Massenspektrometrie (MS)
Skript zur Spektroskopie Vorlesung
an der Universität München
Dr. Werner Spahl
Massenspektrometrie (MS)Seite Stunde
Inhaltsverzeichnis 2 1Abkürzungsverzeichnis 3 1
1. Grundlagen 4 11.1 Probeneinlass I: RI, DIP, DEP; Quantifizierung 11 11.2 Ionenquelle I: EI, LEI; Verunreinigungen 14 21.3 Analysator I: BE(EB), SIM 20 21.4 Detektor I: FC, SEV, PAD, MCP 22 2
2. Fragmentierungen 24 32.1 Radikal induzierte Spaltungen: σ, α, Mc, RDA 24 32.2 Ladungs induzierte Spaltungen: i, El, On, NV 37 42.3 Derivatisierungsreaktionen 46 42.4 Praktische Spektreninterpretation 48 4
Übung 1 5Übung 2 6
3. Fortgeschrittenes 50 73.1 Probeneinlass II: GC 50 73.2 Probeneinlass III: LC 54 73.3 Ionenquelle II: CI, NCI, APCI 59 83.4 Ionenquelle III: ESI, FAB, MALDI 68 93.5 Analysator II: Q, T, TOF, ICR, OT 76 103.6 Analysator III: MS/MS, SRM 80 10
4. Anhang (nicht klausurrelevant) 84 11
Übung 3 11Übung 4 11
Alle Abbildungen sind frei oder mit Zustimmung der Autoren verwendet, Massenspektren sind generiert oder entstammen der NIST 05 Datenbank.© Dr. Werner Spahl, Universität München: [email protected]
2
Abkürzungsverzeichnis
Probeneinlass:RI Reservoir Einlass PB Particle BeamDIP Direktinsertions Probe DEP Direktverdampfungs ProbeFIA Flussinjektions Analyse DIA Direktinfusions AnalyseGC Gaschromatographie LC Flüssigkeitschromatographie
Ionenquelle:EI Elektronenstoß Ionisation LEI Niederenergie EI CI Chemische Ionisation NCI Negative CIAPCI Atmosphärendruck CI APPI AP Photo IonisationESI Elektrospray Ionisation DESI Desorption ESIFAB Fast Atom Bombardment FIB Fast Ion BombardmentMALDI Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation APMALDI
Analysator und Detektor:HR Hochauflösung LR NiederauflösungAM Exakte Masse FT Fourier TransformTIC Totalionenstrom PAD KonversionsdynodeSEV Sekundärelektronenvervielfacher MCP MikrokannalplatteBE(EB) Sektorfeld TOF FlugzeitQ Quadrupol (L)T (Lineare) IonenfalleICR Ionen Cyclotron Resonanz OT OrbitrapSIM Selected Ion Monitoring SRM Selected Reaction MonitoringCID Stoßaktivierung SID Skimmer StoßaktivierungAMS Beschleuniger MS IRMS Isotopenratio MS
Fragmentierung:σ σ-Spaltung α α-SpaltungMc McLafferty Umlagerung RDA Retro Diels Alderi Induktive Spaltung El EliminierungOn Onium Reaktion NV Neutralteilchen VerlustBz Benzyl Spaltung Ph Phenyl Spaltung
3
1. Grundlagen
Literatur:
Massenspektrometrie Script (http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/spahl/)
Hesse/Meier/Zeeh: Spektroskopische Methoden in der org. Chemie
Budzikiewicz/Schäfer: Massenspektrometrie, Eine Einführung
McLafferty/Turecek: Interpretation von Massenspektren
Gross: Massenspektrometrie, Ein Lehrbuch
Ausstattung des Department Chemie der LMU München:
Ungefähr 10 Massenspektrometer in den Organischen Chemie AKs
(zusätzlich stehen 8 Massenspektrometer in der zentralen Analytik)
Anwendung:
Strukturaufklärung (kombiniert mit NMR-Spektroskopie)
Quantifizierung (direkt gekoppelt mit Trennungsmethoden)
Motto:
Und derjenige, der etwas zerbricht, um herauszufinden,
was es ist, hat den Pfad der Weisheit verlassen.
Gandalf der Graue
4
Vorteile:
Substanzmenge ~ 1 mg (bis fg = 10–15 g) → Spurenanalytik (z. B. Doping)
Messdauer ~ 1 s/Spektrum (bis 100 Spektren/s) → Kopplung (z. B. GC)
Nachteile:
Probe wird verbraucht (nicht zerstörungsfrei!) → Substanzverlust
→ Verunreinigung des Massenspektrometer → „Memory Effekt”
Probe kann im Massenspektrometer reagieren (Thermische Reaktion,
Umsetzung mit vorhandenen Reagenzien) → „Chemische Methode“
Bibliothekssuche:
Computervergleich eines EI-Massenspektrums („Fingerabdruck“) mit
Spektrenbibliotheken, z. B. NIST (National Institute of Standards and
Technology) Mass Spectral Library / Wiley Registry of Mass Spectral
Data ( > 600.000 Substanzen) → 0-100 % („Score“) Übereinstimmung
Datenbanksuche:
Computervergleich eines Peptidverdau ESI-MS/MS-Massenspektrums
(„fingerprinting“) durch Algorithmen wie MASCOT / SEQUEST mit
Sequenzdatenbanken z. B. UniProt ( > 500.000 Proteinsequenzen) die
Peptide eines theoretisch berechneten („in silico“) Verdaues enthalten
5
Prinzip:
-------------- -------- --------------- ---------------- | Molekül |--------| Ion |-----------| Trennung |-------| Detektion | -------------- -------- --------------- ----------------
Methanol Methanol-Ion Molekülion Molekülpeak
(fragmentiert) Methyl-Ion Fragmention Fragmentpeak
---------- Reaktion ---------- ---------- Aufarbeitung ----------
Massenspektrum:
Strichspektrum: „Centroid-Daten“ (Linien) <> „Profil-Daten“ (Kurven)
Massenliste: Tabelle von Masse/Ladung (m/z) zu relativer Intensität (%)
Beispiel: EI-Massenspektrum von Methanol (CH3OH, M 32 u)
Basispeak (Quasimolekülpeak)
Fragmentpeak
rel. Int. (%) → Molekülpeak
Ionenhäufigkeit Fragmentpeak
Isotopenpeak
Masse/Ladung (m/z) → Ionenmasse
Molekülpeak (Quasimolekülpeak) → Molekülmasse → Summenformel
Fragmentierung (Zerfallsmuster) → Strukturformel → Substanzhinweis
6
Molekülpeak:
Monoisotopische Atommasse <> Mittlere Atommasse (Periodensystem!)
Einheit: 1 u = 1/12 12C (1,66.10–24 g), 1 mmu = 0.001 u, 1 kDa = 1000 u
Isotope:
„A Typ”: 19F, 31P, 127I, ... (Reinelemente), H, N, O, ... (< 0.5 % Häufigkeit)
„A+1 Typ“: 11B, 12C, ... „A+2“ Typ: 28Si, 32S, 35Cl, 79Br, ...
12C 11B 28Si 32S 35Cl 79Br
13C Intensität → C Anzahl (+/– 2 C) (13C > 12C ab C90 ~ M > 2000 u!)
Cln / Brn: typische Muster Metalle: oft charakteristische Muster
C10 C100 Cl2 Br2102Ru
7
0.8 %
25 %
1.1 %4.4 %5.1 %
3.4 %
32 %
97 %
64 %
0.5 %
49 %51 %
11 %
91 %
55 %
20 % 15 % 6 %17 %
40 %54 % 59 %
6 %1 %
Isotopenmuster für mehrere Isotope im Molekülpeak: Lehrbuch, Internet
„Stickstoffregel“: (un)gerader Molekülpeak enthält (un)gerade Anzahl N
→ Isotopenmuster liefert Hinweise auf Elemente
Massengenauigkeit (∆m): Genauigkeit mit der die Masse bestimmt wird
1H 1.0078 u 14N 14.0031 u 16O 15.9949 u 19F 18.9984 u
Nominelle Masse: 0-1 Nachkommastellen (wegen Rundungsfehlern)
erfassbar durch „Niederauflösung“ (Low Resolution LR) Messungen
→ Kalibrierung (mit interner Referenz, stabil über lange Zeiträume)
Exakte Masse: 3-4 Nachkommastellen (∆m < 1-10 ppm „Mio%“)
erfassbar durch „Hochauflösung“ (High Resolution HR) Messungen
→ Massenfeinbestimmung (meist mit interner oder externer Referenz)
Beispiel:
Methanol CH3OH Sauerstoff O2
nominelle Masse 32.0 u nominelle Masse 32.0 u
exakte Masse 32.0254 u exakte Masse 31,9898 u
→ Exakte Masse liefert Hinweise auf Summenformel
8
Problem:
Je größer eine Masse, desto mehr mögliche Summenformeln →
Isotopenmuster und Vorwissen wichtig. Massenfeinbestimmung
ergibt viele Vorschläge, aber nur wenige sinnvolle Vorschläge!
Auflösung (Resolution R):
Spezifischer instrumenteller Parameter der entscheidend
für die Massengenauigkeit eines Massenspektrometer ist
„HRAM“ Messung → „High Resolution Accurate Mass“
Höhere Auflösung
→ Genauere Bestimmung der exakten Masse (geringere Peakbreite)
→ Trennung von Peaks mit der gleichen nomineller Masse (Isobare)
aber geringere Transmission oder längere Messzeit pro Spektrum
R10 % Tal = m/∆m →
RFWHM = 1.8 x R10 % Tal
Halbwertsbreitenmethode
(FWHM: Full width at half mass)
Beispiel:
Peak bei nomineller Masse m/z 28
CO 27.9949 u N2 28.0061 u
Auflösung: R10 % Tal ~ 2500 → RFWHM ~ 4500
9
Massenspektrometer Aufbau:
Datensystem: Steuerung, Spektrenaufnahme und -auswertung
--------------------- ------------------ ----------------- ---------------| Probeneinlass |-----| Ionenquelle |-------| Analysator |------| Detektor |--------------------- ------------------ ----------------- ---------------
Vakuumsystem: mittlere freie Weglänge der Ionen, Isolation
Drehschieberölpumpen (Vorvakuum: 10–1-10–3 mbar)
Turbomolekularpumpen (Hochvakuum: 10–4-10–10 mbar)
10
1.1 Probeneinlass I
Auswahl: Anwender und Instrument, kritisch für Probenerfassung!
