Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie ( MS ) ist eine Analysetechnik zur Messung des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses von Ionen . Die Ergebnisse werden als Massenspektrum dargestellt , einer Auftragung der Intensität gegen das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis. Mithilfe dieser Spektren lassen sich die elementare oder isotopische Signatur einer Probe, die Massen von Partikeln und Molekülen sowie die chemische Identität oder Struktur von Molekülen und anderen chemischen Verbindungen bestimmen . Die Massenspektrometrie findet in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung und wird sowohl auf Reinsubstanzen als auch auf komplexe Gemische eingesetzt.

In einem typischen MS-Verfahren wird eine Probe, die fest, flüssig oder gasförmig sein kann, ionisiert , beispielsweise durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl . Dabei können einige Moleküle der Probe in positiv geladene Fragmente zerfallen oder einfach positiv geladen werden, ohne zu fragmentieren. Diese Ionen (Fragmente) werden anschließend nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis getrennt, beispielsweise durch Beschleunigung und Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes: Ionen mit gleichem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis erfahren die gleiche Ablenkung. ^{[ 1 ]} Die Ionen werden mit einem Mechanismus detektiert, der geladene Teilchen nachweisen kann, beispielsweise mit einem Elektronenvervielfacher . Die Ergebnisse werden als Spektren der Signalintensität der detektierten Ionen in Abhängigkeit vom Masse-zu-Ladungs-Verhältnis dargestellt. Die Atome oder Moleküle in der Probe können identifiziert werden, indem bekannte Massen (z. B. eines gesamten Moleküls) mit den identifizierten Massen korreliert werden oder durch ein charakteristisches Fragmentierungsmuster.

1886 beobachtete Eugen Goldstein bei Gasentladungen unter niedrigem Druck Strahlen, die sich von der Anode weg und durch Kanäle in einer perforierten Kathode ausbreiteten , entgegen der Richtung der negativ geladenen Kathodenstrahlen (die von der Kathode zur Anode verlaufen). Goldstein nannte diese positiv geladenen Anodenstrahlen „Kanalstrahlen“. Wilhelm Wien entdeckte, dass starke elektrische oder magnetische Felder die Kanalstrahlen ablenkten, und konstruierte 1899 ein Gerät mit senkrecht zueinander stehenden elektrischen und magnetischen Feldern, das die positiven Strahlen nach ihrem Ladungs-Masse-Verhältnis ( Q/m² ) trennte . Wien fand heraus, dass das Ladungs-Masse-Verhältnis von der Art des Gases im Entladungsrohr abhing. Der englische Wissenschaftler J. J. Thomson verbesserte später Wiens Arbeit, indem er den Druck reduzierte und so den Massenspektrographen entwickelte.

Der Begriff Spektrograph war 1884 bereits Teil des internationalen wissenschaftlichen Vokabulars. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Frühe Spektrometriegeräte , die das Masse-Ladungs-Verhältnis von Ionen maßen, wurden Massenspektrographen genannt . Sie bestanden aus Instrumenten, die ein Massenspektrum auf einer Fotoplatte aufzeichneten . [ 4 ] ^{[ 5 ] Ein Massenspektroskop ähnelt} einem Massenspektrographen , mit dem Unterschied, dass der Ionenstrahl auf einen Leuchtschirm gerichtet wird . ^{[ 6 ]} Eine massenspektroskopische Konfiguration wurde in frühen Instrumenten verwendet, wenn die Auswirkungen von Justierungen schnell beobachtet werden sollten. Nach der korrekten Justierung des Instruments wurde eine Fotoplatte eingelegt und belichtet. Der Begriff Massenspektroskop wurde weiterhin verwendet, obwohl die direkte Beleuchtung eines Leuchtschirms durch indirekte Messungen mit einem Oszilloskop ersetzt worden war . ^{[ 7 ]} Die Verwendung des Begriffs Massenspektroskopie wird heute aufgrund der Verwechslungsgefahr mit der Lichtspektroskopie nicht mehr empfohlen . ^{[ 1 ] [ 8 ]} Die Massenspektrometrie wird oft als Massenspektrometrie oder einfach als MS abgekürzt . ^{[ 1 ]}

Moderne Techniken der Massenspektrometrie wurden von Arthur Jeffrey Dempster in den Jahren 1918 und von FW Aston im Jahr 1919 entwickelt.

Sektor-Massenspektrometer, sogenannte Calutrons, wurden von Ernest O. Lawrence entwickelt und im Rahmen des Manhattan-Projekts zur Trennung der Uranisotope eingesetzt . ^{[ 9 ]} Calutron-Massenspektrometer wurden zur Urananreicherung in der während des Zweiten Weltkriegs errichteten Y-12-Anlage in Oak Ridge, Tennessee, verwendet.

Im Jahr 1989 wurde die Hälfte des Nobelpreises für Physik an Hans Dehmelt und Wolfgang Paul für die Entwicklung der Ionenfalle-Technik in den 1950er und 1960er Jahren verliehen .

Im Jahr 2002 wurde der Nobelpreis für Chemie an John Bennett Fenn für die Entwicklung der Elektrospray-Ionisation (ESI) und an Koichi Tanaka für die Entwicklung der Soft-Laser-Desorption und deren Anwendung zur Ionisation biologischer Makromoleküle , insbesondere von Proteinen , verliehen . ^{[ 10 ]}

Ein Massenspektrometer besteht aus fünf Komponenten: Probeneinlass , Ionenquelle (oder Ionisator ), Massenanalysator , Detektor und Datensystem. Jede Komponente lässt sich weitgehend unabhängig von den anderen variieren, und das gesamte Massenspektrometer kann als Komponente in eine Analysepipeline integriert werden, was eine hohe Flexibilität ermöglicht.

Der Probeneinlass bereitet die zu analysierende Probe in einen geeigneten Zustand vor.

Die Ionenquelle entnimmt Proben über den Probeneinlass, wandelt einen Teil der Probe in einen Ionenstrom um und leitet diesen an den Massenanalysator weiter. Je nach Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) der Probe und der Effizienz verschiedener Ionisierungsmechanismen für die unbekannte Substanz stehen unterschiedliche Ionisierungstechniken zur Verfügung. Ein Extraktionssystem trennt die Ionen von der Probe ab, die anschließend gezielt dem Massenanalysator zugeführt werden.

Der Massenanalysator nimmt einen Eingangsstrom von Ionen auf und trennt (analysiert) seine Bestandteile nach ihrem m/z-Wert , dem Verhältnis von Masse zu Ladung.

Der Detektor misst den Wert einer Indikatorgröße und liefert somit Daten zur Berechnung der Häufigkeiten der einzelnen vorhandenen Ionen. Einige Detektoren liefern zusätzlich räumliche Informationen, z. B. eine Vielkanalplatte.

Im Folgenden wird die Funktionsweise eines einfachen Massenspektrometers mit Sektorantenne beschrieben . Andere Typen werden weiter unten behandelt.

Betrachten wir eine Probe Natriumchlorid (Kochsalz). In der Ionenquelle wird die Probe verdampft (in den gasförmigen Zustand überführt ) und ionisiert (in elektrisch geladene Teilchen umgewandelt) in Natrium- (Na ⁺ ) und Chlorid- (Cl ⁻ ) Ionen.

Natriumatome und -ionen sind monoisotopisch und besitzen eine Masse von etwa 23 Dalton (Symbol: Da oder älteres Symbol: u). Chloridatome und -ionen kommen in zwei stabilen Isotopen mit Massen von etwa 35 u (bei einer natürlichen Häufigkeit von etwa 75 Prozent) und etwa 37 u (bei einer natürlichen Häufigkeit von etwa 25 Prozent) vor.

Der Analysator des Spektrometers enthält elektrische und magnetische Felder, die Kräfte auf Ionen ausüben, die diese Felder durchqueren. Die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens kann beim Durchgang durch das elektrische Feld erhöht oder verringert werden, und seine Richtung kann durch das Magnetfeld verändert werden.

Das Ausmaß der Ablenkung der Bahn eines sich bewegenden Ions hängt von seinem Masse-Ladungs-Verhältnis ab. Leichtere Ionen werden durch die magnetische Kraft stärker abgelenkt als schwerere Ionen (gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz , F = ma ).

Die magnetisch sortierten Ionenströme gelangen vom Analysator zum Detektor, der die relative Häufigkeit jedes Ionentyps erfasst. Anhand dieser Information lässt sich die chemische Elementzusammensetzung der ursprünglichen Probe (d. h. das Vorhandensein von Natrium und Chlor) sowie die Isotopenzusammensetzung ihrer Bestandteile (das Verhältnis von ^³⁵ Cl zu ^³⁷ Cl) bestimmen.

Der Probeneinlass liefert einen Strom neutraler Moleküle, die von der Ionenquelle ionisiert werden können. Es gibt verschiedene Klassen. ^{[ 11 ] : Kap. 3.2}

Das klassische Design erzeugt den Molekülstrom als Niederdruckgas. Der niedrige Druck bewirkt, dass die Moleküle im Strom nicht häufig miteinander kollidieren. Ionen müssen sich möglichst stoßfrei bewegen, da das Gerät sie anhand ihrer Bewegung in elektrischen und magnetischen Feldern trennt. Kollisionen stören diese Bewegung.

Obwohl der Druck im Probenstrom niedrig ist, ist er dennoch deutlich höher als der Druck im restlichen System, das sich in einem höheren Vakuum befindet. Daher kann der Probenstrom nur durch eine winzige Öffnung, ein sogenanntes Molekularleck , in die Ionenquellenkammer gelangen .

Wenn die Probe bereits gasförmig ist, kann der Probeneinlass einfach ein Gaseinlass mit Druckventil sein. Handelt es sich um eine flüchtige Flüssigkeit oder einen Feststoff, kann die Probe in eine Kammer gegeben und unter Vakuum auf einen niedrigen Druck gebracht werden. Ist die Probe nicht ausreichend flüchtig, kann der Probeneinlass in einen Ofen eingebaut werden. Achten Sie darauf, die Probe nicht zu zersetzen.

