Massenspektrometrie. Auffänger. U + V cos ω t. Quelle

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1 1 Massenspektrometrie (Massenspektroskopie, MS). Bez. für ein physikal. Verf., das Ionen entsprechend ihrem Verhältnis Masse/Ladung (m/z) auftrennt u. registriert. Die Registrierung der getrennten Ionen kann entweder auf einer Photoplatte geschehen od. als Ionenstrom elektr. erfolgen. Im ersten Fall spricht man von Massenspektroskopie u. im zweiten (für die analyt. Chemie wichtigeren) von Massenspektrometrie; die verwendeten Geräte bezeichnet man entsprechend als Massenspektrograph bzw. Massenspektrometer. Ein Massenspektrometer besteht prinzipiell aus drei Teilen: Einer Einrichtung zur Erzeugung von Ionen ( Ionenquelle ), einer Trennvorrichtung ( Analysator ) u. schließlich dem Auffänger (Faraday-Käfig, Sekundärelektronen- Vervielfacher) zur Registrierung der Ionen. Zum Zubehör zählen neben der notwendigen Elektronik eine Datenverarbeitungsanlage sowie Pumpen für das benötigte Vakuum. Massenspezif. Trennsyst. beruhen auf 4 Prinzipien: a) Quadrupol-Massenspektrometer. Sie enthalten 4 konzentr., parallel zueinander angeordnete runde Stabelektroden (s. Abb. 1). Auffänger Quelle U + V cos ω t Abb. 1: Quadrupolgerät. An jedes Paar gegenüberliegender Elektroden legt man eine Gleichspannung U, die von einer hochfrequenten Wechselspannung V cos (w t) überlagert wird. Ein Ionenstrahl im Inneren des Stabsyst. wird durch das Hochfrequenzfeld zu Schwingungen angeregt, die massenabhängig sind. Nur für Ionen einer bestimmten Masse bleibt die Schwingungsamplitude so klein, daß sie das Syst. passieren können u. in den Auffänger gelangen. Die anderen Ionen treffen auf die Stäbe u. werden eliminiert. Durch Ändern der Werte für Gleich- u. Wechselspannung erreichen Ionen unterschiedlicher Massen den Auffänger, d. h. das sog. Massenspektrum kann durchfahren werden. In seinen Hauptleistungsdaten wie Massenbereich, Auflösung u. Genauigkeit der Massenbestimmung ist das Quadrupolgerät eher mäßig. Es besticht aber durch seine Aufnahmegeschw. u. Einfachheit. Infolge seines günstigen Leistungs-/Preis-Verhältnisses ist es das am häufigsten verwandte Massenspektrometer. b) Flugzeitmassenspektrometer (E time-of-flight MS, Abk.: TOF-MS). Bei diesen Geräten werden die Massen im eigentlichen Sinne nicht getrennt. Die in der Ionenquelle erzeugten Ionen werden durch einen kurzen Spannungsstoß beschleunigt u. auf einer feldfreien Flugstrecke allein durch ihre massenabhängige Flugzeit unterschieden (Abb. 2).

2 2 Beschleunigungsstrecke Einlaß Ionenquelle Laufstrecke Auffänger Abb. 2: Flugzeitmassenspektrometer. Durch dieses Verf. ist der Massenbereich unbegrenzt u. nur von der Flugzeit abhängig. Die Aufnahmegeschw. dieser Geräte ist mit Spektren/s extrem hoch. Daher wurden derartige Geräte zur Untersuchung sehr schneller Reaktionen wie Explosionen herangezogen. Die Nachweisempfindlichkeit ist sehr gut, da Spalte nicht benötigt werden; außerdem werden alle erzeugten Ionen detektiert. Die Auflösung ist dagegen mäßig. Spezielle Ionisierungsverf. rücken diesen Gerätetyp zur Untersuchung von biolog. Makromol. mit relativen Molmassen von mehreren Hunderttausend in den Vordergrund. c) Fourier-Transform-Massenspektrometer benutzen zur Massenanalyse ein Cyclotron; s. ICR-Spektroskopie. Sie zeichnen sich durch extrem hohe Auflösung bei niedrigen Massen aus. Sie benötigen dazu ein ultrahohes Vak. (ca mbar). Bei höheren Massen nimmt die Auflösung ab, wobei die Empfindlichkeit gut bleibt. d) Sektorfeldgeräte. Der älteste Massenspektrometer-Typ ist das Sektorfeldgerät. Es hat seinen Ursprung in den vor über 100 Jahren entdeckten Kanalstrahlen (s. Kathodenstrahlen). Durchläuft ein monoenerget. Ionenstrahl ein magnet. Sektorfeld, so werden Ionen mit verschiedenen m/z-verhältnissen unterschiedlich stark abgelenkt, wobei eine sog. Richtungsfokussierung stattfindet (Abb. 3). b 1 a b 2 Abb. 3: Sektorfeldgerät. Analog der Terminologie aus der Optik wird dieser Vorgang als Abb. des Spaltes a an den Stellen b1 u. b2 beschrieben. Der Winkel des Sektorfeldes kann verschieden gewählt werden.