Problem: Hochvakuum im Instrument, Substanz bei Normaldruck
Reservoir Einlass (RI):
Heizbare Kammer (100-200 °C) unter Normaldruck mit Vakuumventil
→ geeignet für Gase und leicht flüchtige Feststoffe oder Flüssigkeiten
Vorteil: Dosierbarkeit → Referenz Nachteil: „Memory Effekt“
Direktinsertions Probe (DIP):
Ionenquelle Schubstange
Tiegel
Vakuumschleuse
Tiegel (Aluminium/Glas) in temperierbarer Schubstange (20 bis 400 °C
mit bis 20 °/min) → geeignet für Flüssigkeiten und flüchtige Feststoffe
Faustregel: Verdampfungstemperatur im Hochvakuum ~ Schmelzpunkt
Vorteil: Zukneifen des Tiegels → flüchtige Proben oder Schutzgas
Nachteil: Empfindliche und schwer flüchtige Proben zersetzen sich
11
Direktverdampfungs Probe (DEP):
Ionenquelle Schubstange
Fadenträger
Vakuumschleuse
Draht (Platin/Rhenium) elektrisch geheizt (bis 1600 °C mit bis 120 °/min)
in Schubstange = „in beam” = Direkt = Desorptions EI, CI (DEI, DCI)
→ geeignet für schwer flüchtige Flüssigkeiten und Feststoffe
Vorteil: Verdampfung schneller als Zersetzung → empfindliche Proben
Nachteil: Substanz Verlust in der Vakuumschleuse → Diskriminierung
Fraktionierte Hochvakuum Verdampfung → 2D Methode (min, %, m/z)
schwer flüchtige Lösungsmittel ungeeignet für MS (z. B. DMSO, DMF)
Massenspur → Auswahl, Subtraktion → Selektivität, Bibliothekssuche
Beispiel: Untersuchung einer Urin Probe auf Koffein und Amphetamin
% Spur 2 (m/z 194 → Koffein)
% Spur 1 (m/z 135 → Amphetamin)
% Summe aller Massenintensitäten
Zeit (min) (Reconstructed Ion Current RIC )
12
EI-Massenspektrum von Koffein (M 194 u, z. B. Kaffee, Cola):
%
m/z
EI-Massenspektrum von Amphetamin (M 135 u, z. B. „Speed“):
%
m/z
Quantifizierung:
Relative Quantifizierung → % zu internem Standard (isotopenmarkiert)
Absolute Quantifizierung → externe Standards → Eichkurve (Steigung
= Empfindlichkeit) → Konzentration in g/l
Nachweisgrenze (Signal/Rausch Verhältnis S/N) <> Empfindlichkeit
13
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400
50
100
39 42
44
51 56 5965
77
91
103 115 120
NH2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2100
50
100
15 2832
42
5567
70
82
94
109
136150
165
194
O
NN
N NO
1.2 Ionenquelle I
Auswahl: Anwender und Instrument, kritisch für Probenerfassung!
Elektronenstoß Ionisation (EI):
Ionisation gasförmiger Moleküle durch einen Elektronenstoß →
Physikalische Methode für flüchtige Substanzen (M bis ~ 1500 u)
Abschätzung: Struktur, Siedepunkt / Schmelzpunkt, Löslichkeit
(Unpolare Lösungsmittel wie Ether, Hexan, Chloroform, Aceton)
Filament (Rhenium/Wolfram) erzeugt Elektronen (~1 mA Filamentstrom)
Elektronenenergie (10-300 eV) beschleunigt Elektronen durch die Quelle
Temperatur: 100-300 °C (Filament: ~ 150 °C) → thermische Reaktionen!
1 mA70 eV
Emissionsstrom1-10 kV
Fokusblenden „Tunen“
Beschleunigungsspannung Quellenspalt (Größe beeinflusst
(zieht Ionen in Analysator) Empfindlichkeit und Auflösung)
14
Molekülionen:
M + e– → M+. + 2e– „Sanfter Stoß“
(M + e– → M2+ + 3e–)
Fragmentionen:
„primär“ M+. → F+ + N. „Harter Stoß“
M+. → F+. + N
„sekundär“ F+ → F1+ + N1 F+ → F3
+ + N3
F+. → F2+ + N2
. F+. → F4+. + N4
M: Molekül F: Fragment N: Neutralteilchen +/– : Ladung . : Radikal
EI liefert die Molekülmasse, wenn der Moleküpeak sichtbar ist, und
Strukturinformationen durch Fragmentierung: „Harte Ionisierung“
Negative Elektronenstoß Ionisation (NEI) : M + e– ↔ M–.
Probleme:
unempfindlich (1/1000 EI), intensive Fragmentionen (z. B. Halogene)
15
Unimolekularer Zerfall:
t > 10 µs Molekülionen M+. (stabile Ionen)
t < 1 µs Fragmentionen F+(.) (instabile Ionen)
1 µs < t < 10 µs Metastabile Ionen M* / F*
t: Lebensdauer der Ionen
Metastabile Ionen zerfallen im feldfreien Raum nach der Ionenquelle:
M* → F* + N
Analysator ergibt falsches m/z Verhältnis → m/z* = (m/zF*)2/(m/z)M*
Beispiel:
H2 (M 2 u) → m/z 2 (M+.), m/z 1 (F+), m/z 0.5 (m/z*: 12/2 = 0.5)
Messung mit Sektorfeldanalysatoren und „linked Scan” Techniken
→ Anwendung: Untersuchung von Fragmentierungsmechanismen
Beispiel:
Entsteht F1+ aus M+. oder F+ (primär oder sekundär)?
M* (M+. → F1+) deutet auf diesen Weg hin
M* (F+ → F1+) deutet auf alternativen Weg
16
0 50 100 150
Ionisierungsenergie (IE): benötigte Energie um ein Molekül zu ionisieren
für organische Moleküle: IE (M) ~ 7-14 eV
Auftrittsenergie (AE): benötigte Energie um ein Ion zu detektieren
Molekülion: AE (M+.) = IE (M)
Fragmention: AE (F+(.)) = IE (M) + Überschussenergie (UE)
Stabiles Molekül (IE hoch) → Geringe Fragmentierung (mehr UE nötig)
Selektivität: Moleküle werden unspezifisch mit unterschiedlicher UE
ionisiert → Spektrum ist Abbild aller vorliegenden Ionen
Standard- Elektronenenergie: 70 eV
→ Empfindlichkeit maximal (trotzdem Ionenausbeute nur ~ 1/1000)
→ Fragmentierung reproduzierbar (Überschussenergie bis ~ 15 eV)
Ionenstrom (mA)
Elektronenenergie (eV)
17
M (< 1 eV) + e- (70 eV) → M+. (IE) + 2 e- (70 eV – IE)
„Sanfter Stoß“→ Molekülpeak
M (< 1 eV) + e- (70 eV) → M+. (IE + UE) + 2 e- (70 eV – IE – UE)
„Harter Stoß“ → Fragmentpeak
Probleme: Flüchtigkeit nötig, Molekülpeak eventuell nicht sichtbar
Niederenergie Elektronenstoß Ionisation (LEI):
Elektronenenergie: 10-15 eV → Molekülpeak Intensität höher
Beispiel: Ethylacetat (CH3CO2CH2CH3, M 88 u)
EI (70 eV) LEI (15 eV) M+.
% %
M+.
m/z m/z
Probleme: Empfindlichkeit (absolute Molekülpeak Intensität ist gleich)
Reproduzierbarkeit (Spektrum abhängig von Quellendetails)
18
43
61
8870
100
40 60 80 100
88
70
6143
100
40 60 80 100
Verunreinigungen:
Lösungsmittel, Zusatzstoffe von Chemikalien (z. B. Ether-Inhibitor, s. u.)
Weichmacher (z. B. Phthalat), Silikone (z. B. Schlifffett, „Säulenbluten“)
Beispiele:
EI-Massenspektrum von BHT (2,6-Di-t-butyl-4-methylphenol, M 220 u):
%
m/z
EI-Massenspektrum von „Säulenbluten“ (Si Isotopenmuster!)
[(–O–Si(CH3)2–)3–CH3]+
% [(–O–Si(CH3)2–)4–CH3]+
m/z
Untergrund:
Luft (N2 28 u, O2 32 u, Ar 40 u, CO2 44 u) → Messbereich ab m/z 40-80
19
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 2300
50
100
1529
41
57
67 81 91 105 115 128 141
145
149 161177
189
205
220
OH
1.3 Analysator I
Auswahl: Instrument, entscheidend für Auflösung und Genauigkeit
Sektorfeld (BE + EB):
Magnetischer Sektor (B = Magnet)
m/z = B2r2e/2U Impulsanalysator
B: Magnetfeld (1-2 Tesla) m2r: Radius, e: Elementarladung m1 + m2 m1U: Beschleunigungsspannung(1-10 kV, gebräuchlich 5 kV) m1 < m2
Elektrostatischer Sektor (E = ESA)
m/z = reE/v2 Energieanalysator
v: Geschwindigkeit der Ionen e2E: Elektrisches Feld, r: Radius e1 + e2(korrigiert Energieunterschiede e1 → verbessert Auflösung x 50) e1 < e2
Doppelt fokussierend (BE/EB) e1
→ BE: höhere Auflösung→ EB: metastabile Ionen e2
m2m1
20
Spektrum (Scan): kontinuierliches Verändern eines Parameters
→ Magnetfeldstärke B (oder E, U) wird erhöht (oder erniedrigt)
→ ~ 1-10 s/Spektrum (langsamere Scanrate erhöht Transmission)
Selected (Single) Ion Monitoring (SIM): diskrete Änderung von B/E/U
→ Empfindlichkeit x100-1000 gegenüber Spektrum (~ 1 ng → pg - fg)
Eigenschaften: ∆m < 2 ppm, R < 100.000 FWHM, Bereich < m/z 50.000
Beschleuniger Massenspektrometrie (AMS):
Teilchenbeschleuniger/Sektorfeld-Analysator zur 14C (10-10 % 12C) Analyse
von Graphit (U ~ MeV!) → Altersbestimmung von bis zu 100.000 Jahren!
