Massenspektrometrie

Hallo und herzlich willkommen! Das Thema des heutigen Videos ist die Massenspektrometrie. Nach dem Video weißt du dann, 1. was die Massenspektrometrie ist, 2. wie sie funktioniert und 3. welche Informationen sie liefert. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, 1. was Ionen und Moleküle sind, 2. zumindest ansatzweise, was elektrische und magnetische Felder sind und 3. muss dir klar sein, was die Molmasse ist. Zunächst einmal die Frage: Was ist Massenspektrometrie? Ganz allgemein ist die Massenspektrometrie, auch MS genannt, ein Verfahren zur Bestimmung von Atom- und Molekülmassen. Klingt banal. An dieser Stelle möchte ich schon einmal auf eine Feinheit in der Begrifflichkeit hinweisen. Dieses Verfahren heißt Massenspektrometrie und nicht Massenspektroskopie. Warum? Die Massenspektrometrie ist kein spektroskopisches Verfahren, denn sie geht nicht mit der Absorption oder der Emission von elektromagnetischer Strahlung einher. Ihr erinnert euch sicher, wir hatten die UV-Spektroskopie, die IR-Spektroskopie, die H-NMR-Spektroskopie usw. Da geht es immer um elektromagnetische Strahlung, hier jetzt nicht. Na schön, jetzt wissen wir, wie sie nicht funktioniert, und wissen immerhin, dass sie ein Verfahren zur Bestimmung von Massen ist. Aber wie funktioniert die Massenspektrometrie? Zunächst einmal möchte ich das Prinzip erklären. Stellt euch mal vor, da kommt ein Molekül angeflogen. Durch irgendeine Einwirkung von außen wird dieses Molekül ionisiert, das heißt, es verliert ein Elektron und wird selber zum Kation. Dieses entstandene Kation wird nun beschleunigt und trifft auf seiner Wanderung auf ein Magnetfeld. Da unser Kation aber ein geladenes Teilchen ist, nämlich positiv geladen, erfährt es im Magnetfeld eine Ablenkung. Je nachdem, wie groß die Masse unseres Teilchens ist, wird es leichter oder schwerer abgelenkt. Ein schweres Teilchen wird weniger abgelenkt, ein leichtes Teilchen wird stärker abgelenkt. Hinten seitlich sitzt dann noch ein Detektor, der unsere auftreffenden Ionen registriert oder zählt. Und je nachdem, wo auf dem Detektor das Teilchen ankommt, lässt sich seine Masse berechnen. In dieser groben Skizzierung haben wir auch schon die 3 Hauptkomponenten eines Massenspektrometers genannt. Die Ionisierung und Beschleunigung findet in der Ionenquelle statt, die Ablenkung findet im Analysator statt, und die Zählung der auftreffenden Ionen bewerkstelligt der sogenannte Detektor. Aber schauen wir uns diese Komponenten doch noch einmal etwas genauer an. Zunächst einmal die Ionenquelle: Da gibt es verschiedene Möglichkeiten der Art, wie die Ionisierung darin stattfindet. Aber die allerhäufigste und die, die ich hier erklären will, ist die Ionisierung durch Elektronenstoß. Wir können uns diese Art der Ionenquelle aus 2 Kammern bestehend vorstellen. Beide enthalten ein Vakuum. In die erste Kammer wird unsere Probe eingelassen und verdampft. Die Moleküle wandern als Gas in die 2. Kammer und erleben da Erstaunliches. Und zwar befinden sich an den entgegengesetzten Enden dieser 2. Kammer 2 Elektroden, eine negativ geladene Kathode und eine positiv geladene Anode. Die Kathode ist eine sogenannte Glühkathode. Das heißt, sie wird so stark erhitzt, dass sie Elektronen emittiert, das heißt aussendet. Diese ausgelösten Elektronen wandern nun zur Anode, weil sie ja von ihr angezogen werden, denn sie ist positiv geladen. Auf ihrem Weg zur Anode stolpern diese Elektronen aber über unsere herumwandernden Moleküle und ihr Zusammenstoß ist so stark, dass unsere Moleküle ionisiert werden dabei. Das heißt, es wird ihnen ein Elektron herausgeschlagen. Aus dem Molekül ist nun ein Molekülkation