Massenspektroskopie (MS)

Massenspektroskopie (MS)
…ist eigentlich keine spektroskopische Methode (keine Strahlung vorhanden  keine
Wechselwirkungen zw. Strahlung und Probe).
0. Prinzip
Trennung geladener Teilchen aufgrund eines unterschiedlichen Masse-zu-LadungsVerhältnisses (m:z).
abundance
(Häufigkeit)
M+ (Molekülpeak)
Fragmentionen
Isotopenpeak
m/z
M+…nicht
M+
aufgespaltenes einfach +-geladenes Molekül
+ Isotopenpeak: Mischung C-Atome 12C-13C
1. Apparatives
Ionenquelle (Lichquelle)
Es erfolgt die Ionenerzeugung.
Für den organischen Bereich:
Elektronenstoßionenquelle (EI):
e-
Emitter
+
+
+
M + e-  M+ + 2e-
Moleküle
+
Kinetische Energie der e-: 50-100 eV
1 eV ist die kinetische Energie eines e- nach Durchlaufen der Spannungsdifferenz von
1V.
Ausbeute gering: von 10000 Molekülen wird eines erwischt.
Die am häufigsten gewählte kinetische Energie ist 70 eV.
e
(A-B-C) 
(A-B-C)+ + 2eM+
(A-B-C)+  A+
(A-B)+
(B-C)+
C+
+ (B-C)
+C
+A
+ (A-B)
Fragmentionen
-1-
Aggregatzustand der Probe ist immer gasförmig!
Es läuft alles nur im Hochvakuum ab!
Prinzip:
Die ungeladenen Moleküle prallen mit e- zusammen, es entstehen (hauptsächlich
positiv geladene) Molekülionen und Fragmentionen (Ausbeute gering).
Die kinetische Energie der e- beeinflusst das Aussehen des MS. Um einen Vergleich mit
Spektrenbibliotheken zu ermöglichen, wird meist mit 70eV gearbeitet.
Chemische Ionisierung (CI):
Schonende Art der Ionisierung.
Angewendet, wenn Fragmentierung unerwünscht ist.
Ähnlich EI in der Ionenquelle befindet sich ein Reaktandgas im ca. 10 4-fachen
Überschuss gegenüber der Probe (z.B. Methan CH4).
CH4 + eCH4+ + CH4
M + CH5+
 CH4+ + 2e CH5+ + ∙CH3
 (M+1)+ + CH4
Geeignet für M = 200-400
Es tritt praktisch nur der (M+1)+-Peak auf – so gut wie keine Fragmentierung.
Anwendung: Pharmazeutika/Hormone in Abwasser, Dopinganalytik
Felddesorptions-Ionenquelle:
Feldionisation
Wolframnadel mit vielen sehr feinen Spitzen (=Whiskers) wird in Probe eingetaucht.
Bei Anlegen hoher Spannung (10-20 kV) entstehen an den C-Spitzen extreme
Feldstärken.
Molekül lagert sich an Spitzen an, Elektron geht in Draht (verlässt das Molekül). Ion
desorbiert im Massenspektrometer in Hochvakuum  quantenmechanischer
Tunneleffekt.
MALDI:
Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation
Für Proteine und DNA-Fragmente.
Es kann von festen Proben ein Massenspektrum aufgenommen werden.
Probe mit fester Matrix gemischt und auf Probenträger aufgebracht. Laser überträgt
Energie auf Matrix  Desorption und Ionisation.
Probe wird nur wenig fragmentiert.
Kombiniert mit Massenspektrometern, die diskontinuierlich arbeiten (im Pulsbetrieb).
2 Arten: MALDI-TOF (Time of Flight – Flugzeit)
MALDI-ION TRAP (Ionenfalle)
-2-
MALDI-TOF:
Flugzeit-Massenspektrometer
m3+
m2+
m1+
:∙.
Laser
Zeit wird gestoppt, die größten Teilchen sind die langsamsten.
Sind alle beim Detektor angekommen, kann nächste Aufnahme gestartet werden.
Für den anorganischen Bereich:
Funkenionenquelle:
W (od. Graphit)
= Gegenelektrode
-
Ionenwolke ( MS)
+ Probe
Bei hoher Spannung springt Funke über  Ionenwolke geht ins Massenspektrometer
(über Interface = Zwischenstück).