Beispiel:
Turiner Grabtuch (1988 Alter durch AMS bestimmt auf ~ 1300 n. Ch.)
21
1.4 Detektor I
Auswahl: Instrument, kombiniert mit dem geeigneten Analysator-System
Dynamik: Totalionenstrom TIC 10–9-10–18 A → Verstärkungsfaktor 106-8
Faraday-Auffänger („Faraday Cup“ FC):
Ion+ oder Ion– e–
10-100 MOhm
Isotopenratio Massenspektrometrie (IRMS):
Einfach fokussierende Sektorfeldgeräte mit Detektoren bei festen Radien
→ Nachweis von Isotopenverhältnissen (2H/H, 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O)
→ Herkunft von Proben (z. B. Unterschied 13C/12C in CO2 Europa/USA)
Beispiel:
Tequila (Agave: C3 → 1.080 % 13C, Zuckerrohr: C4 → 1.095 % 13C)
Blaue Agave Tequila Zuckerrohr
22
Sekundärelektronenvervielfacher („Multiplier“ SEV):
Mehrstufen SEV (10-20 BeCu Dynoden), Channeltron (Pb dotiertes Glas)
–3 kV 0 kV –3 kV
Ion+ 1 e– → ~ 3 e– → ...0 kV
Konversionsdynode (Post Acceleration Detektor PAD):
Konversion negativer Ionen → bessere Detektion
Nachbeschleunigung aller Ionen → hohe Massen
Ion– oder Ion+ Ion+ oder e–
Detektorspalt 0 kV +/–8-30 kV
Mikrokanalplatte („Array Detektor“, Microchannelplate MCP):
Empfindlichkeit x 100 (Detektion gleicher Ionen)
Schnellere Messungen (ortsabhängige Detektion)
→ Sektorfeldgerät in EB Konfiguration
→ Flugzeitmassenspektrometer (TOF)
23
2. Fragmentierungen
Allgemeine Regeln:
Fragmentierungen sind Resultat gleichzeitig ablaufender Ionenreaktionen
→ Antrieb ist Bildung stabiler Ionen/Neutralteilchen (Stevenson Regel)
→ „Bei der Fragmentierung spaltet sich immer das größte Radikal ab.“
Ionisierungsvorgang (~ fs) ist schneller als Molekülschwingungen (~ ps)
→ elektronisch angeregtes Molekülion (Franck-Condon-Prinzip FCP)
→ Energiekonversion in Schwingungsenergie (keine Stöße!) → Zerfall
Schwingungsenergie Verteilung ist schneller als folgende Fragmentierung
→ Fragmentierung ist nur von Ionenenergie und Ionenstruktur (Zahl der
Schwingungsfreiheitsgrade) abhängig (Quasi-Equilibrium-Theorie QET)
Formalismus:
Konzept der l okalisierten Ladung: Wahrscheinlichkeit +. : n > π > σ
Anzeige einer delokalisierten Ladung: [Molekül]+. oder Molekül +.
+. : Radikalkation (odd electron OE) + : Kation (even electron EE)
: Elektronen Bewegung : Elektronenpaar Bewegung
24
2.1 Radikal induzierte Spaltungen
σ-Spaltung (σ):
Spaltung von nicht aktivierten σ-Bindungen:
(Radikalkation → Kation)
σ
Folgereaktion kann Neutralteilchen Verlust (NV) sein:
(Kation → Kation)
NV
Homolytische Bindungsspaltung ist zu energieaufwendig!
(wenn das Radikal einmal weg ist, kommt es nicht wieder)
→ „Even Electron Rule”: EE Ionen erzeugen nur EE Fragmente
25
Alkane zeigen charakteristisches Muster (Massendifferenz von m/z 14):
Beispiel: n-Tetradecan (M 198 u)
%
M+.
m/z
Verzweigungen führen zu stabileren sekundären und tertiären Ionen:
Beispiel: n-Hexadecan (M 226 u) 5-Methylpentadecan (M 226 u)
% %
m/z m/z
26
Einzelne Doppelbindungen erzeugen um m/z 2 verschobene Peaks:
Beispiel: 1-Hexadecen (224 u)
%
m/z
Fluorierte Kohlenwasserstoffe zeigen ähnliche Muster:
Beispiel: Perfluorkerosin (PFK)
%
m/z
σ[CF3–(CF2)m–(CF2)n–CF3]+. CF3–(CF2)m
+ + .(CF2)n–CF3
Anwendung: Referenz für EI Kalibrierung und Massenfeinbestimmung
(exakte Masse < nominelle Masse, hoher Massenbereich: 69-1017 u)
27
α-Spaltung (α):
Spaltung der α-Bindung zu Heteroatomen oder Doppelbindungen:
(Radikalkation → Kation)
X: O, NR, ... Y: OR, NRARB, CRA=CRBRC, Aromat, ...
α α α α
Folgereaktion kann auch hier NV sein (manchmal
so schnell, dass das α-Fragment nicht sichtbar ist):
α NV
(NH statt O → - CNH)
Spaltung der α-Bindung zu einem sekundären Heteroatom:
Diethylether α Oxonium-Ion
m/z 74 m/z 59
28
Spaltung der α-Bindung zu einem primären Heteroatom:
Beispiel: 1-Hexylamin (M 101 u)
α
%
m/z
1-Hexylamin α Immonium-Ion
m/z 101 m/z 30
Bei unterschiedlichen α-Bindungen erfolgt bevorzugt die Abspaltung:
OR > R > NR2 > H
α α
„Alkylregel”: Homologe spalten den größeren Alkylrest bevorzugt ab
αOxonium-Ion
Ethylbutylketon
29
R = H → Quasimolekülion [M–H]+ (wenig intensiv wegen Alkylregel!)
Beispiel: Methanol (M 32 u) α
%
m/z
αMethanol [CH3OH]+. [CH2=OH]+ Oxonium-Ion
- .Hm/z 32 m/z 31
Allylspaltung (Al):
α-Spaltung zu einer Doppelbindung (Radikalkation → Kation):
EI Al
Beispiel: 1-Hexen (M 84 u)
Al 41 56%
28 69
m/z
30
Wasserstoffumlagerung (WU) → „Distonisches Radikalkation“
→ „Remote Site Fragmentation“
Al
WU im Radikalfragment → m/z 41
nach außen reine σ-Spaltung σ (WU)
m/z 55
WU + NV σ (WU)
m/z 56 m/z 69
WU + NV
m/z 42
WU + NV
m/z 28
Bei unspezifischen Wasserstoffumlagerungen → chemische Fixierung →
Fragmente geben Hinweise auf ursprüngliche Doppelbindungs Position
chemisch Ketal
massenspektrometrisch Fragment A
α
α
Fragment B
31
Benzylspaltung (Bz):
α-Spaltung zu einem aromatischen System (Radikalkation → Kation):
m/z 91
Bz Tropylium-Ion
m/z (90+R)
Es kommt zu Neutralteilchen Verlusten, die typisch für Aromaten sind:
Beispiel: Toluol (M 92 u)
Bz
%Bz + 2NV Bz + NV
m/z
Bz NV NV
Toluol aromatisch!
m/z 92 m/z 91 m/z 65 m/z 39
32
Benzylspaltungen sind auch charakteristisch für Heteroaromaten:
Thiophenderivat Bz Thiopyranyl-Ion
(aromatisch!)
m/z 97
Bei der α-Spaltung in zyklischen Systemen kommt es zu einer
Wasserstoffumlagerung vor der eigentlichen Fragmentierung:
Cyclohexanon α WU α Mesomerie!
m/z 98 sechsgliedrig! m/z 55
Die Reaktion geht von dem Radikal und nicht der Ladung aus
→ die α-Spaltung ist eine sog. „Radikal induzierte Spaltung”
Die Tendenz α-Spaltungen zu initiieren folgt den ladungsstabilisierenden
Eigenschaften der „Heteroatom“ Gruppe (siehe Tabellen in der Literatur)
→ α-Wahrscheinlichkeit: N > S, I, O, π-Aromat, π-Allyl, R. > Br, Cl > H
33
McLafferty Umlagerung (Mc):
β-Spaltung mit gleichzeitiger Wasserstoffumlagerung:
(Radikalkation → Radikalkation / Kation → Kation)
WU α
Die Ladung verbleibt im Normalfall am ursprünglichen Ort
Mc konzertierte Variante
Seltener bewegt sich die Ladung zu dem anderen Fragment
Achtung: Auf McLafferty Umlagerungen folgt oft Keto-Enol-Tautomerie!
Beispiel: Benzoesäurepropylester (M 164 u)
Mc
m/z 164 m/z 122
Wasserstoffübertragung von Carbon- oder Sulfonsäuren
führt zur Abspaltung von CO2 und SO2 Neutralteilchen!