geworden. An der anderen Seite dieser 2. Kammer befindet sich ein weiteres Loch, hinter welchem irgendwelche, anderen Elektroden montiert sind. Diese Elektroden bilden elektrische Felder aus, in denen unsere Molekülionen, da sie ja nun geladen sind, beschleunigt werden. Der Aufbau dieses Beschleunigungsteiles des Massenspektrometers ist mitunter recht kompliziert, weshalb ich ihn hier nur ansatzweise hinmale. Wichtig ist nur, dass unsere Molekülionen nun durch dieses Loch in den Analysator gelangen, und zwar als möglichst gebündelter Strahl. Und damit wäre dann auch schon die Funktionsweise der Ionenquelle erklärt. Noch mal eine Zusammenfassung dessen, was in der Ionenquelle passiert: Zunächst wird die Probe verdampft, dann wird sie ionisiert, weil sie mit Elektronen zusammenstößt, und die entstandenen Molekülionen werden dann in sorgsam konstruierten elektrischen Feldern beschleunigt und gebündelt, sodass sie dann als Strahl in den Analysator treten können. Nun ist die Ionisierung durch Elektronenstoß nicht die einzige Methode, wie eine Ionenquelle arbeiten kann. Es gibt noch eine ganze Reihe anderer Verfahren, die ich hier allerdings nur nennen möchte, ohne sie genau zu besprechen. Wer sich dafür interessiert, kann in entsprechenden Büchern oder im Internet nachschauen. Zum Beispiel gibt es da die chemische Ionisation oder FAB (fast atom bombardment) oder MALDI (matrix assisted laser desorption ionization) oder ESI (Elektrospray Ionisation). Es gibt, wie gesagt, verschiedene Methoden, aus einem Molekül ein Ion zu machen, aber das Ziel ist immer dasselbe. Wir wollen dieses Ion in den Analysator schicken, um dort seine Masse zu untersuchen. Nun also zum Analysator. Wie ihr ja wisst, ist der wichtigste Aspekt des Analysators das Magnetfeld. Das Ion bzw. der Ionenstrahl tritt in dieses Magnetfeld ein und erfährt durch die Lorentzkraft eine bestimmte Ablenkung. Kleine Ionen werden leichter, das heißt schneller abgelenkt als große Ionen. Und, das sollte man vielleicht auch noch erwähnen, Ionen mit gleicher Masse, aber unterschiedlicher Ladung, werden ebenfalls anders abgelenkt, und zwar je höher die Ladung auf dem Ion, desto stärker wird es abgelenkt. Es gibt da die Beziehung r² = eine Konstante × m/z.; r ist der Ablenkradius, m ist die Masse des Ions und z ist die Ladung des Ions. Dem Bruch m/z hat man einen eigenen Namen gegeben und nennt es das Masse-Ladungs-Verhältnis. Wie soll man das verstehen? Nun, ein bestimmtes Ion mit einer bestimmten Masse und einfacher Ladung erfährt exakt dieselbe Ablenkung wie ein genau doppelt so schweres Ion, das aber zweifach geladen ist. Denn beide haben dasselbe Masse-Ladungs-Verhältnis. Je nach Masse-Ladungs-Verhältnis wird unser Ion also anders abgelenkt und schlägt sich an einer anderen Stelle unseres Detektors nieder, womit wir jetzt beim 3. Teil des Massenspektrometers angelangt wären. Nun ist es so, dass der Detektor sehr großflächig sein müsste, wenn das Prinzip tatsächlich so wäre, wie ich es hier aufgezeichnet habe. In Wirklichkeit ist es ein wenig anders. Tatsächlich reicht es aus, nur einen kleinen Detektor zu bauen, solange man die Möglichkeit hat, das Magnetfeld zu variieren. Tritt unser Ion bei einem schwachen Magnetfeld ein, dann wird es nur wenig abgelenkt, und zwar so wenig, dass es nicht auf den Detektor trifft. Erhöhen wir nun aber die Magnetfeldstärke sukzessive, dann wird unser Ion immer stärker abgelenkt, bis es irgendwann den Detektor genau trifft. Erhöhen wir die Magnetfeldstärke dann noch weiter, wird der Strahl den Detektor irgendwann nicht mehr treffen. Kurzum, wir wissen, bei welcher Magnetfeldstärke der Detektor genau getroffen wird, und daraus können wir