1960 Jahren die Entwicklung immer schonenderer Ionisationsmethoden ein. Mitte der 1960er Jahre wurde von Munson und Field die Chemische Ionisation (CI) ver√∂ffentlicht.[14] Im Jahr 1969 hat Beckey die Feld Desorbtion (FD) publiziert.[15]

Sp√§ter erfolgten dann die weitere Entwicklung einer Vielzahl an Ionisationsmethoden f√ľr die unterschiedlichsten Zwecke wie zum Beispiel Chemische Ionisation bei Atmosph√§rendruck (APCI), Matrix-unterst√ľtzte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI), Elektrospray (ESI).

Parameter eines Massenspektrometers

Ein Massenspektrometer wird im Wesentlichen durch zwei Parameter charakterisiert: Die Massenauflösung und die Massengenauigkeit.

Die Massenaufl√∂sung bezeichnet den minimalen Massenunterschied dm, den zwei Ionen haben m√ľssen, damit sie noch aufgel√∂st werden k√∂nnen. Die Aufl√∂sung eines Massenspektrometers wird in der Einheit Thomson (Th) angegeben, wobei aber trotzdem √∂fter nur das Aufl√∂sungsverm√∂gen R angegeben wird. Dieses ist als Verh√§ltnis einer Masse zum Massenunterschied der n√§chsten noch getrennt erscheinenden Masse (R = m / dm) definiert. Zum Beispiel w√ľrde man bei einem Aufl√∂sungsverm√∂gen von 4000 die Peaks bei 4000 Th und 4001 Th noch getrennt sehen, aber ebenso die Peaks bei 2000 Th und 2000,5 Th da 2000/(2000,5 ‚ąí 2000) = 4000. In der Praxis werden die beiden Begriffe Aufl√∂sung und Aufl√∂sungsverm√∂gen leider oft nicht exakt auseinander gehalten.

Es gibt drei verschiedene Definitionen der Auflösung:

  • Bei der 10-%-Methode definiert man dm als die Massenabweichung, bei der die Intensit√§t eines Peaks auf 10 % des Maximums absinkt.
  • Bei der 50-%-Methode definiert man dm als die Massenabweichung, bei der die Intensit√§t eines Peaks auf 50 % des Maximums absinkt.
  • Bei der Halbwertsbreitenmethode (FWHM (full width at half maximum height)) definiert man dm als die volle Peakbreite bei der halben Peakh√∂he.

Die Massengenauigkeit gibt an, wie genau die Masse des Teilchens bestimmt werden kann. Diese Angabe erfolgt oft in parts per million (ppm), d. h., ein Molek√ľl mit der nominellen Masse 500 kann bei einer Genauigkeit von 1 ppm auf 0,0005 u genau bestimmt werden.

Aufbau eines Massenspektrometers

Schematische Zeichnung eines hochauflösenden Sektorfeld-Massenspektrometers

Ein Massenspektrometer (MS) besteht aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einem Detektor. Jedes dieser Bauteile existiert in verschiedenen Bauformen und Funktionsprinzipien, die prinzipiell frei kombinierbar sind, obschon bevorzugte Kombinationen existieren. Diese werden im Folgenden beschrieben.

Ionenquelle

In der Ionenquelle wird der Analyt ionisiert. Dies kann mit Hilfe verschiedener Methoden erfolgen. Die Wahl der Methode ist haupts√§chlich abh√§ngig von der Art der zu analysierenden Substanz und davon, wie schonend ionisiert werden soll. Die Ionen werden meistens mit einem elektrischen Feld aus der Ionenquelle extrahiert und in den Analysator √ľbergeben. Die einzelnen Methoden werden im Abschnitt Ionisationsmethoden behandelt.

Analysator

Im Analysator oder Massenselektor werden die Ionen nach ihrer Masse (genauer: Masse-zu-Ladung-Verhältnis, also m/q) getrennt. Es gibt mehrere sehr unterschiedliche Methoden, wie diese Massentrennung erfolgt. Abhängig von der Methode ist auch das Trennvermögen recht unterschiedlich. Die einzelnen Trennmethoden werden im Abschnitt Arten von Analysatoren behandelt.

Detektor

Der Detektor dient zur Erfassung der zuvor separierten Ionen. Als Detektor eingesetzt werden k√∂nnen Photomultiplier, Sekund√§relektronenvervielfacher (SEV), Faraday-Auff√§nger, Daly-Detektoren, Mikrokanalplatten( MCP) oder Channeltrons. Der SEV wird teilweise in Kombination mit einer Konversionsdynode verwendet, bei der die Ionen aufgrund einer angelegten hohen Beschleunigungsspannung (bis zu 25 kV) auf eine Metalloberfl√§che prallen und der SEV dann die freiwerdenden Elektronen detektiert. In der Anfangszeit der Massenspektrometrie wurden auch Fotoplatten benutzt.

