Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie ist ein Teil der Chemie, der dir sicherlich schon begegnet ist. Jegliche Massenzahlen, die du für Atome kennst, wurden mithilfe dieser Technik bestimmt. Damit befinden wir uns im Gebiet Analytische Chemie.

Wir werden dir nun im Folgenden zuerst erklären, wie ein Massenspektrometer aufgebaut ist. Mithilfe dieser Apparatur läuft die Spektrometrie selbst ab, die wir dir direkt im Anschluss erklären. Zum Abschluss dieses Artikels lernst du, warum diese Technik für dich noch immer relevant ist.

Massenspektrometrie – Definition

Allgemein lässt sich für die Massenspektrometrie folgende Definition aufstellen:

In der Chemie selbst ist die Massenspektrometrie eine Methode der Strukturaufklärung. Dabei werden chemische Elemente und Verbindungen analysiert. Allerdings findet diese Methode auch in anderen Gebieten eine Anwendung.

In der Physik wird sie vor allem dafür verwendet, um die Isotopenzusammensetzung chemischer Elemente zu überprüfen. In der Biologie erfolgt eine ähnliche Anwendung, die aber vor allem darauf abzielt, Proteine und ihre entsprechenden Metabolismen nachzuverfolgen.

Massenspektrometrie – Aufbau

Damit du die Massenspektrometrie verstehst, erhältst du zuerst einen Überblick über den Aufbau eines Massenspektrometers. Die folgende Abbildung zeigt dir einen möglichen Aufbau. Da es inzwischen zahlreiche unterschiedliche Systeme gibt, werden sich abhängig von der Funktion einige Bausteine unterscheiden. In diesem Beispiel findest du die grundlegenden Aspekte, die essentiell sind.

Abbildung 1: Aufbau eines Massenspektrometers; Quelle: ivv.frauenhofer.de

Grundlegend gibt es drei Bausteine, die du in jedem Massenspektrometer findest:

• Ionenquelle
• Analysator
• Detektor

Wie diese Einzelteile konkret aufgebaut sind, ist immer unterschiedlich. Das hängt zum Einen davon ab, welche Probe du analysierst. Gleichzeitig spielt es eine Rolle, welche Ergebnisse du erhalten möchtest. Je nach gewünschtem Ergebnis findet die Auswahl eines Massenspektrometers statt.

Massenspektrometrie – Funktionsweise

In diesem Abschnitt lernst du die Funktionsweise eines Massenspektrometers kennen. Dabei gehen wir besonders auf die drei wichtigsten Bestandteile ein und ihre verschiedenen Variationen.

Die Ionenquelle

Das Wichtigste befindet sich gleich am Anfang und nennt sich Ionenquelle. Hier wird die zu analysierende Probe ionisiert, das heißt es entstehen geladene Teilchen. Nur so können sie später im elektrischen oder magnetischen Feld abgelenkt werden. Teilchen, die keine Ladung haben, kann man auch nicht beeinflussen.

Dieser Prozess lässt sich mit folgender Gleichung beschreiben:

Dies geschieht über verschiedene Verfahren. Ein paar davor stellen wir dir vor, damit du eine Ahnung davon bekommst, was genau passiert. Diese Anwendungen wirst du vorrangig auch in der Praxis finden:

• Elektronen-Stoß-Ionisation (EI): In den üblichen Geräten werden hierfür Elektronen mit einer Energie von 70eV verwendet. Sobald diese dann auf die Probe treffen, übertragen sie Energie, wodurch primär positive Ionen entstehen. Diese sind oftmals allerdings sehr instabil und zerfallen zu Fragmenten. Das Muster lässt sich bei bekannten Substanzen vorhersagen.

• Elektronenspray-Ionisation (ESI): In diesem Fall wird eine chemische Lösung mit einer geladenen oder polaren Substanz zuerst versprüht, bevor sie ionisiert wird. Anschließend wird sie getrocknet, sodass nur noch die gewünschte Substanz übrig bleibt und das Lösungsmittel verschwunden ist. Diese Technik ist vor allem für große Moleküle wie Proteine geeignet.

• Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI): Hierbei wird ebenfalls eine Substanz mit Lösungsmittel verwendet, die allerdings vor der Ionisation verdampft wird. Die anschließende Ionisierung erfolgt an einer spitzen Elektrode bei Atmosphärendruck.

Innerhalb dieser Ionenquelle gibt es nun ein Feld, dass die Ionen beschleunigt und sie durch einen Kollektorspalt in den Analysator schickt. Dieser unterscheidet sich bei den meisten Massenspektrometern am meisten.