Ist die Probe zu schwerflüchtig, um in ein Niederdruckgas umgewandelt zu werden, kann eine Direktsonde verwendet werden . Diese Sonde besitzt eine Spitze aus einer dünnen Drahtschleife, einem Stift oder einem Kapillarröhrchen . Die Probe wird in die Spitze gegeben. Die Sonde wird durch eine Vakuumschleuse in die Ionisationskammer eingeführt, sodass sich die Spitze in unmittelbarer Nähe der Ionenquelle befindet. Durch Erhitzen der Sonde lässt sich der Dampfdruck weiter erhöhen. Ein solches System eignet sich für Proben mit einem Dampfdruck unterhalb von mmHg bei Raumtemperatur. ${\displaystyle 10^{-9}}$

Die Probe kann von einem vorherigen Analysegerät aufbereitet werden. Beispielsweise kann es sich einfach um den gasförmigen Ausgang eines Gaschromatographen wie bei GC-MS oder um den flüssigen Ausgang eines Hochleistungsflüssigkeitschromatographen wie bei HPLC-MS handeln .

Die jüngst entwickelten Techniken der „Atmosphärendruckionisation“ erlauben es uns, vollständig auf den Probeneinlass zu verzichten.

Die Ionenquelle ist der Teil des Massenspektrometers, der die Probe vom Probeneinlass in einen Ionenstrom umwandelt. Es gibt zahlreiche Verfahren mit unterschiedlichen Dimensionen, um verschiedene Ionenquellen hinsichtlich Kosten, Genauigkeit, Präzision, Kompatibilität mit anderen spektroskopischen Stufen, Benutzerfreundlichkeit usw. abzuwägen.

Die Elektronenstoßionisation (EI) führt beispielsweise zu einer starken Fragmentierung und damit zu hochdetaillierten Massenspektren. Eine fachgerechte Analyse dieser Spektren liefert wichtige Informationen zur Strukturaufklärung und -charakterisierung und erleichtert die Identifizierung unbekannter Verbindungen durch Vergleich mit Massenspektralbibliotheken, die unter identischen Bedingungen gewonnen wurden. Allerdings ist die EI nicht für die Kopplung mit HPLC ( LC-MS) geeignet , da die zur Elektronenerzeugung verwendeten Glühfäden bei Atmosphärendruck schnell durchbrennen. Daher wird die EI überwiegend mit GC ( GC-MS) gekoppelt , wobei das gesamte System unter Hochvakuum arbeitet.

Zwei Techniken, die häufig bei flüssigen und festen biologischen Proben eingesetzt werden, sind die Elektrospray-Ionisation (erfunden von John Fenn ^{[ 12 ]} ) und die Matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI, ursprünglich als ähnliche Technik Soft Laser Desorption entwickelt) von K. Tanaka ^{[ 13 ]} , für die ein Nobelpreis verliehen wurde, und als MALDI von M. Karas und F. Hillenkamp ^{[ 14 ]} ).

Hard ionization techniques are those that impart high quantities of residual internal energy in the subject molecule, even after ionization. Part of the energy would be dissipated by rupturing chemical bonds within the ion, producing many fragmentary radicalions. The resultant ions tend to have m/z lower than the molecular ion (other than in the case of proton transfer and not including isotope peaks). The most common example of hard ionization is electron ionization (EI).

The radical ions produced after the first ionization are called second-generation product ions. The products are then directed towards the mass analyzer by a repeller electrode. The ionization process often follows predictable cleavage reactions that give rise to fragment ions which, following detection and signal processing, convey structural information about the analyte.

Conversely, soft ionization techniques are those that impart little residual energy onto the subject molecule and as such result in little fragmentation. Examples include fast atom bombardment (FAB), chemical ionization (CI), atmospheric-pressure chemical ionization (APCI), atmospheric-pressure photoionization (APPI), electrospray ionization (ESI), desorption electrospray ionization (DESI), and matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI).

In electron ionization (EI), energetic electrons are produced by a hot cathode: a wire filament heated by running electric current through it, producing energetic electrons by thermionic emission. The electrons are then accelerated towards an anode. The voltage difference between the cathode and the anode determines the energy of the electron stream.^{[11]: Ch. 3.3}

Most organic compounds have ionization energy 8-15 eV, but empirically, the efficiency of ionization is too low unless the electron beam has an energy of 50-70 eV per electron. The spectral features, including fragmentation patterns, depend on the energy setting. Conventionally for EI, the electron energy is standardized to be exactly 70 eV. Consequently, if one wishes to compare their EI-MS results against standard databases, or produce results that can be added to standard databases, one must standardize their EI electron energy to 70 eV.^{[11]: Ch. 3.3}

Die Elektroneninjektion (EI) nutzt einen Gasstrom aus dem Molekülleck als Eingangssignal. Der Gasstrom kreuzt den Elektronenstrom senkrecht. Durch die Kollision wird der Gasstrom ionisiert. Der Ionenstrom wird anschließend durch eine Reihe von Elektroden beschleunigt. Typischerweise wird ein Ion mit einem Elektron auf 1–10 keV beschleunigt. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Die Elektronenstoßionisation (EI) bietet viele Vorteile für die routinemäßige Massenspektrometrie kleiner organischer Moleküle. Sie ist kostengünstig und robust und liefert reproduzierbare Spektrogramme. Datenbanken für EI-Spektrogramme sind weit verbreitet und decken viele solcher Moleküle ab. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Die Elektronenstoßionisation (EI) ist für große Moleküle, wie die meisten Biomoleküle, ungeeignet. Es handelt sich um eine aufwändige Technik, die dazu neigt, große Molekülionen während des Fluges zu zersetzen, da große Moleküle besonders leicht fragmentieren. Außerdem lassen sich große Moleküle nur schwer verflüchtigen, ohne dabei durch Hitze abgebaut zu werden. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Bei der chemischen Ionisation (CI) wird der Analyt durch eine chemische Reaktion mit einem ionisierten Reagenzgas (das selbst durch ein Verfahren wie z. B. Elektronenstoßionisation (EI) ionisiert wurde) ionisiert . Analytgas und Reagenzgas treffen aufeinander und reagieren miteinander. Die Reaktion erzeugt dann ionisierte Analytfragmente durch verschiedene Mechanismen, darunter Protonentransfer , Elektronentransfer und Adduktbildung . Das Ion wird anschließend, wie bei der EI, elektrostatisch beschleunigt. CI-Ionenquellen ähneln EI-Quellen, und die meisten modernen Massenspektrometer können innerhalb weniger Minuten vom EI- in den CI-Modus umschalten. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, ist die Reagenzmenge deutlich höher als die Analytmenge. Folglich gelangt eine große Menge an Reagenzionen in den Massenanalysator. Dies wird üblicherweise dadurch kompensiert, dass nur der Teil des Spektrogramms mit m/z-Werten oberhalb derer der Hauptspezies im Reagenzionenstrom gemessen wird. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Gängige Ionisierungsreagenzien für die CI-MS sind Methan , Ammoniak , Isobutan und Methanol . Die Protonenaffinität des Reagenzgases und der Probe muss aufeinander abgestimmt sein, um eine effiziente Ionisierung zu gewährleisten. Ist die Protonenaffinität des Reagenzgases zu hoch, verläuft die Ionisierung ineffizient. Ist sie zu niedrig, kommt es zu übermäßiger Fragmentierung. ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

Zum Beispiel: ^{[ 11 ] : Kap. 3.3}

• Wenn Methan als Reagenz dient, ist die vorherrschende Reaktion der Protonentransfer M + CH ₅ ⁺ → (MH) ⁺ + CH ₄ .
• Wenn das Reagenz Ammonium ist, ist die vorherrschende Reaktion der Protonentransfer M + NH ₄ ⁺ → (MH) ⁺ + NH ₃ .
• Wenn das Reagenz Isobutan ist, kann die Reaktion ein Protonentransfer M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (MH) ⁺ + (CH ₃ ) ₂ C=CH ₂ oder eine Adduktbildung M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (M · C(CH ₃ ) ₃ ) ^{+ sein} .
• CI kann auch durch Protonenabstraktion oder Adduktbildung negativ geladene Analytionen erzeugen . Beispielsweise enthält ionisiertes NF₃ _F⁻ ^, welches ein Proton abstrahiert.

Elektrospray-Ionisation (ESI) und Thermospray-Ionisation (TSI) eignen sich für hochmolekulare Biomoleküle und andere labile oder nichtflüchtige Verbindungen, insbesondere in einem LC-MS-System. In beiden Fällen befindet sich der Analyt in Lösung. Die Lösung wird mittels Elektrospray oder Thermospray in einen Nebelstrom versprüht, der anschließend zu einem Ionenstrom verdampft. TSI wurde für die meisten Anwendungen durch ESI ersetzt. ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.3}

Bei der TSI tritt die Lösung in eine erhitzte Kapillare ein und erzeugt einen Sprühnebel. Das Lösungsmittel verdampft und hinterlässt ionisierte Analyten. Die Ionisierung kann durch drei mögliche Prozesse erfolgen:

• Der Analyt liegt in der Lösung bereits in ionischer Form vor und wird beim Verdampfen des Lösungsmittels desorbiert .
• Säure-Base-Transfer. Ist das Lösungsmittel eine Pufferlösung , kann der Analyt durch Protonenaustausch mit dem Puffer ionisiert werden. Diese Ionisierungsform eignet sich gut für die LC-MS, da die in der Flüssigkeitschromatographie verwendete Flüssigkeit bereits eine Pufferlösung ist.
• Plasmaspray-Ionisation oder Filament-on-Verfahren. Das Lösungsmittel im Spray wird durch einen energiereichen Elektronenstrahl elektronenionisiert. Das ionisierte Lösungsmittel ionisiert anschließend den Analyten chemisch.

Bei der ESI tritt die Lösung in eine Kapillare ein, die unter Hochspannung (üblicherweise 2–5 kV) steht. Dadurch wird ein Elektrospray in eine beheizte Kammer gegen einen Gegenstrom eines Trockengases (üblicherweise Stickstoff) erzeugt. Dies führt zur Verdampfung der Lösungsmittelmoleküle. Die Ladungsdichte eines Tröpfchens nimmt mit der Verdampfung zu, bis die elektrostatische Energie die Oberflächenspannung überwindet und das Tröpfchen platzt . Dieser Prozess wiederholt sich und endet mit einem Ionenstrom ohne Lösungsmittel. Die Ionisierung kann erfolgen durch: ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.3}

• Ladungskonzentration in den Tröpfchen während der Verdunstung.
• Elektrochemische Prozesse, die auf dem elektrostatischen Potenzial der Kapillare beruhen.

