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Massenspektrometrie erklärt

Chemische Verbindungen identifizieren und quantifizieren

Massenspektrometrie (MS) ist eine sehr vielfältige und leistungsstarke Analysemethode. Neben der Identifizierung und Quantifizierung chemischer Verbindungen wird sie auch zur Bestimmung verschiedener chemischer Eigenschaften genutzt . Die Massenspektrometrie zählt nicht zu den spektroskopischen Methoden, wie FTIR oder RAMAN, da keine elektromagnetische Strahlung detektiert wird.

Mit MS kann aus einer Probe das Verhältnis von Masse zur Ladung (m/z) einer oder mehrerer Substanzen bestimmt werden. Um eine Substanz eindeutig zu identifizieren, werden die Moleküle in kleinere Ionen gespalten - man spricht von Fragmentierung. Die Aufspaltung ist für jedes Molekül charakteristisch und ermöglicht so die Identifikation. Zuerst werden die Moleküle der Probe in die Gasphase überführt und ionisiert. Anschließend werden die Ionen nach Masse und Ladung voneinander getrennt und die jeweiligen Mengen erfasst. Viele Massenspektrometer bestehen daher im Wesentlichen aus einer Ionenquelle zur Ionisierung, einer Ionenfalle zur Trennung und einem Detektor zur Erfassung der einzelnen Ionen.
Für jedes Bauteil eines Massenspektrometers sind viele verschiedene Varianten verfügbar, so dass durch Kombination verschiedener Bauteile anwendungsspezifische Massenspektrometer konstruiert werden können. Dadurch wird die  MS eine äußerst wandelbare und gleichzeitig sehr leistungsfähige analytische Methode mit hoher Relevanz.

Ionisierung

Für massenspektrometrische Analysen ist es erforderlich Ionen zu generieren, also die Substanzen einer Probe in elektrisch geladene Atome oder Moleküle zu verwandeln. Dies geschieht in der Ionenquelle. Wird einem Atom oder Molekül ein Elektron entzogen, ist es positiv geladen und wird Kation genannt . Negativ geladene Ionen heißen Anionen.

Trennung

Sind die Ionen erst einmal erzeugt, werden sie durch ein statisches oder dynamisches elektrisches bzw. magnetisches Feld in einer stabilen Kreislaufbahn gehalten. Solange dieses Feld besteht sind die Ionen in dieser Kreislaufbahn gefangen, daher wird dieses Bauteil auch Ionenfalle genannt. Die Frequenz mit der die Ionen in der Ionenfalle kreisen ist vom Verhältnis Masse zu Ladung abhängig. Um die Ionen durch Kollisionen mit Luftmolekülen nicht von ihrer Flugbahn abzulenken, arbeitet die Ionenfalle meist mit stark vermindertem Druck (Vakuum bis zu 10-7 mbar). Die Stärke des erforderlichen Vakuums hängt  vom Volumen der Ionenfalle ab: Je größer das Volumen desto niedriger der benötigte Druck und umgekehrt. Bei großen Ionenfallen pumpt das Vakuumsystem die Luft bis auf den Arbeitsdruck ab. Dafür werden leistungsstarke Turbopumpen mit  10.000 bis 90.000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt. Somit sind viele MS-Geräte sehr groß und schwer, pflege- und wartungsintensiv.

Erfassung

Sind die Ionen erst einmal in der Ionenfalle gefangen, können sie auf verschiedene Weise detektiert werden. Üblicherweise wird die Frequenz ihrer Kreislaufbahn, die einerseits von ihrer Masse und Ladung und anderseits von dem angelegten Feld abhängt, kontrolliert. Durch die Änderung des Feldes kann die Kreislaufbahn der Ionen mit einem bestimmten Masse zu Ladung Verhältnis destabilisiert werden, so dass diese die Ionenfalle verlassen und am Detektor erfasst werden. Da die Änderung am angelegten Feld bekannt sind, kann das Masse zu Ladung Verhältnis der Ionen ermittelt und ihre Häufigkeit am Detektor gemessen werden.

Identifikation

Unterschiedliche Moleküle mit gleicher Masse werden Isomere genannt. Fragmentiert man Isomere, so zerfallen sie molekülspezifisch in kleinere Moleküle oder Atome, die sich in ihrer Masse und Ladung unterscheiden. Dadurch ist eine eindeutige Identifizierung von Substanzen möglich.