ICP-MS:
Inductively couples plasme
abundance
~8000K
flüssige Probe wird in das Plasma gesprüht  die gebildeten Ionen dem MS zugeführt.
K
39
Na
23
Fe
55
m/z
SIMS:
Sekundär Ionen Massenspektroskopie
Cs+
Probe
Cs+ wandert durch die Probe  was es ausschlägt, geht ins MS.
Dreidimensionale Analytik: 2. Strahl erreicht nächste Schicht  man weiß genau, wo
welche Atome sitzen.
-3-
Magnet. MS
Durch verschieden große Masse haben Teilchen verschiede Auslenkung  entweder U
oder Magnetfeld wird geändert  verschiedene Massen treffen nacheinander auf.
Einlasssysteme in die Ionenquelle
Direkteinlass:
Probe wird über ein Schleusensystem in die Ionenquelle eingebracht (z.B. bei
Felddesorption).
Batch-Einlass:
Batch = Stapel
Beheiztes Vorratsvolumen ~1 cm³ nicht unter Vakuum  flüssige (leicht flüchtige)
oder gasförmige Probe wird über ein Septum injiziert (analog GC)  muss nicht
gasförmig sein  Probe diffundiert durch Goldfolie (mechanisch stabil & chemisch
inert) mit kleinen Löchern oder Kapillare in die Ionenquelle.
MS ist für Reinstoffe gut geeignet, nicht für Gemische!
Haupteinbringung: Kopplung (z.B. +GC)
(Kapillar-) GC: gasförmig (leicht flüchtig), Mikromethode, ideale Trennmethode
MS: gasförmig (leicht flüchtig), Mikromethode, ideale Nachweismethode
GC/MS-Kopplung ist die erfolgreichste Kopplung der instrumentellen Analytik.
-4-
GC/MS-Kopplung:
Direkte Kopplung
Interface
GC-Säule
MS, Vakuum
Früher Problem: viel Trägergas aus GC (1-10 ml He/H2 pro Minute)  Hochvakuum
benötigt!
Vorteil: 100% Probe erreicht MS
Nachteil: auch unerwünschte Stoffe erreichen MS
Turbomolekularpumpe: Rotor dreht sich und schleudert Gasteilchen nach außen (bis
zu 30.000 U/min)  löst Problem des Trägergases.
Offener Split
Ionenquelle
GC-Säule
Spülgas
Unerwünschtes Medium kann mit Spülgas abgetrennt werden. Zwei Kapillare sind
nicht direkt verbunden.
Alles was leicht ist (Trägergas, He/H2, …) wird abgereichert, Probe wird angereichert.
Trägergasabtrennung
Vakuumpumpe
Trägergas
Probemoleküle
LC/MS-Kopplung:
Versuch, eine HPLC mit MS zu koppeln:
Problem: 1 ml Eluent/min
verdampfen  1000faches Volumen (zu viel für Pumpe!)
-5-
Electrospray-Technik
Flüssige Phase von HPLC mit geladener Düse versprüht und mit „curtain gas“ (N2)
eingedampft  Tröpfchen haben nun auch +-Ladung. Ladungen kommen einander
immer näher, bis es zur COULOMBschen Explosion kommt  Molekülionen oder
Ionencluster, die zum MS geführt werden.
curtain-gas
Analysatoren
Magnet MS (Sektorfeldgeräte):
1919 ASTON
r
1
m
2U
B
z
B…magnet. Induktion
U…Beschleunigungsspannung
m…amu (atomic mass unit)
1 amu = 1,66*10-24
z…1,6*10-19C
Ionen
r
abundance
Detektor
m/z
Massenspektrum entsteht, indem entweder U oder B verändert wird – eine Ionensorte
nach der anderen erreicht den Detektor.
r3
r2
photographische Platte -> erste Massenspektren!
alles konstant
(wird heute nicht mehr verwendet)
r1
-6-
Isotopenverhältnisse können nachgewiesen werden!
z.B. Wasser (H2O, HDO, D2O), 12C:13C
Isotopen-MS:
mit Permanentmagnet, U=konst.
Detektor = Faraday-Cup
Es wird der Strom gemessen, der fließt, wenn die Ionen entladen werden.
r3
r2
Faraday cup
r1
Generell: leichteres Isotop kinetisch begünstigt gegen Schwereres.
