Massenspektrometrie

Massenspektrometrie

Prinzip: In der MS wird eine Substanz in einer Ionisierungskammer (unter hohem Vakuum) mit einem Ionisator gewisser Energie bombardiert und somit aufgespalten. Die Fragmente des Moleküls (Kationen oder radikale Kationen) werden in hohem Vakuum mit einem Magnetfeld beschleunigt und nach Ihrem Masse/Ladungs -Verhältnis (m/z) getrennt.

Dieses Verhältnis ist gleich der Molekularen Masse des Fragments. Die Ionen werden auf einer Photoplatte (Massenspektroskopie), oder als Ionenstrom -elektrisch registriert. (Massenspektrometrie) Die Einheit der Masse beträgt:

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Die MS ist eigentlich keine spektroskopische Methode, da keine Spektren aufgrund Elektromagnetischer Wechselwirkungen mit dem Analyten entstehen. Diese Wechselwirkungen dienen einzig und allein der Ionisation der Probenkomponenten !

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Verwendung:Praktisch hat die MS eine große Bedeutung auf vielen Gebieten und es gibt eine Menge an Methodenkombinationsmöglichkeiten.

Sie Dient vor allem

- der quantitativen und qualitativen Analyse komplex zusammengesetzter Proben.

(wegen dem hohen Nachweis- und Auflösungsvermögen der MS.)

- zur Aufklärung der Struktur organischer Moleküle einschließlich der Bestimmung der Molmasse.
- zur Isotopentrennung bzw. der Ermittlung derer Verhältnisse in der Probe.
- der Partikelanalyse (z.B. Lokalisierung und Identifizierung eines Ölfilms auf Metalloberflächen)

MS-Kombinationen wie GC/MS, HPLC/MS, Tandem MS, u.v.m lassen leistungsstarke Analysengeräte entstehen. Das Tripplestage Quadrupol -Geräte (3 Quadrupole in Serie) läßt interessante Experimente in der Spurenanalytik zu. Im Prinzip kann man alle Arten von Geräten mit der MS koppeln.

Aufbau:

- Pumpe
- Einlaßsystem
- Ionenquelle
- Trenn- bzw. Analysensystem
- Detektor
- Auswerteeinheit

Pumpe:Der MS Prozeß funktioniert nur unter hohem Vakuum, hauptsächlich um ein ungehindertes durchströmen der Molekülfragmente durch die Analysenröhre und eine somit reproduzierbare Massenanalyse zu gestatten.

Der Teilchenfreie Raum muß größer sein als die Entfernung zwischen der Ionisierungskammer und dem Detektor.

Die Vakuum Anforderungen sind nicht sehr hoch: 10-⁴ - 10-⁵ torr* sind charakteristisch.

Das Vakuum ist für den Betrieb des Detektors notwendig.

- Deswegen wird das Vakuum gleich als Isolator verwendet
- Es werden hohe Spannungen verwendet
- Das Betreiben des Detektors in Abwesenheit kann zu schwerwiegendem Sachschaden führen !
- Die meisten Instrumente verweigern den Betrieb wenn das Vakuum nicht hoch genug ist.

Das Vakuum wird durch die Kombination 2er Pumpen produziert.

Eine Rotorpumpe dient als Vorpumpe. Sie kann ein Vakuum von 10-² - 10-⁴ torr. produzieren.

Um ein Vakuum mit einen Bereich von 10-⁵ torr zu bekommen wird entweder eine Turbomolekular- oder eine Diffusionspumpe verwendet. Diese Pumpen verhalten sich eigentlich wie Kompressoren.

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* ) 1 torr 133,3226 Pa

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Vorteile:

- Zuverlässig
- Beinahe wartungsfrei
- Leise

Nachteile:

- braucht lang zum Warmlaufen (über Nacht)
- schlechtes Design kann zur Verunreinigung des Analysators führen

Einlaßsystem:Der Einlaß (µmol -Bereich) sollte ohne großen Vakuums- verlust erfolgen.

Indirekt: Die Probe wird gasförmig in das Spektrometer eingebracht, deswegen müssen feste und flüssige Proben bei Temperaturen bis 500°C verdampfbar sein. Dies geschieht in einem Vorratsbehälter, die gasförmige Probe wird mittels einer Effusionsdüse in die Ionenquelle gebracht.

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- Basiert auf der relativen Rate der Diffusion.
- kleine Moleküle diffundieren schneller, die meisten werden den MS-Einlaß verfehlen.
-größere Moleküle diffundieren langsam und können den Einlaß

Effusionsdüse:

Vorteile:

- Relativ einfache und kostengünstige Methode

Nachteile:

- Diffusionsrate ist massenabhängig.
- Sollte die Düse teilweise verstopft werden, bekommt man einen hervorragenden Trägergas Detektor.