3 3 Magnetfeld Trennrohr Beschleunigungsstrecke Glühkathode Ionenquelle Detektor Probeneinlaß (dampfförmige Probe) Verstärker Registriergerät (Schreiber) Abb. 4: Massenspektrometer mit 180 -Sektorfeld. In Abb. 4 ist ein Massenspektrometer mit einem 180 -Sektorfeld dargestellt. Das sog. Trennrohr läßt bei vorgegebener Einstellung von elektr. u. magnet. Feldern nur Ionen eines speziellen m/z-verhältnisses passieren. Durch Änderung der Spannung des Beschleunigungsfeldes bei konstantem Magnetfeld od. durch Änderung des Magnetfeldes bei konstanter Beschleunigungsspannung läßt sich das Massenspektrum erzeugen. Bringt man zwischen Beschleunigungsstrecke u. Magnetfeld noch ein homogenes elektrostat. Feld an, so erhält man ein sog. doppelfokussierendes Massenspektrometer, bei dem sowohl eine Richtungsfokussierung von Ionen gleichen m/z-verhältnisses als auch eine Energie(Geschw.)-Fokussierung erfolgt. Da hier Massen mit ppm-genauigkeit bestimmt werden, können aus Tab., in denen die unterschiedlichen Massendefekte der an Mol.- u. Fragment-Ionen beteiligten Atome u. deren Stöchiometrie berücksichtigt sind, die entsprechenden Bruttoformeln gefunden werden. Zur Masseneichung benutzt man bes. Verb. auf Perfluoralkyl-Basis, z. B. Perfluorkerosin. Wegen des Anfalls erheblicher Datenmengen werden Anlagen zur Datenverarbeitung herangezogen. Die Ionisation des Untersuchungsmaterials, d.h. die Erzeugung der erforderlichen, zeitlich konstanten Ionenströme einheitlicher Energie, erfolgt im Hochvak. in der Ionenquelle. Unter den verschiedenen Ionisationstechniken ist die durch Beschuß mit Elektronen, die von einem glühenden Heizdraht ausgesandt werden, die verbreitetste. Die Ionisierung der Mol. (M) durch Elektronenstoß (EI von E electron impact) verläuft formal nach: e + M 2e + M+. Die Ionisierung wird üblicherweise bei etwa 70 ev vorgenommen. Dieser Energiebetrag übersteigt die Ionisationsenergie bei organ. Verb. um ein Mehrfaches, so daß sich an die Bildung des Mol.-Ions im allg. Zerfallsprozesse (Fragmentierungen) u. Umlagerungen anschließen. In deren Folge entstehen weitere, für einzelne Substanzen, Substituenten u. Bindungstypen charakterist. Ionen- u. Neutralfragmente (letztere lassen sich natürlich nicht direkt nachweisen). Der Mechanismus des Abbaues von Mol. organ. Substanzen in der Ionenquelle des Massenspektrometers wurde systemat. an vielen Verb.-Typen vergleichend untersucht, wobei Regeln für ihren Abbau gefunden wurden. Aus der Kenntnis der Fragmentierungs- u. Umlagerungs- Mechanismen der im Massenspektrometer stattfindenden Abbau-Reaktionen läßt sich ein Massenspektrum wie das des Progesterons (Abb. 5) interpretieren: Das Ion mit dem m/z-verhältnis 314 ist das Mol.-Ion (M+, MR des Progesterons 314,45).

