Übersicht Massenanalysatoren
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- Florian Siegel
- vor 6 Jahren
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1 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
2 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
3 Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) Grundgleichung: t = s m 2 z U B
4 TOF-MS mit Reflectron
5 Effekt des Reflectrons: DRVYIHP F HL cardiova s cula r pe ptide
6 "orthogonales" Flugzeit-Massenspektrometer (o-tof, oa-tof):
7 o-tof mit vorgeschalteten Quadrupolen:
8 Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) Vorteile (theoretisch) unbegrenzter Massenbereich hohe Auflösung (mit Reflektor) hohe Empfindlichkeit Nachteile Ionenpuls notwendig Hohe Vakuumanforderungen (ca mbar)
9 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
10 Quadrupol-Massenfilter (QMS)
11 Ionenbahnen im Quadrupol-Massenfilter
12 Stabilitätsdiagramm des Quadrupols a ~ U/m q ~ V/m U - Gleichspannung V - Amplitude der Wechselspannung
13 Quadrupol-Massenfilter (QMS) Vorteile einfach und robust kostengünstig schneller Scan ( GC-MS!) Nachteile nur Niederauflösung Massenbereich max. 4000
14 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
15 (Quadrupol-) Ionenfalle (Ion trap, QIT) Endkappen Ringelektrode Quadrupol Ionenfalle
16 (Quadrupol-) Ionenfalle (Ion trap, QIT) Linsen Wechselspannung Oktopole Konversionsdynode SEV (Channeltron) Endkappe Ringelektrode
17 Bewegung der Ionen in einer Ionenfalle
18 Stabilitätsdiagramm der Ionenfalle
19 Stabilitätsdiagramm und Massenspektrum
20 Lineare Ionenfalle (LIT, 2D trap) Quadrupol mit Endlinsen bzw. segmentierte Quadrupolstäbe Speicherung der Ionen durch Quadrupolfeld und Gleichspannung an den Endlinsen Kühlung der Ionen durch Inertgas m. geringem Druck (He) Akkumulation der Ionen in einem linearen Bereich im Zentrum höhere trapping efficiency mehr Ionen speicherbar (ca vs. ca. 500 bei der 3D-Falle) höhere Empfindlichkeit größerer Dynamikbereich
21 Ejektion der Ionen: axial möglich, aber mit schlechter Effizienz bevorzugt radial durch Schlitze in 2 gegenüberliegenden Quadrupolstäben: Lineare Falle im Thermo LTQ
22 Ionenfalle (Ion trap) Vorteile Klein niedrige Vakuumanforderungen Hohe Empfindlichkeit wg. Speicherung der Ionen MS n möglich Nachteile nur Niederauflösung Massenbereich max. 6000
23 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
24 Fourier-Transform-Ionen-Cyclotron-Resonanz-MS (FT-ICR-MS)
25 Grundgleichung: ω = 2πν = m z B a b c Zyklotronbewegung des Ions Anregung ( frequency chirp ) Induktion von Bildladungen
26
27 Zeitdomäne (gemessenes Signal) Frequenzdomäne (fourier-transformiertes Signal) m/ m =
28
29 FT-ICR-Massenspektrum einer Fulvosäuren-Probe (APCI negativ)
30 Ausschnitt des Bereichs um m/z 411: Identifikation von mehr als 20 C x H y O z -Spezies
31 Fourier-Transform-Ionencyclotronresonanz (FT-ICR) Vorteile Sehr hohe Auflösung (bis > 10 8 ) Zerstörungsfreie Messung Untersuchung von Ion-Molekül- Reaktionen möglich Großer Dynamikbereich (ca ) MS/MS-Möglichkeit Nachteile hohe Vakuumanforderungen (ca mbar) Supraleitende Magnete teuer in Anschaffung und Unterhalt
32 Übersicht Massenanalysatoren Gerätetyp Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld-MS magnetisches u. elektrostatisches Feld max Präzisionsmasse (max ) ToF-MS Flugzeitmessung (theor.) unbegrenzt Präzisionsmasse (ca ) Quadrupol- Massenfilter hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse Ionenfalle hochfrequente Quadrupolfelder max Nominalmasse FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz max (bei 7 T) Präzisionsmasse (> 10 8 ) Orbitrap axiale Oszillationsfrequenz max Präzisionsmasse (ca )
33 Orbitrap erste Veröffentlichung: A. Makarov, Anal. Chem. 72, 1156 (2000) kommerziell erhältlich seit 2005
34 (1923) A. Makarov (2000): Dimensionen: innere Elektrode max. 8 mm äußere Elektrode max. 20 mm.
35 Funktionsweise Potential der Zentralelektrode: -3,4 kv optimale Ionenenergie: ca. 1-1,5 kev Länge des Ionenpulses: ns axiale Oszillationsfrequenzen: Hz Dauer des Transientensignals: max. 1,5 s
36 ω ist unabhängig von der Energie und der räumlichen Verteilung der Ionen!
37 Kommerzielles Design (2006)
38 Ablauf der Messung: 1. Injektion der Ionen und Speicherung in der C-trap 2. Gepulste Injektion der Ionen in die Orbitrap
39 Ablauf der Messung: 3. Massenanalyse in der Orbitrap
40 Messergebnis: Gemessenes Signal ( Transient ) (Zeitdomäne) Fourier-transformiertes Signal (Frequenzdomäne) A. Makarov, E. Denisov, Journal Am. Soc. Mass Spectrom. 20, (2009)
41 Kenndaten: Massenauflösung bis (FWHM) Massengenauigkeit 2 ppm Massenbereich: bislang bis m/z 6000 linearer Bereich: ca. 4 Größenordnungen Fazit: gepulster Ioneneinlass erforderlich anspruchsvolles Einlasssystem extrem hohe Vakuumanforderungen ( mbar) elektrisch wenig aufwändig (nur Gleichspannungspotential) keine starken Magnetfelder u. damit verbundene Technologie klein (etwa walnussgroß), aber hochpräzise Fertigung nötig Leistungsdaten vergleichbar mit FT-ICR-Geräten (s.o.) Literatur: Q. Hu, R.J.Noll, H.Li, A.Makarov, M.Hardman, R.G.Cooks, J. Mass Spectrom. 40, (2005)
42 Zusammenfassung: Welcher Analysator wofür? - hohe Auflösung: Orbitrap, FT-ICR - hohe Empfindlichkeit: Sektorfeldgerät, Ionenfalle, (lin.) ToF - großer linearer Bereich: Sektorfeldgerät - große Massen (Proteine u.ä.): ToF - schneller Scan (GC-MS, UHPLC-MS): Quadrupol, (Ionenfalle), ToF - MS n : Ionenfalle, Tripel-Quadrupol, Orbitrap
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