FT-ICR- und Orbitrap-Massenspektrometer messen Ströme (engl. image-currents), welche durch die sich bewegenden Ionenpakete in den Detektorplatten erzeugt werden. In diesem Fall werden die Ionen also nicht vom Detektor absorbiert und können deshalb mehrfach gemessen werden. Das trägt entscheidend zur hohen Messgenauigkeit dieser Instrumente bei.

Ionisationsmethoden

Elektronenstoßmethoden

Elektronenstoßionisation (EI, auch Elektronenstoß, engl. electron impact)
Die Elektronensto√üionisation ist die meistgenutzte Ionisationsmethode. [16] Dabei werden von einem Filament Elektronen mittels eines elektrischen Feldes auf eine kinetische Energie von 5 bis 200 eV (aus Stabilit√§tsgr√ľnden verwendet man oft 70 eV; au√üerdem ist der Ionisationsquerschnitt bei dieser Energie f√ľr die meisten Gase maximal) beschleunigt und durch eine Gaswolke der zu ionisierenden Molek√ľle geschickt. Beim Zusammensto√ü der Elektronen mit den Molek√ľlen wird ein weiteres Elektron herausgeschlagen, es entsteht ein Radikalkation. Dieses ist meistens instabil und zerf√§llt in kleinere Massenfragmente, von denen eines geladen bleibt. Die Gr√∂√üen und H√§ufigkeiten der Fragmente sind bei gegebener Beschleunigungsspannung der Elektronen f√ľr eine Substanz in Datenbanken katalogisiert und k√∂nnen zur Identifizierung herangezogen werden.
Chemische Ionisation (CI)
Bei der chemischen Ionisation wird ein Gas zugef√ľhrt, das durch Elektronensto√üionisation angeregt/ionisiert wird. Die aus dem Gas gebildeten Ionen reagieren dann mit dem Analyten und ionisieren ihn. Der Fragmentierungsgrad ist geringer als bei der Elektronenionisation.
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 √ľber Vorfelder erreichen nur einfach ionisierte Atome des Ionisationngases das zu ionisierende Probengas. Eine Fragmentierung der Molek√ľle 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 m√∂glich.

Feldionisationsmethoden

Feldionisation (FI)
Bei der Feldionisation wird ein Gas in einem starken elektrischen Feld an zahlreichen Spitzen (Graphitdendriten) sehr schonend ionisiert.
Felddesorption (FD)
Bei der Felddesorption wird ein fester oder fl√ľssiger Analyt, der den zahlreichen Graphitdendriten in L√∂sung zugef√ľhrt wird, in einem hohen elektrischen Feld wie bei FI sehr schonend ionisiert.
Liquid Injection Field Desorption Ionization (LIFDI)
Bei der LIFDI wird durch den Druckunterschied zwischen Normaldruck und Vakuum ein fl√ľssiger Analyt √ľber eine Kapillare direkt auf den Graphitdendriten gespritzt und dort in einem hohen elektronischen Feld wie bei FI sehr schonend ionisiert. Da die Zuf√ľhrung des Analyt durch eine Kapillare erfolgt, ist diese Methode speziell f√ľr das Analysieren von luftempfindlichen Substanzen geeignet.

Teilchenbeschussmethoden

Fl√ľssigkeiten und Feststoffe k√∂nnen mit schnellen Atomen oder Ionen beschossen werden, worauf sich Ionen l√∂sen. Kommen Atome zum Einsatz, hei√üt die Methode FAB (engl. Fast Atom Bombardment, Schneller Atombeschuss), bei Ionen SIMS (engl. secondary ion mass spectrometry, Sekund√§rionen-Massenspektrometrie). Neben den Sekund√§rionen werden auch ungeladene Teilchen (Sekund√§rneutralteilchen) erzeugt. Wenn diese zum Beispiel mit Laserlicht nachionisiert und dann analysiert werden, spricht man von Sekund√§r-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS).

Spr√ľhmethoden

Elektrospray-Ionisation
Bei der Elektrospray-Ionisation (ESI) werden L√∂sungen geladener oder polarer Substanzen verspr√ľht, ionisiert und die Tr√∂pfchen dann getrocknet, so dass Ionen des Analyten zur√ľckbleiben. Diese Methode ist besonders geeignet f√ľr gr√∂√üere Molek√ľle, wie beispielsweise Proteine.
Atmospheric Pressure Chemical Ionization
Die chemische Ionisation unter Atmosph√§rendruck (engl. Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI) funktioniert √§hnlich wie ESI, nur dass die L√∂sung des Analyten vor der Ionisation verdampft wird. Die L√∂semittelmolek√ľle werden an einer spitzen Elektrode bei Atmosph√§rendruck ionisiert. Die Methode ist auch f√ľr weniger polare Analyten geeignet.

