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 MolekĂŒls (Kationen oder radikale Kationen) werden in hohem Vakuum mit einem Magnetfeld beschleunigt und nach Ihrem Masse/Ladungs -VerhĂ€ltnis (m/z) getrennt.

Dieses VerhÀltnis ist gleich der Molekularen Masse des Fragments.

Die Ionen werden auf einer Photoplatte (Massenspektroskopie),

oder als Ionenstrom -elektrisch registriert. (Massenspektrometrie)

Die Einheit der Masse betrÀgt

1u = 1/12 12C

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 !

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 AufklĂ€rung der Struktur organischer MolekĂŒle einschließlich der

Bestimmung der Molmasse.

- zur Isotopentrennung bzw. der Ermittlung derer VerhÀltnisse in der

Probe.

- der Partikelanalyse (z.B. Lokalisierung und Identifizierung eines Ölfilms

auf MetalloberflÀchen)

MS-Kombinationen wie GC/MS, HPLC/MS, Tandem MS, u.v.m lassen leistungsstarke AnalysengerÀte entstehen. Das Tripplestage Quadrupol -GerÀte (3 Quadrupole in Serie) lÀsst interessante Experimente in der Spurenanalytik zu.

Im Prinzip kann man alle Arten von GerÀten mit der MS koppeln.

Aufbau:

- Pumpe

- Einlasssystem

- Ionenquelle

- Trenn- bzw. Analysensystem

- Detektor

- Auswerteeinheit

PUMPE: Der MS Prozeß funktioniert nur unter hohem Vakuum, hauptsĂ€chlich

um ein ungehindertes durchströmen der MolekĂŒlfragmente durch die Analysenröhre und eine somit reproduzierbare Massenanalyse zu gestatten.

Der Teilchenfreie Raum muss grĂ¶ĂŸer sein als die Entfernung zwischen der Ionisierungskammer und dem Detektor.

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

Das Vakuum ist fĂŒr 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 fĂŒhren !

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-

10-4torr. produzieren.

Um ein Vakuum mit einen Bereich von 10-5torr zu bekommen wird entweder

eine Turbomolekular- oder eine Diffusionspumpe verwendet.

Diese Pumpen verhalten sich eigentlich wie Kompressoren.

* ) 1 torr 133,3226 Pa

Die Öldiffusionspumpe:

Vorteile:

ZuverlÀssig Beinahe wartungsfrei Leise

Nachteile:

braucht lang zum Warmlaufen (ĂŒber Nacht) schlechtes Design kann zur Verunreinigung des Analysators fĂŒhren

EINLAßSYSTEM: Der Einlass (”mol -Bereich) sollte ohne großen Vakuums-

verlust erfolgen.

Indirekt: Die Probe wird gasförmig in das Spektrometer eingebracht,

deswegen mĂŒssen feste und flĂŒssige Proben bei Temperaturen bis 500°C verdampfbar sein. Dies geschieht in einem VorratsbehĂ€lter, die gasförmige Probe wird mittels einer EffusionsdĂŒse in die Ionenquelle gebracht.

- Basiert auf der relativen Rate

der Diffusion.

- kleine MolekĂŒle diffundieren

schneller, die meisten werden

den MS-Einlass verfehlen.

-grĂ¶ĂŸere MolekĂŒle diffundieren

langsam und können den Einlass

EffusionsdĂŒse:

Vorteile:

Relativ einfache und kostengĂŒnstige Methode

Nachteile:

Diffusionsrate ist massenabhĂ€ngig. Sollte die DĂŒse teilweise verstopft werden, bekommt man einen

hervorragenden TrÀgergas Detektor.

Das erforderliche Vorvakuum soll ~10-4Pa betragen.

Direkt: FĂŒr 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.

Unter Kopplung mit einem Chromatographen:

Open split Schnittstelle (bei GC/MS)

Vorteile:

Jede Gasquelle kann verwendet

Werden.

relativ billig, einfach zu bedienen.

Nachteile:

Analyt verlĂ€sst SĂ€ule geteilt Split Ă€ndert sich mit Flußrate

Kapillaren Direkt Schnittstelle (GC/MS):

Vorteile:

billige, einfache Vorrichtung kein Totvolumen keine SelektivitÀt

Nachteile:

limitiert Flußweite limitiert den ID der benutzten

SĂ€ule

ein Teil der SĂ€ule dient als

FlußeinschrĂ€nkung

(d.h. er ist ,verloren')

IONENQUELLE: Zur Ionisation der ProbenmolekĂŒle nutzt man Elektronen,

Ionen, MolekĂŒle, Photonen sowie elektrische und/oder thermische Energie.