ableiten, welche Masse bzw. welches m/z unser Ion hatte. Der Kunstgriff ist hier das veränderliche Magnetfeld, was relativ leicht zu bewerkstelligen ist. Und damit wäre die Funktionsweise eines Massenspektrometers eigentlich auch schon erklärt. Ich fasse noch einmal zusammen. Folgende Schritte spielen bei der Aufnahme eines Massenspektrums eine Rolle: Erzeugung und Beschleunigung der Ionen und ihre Ablenkung im Magnetfeld; eine Veränderung des Magnetfeldes und die Messung der Zahl der auf den Detektor auftreffenden Ionen bei jeder speziellen Magnetfeldstärke. Am Ende steht dann die Ermittlung des Masse-Ladungs-Verhältnisses, wobei man sich hier in der Regel Vergleichssubstanzen bedient, also Stoffen, die eine bekannte Masse haben. Nun noch ein paar Worte zur Frage: Welche Informationen liefert die Massenspektrometrie? Nun, eigentlich hatten wir es ja schon gesagt. Die Massenspektrometrie liefert uns eine Kenntnis der Masse des untersuchten Stoffes. Dabei kann es sich um einzelne Atome handeln oder auch um ganze Moleküle. Was wir aber noch nicht gesagt hatten, ist, dass man mit dieser Methode auch die Struktur von komplexen Molekülen untersuchen kann. Und auf diesen Aspekt möchte ich hier noch etwas genauer eingehen. Der Schlüsselbegriff an dieser Stelle ist die sogenannte Fragmentierung. Betrachten wir noch einmal unser Molekül, hier als rotes M mit 5 Ecken dargestellt. Es wird von einem daher rasenden Elektron getroffen und wird ionisiert. Nun haben wir das sogenannte Molekülion und ein Elektron, was frei geworden ist bei dieser Reaktion. Nun kann dieser Zusammenstoß aber so heftig sein, dass unser Molekülion instabil wird dabei und in Einzelteile zerbricht. Von diesen Einzelteilen wird das eine ein Kation sein und das andere ein Radikal. Das Radikal wird hier angedeutet als Punkt. Welches der beiden Teile zum Kation wird und welches zum Radikal, ist an dieser Stelle erst einmal unwichtig. Der 1. Vorgang beschreibt die einfache Ionisierung eines Moleküls. Der 2. Vorgang ist eine Ionisierung, die von einer Fragmentierung, also einer Zerteilung begleitet ist. Und bei organischen Molekülen ist dieser 2. Fall eher die Regel als die Ausnahme. Nun haben wir es also mit 2 verschiedenen Kationen zu tun. Und die landen nun beide in unserem Analysator, werden unterschiedlich abgelenkt und erzeugen in unserem Detektor 2 unterschiedliche Signale. Übrigens wird auch die Intensität dieser 2 Signale sich unterscheiden, da das eine Ion womöglich häufiger vorkommt als das andere. Und da unser Molekül nicht nur an einer Stelle zerbrechen kann, sondern auch an allen möglichen anderen, und da bei einem solchen Bruch außerdem nie festgelegt ist, welcher Teil nun Kation und welcher Radikal wird, entstehen meistens nicht nur 2 Signale, sondern eine ganze Anzahl. Die Anzahl und die Lage und auch die Intensitäten der vielen Signale im Massenspektrum erlauben dann Rückschlüsse auf die Struktur des Moleküls. Auch recht komplizierte Strukturen organischer Moleküle können auf diese Weise aufgedröselt werden. Ich möchte das einmal anhand eines einfachen Beispieles zeigen. Zunächst einmal zur Darstellung des Massenspektrums. Wir haben auch hier eine x- und eine y-Achse, wobei die x-Achse das Masse-Ladungs-Verhältnis aufzeigt. Die y-Achse bezeichnet die relative Intensität des Signals. Schauen wir uns nun als Beispielmolekül das Butan an, eine Kette von 4 Kohlenstoffatomen, die mit Wasserstoff abgesättigt ist. Die Molmasse dieser Verbindung beträgt 58 g/mol. Von daher ist es sinnvoll, die x-Achse von 0 bis 60 einzuteilen. Und was die relative Intensität angeht, so wird sie sowieso in % angegeben, also von 0 bis 100 skaliert. Eine Molmasse von 