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1 Stichworte zu Inhalten Übersicht Massenspektrometrie Entwicklung der MS, Anwendungen, Element- und Isotopen-MS Organische Massenspektrometrie Grundbegriffe der Massenspektrometrie Trennung geladener Teilchen durch elektromagnetische Felder Aufbau von Massenspektrometern Einlasssystem, Ionenquelle, Analysator, Detektor, Datensystem Massenskala (m/z = Massenzahl/Ladungszahl), Profil- und Centroidspektren Massenspektrometrie organischer Substanzen Übersicht Ionisierungsmethoden EI, CI, NCI, FAB, MALDI (Ionenerzeugung im Vakuum der Ionenquelle) APCI, ESI (Ionenerzeugung bei Atmosphärendruck) Übersicht Einlassmethoden Direkteinlass (Schubstange, Probe im Mikrotiegel) Indirekter Einlass (Gasdosierventile für Probendampf) Chromatographische Systeme als Einlass GC/MS (EI, CI, NCI) HPLC/MS (APCI, ESI) Elektronenstoßionisation, EI-Ionisierungsprozess Ionisations- und Auftrittspotential, Folgereaktionen Ionenausbeute als Funktion der Elektronenenergie Molekülionen, Isotopensignale, mittlere Häufigkeit natürlicher Isotope 13 C-Signal, Abschätzung der C-Zahl aus dem Intensitätsverhältniss I13 C / I12 C Anzahl C-Atome im Molekül: (I13 C / I12 C ) 1/0,011 Charakteristische Isotopenmuster bei Gegenwart von Si, S, Cl, Br Beispiel: [M] + von 2,3,7,8-TCDD, C 12 H 4 O 2 Cl 4 liefert das Isotopenmuster (4 x Cl!) m/z rel. Int % Cl-Isotope 35 Cl 4 35 Cl 37 3 Cl 35 Cl 37 2 Cl 2 35 Cl 37 Cl 3 Monoisotopische Elemente (Reinelemente) F, P, I Gegenwart von Reinelementen führt zu relativ niedrigen 13 C-Intensitäten Beispiel: Iodbenzol ([M] + m/z 204, 100 %) hat nur ca. 6 7 % m/z 205 Kohlenwasserstoffe C 15 H 24 haben % 13 CC 14 H 24

2 1. Übersicht Massenspektrometrie 1.1 Zur Entwicklung der Massenspektrometrie 1897: J. J. Thomson, Bestimmung von m/z des Elektrons 1898: W. Wien, Ablenkung geladener Teilchen durch elektr. und magn. Felder 1912: J. J. Thomson, Parabelspektrograph, Nachweis der Isotope 20 Ne und 22 Ne Erste Massenspektrometer: 1918: A. J. Dempster, Massenspektrometer (mit elektrischer Registrierung) 1919: F. W. Aston, Massenspektrograph (mit Photoplattenregistrierung) 1934: J. Mattauch und R. Herzog, doppelfokussierende Massenspektrographen 1946: W. E. Stephens, Flugzeitmassenspektrometer (Time of Flight, TOF) 1949: J. A. Hipple Ionen-Cyclotron-Resonanz Spektrometer (ICR) 1953: A. O. Nier, E. G. Johnson, doppelfokussierende Massenspektrometer 1953: W. Paul, Quadrupolmassenspektrometer Erste Anwendungen: Entdeckung neuer Elemente und Isotope, Bestimmung von Isotopenhäufigkeiten und exakten Isotopenmassen (Aston, Mattauch, Nier, u. a.) Seit 1942: Erste analytische Anwendungen in der Erdölchemie, 1954: J. H. Beynon, Qualitative Analyse, Identifizierung organischer Substanzen Seit 1960: Systematische Untersuchungen über elektronenstoßinduzierte Zerfallsreaktionen organischer Substanzen im Massenspektrometer Die weitere Entwicklung: 1966: Chemische Ionisation (CI) Ionencyclotronresonanz (ICR) 1975 Fourier-Transform Methoden (FTICR-MS) 