Anders als bei der TSI können die durch ESI erzeugten Analytionen eine andere Ladung tragen als derselbe Analyt in Lösung. Das heißt, ein Analyt, der natürlicherweise als M⁺ in Lösung vorliegt ^, kann zu einem Ionenstrom werden, der eine Mischung aus M⁺, M²⁺, M³⁺ usw. enthält ^. Große Moleküle ^können eine ^hohe Ladung tragen. Typische Proteine ​​können aufgrund basischer Aminosäureseitenketten viele Protonen tragen, was zu Peaks bei m/z = 600–2000 für Proteine ​​mit einer Molekülmasse von ca. 200.000 Da führt. Dies ist vorteilhaft, da das Ion dadurch die m/z- Grenzwerte typischer Massenanalysatoren nicht überschreitet. ^{[ 11 ] : Abschn. 3.3}

Desorptionsionisation (DI) ist eine Gruppe von Ionisationstechniken. Die wichtigsten Beispiele sind Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), Fast-Atom-Bombardment (FAB) und Matrix-unterstützte Laserdesorptionsionisation (MALDI). Bei der DI wird die Probe in einer Matrix gelöst oder dispergiert und mit einem hochenergetischen (1–10 keV) Ionenstrahl (SIMS), einem Strahl neutraler Atome (FAB) oder einem Photonenstrahl (MALDI) beschossen. Der Strahl ionisiert und desorbiert einige Probenmoleküle aus der Matrix. Das Ion wird anschließend elektrostatisch beschleunigt, wie bei der Elektronenstoßionisation (EI). ^{[ 11 ] : Abschn. 3.3}

Die Matrix sollte nichtflüchtig und relativ inert sein, um Reaktionen mit dem Analyten zu vermeiden. Sie sollte zudem ein guter Elektrolyt sein , um die Ionenbildung zu ermöglichen. Ionisierte Fragmente der Matrix selbst weisen üblicherweise eine hohe Dichte auf , weshalb dieses Segment im Spektrogramm in der Regel herausgefiltert wird. ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.3} ${\displaystyle m/z\lesssim 600}$

^{SIMS und FAB sind sich} sehr ähnlich. SIMS verwendet einen Ionenstrahl, üblicherweise Ar⁺ oder Cs⁺ ^. FAB verwendet einen Neutralatomstrahl, üblicherweise Ar oder Xe. Bei SIMS und FAB bilden sich überwiegend (M + H) ^⁺- Ionen, wenn die Matrixverbindung saurer als der Analyt ist, und umgekehrt (M − H)⁻ ^-Ionen . Bei einer zufälligen Verunreinigung der Matrix mit Natrium, Kalium usw. können auch (M + Na) ^⁺ , (M + K) ^⁺ usw. entstehen. Typische Matrixmaterialien sind Glycerin , Thioglycerin , 3-Nitrobenzylalkohol , Diethanolamin , Triethanolamin und ein Dithiothreitol - Dithioerythrit- Gemisch. Sie werden üblicherweise zur Analyse von Polypeptiden und Oligonukleotiden bis zu 20 kDa verwendet. ^{[ 11 ] : Abschn. 3.3}

Die MALDE-Methode nutzt einen Photonenstrahl, üblicherweise einen Stickstofflaser mit weicher UV- Strahlung (337 nm) . Alternativ kann auch ein Infrarotlaser (IR-Laser) zur direkten Analyse von Proben in Gelen oder Dünnschichtchromatographieplatten (DC-Platten) eingesetzt werden. Mit MALDE lassen sich kleine Polymere (~1 kDa), Oligosaccharide, Oligonukleotide und Polypeptide, Antikörper und sogar kleine Proteine ​​(~300 kDa) analysieren. Die Methode ist hochsensitiv und benötigt nur Femtomol Probenmaterial. ^{[ 11 ] : Abschn. 3.3}

Die Desorption/Ionisation an Silizium (DIOS) ähnelt der MALDE, jedoch ohne Matrix. Die Probe wird direkt auf eine nanostrukturierte ( poröse Silizium- )Oberfläche aufgebracht und durch Absorption von Laserlichtenergie direkt von dieser Oberfläche desorbiert. DIOS wurde zur Analyse organischer Moleküle, Metaboliten, Biomoleküle und Peptide sowie letztendlich zur Bildgebung von Geweben und Zellen eingesetzt. ^{[ 15 ]}

Induktiv gekoppelte Plasmaquellen (ICP-Quellen) werden hauptsächlich zur Kationenanalyse verschiedenster Probenarten eingesetzt. In dieser Quelle wird ein Plasma verwendet, das insgesamt elektrisch neutral ist, dessen Atome jedoch durch hohe Temperaturen zu einem erheblichen Teil ionisiert wurden. Dieses Plasma dient dazu, zugeführte Probenmoleküle zu atomisieren und ihnen die äußeren Elektronen zu entziehen. Das Plasma wird üblicherweise aus Argongas erzeugt, da die erste Ionisierungsenergie von Argonatomen höher ist als die aller anderen Elemente außer Helium, Fluor und Neon, aber niedriger als die zweite Ionisierungsenergie aller Metalle außer den elektropositivsten. Die Erhitzung erfolgt durch einen Hochfrequenzstrom, der durch eine das Plasma umgebende Spule geleitet wird.

Die Photoionisation kann in Experimenten eingesetzt werden, die Massenspektrometrie zur Aufklärung chemischer Kinetikmechanismen und der Verzweigung isomerer Produkte nutzen. ^{[ 16 ]} Dabei werden hochenergetische Photonen, entweder Röntgen- oder UV-Strahlung, verwendet, um stabile gasförmige Moleküle in einem Trägergas aus Helium oder Argon zu dissoziieren. Bei Verwendung einer Synchrotronlichtquelle kann die Photonenenergie durch Einstellen variiert werden, um eine Photoionisations-Effizienzkurve zu erhalten. Diese kann zusammen mit dem Ladungsverhältnis m/z zur Identifizierung molekularer und ionischer Spezies verwendet werden. In jüngerer Zeit wurde die Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI) zur Ionisation von Molekülen, vorwiegend als Eluate von LC-MS-Systemen, entwickelt.

Anwendungsgebiete der Ambient-Ionisation umfassen Umwelt- und klinische Anwendungen. Bei diesen Verfahren werden Ionen in einer Ionenquelle außerhalb des Massenspektrometers erzeugt. Die Probenahme wird vereinfacht, da die Proben weder vorher getrennt noch vorbereitet werden müssen. Beispiele für Ambient-Ionisationsverfahren sind unter anderem Direct Analysis in Real Time (DART), DESI , SESI , LAESI , chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI), Desorptions-Chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (DAPCI), Soft Ionization by Chemical Reaction in Transfer (SICRT) und Desorptions-Photoionisation bei Atmosphärendruck (DAPPI) .

Weitere Verfahren sind Glimmentladung , Felddesorption (FD), Funkenionisation und thermische Ionisation (TIMS). ^{[ 17 ]}

Massenanalysatoren trennen die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis .

Es gibt viele Arten von Massenanalysatoren, die entweder statische oder dynamische, magnetische oder elektrische Felder nutzen. Jeder Analysatortyp hat seine Stärken und Schwächen. Viele Massenspektrometer verwenden zwei oder mehr Massenanalysatoren für die Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) . Neben den unten aufgeführten, gebräuchlicheren Massenanalysatoren gibt es weitere, die für spezielle Anwendungsfälle entwickelt wurden.

Die Dynamik geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern im Vakuum wird durch folgende zwei Gesetze geregelt:

${\displaystyle \mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$( Lorentz-Kraftgesetz );

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$( Newtons zweites Bewegungsgesetz im nicht-relativistischen Fall, d. h. gültig nur bei Ionengeschwindigkeiten, die viel niedriger sind als die Lichtgeschwindigkeit).

Hierbei ist F die auf das Ion wirkende Kraft, m die Masse des Ions, a die Beschleunigung, Q die Ionenladung, E das elektrische Feld und v × B das Vektorprodukt aus Ionengeschwindigkeit und Magnetfeld.

Durch Gleichsetzen der obigen Ausdrücke für die auf das Ion wirkende Kraft ergibt sich:

${\displaystyle (m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .}$

Diese Differentialgleichung ist die klassische Bewegungsgleichung für geladene Teilchen . Zusammen mit den Anfangsbedingungen des Teilchens bestimmt sie dessen Bewegung in Raum und Zeit vollständig in Abhängigkeit von m/Q . Massenspektrometer können daher als „Masse-zu-Ladungs-Spektrometer“ betrachtet werden. Bei der Datenpräsentation wird üblicherweise das (offiziell) dimensionslose m/z verwendet , wobei z die Anzahl der Elementarladungen ( e ) des Ions ist (z = Q/e). Diese Größe, die informell als Masse-zu-Ladungs-Verhältnis bezeichnet wird, repräsentiert genauer das Verhältnis von Massenzahl und Ladungszahl z .

Es gibt mehrere wichtige Merkmale des Analysators.

Das Massenauflösungsvermögen ist der gerade noch nachweisbare Unterschied im Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) bei einem bestimmten m/z-Wert und wird üblicherweise in Millimasseneinheiten (mDa) gemessen . Insbesondere kann die Auflösung bei verschiedenen m/z-Werten unterschiedlich sein . Sie wird üblicherweise als Halbwertsbreite eines Peaks bei dem jeweiligen m/z-Wert operationalisiert . ${\displaystyle \Delta (m/z)}$

Die Auflösung ist das Verhältnis . Sie ist dimensionslos. Ein hochauflösender Massenanalysator hat typischerweise eine Auflösung von über 1 Million. Konkret bedeutet das, dass er zwei Peaks bei etwa 1 kDa auflösen kann, die sich nur um etwa 1 mDa unterscheiden. ${\displaystyle {\tfrac {m/z}{\Delta (m/z)}}}$

Die absolute Genauigkeit ist das Verhältnis des m/z -Messfehlers zum wahren m/z-Wert . Sie ist definiert als . Die relative Genauigkeit ist . Sie ist dimensionslos. ${\displaystyle |(m/z)_{\text{gemessen}}-(m/z)_{\text{wahr}}|}$${\displaystyle {\tfrac {|(m/z)_{\text{gemessen}}-(m/z)_{\text{wahr}}|}{(m/z)_{\text{wahr}}}}}$

Der Massenbereich ist der m/z -Bereich , den ein bestimmter Analysator analysieren kann.

