Massenspektrometrie

Antwort B ist korrekt. Anders als bei vielen spektroskopischen Instrumenten, werden in einem Massenspektrometer keine Monochromatoren, Prismen oder Neondampflampen benötigt. Grundlegende Bestandteile eines Massenspektrometers sind: Ein Einlasssystem, eine Ionisationsquelle, ein Massenanalysator und ein Detektor. Dabei kommen viele unterschiedliche Apparaturen zum Einsatz. ¹

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Antwort A ist korrekt.

• Aussage 1: Falsch. Bei Verwendung von Gasen ohne Wasserstoffatom wird die Ladung direkt übertragen. Quasimoleküle entstehen nur bei Gasen mit Wasserstoffatom.
• Aussage 2: Richtig. Das ist zum Beispiel bei der Elektrospray Ionisation (ESL) der Fall.
• Aussage 3: Falsch. Die Moleküle werden mit Teilchen beschossen, die mit 70 eV geladen sind.
• Aussage 4: Falsch. Bei der harten Ionisation treten durch die überschüssige Energie stärkere Fragmentierungsreaktionen auf.

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Antwort A ist korrekt. Die Lorentzkraft berechnet sich wie folgt: 𝐹(𝐿) = 𝐵⃗ × z × 𝑣.

0,5 T × 2 × 5 m/s = 5 N

Die Geschwindigkeit der Ionen ist abhängig von der Masse der Ionen. Wenn nun ein konstantes Magnetfeld angelegt wird und die Lorentzkraft zusammen mit der Zentrifugalkraft auf die Ionen wirkt, können diese abhängig von dem jeweiligen Masse/Ladungs-Verhältnis detektiert werden. ^{5 6}

Antwort E ist korrekt.

• Aussage 1: Richtig. Anhand verschiedener Parameter, kann die Flugbahn der Ionen so variiert werden, dass nur Ionen mit entsprechendem Masse/Ladungs-Verhältnis den Detektor erreichen können.
• Aussage 2: Richtig. (siehe Skizze)
• Aussage 3: Richtig. Mit dem Radius der Kreisbahn, der Beschleunigungsspannung und der magnetischen Flussdichte, lässt sich das m/z-Verhältnis rechnerisch ermitteln.
• Aussage 4: Richtig. Das Magnetfeld ist ein Parameter, mit dem die Flugbahn der Ionen beeinflusst werden kann und die Ionen so nacheinander detektiert werden können.

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Antwort B ist korrekt.

• Aussage 1: Falsch. Ein Quadrupol Analysator besteht aus vier parallelen Metallstäben.
• Aussage 2: Richtig. Unterschiedliche Ionenmassen bedingen unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten. Diese sind grundlegend für die Massenauftrennung und so auch für die darauf folgende Detektion der m/z-Verhältnisse und Flugzeiten.
• Aussage 3: Falsch. Es kommt zu einem Spannungsabfall.
• Aussage 4: Richtig. Diese Aussage ist etwas spezifischer und wahrscheinlich nicht jedem direkt einleuchtend. Deshalb ist es auch umso wichtiger, die Grundlagen der verschiedenen Analysatoren verstanden zu haben, um die Frage richtig beantworten zu können.
• Aussage 5: Falsch. In der letzten Stufe werden Photonen detektiert.

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Die Elektronenstoßionisation ist eine harte Ionisation, da die Moleküle durch den Beschuss mit energiereichen Teilchen stark fragmentiert werden. Die Moleküle werden durch einen Probeneinlass in eine Kammer geleitet und dort senkrecht mit Elektronen (meist 70 eV) beschossen. Diese Elektronen werden durch eine Kammerspannung zwischen einem beheizten Metalldraht und einem Elektronenauffänger erzeugt. Die Elektronen lösen sich aus dem Metalldraht und schlagen Elektronen aus dem Probenmolekül heraus (M + e⁻ → M⁺ + 2e⁻). Die so ionisierten Probenmoleküle können dann durch den Repeller (eine negative Beschleunigungselektrode) entfernt werden. Moleküle, die nicht ionisiert wurden, werden durch das Vakuum entfernt. ¹⁴

• Molekül-Ion-Peak: 46 Der Molekül-Ion-Peak ist der Peak des intakten, also nicht fragmentierten Moleküls.
• Basispeak: 31 Der Basis-Peak ist der intensivste Peak im Spektrum.
• Fragment-Ion-Peak: 15, 18, 28, 45 Der Fragment-Ion-Peak stellt einzelne Fragmente des Moleküls dar.

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Hier sollte man zuerst den Molekül-Ion-Peak identifizieren und dann ausgehend von der Differenz der Masse/Ladungs-Verhältnisse zu den anderen Peaks die Strukturen der Fragmente bestimmen.

• 46 - C₂H₅OH;
• 45 - C₂H₅O;
• 31 - CH₃O;
• 28 - C₂H₄;
• 18 - H₂O;
• 15 - CH₃

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Die Massenspektrometrie ist eine analytische Methode, durch die man mit wenig Substanz ein Massenspektrum einer Substanz aufnehmen kann. Der erste Schritt ist hierbei die Ionisation, wo die Moleküle in einen Ladungszustand versetzt werden. Diese zerfallen dann in spezifische Bruchstücke und dienen als Fingerabdrücke für die Identifizierung der Substanz. Im zweiten Schritt wird eine Massenfokussierung durchgeführt, indem man die Bruchstücke je nach m/z-Verhältnis trennt. Als letztes werden die einzelnen Bruchstücke je nach Häufigkeit und Masse in ein Spektrum aufgenommen. ^{18 19}

Direkte Einlasssysteme werden für die Einführung schwerflüchtiger Substanzen verwendet. Sie haben gegenüber den indirekten Systemen den Vorteil, dass die Verdampftemperatur anpassbar und geringer ist und man so die Probenzersetzungsrate verringern kann, sodass sie weniger Probensubstanz benötigen.

Indirekte Einlasssysteme werden für das Einführen von leichtflüchtigen und gasförmigen Proben verwendet. Sie haben den Vorteil, dass sich die Probe so gut wie nicht entmischt und so gut analysierbar und als Spektrum leicht reproduzierbar bleibt. ²⁰

Die Elektronenstoßionisation ist eine harte Ionisation, bei der die Probe mit geladenen Teilchen beschossen und dadurch ionisiert und fragmentiert wird. Bei der Elektrospray Ionisation handelt es sich um eine weiche Ionisation. Hier wird die Probe zu einem geladenen Aerosol vernebelt und dann das Lösemittel langsam verdampft, wodurch sich die Oberflächenspannung bis zur Coulomb-Explosion erhöht. Dieser Vorgang wird dann wiederholt bis die Tröpfchen klein genug sind und zum Analysator transportiert werden können. Die Probenmoleküle selbst bleiben hierbei intakt. ²¹

Bei einem Szintillationsdetektor treffen die Ionen auf eine stark negativ geladene Elektrode, wodurch sich Elektronen aus ihr lösen. Diese Elektronen werden dann zu einer Szintillationsscheibe geleitet und erzeugen dort Photonen, welche dann in einem Photomultiplier verstärkt und als elektrisches Signal erkannt werden. ²³