1980: Fast Atom Bombardment (FAB) 1984: Electrospray-Ionisation (ESI) 1986: Matrix assisted laser desorption ionisation (MALDI) Literaturhinweis: J. Mattauch, Präzisions-Massenspektrographen, Naturwissenschaften, 39, (1952) J. H. Beynon, Qualitative Analysis of Organic Compounds by Mass Spectrometry, Nature, 174, (1954) W. Paul und H. Steinwedel, Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld, Z. Naturforschg., 8a, (1953) L. R. Anders, J. L. Beauchamp, C. Dunbar, and J. D. Baldeschwieler, Ion-Cyclotron Double Resonance, J. Chem. Phys., 45, (1966) M. S. B. Munson, F. H. Field, Chemical Ionisation Mass Spectrometry, J..Am. Chem. Soc., 88, (1966) M. B. Comisarow and A. G. Marschall, Fourier and Hadamard Transform Methods in Spectroscopy, Anal. Chem., 47, 491A-504A (1975) M. B. Comisarow and A. G. Marshall, Resolution-enhanced Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy, J. Chem. Phys., 62, (1975) 1

3 1.2 Anwendungen der Massenspektrometrie Element- und Isotopenmassenspektrometrie ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) zur Ultraspurenanalytik von Elementen (z. B. Schwermetalle). Dabei wird die Lösung der aufgeschlossenen Probe in einem Argon-Plasma ionisiert. Die positiven Ionen der interessierenden Elemente werden im Massenspektrometer getrennt und detektiert. Die Empfindlichkeit ist ca. 3-4 Zehnerpotenzen besser als in der ICP-Atomemissionsspektrometrie. Der Messbereich für quantitative Bestimmungen erstreckt sich von 1/10 6 (ppm) bis 1/10 12 (ppt). TIMS (thermal ionization mass spectrometry) zur Isotopenanalyse von Elementen (Metalle, Übergangselemente, Lanthanide, Actinide). In der Ionenquelle des Massenspektrometers werden (positive oder negative) Ionen aus einem erhitzten Salz des Elements emittiert. Nach der Massentrennung werden die Ionen der Isotope simultan in entsprechend angeordneten Detektoren registriert. Es werden Isotopenverhältnisse mit einer Genauigkeit von wenigen ppm bestimmt. IRMS (isotope ratio mass spectrometry) zur Bestimmung der Isotopenverhältnisse von H/D, 13 C/ 12 C, 15 N/ 14 N, 18 O/ 16 O, 34 S/ 32 S sowie Kr und Xe oft im Zusammenhang mit geologischen und biologischen Fragestellungen (Isotopenfraktionierung in geochemischen Kreisläufen und bei der Photosynthese). Die Elemente müssen dabei als gasförmige Substanzen vorliegen (H 2, CO 2, N 2, NO 2, SO 2, SF 6 ), in die sie in speziellen preparation lines aus ihren Verbindungen (z. B. im Gestein, CO 2 aus Carbonaten, O 2 aus Silikaten) überführt werden. Häufigste Anwendungen sind die 13 C/ 12 C- und 15 N/ 14 N-Bestimmung. Organische Substanzen werden dazu on-line mit einem Oxidationskatalysator in CO 2 überführt. Gemische organischer Substanzen können darüber hinaus durch eine vorgeschaltete Gaschromatographie getrennt werden (GC/IRMS, IRM-GC/MS (isotopic ratio monitoring- GC/MS)). AMS (accelerator mass spectrometry, Beschleuniger-Massenspektrometrie) wird hauptsächlich zur 14 C-Bestimmung für Radiocarbon-Datierungen angewandt. Die relativ grossen Anlagen