Das erforderliche Vorvakuum soll ~10-⁴ Pa betragen.

Direkt: Für schlecht verdampfbare Verbindungen. Die Substanzen werden unter Verwendung einer Schubstange direkt in die Ionenquelle geschleust.

Hier reichen Mengen im Nanogramm -Bereich aus, da weniger Substanzverlust auftritt.

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Unter Kopplung mit einem Chromatographen:

Open split Schnittstelle (bei GC/MS)

Vorteile:

- Jede Gasquelle kann verwendet Werden.
- relativ billig, einfach zu bedienen.

Nachteile:

- Analyt verläßt Säule geteilt

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Split ändert sich mit Flußrate

Kapillaren Direkt Schnittstelle (GC/MS):

Vorteile:

- billige, einfache Vorrichtung
- kein Totvolumen
- keine Selektivität

Nachteile:

- limitiert Flußweite
- limitiert den ID der benutzten Säule
- ein Teil der Säule dient als Flußeinschränkung

(d.h. er ist ,verloren`)

Ionenquelle:Zur Ionisation der Probenmoleküle nutzt man Elektronen,

Ionen, Moleküle, Photonen sowie elektrische und/oder thermische Energie. Oft sind die Ionenquellen in die Einlaßsysteme integriert. Die Wahl der Ionenquelle hängt von der Probensubstanz und der gewünschten Information ab. ,Soft ionisation` -Methoden wie die Feld-desorption und die Elektrospray ionisation tendieren zu Massenspektren mit wenigen oder gar keinen Fragment-Ionen.

Gasphasen Ionisierung:

Elektronen Ionisierung (EI): Auch als ,Electron impact` Ionisation bekannt, ist sie die älteste und best beschriebene Ionisationsmethode.

Ein Elektronenstrahl passiert die Gas/Proben -Phase. Wenn nun ein e- mit einem neutralen Molekül zusammenprallt, kann es ein anderes Elektron herausschlagen und ein positiv geladenes Ion ist die Folge.

Dieser Prozeß kann in einem molekularen Ion (hat dieselbe Masse wie das Anfangsmolekül) oder in einem Fragment Ion enden.

Das Ionisationspotential ist die Elektronen Energie die benötigt wird um ein molekulares Ion zu produzieren. Das Scheinpotential eines gewissen Fragment Iones ist jene Energie die dieses Fragment Ion hervorbringen wird. Die meisten MS verwenden Elektronen mit 70eV. Setzt man die e- Energie herab, so wird die Fragmentierung reduziert aber es werden auch weniger Ionen gebildet.

Vorteile:

- einfach, verständlich
- kann praktisch für alle (leicht) flüchtigen Stoffe verwendet werden
- reproduzierbare Massenspektren
- Fragmentierung läßt auf Struktur zurückschließen
- Spektren können mit ,Fingerprint` (in Literatur) verglichen werden

Nachteile:

- Probe muß flüchtig und relativ stabil sein
- Molekulares Ion kann schwach oder gar nicht vorhanden sein

Massen Bereich:

- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.

Chemische Ionisierung (CI): Nutzt Ion- Molekül -Reaktionen um Ionen aus dem Analyten zu bilden. Der Ionisatzionsprozeß beginnt mit einem GasReagenten (z.B. CH4, i-Butan, NH 4) welches mittels EI ionisiert wird. Durch einen hohen Reagentgasdruck (bzw. eine lange Reaktionszeit) wird die Reaktion gestartet, auch manche Fragment Ionen reagieren mit Analyt Molekülen zu Analyt Ionen.

Beispiel: (R= Reagent, P= Probe, ·= Radikal)

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(natürlich gibt es noch andere Reaktionsmöglichkeiten)

Vorteile:

- gibt oft Molekül Gewichtsinfo durch Molekülähnliche Ionen wie z.B. [M+H]+ auch wenn die EI kein solches Ion bilden würde

- simple Massenspektren, Fragmentation reduziert im Vergleich mit EI

Nachteile:

- Probe muß flüchtig und stabil sein
- Geringere Fragmentation als bei EI, Fragmentmuster nicht besonders Informativ oder reproduzierbar genug für penible Analysen Massen Bereich:
- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.

Desorptionschemische Ionisation (DCI): Dies ist eine Variation der CI bei der der Analyt auf einem Filamentdraht plaziert wird welches rapide im CI Plasma erhitzt wird. Die direkte Exposition zu den CI Reagentionen, kombiniert mit hurtigem Erhitzen reduziert die Fragmentation. Manche Proben die thermisch nicht desorbiert werden ohne zu zerfallen, können Mittels Pyrolysen -DCI charakterisiert werden.

Vorteile:

- reduzierte thermische Zersetzung
- schnellere Analyse
- relativ einfaches Gerät

Nachteile:

- nicht sehr reproduzierbar
- schnelles Erhitzen erfordert schnelle Scangeschwindigkeiten
- versagt bei großen oder labilen Verbindungen

Massen Bereich:

- klein, Typisch weniger als 1,500 Da.

