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Massenspektrometrie

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Chemie

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. 


Die wichtigsten Informationen erhältst du am Ende zusammengefasst. Damit lernst du noch besser für deine nächste Prüfung. 



Massenspektrometrie Definition


Allgemein lässt sich für die Massenspektrometrie folgende Definition aufstellen: 


Die Massenspektrometrie ist ein Messverfahren, bei dem die Masse im Verhältnis zur Ladung analysiert wird. Das lässt sich formulieren über  mit m für die Masse und q als Ladung. Ist zum Beispiel die Ladung bekannt, kann daraus auf die Masse geschlossen werden.


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. 


Wie ist ein Massenspektrometer aufgebaut?


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. 


Massenspektrometrie, Aufbau Massenspektrometer, StudySmarterAbbildung 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. 


Wie funktioniert ein Massenspektrometer?


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. 


Man spricht von ortsabhängigen Detektoren, wenn die Ionen einen unterschiedlichen Radius besitzen, der nun registriert wird. 

Zeitabhängig hingegen bezieht sich meist auf elektrische Verstärker. Die Ionen treffen am gleichen Punkt ein, aber zeitversetzt. 


Massenspektrometrie, Massenspektrum Peaks, StudySmarterAbbildung 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. 



Wofür wird die Massenspektrometrie heute noch verwendet? 


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.



Massenspektrometrie - Das Wichtigste auf einen Blick

  • In der Chemie wird der Massenspektrometer zu Analyse von Atomen und Verbindungen verwendet. In der Physik liegt der Fokus stattdessen auf den Isotopenverhältnissen, während in der Biologie Proteine und Metabolismen nachverfolgt werden. 
  • Jeder Massenspektrometer besteht aus den drei Einheiten Ionenquelle, Analysator und Detektor. 
  • Die Abläufe in der Ionenquelle lassen sich durch folgende Gleichung beschreiben:  
  • In einem Analysator befindet sich entweder ein magnetisches oder ein elektrisches Feld. In einigen Fällen findet sich auch beides. 
  • Die Ionen werden massen- und ladungsabhängig in dem entsprechenden Feld in eine Kreislaufbahn abgelenkt. 
  • Der Radius lässt sich mit zwei feldabhängigen Gleichungen berechnen, wenn man Masse und Ladung der Ionen kennt. 
  • Mithilfe eines Detektors werden die Ionen aufgefangen. Das geschieht entweder zeit- oder ortsabhängig. 
  • Die Signale des Detektors werden in der Analyse als Peaks bezeichnet. Die wahrscheinlichsten Teilchen besitzen die höchsten Peaks. 
  • Massenspektrometrie spielt unter anderem auch in der Geologie, Archäologie, Biochemie, Technik und Klimatologie eine Rolle. 

Häufig gestellte Fragen zum Thema Massenspektrometrie

In einem Massenspektrometer werden zuerst die Teilchen der Probe ionisiert, bevor sie beschleunigt werden. Mithilfe eines elektrischen und/oder magnetischen Felds werden sie entsprechend ihrer Masse und Geschwindigkeit abgelenkt. Ein Detektor nimmt dann entweder orts- oder zeitabhängig die Ankunft der Teilchen wahr. Die Auswertung erfolgt anschließend über ein Massenspektrum. 

Ein Massenspektrum gibt orts- oder zeitabhängig die Ankunft der ionisierten Teilchen wieder. Es entsteht durch die unterschiedlichen Auftreffen der unterschiedlichen Teilchen. 

Die Beschleunigung erfolgt, damit die Teilchen abgelenkt werden können. Der Einfluss des magnetischen oder elektrischen Felds wirkt nur auf Teilchen, die sich in Bewegung befinden. 

Allgemein formuliert lässt sich mit einem Massenspektrometer die Masse im Verhältnis zur Ladung analysieren. Ursprünglich wurde folglich die Masse der einzelnen Atome im Periodensystem bestimmt. Inzwischen dient sie der Strukturaufklärung sowie in Physik der Nachprüfung von Isotopenzusammensetzungen. In der Biologie können damit Proteine und ihre Metabolismen nachverfolgt werden. 