werden von spezialisierten Einrichtungen betrieben. Hauptvorteil gegenüber der konventionellen β-strahlungsmessung zur Radiocarbon-Datierung ist die wesentlich höhere Empfindlichkeit, die die Analyse sehr viel kleinerer Probenmengen gestattet. Massenspektrometrie organischer Substanzen Gegenüber den oben genannten - teilweise sehr speziellen - MS-Methoden hat die Massenspektrometrie organischer Substanzen Anwendungen in vielen Gebieten der Chemie, Biochemie und Molekularbiologie: Identifizierung organischer Substanzen anhand von EI-Spektren, Exakte Massenmessung zur Bestimmung der Elementarzusammensetzung (Summenformel), Strukturaufkärung von Naturstoffen, Synthese-Kontrollen, Sequenzierung von Peptiden, Analytik von Proteinen (Proteomics), Nucleotiden, Oligosacchariden und Lipiden, Biosynthese-Untersuchungen mit isotopenmarkierten Substanzen, Metabolitenprofile aus Blut und Urin in der klinischen Chemie, Nachweis von Medikamenten oder Giften in der forensischen Chemie, Rückstandsanalytik von Lebensmitteln und Ultraspurenanalytik (z. B. Dioxinanalytik) im Umweltbereich. 2

4 2. Grundbegriffe der Massenspektrometrie 2.1 Trennung geladener Teilchen durch elektromagnetische Felder Gemeinsames Prinzip aller Massenspektrometer ist, daß Ionenstrahlen im Hochvakuum durch eine geeignete Anordnung magnetischer und/oder elektrischer Felder in Komponenten gleicher spezifischer Ladung ( m / z ) separiert werden. Die Kraft v v v K( r, r &, t ), die ein elektromagnetisches Feld auf eine Punktladung z mit dem Ortsvektor r v ( x,y,z ) ausübt, ist durch v v v v v v v v K( r, r &, t) = z E( r, t) + r& B( r, t) [ ] gegeben. Sie hängt sowohl von der räumlichen und zeitlichen Veränderung der Felder v E und v B als auch von der Geschwindigkeit der Punktladung im Magnetfeld ab. Besitzt die Punktladung die Masse m, so gilt im Rahmen der klassischen Physik nach dem zweiten Newtonschen Grundgesetz die Bewegungsgleichung m&& r v = z ( E v + r v & B) v. Elektrostatisches Längsfeld Elektrostatisches Radialfeld Magnetisches Querfeld Kraft Beschleunigung: Kraft Ablenkung: v v m && v v i x = z E a m && i r = z Er Lorentzkraft Ablenkung: v v v m r&& = z ( r & B) i Ionenenergie = E kin : 1 2 m i vi 2 = z V a keine Energieänderung, Ablenkung ~ E kin (½ mv 2 ): 2 m i vi = z E r r keine Energieänderung, Ablenkung ~ Impuls (mv): m i v i = z B r E-Feld 1. FFR Ionen ϕ = + ½ V 2 r ϕ 1 ϕ 2 V a y x y x r 1 r 2 ϕ = - ½ V 1 r y x r Beispiele: Ionenbeschleunigung bei Sektorfeld-MS, TOF-MS Richtungsfokussierung und Energiedispersion Richtungsfokussierung und Massendispersion Tab. 1: Wirkung elektromagnetischer Felder auf geladene Teilchen Das elektrostatische Längsfeld liegt in der Bewegungsrichtung der Ionen Das elektrostatische Radialfeld liegt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ionen Das magnetische Querfeld liegt senkrecht zur Bewegung und Ablenkung der Ionen 3