Die Geschwindigkeit gibt die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugbaren Spektrallinien an. Typischerweise erfordert eine höhere Auflösung eine geringere Geschwindigkeit und umgekehrt. Einige Massenspektrometer, wie beispielsweise Fourier-Transformations-Spektrometer, ermöglichen einen stufenlosen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Auflösung.

Ein Sektor-Massenspektrometer nutzt ein statisches elektrisches und/oder magnetisches Feld, um den Ionenstrahl zu steuern. Der gebräuchlichste Typ verwendet ein Magnetfeld.

Im vereinfachten Fall handelt es sich um ein konstantes Feld , und ein Ion der Masse m und der Ladung v tritt senkrecht mit der Geschwindigkeit v in das Feld ein . Im Feld vollführt das Ion eine Kreisbewegung mit Radius r . Wurde das Ion durch den Ionisator mit einer bekannten Spannung V beschleunigt , so beträgt seine kinetische Energie E = e^-1 , woraus folgt ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.4.} Der einzelne Ionenstrahl wird somit in einen Fächer aus Ionenstrahlen zerlegt, wobei die Ionen mit höherem m/z-Wert einen größeren Radius aufweisen. Durch einen beweglichen schmalen Spalt kann man dann ein bestimmtes m/z-Ion auswählen. Alternativ kann man auch einen festen schmalen Spalt verwenden und dabei r oder r variieren . ${\displaystyle B}$${\displaystyle m}$${\displaystyle ze}$${\displaystyle v}$${\displaystyle R={\tfrac {v(m/z)}{Be}}}$${\displaystyle V}$${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$$${\displaystyle m/z={\frac {eR^{2}B^{2}}{2V}}}$$${\displaystyle V}$${\displaystyle B}$

Bei nur einem Detektor kann der Analysator das Massenspektrum spaltweise abtasten. Mit mehreren Detektoren erhöht sich die Analysegeschwindigkeit. ^{[ 18 ]}

Ein reiner Magnetsektoranalysator erreicht eine Auflösung von ca. 10.000. Mit einem zusätzlichen elektrostatischen Fokussierungsfeld vor oder nach dem Magnetsektor kann der Analysator eine Auflösung von ca. 100.000 erreichen. ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.4}

Besonders instabile Ionen können beim Durchgang durch den Analysator zerfallen. Wenn ein solches Ionen beim Eintritt in den Analysator die Reaktion M ^z+ → M' ^z+ + (andere Teile) durchläuft , beschreibt es eine Kreisbewegung mit Radius . Dies würde sich im resultierenden Spektrogramm als Peak darstellen, der scheinbar von einem Ion mit der Masse erzeugt wird . Da kein tatsächliches Ion mit der Masse existiert , wird dieser Peak als anomaler Peak oder metastabiler Ionenpeak bezeichnet . Im Allgemeinen ist ein metastabiler Ionenpeak ein breiter Peak mit einem stark nicht-ganzzahligen Wert von . Das Vorhandensein eines metastabilen Ionenpeaks bei ist ein starker Hinweis darauf, dass zwei Ionen mit den Massen tatsächlich durch die Reaktion M ^z+ → M' ^z+ + (andere Teile) miteinander verbunden sind . ^{[ 11 ] : Abschn. 3.5} ${\displaystyle R'={\tfrac {v(m'/z)}{Be}}}$${\displaystyle (m^{*}/z)=({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$${\displaystyle m^{*}}$${\displaystyle m^{*}/z}$${\displaystyle ({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$${\displaystyle m/z,m'/z}$

Der Flugzeitanalysator (TOF) empfängt einen kurzen Ionenpuls und lässt ihn durch ein langes Vakuumrohr fliegen. Ionen mit unterschiedlichem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) erreichen das Rohrende zu unterschiedlichen Zeiten und werden so analysiert. Die Ionen müssen als Pulse in das Rohr eintreten, da sonst keine Flugzeitmessung möglich ist. Gibt der Ionisator einen kontinuierlichen Ionenstrom aus, muss dieser in Ionenpulse zerlegt werden, beispielsweise durch einen schnellen mechanischen Verschluss , ein oszillierendes elektrisches Feld in Kombination mit einem schmalen Spalt. Der MALDI-Ionisator eignet sich besonders gut für die Flugzeitmessung, da der in MALDI verwendete Laser üblicherweise ein Hochleistungspulslaser ist . MALDI-TOF ermöglicht die Messung von Massenspektren mit nur wenigen Attomol Material. ^{[ 11 ] : Abschn. 3.4}

Konkret sei die Länge des Analysators l , dann ist die Zeit, die ein Ion mit der Geschwindigkeit v benötigt, um den Analysator zu passieren , t . Da v = 0, gilt ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.4} Häufig sind die Eingangsionen bereits nach ihrem m/z-Wert konzentriert . Das heißt, jedes Ion im Eingangssignal erfüllt die Gleichung t = 0 , wobei λ eine Konstante ist und λ = 0. In diesem Fall gilt t = 0. Dies bedeutet, dass das Signal mit einem Oszilloskop im Triggermodus gemessen werden kann . Tatsächlich wurde die erste GC-MS-Analyse 1950 mit einem Oszilloskop durchgeführt. Die Experimentatoren fertigten für jede Komponente, die das Gaschromatographiegerät verließ, schnelle Fotos vom Oszilloskopbildschirm an. ^{[ 19 ]}${\displaystyle L}$${\displaystyle v}$${\displaystyle t=L/v}$${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$$${\displaystyle m/z={\frac {2eV}{L^{2}}}t^{2}}$$${\displaystyle m/z=\delta (m/z)+(m/z)_{0}}$${\displaystyle (m/z)_{0}}$${\displaystyle \delta (m/z)\ll (m/z)_{0}}$$${\displaystyle m/z=(m/z)_{0}+{\frac {4eVt_{0}}{L^{2}}}\delta t}$$

Diese Geschwindigkeitsverteilung verbreitert die Peaks im Count-vs. m/z- Diagramm, ändert aber im Allgemeinen nicht deren zentrale Lage, da die Startgeschwindigkeit der Ionen üblicherweise bei null liegt. Um dieses Problem zu beheben, wurde die zeitverzögerte Fokussierung/ Extraktion mit der Flugzeitmassenspektrometrie (TOF-MS) kombiniert. ^{[ 20 ]} Wenn die Ionen nicht mit identischen kinetischen Energien starten, können einige Ionen hinter Ionen mit höherer kinetischer Energie zurückbleiben, was die Auflösung verringert. Reflektrongeometrien werden häufig eingesetzt, um dieses Problem zu korrigieren. ^{[ 21 ]}

Längere Röhren führen zu einer höheren Auflösung. Ein Reflektor verdoppelt die effektive Röhrenlänge. Ein Reflektor-TOF-Massenspektrometer kann eine Auflösung von mehreren Tausend erreichen. TOF-Massenspektrometer kompensieren ihre geringe Auflösung durch ihre hohe Geschwindigkeit. Sie sind besonders nützlich für die Untersuchung der chemischen Kinetik . Sie können schnelle Reaktionen wie Verbrennung und Explosionen untersuchen. ^{[ 11 ] : Abschn. 3.4}

Ein Quadrupol-Massenspektrometer nutzt vier parallele Metallstäbe, um ein elektrisches Quadrupolfeld zu erzeugen, das mit einer Radiofrequenz (RF) oszilliert, um die Wege der hindurchtretenden Ionen selektiv zu stabilisieren oder zu destabilisieren.

Bei jedem Schwingungsmuster führen die durchlaufenden Ionen eine spiralförmige Bewegung aus. Liegt das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) des Ions in einem bestimmten Bereich, ist diese Bewegung stabil. Andernfalls nimmt die Amplitude der spiralförmigen Bewegung zu, bis das Ion mit den Stäben kollidiert. Dies bedeutet, dass nur Ionen mit einem m/z-Wert innerhalb eines engen Bereichs die Ionenquelle passieren können. Das vollständige Spektrogramm lässt sich durch kontinuierliches oder schrittweises Ändern der Potenziale an den Stäben erfassen.

Sie weisen typischerweise eine geringe Auflösung von etwa 1000 auf, sind aber kostengünstig und klein und eignen sich daher gut für Desktop-Massenspektrometer. ^{[ 11 ] : Abschnitt 3.4}

Der Quadrupol-Massenfilter ist eng mit der Quadrupol-Ionenfalle , insbesondere der linearen Quadrupol-Ionenfalle, verwandt. Er ist jedoch so konstruiert, dass er die nicht eingefangenen Ionen durchlässt, anstatt die eingefangenen zu sammeln, und wird daher als Transmissionsquadrupol bezeichnet . Die Quadrupol-Ionenfalle selbst kann, wie in Ionenfalle-Analysatoren , als Analysator verwendet werden .

Eine gängige Variante des Transmissionsquadrupol-Massenspektrometers ist das Triple-Quadrupol-Massenspektrometer. Das „Triple Quad“ verfügt über drei aufeinanderfolgende Quadrupolstufen. Die erste Stufe dient als Massenfilter und leitet ein einfallendes Ion zur zweiten Stufe, der Kollisionskammer, wo es fragmentiert wird. Die dritte Stufe dient ebenfalls als Massenfilter und leitet das Fragmention zum Detektor. Es handelt sich um ein MS/MS- Massenspektrometer und kann daher verschiedene für MS/MS typische Scan-Typen durchführen.