Oft sind die Ionenquellen in die Einlasssysteme integriert.

Die Wahl der Ionenquelle hĂ€ngt von der Probensubstanz und der gewĂŒnschten 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 Àlteste und best beschriebene Ionisationsmethode.

Ein Elektronenstrahl passiert die Gas/Proben -Phase. Wenn nun ein e-mit einem neutralen MolekĂŒl 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

AnfangsmolekĂŒl) 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, verstĂ€ndlich kann praktisch fĂŒr alle (leicht) flĂŒchtigen Stoffe verwendet werden reproduzierbare Massenspektren Fragmentierung lĂ€sst auf Struktur zurĂŒckschließen Spektren können mit ,Fingerprint' (in Literatur) verglichen werden

Nachteile:

Probe muss flĂŒchtig 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- MolekĂŒl -Reaktionen um Ionen

aus dem Analyten zu bilden. Der Ionisatzionsprozeß beginnt mit einem Gas-Reagenten (z.B. CH4, i-Butan, NH4) welches mittels EI ionisiert wird.

Durch einen hohen Reagentgasdruck (bzw. eine lange Reaktionszeit) wird die Reaktion gestartet, auch manche Fragment Ionen reagieren mit Analyt

MolekĂŒlen zu Analyt Ionen.

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

R + e-à R+• + 2e-

R+• + RH à RH++ R•

RH++ P Ă  PH++ R

(natĂŒrlich gibt es noch andere Reaktionsmöglichkeiten)

Vorteile:

gibt oft MolekĂŒl Gewichtsinfo durch MolekĂŒlĂ€hnliche Ionen

wie z.B. [M+H]+auch wenn die EI kein solches Ion bilden wĂŒrde

simple Massenspektren, Fragmentation reduziert im Vergleich mit EI

Nachteile:

Probe muss flĂŒchtig und stabil sein Geringere Fragmentation als bei EI, Fragmentmuster nicht besonders

Informativ oder reproduzierbar genug fĂŒr 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 GerÀt

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. FĂŒr 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 MolekĂŒl. Die e--Energie ist gering und die spezifische Energie die zum Einfangen eines e-benötigt wird, ist abhĂ€ngig von der

MolekĂŒlstruktur des Analyten.

Das AnhÀngen eines e-ist ein endothermer Vorgang.

Manche -so entstandenen molekularen Anionen fassen diesen Energie-ĂŒberschuß, 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 SelektivitÀt bei gewissen biologisch oder umweltanalytisch

wichtigen Verbindungen

Nachteile.

nicht alle flĂŒchtigen 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 gezĂŒchtet 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 grĂ¶ĂŸere Spannungen aus und sind ĂŒberdies auch relativ billig. C- Emitter haben

eine höhere SelektivitÀt, nur sind sie leider etwas teurer.

FD und FI sind sanfte Methoden welche MSpektren mit geringen Fragment-

Ionen 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 ĂŒberfĂŒhrt wird, werden die AnalytmolekĂŒle 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 MolekĂŒlen, vielen Organo-

metallen, LMW Polymeren und manchen petrochemischen Fraktionen

Nachteile:

empfindlich zu Alkalimetall -Kontamination und ProbenĂŒberlastung Der Emitter ist relativ zerbrechlich relativ langsame Analyse, da der Stromfluß erst ansteigen muss

die Probe sollte thermisch bestÀndig sein um desorbiert werden zu

können

Massen Bereich:

klein bis mĂ€ĂŸig. ProbenabhĂ€ngig. 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 bestÀndig sein und wird wie bei der Elektronen

Ionisation (EI) eingebracht

Massen Bereich:

klein, typisch < 1,000 Da

Teilchen Beschuß:

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

Andere Methoden verwenden einen relativ geringen Teilchenfluß und keine flĂŒssige Matrix. (statische SIMS) Die letzteren Methoden werden aber eher zur OberflĂ€chen-analyse verwendet. In diesem Prozeß gibt es 2 Teilchenstrahlen. Der primĂ€re

bombardiert und der sekundÀre Ionen -Strahl besteht aus den resultierenden Ionen.