5 2.2 Aufbau von Massenspektrometern ANALYSATOR Sektorfeld Massenspektrometer Quadrupol Massenspektrometer Ionenfalle (Ion Trap Massenspektrometer, QUISTOR) Fourier Transform Ionen Cyclotron Resonanz MS (FTICR) Flugzeitmassenspektrometer (Time of Flight MS, TOF) MALDI-TOF, orthogonal acceleration TOF (oa-tof) Option: MS-2 IONEN-QUELLEN EI, CI, DCI, FD, FI, FAB, SIMS, Thermospray, ESI, APCI, Particle beam, MALDI Hochvakuum-System DETEKTOR Punkt-D: SEV, Photo-EV, Channeltron-EV Array-D: Microchannel plate, Focal plane, PATRIC EINLASS-SYSTEME Direkt = Schubstange, Indirekt = Reservoir, GC, LC, HPLC, Kapillar-Elektrophorese (CE) DATENSYSTEM Spektrenauswertung, Strukturaufklärung, EI-Spektrenbibliotheken, Quantitative Bestimmungen Abb. 1: Funktionelle Bestandteile von Massenspektrometern Einlasssystem, Ionenquelle, Analysator, Detektor, Datensystem 2.3 Das Massenspektrum 100 intensity axis (% base peak) PROFILE SPECTRUM 673 % mass (m/z) axis CENTROID SPECTRUM % m/z Abb. 2: Graphische Darstellung von Massenspektren mit Intensitätsachse (y, relative Int.), Massenachse (x, m/z-werte) und nominellen Massenzahlen an den Ionensignalen oben: Profilspektrum, entspricht dem digitalisierten Detektorsignal unten: Centroidspektrum, jeder Peak wird nur noch durch ein Wertepaar (Masse, Intensität) beschrieben 4

6 2.4 Auflösungsvermögen und Signalform Das Auflösungsvermögen eines Massenspektrometers hängt von der Breite eines in m/z homogenen Ionensignals auf der Massenskala ab. Es liefert ein Maß für die Fähigkeit, Ionen eng benachbarter m/z-werte getrennt zu registrieren. Bei Sektorfeld-MS werden zwei gleich große in 5 % ihrer Höhe überlappende Signale für die Definition der Auflösung zugrunde gelegt (Abb. 3: A). Dabei resultiert ein Minimum von 5 % + 5 % = 10 % der Höhe zwischen den Peaks und die Auflösung (resolution, R) wird als Quotient aus dem arithmetischen Mittel der beiden Massen und deren Differenz definiert. Dieser Wert ist gleich dem Quotienten aus Masse und Peakbreite ( m) in 5 % der Höhe. R = m 2 + m1 2(m m 2 1 m = ) m 100 % m m A 100 % B 50 % 50 % FWHM: R = % 10 % Tal: R = % Abb. 3: Auflösungsvermögen von Massenspektrometern, A: 10% Tal-Definition B: Full Width at Half Maximum-Definition, m = Peakbreite in 50% Höhe Für die in A dargestellten Ionensignale ergibt sich damit eine Auflösung von In B ist die Signalform einer Ion-Trap gezeigt (äussere Kurve: full-scan, innere Kurve: zoom-scan), die keiner Gaußschen Glockenkurve entspricht, sondern im unteren Bereich breiter ist. Hier wird die Peakbreite in 50 % der Höhe zur Definition der Auflösung herangezogen (FWHM: full width at half maximum). Signalformen mit breitem Peakfuß können auch bei TOF- und FTICR-MS auftreten, und für diese wird die FWHM-Auflösung angegeben. Bei Sektorfeldmassenspektrometern gilt die eingestellte Auflösung im gesamten Massenbereich, d. h. auf der m/z-skala wächst die Peakbreite mit der Masse so an, dass R konstant bleibt. Im Gegensatz dazu ist die Peakbreite bei Quadrupolen und Ion-Traps auf der m/z- Skala konstant und meist auf 0,5 amu (atomic mass units) in 50 % der Höhe eingestellt. Die Auflösung ist also massenabhängig und wächst mit der Masse an, so dass hier besser von Nominalauflösung (unit-resolution) gesprochen wird. 5