4 4 % 43 (H3 C CO + ) 100 O 43 C CH O (M-42) (M-123) M m/z Abb. 5: Massenspektrum des Progesterons. Die Wellenlinien in der Strukturformel in Abb. 5 symbolisieren einige Bruchstellen des Moleküls. Der Massenpeak bei m/z 299 entspricht dem Verlust einer Methyl-Gruppe, der bei m/z 272 dem von Keten aus dem Ring A des Progesterons. Aus dem Auftreten dieses Spaltstücks gemeinsam mit dem intensivsten Ion (Basispeak mit der Masse 124), das alle Atome des Ringes A enthält, kann man auf das Vorliegen eines an C-4 u. C-5 ungesätt. 3-Oxosteroids schließen. Dabei sind die bei (m/z) +1, z. B. bei 315, auftretenden Peaks auf das Vorhandensein von Isotopen zurückzuführen (Isotopenpeaks) od. auf eine Wasserstoff-Wanderung infolge von Stoßprozessen. Daneben treten im Massenspektrum ggf. mehrfach geladene Ionen in Erscheinung, ferner sog. metastabile Ionen, die aus Fragmentierungsprozessen stammen, die nicht schon in der Ionenquelle, sondern verzögert erst in od. hinter der Beschleunigungsstrecke stattgefunden haben. Aus dem Auftreten derartiger metastabiler Ionen lassen sich oft wertvolle Schlüsse auf Bildungsmechanismen u. Stabilität von Zwischenstufen ziehen. Mit dem Ziel, den Anw.-Bereich der MS auch auf energieempfindliche u. nichtflüchtige Substanzen mit großer Molmasse auszudehnen, wurden eine Reihe weiterer Ionisierungsverf. entwickelt. Eine viel verwendete Ionisierungs-Meth. ist die chem. Ionisation (CI von E chemical ionization), bei der zwischen Ionisation infolge Ladungsaustausch (X+ + M M+ + X) od. durch Ionen-Molekül-Reaktion unterschieden werden kann; als X+ eignen sich insbes. aus bestimmten Reaktantgasen wie Isobutan, Methan od. Ammoniak hervorgehende Ionen. Eine hilfreiche Eigenschaft der chem. Ionisation ist die Bildung neg. geladener Ionen, da Mol.-Anionen eine größere Stabilität als die korrespondierenden pos. geladenen Ionen besitzen u. durch unterschiedliche Fragmentierung zusätzliche strukturelle Informationen liefern können. Die Bedingungen der CI liefern sog. therm. Elektronen, die durch Stoßreaktionen mit den Reaktantgas-Mol. therm. Energie erreichen. Durch Elektroneneinfang (EC von E electron capture) von Analyten mit pos. Elektronen- Affinität können Mol.-Anionen gebildet werden. Geeignete Verb. für den Elektronen- Einfang sind halogenierte u. Nitro-Verb., Phosphatester u. polycycl. aromat. Kohlenwasserstoffe. Durch Derivatisierung (Perfluorpropionyl-, Perfluorbenzyl- u. Perfluorbenzoyl-Derivate) werden weitere Verb. dieser Meth. zugänglich. Der Hauptvorteil der CI liegt in der Möglichkeit, Informationen über Mol.-Massen zu erhalten, wenn dies durch EI nicht möglich ist. Sie wird aber auch häufig für die

5 5 quant. Analyse eingesetzt, wenn die EI keine geeignete Ionen für die Quantifizierung liefert. Für hochmol., therm. labile Verb. eignen sich Desorptions-Meth., bei denen die Probe in kondensierten Phasen (Matrix, Folie) vorliegt. Hierzu zählen Ionisierung durch schnelle Edelgas-Atome (FAB, von E fast atom bombardment), Ionisierung durch Zerfallsprodukte aus Californium-252 (PDMS von E plasma desorption MS) sowie die Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI). Mit FAB läßt sich sogar Insulin untersuchen. Da hierbei auch Cs+-Ionen als Stoßpartikel eingesetzt