Vorlesung Massenspektrometrie

2 Massenspektrometrie
2.1 Grundlagen
•
•
•
•
relative Atommasse  Massenzahl
Summe  relative Molekülmasse M
Isotope
– ein Element
– gleiche Protonenzahl, aber verschiedene Neutronenzahl
Isobare
– Teilchen gleicher Masse, aber verschiedener Zusammensetzung
Verhältnis Masse / Ladung (m/z)
Massenspektrum:
• x-Achse: m/z-Verhältnis (Ionenmasse / Ionenladung)
• y-Achse: relative Häufigkeit der detektierten Ionen (intensivster Peak  100 %)
• Strichspektrum (aus einem vereinfachten aufgenommenen Spektrum)
2.2 Was kann Massenspektrometrie?
•
•
•
Moleküle in Bruchstücke zerlegen  Rückschlüsse auf Probenmolekül
Probenmenge: 1 - 50 μg
Spurenanalytik: pg-Bereich (10-12 g)
Messung von Gasen, Flüssigkeiten, Lösungen, Feststoffen
geeignet für:
• verdampfbare organische Moleküle
• Reinsubstanzen (95-98%)
• Strukturaufklärung organischer Verbindungen (ggf. in Kombination mit anderen Methoden)
nicht oder bedingt geeignet für
• Gemische
• verunreinigte Verbindungen
• thermisch instabile Verbindungen
• stark polare Substanzen (vor der Aufnahme methylieren)
Begriffe:
• Molekül-Peak
- durch das ionisierte Molekül-Ion M+
- relative Molekülmasse der Verbindung
• Basis-Peak
- Peak mit der höchsten Intensität (= 100%)
• Isotopen-Peaks
- rechts vom Molekül-Peak
- durch natürliche Häufigkeit der Isotope
• Fragment-Peaks
- durch Zefallsreaktionen (Fragmentierungsreaktionen)
- links vom Molekül-Peak
2.3 Spektrenauswertung
natürliche Häufigkeit stabiler Isotope:
Molekülpeak M
M+1
M+2
Wasserstoff
99,99 %
0,01 %
Kohlenstoff
98,93%
1,07%
Sauerstoff
99,76%
0,04%
Stickstoff
99,64%
0,36%
Schwefel
94,99%
0,75%
4,25%
Phosphor
100%
Silicium
92,22%
4,68%
3,09%
0,20%
Fluor
100%
Chlor
75,76%
24,24%
Brom
50,69%
49,31%
Iod
100%
M+4
0,01%
Fragmentierungsmöglichkeiten
• hauptsächlich
Molekül AB + e  AB•+ + 2 e
in geringerem Maße AB + e  AB2+ + 3 e
AB + e  AB•• AB•+  A + B•+
AB•+  A• + B+
• Massenspektrum
– Registrierung der Ionen
– Radikale und Moleküle als Differenzen
Aliphatische Kohlenwassestoffe
•
•
•
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
15
CH3 +
geringe Intensität (oder gar nicht zu sehen)
29
CH3-CH2 +
43
CH3-CH3-CH2 +
energetisch begünstigt  meist Basispeak
+
57
CH3-CH2-CH2-CH2
71
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2 +
energetisch begünstigt
verzweigte Kohlenwasserstoffe  Ionen mit größerer Intensität als die ihrer homologen
Nachbarn
cyclische Kohlenwasserstoffe
m/z
Fragment-Ion
Cyclohexan
56
C4H8 +
Cyclohexen
54
CH2=CH-CH=CH2 +
Beispiel: Cyclohexen  Alken und Dien
m/z = 28
m/z = 54
Bemerkung
Retro-Diels-Alder-Spaltung
Aromatische Kohlenwasserstoffe
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
91
Tropyliumion C7H7 +
energetisch begünstigt  meist Basispeak
77
C6H5 +
energetisch begünstigt
65
C5H5 +
51
C4H3 +
Halogenkohlenwasserstoffe
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
35 und 37
35
Chlorverbindungen
36 und 38
H35Cl + / H37Cl +
Chorverbindung (Isotopenmuster beachten)
79 und 81
79
Bromverbindung (Isotopenmuster beachten)
127
Cl +/
37
Cl +
Br + / 81Br +
127 +
I
(Isotopenmuster beachten)
Iodverbindung (oder Naph-thylverbindung C 10H7 +)
Sauerstoffverbindungen
•
Alkohole: in der Regel kein Molekülpeak  leichte Abspaltung von Wasser
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
31
CH2=OH+
primäre Alkohole
45
CH3-CH=OH +
sekundäre Alkohole
59
CH3-CH2-CH=OH +
tertiäre Alkohole
McLafferty-Umlagerung
•
•
•
bei Verbindungen ab 4 C-Atomen mit mindestens einer Doppelbindung (C=C, C=O, C=N)
interne Umlagerung
H-Atom wird auf Heteroatom übertragen  Heterokation und neutrales Alken
m/z
Molekül-Ion
Aldehyde
44
CH2=CHOH• +
Ketone
58
CH2=C(CH3)OH• +
Säureamide
59
CH2=C(NH2)OH• +
Carbonsäuren
60
CH2=C(OH)2 • +
•
Phenole, Carbonsäuren, Säureamide  leichte Abspaltung von Wasser
•
langkettige Carbonsäuren
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
73
CH2=CH-C(OH)=OH +
Spaltung am γ-C-Atom
Stickstoffverbindungen
•
Stickstoffregel
– enthält eine Verbindung eine ungerade Zahl von N-Atomen, erscheint der Molekülpeak
bei ungeradem m/z-Verhältnis
m/z
Fragment-Ion
Bemerkung
30
CH2=NH2 + oder CH3-NH+
primäre oder sekundäre Amine
30
NO +
44
46
Nitroverbindungen
+
CH2=CH-NH2 oder CH3-CH2-NH
+
primäre oder sekundäre Amine
O=C=NH2 +
primäre Amide
NO2 +
Nitroverbindungen
Schwefelverbindungen
m/z
32
47
Fragment-Ion
+
Bemerkung
Thiole, Thioether (Isotopenmuster beachten)
S
+
CH =SH
Thiole, Thioether (Isotopenmuster beachten)
2
Massendiffenzen (Auswahl)
∆m
mögliches abgespaltenes
Fragment
M-1
H.