Ein magnetisch verstärkter Quadrupol-Massenanalysator verfügt über ein zusätzliches Magnetfeld, axial oder transversal. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Die Quadrupol-Ionenfalle arbeitet nach denselben physikalischen Prinzipien wie der Quadrupol-Massenspektrometer, jedoch werden die Ionen eingefangen und nacheinander freigesetzt. Die Ionen werden in einem überwiegend quadrupolartigen Hochfrequenzfeld in einem Raum eingefangen, der durch eine Ringelektrode (üblicherweise an das Haupt-Hochfrequenzpotenzial angeschlossen) zwischen zwei Endkappenelektroden (typischerweise an Gleich- oder Hilfswechselspannungen angeschlossen) begrenzt wird. Die Probe wird entweder intern (z. B. mit einem Elektronen- oder Laserstrahl) oder extern ionisiert, wobei im letzteren Fall die Ionen häufig durch eine Öffnung in einer Endkappenelektrode eingeleitet werden.

Es gibt zahlreiche Methoden zur Massen-/Ladungstrennung und -isolierung, die gebräuchlichste ist jedoch die Masseninstabilitätsmethode. Dabei wird das HF-Potenzial so erhöht, dass die Bahn von Ionen mit einer Masse a > b stabil ist, während Ionen mit der Masse b instabil werden und entlang der z- Achse auf einen Detektor ausgestoßen werden . Daneben existieren auch zerstörungsfreie Analysemethoden.

Ionen können auch mittels Resonanzanregung freigesetzt werden. Dabei wird eine zusätzliche oszillatorische Anregungsspannung an die Endkappenelektroden angelegt, und die Amplitude der Fangspannung und/oder die Frequenz der Anregungsspannung werden variiert, um die Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis in Resonanz zu bringen. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Das zylindrische Ionenfallen-Massenspektrometer (CIT) ist eine Weiterentwicklung der Quadrupol-Ionenfalle, bei der die Elektroden aus flachen Ringen anstatt aus hyperbolisch geformten Elektroden bestehen. Diese Bauweise eignet sich gut für die Miniaturisierung, da sich mit abnehmender Größe der Falle die Form des elektrischen Feldes im Zentrum der Falle, also dem Bereich, in dem die Ionen gefangen werden, der Form einer hyperbolischen Falle annähert.

Eine lineare Quadrupol-Ionenfalle ähnelt einer Quadrupol-Ionenfalle, fängt Ionen jedoch in einem zweidimensionalen Quadrupolfeld ein, anstatt in einem dreidimensionalen wie bei einer 3D-Quadrupol-Ionenfalle. Die LTQ („Linear Trap Quadrupole“) von Thermo Fisher ist ein Beispiel für eine lineare Ionenfalle. ^{[ 26 ]}

Eine toroidale Ionenfalle lässt sich als linearer Quadrupol visualisieren, der gekrümmt und an den Enden verbunden ist, oder als Querschnitt einer dreidimensionalen Ionenfalle, die auf die Kante gedreht wurde, um die toroidale, ringförmige Falle zu bilden. Die Falle kann große Ionenmengen speichern, indem sie diese in der ringförmigen Struktur verteilt. Diese toroidale Form ermöglicht die Miniaturisierung von Ionenfallen-Massenspektrometern. Zudem werden alle Ionen im selben Fangfeld gespeichert und gemeinsam ausgestoßen, was die Detektion vereinfacht, die bei Array-Konfigurationen aufgrund von Abweichungen in der Detektorausrichtung und der Bearbeitung der Arrays kompliziert sein kann. ^{[ 27 ]}

Wie bei der toroidalen Falle sind lineare Fallen und 3D-Quadrupol-Ionenfallen aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihrer Toleranz gegenüber mTorr-Drücken und ihrer Fähigkeit zur Tandem-Massenspektrometrie mit einem einzigen Analysator (z. B. Produktionen-Scans) die am häufigsten miniaturisierten Massenanalysatoren. ^{[ 28 ]}

Die Fourier-Transformations-Massenspektrometrie (FTMS), genauer gesagt die Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz- Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), misst die Masse durch Detektion des Bildstroms, der von spiralförmig in einem Magnetfeld rotierenden Ionen erzeugt wird. Anstatt die Ablenkung der Ionen mit einem Detektor wie einem Elektronenvervielfacher zu messen , werden die Ionen in eine Penning-Falle (eine statische elektrisch-magnetische Ionenfalle ) injiziert, wo sie effektiv Teil eines Stromkreises werden. Detektoren an festen Positionen im Raum messen das elektrische Signal der Ionen, die im Laufe der Zeit an ihnen vorbeifliegen, und erzeugen so ein periodisches Signal. Da die Frequenz der Ionenbewegung durch ihr Masse-zu-Ladungs- Verhältnis (m/z) bestimmt wird , kann dieses durch Fourier-Transformation des Signals dekonvolviert werden. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Die Ionenzyklotronresonanz (ICR) ist eine ältere Massenanalysetechnik. Sie ähnelt der FTMS, da die Ionen eine Zyklotronresonanz durchlaufen. Die Detektion der Ionen erfolgt jedoch mit einem herkömmlichen Detektor. In einer Penning-Falle gefangene Ionen werden durch ein Hochfrequenzfeld angeregt, bis sie auf die Wand der Falle treffen, wo sich der Detektor befindet. Ionen unterschiedlicher Masse werden anhand ihrer Aufprallzeit unterschieden.

FTMS ist im Allgemeinen der empfindlichste Analysator auf dem Markt und erreicht eine Auflösung von ca. 1 Million. Diese hohe Auflösung wird dadurch erzielt, dass jedes Ion vom Spektrometer mehrfach erfasst wird. Gemäß der Unschärferelation der Signalverarbeitung ist ein zeitlich stark delokalisiertes , oszillierendes Signal auch frequenzmäßig stark lokalisiert .

Orbitrap- Analysatoren ähneln FTMS-Analysatoren. Ionen werden elektrostatisch in einer Umlaufbahn um eine zentrale, spindelförmige Elektrode gefangen. Die Elektrode hält die Ionen so fest, dass sie sowohl um die zentrale Elektrode kreisen als auch entlang ihrer Längsachse oszillieren. Diese Oszillation erzeugt einen Bildstrom in den Detektorplatten, der vom Gerät aufgezeichnet wird. Die Frequenzen dieser Bildströme hängen vom Masse-zu-Ladungs-Verhältnis der Ionen ab. Massenspektren werden durch Fouriertransformation der aufgezeichneten Bildströme gewonnen.

Orbitraps zeichnen sich durch eine hohe Massengenauigkeit, hohe Empfindlichkeit und einen guten Dynamikbereich aus. Zudem sind sie recht klein. ^{[ 31 ]}

Manche chemische Spezies besitzen die gleiche chemische Zusammensetzung, aber unterschiedliche Isotope ( Isotopomere ). Sie lassen sich mit einem sehr einfachen Analysator unterscheiden. Tatsächlich wurden Isotope bereits 1922 entdeckt, sehr früh in der Geschichte der Massenspektrometrie.

Zwei chemische Spezies können jedoch die gleiche Anzahl an Nukleonen (Neutronen und Protonen) aufweisen. Beispielsweise besitzen C₃ und SH₄ jeweils 36 Nukleonen. Sie lassen sich dennoch unterscheiden, da sich die Protonen- und Neutronenmasse um 1,4 mDa unterscheidet und unterschiedliche Atomkerne unterschiedliche Bindungsenergien besitzen , was zu unterschiedlichen Massen führt. Insgesamt unterscheiden sich C₃ und S₁H₃ um 3,4 mDa. Noch kleinere Unterschiede sind durch sorgfältige Isotopenauswahl möglich. So unterscheiden sich beispielsweise C₄ und S₁H₃  13  C  1  um 1,1 mDa. Solche Unterschiede können mittels hochauflösender Massenspektrometrie aufgelöst werden, die eine Auflösung von >1 Million erreicht. Dies ist ausreichend , um einen Unterschied von ~1 mDa bei m/z ~ 1000 aufzulösen . Die Elektronenmasse beträgt 0,5 mDa. [ 32 ]${\displaystyle E=mc^{2}}$

Es gibt zahlreiche Techniken für hochauflösende Massenspektrometrie ^{[ 33 ]} , die höchste Auflösung wird jedoch durch FTMS mit hohem Magnetfeld erzielt. Mit zunehmender Magnetfeldstärke steigen Auflösung und Spektrenaufnahmegeschwindigkeit linear, während Massengenauigkeit und Dynamikbereich quadratisch zunehmen ^{[ 34 ]} . Folglich wird die höchste Auflösung durch Hochfeld-FTMS bis zu 21 Tesla erreicht . Sie erreicht eine Auflösung von >2,7 Millionen bei m/z ~ 400 und eine Massenmessgenauigkeit von < 80 ppb ^{[ 35 ] [ 32 ] .}

Sie werden häufig in geochemischen und petrochemischen Studien eingesetzt, da die Erdölindustrie ein enormes wirtschaftliches Potenzial birgt und die Zusammensetzung von Erdöl hochkomplex ist. ^{[ 32 ]} Eine weitere Anwendung findet sich in der Isotopenanalyse großer Proteine. Zwei Proteine, die sich nur durch ein einziges Isotop unterscheiden, sind um einen bestimmten Wert getrennt , was eine Auflösung von etwa 100.000 erfordert . Für große Proteine ​​mit m > 100 kDa und z ~ 50, wie beispielsweise monoklonale Antikörper , ist dafür ein Analysator erforderlich, der bei m/z ~ 2000 ein Auflösungsvermögen von > 100.000 erreicht. ^{[ 35 ]}${\displaystyle \Delta m\approx 1}$${\displaystyle m/\Delta m}$

Die hochauflösende FTMS ist auch als Detektor sehr empfindlich. Sie ermöglichte den Nachweis von Proteinen im Bereich von 8–20 kDa bei einer Probenkonzentration von ~30 Zeptomol (d. h. etwa 20.000 einzelnen Molekülen). ^{[ 36 ]}

Das letzte Element des Massenspektrometers ist der Detektor. Er erfasst entweder die induzierte Ladung oder den erzeugten Strom, wenn ein Ion an einer Oberfläche vorbeifliegt oder auf sie trifft. Bei einem Scanning-Massenspektrometer liefert das während des Scans erzeugte Detektorsignal in Abhängigkeit von der Position des Instruments im Scan ( m/Q- Verhältnis) ein Massenspektrum – eine Aufzeichnung der Ionen als Funktion von m/Q .