Der Analysator

In dem Fall in der Abbildung siehst du ein Beispiel, in dem Analysator ein magnetisches und ein elektrisches Feld besitzt. Häufig wird aber nur eine der beiden Varianten verwendet. Die Aufgabe beider Felder ist jedoch gleich. Die Ionen werden abgelenkt auf eine Kreisbahn. Aufgrund der unterschiedlichen Massen der Ionen sind sie zuerst einmal unterschiedlich schnell und werden auch unterschiedlich stark abgelenkt.

Tatsächlich gibt es inzwischen auch dafür zwei Formeln, mit denen du den jeweiligen Ablenkradius berechnen kannst. Wichtig ist dabei die Unterscheidung der Felder.

Im Magnetfeld gilt die folgende Gleichung:

r = Ablenkradius

m = Masse des Ions

v = Geschwindigkeit des Ions

e = Ladung des Ions

B = Magnetfeldstärke

x = Anzahl der Ladungen

Dem gegenüber steht das elektrische Feld mit einer sehr ähnlichen Gleichung, die allerdings nicht verwechselt werden darf.

r = Ablenkradius

m = Masse des Ions

v = Geschwindigkeit des Ions

e = Ladung des Ions

E = Elektrische Feldstärke

Der Detektor

Zum Schluss fehlt nur noch der Detektor. Dieser gestaltet sich meist abhängig vom Analysator, denn auch hier sind wieder Unterscheidungen möglich. Die wichtigste Frage ist dabei, ob die Angaben zeit- oder ortsabhängig analysiert werden sollen.

Abbildung 2: Beispiel eines Massenspektrums; Quelle: chemgapedia.de

Hier siehst du ein mögliches Beispiel, wie so ein Massenspektrum nach dem Detektor aussehen kann. Die einzelnen Striche werden als Peaks bezeichnet. Der höchste davon gibt meist an, um welches Teilchen es sich handelt, da es in der höchsten Frequenz vorkommt.

In Aceton gibt es drei vorherrschende Elemente: Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Dafür lassen sich die entsprechenden Peaks erkennen, die in der Abbildung auch markiert sind.

Dank dieser Methoden konnte man also die Massen der einzelnen Atome bestimmen und berechnen. Viele Moleküle sind heutzutage bekannt, daher stellt sich durchaus die Frage, warum der Massenspektrometer auch heute noch seine Anwendung findet. Die Antwort darauf gibt dir der nächste Abschnitt.

Massenspektrometrie – Verwendung

Obwohl wir bereits zahlreiche Moleküle kennen, sind wir sicherlich noch nicht am Ende angekommen, vor allem nicht bei den aktuellen Möglichkeiten der synthetischen Herstellung. Daher spielt hier die Massenspektrometrie immer noch eine Rolle. Allerdings findet sie in ein paar Gebieten Anwendung, die noch weit darüber hinausgehen. Daher zeigen wir dir Beispiele, die die Bedeutung noch einmal hervorheben:

• Geologie: Ein wichtiger Punkt in der Geologie ist die Altersdatierung der Gesteine. Somit kann teilweise nachverfolgt werden, wie sich die Platten bewegt haben. Weiterhin will man oft wissen, ob und wann Gesteine noch einmal erhitzt worden sind. Dies geschieht besonders gut durch die Analyse des Verhältnisses von zu .

• Klimatologie: Erneut sind es die Isotope, die eine essentielle Rolle einnehmen. Indem man Sedimente und Baumringe analysiert, kann das Klima der Vergangenheit erkundet werden. Dabei zählt hier das Verhältnis von zu .

• Archäologie: Isotopenverhältnisse spielen auch eine Rolle bei Knochenfunden. Dabei wird das Verhältnis von zu betrachtet. Für die Umwandlung gibt es eine bestimmte Zeit, die hier dann aufgrund des Verhältnisses bestimmt werden kann.

Weitere Anwendungsbereiche sind die Technik und Biochemie.

Wie du siehst, spielt die Massenspektrometrie noch immer eine wichtige Rolle. Ein essentieller Teil ist dabei die Analyse der Vergangenheit, doch auch für aktuelle Situation wird er immer wieder verwendet. So können wir bestimmen, wie verunreinigt Abgase zum Beispiel sind. Dieses Thema spielt besonders im Hinblick auf den Klimaschutz eine Rolle. Daher ist es für dich wichtig, dass du dich damit auskennst und weißt, welche Möglichkeiten du mithilfe dieser eigentlich simplen Methode hast.

Damit du die Inhalte dieses Artikel besser lernst, haben wir die wichtigsten Aspekte noch einmal kurz für dich zusammengefasst.