Fast Atom Bombardment (FAB): ein kleiner Teil ( ~1”l) 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 MolekĂŒlĂ€hnliche Ionen und Fragmente aus dem Analyten. (Cluster -Ionen aus der Matrix werden ebenfalls desorbiert und ein kleines chemisches Hintergrundrauschen, abhĂ€ngig

von der Matrix ist die Folge)

Die Probe wird entweder direkt oder ĂŒber LC/MS -Kopplung (frit FAB oder

continuous-flow FAB) eingebracht.

Vorteile:

schnell einfach Unterschiede in der Probennahme gegenĂŒber relativ tolerant gut fĂŒr eine große Vielfalt an Verbindungen starke Ionenströme => gut fĂŒr 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 fĂŒr Vbdg. mit mehr als 2 Ladungen

Massen Bereich:

mĂ€ĂŸig, typischerweise ~300 bis 6,000 Da

SekundÀr Ionen MS (SIMS) -dynamisch! : Die SIMS ist der FAB beinahe

ident. Nur ist hier der primÀre 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 fĂŒr Proteine und Peptide mit mittlerer GrĂ¶ĂŸe

(3,000 - 3,000 Da) wurde grĂ¶ĂŸtenteils durch Elektrospray Ionisation verdrĂ€ngt.

Vorteile:

wie FAB, nur wird die Empfindlichkeit verbessert

(Massen von 3,000 - 13,000 Da)

Nachteile:

wie FAB Target kann sich erhitzen da energetischerer PrimÀrstrahl hochspannungs Bögen hÀufiger als bei FAB generell öftere Instandhaltung der Ionenquelle als bei FAB

Massen Bereich:

mĂ€ĂŸig, charakteristisch sind Massen von 300 bis 13,000 Da

Spray Methoden:

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

Lösungs- Flußraten können von <1”l bis einige Millimeter variieren. Diese Methoden

eignen sich gut fĂŒr LC/MS -Kopplungen.

Elektrospray Ionisation (ESI): Die Probelösung wird ĂŒber 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 LadungszustÀnde welche sich um eine Ladung

unterscheiden (und Berechnung dieser in Simultangleichungen)

Arten der selben Ladung aber unterschiedlicher Adduktionsmasse

vergleichen

Masse/Ladungs- VerhĂ€ltnis fĂŒr gelöste Isotopen -Cluster

Die Probe wird ĂŒber Flußinjektion oder LC/MS eingebracht.

Vorteile:

geeignet fĂŒr geladene, polare oder einfache Verbindungen erlaubt Detektion Verbindungen großer Masse mit Masse-Ladungs VerhĂ€ltnissen 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 mĂŒssen mathematisch interpretiert werden komplementĂ€r zur APCI. Ungeeignet fĂŒr 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 komplementÀr. Hier ionisiert eine Corona-Entladung den Analyten in

der AtmosphĂ€rendruckregion. Gasphasen-Ionisation ist gegenĂŒber der ESI

effektiver bei wenigpolaren Arten.

Vorteile:

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

Nachteile:

KomplementÀr zur ESI

Massen Bereich:

Niedrig bis Mittel. Typ. < 2,000 Da

Laser Desorption:

Diese Methoden verwenden einen Puls-Laser um Arten von einer TargetoberflÀche 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

ausgerĂŒstet sind können fĂŒr die Detektion von Ionen aus MALDI verwendet werden.

Die direkte Laser Desorption verlĂ€sst sich auf rapides Erhitzen der Probe um MolekĂŒle so schnell wie möglich zu verdampfen, dass sie keine Möglichkeit haben zu zerfallen. Das ist gut fĂŒr klein- bis mittel-molekulargewichts Vbdg. und OberflĂ€chen-analysen. Die erst kĂŒrzlich entwickelte Technik der Matrix-assistierten Laser Desorptions Ionisation (MALDI) verlĂ€sst sich auf die Absorption von Laserenergie von

einer Matrixverbindung. MALDI ist eine populÀre 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 SinapinsĂ€ure oder DihydroxybenzoesĂ€ure) welche ein Chromophor enthĂ€lt, dass die WellenlĂ€nge 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 ĂŒber kontinuierlichen Fluß iniziert werden.

Vorteile:

schnelle und praktische Molekularmassen Bestimmung

Nachteile:

schwierig fĂŒr 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- VerhÀltnis.

Als Ziel gilt außerdem eine möglichst hohe Auflösung (Unterscheidung möglichst

minimaler Massen) bei gleichzeitig hinreichend durchgelassener Ionenmenge

(erleichterte Detektion).

Dazu wurden eine Vielfalt an GerÀten entwickelt.

MagnetsektorfeldgerÀt:

Eine geringe Konz. Der ProbenmolekĂŒle 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.

