Massenspektrometrie

Die Analytik ist integraler Bestandteil chemischen Forschens. Moderne Analytik ist meist gleichbedeutend mit dem Einsatz hoch entwickelter spektroskopischer Verfahren und Trenntechniken. Ein Grundlagenwissen auf dem Gebiet der instrumentellen Analytik ist essenziell für eigenes wissenschaftliches Arbeiten, denn es reicht nicht aus, einfach einer Synthesevorschrift zu folgen oder eine Reaktion zu erproben.

Die Massenspektrometrie (mass spectrometry, MS) erlaubt, wie der Name erwarten lässt, die Bestimmung der Masse von Atomen, Molekülen und allen anderen Teilchen, die sich daraus in Lösung oder in der Gasphase bilden. Das mithilfe der MS erzeugte Massenspektrum kann die Information von Masse und Häufigkeit für eine große Anzahl unterschiedlicher Teilchen wiedergeben, die im untersuchten Bereich auftreten. Somit kann ein Massenspektrum prinzipiell aus nur einem oder aus tausenden Signalen von gegebenenfalls extrem unterschiedlicher Intensität bestehen.

Massenspektrometrie findet Verwendung in der Chemie, der Biochemie und der Medizin. In der Chemie spielt sie bei der Substanzidentifizierung und Strukturaufklärung sowie Qualitätskontrolle eine wichtige Rolle. Massenspektrometrie, insbesondere Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) [5, 6] kann auch die Struktur von Biomakromolekülen aufklären, wie beispielsweise von Proteinen und Peptiden, Oligonucleotiden oder Oligosacchariden.

Am Beispiel des Massenspektrums von Fluormethan lässt sich das Konzept der MS gut verstehen (Abb. 4.1). Das Fluormethan-Molekül hat die Summenformel CH₃F. Ein Blick ins Periodensystem der Elemente (PSE) liefert uns für die Atommassen m_H = 1 u, m_C = 12 u und m_F = 19 u. Damit erwarten wir eine Molekülmasse von 3 ∙ 1 u + 12 u + 19 u = 34 u. Das Massenspektrum zeigt bei m/z 34 ein intensives Signal, sogar das intensivste im gesamten Spektrum. Wir dürfen ziemlich sicher sein, dass der Peak dem Ion des intakten Moleküls, dem sogenannten Molekül-Ion zuzuordnen ist. Man nennt dieses Signal daher Molekül-Ion-Peak oder kurz Molpeak. In diesem besonderen Fall ist der Molpeak das intensivste Signal im Spektrum, welches Basispeak heißt. Als Nächstes fallen die Peaks bei m/z 33, m/z 32 und m/z 31 auf. Verlust eines H-Atoms aus dem Molekül-Ion, M^+•, führt zum Ion, das den Peak bei m/z 33 verursacht, Verlust eines H₂-Moleküls zum Ion mit dem Peak bei m/z 32 und nochmals ein H-Atom zum Peak bei m/z 31. Ganz einfach also. Allein der Wasserstoff ermöglicht Verluste von nur 1 u oder 2 u. Die Masse der Neutralverluste erhalten wir aus den Abständen der Signale, also aus Δm/z. Das Massenspektrum zeigt nur Ionen, die aus den Analytmolekülen gebildet werden; Neutralverluste lassen sich nur indirekt aus der Massendifferenz, Δm/z, zwischen den Peaks ermitteln. Dass ein H-Atom oder ein H₂-Molekül eliminiert werden, haben wir gerade intuitiv aus der Differenz abgelesen. Die Ionen, die Bruchstücken eines Moleküls entsprechen, heißen Fragment-Ionen. Offenbar fragmentieren Molekül-Ionen unter den gewählten Bedingungen.

Im Prinzip können alle Atome in Form verschiedener Isotope auftreten. Als Isotope bezeichnet man Atome mit gleicher Ordnungszahl Z, aber unterschiedlicher Massenzahl A. Die Ordnungszahl ist bestimmt durch die Anzahl der Protonen im Atomkern, welche beim neutralen Atom der Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht (positive und negative Ladungen gleichen sich dann aus). Die Massenzahl A ergibt sich als Summe aus Ordnungszahl Z und Anzahl der Neutronen N; Letztere variiert zwischen den Isotopen eines Elements. Isotope eines Elements haben also gleiche chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche Atommassen, da sie eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen besitzen.

