Massenspektrometrie (MS)

Die Massenspektrometrie ist eine moderne und leistungsfähige Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse von organischen und anorganischen Molekülverbindungen oder von Elementsubstanzen. Heute existieren eine Vielzahl von Massenspektrometern für verschiedene Anwendungszwecke. Der prinzipielle Aufbau eines Massenspektrometers ist in Bild 1 dargestellt.

Probenaufgabe und Ionisierung

Die Probe wird zunächst im Vakuum verdampft und ionisiert. Die Ionisierung kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Je nach verwendeter Methode zerbrechen die Moleküle der Probe in Bruchstücke (Fragmente) und bilden Fragment-Ionen; oder es entstehen Molekül-Ionen des ursprünglichen, unfragmentierten Moleküls. In Abhängigkeit von der Ionisierungsart werden positiv oder negativ geladene Ionen gebildet. Sie können einfach oder auch mehrfach geladen sein.

Möglichkeiten der Ionisierung

• EI (electron impact):
  Die verdampfte Probe wird mit einem Elektronenstrahl aus einer Glühkatode beschossen. Durch den Aufprall dieser Elektronen werden weitere Elektronen aus dem Molekül gerissen, so dass positiv geladene Ionen entstehen. Durch die hohe Energie des Elektronenstrahls entstehen bei dieser Methode hauptsächlich Fragmente des ursprünglichen Moleküls. Dabei bricht das Molekül zuerst an den schwächsten Bindungen. Aus der Art der Fragmente kann man Informationen über die ursprungliche Struktur gewinnen.
  
• ESI (electron spray ionisation):
  Die gelöste Probe wird durch eine winzige positiv geladenen Nadel in eine Vakuumkammer gesprüht und in das Spektrometer gesaugt. Dabei werden die winzigen Tröpfchen positiv geladen. Im Vakuum verdampfen die Lösungsmitteltröpfchen, bis nur noch die Moleküle der Probe übrig sind. So können auch mehrere positive Ladungen an einem Molekül verbleiben. Da diese Methode sehr "mild" ist, entstehen keine Fragmente. Die Nadel kann wahlweise auch negativ geladen sein, dann verbleiben negative Ladungen auf den Molekülen. Für diese Methode bekam der Amerikaner JOHN FENN gemeinsam mit dem Japaner KOICHI TANAKA im Jahe 2002 den Nobelpreis für Chemie.
  
  
• CI (chemical ionisation):
  Bei dieser Methode wird ein leicht zu ionisierendes Hilfsgas z. B. Amoniak oder Methan verwendet. Dieses Hilfsgas wird zunächst mittels EI ionisiert, dann überträgt es beim Zusammentreffen mit dem Analyten die Ladung auf diesen.
  
  
• MALDI (matrix associated laser desorbtion):
  Diese Technik eignet sich besonders für große Moleküle. Die Probe wird zusammen mit einer aromatischen Säure (z. B. Nicotinsäure, oder Benzoesäure) als Matrix gelöst und auf eine Metall-Platte (Target) aufgebracht, das Lösungsmittel verdampft und hinterlässt die Probe in der Matrix. Die so vorbereitete Probe wird mit einem Laser beschossen, wobei die Matrix verdampft und die Probenmoleküle mit in die Gasphase reist. Die beim Laserbeschuss ionisierte Probe überträgt dann ihre Ladung auf den Analyten.

Ionentrennung und Analyse

Im Analysatorteil erfolgt die Auftrennung der Ionen durch ein äußeres Magnetfeld in Abhängigkeit von ihrem Masse/Ladungsverhältnis (m/z). Bei gleicher Ladung werden die leichtesten Ionen am stärksten abgelenkt. Ein Detektor registriert die beim Trennungsvorgang erhaltenen Ionen durch Messung des Ionenstroms. Daraus erhält man ein Massenspektrum, in dem die Lage der Signale (Peaks) dem Verhältnis m/z und die Signalintensität der Häufigkeit der Ionen proportional sind. Dabei muss man beachten, dass bei einigen Ionisierungsarten auch mehrfach geldadene Ionen entstehen können. Ein zweifach geladenes Ion (z = 2) wird vom Detektor bei der Hälfte seiner eigentlichen Masse detektiert, da die Trennung ja aufgrund des m/z–Verhältnisses erfolgt.

Möglichkeiten der Ionentrennung

• Sektorfeldgerät
  Die Trennung der Ionen erfolgt auf einer gekrümmten Flugstrecke durch ein Magnetfeld. Bei einer betimmten Stärke des Magnetfeldes gelangen nur Ionen mit einem bestimmten m/z–Verhälniss zum Detektor (siehe Bild 1).
  
• TOF (time of flight / Flugzeit)
  Bei dieser Methode fliegen die positiv geladenen Ionen in einem senkrechten Flugrohr auf ein negatives Potenzial zu, wobei sie sich wärend der Flugzeit entsprechend ihrem m/z-Verhältnis trennen.
  
• Quadrupol
  Die Trennung erfolgt auf einer kurzen Flugbahn durch ein genau einstellbares, elektromagnetisches Feld welches von vier elektrischen Polen (zwei Pluspole und zwei Minuspole) aufgespannt wird.