34
Für eine McLafferty Umlagerung sind keine Heteroatome nötig:
Mc
1-Hexen (siehe Seite 29)
m/z 84 m/z 42
Sie funktioniert auch an Aromaten und Heteroaromaten
(siehe z. B. auch m/z 82 beim Histamin in Kapitel 3.2):
Beispiel: n-Butylbenzol (M 134 u)
Bz
% Mc
m/z
Bz Mc
m/z 91 m/z 134 m/z 92
35
Retro Diels Alder Reaktion (RDA):
Zweifache α-Spaltung in einem zyklischen Doppelbindungssystem:
(Radikalkation → Radikalkation / Kation → Kation)
α α RDA
Die Ladung verbleibt im Normalfall im Dien-, seltener im En-Teil
Beispiel: 4-Phenylcyclohexen (M 158 u)
104 RDA
%
m/z
RDA
m/z 158 m/z 104
RDA aus Übergangszustand: RDA
36
2.2 Ladungs induzierte Spaltungen
Induktive Spaltung (i):
Spaltung der direkten Bindung zu einem Heteroatom:
(Radikalkation → Kation)
i X: F, Cl, Br, I, OR, ...
Die Tendenz zur i-Spaltung steigt mit F, Cl, Br, I > O, S >> N, R
Beispiel: Methanol (M 32 u)
i %[CH3OH]+. CH3
+ i- .OH
m/z
Jede α-Spaltung hat eine i-Alternative, in der die Ladung am anderen
Rest bleibt, wegen der Ladungsbewegung ist das unwahrscheinlicher
i
37
Die Reaktion geht von der Ladung und nicht dem Radikal aus
→ die i-Spaltung ist eine sog. „Ladungs induzierte Spaltung”
Die i-Variante zur Benzylspaltung ist die seltenere Phenylspaltung:
i NVnicht aromatisch
(X auch H) m/z 77 m/z 51 (sp2 orthogonal)
Iod kann auch positiv geladen abgespalten werden (quasi σ-Spaltung)
σ
m/z 127 (Iod+)
Chlor und Brom zeigen typische σ + U (Umlagerung) Ringschlüsse:
σ + U X: Cl X: Br
m/z 91 m/z 135
X: Cl X: Br
σ + U m/z 105 m/z 149
Beispiel: 1-Chlordecan (M 176 u)
σ + U
%
σ + U
m/z
38
Eliminierung (El):
i-Spaltung mit Wasserstoff Umlagerung zur Abgangsgruppe:
(Radikalkation → Radikalkation):
WU i
X: F, Cl, Br, I, OR, ...WU i
Ist X ein Hydroxylrest kann es zur Wasser Abspaltung kommen
Achtung: Eliminierung erfolgt auch aus tautomeren Strukturen!
Beispiel: Ethylacetat CH3CO2CH2CH3 (M 88 u)
%
El (- H2O)
m/z
WUCH3-C(=O)-O-CH2CH3 ↔ CH2=C(-OH)-O-CH2CH3 Tautomerie
ElCH2=C(-+.OH)-O-CH2CH3 → CH2=C+-O-CH2CH2
. + H2O
39
43
61
8870
100
40 60 80 100
α-Spaltung, i-Spaltung und Eliminierung stehen in Konkurrenz:
i
El
α
Beispiel: 1-Hexanol (M 102 u)
El + NV + α El + NV
α% El + α
Elσ
m/z
m/z 73 m/z 69
σ α
WU i
m/z 84
α α NV
m/z 31 m/z 43 m/z 56
40
Onium Reaktion (On):
i-Spaltung mit Wasserstoff Umlagerung von der Abgangsgruppe:
(Kation → Kation / sehr selten Radikalkation → Radikalkation)
On
X: NR, O, PR, S, ...
Alkylrest >= Ethyl!
On X: NR2, OR, ...
Beispiel: 1-N-Ethylpentylamin (M 101 u)
α2
% α + On
α1
m/z
m/z 86α1 On
m/z 30^
m/z 101 α2 On
m/z 58
41
43
61
8870
100
40 60 80 100
On erzeugt das typische Ion von Phthalat-Weichmachern bei m/z 149:
α U On
m/z 149
Beispiel: Diethylhexylphthalat (DEHP, M 390 u, 50 % der Weichmacher)
149
%167
279 (390 M+.)
m/z
Beispiel: Ethylacetat CH3CO2CH2CH3 (M 88 u)
% OnM+.
m/z
WUCH3-C(=O+.)-O-CH2CH3 ↔ CH3-C(-OH)=O+-CH2CH2
. „O-Tautomerie“On
CH3-C(-OH)=O+-CH2CH2. → CH3-C(-OH)=O+-H + .CH=CH2
42
O OO
O
Neutralteilchen Verlust (NV):
i-Abspaltung von Neutralteilchen ohne Wasserstoffumlagerung
(z. B. H2, HX, CO, CNH, C2H2, C2H4)
NV ist eine typische Folgereaktion von:
σ-Spaltung (- C2H4)
α-Spaltung (- CO, - CNH)
Aromaten Abbau (- C2H2)
NV aus ungesättigten zyklischen Systemen unter Ringverkleinerung:
α NV
- CO
Aus Heterozyklen wird beim NV bevorzugt das Heteroatom abgespalten:
+. NV +.
Isochinolin - HCN
m/z 129 m/z 102
43
N
Aus Aromaten erfolgt NV nach Wasserstoff Umlagerung zum Ring:
Beispiel: Anilin (M 93 u)
WU + NV
% WU + NV + Al
m/z
WU NV Al
m/z 93 m/z 93 m/z 66 m/z 65
Beispiel: Cyanodicarbonylcyclopentadienyleisen(II)-Komplex
56 Fe+ 147 [M-2xCO]+.
% [M-2xCO-CN.]+ 175 [M-CO]+.
65 Cp+ 121 203 M+.
m/z
44
OO
N
Fe
Isomerfragmentierung:
Racemate und Enantiomere zeigen immer gleiche Massenspektren
Diastereomere und geometrische Isomere (cis/trans, E/Z) können (!)
durch Nachbargruppeneffekte verschiedene Massenspektren zeigen
Nachbargruppeneffekte:
Spezifische Fragmentierung in Nachbarschaft funktioneller Moleküle
→ z. B. McLafferty, Eliminierung → „ortho Effekte” / „peri Effekte”
Beispiel: m-Nitroanilin (M 138 u)
65 92
%81 108
m/z
i WU + NV
m/z 92 m/z 65m/z 138
U i NVm/z 108 m/z 81
45
Beispiel: o-Nitroanilin (M 138 u)
65
% 9281 108
121
m/z
WU Bz
m/z 138 Radikalbewegung m/z 121
2.3 Derivatisierungsreaktionen
Einführung oder Änderung von funktionellen Gruppen vor der Messung
Erhöhung der Verdampfbarkeit:
Methylierung (–CH3) oder Silylierung (–Si(CH3)3) polarer Gruppen
(außer für GC/MS nicht mehr wichtig wegen neuen Ionisierungen)
Schutzgruppen in der Peptidchemie fragmentieren meistens schnell (z. B.
t-Butyloxycarbonyl „BOC“ t-Bu–O–CO, Benzoylcarbonyl „Z“ Bz–O–CO)
46
155
Änderung des Fragmentierungsmusters:
Reaktive Gruppe (Ethylenacetal, Dimethylamino) erzwingt gezielte
Fragmentierung → Fixierung von beweglichen Doppelbindungen
(nicht mehr wichtig wegen NMR, Einzelheiten siehe Lehrbücher)
Unreaktive Gruppe (2H, 13C, Methyl, Silyl) verschiebt einzelne Peaks:
„Shift Technik” → Quantifizierung (Markierungsgrad siehe Lehrbücher)
Problem: M+1 Peaks in deuterierten Lösungsmitteln (z. B. nach NMR)
Beispiel: n-Decansäure (M 172 u)
Mc WU + WU + α
% σ
m/z
Beispiel: n-Decansäuremethylester (M 186 u)
(60+14)
% (73+14)
(129+14)
m/z
47
2.4 Praktische Spektreninterpretation
1. Bibliothekssuche durchführen (Computer oder Literatur)!
2. Identifikation des Molekülpeaks: Peak bei größtem m/z?
a) Quasimolekülpeak kann falsche Molekülmasse vortäuschen, z. B.:
M+H2 (Chinone), M+H (Amine, Nitrile), M–H (Amine, Nitrile, α–H.!)
M–H2 (Hydrochinone, primäre Alkohole), M–H2–H (primäre Alkohole)
Quasimolekülpeaks durch andere Ionisationen ausschließen (LEI, CI)
b) Isotopenmuster und Summenformel (durch Hochauflösung) stimmig?
→ Sind Elemente aller Fragmente auch im Molekülpeak vorhanden?
c) Doppelbindungsäquivalente (DBÄ, R+D) der Summenformel stimmig?