(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 -VerhÀltnis hingegen können auf

Kurs gehalten werden, passieren den Spalt und kollidieren mit dem Kollektor.

Ein elektrischer Strom ist die Folge, welcher verstÀrkt und gemessen werden

kann.

Somit können Massenspektren durch Variation der MagnetfeldstĂ€rke H, der Beschleunigungsspannung U und des Ablankungsradiuses r aufgenommen werden. (FĂŒr gewöhnlich variiert nur eine GrĂ¶ĂŸe, aus KonstruktionsgrĂŒnden sind meist r und U vorgegeben)

Ein Magnetfeld Sektor alleine trennt Ionen nach ihrem Masse/Ladungs

-VerhÀltnis. Darunter kann aber die Auflösung leiden, denn jene Ionen welche die Ionenquelle verlassen, haben nicht alle denselben Energieinhalt und somit eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Das lÀuft analog zur Optischen Farbverschiebung.

Um Abhilfe zu schaffen hÀngt man einen elektrischen Sektor an der die Ionen auch nach ihrer kinetischen Energie zu fokussieren.

Diese GerÀte nennt man:

Doppelt fokussierende Massenspektrometer: Hier werden die

Fragment-Ionen erst durch ein elektrisches, dann durch ein magnetisches Sektorfeld fokussiert. Im ersten Feld wird gemĂ€ĂŸ 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 (gewĂŒnschten) Bereichs liegt.

Vorteile:

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

Nachteile

nicht besonders gut geeignet fĂŒr 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 -VerhÀltnis passieren können.

An jedem sich gegenĂŒberliegenden Paar wird eine Gleichspannung [U] angelegt, die von einer hochfrequenten Wechselspannung [V*cosωt] ĂŒberlagert wird.

Der Ionenstrahl im Inneren des Systems wird nun von dem Hochfrequenzfeld

- massenabhÀngig - zum Schwingen angeregt. Nur die Schwingungsamplitude von Ionen bestimmter Masse ist klein genug, damit diese auch in den AuffÀnger gelangen.

Alle weiteren Ionen kollidieren mit den StÀben und werden somit eliminiert.

Werden die Werte fĂŒr Wechsel- bzw. Gleichspannung geĂ€ndert, kann das

gesamte Massenspektrum durchfahren werden.

Vorteile:

gute Reproduzierbarkeit relativ kleine und billige GerĂ€te ArbeitsdrĂŒcke von bis zu 10-2 Pa möglich

Nachteile:

limitierte Auflösung Peakhöhen/Masse mĂŒssen getunt werden nicht besonders gut fĂŒr Pulsionisationsmethoden geeignet

Flugzeitmassenspektrometer (TOF -Time Of Flight):

Linear: Ein TOF mißt die massenabhĂ€ngige 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 hÀufigsten 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 entlÀsst)

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 lÀnger um

zum Detektor zu gelangen. Dies fĂŒhrt zu einer höheren Auflösung.

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

Vorteile:

schnellstes Massenspektrometer geeignet fĂŒr 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 fĂŒhren

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 grĂ¶ĂŸeren 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).

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 nĂ€hern, lĂ€sst 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 nÀhern.

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 lĂ€sst im Widerstand eine kleine AC Strömung entstehen

welche verstÀrkt und gemessen werden kann.

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

Daraus lÀsst sich mit der Formel -

- Ein passendes Massenspektrum errechnen.

w ...Cyclotronfrequenz [rad/s]

B ...MagnetfeldstÀrke [Tesla]

...Masse/Ladungs -VerhÀltnis der Ionen

Der Druck in einem FT - MS sollte nicht grĂ¶ĂŸer als 10-8mbar (ultrahohes Vakuum) betragen um Interferenzen von Fremdionen oder -MolekĂŒlen zu vermeiden und es

wird noch immer an einer Lösung dieses Problems gearbeitet.

Vorteile:

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

Nachteile:

- limitierte dynamische

Reichweite

strenge

Tiefdrucksvoraussetzungen

viele Parameter (Anregung, Trapping, Detektionsbedingungen) beeintrÀchtigen die Experimentsequenz welche die QualitÀt des Massenspektrums bestimmt Quadrupol Ionenfallen:

Ionen werden dynamisch in einem dreidimensionalen Quadrupol BehÀlter aufbewahrt, dessen RF und DC Potentiale abgetastet werden können um

sukzessive m/z -VerhÀltnisse 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 tĂ€tigen.

Damit können gleich mehrere MS in Serie geschaltet operiert werden.