Sehr präzise!
Doppelt fokussierende MS:
 hohe Auflösung
bis zu 6 Nachkommastellen in der Teilchenmasse bestimmbar!
Auflösungsvermögen begrenzt durch unterschiedliche kinetische Energie der Teilchen,
die die Ionenquelle verlassen  Bogen der geflogen wird = unterschiedlich 
Energieunschärfe.
 Ionen einer Ionensorte!
Bei doppelt fokussierendem MS: A = bis zu 500.000!
magnetisches Feld
r
IQ
r
alle Ionen einer Sorte haben
die gleiche kinetische Energie
elektrisches Feld
Vor dem magnetischen Feld ist ein elektrisches Feld geschaltet, um sie alle auf
gleiche kinetische Energie zu bringen.
-7-
quadrupol-MS
Stablänge ~30 cm
M+
Q
Zwischen den Stäben: quadrupol-Feld (=Gleichspannung, der eine hochfrequente
Wechselspannung überlagert ist)
Wechselspannung wandert über alle vier Pole.
+ wandert in Schlangenlinien, weil kurzfristig ein Stab positiv geladen ist  bei 4
Polen  Spirale!
Ion beschreibt eine Schraubenförmige Bahn.
Bei einem best. Verhältnis von Gleichspannung zu Wechselspannung erreicht nur eine
Ionensorte den Detektor.
Alle anderen Ionen verlassen das quadrupol-Feld oder prallen gegen die Stäbe,
werden entladen und von der Vakuumpumpe abgesaugt  kommen nie zum Detektor.
Vorteil:
 Extrem schnelle Spektrenaufzeichnung (kein Magnetfeld – elektrische Felder
lassen sich sehr rasch verändern)
 GC/MS-Kopplung (am meisten verwendetes MS)
 Auflösungsvermögen veränderbar (A = 700-2000)
(durch Veränderung des Verhältnisses Gleichspannung zu Wechselspannung)
Heute das am meisten verwendete MS (kombiniert mit GC).
I
GC
MS
t
-8-
TOF-MS (Time of Flight-MS)
Flugzeit MS
IQ
D
1m
1-30 µs
MALDI-TOF
Soll/muss kombiniert werden.
Ist nur für den Pulsbetrieb geeignet.
Es können Molmassen bis zu >100 kDa gemessen werden  unbegrenzter
Massenbereich (= man kann auch sehr schwere Teilchen messen!)
z.B. für DNA, Proteine
Ion Trap
Alternative zu TOF
Pulsbetrieb
Ionen in „Käfig“, werden Schritt für Schritt herausgelassen.
AMS
Accelerating Mass Spectroscopy
Bei Alterbestimmung (14C-Methode) - Funktioniert nur bei organischen Substanzen.
2. Detektoren
Photographische Platte
Nur historische Bedeutung
Faraday-Cup
Verstärker
Ion
10-8-10-16 Ampere
A
Ion wird entladen (-neutralisiert)  e- fließen. Stromfluss wird gemessen.
Sehr präzise!
Für extrem geringe Spuren (<10-15 A) nicht geeigenet.
-9-
SEV mit Konversionselektrode
= Umwandlungselektrode
Elektrode (= Cu/Be-Legierung)
Beim Aufprall des Ions wird ein e- aus der Elektrode herausgeschlagen.
dynode
e-
Cu…am besten leitfähig
Be…weil Cu alleine zu weich ist
Ion
Üblicherweise 8-12 Dynoden.
Für extrem geringe Spuren geeignet.
Routinemäßig eingesetzt.
Microchanneltron
Wie SEV
Gestalt eines Hornes.
Anstelle der Konversionselektrode Pb-dotiertes Spezialglas.
Ion schlägt aus Pb-dotiertem Glas e- heraus, die kaskadenartig verstärkt werden.
low voltage
continous dynode
detector
high voltage
e-
3. Auswertung von Massenspektren
amu
Teilchen
100
abundance
H2O
16 17 18
18
17
16
m/z
- 10 -
H2O+
OH+
O+
amu
Teilchen
abundance
100
12 16 22
28
44 45
45
44
28
22
16
m/z
13
CO2+ (~1,1% 13C)
CO2+
CO+
CO22+
O+
abundance
Auswertung von MS beginnt beim Molekül.