werden, spricht man auch von liquid SIMS (flüssige Sekundär-Ionen MS, im Gegensatz zu dry SIMS für Oberflächenuntersuchungen, s. Ionenstrahl-Mikroanalyse). Bei der PDMS befindet sich die Probe auf einer 0,5 1 mm dicken Aluminium- od. aluminierten Polyester-Folie u. die Californium-252 (252Cf)-Quelle hinter der Folie. Der 252Cf-Zerfall liefert a-partikel u. zwei hochenerget. Spaltprodukte, welche gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung emittiert werden. Eines der Spaltprodukte startet den Detektor für die Flugzeit-Messung, während das andere die Folie durchdringt u. die Probe trifft. Die Ionen der Probe werden dann von der Folie weg beschleunigt, die auf kv gegenüber einem geerdeten Gitter am Eintritt eines TOF-Gerätes gehalten wird. Im MALDI-Experiment wird die Probe mit einem großen Überschuß an Matrix-Verb., die streng die Wellenlänge des Lasers absorbiert, gemischt, auf ein Metall-Target aufgebracht u. getrocknet. Ein Laserstrahl trifft die Probe in einem bestimmten Winkel u. desorbiert Ionen, die dann in einem TOF-Gerät analysiert werden. Eine typ. MALDI-Matrix muß bestimmte Eigenschaften aufweisen: Sie muß Energie bei der Laser-Wellenlänge absorbieren u. ausreichend flüchtig sein, während die angeregten Matrix-Mol. die Analyt-Mol. ionisieren sollen, üblicherweise durch Protontransfer. In der Originalarbeit von Hillenkamp wurde zur Analyse von Proteinen Nicotinsäure als geeignete Matrix bei einer Wellenlänge von 266 nm verwandt. Die am häufigsten verwandten Matrices sind zur Zeit 2,5-Dihydroxybenzoesäure sowie 3,5-Dimethoxy- 4-hydroxyzimtsäure (Sinapinsäure, s. Sinapin). Beide Substanzen absorbieren effektiv bei 337 nm (Stickstoff-Laser) u. unterdrücken die Absorption der Probe selbst. MALDI in Verb. mit einem TOF-Instrument ist eine sehr empfindliche Technik. Wegen der Probenbereitung ist 1 pmol Analyt erforderlich, während die eigentliche Analyse mit bedeutend weniger Substanz auskommt. MALDI hat darüber hinaus den Vorteil, daß mit steigender molarer Masse die Ionenausbeute nicht abnimmt u. ist deshalb für einen größeren Bereich von Biopolymeren anwendbar, z. B. Proteinen, Glykoproteinen, Oligonucleotiden u. Polysacchariden. Diese Vorteile in Verb. mit der einfachen Handhabung haben MALDI zur populärsten Technik im Bereich der Biochemie gemacht. Mit der PDMS u. v. a. mit MALDI sind Biopolymere mit Molmassen von u. mehr analysierbar. Wegen ihres unbeschränkten Massenbereiches u. ihrer großen Empfindlichkeit (große Ionentransmission, alle erzeugten Ionen werden detektiert) werden hierfür gern Flugzeit-Massenspektrometer eingesetzt. Hierbei werden Nachweisgrenzen von mol erreicht. Da diese Geräte jedoch eine geringe Auflösung besitzen, wurden doppeltfokussierende Sektorfeldgeräte mit großem Massenbereich entwickelt. Der Nachteil der weichen Ionisierung (soft ionization) liegt darin, daß man oft außer der Molmasse keinerlei weitere Information über die untersuchte Substanz erhält. Daher wurden CA-Kammern (von E collisional activation) entwickelt, die bis zu einem gewissen Druck mit Stoßgas (Edelgas) gefüllt werden. Die Mol.-Ionen kollidieren mit den Mol. des Stoßgases u. fragmentieren. Das Ergebnis ist ein CID-Spektrum (von E collisional-induced dissociation).