DBÄ (CxHyNzOn) = x – 0.5 y + 0.5 z + 1 → Molekülpeak ganzzahlig
(Si = C, X = H, S = O, P = N, und je +1 für höhere Oxidationsstufen)
Fragmente/Wasserstoffaddukte können .5 ergeben → DBÄ abrunden
d) Mehr ungerade/gerade Fragmente → M vermutlich gerade/ungerade
(weil Radikalkation → Kation häufiger als Kation → Kation)
e) Fragment-Löcher bei M – 4 bis M – 14 und M – 21 bis M – 25
% M +/– 14: Homologe(Unterschied –CH2–)
m/z
48
3. Fragmentierungen vom Molekülion aus sind am aussagekräftigsten
→ im Spektrum Peak-Differenzen vom Molekülion her ausrechnen
4. „Fragmentierungs-Haken“ (R−∫−R) durch logische Bindungen ziehen
und Fragmentmassen in beide Richtungen (+/–2 H) darüber schreiben
→ nicht wie beim NMR Fragmenten potentielle Strukturen zuordnen
→ wird für Proteomics bei Peptiden benutzt und ergibt typische
Fragment-Serien a/b/c (N-Terminus) und x/y/z (C-Terminus)
5. Fragmentierungen durchführen (Massendifferenzen siehe Lehrbücher)
→ Ladung lokalisieren (Heteroatome/π-Systeme), α-Bindungen suchen
→ Doppelbindungen/H-Atome in 6-er Ringstellung (El/Mc) suchen
→ Fragmentierungen aus tautomeren Molekülstrukturen überdenken
→ Folgereaktionen aus nicht sichtbaren Fragmentionen kontrollieren
→ Bei Wasserstoffumlagerungen alle Wasserstoffe explizit zeichnen
→ Fragmentierungsreihen mit mehr als drei Folgeschritten sind selten
→ Pro Molekül gibt es immer nur eine Ladung und/oder ein Radikal
→ Sind gleiche Fragmente aus verschiedenen Positionen abspaltbar
entscheidet die Triebkraft der funktionellen Gruppe (α versus i)
49
3. Fortgeschrittenes
3.1 Probeneinlass II
Gaschromatographie (GC):
Aufbau: Trägergas Injektor
Detektor (MS)
Säule
Säulenofen
50
Trägergas: ~ 1 ml/min Helium → gasförmige mobile Phase
(Trennleistung: Wasserstoff > Helium >> Stickstoff)
Injektor (Aufgabesystem): Split/Splitlos (SSL), Cold-on-Column (CoC)
Headspace (HS), Pyrolyse (Py), Temperaturprogrammiert (PTV)
Spritze Septum (Silikon) Split/Splitlos (SSL)
Trägergas Septenspülung
Split („Verdünnung der Probenlösung“)
Nadel
Liner (Quarzglas) Injektionsvolumen: 0.1-30 µl (üblich 1 µl)
(Glaswolle Filter) mittels Mikroliterspritze und Autosampler
Säule Injektortemperatur: –50-400 °C ( üblich 250 °C)
Säule: Quarz Kapillarsäule (10-100 m Länge, 0.1-0.5 mm Durchmesser)
mit 0.1-0.5 µm innerer Beschichtung → flüssige stationäre Phase
unpolar:
z. B. Dimethylpolysiloxan [-O-Si(CH3)2-]n
polar:
Polyethylenglykol [-O-CH2-CH2-]n „Carbowax”
GC/MS Phasen sind oft chemisch gebunden → weniger „Säulenbluten“
51
Säulenofen: Heizbar RT-500 °C (+/– 0.1 °C), Heizrate 0.1-100 °C/min
Chromatogramm ohne Temperaturprogramm
Chromatogramm mit Temperaturprogramm
Beispielprogramm: (Messzyklus ~ 20 min, inklusive GC Abkühlen)
50 °C (1 min) → 300 °C (4 min) mit 25 °/min auf 25 m GC-Säule
↑ Durchflußzeit „Totzeit“ → Retentionszeit des Lösungsmittels
→ gut zur Erkennung von „Memory Effekten“
Kopplung zum Massenspektrometer:
Probe gasförmig (Gase messbar!) und Trägergasstrom gering für
Vakuumsystem (~ 0.25 mm Säule) → geheiztes Kopplungsrohr
(auf ~ GC Endtemperatur) → Säule ragt bis in die Ionenquelle
→ geeignet für Gase, Flüssigkeiten und flüchtige Feststoffe
Vorteile:
Bestmögliche Trennung, sehr gute Kompatibilität zum MS
Nachteile:
Schwer flüchtige Substanzen (~ > 400 u) → Derivatisierung der Probe
Proben Zersetzung und Reaktionen im Injektor → PTV/CoC Injektor
Säuren und Basen zersetzen Säule → pH Wert (Hydrohalegonide!)
Zerstörung der Säulen durch das Hochheizen → „Säulenbluten“
52
Beispiel: Nachweis von Kokain aus einer Haarprobe
Peak überladen („fronting“)
Peak reaktiv („tailing“)
%Säulenbluten TIC Chromatogramm
Kokain% Ionenchromatogramm
von m/z 303 (M+.)
Retentionszeit (min)
EI-Massenspektrum von Kokain:
%
m/z
→ Nachweis durch Bibliotheksspektrum und GC-Retentionszeit
→ Quantifizierung in SIM mit Kokain-d3 als internem Standard
53
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 3100
50
100
15
42
5159 68
82
94105
122152 166
182
198 272
303
N
HO
O
H O
O
3.2 Probeneinlass III
Flüssigkeitschromatographie (LC):
Aufbau: Injektor
Säule Detektor
PumpeProbenschleife
Laufmittel MehrwegeventilFluss zur Säule
Laufmittel:
„Normale Phase” z. B. Hexan/Propanol
„Reverse Phase” z. B. Wasser/Acetonitril
(0.1-1 % Ameisensäure) → üblich in LC/MS
Pumpe:
0.1-10 ml/min Laufmittel (isokratisch)
oder Laufmittel Gradient (z. B. 50/50
Wasser/Acetonitril → 100 % Acetonitril)
< 200 bar High Performance ( HP LC)
< 1000 bar Ultra Performance (UPLC)
Injektor: Mehrwegeventil mit Probenschleife festen Volumens (1-100 µl)
54
Säule: Stahlsäule 2-80 cm Länge, 2-50 mm Innendurchmesser
gepackt mit fester stationärer Phase: Kieselgel oder Polymer
(sphärische oder irreguläre Partikel, „solid core“, Monolithe)
Partikelgröße 1-50 µm
Porengröße 1-500 nm
Adsorption Größenausschluss
(Kieselgel, (Size Exclusion SEC,
unbehandelt) Gel Permeation GPC)
Ionenaustausch (Ion(exchange) IEC, IC)
Kationenaustausch Alanin
Laufmittel: z. B. CH3SO3H
Anionenaustausch Gegenionen
Laufmittel: z. B. NaOH
Detektion: Leitfähigkeit Phenol
vorher Ionensuppressor
55
Verteilung: z. B. Zyanide, Alkane Affinität: z. B. Rezeptoren
unpolares polares
Laufmittel Laufmittel
-(CH2)3CN -(CH2)17CH3 „RP18“
(~ 90% RP-HPLC)
normale Phase reverse Phase
Tipps und Tricks:
Verstopfung → Filter/Vorsäule Luftblasen → Laufmittel entgasen
Probe in Acetonitril rutscht bei Wasser durch → Lösungsmittel beachten!
Detektor:
z. B. UV/VIS-Detektor (Photodiodenarray PDA) → vorgeschaltet zu MS
Problem: Lichtempfindliche Verbindungen werden vor dem MS zersetzt!
Kopplung zum Massenspektrometer:
Laufmittel erzeugt zu viel Gasbalast für Vakuumsystem (~ 2 mm Säule)
→ Trennung von Laufmittel und Probe (nur flüchtige Puffer benutzen!)
1) Trennung vor der Ionisierung: Particle Beam Interface (EI/CI)
2) Trennung nach der Ionisierung: Atmosphärendruck Ionisation
56
Particle Beam:
Desolvatationskammer (70 °C)
Momentumseperator Nebulizer (30 °C)
Überschallflugzur Ionenquelle
Blitzverdampfungan der Quellenwand
1 mbar 10 mbar Laufmittelzufuhrzu Vorvakuumpumpen Nebulizergaszufuhr (He, N2)
Partikelbildung in der Desolvatationskammer:
Partikel Tropfen
(1 μm) (100 μm)
Cluster Mikrotropfen
Probleme:
Substanzverluste im Momentumseperator → schlechte Empfindlichkeit
Matrixeffekte durch Partikelzusammenlagerung → schlechte Dynamik!
Probenzufuhr ohne Trennung:
Flussinjektions Analyse (FIA): Proben Injektion in HPLC Laufmittelfluss
Direktinfusions Analyse (DIA): Proben Zufuhr durch eine Spritzenpumpe
57
Beispiel: PB/EI LC/MS des Methanol Extraktes eines Zahnkomposites
BIS-GDMA (Basismonomer)
BIS-GMMA
% TEGDMA BIS-IGDMA
Koffein BIS-GTMA
Zeit (min) Koffein = Standard
EI-Massenspektrum von Triethylenglykoldimethacrylat
(TEGDMA, M 286 u, Komonomer)
%
m/z
Anwendung:
Schlecht gelegte Kompositfüllungen verlieren Restmonomere, die den
Zahnnerv angreifen können → Analyse extrahierbarer Restmonomere
(Additive wie Photoinitiatoren, Koinitiatoren, Photostabilisatoren und
Inhibitoren sind kleiner und deshalb besser durch GC/MS zu erfassen)
58
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 2900
50
100
29
41
4558
69
86100
113
143 172 200
O
O
OO
O
O
3.3 Ionenquelle II
Chemische Ionisation (CI):
Ionisation gasförmiger Moleküle durch Ion-Molekül-Reaktionen
→ Chemische Methode für flüchtige Substanzen (M bis 1500 u)
EI mit Reaktandgas (G) im Überschuss (1000/1) → Plasma (10-1 mbar)
Quellentemperatur niedriger, Elektronenenergie höher (Durchdringung)
Protonentransfer:
M + [G+H]+ → [M+H]+ + G M + [G-H]+ → [M+H]+ + [G-2H]
Bedingung:
Protonenaffinität: PA (M) > PA (G) → Quasimolekülion [M+H]+
PA (M) ~ 6-10 eV, PA (G): CH4 5.7 eV (Methan)
C4H8 8.5 eV (Isobutan), NH3 8.8 eV (Ammoniak)
Ion-Molekül-Reaktionen + Stoßstabilisierung mit Gas:
Überschussenergie < 5 eV → wenig Fragmentierung!