Negative-Ionen-chem. Ionisation (NCI): Nicht alle Verbindungen bilden negative Ionen, viele wichtige können dies jedoch unter den richtigen Bedingungen. Für solche Verbindungen ist die Negative Ionen MS viel effizienter, sensitiver und selektiver als die Positive Ionen MS. Negative Ionen können durch viele Prozesse gebildet werden. Die , Resonance elektron capture` -Methode bezieht sich auf das Einfangen eines Elektrons durch ein neutrales Molekül. Die e- -Energie ist gering und die spezifische Energie die zum Einfangen eines e- benötigt wird, ist abhängig von der Molekülstruktur des Analyten.

Das Anhängen eines e- ist ein endothermer Vorgang.

Manche -so entstandenen molekularen Anionen fassen diesen Energie-überschuß, andere können das e- verlieren oder zerfallen um Fragmentanionen zu hervorzubringen.

In der NIC verlangsamt ein Puffergas (meist wie bei der CI) die Elektronen bis sie die richtige Energie haben um eingefangen zu werden. Das Puffer- gas kann die energiereichen Atome stabilisieren und die Fragmentierung reduzieren. Eigentlich ist das ein physikalischer und kein chemischer Ionisationsvorgang.

Vorteile:

- effiziente Ionisierung, hohe Empfindlichkeit
- weniger Fragmentierung als bei pos. EI/CI
- höhere Selektivität bei gewissen biologisch oder umweltanalytisch wichtigen Verbindungen

Nachteile.

- nicht alle flüchtigen Verbindungen ergeben negative Ionen
- schlechte reproduzierbarkeit

Massen Bereich:

- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.

Feld Desorption und Ionisierung:

Diese Methoden basieren auf dem Tunneleffekt.

Ein e- durchtunnelt einen Emitter mit einem hohen el. Potential. Der Emitter ist eigentlich ein Filament auf dem feine kristalline Spitzen gezüchtet werden. Wenn eine hohe Spannung angelegt wird, existiert an diesen Spitzen ein hohes el. Feld welches dem e- erlaubt gewisse Barrieren zu durchtunneln. Es werden Kohlenstoff- und Silizium- Emitter verwendet. Si- Emitter sind robuster und halten größere Spannungen aus und sind überdies auch relativ billig. C- Emitter haben eine höhere Selektivität, nur sind sie leider etwas teurer.

FD und FI sind sanfte Methoden welche MSpektren mit geringen FragmentIonen Gehalt erzeugen.

Feld Desorption (FD): Die Probe wird auf den Emitter gebracht, dieser dann auf ein hohes Potential (einige kV) ausgerichtet und mit Anbringen einer Spannung erhitzt. Sobald der Emitterstrom langsam ansteigt und die Probe in die Gasphase überführt wird, werden die Analytmoleküle zunehmend von den tunnelnden e- ionisiert.

Die Probe wird direkt auf den Emitter gebracht. Das geschieht entweder indem man

- den Emitter direkt in die Lösung taucht
- das gelöste oder suspendierte Material direkt darauf gibt

Vorteile:

- einfache MSpektren
- wenig bis gar kein chemischer Hintergrund
- funktioniert gut mit kleinen organischen Molekülen, vielen Organo- metallen, LMW Polymeren und manchen petrochemischen Fraktionen

Nachteile:

- empfindlich zu Alkalimetall -Kontamination und Probenüberlastung
- Der Emitter ist relativ zerbrechlich
- relativ langsame Analyse, da der Stromfluß erst ansteigen muß die Probe sollte thermisch beständig sein um desorbiert werden zu können

Massen Bereich:

- klein bis mäßig. Probenabhängig. Typisch weniger als 2,000 - 3,000 Da
- es wurden aber schon Ionen mit M > 10,000 Da gemessen

Feld Ionisation (FI): Die Probe wird aus einer direkten Probenaufgabe verdampft (beheiztes Einspritzsystem wie bei GC bzw. gasförmige Probe). Wenn das Gas den Emitter passiert wird es durch die tunnelnden e- ionisiert. Vorteile:

- wie Feld Desorption

Nachteile:

- Probe muß thermisch beständig sein und wird wie bei der Elektronen Ionisation (EI) eingebracht

Massen Bereich:

- klein, typisch < 1,000 Da

Teilchen Beschu ß:

In diesen Methoden wird die Probe auf einem Target mit Atomen, Ionen oder neutralen Teilchen beschossen. Am häufigsten wird der Analyt in einer flüssigen Matrix mit geringer Beständigkeit gelöst und mit einem relativ hohen Teilchenstrom bombardiert. (FAB oder dynamische SIMS)

Andere Methoden verwenden einen relativ geringen Teilchenfluß und keine flüssige Matrix. (statische SIMS) Die letzteren Methoden werden aber eher zur Oberflächen-analyse verwendet. In diesem Prozeß gibt es 2 Teilchenstrahlen. Der primäre bombardiert und der sekundäre Ionen -Strahl besteht aus den resultierenden Ionen.

Fast Atom Bombardment (FAB): ein kleiner Teil ( ~1µl) des in einer Matrix aus Glycerin, Thioglycerin, m-Nitrobenzyl Alkohol oder Diethanolamin gelösten Analyten wird auf dem Target plaziert und mit einem schnellen Atomstrahl (z.B. 6keV Xe) beschossen. Diese Atome desorbieren Molekülähnliche Ionen und Fragmente aus dem Analyten. (Cluster -Ionen aus der Matrix werden ebenfalls desorbiert und ein kleines chemisches Hintergrundrauschen, abhängig von der Matrix ist die Folge)

Die Probe wird entweder direkt oder über LC/MS -Kopplung (frit FAB oder continuous-flow FAB) eingebracht.

Vorteile:

- schnell
- einfach
- Unterschiede in der Probennahme gegenüber relativ tolerant
- gut für eine große Vielfalt an Verbindungen
- starke Ionenströme => gut für hochaufgelöste Messungen

(FAB)

Nachteile:

- hohes chemisches Hintergrundrauschen legt Detektionslimit fest
- Unterscheidung zwischen niedermolekularen Vbdg. und Hintergrundrauschen oft schwierig
- Analyt sollte in Matrix löslich sein
- nicht besonders gut geeignet für Vbdg. mit mehr als 2 Ladungen

Massen Bereich:

- mäßig, typischerweise ~300 bis 6,000 Da

Sekundär Ionen MS (SIMS) -dynamisch!: Die SIMS ist der FAB beinahe ident. Nur ist hier der primäre Strahl ein Ionenstrahl (meist Cs Ionen). Die Ionen können Fokussiert und auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Daraus ergibt sich eine höhere Massenempfindlichkeit.

Ansonsten ist sie wie die FAB.

Die Verwendung von SIMS für Proteine und Peptide mit mittlerer Größe (3,000 - 3,000 Da) wurde größtenteils durch Elektrospray Ionisation verdrängt.

Vorteile:

- wie FAB, nur wird die Empfindlichkeit verbessert (Massen von 3,000 - 13,000 Da)

Nachteile:

- wie FAB
- Target kann sich erhitzen da energetischerer Primärstrahl
- hochspannungs Bögen häufiger als bei FAB
- generell öftere Instandhaltung der Ionenquelle als bei FAB

Massen Bereich:

- mäßig, charakteristisch sind Massen von 300 bis 13,000 Da

Spray Methoden:

Hier wird eine Lösung des Analyten bei Atmosphärendruck in eine Schnittstelle zum Vakuum der MS Ionenquelle. Eine Kombination von thermischen und pneumatischen Vorgängen dient der Desolvatation der Ionen wenn sie die Ionenquelle betreten.

Lösungs- Flußraten können von <1µl bis einige Millimeter variieren. Diese Methoden eignen sich gut für LC/MS -Kopplungen.

Elektrospray Ionisation (ESI): Die Probelösung wird über eine hohe Potentialdifferenz (einige kV) aus einer Nadel eingebracht. Hitze Gasströme desolvatisieren die Probenionen.

ESI kann vielgeladene Ionen hervorbringen, wobei die Ladungsanzahl mit der Masse steigt. Die Ladungsanzahl einer gegebenen Ionenart muß nach folgenden Methoden bestimmt werden:

- Vergleich zweier Ladungszustände welche sich um eine Ladung unterscheiden (und Berechnung dieser in Simultangleichungen)
- Arten der selben Ladung aber unterschiedlicher Adduktionsmasse vergleichen
- Masse/Ladungs- Verhältnis für gelöste Isotopen -Cluster

Die Probe wird über Flußinjektion oder LC/MS eingebracht.

Vorteile:

- geeignet für geladene, polare oder einfache Verbindungen
- erlaubt Detektion Verbindungen großer Masse mit Masse-Ladungs Verhältnissen die einfach von vielen MS bestimmt werden können (m/z typischerweise < 2,000 - 3,000)
- Die beste Methode zur Analyse von Multiladungsverbindungen
- geringes chemisches Hintergrundrauschen => exzellente Detektionslimits
- Gegenwart oder Abwesenheit von Fragmentation mit Schnitstellenlinsenpotential steuerbar
- Kompatibel mit MS/MS -Methoden

Nachteile:

- Multiladungsarten müssen mathematisch interpretiert werden
- komplementär zur APCI. Ungeeignet für ungeladene wenigpolare Vbdg. (z.B. Steroide)
- hochempfindlich zu Verunreinigungen (z.B. Alkalimetalle)
- relativ kleine Ionenströme
- benötigt relativ komplexe Hardware im Vergleich zu anderen Ionenquellen

Massen Bereich:

- Niedrig bis Hoch. Typ. < 200,000 Da

Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI): Diese Schnittstelle ist der ESI komplementär. Hier ionisiert eine Corona-Entladung den Analyten in der Atmosphärendruckregion. Gasphasen-Ionisation ist gegenüber der ESI effektiver bei wenigpolaren Arten.