Der lineare dynamische Bereich ist der Bereich, in dem das Detektorsignal linear mit der Analytkonzentration ist.

Typischerweise wird ein Elektronenvervielfacher verwendet , obwohl auch andere Detektoren wie Faraday-Becher und Ionen-Photonen-Detektoren zum Einsatz kommen. Da die Anzahl der Ionen, die den Massenanalysator zu einem bestimmten Zeitpunkt verlassen, typischerweise sehr gering ist, ist oft eine erhebliche Verstärkung erforderlich, um ein Signal zu erhalten. Mikrokanalplattendetektoren werden häufig in modernen kommerziellen Geräten verwendet. ^{[ 37 ]} In FTMS und Orbitraps besteht der Detektor aus zwei Metalloberflächen im Bereich des Massenanalysators/der Ionenfalle, die die Ionen nur während ihrer Oszillation passieren. Es wird kein Gleichstrom erzeugt, sondern lediglich ein schwacher Wechselstrom in einem Stromkreis zwischen den Elektroden. Auch andere induktive Detektoren wurden verwendet. ^{[ 38 ]}

Ein Tandem-Massenspektrometer ermöglicht mehrere Massenspektrometrie-Runden, die üblicherweise durch eine Form der Molekülfragmentierung getrennt sind . Beispielsweise kann ein Massenanalysator ein einzelnes Peptid aus einer Vielzahl von Peptiden isolieren, die in das Massenspektrometer gelangen. Eine Kollisionszelle stabilisiert die Peptidionen, während diese mit einem Gas kollidieren und durch kollisionsinduzierte Dissoziation (CID) fragmentiert werden. Ein weiterer Massenanalysator sortiert anschließend die entstandenen Fragmente. Tandem-MS kann auch in einem einzelnen Massenanalysator über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, wie beispielsweise in einer Quadrupol-Ionenfalle . Für die Fragmentierung von Molekülen in der Tandem-MS stehen verschiedene Methoden zur Verfügung , darunter kollisionsinduzierte Dissoziation (CID), Elektroneneinfangdissoziation (ECD), Elektronentransferdissoziation (ETD), Infrarot-Multiphotonendissoziation (IRMPD), Schwarzkörper-Infrarot-Strahlungsdissoziation (BIRD), Elektronenablösungsdissoziation (EDD) und oberflächeninduzierte Dissoziation (SID). Eine wichtige Anwendung der Tandem-Massenspektrometrie ist die Proteinidentifizierung. ^{[ 39 ]}

Die Tandem-Massenspektrometrie ermöglicht eine Vielzahl experimenteller Sequenzen. Viele kommerzielle Massenspektrometer sind darauf ausgelegt, die Durchführung von Routinesequenzen wie Selected Reaction Monitoring (SRM) , Precursor-Ionen-Scanning, Produktion-Scanning und Neutral Loss Scanning zu beschleunigen. ^{[ 40 ]}

• Bei der selektiven Reaktionsüberwachung lässt der erste Analysator nur eine einzige Masse durch, während der zweite Analysator mehrere benutzerdefinierte Fragmentionen über längere Verweilzeiten überwacht, als dies bei einem vollständigen Scan möglich wäre. Dadurch wird die Empfindlichkeit erhöht.
• Bei Produktionenscans ist der erste Massenanalysator so eingestellt, dass er ein bestimmtes Vorläuferion („Elternion“) auswählt, während der zweite gescannt wird, um alle Fragmente („Produkte“ oder „Tochterionen“) zu finden, in die es in der Kollisionszelle fragmentiert werden kann.
• Bei Vorläuferionenscans ist der zweite Massenanalysator darauf eingestellt, ein bestimmtes Fragmention („Tochterion“) auszuwählen, während der erste gescannt wird, um alle möglichen Vorläuferionen zu finden, die zu diesem Fragment führen könnten.
• Bei Neutralverlust-Scans werden die beiden Massenanalysatoren parallel gescannt, jedoch mit einem Abstand zur Masse einer für den Analytiker relevanten Moleküluntereinheit. Ionen werden detektiert, wenn sie während der Fragmentierung diese festgelegte Masse verlieren. Dieses Verfahren kann genutzt werden, um nach chemischen Verbindungen zu suchen, die eine bestimmte neutrale Gruppe, beispielsweise einen Zuckerrest, abspalten können. Neutralverlust- und Vorläuferionen-Scans ermöglichen in Kombination die Suche nach chemischen Verbindungen mit spezifischen Strukturmotiven.

Eine weitere Art der Tandem-Massenspektrometrie, die zur Radiokohlenstoffdatierung eingesetzt wird, ist die Beschleuniger-Massenspektrometrie . Dabei werden sehr hohe Spannungen, üblicherweise im Megavoltbereich, verwendet, um negative Ionen in ein Tandem-Massenspektrometer zu beschleunigen.

Die METLIN -Metaboliten- und Chemikaliendatenbank ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} ist das größte Repository experimenteller Tandem-Massenspektrometrie -Daten, die von Standards gewonnen wurden. Die Tandem-Massenspektrometrie-Daten von über 960.000 Molekülstandards (Stand: Oktober 2025) ^{[ 41 ] [ 44 ]} dienen der erleichterten Identifizierung chemischer Substanzen aus Tandem-Massenspektrometrie-Experimenten. ^{[ 46 ]} Neben der Identifizierung bekannter Moleküle ist sie auch zur Identifizierung unbekannter Substanzen mittels Ähnlichkeitssuche/-analyse nützlich. ^{[ 47 ]} Alle Tandem-Massenspektrometrie-Daten stammen aus der experimentellen Analyse von Standards bei verschiedenen Kollisionsenergien und im positiven wie negativen Ionisationsmodus. ^{[ 41 ]}

Wenn sich eine bestimmte Kombination aus Quelle, Analysator und Detektor in der Praxis etabliert hat, kann sich ein zusammengesetztes Akronym als prägnante Bezeichnung herausbilden. Ein Beispiel hierfür ist MALDI-TOF , eine Kombination aus Matrix-unterstützter Laserdesorption/Ionisationsquelle und Flugzeitmassenspektrometer . Weitere Beispiele sind die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) , die Beschleuniger-Massenspektrometrie , die thermische Ionisations-Massenspektrometrie (TIMS) und die Funkenquellen-Massenspektrometrie .

Bestimmte Anwendungen der Massenspektrometrie haben Bezeichnungen entwickelt, die zwar streng genommen auf ein breites Anwendungsgebiet hindeuten, in der Praxis aber vielmehr eine spezifische oder begrenzte Anzahl von Gerätekonfigurationen bezeichnen. Ein Beispiel hierfür ist die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie , die in der Praxis die Verwendung einer begrenzten Anzahl von sektorbasierten Massenanalysatoren meint; diese Bezeichnung wird sowohl für die Anwendung als auch für das dafür verwendete Instrument verwendet.

Eine wichtige Verbesserung der Massenauflösungs- und Massenbestimmungsfähigkeiten der Massenspektrometrie besteht in ihrer Kombination mit chromatographischen und anderen Trenntechniken.

Eine gängige Kombination ist die Gaschromatographie -Massenspektrometrie (GC/MS oder GC-MS). Bei dieser Technik werden verschiedene Verbindungen mithilfe eines Gaschromatographen getrennt. Der Strom der getrennten Verbindungen wird online in die Ionenquelle geleitet , einen Metalldraht , an den eine Spannung angelegt wird. Dieser Draht emittiert Elektronen, die die Verbindungen ionisieren. Die Ionen können dann weiter fragmentieren, wodurch vorhersagbare Muster entstehen. Intakte Ionen und Fragmente gelangen in den Analysator des Massenspektrometers und werden schließlich detektiert. ^{[ 48 ]} Die hohen Temperaturen (300 °C), die im GC-MS-Injektionsport (und Ofen) verwendet werden, können jedoch zu einer thermischen Zersetzung der injizierten Moleküle führen, sodass Abbauprodukte anstelle der eigentlichen Zielmoleküle gemessen werden. ^{[ 49 ]}

Ähnlich wie bei der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) werden Verbindungen bei der Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC/MS oder LC-MS) chromatographisch getrennt, bevor sie in die Ionenquelle und das Massenspektrometer gelangen. Im Gegensatz zur GC-MS ist die mobile Phase flüssig, üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und organischen Lösungsmitteln , und nicht gasförmig. Am häufigsten wird in der LC-MS eine Elektrospray-Ionisationsquelle verwendet. Weitere gängige und kommerziell erhältliche LC-MS-Ionenquellen sind die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck und die Photoionisation bei Atmosphärendruck . Darüber hinaus gibt es einige neu entwickelte Ionisationstechniken wie die Laserspray-Ionisation .

Die Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie (CE-MS) ist eine Technik, die die Flüssigkeitstrennung mittels Kapillarelektrophorese mit der Massenspektrometrie kombiniert. ^{[ 50 ]} Typischerweise wird CE-MS mit der Elektrospray-Ionisation gekoppelt. ^{[ 51 ]}

Die Ionenmobilitätsspektrometrie-Massenspektrometrie (IMS/MS oder IMMS) ist eine Technik, bei der Ionen zunächst durch Driftzeit in einem neutralen Gas unter einem angelegten elektrischen Potentialgradienten getrennt werden, bevor sie in ein Massenspektrometer eingeleitet werden. ^{[ 52 ]} Die Driftzeit ist ein Maß für den Stoßquerschnitt relativ zur Ladung des Ions. Der Messzyklus der IMS (die Zeit, über die das Experiment abläuft) ist länger als bei den meisten massenspektrometrischen Verfahren, sodass das Massenspektrometer während der IMS-Trennung Proben entnehmen kann. Dadurch werden Daten über die IMS-Trennung und das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis der Ionen ähnlich wie bei der LC-MS gewonnen . ^{[ 53 ]}

Der Arbeitszyklus der IMS ist im Vergleich zur Flüssigkeitschromatographie oder Gaschromatographie kurz und kann daher mit solchen Techniken gekoppelt werden, wodurch dreifache Modalitäten wie LC/IMS/MS entstehen. ^{[ 54 ]}

Die Massenspektrometrie erzeugt verschiedene Arten von Daten. Die gebräuchlichste Darstellungsform dieser Daten ist das Massenspektrum .