58 g/mol lässt bei einfach ionisiertem Molekül ein m/z von 58 vermuten und an dieser Stelle eben auch ein Signal. Tatsächlich finden wir so ein Signal, aber es ist relativ schwach. Nun ist es wahrscheinlich oder möglich, dass unser Molekül zwischen dem 1. und dem 2. Kohlenstoffatom bricht. Das größere Fragment dieser Teilung wäre eine Kette von 3 Kohlenstoffatomen zusammen mit 7 Wasserstoffatomen. Wäre dieses Fragment das Ion, das auf dem Detektor landet, dann hätten wir einen Peak oder ein Signal bei einem m/z von 43. Und in der Tat taucht solch ein Signal auf, und es ist sogar relativ stark. Würde unser Molekül genau in der Mitte zerbrechen, dann hätten wir 2 Fragmente von 2 Kohlenstoffatomen und 5 Wasserstoffatomen, also eine Masse von 29. Und tatsächlich, im Massenspektrum des Butans finden wir auch bei 29 ein ausgeprägtes Signal. Ein weiteres mögliches Fragment wäre das CH3^+-Fragment, welches ein Signal bei 15 ergäbe. Tja, und wen wundert es? Es ist vorhanden. Nun haben wir also 4 markante Peaks, die ich hier nummeriere. Ich muss dazu sagen, dass in der Realität noch viel, viel, viel mehr Peaks auftreten, weil auch einzelne Wasserstoffatome abgespalten werden können und dadurch noch mal Nebenpeaks entstehen. Aber darauf möchte ich jetzt hier nicht eingehen. Unsere 4 hauptsächlichen Peaks möchte ich dagegen noch mal in einer Tabelle zusammenfassen. Peak 1 mit einem m/z von 58, Peak 2 mit m/z von 43, Peak 3 mit Masse-Ladungs-Verhältnis von 29, Peak 4 liegt bei 15. Und dazu die Ionen, die zu jedem Signal gehören. Der 58er-Peak gehört zu dem ionisierten ganzen Molekül, der 43er-Peak gehört zu dem Fragment, welches aus 3 Kohlenstoffatomen besteht, Peak 3 entspricht dem C2H5^+ -Fragment und Peak 4 entspricht dem CH3^+ -Ion. Und an dieser Stelle sollte man noch 2 Begriffe erwähnen, die häufig in der Literatur zu finden sind. Und zwar ist da zunächst jener Peak, der der stärkste in der ganzen Sammlung ist. Er besitzt immer eine relative Intensität von 100%. Man kann auch sagen, er bildet die Basis für die Berechnung der relativen Intensitäten der anderen Peaks, weshalb man ihn auch den Basispeak nennt. Der Basispeak ist also immer der stärkste Peak im Spektrum. Jener Peak, welcher dem ionisierten ganzen Molekül entspricht, nennt man auch den Molekülionenpeak, volkssprachlich auch einfach nur Molekularpeak. Und naheliegenderweise ist dieser Peak in der Regel ganz rechts im Spektrum zu finden. Bis hier ist es nur eine kleine Einführung zur Frage, welche Informationen liefert die Massenspektrometrie. Tatsächlich gibt es hier auch noch eine Vielzahl weiterer Informationen, die aus solch einem Spektrum herausgezogen werden können, zum Beispiel auch Isotopen betreffend oder irgendwelche Feinstrukturen. Aber das würde jetzt den Rahmen des Videos sprengen. Ihr seht aber, dass die Massenspektrometrie ein wichtiges Instrument bei der Strukturaufklärung speziell von organischen Molekülen ist, weshalb sie sehr häufig auch serienmäßig eingesetzt wird, zum Beispiel auch im Anschluss, und zwar direktem Anschluss, an chromatographische Verfahren, bei denen verschiedene Substanzen voneinander getrennt werden. Das heißt, die Stoffe, die getrennt wurden, werden aus dem Chromatographen direkt ins Massenspektrometer geleitet, um dort untersucht zu werden. Man spricht von GC/MS, wenn der Chromatograph ein Gaschromatograph ist, bzw. von HPLC/MS, wenn der vorgeschaltete Chromatograph ein Hochdruck-Flüssigchromatograph ist. Gut und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was Massenspektrometrie ist, wie sie funktioniert und welche Informationen sie liefert. Danke für das Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal!