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Ein einfaches Massenspektrometer

Beispiel für MS-Spektren und MS/MSSpektren von a Amid

Massenspektrometer ist eine vielseitige Technik, die zur Identifizierung, Quantifizierung und Profilierung von Isotope, Moleküle und Molekülkomplexe in sehr geringen Mengen chemischer und biologischer Mischungen.

Spektrometrie in dem Wort Massenspektrometer bezieht sich auf keinen Teil der elektromagnetisches Spektrum, aber zum auf a Spektrum ähnlich wie die Ergebnisse in einem sogenannten Massenspektrum werden angezeigt. Dies ist daher eine Ausnahme von der Regel, dass a Spektrum bezieht sich auf eine Differenzierung zu Wellenlänge; bei einem Massenspektrum eine Differenzierung nach Masse gemacht.

In einem Massenspektrometer werden einzelne Moleküle des Stichprobe, je nach Ionisationstechnik, in der Gasphase oder der Flüssigphase ionisiert. In einem vereinfachten (Beispiel-)Modell des Massenspektrometers ist die resultierende Ionen beschleunigt in einem sehr genau angeordneten elektrisches Feld und dann komm in a Magnetfeld wo sie durch die gehen Lorentzkraft einem Rundweg folgen. Die Ionen werden anhand ihres Masse/Ladungs-Verhältnisses (m/z) räumlich getrennt, woraufhin die Detektion folgt. In einem Massenspektrum wird der Intensität gegen die m/z-Werte aufgetragen.

Die Masse wird in der Massenspektrometrie in . ausgedrückt atomare Masseneinheiten (u): Eine atomare Masseneinheit ist ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoffatoms, was ungefähr der Masse eines Atomkerns entspricht (Proton oder Neutron).

Probenvorbereitung

In einem Massenspektrometer ist ein hoherVakuum. Es gibt mehrere Verfahren zum Einführen der Probe in das Massenspektrometer.

Wenn ein Reinstoff analysiert werden soll, reicht es manchmal aus, einfach eine kleine Menge des Stoffes in die Ionisationskammer einzubringen, zum Beispiel durch Sublimation.

Wie ein Mischung zu analysieren, wird oft verwendet Chromatographie das Gemisch aufzutrennen und die Komponenten wiederum in das Massenspektrometer einzubringen. Man spricht von GC-MS wann Gaschromatographie verwendet wird, und von LC-MS wann Flüssigkeits-Chromatographie wird verwendet, um die Probe in Komponenten zu trennen. Man kann das Instrument in solchen Fällen auch von der anderen Seite beschreiben: Es ist die Verwendung eines Massenspektrometers als Detektor für ein chromatographisches Experiment.

Insbesondere bei der Verwendung von LC muss ein Großteil des Trägers verdampft werden, bevor das Abwasser in das Massenspektrometer gelangt, damit nur die Probe in reiner Form analysiert werden kann. Dies war in der Vergangenheit auch bei der GC der Fall, jedoch ist dies seit der Einführung sogenannter 'Kapillarsäulen' nicht mehr erforderlich, da diese Säulen einen viel geringeren Trägerfluss (ca. 1 ml/min) benötigen, der leicht vom Vakuumsystem verarbeitet. Die Trennung von Träger und zu messender Substanz erfolgt in der LC-MS über verschiedene sogenannte „Interfaces“, die zwischen LC und Massenspektrometer platziert werden. Beispiele für Schnittstellen sind „Moving Belt“ (heute eingestellt), Particle Beam (sporadisch verwendet) und „Atmospheric Pressure Ionization“, eine Sammelbezeichnung für „Electrospray“, „Ionspray“, „Atmospheric Pressure Ionization“ und „Atmospheric Pressure Photo Ionization“. . Die Atmosphärendruck-Ionisation ist heute die am weitesten verbreitete Ionisationstechnik für LC-MS

Manchmal werden auch andere Trenntechniken verwendet, wie z. B. bei CE-MS, wo von Kapillarelektrophorese.

Ionisation

Die älteste kommerziell erhältliche Methode zur Ionisierung der Probe besteht darin, die Probe in die Gasphase mit Elektronen bombardieren. Die Elektronen kommen von einem Heizfaden, der in einiger Entfernung von der gasförmigen Probe erhitzt wird. Die Elektronen werden auf ca. 70 . beschleunigt eV. Wenn sie mit dieser Geschwindigkeit mit einem Molekül der Probe kollidieren, wird ein positives Molekül Ion gebildet werden (M ^., das Plus bezeichnet die elektrische Ladung des Ions wieder, der Punkt ist die Tatsache, dass es sich um ein radikales Molekül Bedenken, bei denen ein reaktives ungepaartes Elektron ist anwesend).

Diese Technik funktioniert gut für einfache Proben, von denen ausreichend in der Gasphase gewonnen werden kann und die auch aufgrund der ionisierenden Kollision nicht sofort vollständig zerfallen. Andere ältere Ionisationsmethoden sind die chemische Ionisation, bei der die Probe mit einem positiven Ion reagiert, und FAB (Schneller Atombombardement oder Beschuss mit schnellen Atomen).

Da ca. 1980 Es wurde an alternativen Ionisationsmethoden gearbeitet, die weniger Anforderungen an die Probe stellen. Dies hat dazu geführt, dass Elektrospray Ionisation und die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation (kurz MALDIA). Für diese beiden Techniken, in 2002 das Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Diese Ionisationstechniken sind so Sanft dass selbst winzige Proben hochempfindlicher Protein kann in einem Massenspektrometer analysiert werden.

MALDI verwendet eine Matrix. Eine Matrix besteht aus den Kristallen einer chemischen Substanz, die die Energie eines Laserpulses absorbieren und die Analyten über einen noch nicht vollständig aufgeklärten Prozess ionisieren können.

Es gibt auch eine Reihe von Varianten von MALDI, bei denen keine Matrix verwendet wird, sondern a Kieselsäure Oberfläche.

Massentrennung

Die Trennung der Ionen nach Geschwindigkeit kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

• Der einfachste Weg, die Geschwindigkeit der Ionen zu bestimmen, besteht darin, die Zeit zu messen, die sie brauchen, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Dies wird als Time-Of-Flight-Massenspektrometrie bezeichnet. Diese Technik funktioniert am besten, wenn alle Ionen gleichzeitig erzeugt werden, wie bei MALDI. Alle gleichzeitig austretenden Ionen kommen zu unterschiedlichen Zeiten am Detektor an. Das Ausgangssignal des Detektors ist fast sofort ein gesamtes Massenspektrum. Die Kombination von MALDI-Ionisation mit TOF-Massentrennung führt zu der sehr beliebten MALDI-TOF-Technik. Heutzutage wird die Time-Of-Flight-Massenspektrometrie zunehmend in Kombination mit LC eingesetzt.
• Viele Massenspektrometer verwenden einen elektrostatischen Quadrupol: vier parallele Stäbe, an die eine Gleichspannung mit einer überlagerten hochfrequenten Wechselspannung angeschlossen ist. Nur Ionen mit einer genau bestimmten Geschwindigkeit können sich längs des Quadrupols bewegen, der Rest wird abgelenkt und trifft irgendwann auf einen der Stäbe. Ein Quadrupol-Instrument kann einen kontinuierlichen Ionenstrom verarbeiten, liefert jedoch zu jedem Zeitpunkt nur ein einziges Massensignal. Um ein Spektrum zu erstellen, werden viele Messungen hintereinander durchgeführt, bei denen die Frequenz der Wechselspannung am Quadrupol verändert und dadurch eine andere Masse gewählt und am Detektor gemessen. In der Praxis ist es jedoch einfacher, die Amplitude der Wechsel- und Gleichspannung zusammen mit dem gleichen Effekt zu verändern. Der Quadrupol wirkt somit als Massenfilter.
• Durch eine Magnetfeld quer zur Laufrichtung der Ionen werden die Ionen abgelenkt. Der Grad der Auslenkung hängt nur von der Masse/Ladung ab (m/z). Theoretisch könnte man eine ganze Reihe von Detektoren am Ende des Analysators platzieren und ein ganzes Massenspektrum auf einmal aufnehmen. In der Praxis wird ein einzelner Detektor verwendet und wie bei einem Quadrupolinstrument muss ein Spektrum durch eine große Anzahl von Messungen an einer einzigen Masse aufgenommen werden. Dies geschieht durch Ändern der Stärke des Magnetfelds. Ein Problem bei dieser Technik ist die erreichbare Massenauflösung. Wenn die Ionen beim Eintritt in den Analysator nicht alle exakt die gleiche Geschwindigkeit haben, wird das Spektrum dadurch verunreinigt. Eine mögliche Lösung besteht darin, einen elektrostatischen Analysator vor dem magnetischen Analysator zu installieren. Ein transversales elektrisches Feld lenkt die Ionen ebenfalls ab, aber die Ablenkung hängt von der kinetischen Energie des Ions ab, nicht von seiner Geschwindigkeit oder Masse. In der Kombination der beiden Analysatoren dient die elektrostatische Analyse als Filter, mit dem eine Auflösung von 1:100.000 erreicht werden kann. Heutzutage wird diese Technik unter anderem durch das Aufkommen der Time-of-Flight-Technik immer weniger verwendet.
• Eine ganz andere Analysetechnik, FT-MS (Fourier Transform - Massenspektrometrie) verwendet ein Magnetfeld, in dem die Ionen gefangen werden. Ein Funkimpuls bringt sie in Resonanz. Dies führt zu einem Resonanzsignal, das über die Zeit gemessen wird. Durch eine Fourier-Transformation Aus dem gemessenen Signal wird sofort ein ganzes Massenspektrum erzeugt. Diese Technik kann eine sehr hohe Auflösung erreichen und hat einen besonders hohen Wirkungsgrad.

Herleitung der m/z-Beziehung für Magnetsektor-Massenspektrometer

Das kinetische Energie eines Teilchens am Ende der zu durchlaufenden Potentialdifferenz ist

${displaystyle E_{k}={frac {1}{2}}mv^{2}}$

Die potentielle Energie eines Teilchens mit elektrischer Ladung z am Anfang der zu durchfahrenden Potentialdifferenz V beläuft sich auf

${displaystyle E_{D}=zDelta V}$

In einem Massenspektrometer, in dem die Teilchen im Stillstand starten, sind diese Energien gleich:

${displaystyle E_{k}=E_{D}}$

mit anderen Worten

${displaystyle {frac {1}{2}}mv^{2}=zDelta V}$

woraus folgt, dass

${displaystyle v={sqrt {frac {2zDelta V}{m}}}}$

Die Kraft auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen in einem Magnetfeld (Bewegungsebene senkrecht zum Magnetfeld) ist gegeben durch

${displaystyle F_{M}=zvB}$

Das Zentripetalkraft benötigt, um in einer kreisförmigen Umlaufbahn zu bleiben, ist gleich

${displaystyle F_{C}={frac {mv^{2}}{r}}}$

Diese beiden Kräfte müssen einander gleich sein:

${Anzeigestil F_{C}=F_{M}}$

mit anderen Worten

${displaystyle {frac {mv^{2}}{r}}=zvB}$

und somit

${displaystyle v={frac {zrB}{m}}}$

Wenn beide Ausdrücke für die Geschwindigkeit v kombiniert werden, erhält man den folgenden Ausdruck:

${displaystyle {frac {z^{2}B^{2}r^{2}}{m^{2}}}={frac {2zDelta V}{m}}}$

woraus folgt, dass

${displaystyle {frac {m}{z}}={frac {r^{2}B^{2}}{2Delta V}}}$

Alle einfach ionisierten Teilchen (mit Stückpreise = 1,60217653 × 10⁻¹⁹ C) erhalten Sie also eine Bahn mit einem Krümmungsradius r wofür:

${displaystyle r={sqrt {frac {2mDelta V}{eB^{2}}}}}$

bei welchem:

• m ist die Masse des geladenen Teilchens in Kilogramm
• r ist der Krümmungsradius in Metern
• V die durchlaufene Potentialdifferenz in Volt
• B ist die Stärke des Magnetfelds in Tesla

Erkennung

Die den Analysator passierenden Ionen müssen schließlich gezählt werden. Dies geschieht durch Kollision des Ions mit einem Target. Auf diese Weise werden mehrere Elektronen pro Ion aus dem Targetmaterial herausgeschlagen. Es ist möglich, diesen winzigen Strom direkt zu messen, aber in den meisten Instrumenten werden die abgelösten Elektronen erneut beschleunigt und auf ein neues Zielmaterial fokussiert. Von diesem zweiten Target wird wiederum eine Anzahl von Elektronen pro Ion herausgeschlagen. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, so dass eine Signalverstärkung von ungefähr 1 Million erreicht wird. Auf diese Weise kann jedes Ion, das auf den Detektor trifft, zuverlässig gezählt werden.