Photoionisationsmethoden

Ein-Photonen-Ionisation
Bei der Ein-Photonen-Ionisation (engl. Single Photon Ionization, SPI) wird die Ionisationsenergie durch ein einzelnes Photon √ľberwunden, dessen Wellenl√§nge im Vakuum-Ultraviolett-Bereich (VUV) liegt. Diese hochenergetischen Photonen k√∂nnen entweder als Synchrotronstrahlung oder mit Entladungslampen erzeugt werden. Ein weit verbreiteter Spezialfall ist die Atmosph√§rendruck-Photoionisation (engl. Atmospheric Pressure Photo Ionization, APPI).
Resonanzverstärkte Mehrphotonenionisation
Die resonanzverst√§rkte 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 Molek√ľls liegt. Auch zu dieser Ionisationsmethode existiert eine Athmosph√§rendruckvariante die Atmosph√§rendruck-Laserionisation (engl. Atmospheric Pressure Laser Ionization, APLI).

Die beiden Photoionisationsmethoden unter Atmosph√§rendruck werden haupts√§chlich bei der Kopplung von Massenspektrometern mit LC-Systemen verwendet. Der Eluent wird zun√§chst verdampft und anschlie√üend durch Photonen ionisiert. Dabei werden die Photonen senkrecht zum Molek√ľlstrahl ausgesandt.

Matrix-unterst√ľtzte Laser-Desorption/Ionisation
Bei der Matrix-unterst√ľtzten Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) wird der Analyt mit einem gro√üen √úberschuss 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 Wellenl√§nge 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 Ladungstr√§ger, z. B. ein Proton, gebunden ist.

Weitere Methoden

  • Thermische Ionisation (TIMS, thermische Ionisationsmassenspektrometrie) wird in der Festk√∂rpermassenspektrometrie eingesetzt. Dabei wird die Probe (Probenmenge je nach Stoff ng bis ¬Ķg) 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.
  • 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.

Arten von Analysatoren

Massenspektrometer werden durch den jeweilig eingesetzten Analysator typisiert.

Sektorfeld-Massenspektrometer

Schematische Zeichnung eines ICP/Sektorfeld-Massenspektrometers

In Sektorfeld-Massenspektrometern werden die Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt. Der Radius der Kreisbahnen, die sie in den Feldern durchlaufen, hängt von der Energie (im elektrischen Feld) und vom Impuls (im magnetischen Feld) der Ionen ab. In Kenntnis der Ladung, der Energie und des Impulses kann dann die Masse bestimmt werden. Sektorfeld-Massenspektrometer können so gebaut werden, dass Ionen mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit auf einem Punkt im Detektor abgebildet werden (Geschwindigkeitsfokussierung). Auch Ionen, deren Flugbahn leicht geneigt ist, können auf einen Punkt abgebildet werden (Richtungsfokussierung). Massenspektrometer, die beides gleichzeitig können, nennt man doppelfokussierend. Die Fokussierung ist nötig, um bei hoher Auflösung noch eine akzeptable Intensität des Messsignals zu erhalten. Sektorfeld-Massenspektrometer erreichen Auflösungen von bis zu 100.000 und waren vor der Entwicklung der FT-Ionenfallen die Massenspektrometer mit der größten Auflösung. Heute werden sie nur noch selten verwendet, zum Beispiel in der Stabilisotopenmassenspektrometrie.

Massenspektrometer zur Bestimmung von 16O/18O und 12C/13C Isotopenverhältnissen an biogenem Karbonat

Quadrupol-Massenspektrometer

Im Quadrupol-Massenspektrometer werden die erzeugten Ionen durch ein statisches, elektrisches Feld beschleunigt und durchfliegen zentral vier parallel liegende Stabelektroden, deren Schnittpunkte mit einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse ein Quadrat bilden (Quadrupol). Im Wechselfeld zwischen den Quadrupol-St√§ben findet eine m/q-Selektierung statt, so dass jeweils nur Teilchen mit einer definierten Masse das Feld durchlaufen k√∂nnen. Die Ionen treffen in einem Detektor mit Messverst√§rker auf, der den Ionenstrom misst und von der Software des angeschlossenen PCs zur Z√§hlrate bzw. zum Partialdruck umgerechnet wird. Die Ionisationseinheiten, Quadrupole und Detektoren sind in unterschiedlichsten Varianten f√ľr unterschiedliche Anwendungen erh√§ltlich. Es ist in teuren, hochaufl√∂senden aber auch g√ľnstigen Varianten (als Restgasanalysator) zu erhalten und hat dadurch eine hohe Verbreitung im F&E-Bereich.