Vorteile:

- geeignet für wenigpolare Verbindungen
- exzellente LC/MS -Schnittstelle
- kompatibel mit MS/MS Methoden

Nachteile:

- Komplementär zur ESI

Massen Bereich:

- Niedrig bis Mittel. Typ. < 2,000 Da

Laser Desorption:

Diese Methoden verwenden einen Puls-Laser um Arten von einer Targetoberfläche zu desorbieren. Deswegen muß man Detektoren wie den TOF (Time-of-flight) oder den FTICR (Fourier transform ion cyclotrone resonance) welcher mit gepulsten Ionisationsmethoden kompatibel ist. Magnetsektor MS die mit einem Massenarray ausgerüstet sind können für die Detektion von Ionen aus MALDI verwendet werden.

Die direkte Laser Desorption verläßt sich auf rapides Erhitzen der Probe um Moleküle so schnell wie möglich zu verdampfen, daß sie keine Möglichkeit haben zu zerfallen. Das ist gut für klein- bis mittel-molekulargewichts Vbdg. und Oberflächen-analysen. Die erst kürzlich entwickelte Technik der Matrix - assistierten Laser Desorptions Ionisation (MALDI) verläßt sich auf die Absorption von Laserenergie von einer Matrixverbindung. MALDI ist eine populäre Methode zur schnellen Bestimmung von Hoch-Molekulargewichts Verbindungen.

Matrix Assistierte Laser Desorptions Ionisation (MALDI):

Der Analyt liegt in einer Lösung mit einem Überschuß an einer Matrix (wie Sinapinsäure oder Dihydroxybenzoesäure) welche ein Chromophor enthält, daß die Wellenlänge des Lasers absorbiert. Ein kleiner Anteil dieser Lsg. wird auf dem Lasertarget plaziert. Wenn nun die Matrix die Laserenergie absorbiert, vaporisiert und ionisiert das entstehende Plasma den Analyten.

Die Probe kann direkt oder über kontinuierlichen Fluß iniziert werden.

Vorteile:

- schnelle und praktische Molekularmassen Bestimmung

Nachteile:

- schwierig für MS/MS -Systeme
- benötigt einen Pulsionisations -kompatiblen Detektor
- nicht sehr kompatibel mit LC/MS -Systemen

Massen Bereich:

- sehr hoch. Typischerweise < 500,000 Da

Trennsystem/Analysensystem:Das Trennsystem (bzw. der Massenanalysator) Trennt die Ionen nach Ihrem Masse/Ladungs- Verhältnis.

Als Ziel gilt außerdem eine möglichst hohe Auflösung (Unterscheidung möglichst minimaler Massen) bei gleichzeitig hinreichend durchgelassener Ionenmenge (erleichterte Detektion).

Dazu wurden eine Vielfalt an Geräten entwickelt.

Magnetsektorfeldgerät:

Eine geringe Konz. Der Probenmoleküle werden in die Ionisierungskammer geströmt (hohes Vakuum) wo sie mit einem Elektronen -Strahl bombardiert werden. Die Ionen werden mit einer geladenen Anordnung in die Analysenröhre beschleunigt (mit einem elektrischen Feld von 800 bis 8000 Volt) wobei ihr Weg mittels eines Magnetfeldes eine Kurve beschreibt.

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(kann mit 60°, 90° oder 180° gewinkelt sein)

- Ionen mit kleiner Masse (=> kleinem Momentum) werden am meisten abgelenkt und kollidieren gleich mit der Röhrenwand.
- Ionen mit hohem Momentum können nicht so leicht vom Weg abgebracht werden und erleiden das gleiche Schicksal.
- Ionen mit dem richtigen Masse/Ladungs -Verhältnis hingegen können auf

Kurs gehalten werden, passieren den Spalt und kollidieren mit dem Kollektor. Ein elektrischer Strom ist die Folge, welcher verstärkt und gemessen werden kann.

Somit können Massenspektren durch Variation der Magnetfeldstärke H, der Beschleunigungsspannung U und des Ablankungsradiuses r aufgenommen werden.

(Für gewöhnlich variiert nur eine Größe, aus Konstruktionsgründen sind meist r und U vorgegeben)

Ein Magnetfeld Sektor alleine trennt Ionen nach ihrem Masse/Ladungs -Verhältnis. Darunter kann aber die Auflösung leiden, denn jene Ionen welche die Ionenquelle verlassen, haben nicht alle denselben Energieinhalt und somit eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Das läuft analog zur Optischen Farbverschiebung. Um Abhilfe zu schaffen hängt man einen elektrischen Sektor an der die Ionen auch nach ihrer kinetischen Energie zu fokussieren.

Diese Geräte nennt man:

Doppelt fokussierende Massenspektrometer: Hier werden die Fragment-Ionen erst durch ein elektrisches, dann durch ein magnetisches Sektorfeld fokussiert. Im ersten Feld wird gemäß der unterschiedlichen kinetischen Energie fokussiert. Davon abweichende Ionen werden am Ausgangsspalt des Analysators ausgeblendet.

Dadurch können nur noch jene Ionen den Magnetfeldsektor erreichen, deren kinetische Energie innerhalb eines gewissen (gewünschten) Bereichs liegt.

Vorteile:

- sehr hohe Reproduzierbarkeit
- Beste quantitative Leistung unter allen MS
- hohe Auflösung
- hohe Empfindlichkeit
- hoher dynamischer Bereich

Nachteile

- nicht besonders gut geeignet für Pulsionisationsmethoden (wie etwa MALDI)
- meist voluminöser und teurer als andere Massenanalysatoren

Quadrupol - Massenspektrometer:

Man könnte das Quadrupol - MS als ,Massenfilter` bezeichnen.

Es besteht aus 4 parallel zueinander angeordneten Stabelektroden welche so eingestellt werden können, daß nur Ionen mit einem bestimmten Masse/Ladungs -Verhältnis passieren können.

An jedem sich gegenüberliegenden Paar wird eine Gleichspannung [U] angelegt, die von einer hochfrequenten Wechselspannung [V*cos_t] überlagert wird. Der Ionenstrahl im Inneren des Systems wird nun von dem Hochfrequenzfeld - massenabhängig - zum Schwingen angeregt. Nur die Schwingungsamplitude von Ionen bestimmter Masse ist klein genug, damit diese auch in den Auffänger gelangen. Alle weiteren Ionen kollidieren mit den Stäben und werden somit eliminiert. Werden die Werte für Wechsel- bzw. Gleichspannung geändert, kann das

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gesamte Massenspektrum durchfahren werden.

Vorteile:

- gute Reproduzierbarkeit
- relativ kleine und billige Geräte
- Arbeitsdrücke von bis zu 10-² Pa möglich

Nachteile:

- limitierte Auflösung
- Peakhöhen/Masse müssen getunt werden
- nicht besonders gut für Pulsionisationsmethoden geeignet

Flugzeitmassenspektrometer (TOF -Time Of Flight):

Linear: Ein TOF mißt die massenabhängige Zeit die Ionen brauchen um sich von er Ionenquelle zum Detektor zu bewegen. Dazu muß die Startzeit (wenn die Ionen die Ionenquelle verlassen) definiert sein. Am häufigsten werden entweder schnelle Ionisierungstechniken wie Pulsionisation (meist MALDI), oder verschiedene Arten von rasch schaltenden elektrischen Feldern (als eine Art Tor welches die Ionen von der Quelle geschwind entläßt) verwendet.

Reflectron: Ionen die eine Ionenquelle eines TOFs verlassen haben weder die selbe Startzeit noch die selben kinetischen Energien (analog der optischen Farbverschiebung!). Um diese Unterschiede zu kompensieren wurden viele verschiedene TOF MS entwickelt.

Ein Reflectron ist eine ionenoptische Einrichtung die analog dem photo- optischen Spiegel ist. Von Ihr prallen Ionen ab und ihre Flugrichtung wird umgekehrt. Ein Linearfeld Reflectron erlaubt Ionen höherer Energie es tiefer zu penetrieren als Ionen mit kleinerer Ekin. Deswegen brauchen energetisch höhere Ionen länger um zum Detektor zu gelangen. Dies führt zu einer höheren Auflösung.

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Reflectrons mit einem gekurvten Feld tragen dazu bei, daß die Detektorposition sich nicht mit dem Masse/Ladungs -Verhältnis verschiebt. Auch dies wirkt sich in einer gesteigerten Auflösung aus.

Vorteile:

- schnellstes Massenspektrometer
- geeignet für Pulsionisierungsmethoden
- unbegrenzter Massenbereich
- hohe Nachweisempfindlchkeit (es werden keine Spalte benötigt alle Ionen werden detektiert)

Nachteile:

- Pulsionisierung oder Ionenstrahlschaltung von Nöten
- Schnelle Digitalisierer können im TOF zu limitierter dynamischer Reichweite führen

Fourier Transform - Massenspektrometer (FT - MS):

Die FT - Massenspektroskopie beruht auf der Ionen Cyclotron Resonanz (ICR). Ionen die mittels e- -Ionisation, Pulsionisation, ESI oder irgend eine andere Weise produziert wurden werden in einer ICR Zelle aufbewahrt welche sich in einer homogenen Zone eines großen Magneten befindet.

