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Massenspektrometrie



Die Massenspektrometrie (Massenspektroskopie, Massenspektrographie) ist eine Analysenverfahren zur Bestimmung von chemischen Elementen, Molekülmassen und Massenfragmenten. Für einen Analyten (die zu testende Substanz) wird die Häufigkeit, mit der geladene Moleküle und geladene Massenfragmente Ionen auftreten, bestimmt. Die Massenspektrometrie ist eine wichtige Methode der analytischen Chemie bei der Aufklärung der Struktur und Zusammensetzung von Verbindungen und Gemischen. Der qualitative (Erkennung von unbekannten Substanzen) und quantitative (Wieviel einer Substanz ist vorhanden) Nachweis sehr kleiner Substanzmengen ist möglich.

In der Physik werden Massenspektrometer verwendet, um die Isotopenzusammensetzungen der chemischen Elemente zu messen.

Table of contents
1 Aufbau eines Massenspektrometers
2 Auswertung der Massenspektren
3 Weblinks

Aufbau eines Massenspektrometers

Ein Massenspektrometer (MS) besteht aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einem Detektor. Diese Bauteile werden im Folgenden beschrieben. In Ionenfallen-Massenspektrometern können die Ionenquelle und der Analysator zusammenfallen. Sie werden gesondert beschrieben.

Ionenquelle

In der Ionenquelle wird der Analyt ionisiert. Es kommen verschiedene Methoden zum Einsatz:

Die Ionenquelle liegt auf einem hohen elektrischen Potential (einige kV). Nach Verlassen der Ionenquelle werden die Ionen deshalb beschleunigt.

Analysator

Im Analysator werden die Ionen nach ihrer Masse getrennt. Dafür gibt es mehrere Methoden:

Ionenfallen-Massenspektrometer

Der Analyt wird ungeladen in die Ionenfalle eingelassen und dort ionisiert. Zwei Arten von Ionenfallen werden eingesetzt:
  1. In der Ionenfalle herrscht ein homogenes Magnetfeld, das die Ionen auf Kreisbahnen mit einer massenabhängigen Umlauffreqeuenz zwingt. Die Ionen müssen zunächst mit einem Anregungsimpuls in Phase gebracht werden. Danach kann die Resonanzfrequenz gemessen werden. Wenn Ionen mit unterschiedlicher Masse vorhanden sind, muss das gemessene Signal fouriertransformiert werden, daher die Bezeichnung Fouriertransformations-Ionencyclotronresonanz-Massenspektrometrie (FTICR-MS).
  2. In der Ionenfalle herrscht ein elektrisches Quadrupolfeld. Das Feld wird durch drei rotationssymmetrische Elektroden erzeugt: zwei Endkappenelektroden und eine mittlere Ringelektrode. Zwischen der Ringelektrode und den Endkappenelektroden liegt eine Überlagerung einer Gleich- und einer Wechselspannug an. Während einer Analyse wird die Amplitude des Wechselspannungsanteils erhöht. Je nach Ionen-Masse werden die Ionen bei Erreichen unterschiedlicher Amplituden aus der Ionenfalle geschleudert und gelangen zum Detektor.

Ionenfallen-Massenspektrometer können im Gegensatz zu den vorher genannten Spektrometertypen nicht kontinuierlich betrieben werden, d.h. Ionisation und Analyse laufen nacheinander und nicht parallel ab.

Voraussetzung für die Bestimmung der Masse m ist die Kenntnis der Ladung z des Ions, denn die Analysatoren können die Ionen nur nach dem Verhältnis m/z trennen. z ist jedoch immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e: , und meistens ist n=+1 (einfach positiv ionisiert).

Detektor

Als Detektor wird meistens ein Sekundärelektronen-Vervielfacher (SEV) oder ein Faraday-Auffänger verwendet. Daneben werden auch Daly-Detektoren, Mikrokanalplatten und Channeltrons verwendet. Früher wurden auch Fotoplatten benützt.

Kopplung mit Chromatographen und MS/MS-Kopplung

Wenn der Analyt aus mehreren Verbindungen besteht, ist es nützlich, diese in einem Gas- oder Flüssigkeits-Chromatographen zu trennen, bevor man sie dem Massenspektrometer zuführt. Diese Koppelung ist bekannt unter den Kürzeln GC/MS (Gas Chromatography / Mass Spectrometer) bzw. LC/MS (Liquid Chromatography / Mass Spectrometer). Für LC/MS sind ESI und APCI als Ionisationsmethoden besonders geeignet.

Bei chemischen Untersuchungen ist oft von Interesse, die mit einem Massenspektrometer getrennten Ionen weiter zu spalten und erneut zu untersuchen. Das erreicht man durch Reihenschaltung zweier Analysatoren (MS/MS), zwischen denen die Ionen angeregt werden, z.B. durch Kollision mit Gasatomen. In Ionenfallen-Massenspektrometer ist eine mehrfache Wiederholung von Anregung und Massenselektion möglich, ohne dass ein weiteres Bauteil benötigt wird.

Auswertung der Massenspektren

Zunächst muss die Masse des Analyten bestimmt werden. Normalerweise ist das die Masse des schwersten detektierten Ions (Molpeak). Allerdings ist bei der Elektronen-Ionisation oft ein Großteil der Moleküle gespalten. Testweise kann die Elektronenenergie verringert werden, so dass weniger Moleküle gespalten werden und der Molpeak deutlicher sichtbar wird.

Die weitere Auswertung basiert darauf, dass die Atome der verschiedenen chemischen Elemente einen unterschiedlichen Massendefekt haben. Bei leichten Molekülen gibt es nur eine oder wenige Atom-Kombinationen, die zur gemessenen Masse passen.

Bei schwereren Molekülen stehen jedoch oft sehr viele mögliche Summenformeln zur Auswahl. Weitere Hinweise liefern die Isotopenzusammensetzungen der verschiedenen Elemente. So besteht der Kohlenstoff z.B. zu 98.9% aus 12C und zu 1.1% aus 13C. Je nachdem, wieviele C-Atome im Molekül vorhanden sind, sind neben dem Hauptpeak im Spektrum Nebenpeaks zu finden, die vom Hauptpeak um 1amu, 2amu etc. entfernt sind und ein charakteristisches Intensitätsverhältnis zum Hauptpeak haben.

Die genannten Methoden sind auch auf die Bruchstücke anwendbar. Moleküle brechen oft an charakteristischen Stellen. Aus der Masse der Bruchstücke und evtl. weiteren Informationen kann schließlich die Strukturformel bestimmt werden.

Siehe auch: ICP-TOF-MS, GCxGC-TOF-MS, NanoSIMS

Weblinks




     
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