Anwendungen der Massenspektrometrie
Die Auflösung der Massenspektrometrie ist so genau, dass einzelne Isotope eines Elements, die sich ja meist nur um eine Massenzahl unterscheiden, voneinander getrennt werden. Dies führt dazu, dass man im Massenspektrum ein charakteristisches Isotopenmuster erkennen kann, welches sich aus der natürlichen Häufigkeit der Isotope der einzelnen Atome ergibt. Da kleinste Mengen von Stoffen nachgewiesen werden, untersucht man massenspektrometrisch Kernreaktionen, z. B. mit dem Ziel, neue Elemente zu entdecken.

Das Hauptanwendungsfeld liegt jedoch in der Analyse organischer Molekülverbindungen (Bild 2). Aus dem sogenannten Molekülpeak lässt sich die molare Masse der Verbindung ablesen. Andere Peaks können charakteristischen Bruchstücken zugeordnet werden. Das Massenspektrum ist für eine Molekülverbindung so charakteristisch wie ein Fingeabdruck. Deshalb kann anhand des Spektrums nahezu jede organische Verbindung identifiziert werden. Die Massenspektren bekannter Verbindungen sind in riesigen Datenbanken gespeichert, sodass durch Vergleich des gemessenen Spektrums die Identifizierung erheblich vereinfacht wird.

Bei neuen Verbindungen, deren Struktur noch nicht bekannt ist, lassen sich aus dem Fragmentierungsmuster Rückschlüsse zum Bau der Moleküle ziehen. Dadurch kann letztlich die komplette Molekülstruktur aufgeklärt werden. So hat sich die Massenspektrometrie zu einer leistungstarken Methode zur Strukturaufklärung von Proteinen entwickelt, ebenso zur Entwicklung von neuen Medikamenten. Man kann mit ihr u. a. untersuchen, wie neue Anti-Tumorwirkstoffe mit der DNA in den Zellen wechselwirken.

Die Massenspektrometrie zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und eine sehr niedrige Nachweisgrenze aus. Daraus ergeben sich weitere vielfältige Anwendungen. Sie wird z. B. in der Medizin und Toxilologie zur Untersuchung von Blut auf Vergiftungen oder zum Nachweis von Drogen (Blutalkoholgehalt, Kokain) genutzt bzw. in der Umweltanalytik zum Nachweis von Schadstoffen in der Luft oder in Bodenproben.

Oftmals werden der Massenspektrometrie noch Trennmethoden wie Gaschromatografie oder HPLC vorangestellt, um komplexe Probengemische aufzutrennen. Ein Massenspektrometer als Detektor an einem Gaschromatografen ist ein „intelligenter“ Detektor, da mit diesem Detektor nicht nur festgestellt wird, dass eine Substanz vorhanden ist, sondern auch, um welche Substanz es sich handelt. Letzteres erfolgt wieder durch Vergleich mit der im Gerät vorhandenen Datenbank. Die Anwendungsbreite ist nahezu unerschöpflich und macht die Massenspektrometrie zu einer der wichtigsten und leistungsfähigsten Methoden der modernen Analytik (Bild 3).

Auch in den mobilen elektronischen Schnüffelnasen zur Detektion von Sprengstoff oder Drogen im Gepäck steckt ein Massenspektrometer. Diese Ionenmobilitäts-Spektrometer arbeiten bei Normaldruck. Die zu analysierenden Stoffe gelangen dabei durch eine dünne Membran in das Gerät, werden dort z. B. durch radioaktive Strahlung ionisiert und die Ionen driften dann in einem elektrischen Feld zum Detektor. Dabei strömt ihnen ein Gas entgegen, das die Bewegung der Ionen je nach Größe und Form unterschiedlich stark hemmt, sodass sie nacheinander dort ankommen. Die Driftzeit, die im Millisekundenbereich liegt, ist für einen Stoff charakteristisch. Mit diesen Schnüfflern kann man sofort selbst verschiedene Duftnoten gerösteter Kaffeebohnen erkennen.

Die Tatsache, dass selbst Isotope eines Elements aufgrund ihres unterschiedlichen m/z-Verhältnisses getrennt werden, wird in der Umweltanalytik genutzt. So enthält der Sauerstoff 99,76 % des Isotops ¹⁶O und 0,2 % des Isotops ¹⁸O. Wasser der Zusammensetzung H₂ ¹⁶O siedet bei 100,0 °C, aber Wasser mit dem schwereren Sauerstoffisotop H₂ ¹⁸O erst bei 101,5 °C. Aus kälterem Wasser verdunstet somit etwas weniger H₂ ¹⁸O als aus wärmerem. Damit ist der Gehalt dieser Spezies im Niederschlag auch etwas geringer.
So konnte man durch eine hochpräzise Analyse der Sauerstoff-Isotopen-Verhältnisse in scheibchenweise zerlegten Eisbohrkernen der Antarktis und Grönlands die mittlere Jahrestemperatur der Erde über mehrere Hunderttausende von Jahren zurückverfolgen.

Die Leistungsfähigkeit der Massenspektroskopie in der Spurenanalytik zeigt das folgende Beispiel: Durch Laserbeschuss kann zur Spurenelementbestimmung in biologischem Material eine Probe aus einem Spot von 1 µm Durchmesser bei 0,1 µm Kratertiefe verdampft werden. Mit einem Flugzeit-Massenspektrometer erreicht man dann Nachweisgrenzen von 10^-18 bis 10^-20 g des gesuchten Elements! Anders ausgedrückt entspricht das etwa 1000 Atomen aus einem Probevolumen von 10^-10 mm³!