Die interionische Ladungsabstoßung schrĂ€nkt die dynamische Reichweite der Ionenfalle extrem ein. Deswegen wird erst ein Vorscan durchgefĂŒhrt 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 MolekĂŒlen reagieren.

,Self-CI' ist dir Reaktion von Analytionen mit Analytneutralen in der Falle. Dies kann konzentrationsabhÀngige VerÀnderungen im Massenspektrum hervorrufen die vermindert werden können indem man Ionen aus einer externen Quelle injiziert

aber dies kann zu einer verminderten Empfindlichkeit fĂŒhren.

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)

beeintrÀchtigen die Experimentsequenz welche die QualitÀt des Massenspektrums bestimmt

DETEKTOREN: Anfangs wurden zur Umwandlung des Ionenstroms in ein

meßbares Signal Fotoplatten eingesetzt. Heute werden SEV und Faraday-

Detektoren eingesetzt.

Faraday-Detektor:

Die Ladung der Ionen wird (Ă€hnlich dem Detektor bei der FT-MS im ICR) ĂŒber

einen hochohmigen Widerstand von 109- 1011Ω abgeleitet. Der Spannungsabfall

ist ein Maß fĂŒr die IntensitĂ€t der Ionen.

Vorteile:

reproduzierbar

Nachteile:

geringe Empfindlichkeit sehr hohe Zeitkonstante fĂŒr Registrierung

(GC/MS -Kopplungen außer Frage)

INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN:

Arten der Angabe von Massenspektren:

TABELLEN: Die IntensitÀt [%] wird auf den intensivsten Peak angegeben. STRICHSPEKTREN: Das (m/z) -VerhÀltnis wird direkt proportional zur

relativen HĂ€ufigkeit der (Fragment-) Ionen angegeben.

Aus solchen Spektren lĂ€sst sich leicht auf den MolekĂŒltyp der Probe

schließen. Nehmen wir beispielsweise das Massenspektrum von Wasser:

H2O + e-(schnell) Ă  [H2O]++ 2e-

(Einige e-sind zu schnell und zerstören die MolekĂŒle ⇒ Fragment-Ionen!)

Nur gewisse Elementkombinationen besitzen diese Massen. [NH4]+

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

Einige MolekĂŒl-Ionen und ihre StabilitĂ€t:

ALKOHOLE: Sie verlieren ein Proton und ein Hydroxy Radikal. Außerdem

neigen sie dazu eine der α-Alkylgruppen zu verlieren und Oxonium Ionen zu bilden. PrimĂ€re Alkohole erzeugen so einen Peak bei (m/z) = 31,

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

ALKANE: - Fragmentieren indem ein CH3 Radikal abgespalten wird (m-15)

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

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

HALOGENIDE: Diese MolekĂŒle fragmentieren indem die

Halogene ausgestoßen werden. Cl und Br weisen mehrere Peaks auf, da

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

SĂ€UREN, ESTER, AMIDE: GrĂ¶ĂŸtenteils wird die ,X' -Gruppe abgespalten und

ein Oxonium Ion wird gebildet. Charakteristische Peaks fĂŒr KarbonsĂ€uren

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

ETHER: Wie Alkohole fragmentieren Ether indem ein Alkyl Radikal

abgespalten wird und sich ein substituiertes Oxonium Ion bildet.

ALDEHYDE UND KETONE: Hier werden vorwiegend Seitenketten abgespalten

Um Oxonium Ionen zu bilden. Diese BruchstĂŒcke sind sehr stabil und deswegen ist dieser Peak der Basispeak. Das Methylderivat CH3C=O+wird

als ,Acyl Ion' bezeichnet.

Bei Carbonyl- (und auch Nitril-, etc.) Verbindungen wird oft auch das

Ausscheiden von neutralem Ethen beobachtet werden.

Mc Lafferty Umlagerung

AROMATISCHE KOHLENWASSERSTOFFE: Deren Fragmentation lÀuft

Einigermaßen komplex ab, was die Reihen der Peaks (m/z) = 77, 65, 63, etc. - erklĂ€rt. Mit genĂŒgend Erfahrung lĂ€sst sich diese ,aromatische Gruppe' leicht erkennen. Wenn der Aromat ĂŒber einen Benzolring verfĂŒgt, so erzeugt die

Hauptteilung ein Benzyl Karbokation welches sich zu einem Tropylium Ion

umlagert und ein Acetylen MolekĂŒl (m/z) = 65 abspaltet.

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