In einigen Systemen werden die Elektronen nach einem Schritt auf a übertragen Phosphor bildschirmorientiert, wo der Strom ein Licht ist umgerechnet. Das Lichtsignal wird dann in einem Bildverstärker weiter verstärkt. Dadurch kann der eigentliche Detektor außerhalb des Fouling-Instruments platziert werden, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird.

Mengen

Die für ein Massenspektrum benötigten Probenmengen sind sehr gering. Jedes einzelne Molekül, das das Gerät passiert, wird schließlich gezählt, und selbst einige hundert Moleküle können so ein signifikantes Signal bilden. Bei der Probenvorbereitung und Ionisation geht jedoch immer noch ein Großteil der Probe verloren. Je nach Technik zur Durchführung der Massentrennung kann es auch sein, dass bei einer einzelnen Messung nur Ionen einer bestimmten Masse gezählt werden können und alle anderen Ionen verloren gehen. Es sind dann einige Dutzend bis Hunderte von Messungen erforderlich, um ein vollständiges Spektrum und damit auch mehr Probe zu erstellen.

Unter Berücksichtigung all dieser Verluste benötigt man normalerweise Femtogramm bis Pikogramm einer Substanz, um ein Massenspektrum aufzunehmen.

Zersplitterung

In einem einfachen Massenspektrometer wird oft ein einzelner Quadrupol-Analysator verwendet, aber insbesondere wenn man an Fragmentierung interessiert ist und ein weiches Ionisationsverfahren verwendet wird, werden oft mehrstufige Instrumente verwendet. Diese Technik wird als MS-MS oder MS . bezeichnet^nein mit n=2 oder 3 oder 4.

Die Fragmentierung ist für die Probenidentifikation von großer Bedeutung. Verschiedene Summenformeln können die gleiche Molekülmasse ergeben. Zum Beispiel C₄huh₁₀ und C₃huh₆O haben beide eine Molekülmasse von 58. Ohne ein Instrument mit sehr hoher Auflösung kann man die beiden Summenformeln nicht unterscheiden (siehe jedoch später unter Isotopenverhältnis). Aber selbst wenn die Summenformel feststeht, ist es möglich, dass mehrere Isomere sein. Der Unterschied zwischen Butan, Methylpropan, Aceton und Propanjedoch alle mit einer Molekularmasse von 58 können leicht durch Fragmentierung bestimmt werden.

Fragmentierung in einem Massenspektrometer kann bei der Ionisation auftreten, wenn dies schwer ist wie ein Elektronenbeschuss. Alternativ kann man eine kleine Kammer in das Instrument einbauen, in der die Ionen mit einem Inertgas (oft ( Argon) können kollidieren und dadurch fragmentieren.

In einer Fragmentierung, normalerweise eine einzelne chemische Bindung im Molekül. Wenn ein Peak im Massenspektrum einer Substanz mit einer Molekülmasse von 58 bei einer Masse von 29 auftritt, ist es anscheinend möglich, dass das Molekül genau in zwei Teile bricht. Das schließt Aceton als möglichen Kandidaten aus. Auf diese Weise kann die Fragmentierung genutzt werden, um eine genauere Aussage über die Identität der Probe zu treffen.

Wenn die Peaks im Massenspektrum nicht ausreichen, um die Probe eindeutig zu identifizieren, kann ein weiteres Fragmentierungsexperiment in einem MS-MS-Gerät durchgeführt werden: Man kann im ersten MS-Schritt das Fragment mit einer Masse von 29 auswählen und re - dieses Fragment mit einem Inertgas beaufschlagen, um die Fragmentierung erneut zu induzieren. Im zweiten Instrument kann man dann ein Fragmentspektrum zweiter Ordnung erstellen, um die Identität des Fragmentions mit der Masse 29 zu sehen.

Isotopenverhältnis

Viele chemische Elemente haben mehrere natürlich vorkommende Isotope. Normalerweise kann man Chemie Beobachten Sie keine chemischen Unterschiede zwischen Molekülen, die sich in der Isotopenzusammensetzung unterscheiden (nur die kinetischer Isotopeneffekt). In der Massenspektrometrie ist der Unterschied zwischen Isotopen jedoch leicht zu erkennen: Die Massen verschiedener Isotope unterscheiden sich um ungefähr eine ganze Anzahl von Masseneinheiten. Außerdem gilt für viele Eigenschaften, die einen kleinen Unterschied für die Isotope aufweisen, a durchschnittlich messen, wenn mehrere Isotope auftreten. In der Massenspektrometrie betrachtet man jedes Molekül einzeln und kann somit die individuelle Isotopenzusammensetzung in jedem Molekül erkennen.