Bestimmte Arten von Massenspektrometrie-Daten lassen sich am besten als Massenchromatogramm darstellen . Zu den Chromatogrammtypen gehören unter anderem Selected Ion Monitoring (SIM), Total Ion Current (TIC) und Selected Reaction Monitoring .

Andere Arten von Massenspektrometriedaten lassen sich gut als dreidimensionale Konturkarte darstellen . In dieser Form befindet sich das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis ( m/z) auf der x- Achse, die Intensität auf der y -Achse und ein zusätzlicher experimenteller Parameter, wie beispielsweise die Zeit, wird auf der z -Achse erfasst.

Die Analyse von Massenspektrometrie-Daten ist abhängig von der Art des Experiments, das die Daten erzeugt. Allgemeine Unterteilungen der Daten sind grundlegend für das Verständnis jeglicher Daten.

Viele Massenspektrometer arbeiten entweder im Negativionen- oder im Positivionenmodus . Es ist sehr wichtig zu wissen, ob die beobachteten Ionen negativ oder positiv geladen sind. Dies ist oft entscheidend für die Bestimmung der neutralen Masse, gibt aber auch Aufschluss über die Art der Moleküle.

Unterschiedliche Ionenquellen erzeugen unterschiedliche Fragmentmuster der ursprünglichen Moleküle. Eine Elektronenionisationsquelle erzeugt zahlreiche Fragmente, hauptsächlich einfach geladene (1-) Radikale (ungerade Elektronenzahl), während eine Elektrospray-Quelle üblicherweise nicht-radikalische, quasimolekulare Ionen erzeugt, die häufig mehrfach geladen sind. Die Tandem-Massenspektrometrie erzeugt gezielt Fragmentionen nach der Ionenquelle und kann die Art der experimentell gewonnenen Daten erheblich verändern.

Die Kenntnis der Probenherkunft ermöglicht Aufschluss über die Zusammensetzung der Probenmoleküle und deren Fragmentierung. Eine Probe aus einem Synthese- oder Herstellungsprozess enthält wahrscheinlich Verunreinigungen, die chemisch mit der Zielkomponente verwandt sind. Eine grob aufbereitete biologische Probe enthält vermutlich eine gewisse Menge an Salz, das in bestimmten Analysen Addukte mit den Analytenmolekülen bilden kann.

Die Ergebnisse können auch stark von der Probenvorbereitung und der Durchführung der Analyse abhängen. Ein wichtiges Beispiel ist die Frage der verwendeten Matrix für das MALDI-Spotting, da die Energetik der Desorptions-/Ionisationsprozesse größtenteils von der Matrix und weniger von der Laserleistung bestimmt wird. Manchmal werden Proben mit Natrium oder anderen ionentragenden Spezies versetzt, um Addukte anstelle protonierter Spezies zu erzeugen.

Die Massenspektrometrie ermöglicht die Bestimmung von Molmasse, Molekülstruktur und Probenreinheit. Jede dieser Fragestellungen erfordert ein anderes experimentelles Vorgehen; daher ist eine präzise Definition des experimentellen Ziels Voraussetzung für die Erhebung und erfolgreiche Interpretation der Daten.

Da die genaue Struktur oder Peptidsequenz eines Moleküls anhand der Fragmentmassen entschlüsselt wird, erfordert die Interpretation von Massenspektren die kombinierte Anwendung verschiedener Techniken. Üblicherweise besteht die erste Strategie zur Identifizierung einer unbekannten Verbindung darin, ihr experimentelles Massenspektrum mit einer Massenspektrenbibliothek zu vergleichen. Ergibt die Suche keine Übereinstimmungen, muss eine manuelle ^{[ 55 ]} oder softwaregestützte Interpretation der Massenspektren erfolgen. Die Computersimulation von Ionisations- und Fragmentierungsprozessen im Massenspektrometer ist das wichtigste Werkzeug zur Bestimmung der Struktur oder Peptidsequenz eines Moleküls. Eine a priori vorhandene Strukturinformation wird in silico fragmentiert , und das resultierende Muster wird mit dem beobachteten Spektrum verglichen. Diese Simulation wird häufig durch eine Fragmentierungsbibliothek ^{[ 56 ]} unterstützt , die publizierte Muster bekannter Zerfallsreaktionen enthält. Software, die dieses Prinzip nutzt, wurde sowohl für kleine Moleküle als auch für Proteine ​​entwickelt .

Die Analyse von Massenspektren kann auch Spektren mit genauer Masse umfassen . Ein Masse-zu-Ladungs-Verhältnis ( m/z ) mit nur ganzzahliger Genauigkeit kann eine immense Anzahl theoretisch möglicher Ionenstrukturen repräsentieren; präzisere Massenwerte reduzieren jedoch die Anzahl der infrage kommenden Molekülformeln erheblich . Ein Computerprogramm, der sogenannte Formelgenerator, berechnet alle Molekülformeln, die theoretisch zu einer gegebenen Masse mit einer festgelegten Toleranz passen.

Eine neuere Technik zur Strukturaufklärung in der Massenspektrometrie, das sogenannte Precursor-Ionen-Fingerprinting , identifiziert einzelne Strukturinformationen durch einen Vergleich der Tandemspektren des zu untersuchenden Moleküls mit einer Bibliothek von Produktionenspektren strukturell charakterisierter Precursor-Ionen. ^{[ 57 ]}

Besonders instabile Ionen können beim Durchgang durch den Analysator zerfallen. Wenn ein solches Ionen beim Eintritt in den Analysator die Reaktion M ^z+ → M' ^z+ + (andere Teile) durchläuft , beschreibt es eine Kreisbewegung mit Radius . Dies würde sich im resultierenden Spektrogramm als Peak darstellen, der scheinbar von einem Ion mit der Masse erzeugt wird . Da kein tatsächliches Ion mit der Masse existiert , wird dieser Peak als anomaler Peak oder metastabiler Ionenpeak bezeichnet . Im Allgemeinen ist ein metastabiler Ionenpeak ein breiter Peak mit einem stark nicht-ganzzahligen Wert von . Das Vorhandensein eines metastabilen Ionenpeaks bei ist ein starker Hinweis darauf, dass zwei Ionen mit den Massen tatsächlich durch die Reaktion M ^z+ → M' ^z+ + (andere Teile) miteinander verbunden sind . ^{[ 11 ] : Abschn. 3.5} ${\displaystyle R'={\tfrac {v(m'/z)}{Be}}}$${\displaystyle (m^{*}/z)=({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$${\displaystyle m^{*}}$${\displaystyle m^{*}/z}$${\displaystyle ({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$${\displaystyle m/z,m'/z}$

Die Massenspektrometrie findet sowohl qualitative als auch quantitative Anwendung. Dazu gehören die Identifizierung unbekannter Verbindungen, die Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Elementen in einem Molekül und die Strukturaufklärung einer Verbindung durch Beobachtung ihrer Fragmentierung. Weitere Anwendungsgebiete sind die Quantifizierung der Menge einer Verbindung in einer Probe oder die Untersuchung der Grundlagen der Gasphasen-Ionenchemie (der Chemie von Ionen und neutralen Teilchen im Vakuum). Die MS wird heute häufig in analytischen Laboren eingesetzt, die physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften einer Vielzahl von Verbindungen untersuchen. Die Quantifizierung kann relativ (Analyse relativ zu einer Referenzprobe) oder absolut (Analyse mittels Standardkurvenmethode) erfolgen. ^{[ 58 ]}

Als Analysetechnik besitzt sie deutliche Vorteile wie: Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den meisten anderen Analysetechniken, da der Analysator als Massen-Ladungs-Filter Hintergrundstörungen reduziert; Ausgezeichnete Spezifität durch charakteristische Fragmentierungsmuster zur Identifizierung unbekannter Substanzen oder zur Bestätigung des Vorhandenseins vermuteter Verbindungen; Informationen über das Molekulargewicht; Informationen über die Isotopenhäufigkeit von Elementen; Zeitlich aufgelöste chemische Daten.

Zu den Nachteilen der Methode gehört, dass sie häufig nicht zwischen optischen und geometrischen Isomeren sowie den Positionen von Substituenten in o-, m- und p-Position eines aromatischen Rings unterscheiden kann. Außerdem ist ihr Anwendungsbereich bei der Identifizierung von Kohlenwasserstoffen, die ähnliche Fragmentionen erzeugen, begrenzt.

Die Massenspektrometrie dient auch zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Elementen in einer Probe. Da die Massenunterschiede zwischen den Isotopen eines Elements sehr gering sind und die weniger häufigen Isotope typischerweise sehr selten vorkommen, ist ein hochempfindliches Instrument erforderlich. Zur Messung leichter Elemente (z. B. H, C, N, O, S) verwenden Isotopenverhältnis-Massenspektrometer üblicherweise einen einzelnen Magneten, um einen Strahl ionisierter Teilchen auf eine Reihe von Faraday-Bechern zu lenken , welche die Teilchenstöße in elektrischen Strom umwandeln . Eine schnelle Online-Analyse des Deuteriumgehalts von Wasser kann mittels Nachglühen-Massenspektrometrie (FA-MS) erfolgen . Das wahrscheinlich empfindlichste und genaueste Massenspektrometer für diesen Zweck ist die Beschleuniger-Massenspektrometrie . Sie bietet höchste Empfindlichkeit und kann einzelne Atome sowie Nuklide mit einem dynamischen Bereich von ~10^¹⁵ relativ zum häufigsten stabilen Isotop messen . ^{[ 59 ]} Isotopensignaturen können als Marker für eine Vielzahl von Prozessen dienen. Bestimmte Isotopenverhältnisse werden zur Altersbestimmung von Materialien verwendet, beispielsweise bei der Radiokohlenstoffdatierung . Die Markierung mit stabilen Isotopen dient auch der Proteinquantifizierung (siehe Abschnitt „Proteincharakterisierung“ weiter unten).