CI liefert Quasimolekülionen und die Molekülmasse, auch wenn kein
Molekülpeak im EI-Massenspektrum sichtbar ist: „Sanfte Ionisierung“
59
100
%
20 40m/z
18 NH4+
35 (NH ) H 3 2+
Ammoniak(10–1 mbar)
Beispiel: Histamin (M 111 u)
Entsteht in Lebensmitteln durch Reifungsprozesse
z. B. in altem Fisch → Grund von Fischvergiftung
EI-Massenspektrum (70 eV) CI-Massenspektrum (Isobutan)
Reaktandgas-Ionen:
Ammoniak:
NH3+. + NH3 → NH4
+ + NH2.
m/z 18 schwache Säure
NH3 + NH4+ → (NH3)2H+
m/z 35 Nebenprodukt
Spezielle Anwendung von Ammoniak CI:
Bestimmung austauschbarer Wasserstoffe (x) mit ND3 → [M+xD+D]+
60
50 100
100 82
111M+.
%
m/z50 100
100 112 [M+H]+
%
m/z
Methan:
CH4+. + CH4 → CH5
+ + CH3.
m/z 17 starke Säure
CH4+. → CH3
+ + H. CH4 + CH3+ → C2H5
+ + H2
m/z 29 Nebenprodukt
Isobutan:
(CH3)3CH+. → (CH3)2CH+ + CH3.
m/z 43 Nebenprodukt
(CH3)3CH + (CH3)2CH+ → (CH3)3C+ + (CH3)2CH2
m/z 57 mittelstarke Säure
61
100
%
20 40m/z
16 CH4+.
Methan(10–5 mbar)
100
%
20 40m/z
17 CH5+
29 C2H5+
Methan(10–1 mbar)
100
%
m/z20 40
(CH3)2CH+ 43
Isobutan (10–5 mbar)
58M+.
100
%
m/z20 40
43
(CH3)3C+ 57
(CH3)2CH+
Isobutan (10–1 mbar)
Selektivität:
Reaktandgas erzeugt spezifische Ionisierung und gezielte Fragmentierung
Beispiel: Lavandulolacetat (M 196 u, Duftstoff)
CI (Methan) 137
%
197 [M+H]+
m/z
CI (Isobutan) 137
197 [M+H]+
%
m/z
CI (Ammoniak) 197 [M+H]+
214 [M+NH4]+
%137
m/z
62
Elektrophile Addition: M + [G+H]+ → [M+G+H]+ M + F+ → [M+F]+
Besonders bei CI Nebenprodukten: [M+NH4]+, [M+C3H7]+, [M+C2H5]+
Anion Abstraktion: M + G+ → [M–A]+ + [G+A] A: Anion
Typisch für Alkane bei Methan CI: M + C2H5+ → [M–H]+ + C2H6
Ladungsaustausch: M + G+. → M+. + G IE (M) ~ 7-14 eV
Bedingung: Rekombinationsenergie RE (G+.) > IE (M) → M+.
RE: He+. 24.6 eV (GC), N2+. 15.3 eV (Luft), CO2
+. 13.8 eV (Luft)
Überschussenergie > 5 eV → CI Spektrum entspricht EI Spektrum!
Probleme:
Neutralteilchenabspaltung wird forciert (z. B. H2O, NH3) → kein [M+H]+
ACE (Alternierend CI + EI) → EI+CI-Kombi-Ionenquelle
→ hohe Probenkonzentration bei EI → „Selbst-CI“
→ falsches Isotopenmuster, falsche Molekülmasse!
Erkennung am Messverlauf:
M+. < [M+H]+
% M+. > [M+H]+ M+. > [M+H]+
Zeit (min)
63
Negative Chemische Ionisation (NCI):
Ion-Molekül-Reaktionen: Reaktandgase: CH2Cl2 (Cl–), NO/CH4 (OH–)
Protonentransfer: M + G– → [M–H]– + [G+H]
Nukleophile Addition: M + G– → [M+G]–
Kation Abstraktion: M + G– → [M–Y]– + [G+Y] Y: Kation
Ladungsaustausch: M + G– → M– + G
Elektroneneinfang NCI: Reaktandgase: Methan, Isobutan, Ammoniak
e– + G → e– (thermisch: 0-2 eV) + G
e– (thermisch) + M → M– (angeregt)
M– (angeregt) + G → M– (thermisch)
Vorteile:
Hohe Empfindlichkeit: Ionenausbeute NCI ~ EI ~ 10 x (P)CI
Hohe Selektivität: Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK),
Halogen-, Nitro- und Phosphat-Verbindungen (Langlebige Organische
Schadstoffe, POP): Dioxine, Pflanzenschutzmittel, Flammschutzmittel
→ Umwelt- und Nahrungsmittelanalytik (üblich ist GC/NCI-HRAM)
Nachteile: temperaturabhängig, druckabhängig (Stoßstabilisierung)
64
Atmosphärendruck Chemische Ionisation (APCI):
Probenlösung wird versprüht, verdampft und durch eine 1-2 kV
Koronaentladung ionisiert → Quasimolekülionen [M+/–H]+/–
(selten: Ladungsaustausch M+./M–, Clusterionen [2M+/–H]+/–)
Koronaentladung (2-10 μA) → e- (ähnlich zu EI)
Nebulizerheizer (200-600 °C)
HPLC-Fluß: Skimmer
0.2-2 ml/minVakuum
Nebulizergas (N2)Koronanadel (1-2 kV) „Stickstoffvorhang“
Alternative zum Stickstoffvorhang: geheizte Kapillare
Mechanismus:
1. Chemische Ionisation mit Luft und Laufmitteldampf als „Reaktandgas“
pos.: M + H3O+ → [M+H]+ + H2O neg.: M + OH- → [M–H]– + H2O
2. Ladungsrückstand Ionisation (analog Particle Beam, aber mit Ladung):
Tropfen Ion
Mikrotropfen Cluster
65
Beispiel: APCI von Reserpin (M 608 u, Alkaloid, Blutdrucksenker)
609.6 [M+H]+
%
1218.3 [2M+H]+
m/z
APPI (Atmosphärendruck Photo Ionisation):
APCI mit photochemisch ionisiertem „Dopant“ (z. B. Toluol), sozusagen
als Reaktandgas, im HPLC Laufmittel → besser für unpolare Substanzen
APCI, APPI: „sanfte Ionisierung“ geeignet für LC/MS Kopplung
Probleme:
Substanz Flüchtigkeit notwendig (M bis 1500 u, nur flüchtige Puffer!)
Keine Strukturinformationen wegen fehlender Fragmentierung → SID
Skimmer Induced Dissociation ( SID):
Fragmentierung im Skimmer durch Stöße mit Laufmittelmolekülen
66
3.4 Ionenquelle III
Elektrospray Ionisation (ESI):
Probenlösung wird aus einer Quarz/Metall Kapillare unter Hochspannung
von 1-5 kV versprüht → Quasimolekülionen [M+/–nH]n+/– mit n: 1-100 !
→ M bis 100.000 u (Adduktionen [M+/–Y)]+/–, Clusterionen [2M+/–H]+/–)
Nebulizergas N2 Skimmer
HPLC-Fluß: 1-100 μl/min
Kapillare ~ 0.1 mm Ø Vakuum
„Stickstoffvorhang“
ESI ist konzentrationsabhängig:
Nanospray 10-1000 nl/min, mikro-ESI 0.1-1 μl/min, Ionspray 0.1-1 ml/min
Beispiel: ESI von Pferde-Myoglobin (M 16951 u, roter Muskelfarbstoff)
[M+16H]16+ [M+11H]11+
[M+15H]15+
z = 1%
m/z m/z
% z = 2
m (!) „Dekonvolution“ m/z
67
Bestimmung der Ladungsanzahl:
z = (mz+1 – 1)/(mz+1 – mz) oder 13C Peaks bei Hochauflösung
~ pro 1000 u eine Ladung (abhängig von pH, 3D-Struktur)
Mechanismus:
„Taylor Konus“ → Ladungsverteilung bis zum „Raleigh Limit“ →
Tropfen (1-2 μm) → Laufmittel Verlust → „Coulomb Explosion“
(„Raleigh Limit“) → Mikrotropfen → Laufmittel Verlust → ... ↑
1. Ladungsrückstand: Ionen bleiben über (große Moleküle)
2. Ionenverdampfung: Ionen desorbieren (kleine Moleküle)
Ladungsdichte E ~ 106 V/m → Ionenstrom I ~ 10–7-10–8 A!
→ Ionisations-Ausbeute ~ 1/100 (EI/NCI-Ausbeute 1/1000)
(aber Verluste beim Eintritt ins Hochvakuum am Skimmer)
68
Desorption ESI (DESI):
ESI Nebel wird direkt auf Material gerichtet (z. B. Sprengstoffe, Drogen).
ESI Sprühkopf Skimmer des MS
„Paper Spray“: Hochspannung wird an ein dreieckiges Papier angelegt
auf dem sich die Probe und ein Lösungsmittel befindet!
ESI, DESI: „sanfte Ionisierung“ mit mehrfach geladenen Ionen!
Vorteile:
Beste Methode für polare Moleküle, sehr große Molekülmassen messbar
Nachteile:
Ladungskonkurrenz → Ionen stören (z. B. [Tetrabutylammonium]+, TFA–)
Probe zu konzentriert → viele Clusterionen ([2M+/–H]+/– und [2M+/–Y]+/–)
Addukte [M+/–Y(+X)]+/–: + ESI Y: NH4, Na, K, Ca, Mg X: Triethylamin
– ESI Y: Cl, Br, Formiat, Acetat → Entsalzen!