Molekülpeak  größer m/z-Wert mit Ausnahme des Isotopenpeaks.
Molekülpeak
Isotopenpeak
m/z
Molekülpeak enthält Informationen über:
 Stabilität
z.B. Aromaten (stabile), langkettige KW (instabile)
Molekülpeak kann auch fehlen  Auswertung schwer
 Relative Molmasse der Substanz
 Stickstoffregel
Tritt der Molekülpeak bei einem ungeraden m/z-Verhältnis auf, so enthält die
Substanz eine ungerade Anzahl an Stickstoffatomen.
Begründung:
Isotopenpeak
abundance
(M+1)+
12C:13C ~ 100:1,1
M+
CH3
H3C
O
(M+1)+
3,3
(M+1)+
Abschätzen der Anzahl der C-Atome
100  (M  1) 
~ Anzahl der C-Atome
1,1  M 
(M+1)+ - Peak muss immer auftreten, wenn C-Atome vorhanden sind.
- 11 -
(M+2)+
Peak ist auf Cl (oder Br) zurückzuführen
35Cl:37Cl~3:1
79Br:81Br~1:1
Bestimmung polychlorierter Dibenzodioxine (PCDD) und Dibenzofurane (PCDF):
Aromatisierte Ether mit 1-8 Cl-Atomen.
75 PCDD und 135 PCDF-Kongenere (=mit gleichem Stamm)
Extreme Toxizität: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
O
Dibenzofuran
abundance
Analysemethode: Kapillar-GC-MS-Kopplung mittels Massenfragmentometrie
(SIM…Selected Ion Monitoring)
322 Cl (1 37Cl)
M+
320
324 Cl (2 37Cl)
326 Cl (3 37Cl)
(M+1)+
323
321




325
328 Cl (4 37Cl)
327
Führt zu Leberschäden  Leberkrebs
Entsteht bei Verbrennungsprozessen
In Tierfutter
In Kriegen abgeworfen (Agent Orange)
m/z
Pattern recognition – nur ein best. Muster untersuchen
M = 12C, 2O, 4Cl, 4H
M = 144 + 32 + 140 + 4
(M+1)+  auf
13C
zurückzuführen
Fragmentpeaks
91, 77, 43, 30
91
H2
C
R
C7H7+
C6H5+
91:
Aromat mit Seitenkette
77:
43: CH3CO+
Ketone
30: CH4N+
Amine
Bei geradzahliger Molmasse sind die Fragmente bei einer einfachen Fragmentierung
ungeradzahlig.
z.B. Aceton M=58 Fragmente: 43 & 15
- 12 -
Δ-Massen
M+
15
43
58
abundance
Δ-Masse von 15 deutet auf eine Methylgruppe hin.
Tabelle:
15
CH3
17
OH
18
H2O
28
CO
am aussagekräftigsten sind die Δ-Massen vom Molekülpeak ausgehend.
105
M+
182
77
51
28
77
m/z
Aromat (ohne aliphatische Seitenkette)
 C/H/O
 CO-Gruppe (Δ-Masse von 28)
 2 Aromaten
O
Beispiel:
Peaks 15  CH3
43  Keton
58
CH3
H3C
43
15
O
 Aceton
Beispiel:
Hauptpeak: 78!
Kaum Bruchstücke
Isotopenpeak 79  6 (Wert)  100:6,6
 Benzol
Beispiel:
Peaks 91 & 106
C
H2
 Ethylbenzol
CH3
15
91
- 13 -
abundance
Metastabile Peaks
Treten dadurch auf, dass Bruchstücke erst im Analysator gebildet werden (nicht in der
Ionenquelle).
m/z
4. weitere Anwendungen der MS
He-Lecksuche
z.B. bei Rohrleitungen
mit Hilfe eines tragbaren MS wird das Austreten von He aus einer technischen Anlage
überprüft.
Leitung wird mit He gefüllt und entlang gemessen.
ID-MS (MS-IDA)
Isotope Dilution MS / MS Isotope Dilution Analysis
 Referenzverfahren
Altersbestimmung
14C-Analyse = Radiokarbonmethode
 Spezialform der MS
K/Ar-Methode
Alter von Gesteinen
- 14 -