Mass spectrometry
Technik zur Messung von Masse-zu-Ladung-Verhältnissen von Ionen für die chemische Analyse.
Massenspektrometrie (MS) ist eine Analysetechnik, die das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Ionen misst und die Ergebnisse als Massenspektrum darstellt – eine Auftragung der Signalintensität gegen dieses Verhältnis. Dieses Spektrum wird verwendet, um die elementare oder isotopische Signatur einer Probe, die Massen von Teilchen und Molekülen zu bestimmen sowie die chemische Identität oder Struktur aufzuklären. Die Technik wird in vielen Bereichen sowohl für reine Proben als auch für komplexe Gemische eingesetzt.
In einem typischen Verfahren wird eine feste, flüssige oder gasförmige Probe ionisiert, oft durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl. Dies kann dazu führen, dass Moleküle in positiv geladene Bruchstücke zerfallen oder positiv geladen werden, ohne zu zerbrechen. Diese Ionen werden dann nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt, üblicherweise durch Beschleunigung in elektrischen oder magnetischen Feldern, die Ionen mit dem gleichen Verhältnis gleich stark ablenken. Ein Detektor, wie z. B. ein Sekundärelektronenvervielfacher, erfasst die geladenen Teilchen, und die resultierenden Daten werden als Spektrum dargestellt. Die Identifizierung von Atomen oder Molekülen erfolgt durch Korrelation bekannter Massen oder charakteristischer Fragmentierungsmuster.
Die Geschichte der MS begann 1886, als Eugen Goldstein positiv geladene „Kanalstrahlen“ beobachtete, die sich in Gasentladungen von der Anode weg bewegten. Wilhelm Wien trennte diese Strahlen später mit senkrecht zueinander stehenden elektrischen und magnetischen Feldern nach ihrem Ladung-zu-Masse-Verhältnis, und J. J. Thomson verbesserte das Gerät durch Druckreduzierung und schuf den Massenspektrographen. Frühe Instrumente zeichneten Spektren auf Fotoplatten auf oder verwendeten Leuchtschirme. Moderne Techniken wurden 1918 und 1919 von Arthur Jeffrey Dempster und F.W. Aston entwickelt. Sektorfeld-Massenspektrometer, sogenannte Calutrone, die von Ernest O. Lawrence entwickelt wurden, dienten während des Manhattan-Projekts der Urananreicherung. Spätere Innovationen umfassten die Ionenfallen-Technik, die 1989 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, sowie die Elektrospray-Ionisation und die sanfte Laserdesorption, die 2002 für ihre Anwendung auf biologische Makromoleküle den Nobelpreis für Chemie erhielten.
Ein Massenspektrometer besteht aus fünf Komponenten: einem Probeneinlass, einer Ionenquelle, einem Massenanalysator, einem Detektor und einem Datensystem. Der Einlass bereitet die Probe vor; die Ionenquelle wandelt einen Teil davon in einen Ionenstrom um; der Massenanalysator trennt die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis; und der Detektor misst die Häufigkeiten, liefert manchmal auch räumliche Informationen.
Quick Facts
- Field
- Analytical chemistry, physics
- Known for
- Measuring mass-to-charge ratio of ions; identifying chemical composition and isotopic ratios
- Key inventors
- Eugen Goldstein
- Wilhelm Wien
- J. J. Thomson
- Arthur Jeffrey Dempster
- F.W. Aston
- Ernest O. Lawrence
Facts from the source article.
Hintergrund
Die Massenspektrometrie ist eine Analysetechnik zur Bestimmung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses von Ionen. Die Ergebnisse werden als Massenspektrum dargestellt, einer Auftragung der Intensität gegen das Masse-zu-Ladung-Verhältnis, das zur Identifizierung der elementaren oder isotopischen Zusammensetzung einer Probe, der Massen von Teilchen und Molekülen sowie der chemischen Struktur von Verbindungen verwendet wird. In einem typischen Verfahren wird eine feste, flüssige oder gasförmige Probe ionisiert, oft durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl, was dazu führen kann, dass Moleküle in positiv geladene Bruchstücke zerfallen oder positiv geladen werden, ohne zu fragmentieren. Diese Ionen werden dann nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt, beispielsweise durch Beschleunigung in elektrischen oder magnetischen Feldern, wobei Ionen mit dem gleichen Verhältnis die gleiche Ablenkung erfahren. Von einem Mechanismus wie einem Sekundärelektronenvervielfacher detektiert, erzeugen die Ionen ein Spektrum der Signalintensität gegen das Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Atome oder Moleküle werden durch Korrelation bekannter Massen oder charakteristischer Fragmentierungsmuster identifiziert. Das Instrument umfasst fünf Komponenten: einen Probeneinlass, eine Ionenquelle, einen Massenanalysator, einen Detektor und ein Datensystem. Die Ionenquelle wandelt einen Teil der Probe in einen Ionenstrom um, der dann vom Massenanalysator nach dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt wird. Der Detektor misst die Häufigkeit jedes Ions, und einige Detektoren liefern auch räumliche Informationen.
Leserleitfaden
Die Massenspektrometrie ist eine grundlegende Analysetechnik von großer Bedeutung. Sie ermöglicht die Identifizierung von Elementen, Isotopen und Molekülstrukturen durch Messung von Masse-zu-Ladung-Verhältnissen von Ionen. Ihre Entwicklung erstreckt sich über mehr als ein Jahrhundert, von Goldsteins Kanalstrahlen bis zu modernen Ionisationsmethoden, die die Analyse großer Biomoleküle wie Proteine ermöglichen. Die Flexibilität der Technik zeigt sich in ihren fünf Komponenten – Probeneinlass, Ionenquelle, Massenanalysator, Detektor und Datensystem – die jeweils unabhängig variiert werden können. Die Anwendungen reichen von reinen Proben bis zu komplexen Gemischen, einschließlich der Kopplung mit der Gaschromatographie (GC-MS) oder der Flüssigkeitschromatographie (HPLC-MS). Die Rolle des Calutrons bei der Urananreicherung während des Manhattan-Projekts unterstreicht seine historische Bedeutung. Die für Ionenfallen- und sanfte Ionisationstechniken verliehenen Nobelpreise verdeutlichen seine fortlaufende Weiterentwicklung. Die Massenspektrometrie bleibt in Chemie, Physik, Biologie und Medizin für präzise Zusammensetzungs- und Strukturanalysen unverzichtbar.
More in Chemie & Materialien
Fehler entdeckt? Mehr gewusst?
Leserkorrekturen landen direkt in unserer Überprüfungswarteschlange. Änderung vorschlagen · Wie diese Seite ihre Quellen bezieht