Trifluoressigsäure (TFA): + ESI: Ionenpaarbildung mit Ionen der Probe
– ESI Ladungskonkurrenz → Ameisensäure
Keine Strukturinformationen wegen fehlender Fragmentierung → SID
69
Fast Atom Bombardment (FAB):
Probe wird auf einem „Target“ in „Matrix“ gelöst und durch Beschuss mit
hochenergetischen Teilchen direkt aus einer kondensierten Phase ionisiert
Atom- oder „Selvedge Region“Ionenstrahl (heiße Stoßkaskade)
„Impact cavities“ Probe gelöst(150 Å tiefe Krater) in der Matrix
Kupfer/Stahl Target kalte EI-Quelle
Primärteilchen: 5-10 kV schnelle (↑) Xenon Atome (M 132 u)
Erzeugung durch Xe Ladungsaustausch in der „FAB Kanone“
(1010 Xe↑/s mm², 1 Xe↑ → ~ 1000 Matrixteilchen in < 10 ns)
Xe + e– → Xe+. + 2 e– Xe+. → Xe+.↑ Xe+.↑ + Xe → Xe↑ + Xe+.
Fast Ion Bombardment (FIB) = Liquid SIMS (Sekundär Ionen MS):
Primärteilchen: 20-40 kV schnelle Cäsium Ionen (M 133 u)
Erzeugung durch Heizen von CsI in der „Cs-Ionenkanone“
Vorteile: Strahl fokussierbar, kein Gasdruck, hohe Energie
70
Beispiel: FAB Spektrum von Leu-Enkephalin (M 555 u, Opioid)
[M+H]+
%
m/z
Mechanismus:
1) Vorgebildete Ionen werden desorbiert (Matrix pH abhängig!) → M+/–
2) Moleküle reagieren mit Matrix Ionen (erzeugt durch Stoßaktivierung)
→ Quasimolekülionen [M+/–Y]+/– ([M+/–2Y]2+/2–, Molekülionen [M]+./–)
→ Clusterionen [2M+/–Y]+/– ([M+X+/–Y]+/–, Matrixcluster [nX+/–Y]+/–)
→ Fragmentionen F+/– (Na, K und NH4 Addukte zeigen hohe Stabilität)
Y: H (Na, K, NH4) X: Matrix, n: 1-3 Säuren auch als Salz!
Matrix:
Zähflüssige schwer verdampfbare Flüssigkeit → z. B. Glyzerin (G)
3-Nitrobenzylalkohol (NBA), 2-Nitrophenyloctylether (aprotisch!)
→ Matrixverdampfung aus Clustern kühlt Substanz-Ionen
→ Matrixbeweglichkeit erneuert zerschossene Oberfläche
71
Matrixspektren:
+ FAB Spektrum von NBA - FAB Spektrum von NBA
+ FAB Spektrum von Glyzerin:
[X+H]+ 93 (100 %) [2X+H]+ 185 (50 %) [3X+H]+ 277 (25 %)
- FAB Spektrum von Glyzerin:
[X–H]– 91 (100 %) [2X–H]– 183 (50 %) [3X–H]– 275 (25 %)
FAB, FIB: „sanfte Ionisierung“ mit Matrix Hintergrund bis ~ m/z 300
→ Ausschnittvergrößerung wichtig (oder die Matrix-Peaks abschneiden)
Probleme:
Schlechte Empfindlichkeit, Matrix Reaktionen, oberflächenaktive Stoffe
stören (z. B. Silikone), keine LC Kopplung („Continuous Flow“ CF/FAB)
72
m/z
100
%
200 400
136
154 [X+H]+
289
307
460
[2X+H]+
[3X+H]+
[X+H–H2O]+
–
m/z
100
%
200 400
135
153 [X]–
288
306
460
[2X]–
[3X]
[X–H2O]–
Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI):
Probe wird in fester Matrix auskristallisiert und durch Beschuss mit einem
UV-Laser (selten IR-Laser) direkt aus einer kondensierten Phase ionisiert
Schussposition „Spot“ Plasmawichtig → Mikroskop „Plume“
Probe in Matrix
Aluminium/Stahl Target
Laserpuls:
1-10 ns (~ 106 W/cm2) → 1-100 Schüsse → gepulster Analysator: TOF
Aufheizung ist schneller als Zersetzung (siehe auch DEP und FAB/FIB)
Mechanismus:
analog FAB, aber keine Oberflächenerneuerung und keine Unterdrückung
→ Quasimolekülionen [M+/–Y]+/– ([M+/–2Y]2+/2–, [2M+/–Y]+/–, [M]+. /–)
→ Clusterionen [2M+/-Y]+/– ([M+X+/-Y]+/–, [nX+/-Y]+/–)
→ Fragmentionen F+/– („In Source Decay“, Na Addukte sehr stabil!)
Y: H (Na) X: Matrix, n: 1-2 Säuren fliegen auch als Salz!
73
Beispiel: MALDI von Rinder Insulin (M 5733 u, Blutzuckersenker)
5734 [M+H]+
%
2867 [M+2H]2+
m/z
Matrix:
Matrix muss bei Laser Wellenlänge (z. B. N2 Laser: 337 nm) absorbieren
→ z. B. Sinapinsäure, 6-Azo-2-thiothymin (neutral), Anthracen (unpolar)
Laser Laser Laser
Absorption Maximum Minimum Matrix
Probe
Wellenlänge Wellenlänge Wellenlänge
Matrix Probe Matrix mit Probe
Desorption Reflektion Desorption
74
Atmosphärendruck MALDI (APMALDI, Laserspray Ionisation LSI):
MALDI unter Atmosphärendruck → Aufbau analog API und MALDI
MALDI, APMALDI: „sanfte Ionisierung“ für M bis 500.000 u!
Probleme:
Substanz muss mit Matrix auskristallisieren, keine LC Kopplung
Target Analyse (TA):
TA/FAB:
Probe wird auf einem einteiligen Metalltarget
(aus Kupfer/Stahl) in die Matrix gemischt und
mittels einer Schubstange ins Gerät eingebracht.
TA/MALDI:
Probenlösung wird auf einem mehrteiligen
Metalltarget (aus Aluminium/Stahl) mit der
Matrixlösung gemischt, durch Eintrocknen
auskristallisiert und ins Gerät eingeschleust.
75
3.5 Analysator II
Quadrupol (Q):
m/z = 5.7U/ω2r2
r: ½ Stababstand ω: Wechselspannungsfrequenz
U: Beschleunigungsspannung (10-20 V)
Hexapol, Octapol oder Flatpol (viereckig):
besser für Fokussierung und Transport (q)
Eigenschaften: ∆m < 5 ppm, R < 5.000 FWHM, Bereich < m/z 5.000
Ionenfalle (Trap T):
„elektrische (Paul-)Ionenfalle“
Lineare Ionenfalle (LT = Q als T)
Öffnungen in beiden Endkappen für Zufuhr aus Ionenquelle und Ausgang
zum Detektor, Falle ist gefüllt mit 10–4 mbar Helium (Ionen Fokussierung)
Eigenschaften: siehe Quadrupol, aber Raumladungseffekte
76
Flugzeit (Time of Flight TOF):
Lineares TOF Detektor 1 (MCP) → höhere Massen
m/z = 2eUt2/l2
l: Strecke (1-2 m) Reflektron = Reflektor TOFt: Flugzeit (~ μs) korrigiert EnergieunterschiedeU: 10-30 kV → höhere Genauigkeit
→ höhere Auflösungaber m/z < 50.000
Metastabile Ionen: Driftrohr„Post Source Decay“
PSD
Delayed Detektor 2 Extraction (MCP)(50-500 ns)
Eigenschaften: ∆m < 5 ppm, R < 50.000 FWHM, Bereich < m/z 500.000
Vorteile: Hoher Massenbereich, Ionisation gepulst → ideal für MALDI
77
Ionen Cyclotron Resonanz (ICR) = Fourier Transform (FT):
„magnetische Ionenfalle“
Magnetfeldstärke 5/7/9/12 Tesla
(~ 200/300/400/500 MHz NMR)
m/z = B/2πυ
υ: IonenfrequenzB: Magnetfeld
Messung:
Einfangen der Ionen (Trapping) durch eine Gleichspannung (pos./neg.)
→ Gleichgewicht zwischen magnetischer Kraft und Zentrifugalkraft →
Ionen rotieren auf stabilen Umlaufbahnen mit spezifischen Frequenzen
→ Breitband Anregung (Excitation) der Ionen durch Einstrahlung einer
zunehmenden Frequenz → frequenzgleiche Ionen nehmen Energie auf
und vergrößern Umlaufbahn → Spiegelstrom-Induktion (Detection) →
Fourier Transformation → υ (sehr genau) → m/z (sehr exakte Masse!)
Abklingen (Decay) durch Kollisionen → Vakuum: ~ 10–10 mbar
Eigenschaften: ∆m < 1 ppm, R < 1.000.000 FWHM, Bereich < m/z 5.000
Nachteil: Supraleitender Magnet braucht flüssiges Helium und Stickstoff
78
Orbitrap (OT):
„elektrostatische Ionenfalle“
m/z = k/υz2 +/- 3-5 kV
υ: Ionenfrequenzk: Konstante 0 V
Messung:
Injektion der Ionen → Oszillation in z-Richtung um die innere Elektrode
→ Breitband Anregung (Excitation) der Ionen durch Einstrahlung einer
zunehmenden Frequenz → frequenzgleiche Ionen nehmen Energie auf
und vergrößern Umlaufbahn → Spiegelstrom-Induktion (Detection) →
Fourier Transformation → υ (sehr genau) → m/z (sehr exakte Masse!)