M-15
CH3 .
Methylgruppe
M-16
NH2 .
Amine, aromatische Säureamide
M-17
OH .
Alkohole, Phenole, Carbonsäuren, -amide
NH3 .
Amine
H2O .
Alkohole, Phenole, Aldehyde, einige Ketone
M-18
Hinweis auf
H in fragmentierungsgünstiger Stellung
2.4 Spektrometeraufbau
Messprinzip
• Moleküle werden in der Gasphase ionisiert und zerfallen in
• Molekül-Ionen, geladene Bruchstücke (hauptsächlich Kationen, teilweise Ionen aus
Umlagerungen, selten Anionen)
• Radikale
• Neutralteilchen
• geladene Teilchen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt,
• in einem magnetischen Feld auf eine Kreisbahn abgelenkt und
• detektiert
2.4.1 Probeneinlasssystem
•
•
Gase, Flüssigkeiten  direkter Einlass bei niedriger Temperatur
feste Substanzen mit Fp oberhalb der Raumtemperatur  direkter Einlass auf einer Schubstange
– thermisch unbeständige Substanzen  mit gekühlter Schubstange
– schwerflüchtige Substanzen  mit geheizter Schubstange
2.4.2 Ionenquelle
•
ein Elektron aus der äußersten besetzten Schale des Moleküls wird herausgeschlagen
– Elektronenstoßionisation EI
– Feldionisation FI
– Felddesorption FD
– thermische Ionisation TIMS
– chemische Ionisation CI
– Fotoionisation
– weitere
• matrixunterstützte Laserdesorption/-ionisation MALDI
• Elektronensprayionisation ESI
• fast atom bombardment FAB
Elektronenstoßionisation
•
•
Moleküle im Gaszustand (10-4 Pa)
Elektronen aus einer Heizwendel werden auf ca. 70 eV beschleunigt
Feldionisation
•
elektrische Spannung zwischen feinen Nadelspitzen (Wolframdraht-“Flaschenbürste“) und
Gegenelektrode
Chemische Ionisation
•
•
ähnlich Elektronenstoß-Ionisation
Reaktandgas wird durch Elektronen (50-100 eV) ionisiert
– Deprotonierung, Protonierung, Adduktbildung, Ladungsaustausch
– Methan, i-Butan, Ammoniak
– Beispiel: Deprotonierung
CH4 + e  CH4•+ + 2 e
CH4•+  CH3+ + H•
H-M + CH3+  CH4 + M+
2.4.3 Massenanalysator
•
•
Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld
Auftrennung im magnetischen Feld
– Sektorfeld
– Quadrupol
Sektorfeld-Massenanalysator
• Ablenkung um 60 oder 90°
• Auftrennung abhängig von
– m/z-Verhältnis
– magnetischer Feldstärke
– Beschleunigungsspannung
Quadrupol-Massenanalysator
• gegenüberliegende Elektrodenpaare an einer Spannungsquelle (Gleich- und Wechselspannung)
• Teilchen auf Spiralbahnen (Trajektorien)
• Variation von Frequenz und Amplitude der Wechselspannung
2.4.4 Detektor
•
ortsauflösend
– Fotoplatte
– Array-Detektor
•
zeitauflösend
– Faraday-Auffänger
– Szintillationsdetektor
– Sekundärelektronenvervielfacher SEV
•
Die Massenspektrometrie selbst ist ein Detektionssystem für Gemischbestandteile (Kopplung mit
Gaschromatographie GC-MS).