Massenspektrometrie

Einsatz der Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie ist eine sehr vielfältige Analysemethode. Die dabei erhaltenen Massenspektren stellen vor allem im Bereich der analytischen Chemie ein wichtiges Werkzeug für die Aufklärung der Zusammensetzung und der Struktur von Molekülen oder Gemischen dar.

Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionenquelle, einem Analysator sowie einem Detektor. Es ermöglicht das Messen des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses von Ionen. Bei bekannter Ladung lässt sich so die Masse der ionisierten Teilchen bestimmen.

Massenspektrometer sind je nach Komplexität der zu analysierenden Proben in Kombination mit verschiedenen Analysemethoden, z.B. Gaschromatographie (GC) und Flüssigchromatographie (LC) variabel konstruierbar. Die Massenspektrometrie ist eine sehr leistungsfähige analytische Methode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von gasförmigen Analyten.

Ablauf der Massenspektrometrie

Der Ablauf der Massenspektrometrie wird in vier Phasen unterteilt: Ionisierung, Trennung, Erfassung und Identifikation.

Ionisierung

Abhängig von der Ionenquelle werden Gase, verdampfbare Flüssigkeiten oder auch Feststoffe in der Gasphase ionisiert und analysiert. Die Substanzen der Probe werden innerhalb der Ionenquelle durch zum Beispiel Feldionisation, Photoionisation, Sprühionisation oder Elektronenionisation ionisiert und liegen anschließend in Form geladener Atome und Fragmente vor.

Trennung

Die Ionen werden über ein elektrisches Feld aus der Ionenquelle extrahiert, beschleunigt und anschließend an den Analysator übergeben. Werden die Ionen durch ein elektromagnetisches Feld in einem definierten Bereich gehalten, ist eine mehrfache Wiederholung von Anregung und Massenselektion möglich. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten Ionenfalle. Die Frequenz, mit der sich die Ionen in der Ionenfalle bewegen, ist vom Verhältnis Masse zu Ladung abhängig.

Erfassung

Nun können die Ionen auf verschiedene Weise detektiert werden. Durch eine Änderung des Feldes kann die Kreislaufbahn der Ionen mit einem definierten Masse-zu-Ladung-Verhältnis destabilisiert werden. Die Ionen verlassen somit die Ionenfalle und werden anschließend am Detektor erfasst. Da die Feldänderung bekannt ist, kann das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Ionen ermittelt und ihre Masse sowie Häufigkeit an Hand der Lage und Intensität der Peaks aus den erhaltenen Massenspektren abgelesen werden. Neben den Ionenfallen-Massenspektrometern gibt u.a. noch Flugzeit-, Quadrupol- oder auch Sektorfeld-Massenspektrometer.

Identifikation

Moleküle, die in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften voneinander verschieden sind, jedoch die gleiche Summenformel und damit die selbe Masse besitzen, werden Isomere genannt. Zerlegt man diese Isomere, so zerfallen sie molekülspezifisch in kleinere ionisierte Moleküle, Fragmente oder Atome, welche sich in ihrer Masse und Ladung unterscheiden. Auf diese Weise ist eine Identifikation von reinen Substanzen und Gemischen möglich.

Anwendungsbereiche der Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie (MS) ist ein extrem empfindliches Analysenverfahren, das häufig in Kombination mit anderen Verfahren eingesetzt wird (zum Beispiel ICP-MS, GC-MS, IR-MS, CE-MS oder EI-MS). Das sehr breite Anwendungsspektrum reicht von der Steuerung technischer Produktionsprozesse in der Industrie über die Forschung in diversen naturwissenschaftlichen Disziplinen bis hin zur Spurenanalyse von Schwermetallen oder der Bestimmung komplexer organischer Moleküle – zum Beispiel in der Umweltanalytik.