Abklingen (Decay) durch Kollisionen → Vakuum: ~ 10–10 mbar
Eigenschaften: ∆m < 2 ppm, R < 1.000.000 FWHM, Bereich < m/z 5.000
Vorteil: fast FT Eigenschaften, aber ohne flüssiges Helium und Stickstoff
Größenvergleich
79
3.6 Analysator III
Massenspektrometrie/Massenspektrometrie (MS/MS):
Massenspektrum MS/MS Spektrum
Selektion
Ionisierung CID < 2 m/z →
keine Isotope
MS1: Selektion „Vorläufer-Ionen“ MS2: Spektrum „Produkt-Ionen“
Stoßaktivierung (Collision Induced Dissociation CID):
Die Fragmentierung des selektierten Ions beeinflussen:
Stoßgas → Stoßquerschnitt (He < N2 < Ar < Xe)
→ Stoßhäufigkeit (Druck 10–6-10–3 mbar)
Stoßenergie → Niederenergiestöße (5-500 eV: Q, T, OT, FT)
Stoßquadrupol: viele Stöße, Stoßkomplexe (Fokussierung)
→ direkte Schwingungsenergieübertragung, Umlagerung
→ Hochenergiestöße (1-10 keV: EB/BE, TOF)
Stoßkammer: einzelner Stoß, hohe Streuung (Streifschuss)
→ geringe Ausbeute, Energiekonversion (FCP+QET): EI
80
Beispiel: 4-Hydroxytamoxifen (M 387 u, Östrogen-Rezeptor-Inhibitor)
[M+H]+
% Massenspektrum
% MS/MS Spektrum
(388@35 eV CID)
m/z
Anwendung: Analyse im Blutplasma bei Brustkrebs Therapie
Stoßexperimente (MS/MS Experimente):
Produkt-Ionen MS1: Selektion MS2: Spektrum
Vorläufer-Ionen MS1: Spektrum MS2: Selektion (Doping, Drogen)
Neutralverlust MS1: Spektrum MS2: Spektrum mit neg. Differenz
Neutralanlagerung MS1: Spektrum MS2: Spektrum mit pos. Differenz
Spektrum (MS/MS) → Strukturaufklärung (Sequenzierung), Screening
Selected Reaction Monitoring (SRM) → Quantifizierung (Übergänge)
81
Tandemmassenspektrometer („Hybridgeräte”):
MS/MS im Raum (Niederenergie oder Hochenergie Stöße)
„Triple-Quadrupol“
*: Stoßaktivierung q: Stoßquadrupol (nur Fokussierung)
„Q-TOF“
QqOT QqFT T-OT T-FT
82
Ionenfallen (T):
MS/MS in der Zeit (nur Niederenergie Stöße)
Isolierung („Einfangen“) → 1. Selektion („Rauswerfen“) ← ← ←
2. Stoßaktivierung (CID mit Helium) ↑
3. Spektrum-Aufnahme, oder → → →
Vorteile: „MSn “ (MS2, MS3, …, MS12), Neutralanlagerung-Experimente
Nachteile: keine Vorläufer-Experimente, keine Konsekutivfragmentierung
Top Down Proteomics: 1. LC/MS/MS des Proteins, 2. Datenbanksuche
Vorteil: Modifikationen/Brücken bleiben ganz
Bottom Up Proteomics: 1. Protein Verdau z. B. mit Trypsin (Lys/Arg),
2. LC/MS/MS der Peptide, 3. Datenbanksuche
Beispiel: MS/MS Spektrum eines Peptids aus einem Protein Verdau
Vorläufer-Ion [M+2H]2+
a/b/c-Serie (N-Terminus) x/y/z-Serie (C-Terminus)
3x vergrößert 5x vergrößert
Fragmente Fragmente
[F+2H]2+ [F+H]+
83
4.0 Anhang (nicht klausurrelevant!)
Feld Ionisation (FI):
Emitter bei 8-12 kV → inhomogenes elektrisches Feld → Gas Ionisierung
Feld Desorption (FD):
Probe auf Emitter bei 8-12 kV → direkte Desorption von Ionen
Wolfram Emitterfaden(10 μm Durchmesser)
kalte EI-Quelle
Abbildung von der Firma Carbotec Graphit (oder Silizium)Mikronadeln „Whisker“ → „aktivierter Emitter“ ~ 2 mm
Mechanismus:
1) Elektronen Tunneln → M+.
Feldstärke: 108 V/cm
2) Kation Addition/Verlust → [M+/–Y]+/–
Feldstärke: 106 V/cm, Y: H (Na)
Überschussenergie < 1 eV
„Sehr sanfte Ionisierung“ aus unpolaren Lösungen und Suspensionen
Emitter wird hochgeheizt → Thermische Prozesse → Fragmentierung
84
Beispiel: Glutaminsäure (M 147 u, Aminosäure)
FI
EI
FD
Probleme:
keine negative Ionen, keine LC Kopplung („Liquid Injection“ LI/FD)
Emitter teuer und empfindlich, Emitter halten nur wenige Messungen
Emitter Analyse (EA):
Substanz wird gelöst oder suspendiert auf
den Emitter aufgetragen und eingeschleust
(FI geht mittels DIP, DEP, RI, GC und PB)
Dünnschichtchromatographie (TLC):
Probensubstanz wird direkt von der Dünnschichtplatte mittels DESI oder
MALDI (nach Aufpressen einer MALDI-Matrix) desorbiert und ionisiert
85
]
60 120
100
%
m/z
129[M–H 2 O] +
85[M–CO 2 H–NH 3
+
60 120
100
%
m/z
148[M+H]+
130[M–H 2 O+H] +
85
60 120
100 148
%
m/z
[M+H] +
Superkritische Flüssigkeitschromatographie (SFC):
Prinzip: Superkritische mobile Phase und flüssige/feste stationäre Phase
Aufbau:
Analog GC (Kapillarsäulen), mobile Phase CO2 (kritischer Druck 74 bar,
kritische Temperatur 31 °C) → Trennleistung ~ GC, aber Beladung ~ LC
Kopplung zum Massenspektrometer:
Superkritische Flüssigkeit muss vor dem Hochvakuum expandieren
→ geheizter (200-300 °C) Restriktor (1 µm Bohrung/Spitze/Fritte)
Problem:
CO2 verursacht Ladungsaustausch CI → echte CI problematisch
Ionen Mobilitäts Spektrometrie (IMS):
Prinzip: Ionen bewegen sich in einem elektrischen Feld durch ein Gas
→ Trennung nach Wanderungsgeschwindigkeit (Mobilität, Ladungszahl)
Aufbau und Kopplung zum Massenspektrometer:
NSI/ESI Ionisation der Moleküle unter Atmosphärendruck → IMS erfolgt
in einem gasgefüllten Rohr vor dem Eintritt der Ionen ins Hochvakuum
86
Kapillarelektrophorese (CE):
Prinzip: Ionen bewegen sich im elektrischen Feld durch eine Flüssigkeit
→ Trennung nach Wanderungsgeschwindigkeit → Elektropherogramm
Aufbau:
Quarz Kapillare (Durchmesser 25-250 µm, Länge 0.1-1 m) auf 20-30 kV
Spannungsdifferenz → dissoziierte Silanol Gruppen fixieren Kationen an
der Kapillarwand („Sternschicht“) → solvatisierte Kationen wandern mit
Laufmittel zur Kathode → 1-500 nl/min elektroosmotischer Fluss (EOF)
„Sternschicht“
Kathode ← → Anode
← EOF
Strömungsprofil HPLC Strömungsprofil CE
→ Peakverbreiterung → gute Auflösung
Kopplung zum Massenspektrometer:
NSI (oder ESI mit „Scheath” Flüssigkeit, weil CE Flussrate zu gering ist)
87
Elektronen Transfer Zerfall/Elektronen Einfang Zerfall (ETD/ECD):
Reduktion von [M+nH]n+ durch Elektronen (< 1 eV) zu Radikalkationen
[M+nH](n–1)+. → Zerfall mit anderen Fragmentierungen als bei CID!
Anwendung: Posttranslationale Peptid Modifizierungen bleiben erhalten
ETD: NCI mit Anthracen--Ionen durch NCI-Prozess (T)
ECD: Direkte Einstrahlung thermischer Elektronen (FT)
Protonen Transfer Reaktion (PTR):
Protonenabgabe an Anthracen--Ionen (T) → Erniedrigung der Ladungszahl
Infrarot Multiphotonen Zerfall (IRMPD):
MS/MS durch direkten IR-Laser Beschuss von Ionen (FT) → Zerfall
Ultraviolet Photonen Zerfall (UVPD)
MS/MS durch direkten UV-Laser Beschuss von Ionen (T) → Zerfall
Surface Enhanced Laser Desorption Ionisation (SELDI):
Targets mit Rezeptoren binden aus Probenlösungen spezifische Moleküle
→ Waschen, Aufbringen von Matrix, Laser Desorption → Direktanalytik
Direct Analysis in Real Time (DART):
Probensubstanz wird unter Atmosphärendruck direkt von Objekten herab
durch metastabile Plasma Ionen ionisiert (siehe DESI) → Direktanalytik
88
Sekundär Ionen Massenspektrometrie (SIMS):
Oberflächen Ionenbeschuss → Sekundärionen → Oberflächenanalytik
Laser Desorption (LD) = Laser Ablation (LA):
Oberflächen Photonenbeschuss → Sekundärionen → Oberflächenanalytik
Thermo Ionisation (TI) = Thermo Desorption (TD):
Faden mit Probe wird geheizt (1000-2000 °C) bis Ionen desorbieren
(kein Filament für EI Bedingungen) → Pyrolyse → Elementanalytik
Inductively Coupled Plasma (ICP):
Probenlösung wird unter Atmosphärendruck durch ein induktives Argon
Plasma (~ 8000 °C) geleitet, atomisiert und ionisiert → Elementanalytik
Glimmentladung (Glow Discharge GD):
Aus der Probenmaterial werden durch ein Argon Glimmentladungs-Plasma
Atome ausgeschlagen und im Plasma ionisiert → Elementanalytik
Funkenquelle (Spark Source SS):
Aus dem Probenmaterial werden durch Funkenüberschlag zwischen zwei
Elektroden Atome herausgeschlagen und ionisiert → Elementanalytik
Achtung: Die Anmeldung zur Klausur nicht vergessen!
89