Triple-Quadrupol-Massenspektrometer
Quadrupol eines Triple-Quadrupol-Massenspektrometer

Massen-Selektierung im Quadrupol-Feld

Die gegen√ľberliegenden Elektroden des Quadrupol befinden sich auf gleichem Potential und zwischen benachbarten Elektroden wird eine Spannung mit einem Gleich- und einem hochfrequenten Wechselspannungs-Anteil angelegt, d. h. u(t) = U + V \cos \left(\omega t \right). Die Bahn der Ionen im QMS wird durch die Differentialgleichungen von Mathieu beschrieben. Aus systematischen Untersuchungen dieser Differentialgleichungen ist bekannt, dass es gewisse stabile und instabile Bereiche gibt. Die Arbeitsgerade, d. h., die Gerade, auf der alle beobachtbaren Massen liegen, wird durch das Verh√§ltnis \frac{U}{V} bestimmt. Um ein m√∂glichst gutes Aufl√∂sungsverm√∂gen (in der Praxis R = 1.000 bis 4.000) zu erreichen, muss \frac{U}{V} \approx 0{,}1678 gelten. Der Schnitt aus Arbeitsgeraden und stabilem Bereich der Mathieuschen Differentialgleichungen ist dann sehr klein. Der Wert 0,1678 darf aber auf keinen Fall √ľberschritten werden, ansonsten sind alle Ionen instabil. Instabile Ionen kollidieren w√§hrend des Durchlaufes mit einem der vier St√§be.

√úber die Einstellung der Frequenz ŌČ oder Spannungen U,V l√§sst sich festlegen, welche Teilchen mit welchem Masse-zu-Ladungs-Verh√§ltnis den Detektor √ľber die zentrale Flugbahn erreichen. Die Bahn eines Teilchens mit richtigem m/e-Verh√§ltnis ist sinusf√∂rmig mit gleichbleibenden Abst√§nden zur Mittelbahn des Quadrupols. Alle anderen Ionen fliegen zwar auch im Sinustakt durch das Wechselfeld um diesen Sollbahnbereich, werden aber immer weit herausbeschleunigt, so dass sie irgendwann seitlich au√üerhalb des Quadrupols hinausschie√üen und den Einflussbereich des EM-Feldes verlassen.

Da die Ionisierung durch Elektronensto√ü erfolgt, treten bei fast allen Atomen/Molek√ľlen statt einem Peak bei der entsprechenden Masse des Atomes/Molek√ľles mehrere Peaks im Massenspektrum auf. Dies hat verschiedene Ursachen:

  • Die Molek√ľle k√∂nnen bei der Kollision mit den Elektronen in verschiedene Bestandteile zerbrechen (Fragmentierung). So ruft z. B. Ethanol (C2H5OH) (Masse 46,07 g/mol) einen schwachen Peak bei 46 Th (C2H5OH) hervor, einen st√§rkeren Peak bei 45 Th (ein Wasserstoffatom fehlt) und den st√§rksten Peak (ca. 10-mal h√∂her als die anderen Peaks) bei 31 Th (CH2OH). Weitere Peaks sind u. a. 17 Th (OH).
  • Eine teilweise Rekombination oder Neubildung von Molek√ľlen ist zwar sehr viel seltener. Es ist aber wegen der hohen Genauigkeit des Quadrupol-Massenspektrometers nicht auszuschlie√üen, dass entsprechende Z√§hlraten auftreten k√∂nnen.
  • Die Bruchst√ľcke der Molek√ľle bzw. Atome k√∂nnen zweifach oder sogar dreifach ionisiert werden. Da das Quadrupol-Massenspektrometer ‚Äď wie andere Massenspektrometer ‚Äď prinzipbedingt nur den m/q-Wert misst, ergeben sich folglich mehrere Peaks, z. B. Argon bei 40 Th und bei 20 Th.
  • Bei hohen Konzentrationen von Edelgasen in einer Probe sind die sogenannten Cluster zu sehen, z. B. f√ľr Argon 40 ein Peak bei 80AMU.

Flugzeitmassenspektrometer (TOFMS)

‚Üí Hauptartikel: Flugzeitmassenspektrometer

Im Flugzeitmassenspektrometer (TOFMS) wird ausgenutzt, dass die Ionen beim Eintritt in den Analysator alle die gleiche Energie haben und leichte Ionen deshalb schneller sind als schwere. Daher erreichen beim Flug durch einen feldfreien Raum leichte Ionen den Detektor eher als schwere Ionen. Der Flugzeitanalysator besteht somit nur aus einem Rohr unter Vakuum mit einem sehr schnellen Detektor am Ende. Die Aufl√∂sung betr√§gt bis zu R = 15.000 (10-%-Methode). In der Praxis haben sich Ger√§te mit Ionenspiegeln bzw. Reflektron bew√§hrt, bei denen die Flugstrecke durch ein zus√§tzliches elektrisches Feld am Ende der urspr√ľnglichen Flugrichtung verdoppelt wird. Zus√§tzlich erreicht man durch diese Technik eine weitere Fokussierung, die die Varianz in der Geschwindigkeit der Ionen aufgrund des Doppler-Effekts minimiert.

