Massenspektrometrie (MS)

Definition

• Verfahren zur eindeutigen Identifizierung von Verbindungen aufgrund ihres Verhaltens im elektrischen und magnetischen Feld. 

Messprinzip

• Neutrale Moleküle müssen vor der Messung ionisiert werden. Dabei werden die Moleküle teilweise in Bruchstücke zertrümmert. Die entstandenen Bruchstücke sind charakteristisch für jede Verbindung.
• Die erhaltenen Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und in ein Magnetfeld eingebracht. Hier kommt es aufgrund unterschiedlicher Masse-Ladungs-Verhältnisse zu einer Auftrennung der Ionen, die detektiert werden kann.

Aufbau

• Probenzufuhr
  • Innerhalb der Probenzufuhr müssen die Probenbestandteile in den gasförmigen Zustand überführt werden. Dies kann durch Verminderung des Drucks oder Erhöhung der Temperatur erreicht werden.
• Ionisator
  • Im Ionisator müssen die gasförmigen, neutralen Probenbestandteile ionisiert werden. Das dazu am häufigsten eingesetzte Verfahren ist die Ionenstoß-Ionisation (EI). Die zu untersuchenden Moleküle werden hierbei mit energiereichen Elektronen beschossen. Dies führt zu überwiegend einfach positiv geladenen, radikalischen Molekülionen. 
  • Wird bei der Ionisierung mehr Energie aufgenommen, als für die eigentliche Ionisation notwendig (sogenannte Überschussenergie), so zerfallen die entstandenen Molekülionen in mehreren Schritten (Fragmentierung).
• Trennkammer
  • Die Molekülionen aus dem Ionisator werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und anschließend in ein magnetisches Feld senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung eingebracht.
  • Die Ablenkung der Ionen von ihrer normalen, geraden Flugbahn ist abhängig von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis, ihrer Geschwindigkeit und dem anliegenden Magnetfeld.
  • Durch Änderung der Beschleunigungsspannung oder der Magnetfeldstärke können die Bahnen der Ionen in der Trennkammer so verändert werden, dass nacheinander alle Ionen mit ihren unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen auf den Detektor gelenkt werden. 
  • Gute Massenspektrometer ermöglichen eine sichere Trennung von Ionen mit Unterschieden in der relativen Molekülmasse von unter 0,01 g/mol.
  • Innerhalb der Trennkammer muss ein Hochvakuum herrschen.
• Detektor
  • Im Prinzip handelt es sich um einen Leitfähigkeitsdetektor. Die auf den Detektor treffenden Moleküle erzeugen dort eine Veränderung des fließenden Stroms, der verstärkt und ausgewertet wird.
• Im Massenspektrum wird nun die relative Intensität des gemessenen Signals gegen das Masse-Ladungs-Verhältnis aufgetragen.
• Eine Kalibration des Systems ist zwingend erforderlich.

Bemerkungen

• Eine ideale Kombination zur Identifizierung vieler Substanzen stellt die nachgeschaltete Aufnahme eines Massenspektrums an eine Gaschromatographie dar, da hier die Probe bereits gasförmig vorliegt. Eine Kopplung mit der HPLC oder der CE sind jedoch, wenn auch mit höherem Aufwand, ebenfalls möglich.
• Aufgrund ihrer extrem hohen Selektivität und niedrigen Nachweisgrenze wird die Bedeutung der MS in Zukunft wahrscheinlich stark ansteigen, derzeit ist sie nur noch etwas teuer...

Leistungsbewertung

• Sehr niedrige Nachweisgrenze von nur ca. 1 - 10 pg.
• Sehr hohe Selektivität (Unterscheidbarkeit noch bei Unterschieden in der relativen Molekülmasse von < 0,01 g/mol)
• Sehr teuer...