7 3. Massenspektrometrie organischer Substanzen 3.1 Übersicht: Ionisierungsmethoden und Einlasssysteme Probentyp Ionisierungsmethode kompatible Analysatoren Flüssigkeiten/ Feststoffe müssen im Hochvakuum ( mbar) verdampfbar sein Gase Einlass: indirekt (Gasreservoir) direkt (Schubstange) GC/MS-Kopplung (Gaschromatograph) schwer - nicht verdampfbare Flüssigkeiten/Feststoffe unpolare bis polare Substanzen löslich in org. Lösemittel mittelpolare bis sehr polare Substanzen mischbar mit FAB-Matrix unpolare bis sehr polare Substanzen mischbar mit MALDI-Matrix gelöste Flüssigkeiten/Feststoffe unpolare bis polare Substanzen mittelpolare bis sehr polare Substanzen Einlass: Pumpe, Mikro-ESI, Nano-ESI, HPLC, CE Ionisierung im Hochvakuum der Ionenquelle EI, Elektronen(stoß)ionisation Strukturinformation durch Fragmentierung EI-Spektrenbibliotheken ermöglichen Substanzsuche CI, Chemische Ionisation Reaktantgase meist Methan, i-butan, Ammoniak Pseudomolkülionen, wenig Fragmente ergänzt EI NCI, Bildung negativer Ionen selektiv und empfindlich bei Substanzen mit hoher Elektronenaffinität FI, Feldionisation praktisch nur Molekülionen Ionisierung aus kondensierter Phase im Hochvakuum FD, Felddesorption hauptsächlich Molekülionen FAB, fast atom bombardment Pseudomolekülionen, Kationen u. Anionenaddukte MALDI, matrix assisted laser desorption ionisation, Kationen u. Anionenaddukte Ionisierung aus Lösungen bei Atmosphärendruck APCI, atmospheric pressure chemical ionisation Kationen u. Anionenaddukte ESI, electrospray ionisation Pseudomolekülionen, Kationen u. Anionenaddukte mit EI-Ionenquelle erfordert EI/CI-Ionenquelle erfordert EI/CI-Ionenquelle erfordert FI-Einrichtung Sektorfeld-MS erfordert FD-Einrichtung erfordert FAB-Einrichtung TOF mit ESI/APCI-Einrichtung mit ESI/APCI-Einrichtung 6

8 3.2 Elektronen(stoß)ionisation (EI) Elektronenstoßionisation, heute meist als Elektronenionisation bezeichnet, ist für unzersetzt verdampfbare Substanzen die wichtigste Ionisationsmethode. Probenmaterial wird thermisch in die Gasphase überführt. Die gasförmig in der Quelle vorliegenden Probenmoleküle treffen dort auf den ionisierenden Elektronenstrahl. Die Elektronen hierfür werden durch eine Glühkathode emittiert und durch eine angelegte Spannung (meist 70 V) beschleunigt (70 ev EI-Spektren). Gute Ionenausbeuten (Größenordnung 0,1 %) und gute Reproduzierbarkeit der 70 ev- Spektren, da die Ionenausbeutekurve für organische Moleküle zwischen 50 und 100 ev ein flaches Maximum durchläuft. EI ist eine "harte" Ionisierungstechnik: Die zu ionisierenden Moleküle erhalten bei der Ionisierung eine Anregungsenergie, die ihre Ionisierungsenerge IE oft weit übersteigt. Die elektronische Anregungsenergie der positiv geladenen Molekülionen wandelt sich in Schwingungsenergie um, es resultieren Fragmentierungsreaktionen... e M -. M + P + + N M M + 2e - e - 2e - Auftrittspotential: 8-10 ev, Folgeprozesse: Fragmentierung des Molekülions.. M + -N a P + 1 -N b P + 2 -N c P + 3. P + + M = Molekülion, P = Produktionen sowie Precursorionen, N = Neutralteilchen Bindungsenergien in org. Molekülen: kj/mol 2 8 ev (1eV = 96 kj/mol) Reaktionen eines Moleküls AB beim Elektronenstoß: AB [AB] + + e - Molekülionen AB [AB] e - doppelt geladene N AB [A] + + B + e - Fragmentionen AB [A] + + [B] - positive und negative AB + e - [AB] - AB + e - [A] - Elektroneneinfang + B dissoziativer e - Einfang Die wichtigsten Reaktionen sind Bildung von Molekülionen (Radikalkationen, ungerade Elektronenzahl, odd electron ions) und Fragmentionen (Kationen, gerade Elektronenzahl, even electron ions). Substanzen, die Ladungen gut stabilisieren können (wie z. B. polycyclische Aromaten) bilden neben intensiven Molekülionen häufig doppelt geladene Molekülionen (mit gerader Elektronenzahl!). In geringem Umfang können bei der Elektronenstoßionisation auch negative Ionen erzeugt werden (besser durch NCI), die nur bei speziellen Fragestellungen untersucht werden. 7

9 Der zeitliche Ablauf der Vorgänge im Massenspektrometer kann auf einer Zeitskala dargestellt werden: Massenspektrometrische Zeitskala Prozesse in der Ionenquelle Ionen verlassen Quelle >> Ionen erreichen << Kollektor Ionenchemie beginnt einfache Spaltung von Bindungen interne Umlagerungen Anregung und Ionisierung Molekülschwingungen setzen ein Beschleunigung Ionenextraktion log(t) sec "Normales" Massenspektrum Ionen passieren den Analysator Zerfallsprozesse "metastabiler" Ionen µ sec Die elektronische Anregung und Ionisierung des Moleküls beansprucht sehr kurze Zeiten (ca s, vgl. Franck-Condon-Prinzip), da die Änderung von Elektronenzuständen wesentlich schneller als die Bewegung von Atomkernen stattfindet. Die Anregungsenergie verteilt sich nach wenigen Schwingungsperioden auf alle inneren Freiheitsgrade des Moleküls (Quasi-Gleichgewichts-Theorie), so dass nach bis s in Abhängigkeit von der aufgenommenen Energie eine Verteilung verschiedenster schwingungsangeregter Molekülionen vorliegt. Moleküle, die die Ionisierungsenergie und zusätzlich die Dissoziationsenergie von Bindungen aufgenommen haben, können keine stabilen Molekülionen bilden. Sie zerfallen zu Fragmentionen und Neutralteilchen, wobei einfache Bindungsspaltungen keinen besonders geordneten Übergangszustand erfordern und schnell erfolgen, während Umlagerungen spezielle sterische Anforderungen an die Konformation stellen und daher aus Entropiegründen mehr Zeit, oft aber weniger Energie benötigen. Ionen, die auf diese Weise in ca bis 10-7 s in der Ionenquelle gebildet wurden und eine Lebensdauer von mehr als ca s haben, passieren den Analysator des Massenspektrometers unverändert und erreichen den Detektor (nach m/z sortiert). Sie bilden das normale Massenspektrum einer Substanz. Ionen mit einer Lebensdauer von ca bis 10-5 s können auf dem Weg durch den Analysator zerfallen ( metastabile Ionen ) und mit Hilfe spezieller Messtechniken registriert werden (Metastabilenspektren, linked scans bei doppelfokussierenden Sektorfeld- MS; PSD-Spektren (post source decay) bei MALDI-TOF). 8