Die Ionen in dem Feld werden angeregt zyklisch zu oszillieren (A).

Wenn nun die oszillierenden Ionen einem oszillierendem elektrischen Feld ausgesetzt werden (Wechselspannung) welches die selbe Frequenz besitzt, werden die Ionen in einen größeren Radius hinaus beschleunigt. Ionen mit einer anderen Cyclotronfrequenz werden hingegen nicht beschleunigt (B).

Ohne Kollisionen kreisen die Ionen weiter in einem großen Orbit bei gleicher Geschwindigkeit(C).

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FT- MS messen die Spannung die von der Bewegung der Ionen in der ICR

Zelle induziert wird. (siehe Bild)

Wenn die Ionen (_ im Bild) sich von der Elektrode 1 entfernen und sich der Elektrode 2 nähern, läßt das elektrische Feld der positiven Ionen Elektronen im externen Schaltkreis durch den Widerstand R fließen und sich in Elektrode 2 sammeln. Auf der anderen Seite des Cyclotronorbits verlassen die e- die Elektrode 2 und sammeln sich in der Elektrode 1 wenn sich die Ionen nähern.

Der Elektronenfluß im externen Schaltkreis ist ein Wechselstrom welcher der Cyclotronfrequenz der Ionen entspricht, wobei die Amplitude proportional zur Anzahl der Ionen steht.

Der Elektronenfluß läßt im Widerstand eine kleine AC Strömung entstehen welche verstärkt und gemessen werden kann.

Es ist also möglich Ionen zu detektieren ohne daß sie mit einer Elektrode kollidieren. Ionenmischungen verschiedener m/z -Verhältnisse werden alle simultan beschleunigt und das gemessene Signal ist eine Mischung aus allen Signalen der Ionen und ihren m/ repräsentierende Frequenzen.

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Der Druck in einem FT - MS sollte nicht größer als 10-⁸ mbar (ultrahohes Vakuum) betragen um Interferenzen von Fremdionen oder -Molekülen zu vermeiden und es wird noch immer an einer Lösung dieses Problems gearbeitet.

Vorteile:

- hiermit wurde die bis jetzt höchste Massenauflösung aufgezeichnet
- gut geeignet für Pulsionisationsmethoden wie MALDI
- Ionen werden nicht zerstört und können nochmals gemessen werden
- Stabile Massenkalibrierung möglich (mit Supraleitenden Magneten)
- maßgebende Eignung für Ionenchemie und MS/MS Experimente
- schnelle Analysen möglich (z.B. Explosionen)

Nachteile:

-
- limitierte dynamische Reichweite
- strenge

Tiefdrucksvoraussetzungen

- viele Parameter (Anregung, Trapping, Detektionsbedingungen) beeinträchtigen die Experimentsequenz welche die Qualität des Massenspektrums bestimmt

-

Quadrupol Ionenfallen:

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Ionen werden dynamisch in einem dreidimensionalen Quadrupol Behälter aufbewahrt, dessen RF und DC Potentiale abgetastet werden können um sukzessive m/z -Verhältnisse in den Ionenfallendetektor zu emittieren.

Die Ionen werden in der Falle erzeugt oder werden von außen injiziert. Sie werden dynamisch von der RF -Spannung (oder von einem ,Gasbad`) festgehalten und können analog zur ICR mit RF -Spannungsereignissen dahingehend manipuliert werden um Ioneninjektion, Ionen-anregung und massenselektive Emittierung zu tätigen. Damit können gleich mehrere MS in Serie geschaltet operiert werden. Die interionische Ladungsabstoßung schränkt die dynamische Reichweite der Ionenfalle extrem ein. Deswegen wird erst ein Vorscan durchgeführt um den Ionenstrom zu ermitteln. Dann wird der e- -Ionisationsstrom reguliert um die Ionenanzahl im Arbeitsbereich zu verringern (,Auto-Ranging`). Ionen in der Falle können mit neutralen Molekülen reagieren.

,Self-CI` ist dir Reaktion von Analytionen mit Analytneutralen in der Falle. Dies kann konzentrationsabhängige Veränderungen im Massenspektrum hervorrufen die vermindert werden können indem man Ionen aus einer externen Quelle injiziert aber dies kann zu einer verminderten Empfindlichkeit führen.