Ionenfallen-Massenspektrometer

Ionenfallen-Massenspekrometer
‚Üí Hauptartikel: Ionenfallen-Massenspektrometer

In Ionenfallen-Massenspektrometern werden die Ionen durch elektromagnetische Felder in einem definierten Bereich gehalten und können so analysiert und manipuliert werden. In Ionenfallen-Massenspektrometern ist eine mehrfache Wiederholung von Anregung und Massenselektion möglich, ohne dass ein weiteres Bauteil benötigt wird. Folgende Typen von Ionenfallen-Massenspektrometer existieren:

  1. Quadrupol-Ionenfalle
  2. Linear trap
  3. Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz (FT-ICR)
  4. Orbitrap

MS/MS (auch Tandem-Massenspektrometrie)

Um Fragmentierungen zu studieren oder auch um die Selektivit√§t und Sensitivit√§t (Nachweisgrenze) einer Quantifizierungsmethode entscheidend zu verbessern, koppelt man entweder mehrere Analysatoren hintereinander oder arbeitet in Ionenfallen. Zwischen zwei Analysatoren wird eine sogenannte Kollisionszelle eingebaut, um den Ionen durch St√∂√üe mit einem Inertgas (meist Stickstoff oder Argon) Energie zuzuf√ľhren. Daraufhin zerfallen die Ionen sehr spezifisch zu anderen (leichteren) Ionen.

Viele Kombinationen der Analysatoren sind denkbar. Die gängigsten sind Triple-Quadrupol (QqQ), Doppel-Quadrupol (Qq), Tandem-TOF (TOF-TOF) und inzwischen auch TRAP-FTICR und TRAP-Orbitrap.

Am weitesten verbreitet sind sogenannte Triple-Quadrupol (QqQ, auch triple quads genannt). Dabei wird meist durch ESI ein Pseudomolek√ľlion produziert, im ersten Analysatorquadrupol isoliert und dann im zweiten Quadrupol ‚Äď der sogenannten Kollisionszelle oder Sto√ükammer ‚Äď angeregt.

In die Sto√ükammer kann ein Sto√ügas (meist Argon, Helium oder Stickstoff) eingespeist werden. Dabei wird der Druck so gew√§hlt, dass im Mittel ein erzeugtes Ion maximal einmal mit einem Gasmolek√ľl kollidiert. Diese Methode erm√∂glicht es, erzeugte Ionen weiter zu fragmentieren.

Der dritte Quadrupol gibt die M√∂glichkeit zu ‚Äěscannen‚Äú, also alle Produktionen des im ersten Quadrupol isolierten Ions (engl. parent ion) zu ermitteln, oder selektiv nur ein bekanntes Fragmention zu beobachten. Durch das Erfassen aller Fragmentionen k√∂nnen R√ľckschl√ľsse auf die Struktur gezogen werden. Durch Beobachtung von nur ein oder zwei Fragmentionen, kann sehr empfindlich und selektiv quantifiziert werden. Diese Technik wird auch als Multiple Reaction Monitoring (MRM) bezeichnet.

Daneben gibt es auch andere Techniken f√ľr MS/MS (und sog. MSn). In Ionenfallen kann man ein Ion isolieren, und ihm dann entweder durch Kollision (hier aber meist mit Helium) oder auch durch Strahlung Energie zuf√ľhren. Gerade in FT-ICR-Ger√§ten verwendet man dazu Infrarotlaser oder ‚ÄěElektronenkanonen‚Äú (engl. Electron Capture Dissociation). Eine weitere Methode ist die Electron Transfer Dissociation (ETD), die gerade im Bereich der Proteinidentifikation erste Einsatzm√∂glichkeiten erf√§hrt.

Kopplung mit Chromatographieverfahren

Bei sehr komplexen Proben ist es n√ľtzlich, diese mit einem vorgelegten Trennverfahren aufzutrennen, bevor man sie dem Massenspektrometer zuf√ľhrt. In diesem Sinn wird Massenspektrometrie oft zusammen mit Gaschromatographie (GC/MS) oder Fl√ľssigchromatographie (LC/MS) betrieben. Weniger weit verbreitet sind die Kopplung mit Kapillarelektrophorese (CE/MS) und Ionenmobilit√§ts-Spektrometrie (IMS/MS). Teilweise werden auch mehrdimensionale Trenntechniken eingesetzt z. B. GCxGC-MS. Flugzeitmassenspektrometer eignet sich besonders gut im Verbund mit mehrdimensionaler Gaschromatographie, weil damit sehr schnell Massenspektren √ľber einen gro√üen m/q-Bereich aufgenommen werden k√∂nnen. Dieses Verfahren erlaubt eine genaue Auftrennung und Detektion verschiedener Verbindungsklassen aus komplexen Matrices (z. B. Erd√∂lproben). Daf√ľr werden zwei GC-S√§ulen mit unterschiedlicher Polarit√§t hintereinander geschaltet.