10 3.3 Die Interpretation von EI-Massenspektren EI-Spektren organischer Substanzen liefern im Allgemeinen Informationen aus dem Molekülion: nominelles Molekulargewicht und bei exakter Massenbestimmung (Hochauflösung) die Elementarzusammensetzung (Summenformel) aus dem Isotopenmuster des Molekülions: Isotopenzusammensetzung (vgl. Methodenkurs), besonders natürliche Häufigkeit von 12 C/ 13 C, 28 Si/ 29 Si/ 30 Si, 32 S/ 34 S, 35 Cl/ 37 Cl, 79 Br/ 81 Br, charakteristische Isotopenmuster auch bei vielen Übergangselementen aus Fragmentionen: Molkülbruchstücke, die Teilstrukturen entsprechen können, Verknüpfungen zwischen Teilstrukturen, Hinweise auf die Struktur durch Fragmentierungsregeln aus dem Vergleich mit bekannten Spektren (Referenzspektren, Spektrenbibliotheken): Ähnlichkeit oder Identität mit bekannten Substanzen Symbolik Symbol Bedeutung Erläuterung M, [M], M Molekülion (Radikalion) Radikalelektron angeben! Verschiebung eines Elektrons Elektronenpaarverschiebung Halbpfeil Vollpfeil R R Homolyse einer Bindung einzelne Elektronen wandern R R Heterolyse einer Bindung R R,, etc. Position einer Bindungsspaltung Reaktion, Fragmentierung Fragmentierung unter Umlagerung Tab. 2: Annotation von Ionen und Reaktionen in der Massenspektrometrie Eigenschaften des Molekülions Elektronenpaar wandert ohne Angabe der Elektronenverschiebung 1. M +. ist das Ion mit der höchsten Masse, das eine Verbindung liefern kann 2. M +. ist geradzahlig, wenn kein N oder eine gerade Anzahl von N-Atomen vorhanden sind und ungeradzahlig bei ungerader Anzahl von N-Atomen ( Stickstoff-Regel ) 3. alle Fragmente müssen chemisch sinnvolle Massendifferenzen zu M +. haben 4. M +. muss alle Elemente enthalten, die in den Fragmenten vorkommen 5. M +. ist das Ion mit dem niedrigsten Auftrittspotential 6. die Intensität von M +. ist dem Probendruck proportional 7. die Intensität von M +. hat den gleichen zeitlichen Verlauf, wie die seiner Fragmente 9

11 Isotopenzusammensetzung von Molekül- und Fragmentionen Die meisten Elemente treten in Form mehrer Isotope auf. Bei der Ionisierung einer Substanz im Massenspektrometer werden daher mehrere Molekülionen gebildet, die sich aus den verschiedenen Isotopen der beteiligten Elemente zusammensetzen. Isotope Masse relative Häufigkeit (A) vgl. Beispiele 1 H 1, H 2,0141 0, C 12, Iso1 13 C 13,0034 1,12 Iso2 14 N 14, N 15,0001 0, O 15, O 16,9991 0, O 17,9992 0, F 18, Si 27, Si 28,9765 5, Si 29,9738 3, P 30, S 31, S 32,9715 0, S 33,9679 4, S 35,9677 0, Cl 34, Iso1 37 Cl 36, ,399 Iso2 79 Br 78, Br 80, , J 126, Tab. 3: Masse und Häufigkeit der natürlichen Isotope wichtiger Elemente Das Isotopenmuster des Molekülions liefert dementsprechend Informationen über die Elementarzusammensetzung der Substanz. Besonders leicht sind Chlor, Brom, Silizium, Schwefel und viele Übergangselemente zu erkennen. Bei Verbindungen, die nur Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthalten, tragen