Neutrale Teilchen bewegen sich im isolierten Zustand in der Gasphase ganz zufällig in alle Raumrichtungen. Um eine kontrollierte und gerichtete Bewegung zu erzielen, muss ein Atom oder Molekül mit einem „Handgriff“ versehen werden. Das lässt sich durch Einführen einer elektrischen Ladung realisieren, also durch Ionisation. Denn sobald aus dem Neutralteilchen ein Ion geworden ist, kann es durch elektrische oder magnetische Felder gezielt beschleunigt oder abgelenkt und damit auch selektiert oder auf einen Punkt fokussiert werden. (Mehr dazu besprechen wir bei den Massenanalysatoren in Kap. 10).

Die Fragmentierung von Molekül-Ionen und der weitere Zerfall von Fragment-Ionen geschehen größtenteils auf geregelten Reaktionswegen. Deren Kenntnis vorausgesetzt, kann man Massenspektren zur Strukturaufklärung heranziehen. So wie ein Archäologe die Scherben eines Kruges wieder zum Gefäß zusammenfügt, können wir aus den Fragment-Ionen Rückschlüsse auf die Struktur des intakten Moleküls ziehen. Auch wir finden nicht immer alle Scherben und nicht immer fügt sich alles zu einer vollständigen Struktur, doch auch mit begrenztem Aufwand lässt sich schon einiges über das untersuchte Molekül herausfinden. Daher widmen wir uns nun den allerwichtigsten Fragmentierungsreaktionen und den Grundregeln der Interpretation von EI-Spektren [21].

Bislang haben wir die Spektren alleine anhand der nominellen Massen interpretiert und sind einfach davon ausgegangen, dass benachbarte Peaks schon irgendwie getrennt registriert würden. In Abb. 8.1 ist das gerade so der Fall, denn die Peaks fließen nahe der Basislinie ineinander. Die Qualität der Massentrennung wird als Massenauflösung (oder kurz Auflösung, resolution, R) bezeichnet, die Fähigkeit eines Analysators eine entsprechende Trennung zu erzielen, heißt Auflösungsvermögen (resolving power). Man definiert Auflösung, R, bzw. Auflösungsvermögen aus dem Verhältnis der Signalbreite oder eines Massenabstands, Δm, zur Masse, m, bei der dieser Wert erreicht wird:

Solange man die MS im analytischen Service nutzt, ohne selbst an einem Massenspektrometer zu arbeiten, ist es wichtiger, vernünftig mit den Spektren umgehen zu können und die Eignung der Ionisationsmethoden für die gerade interessierende Substanz einzuschätzen, als die Massenanalysatoren im Detail zu kennen. Deshalb reicht es für unseren „MS-Schnupperkurs“ aus, die Typen von Massenanalysatoren nach Bezeichnung und allgemeinem Prinzip zu kennen. Damit der Vorgang der Massenanalyse aber nicht vollends im Dunkeln bleibt, werden wir zwei Techniken kurz anreißen. Zunächst verschaffen wir uns einen kurzen Überblick über die vielfältigen Massenanalysatoren in der MS (Tab. 10.1). Offenbar gibt es nicht „das eine Massenspektrometer“.

Bei den sanften Ionisationsmethoden haben wir Massenspektren gesehen, in denen ausschließlich ein das intakte Molekül repräsentierendes Ion auftrat. In diesen Fällen hat man zwar meist sehr gut auswertbare Isotopenmuster und kann mit exakter Masse die Summenformel ermitteln oder zumindest eingrenzen, doch über die Struktur des Ions erhält man keine Information. Ein anderes Problem ergibt sich bei dem Versuch, Fragmentierungswege bestimmter Ionen aufzuklären, da auch bei einem an Fragment-Ionen-Peaks reichen Spektrum nicht erkennbar ist, welches Fragment-Ion von welchem Vorläufer-Ion stammt.

Die Chromatographie wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erstmals vom russischen Botaniker Michail S. Zwet beschrieben, der die Methode entwickelte, um Pflanzenfarbstoffe zu trennen. Der Name Chromatographie ist aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet „Farbenschreiben“.

Wir haben nun einen orientierenden Einblick in die Massenspektrometrie gewonnen. Ausgehend vom Prinzip der MS und konzeptionellen Aspekten haben wir uns mit den Grundlagen der MS befasst. Wichtig vor dem Einstieg in die MS selbst war das Verständnis der atomaren sowie isotopischen Zusammensetzung von Molekülen, da die Isotopie Konsequenzen für die Masse von (Molekül-)Ionen und die Abbildung im Massenspektrum als Isotopenmuster hat.