Vorteile:

- hohe Empfindlichkeit
- mehrstufige MS Kopplungen
- kompakter Massenanalysator

Nachteile:

- Schlechte Quantitierung
- Sehr schlechte dynamische Reichweite (manchmal mittels Auto-Ranging kompensierbar)
- Kollisionsenergie in CID MS/MS nicht besonders gut definiert
- viele Parameter (Anregung, Trapping, Detektionsbedingungen) beeinträchtigen die Experimentsequenz welche die Qualität des Massenspektrums bestimmt

Detektoren:Anfangs wurden zur Umwandlung des Ionenstroms in ein meßbares Signal Fotoplatten eingesetzt. Heute werden SEV und FaradayDetektoren eingesetzt.

Faraday-Detektor:

Die Ladung der Ionen wird (ähnlich dem Detektor bei der FT-MS im ICR) über einen hochohmigen Widerstand von 10⁹ - 10¹¹ _ abgeleitet. Der Spannungsabfall ist ein Maß für die Intensität der Ionen.

Vorteile:

- reproduzierbar

Nachteile:

- geringe Empfindlichkeit
- sehr hohe Zeitkonstante für Registrierung (GC/MS -Kopplungen außer Frage)

Interpretation von Massenspektren:

Arten der Angabe von Massenspektren:

- Tabellen: Die Intensität [%] wird auf den intensivsten Peak angegeben.
- Strichspektren: Das (m/z) -Verhältnis wird direkt proportional zur

relativen Häufigkeit der (Fragment-) Ionen angegeben.

Aus solchen Spektren läßt sich leicht auf den Molekültyp der Probe schließen. Nehmen wir beispielsweise das Massenspektrum von Wasser:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Einige e- sind zu schnell und zerstören die Moleküle · Fragment-Ionen!) Nur gewisse Elementkombinationen besitzen diese Massen. [NH4]+

-Ionen beispielsweise besitzen ebenfalls ~die Masse 18 aber ihre Fragmente ( [N]+ und [NH]+) hätten Peaks bei 14 und 15.

Einige Molekül-Ionen und ihre Stabilität:

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A lkohole: Sie verlieren ein Proton und ein Hydroxy Radikal. Außerdem neigen sie dazu eine der _-Alkylgruppen zu verlieren und Oxonium Ionen zu bilden. Primäre Alkohole erzeugen so einen Peak bei (m/z) = 31,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

sekundäre bei (m/z) = 45, 59, 73, etc.

Alkane: - Fragmentieren indem ein CH 3 Radikal abgespalten wird (m-15)

Das Karbokation wird nun quer durch die Alkylkette gespalten und setzt neutrales

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Ethen frei. Verzweigte Alkane sind stabiler und dominieren das Spektrum.

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Halogenide: Diese Moleküle fragmentieren indem die Halogene ausgestoßen werden. Cl und Br weisen mehrere Peaks auf, da

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ihre 2 Isotope relativ häufig sind. (³⁵ Cl/³⁷ Cl = 3,08:1 bzw.⁷⁹ Br/⁸¹ Br _ 1,02:1)

Säuren, E ster, A mide: Größtenteils wird die ,X` -Gruppe abgespalten und ein Oxonium Ion wird gebildet. Charakteristische Peaks für Karbonsäuren

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und unsubstituierte Amide liegen bei (m/z) = 45 und 44.

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Ether: Wie Alkohole fragmentieren Ether indem ein Alkyl Radikal abgespalten wird und sich ein substituiertes Oxonium Ion bildet. A ldehyde und K etone: Hier werden vorwiegend Seitenketten abgespalten

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Um Oxonium Ionen zu bilden. Diese Bruchstücke sind sehr stabil und deswegen ist dieser Peak der Basispeak. Das Methylderivat CH3CO+ wird

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als Acyl Ion` bezeichnet. Bei Carbonyl- (und auch Nitril-, etc.) Verbindungen wird oft auch das

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Ausscheiden von neutralem Ethen beobachtet werden.

Mc Lafferty Umlagerung

A romatische K ohlenwasserstoffe: Deren Fragmentation läuft

Einigermaßen komplex ab, was die Reihen der Peaks (m/z) = 77, 65, 63, etc. - erklärt. Mit genügend Erfahrung läßt sich diese ,aromatische Gruppe` leicht erkennen. Wenn der Aromat über einen Benzolring verfügt, so erzeugt die

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Hauptteilung ein Benzyl Karbokation welches sich zu einem Tropylium Ion umlagert und ein Acetylen Molekül (m/z) = 65 abspaltet.

Quellen:

http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/ http://www.jeol.com/

http://www.mpi-muelheim.mpg.de/stoecki/mass_basic.html

http://technology.nasa.gov

http://ionspec.com/

http://infoseek.go.com

http://www.ims.uconn.edu/~lavigne/gcmslab.html

Anmerkung:

Der Korrektheit wegen: Viele Begriffe mußten erst aus dem Englischen übersetzt werden. Somit kann ich leider nicht für ihre Richtigkeit garantieren. Ich danke für Euer Verständnis!

Anhang

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