vor allem 13 C und 15 N zum M+1-Ion sowie 18 O und 2 x 13 C zum M+2-Ion bei. Aus dem Verhältnis der Intensitäten von M und M+1 oder auch M und M+2 kann die Anzahl der C-Atome im Molekül bestimmt werden. Die Intensitätsbeiträge (I) der Isotope jedes beteiligten Elements zu den aufeinander folgenden Isotopensignalen (z. B.: 12 C, 1 x 13 C, 2 x 13 C, usw.) verhalten sich dabei wie der usw. Term der Binominalverteilung der relativen Häufigkeiten (A). [A Iso1 + A Iso2 ] n / [A Iso1 ] (n-1) = {[A Iso1 ] n + [n(a Iso1 (n-1) ) x (A Iso2 )] + [(n(n-1)/2!) x (A Iso1 (n-2) ) x (A Iso2 ) 2 ]} / [A Iso1 ] (n-1) +... Terme: [A Iso1 ] n 1. Binominalterm [n(a (n-1) Iso1 ) x (A Iso2 )] 2. Binominalterm [(n(n-1)/2!) x (A (n-2) Iso1 ) x (A Iso2 ) 2 ] 3. Binominalterm 1 / [A Iso1 ] (n-1) Normierung auf Isotop 1 = 100 % Peak (vgl. Binomische Formel (a + b) n und Pascalsches Dreieck) 10

12 Für eine Substanz mit n C-Atomen gilt mit den Werten aus der Tabelle z. B.: 1. Term ( 12 C-Peak) Intensität I M I M : {[ C] n } / [ C] (n-1), = 100 (Normierung auf 100 %) 2. Term (1. 13 C-Peak) Intensität I M+1 I M+1 : {n[( C(n-1) ) x (1,12 13 C)]} / [ C] (n-1) = n x 1,12 13 C 3. Term (2. 13 C-Peak) Intensität I M+2 I M+2 : {(n(n-1)/2)[( C (n-2) ) x (1,12 13 C) 2 ]} / [10012C] (n-1) = (n(n-1)/200) x (1,12 13 C) 2 (n 2 /200) x (1,12 13 C) 2 Beispiel: Berechnung der C-Zahl von Octan C 8 H 18 aus im Spektrum gemessenen Intensitäten. I M+1 = 9 % von I M, I M+2 = 0,4 % von I M aus I M+1 : 9 % folgt n = 9 / 1,12 n = 8 C-Atome im Molekül aus I M+2 : 0,4 % folgt n 2 = 0,4 x 200 / (1,12) 2 n = 8 C-Atome im Molekül Die Isotopenbeiträge anderer Elemente ergeben sich entsprechend aus den zugehörigen Binominalverteilungen. Beispiel: Berechnung des Chlorisotopenmusters M, M+2, M+4, M+6, M+8 bei Anwesenheit von 4 Cl im Molekül (Binom: (a + b) 4 = a 4 + 4a 3 b + 6a 2 b 2 + 4ab 3 + b 4 ) [A Iso1 + A Iso2 ] n / [A Iso1 ] (n-1) = [ Cl Cl] 4 / [ Cl] 3 = = [( Cl) 4 + 4( Cl) 3 (33 37 Cl) + 6( Cl) 2 (33 37 Cl) 2 + 4(33 37 Cl) 3 ( Cl) + (33 37 Cl) 4 ]/( Cl3 ) = ( Cl) + 4(33 37 Cl) + 6( Cl) -1 (33 37 Cl) 2 + 4(33 37 Cl) 3 ( Cl) -2 + (33 37 Cl) 4 ( Cl) -3 I M : ( Cl) = % I M+2 : 4(33 37 Cl) 132 neu normieren I M+2 = 100 % I M+4 : 6( Cl) -1 (33 37 Cl) % I M+6 : 4(33 37 Cl) 3 ( Cl) % I M+8 : (33 37 Cl) 4 ( Cl) -3 1 < 1 % Zum Vergleich: [M] +. von 2,3,7,8-TCDD, C 12 H 4 O 2 Cl 4 liefert das Isotopenmuster m/z rel. Int Cl-Isotope 35 Cl 4 35 Cl 37 3 Cl 35 Cl 37 2 Cl 2 35 Cl 37 Cl 3 In der Praxis werden diese einfachen aber umständlichen Rechnungen nach Angabe einer Summenformel von Massenspektrometer-Datensystemen ausgeführt. Monoisotopische Elemente (Reinelemente) F, P, I Die Gegenwart von Reinelementen führt zu relativ niedrigen 13 C-Intensitäten Beispiele: Iodbenzol [M] +. (m/z 204, 100 %) hat nur ca. 6 7 % m/z 205. Sesquiterpene (KW C 15 H 24 ) weisen % 13 C-Signal auf. Das CF 3 -Fragmention (m/z 69) besitzt nur 1,1 % 13 C P(OH) 4 (protonierte Phosphorsäure, m/z 99) ist nicht von einem Isotopensignal m/z 100 begleitet. 11