Eines der Isotope, die in der Massenspektrometrie von organischchemische Verbindungen spielt eine große Rolle ¹³C, das sind 1,1% des natürlichen Kohlenstoff Formen. Ein Methanmolekül mit ¹²C und 4 Wasserstoff Atome haben eine Molekülmasse von 16, aber 1,1% aller Methanmoleküle enthalten a ¹³C-Atom und hat eine Masse von 17: ein kleiner Peak neben dem molekularen Hauptpeak. Vor dem Butan, C₄huh₁₀ es gibt vier Kohlenstoffatome, und die Wahrscheinlichkeit, dass eines der Kohlenstoffatome a . hat, beträgt ungefähr 4,4% ¹³C-Atom ist: ein kleiner Peak bei einer Masse von 59 neben dem Molekülpeak bei 58. So kann man bei organischen Stoffen die Anzahl der Kohlenstoffatome zählen und zwischen Propanal und Butan unterscheiden: Beide haben a Masse von 58, aber Propanal hat drei und Butan hat vier Kohlenstoffatome.

Andere häufige Isotope sind ¹⁸O (0,2% zwei Einheiten über dem Normalwert) ¹⁶Ö), ⁷⁹Marke ⁸¹Br mit einem Verhältnis von 1:1 und ³⁵Cl und ³⁷Cl mit einem Verhältnis von 3:1.

Wenn die Isotope eines Elements sehr kompliziert werden, kann es schwierig sein, ein Massenspektrum zu interpretieren: führen ist ein Beispiel dafür mit drei natürlich stabilen Isotopen, die je nach Herkunft des Erzes in unterschiedlichen Anteilen vorkommen können.

Man kann auch Isotopenverhältnisse sehen, die sich zwischen verschiedenen Minen unterscheiden benutzen bei der Suche nach der Herkunft eines Materials. Die Massenspektrometrie ist empfindlich genug, um das Isotopenverhältnis gerader Elemente zu bestimmen, die nur in winzigen Mengen in einer Probe vorhanden sind. Für die beste Empfindlichkeit wird für ein solches Massenspektrum ein Ionisationsverfahren verwendet, das die Moleküle in der Probe vollständig in atomare Ionen zerlegt; es ist so eine technik induktiv gekoppeltes Plasma (englische Abkürzung ICP; Leute reden über ICP-MS).

Ein ganz anderes Ziel der Bestimmung des genauen Isotopenverhältnisses ist die Bestimmung geologischer Zeitskalen: Beim radioaktiven Zerfall hängt das Auftreten verschiedener Isotope vom Alter der Probe ab. Ein Beispiel ist Kohlenstoff 14 Datierung.

Andere Anwendungen

Seitdem wurden eine Reihe von Anwendungen der Massenspektrometrie diskutiert:

• Es Bestimmung einer molekularen Struktur
• Bestimmung der Herkunft eines Erzes
• Datierung von Proben

Andere Anwendungen sind:

• Suche nach Lecks in Vakuumsystemen: Wenn ein Vakuumsystem undicht zu sein scheint, kann das Leck gefunden werden, indem ein einfaches Massenspektrometer an das System angeschlossen und an kritischen Stellen ein Strom von der Außenseite des Systems zugeführt wird. Helium- Gas aussetzen. Wenn das System undicht ist, zeigt das Massenspektrometer deutlich einen Peak bei einer Masse von 4.
• Herstellung isotopenreiner Materialien: Mit der sogenannten präparativen Massenspektrometrie können die gebildeten Ionen gesammelt werden, anstatt auf dem Detektor verloren zu gehen. Dies ist eine Methode, um Isotope voneinander zu trennen. Die Mengen bleiben jedoch sehr gering. Zur Abtrennung größerer Isotopenmengen, z. B. bei der Anreicherung von Uran, daher werden andere Techniken verwendet, wie z Ultrazentrifugation.

Siehe auch

• Amerikanische Gesellschaft für Massenspektrometrie

Externer Link

• (und) Übersicht relevanter Quellen zur Massenspektrometrie

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