Finales Massenspektrometrie Quiz

Frage

Wie lässt sie die Massenspektrometrie definieren? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Massenspektrometrie ist ein Messverfahren, bei dem die Masse im Verhältnis zur Ladung analysiert wird. Das lässt sich formulieren über mit m für die Masse und q als Ladung. Ist zum Beispiel die Ladung bekannt, kann daraus auf die Masse geschlossen werden.

Frage anzeigen

Frage

Wofür wird die Massenspektrometrie in der Physik verwendet? 

Antwort anzeigen

Antwort

In der Physik findet die Massenspektrometrie hauptsächlich Anwendung, um Isotopenzusammensetzungen chemischer Elemente zu überprüfen. 

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen drei Einheiten besteht ein Massenspektrometer? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Massenspektrometer besteht immer aus: 

  • Ionenquelle
  • Analysator
  • Detektor.
Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Gleichung können die Prozesse in der Ionenquelle beschrieben werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die dafür geltende Gleichung lautet:

 


Frage anzeigen

Frage

In einer Ionenquellen wird die Probe ionisiert. Dafür gibt es verschiedene Methoden, z.B. (1) ..., (2) ... und (3) ... . 

Antwort anzeigen

Antwort

In einer Ionenquellen wird die Probe ionisiert. Dafür gibt es verschiedene Methoden, z.B. (1) Elektronen-Stoß-Ionisation, (2) Elektronenspray-Ionisation und (3) Atomospheric Pressure Chemical Ionization.

Frage anzeigen

Frage

Wie läuft eine Elektronen-Stoß-Ionisation ab? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei werden Elektronen mit einer Energie von 70eV auf die Probe geschossen. Energie wird übertragen, sodass primär positive Ionen entstehen. Diese sind oftmals instabil und zerfallen in ein bestimmtes Muster aus Fragmenten. 

Frage anzeigen

Frage

Mithilfe welcher Gleichung kann der Ablenkradius im magnetischen Feld berechnet werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gleichung für diesen Ablenkradius lautet: 


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Frage

Mithilfe welcher Gleichung kann der Ablenkradius im elektrischen Feld berechnet werden? 

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Antwort

Der Ablenkradius für die Massenspektrometrie kann im elektrischen Feld mit folgender Gleichung berechnet werden:


Frage anzeigen

Frage

Nach welchen zwei Kriterium kann der Detektor in der Massenspektrometrie arbeiten? 

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Antwort

Der Detektor nimmt die Ionen entweder zeit- oder ortsabhängig auf. 

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Frage

Wie nennt man die Ausschläge in einem Massenspektrum? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ausschläge werden als Peaks bezeichnet. 

Frage anzeigen

Frage

Was lässt sich aus einem Massenspektrum ablesen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Massenspektrum ist das Ergebnis der Massenspektrometrie. Daraus kann man ablesen, welches Isotop von welchem Element ab häufigsten vorkommt. 

Frage anzeigen

Frage

In welchen Bereichen findet die Massenspektrometrie noch eine Anwendung? 

Antwort anzeigen

Antwort

Zu diesen Gebieten zählen zum Beispiel Geologie, Archäologie und Klimatologie. 

Frage anzeigen

Frage

Welches Element wird für die Archäologie untersucht? 

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Antwort

Kohlenstoff

Frage anzeigen

Frage

Welche Isotope spielen für die Klimatologie eine wichtige Rolle? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Massenspektrometrie im Bereich Klimatologie untersucht das Verhältnis von  zu

Frage anzeigen

Frage

Warum müssen die Teilchen einer Probe für eine Massenspektrometrie erst ionisiert werden? 

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Antwort

Die Ionisierung erfolgt, weil nur geladene Teilchen von einem magnetischen oder elektrischen Feld beeinflusst werden können. Sonst würde keine massen- und geschwindigkeitsabhängig Ablenkung stattfinden. 

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