Auswertung der Massenspektren

Voraussetzung f√ľr die Bestimmung der Masse m ist die Kenntnis der Ladung q des Ions, denn die Analysatoren k√∂nnen die Ionen nur nach dem Verh√§ltnis m/q trennen. q ist jedoch immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e: q = z¬∑e, und meistens ist z = +1 (einfach positiv geladen). Als Einheit von m/q wurde das Thomson Th vorgeschlagen: [m/q] = Th.

Zu beachten ist, dass es sich bei Massenspektren um Histogramme handelt, nicht um stetige Kurven.

Zun√§chst muss die Masse des Analyten bestimmt werden. Normalerweise ist das die Masse des schwersten detektierten Ions (Molek√ľlpeak oder Molek√ľlion). Allerdings ist bei der Elektronen-Ionisation oft ein Gro√üteil der Molek√ľle gespalten. Testweise kann die Elektronenenergie verringert werden, so dass weniger Molek√ľle gespalten werden und der Molek√ľlpeak deutlicher sichtbar wird.

Die weitere Auswertung basiert darauf, dass die Atome der verschiedenen chemischen Elemente einen unterschiedlichen Massendefekt haben. Daher kann aus einer sehr exakt bestimmten Masse eine Liste m√∂glicher Summenformeln angegeben werden. Bei leichten Molek√ľlen gibt es nur eine oder wenige passende Elementarzusammensetzungen. Mit steigender Masse oder zunehmender Anzahl an Heteroatomen steigt auch die Anzahl m√∂glicher Kombinationen stark an.

Bei schwereren Molek√ľlen stehen deshalb sehr viele m√∂gliche Summenformeln zur Auswahl. Weitere Hinweise liefern die Isotopenzusammensetzungen der verschiedenen Elemente. So besteht der Kohlenstoff zum Beispiel zu 98,9 % aus 12C und zu 1,1 % aus 13C. Je nachdem, wie viele C-Atome im Molek√ľl vorhanden sind, sind neben dem Hauptsignal im Spektrum Nebensignale zu finden, die vom Hauptpeak um 1 Th, 2 Th etc. entfernt sind und ein charakteristisches Intensit√§tsverh√§ltnis zum Hauptsignal haben. Halogene wie Chlor und Brom haben ebenfalls charakteristische Isotopenverh√§ltnisse, die zur Identifizierung benutzt werden k√∂nnen.

Die genannten Methoden sind auch auf die Bruchst√ľcke anwendbar. Molek√ľle brechen oft an charakteristischen Stellen. Aus der Masse der Bruchst√ľcke und evtl. weiteren Informationen kann schlie√ülich die Strukturformel bestimmt werden.

Beispiel eines Massenspektrums: Tetrachlordibenzofuran EI-positiv ionisiert

Dabei helfen vor allem bei mit positiver EI-Ionisierung erstellten Massenspektren auch Massenspektrenbibliotheken. Die bekanntesten sind unter den K√ľrzeln ihrer Vertreiber die Wiley- und die NIST-Massenspektrenbibliotheken. Durch den Peak Counting Score kann eine Identifizierung erfolgen.

Die Quantifizierung von Verbindungen wird bei der Massenspektrometrie dadurch erleichtert, dass bei der Analytik isotopenmarkierte (13C-markierte oder deuterierte) interne Standards verwendet werden können.

Ein Problem bei der Datenauswertung stellen die propriet√§ren Datenformate der einzelnen Ger√§tehersteller dar [17]. Die Daten werden in eigenen Bin√§rdatenformaten vorgehalten. Meist werden vom jeweiligen Hersteller in die eigene Steuerungs- und Managementsoftware integrierte Auswertungsprogramme mitgeliefert. Um Programme von Dritten zu benutzen, bedarf es oft der Datenkonvertierung zum Datenexport, f√ľr die es im Bereich der Forschung frei erh√§ltliche L√∂sungen gibt. [18]

Anwendungen

Die Massenspektrometrie dient in der Analytik bzw. der analytischen Chemie als Analyseverfahren zur Bestimmung chemischer Elemente oder Verbindungen. In dieser Form werden Massenspektrometer in vielen Bereichen der Naturwissenschaften und der Technik f√ľr die Analyse von Materialien eingesetzt, unter anderem in der Chemie, Biologie, Arch√§ologie und Klimatologie.

Auch in der Teilchenphysik werden Massenspektrometer verwendet. In diesem Bereich ist das Ziel jedoch weniger die Analyse von chemischen Elementen, sondern die Ermittlung der Massen von Elementarteilchen oder Atomkernen sowie der Detektion von noch unbekannten Teilchen.

Chemie

F√ľr einen Analyten (die zu testende Substanz) wird die H√§ufigkeit, mit der geladene Molek√ľle (Ionen) und deren Massenfragmente auftreten, bestimmt. Die Massenspektrometrie ist eine wichtige Methode der analytischen Chemie bei der Aufkl√§rung der Struktur und Zusammensetzung von Verbindungen und Gemischen. Der qualitative (Erkennung von unbekannten Substanzen) und quantitative (wie viel Substanz einer Verbindung ist vorhanden) Nachweis sehr kleiner Substanzmengen (ca. > 10‚ąí15 g = 1 fg (Femtogramm)) ist m√∂glich.

