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.

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!