6 6 Weitere Ionisierungsverf. sind die Feldionisation (FI) mit starken elektr. Feldern ( V/cm) u. die Felddesorption (FD), bei der sich auch therm. sehr empfindliche Mol. (Oligosaccharide, Glykoside, Nucleoside, Peptide) messen lassen. Der Felddesorptions-Prozeß kann auch bei höheren Drücken angewandt werden, indem man durch Sprühen der Analyt-Lsg. Nebel von kleinen geladenen Tröpfchen erzeugt, aus denen dann nachfolgend Ionen gebildet werden (s. Elektrospray-Ionisation, ESI). Der Spray kann dabei durch elektr. (Elektrospray), therm. (Thermospray) od. aerodynam. Energie erzeugt werden. Bei der ESI werden mehrfach geladene Ionen gebildet, so daß auch Substanzen mit großen Molmassen in Geräten mit eingeschränktem m/z-bereich, wie Quadrupolgeräten, gemessen werden können. Ein wichtiger Vorteil der Spray-Ionisationen ist die Möglichkeit der direkten Kopplung von Flüssigkeitschromatographie mit der MS. In der sog. anorgan. MS od. Atom-MS, die in Ergänzung zur AAS u. AES Elemente an verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Zielsetzung zu untersuchen gestattet, werden folgende Verf. verwendet: Funkenionisation (SSMS von E spark source), therm. Ionisation (TIMS), Ionisation durch induktiv gekoppeltes Plasma (ICP- MS), Glimmentladung, Laser Microprobe Resonance Ionization u. a. Verw.: Als Routine-Meth. zur Substanzidentifizierung hat die MS schon lange ihren festen Platz in der analyt. Chemie. Die Entwicklung der MS in der Organ. Chemie wurde v. a. durch die systemat. Untersuchungen von Djerrassi, Beynon, Biemann, Spiteller, Budzikiewicz, McLafferty u. Reed geprägt u. durch die Entwicklung der Computer in Hard- u. Software. Spezielle Verf. wie LAMMA bzw. LIMA (von E laser microprobe bzw. laser-induced ion mass analyzer), DADI (von E direct analysis of daughter ions) u. M(A)IKES (von E mass-analysed ion kinetic energy spectrometry) können nur erwähnt werden. Die Wirkung der CA-Kammer für CID-Spektren wurde schon erwähnt. Hinzuzufügen ist ein ähnliches Verf., die Erzeugung von SID- Spektren (von E surface-induced dissoziation). Leistungsstarke Analysengeräte entstehen in Kopplung mit anderen Methoden. Hier steht an erster Stelle die Kopplung mit der Gaschromatographie. Kleine Quadrupole u. der sog. Ion-Trap-Detektor werden als massenselektive Detektoren eingesetzt (Bench-Top-Geräte), aber auch die Kopplung mit größeren Quadrupolen u. Sektorfeldgeräten wird angeboten. Weniger häufig ist die Verb. von HPLC u. MS (Thermospray-Elektrospray-Ionisierung, continuous flow FAB). Ein Spezialfall ist die Tandem-MS, d. h. die Kopplung von mehreren MS-Systemen. Neben dem dreistufigen (E triple stage) Quadrupolgerät (3 Quadrupole in Serie), das interessante Experimente in der Spurenanalytik zuläßt, findet man die Kopplung aller Gerätetypen als MS/MS-Systeme. Die weitere Verw. der MS in Chemie, Physik, Medizin, Materialwissenschaften usw. ist so vielfältig, daß auf eine detaillierte Aufzählung verzichtet werden muß. Lit.: Analyt.-Taschenb. 3, ; 5, ï Baer (Hrsg.), Large Ions, Chichester: Wiley 1996 ï Hübschmann, Handbuch der GC/MS: Grundlagen u. Anwendungen, Weinheim: VCH Verlagsges ï Johnstone u. Rose, Mass Spectrometry for Chemists and Biochemists, 2. Aufl., Cambridge: Cambridge Univ. Press 1996 ï Townshend, Encyclopedia of Analytical Science, Bd. 5, S , New York: Academic Press 1995 ï Ullmann (5.) B 5, Quelle: Römpp Lexikon Chemie Version 1.3, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1997