Archäologie

Isotopenverh√§ltnisse einiger Elemente erlauben R√ľckschl√ľsse auf die Ern√§hrung der Menschen, deren Knochen untersucht werden. Siehe auch Isotopenuntersuchung. Das Isotopenverh√§ltnis von Kohlenstoff 14C zu 12C im organischen Material von arch√§ologischen Funden erlaubt es, die Zeit seit der pflanzlichen Bildung der vermessenen Substanz zu ermitteln. Zur Messung von 14C wird die Beschleuniger-Massenspektrometrie herangezogen.

Biologie

Massenspektrometrie wird in der Proteomik und Metabolomik verwendet, wo die Verwendung weitgehend jener in der Chemie entspricht. Biologische Proben, insbesondere Proteine, verlangen jedoch aufgrund der Molek√ľlgr√∂√üe und der speziellen Fragestellung (Identit√§t, Sequenz, chemische Modifikation) bei der Aufkl√§rung von systemischen Zusammenh√§ngen eine besondere Probenvorbereitung und Messmethodik.

Klimatologie

Das Verh√§ltnis der H√§ufigkeit bestimmter Isotope in Proben von Sedimenten und Eisbohrkernen l√§sst R√ľckschl√ľsse auf das Klima der Vergangenheit zu. Zum Beispiel verdampft Wasser, das das Isotop 16O enth√§lt, leichter als solches, das das Isotop 18O enth√§lt. Eiszeiten, bei denen gro√üe Mengen des Wassers als Eisschild dem Wasserkreislauf entzogen werden, verschieben die H√§ufigkeit dieser Isotope im Meer und damit auch im neu fallenden Schnee. Aus der Sauerstoff-Isotopenstufe kann auf die Menge des Inlandeises zu der Zeit geschlossen werden, als die Probe gebildet wurde.

Technik

Die Massenspektroskopie wird auch in vielen technischen Bereichen genutzt. Sie kann beispielsweise bei der Endpunkterkennung von √Ątzprozessen eingesetzt werden. Ein anderer Anwendungsbereich ist die Einstellung und Optimierung der Gaszufuhr bei Beschichtungsprozessen (genauer chemische Gasphasenabscheidung). Hierbei wird das Abgas nach der Reaktion hinsichtlich unverbrauchter Reaktionsgase untersucht und die Gaszufuhr entsprechend angepasst. Die Massenspektroskopie kann aber auch zur Analyse der abgeschiedenen Materialien eingesetzt werden. Dabei k√∂nnen mithilfe von SIMS auch Tiefenprofile erstellt werden, was unter anderem bei der Analyse von d√ľnnen Schichten eingesetzt wird.

Literatur

Allgemein

  • Herbert Budzikiewicz, Mathias Sch√§fer: Massenspektrometrie ‚Äď Eine Einf√ľhrung. Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 978-3-527-30822-4.
  • Hans-Joachim H√ľbschmann: Handbook of GC/MS, Fundamentals and Applications. 2. rev. Ed. Wiley-VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31427-0.
  • Fred W. McLafferty und Frantisek Turecek (Deutsche √úbersetzung): Interpretation von Massenspektren, 4. Ed., Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 1995, ISBN 0-935702-25-3.
  • A. M. Boehm et al.: Command Line Tool for Calculating Theoretical MS Spectra for Given Sequences. Bioinformatics, 2004. 20(16): 2889-2891; doi:10.1093/bioinformatics/bth328.
  • Alexander M. Lawson (Editor): Mass Spectrometry - Clinical Biochemistry - Principles/Methods/Applications. Walter de Gruyter & Co., Berlin/New York 1989, ISBN 3-11-007751-5.

Spektrensammlungen

Spektrensammlungen liegen sowohl in gedruckten Werken als auch in ger√§tekompatiblen Dateiformaten vor. Letztere werden heute meist bereits mit den Ger√§ten angeboten und f√ľr die komfortable Auswertung von unbekannten Massenspektren eingesetzt.

  • M. Spiteller, G. Spiteller: Massenspektrensammlung von L√∂sungsmitteln, Verunreinigungen, S√§ulenbelegmaterialien und einfachen aliphatischen Verbindungen, Springer Verlag Wien, New York (1973), ISBN 3-211-81117-6
  • A. Cornu, R. Massot: Compilation of Mass Spectral Data, Index de Spectres de Masse, Vol. 1 & Vol. 2, 2. Ed., Heyden & Son Ltd. London, Philadelphia, Rheine, (1979) ISBN 0-85501-086-X
  • K. Pfleger, H. Maurer, A. Weber: Mass Spectral and GC Data of Drugs, Poisons and Their Metabolites, Part I & II, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim (1985), ISBN 3-527-26303-9
  • NIST Standard Reference Database 1A, NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library with Search Program: (Data Version: NIST 08, Software Version 2.0f) NIST-Spektrensammlung, auch unter Einschluss von Designerdrogen verf√ľgbar.

Quellen

  • W. Barger: Schulungsunterlagen zum ICP-MS Kurs 2006. LAS PerkinElmer (Germany) GmbH, Rodgau, unver√∂ffentlicht.
  • R. S. Houk, V. A. Fassel, G. D. Flesch, A. L. Gray, E. Taylor: Inductively Coupled Argon Plasma for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements. In: Analytical Chemistry. 1980, 52, S. 2283.
  • D. Skoog, J. Leary: Instrumentelle Analytik. Grundlagen, Ger√§te, Anwendung. Berlin 1996. (dt. √úbersetzung der 4. Auflage von Principles of Instrumental Analysis, Orlando 1992).
  • S. M. Nelms: ICP Mass Spectrometry Handbook. Oxford 2005.
  • H. E. Taylor: Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. San Diego 2001.
  • R. Thomas: Practica Guide to ICP-MS. New York, 2004.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Eintrag: mass spectroscopy. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the ‚ÄúGold Book‚ÄĚ). doi:10.1351/goldbook.M03748 (Version: 2.2).
  2. ‚ÜĎ Eintrag: mass spectrometry. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the ‚ÄúGold Book‚ÄĚ). doi:10.1351/goldbook.M03746 (Version: 2.2).
  3. ‚ÜĎ William Prout: On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. In: Annals of Philosophy. 6, 1816, S. 321‚Äď330 (Online).
  4. ‚ÜĎ William Prout: Correction of a mistake in the essay on the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. In: Annals of Philosophy. 7, 1816, S. 111‚Äď113 (Online).
  5. ‚ÜĎ E. Goldstein: Canalstrahlen. In: Sitzungsbericht der Preussischen Akademie der Wissenschaften. Band 691, 1886, S. 691‚Äď699.
  6. ‚ÜĎ E. R√ľckardt: Zur Erinnerung an Wilhelm Wien bei der 25. Wiederkehr seines Todestages. In: Die Naturwissenschaften. 42. Jahrgang, Heft 3, 1955, S. 57‚Äď62 doi:10.1007/BF00589524.
  7. ‚ÜĎ E. R√ľckhardt: Zur Entdeckung der Kanalstrahlen vor f√ľnfzig Jahren. In: Die Naturwissenschaften. 24. Jahrgang, Heft 30, 1936, S. 465‚Äď467, doi:10.1007/BF01473963.
  8. ‚ÜĎ J. J. Thomson: Cathode Rays. In: Philosophical Magazine. 44, 1897, S. 293, doi:10.1080/14786431003659214 (facsimile von Stephen Wright, Classical Scientific Papers, Physics, 1964).
  9. ‚ÜĎ J. J. Thomson: Rays of positive electricity. In: Proceeding of the Royal Society A. 89, 1913, S. 1‚Äď20 (Digitalisat auf JSTOR, wie exzerpiert in Henry A. Boorse, Lloyd Motz: The World of the Atom. Vol 1, 1966 PDF).
  10. ‚ÜĎ F. W. Aston: Kanalstrahlen und Atomphysik. In: Die Naturwissenschaften. 24. Jahrgang, Heft 30, 1936, S. 467‚Äď469, doi:10.1007/BF01473964.
  11. ‚ÜĎ Gohlke, R. S., Time-of-flight mass spectrometry and gas-liquid partition chromatography. Anal. Chem. 1959, 31, 535-41
  12. ‚ÜĎ Gohlke, R. S.; McLafferty, F. W., Early gas chromatography/mass spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993, 4, (5), 367-371.
  13. ‚ÜĎ M.B. Comisarow and A.G. Marshall, Chem. Phys. Lett. 25, 282 (1974)
  14. ‚ÜĎ Munson, M.S.B.; Field, F.H. J. Am. Chem. Soc. 1966, 88, 2621-2630. Chemical Ionization Mass Spectrometry. I. General Introduction.
  15. ‚ÜĎ Beckey H.D. Field ionization mass spectrometry. Research/Development, 1969, 20(11), 26
  16. ‚ÜĎ Teach/Me Instrumentelle Analytik. Abgerufen am 09. Dezember 2010.
  17. ‚ÜĎ A. M. Boehm et al.: Extractor for ESI Quadrupole TOF Tandem MS Data Enabled for High Throughput Batch Processing. In: BMC Bioinformatics. 5. Jahrgang, 162, 2004, doi:10.1186/1471-2105-5-162.
  18. ‚ÜĎ A. M. B√∂hm: Methoden zur effizienten Proteinidentifizierung anhand von Massenspektrometrie. Logos-Verlag, 2006

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