Die Membran-Einführungs-Massenspektrometrie kombiniert die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie mit einer Reaktionskammer/Zelle, die durch eine gasdurchlässige Membran abgetrennt ist. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung von Gasen während ihrer Freisetzung in Lösung. Sie wurde bereits umfassend zur Untersuchung der Sauerstoffproduktion durch Photosystem II eingesetzt . ^{[ 60 ]}

Bei verschiedenen Techniken werden Ionen verwendet, die in einer speziellen Ionenquelle erzeugt und in ein Strömungsrohr oder ein Driftrohr injiziert werden: Selected Ion Flow Tube (SIFT-MS) und Proton Transfer Reaction (PTR-MS) sind Varianten der chemischen Ionisation, die für die Spurengasanalyse von Luft, Atemluft oder Flüssigkeitskopfraum entwickelt wurden. Dabei wird eine genau definierte Reaktionszeit verwendet, die die Berechnung der Analytkonzentrationen aus der bekannten Reaktionskinetik ohne die Notwendigkeit eines internen Standards oder einer Kalibrierung ermöglicht.

Eine weitere Technik mit Anwendungsmöglichkeiten in der Spurengasanalyse ist die sekundäre Elektrospray-Ionisation (SESI-MS), eine Variante der Elektrospray-Ionisation . Bei der SESI wird ein Elektrospray-Plume aus reinem, angesäuertem Lösungsmittel erzeugt, das mit neutralen Dämpfen interagiert. Die Dampfmoleküle werden bei Atmosphärendruck ionisiert, wenn Ladung von den im Elektrospray gebildeten Ionen auf die Moleküle übertragen wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist seine Kompatibilität mit den meisten ESI-MS-Systemen. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Ein Restgasanalysator (RGA) ist ein kleines und in der Regel robustes Massenspektrometer , das typischerweise für die Prozesskontrolle und Kontaminationsüberwachung in Vakuumsystemen entwickelt wurde . Als Quadrupol-Massenspektrometer existieren zwei Ausführungen: mit offener (OIS) oder geschlossener (CIS) Ionenquelle. RGAs finden Anwendung in Hochvakuumsystemen wie Forschungskammern, Oberflächenanalysen , Beschleunigern , Rastermikroskopen usw. Sie dienen hauptsächlich der Überwachung der Vakuumqualität und dem Nachweis geringster Spuren von Verunreinigungen in der Niederdruck-Gasumgebung. Diese Verunreinigungen lassen sich bis in den Torr -Bereich messen und weisen bei Abwesenheit von Hintergrundstörungen eine Nachweisgrenze im Sub- ppm- Bereich auf.${\displaystyle 10^{-14}}$

RGAs würden auch als empfindliche Lecksuchgeräte vor Ort eingesetzt, üblicherweise unter Verwendung von Helium , Isopropylalkohol oder anderen Tracermolekülen. Durch das Evakuieren von Vakuumsystemen auf Werte unter Torr – zur Überprüfung der Dichtheit der Vakuumdichtungen und der Vakuumqualität – können Luftlecks, virtuelle Lecks und andere Verunreinigungen in geringen Konzentrationen erkannt werden, bevor ein Prozess gestartet wird. ${\displaystyle 10^{-5}}$

Eine Atomsonde ist ein Instrument, das Flugzeitmassenspektrometrie und Feldverdampfungsmikroskopie kombiniert, um die Position einzelner Atome abzubilden.

Die Pharmakokinetik wird aufgrund der komplexen Matrix (häufig Blut oder Urin) und des Bedarfs an hoher Empfindlichkeit zur Erfassung niedriger Dosen und langer Messzeitpunkte häufig mittels Massenspektrometrie untersucht. Das am häufigsten verwendete Instrument ist die LC-MS mit einem Triple-Quadrupol-Massenspektrometer . Zur Erhöhung der Spezifität wird üblicherweise die Tandem-Massenspektrometrie eingesetzt. Standardkurven und interne Standards dienen der Quantifizierung eines einzelnen Arzneimittels in den Proben. Die Proben repräsentieren verschiedene Zeitpunkte der Arzneimittelverabreichung und der anschließenden Metabolisierung oder Elimination aus dem Körper. Blindproben (t=0-Proben), die vor der Verabreichung entnommen werden, sind wichtig, um den Hintergrund zu bestimmen und die Datenintegrität bei solch komplexen Probenmatrices sicherzustellen. Der Linearität der Standardkurve wird große Bedeutung beigemessen; es ist jedoch nicht ungewöhnlich, Kurvenanpassungen mit komplexeren Funktionen wie quadratischen Funktionen durchzuführen, da die Antwort der meisten Massenspektrometer über große Konzentrationsbereiche nicht linear ist. ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

Derzeit besteht großes Interesse an der Anwendung der Massenspektrometrie mit sehr hoher Empfindlichkeit für Mikrodosierungsstudien , die als vielversprechende Alternative zu Tierversuchen angesehen werden .

Jüngste Studien zeigen, dass die sekundäre Elektrospray-Ionisation (SESI) eine leistungsstarke Technik zur Überwachung der Arzneimittelkinetik mittels Atemgasanalyse darstellt. ^{[ 66 ] [ 67 ]} Da Atemgas natürlich produziert wird, lassen sich zahlreiche Messpunkte leicht erfassen. Dadurch kann die Anzahl der erfassten Datenpunkte deutlich erhöht werden. ^{[ 68 ]} In Tierstudien kann dieser Ansatz (SESI) die Anzahl der Tieropfer reduzieren. ^{[ 67 ]} Beim Menschen kann die nicht-invasive SESI-MS-Atemgasanalyse dazu beitragen, die Arzneimittelkinetik auf personalisierter Ebene zu untersuchen. ^{[ 66 ] [ 69 ] [ 70 ]}

Die Massenspektrometrie ist eine wichtige Methode zur Charakterisierung und Sequenzierung von Proteinen. Die beiden wichtigsten Methoden zur Ionisierung ganzer Proteine ​​sind die Elektrospray-Ionisation (ESI) und die Matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI). Entsprechend der Leistungsfähigkeit und des Massenbereichs der verfügbaren Massenspektrometer werden zwei Ansätze zur Proteincharakterisierung verwendet. Beim ersten Ansatz werden intakte Proteine ​​mit einer der beiden oben beschriebenen Techniken ionisiert und anschließend in ein Massenspektrometer eingeleitet. Dieser Ansatz wird als „ Top-Down “-Strategie der Proteinanalyse bezeichnet. Der Top-Down-Ansatz ist jedoch weitgehend auf Einzelproteinstudien mit geringem Durchsatz beschränkt. Beim zweiten Ansatz werden Proteine ​​enzymatisch mit Proteasen wie Trypsin oder Pepsin in kleinere Peptide gespalten , entweder in Lösung oder nach elektrophoretischer Trennung im Gel . Auch andere proteolytische Substanzen kommen zum Einsatz. Die Peptidprodukte werden häufig vor der Massenspektrometrie chromatographisch getrennt. Wird das charakteristische Peptidmuster zur Identifizierung eines Proteins verwendet, spricht man von Peptidmassenfingerprinting (PMF). Erfolgt die Identifizierung anhand der in der Tandem- Massenspektrometrie ermittelten Sequenzdaten , nennt man dies De-novo-Peptidsequenzierung . Diese Verfahren der Proteinanalyse werden auch als „ Bottom-up “-Ansatz bezeichnet und wurden auch zur Analyse der Verteilung und Position posttranslationaler Modifikationen wie der Phosphorylierung an Proteinen eingesetzt. ^{[ 71 ]} Ein dritter Ansatz, der sogenannte „Middle-down“-Ansatz, findet zunehmend Anwendung. Dabei werden proteolytische Peptide analysiert, die größer als das typische tryptische Peptid sind. ^{[ 72 ]}

Als Standardmethode zur Analyse wurden Massenspektrometer bereits auf anderen Planeten und Monden eingesetzt. Zwei davon wurden im Rahmen des Viking-Programms zum Mars gebracht . Anfang 2005 transportierte die Cassini-Huygens -Mission ein spezielles GC-MS- Instrument an Bord der Huygens-Sonde durch die Atmosphäre von Titan , dem größten Mond des Saturn . Dieses Instrument analysierte Atmosphärenproben entlang seiner Abstiegsbahn und konnte nach der Landung Proben von Titans gefrorener, kohlenwasserstoffbedeckter Oberfläche verdampfen und analysieren. Die Messungen vergleichen die Isotopenhäufigkeit jedes Partikels mit der natürlichen Häufigkeit auf der Erde. ^{[ 73 ]} Ebenfalls an Bord der Cassini-Huygens-Sonde befand sich ein Ionen- und Neutralteilchen-Massenspektrometer, das Messungen der atmosphärischen Zusammensetzung von Titan sowie der Zusammensetzung der Fontänen von Enceladus durchführte . Ein Massenspektrometer zur Analyse thermischer und entwickelter Gase wurde von der 2007 gestarteten Mars-Sonde Phoenix mitgeführt. ^{[ 74 ]}

Massenspektrometer werden auch in Weltraummissionen häufig zur Messung der Zusammensetzung von Plasmen eingesetzt. Beispielsweise trug die Raumsonde Cassini das Cassini-Plasmaspektrometer (CAPS) ^{[ 75 ]} , das die Masse von Ionen in der Magnetosphäre des Saturn maß .

Massenspektrometer wurden in Krankenhäusern ab etwa 1975 bis zum Ende des Jahrhunderts zur Atemgasanalyse eingesetzt. Einige sind wahrscheinlich noch im Einsatz, werden aber derzeit nicht mehr hergestellt. ^{[ 76 ]}

Die Geräte, die hauptsächlich im Operationssaal zu finden waren , waren Teil eines komplexen Systems. Atemgasproben von Patienten unter Narkose wurden über einen Ventilmechanismus in das Gerät geleitet, der bis zu 32 Räume nacheinander mit dem Massenspektrometer verband. Ein Computer steuerte alle Systemvorgänge. Die vom Massenspektrometer erfassten Daten wurden den einzelnen Räumen zur Nutzung durch den Anästhesisten übermittelt.

Die Einzigartigkeit dieses magnetischen Sektor-Massenspektrometers lag möglicherweise darin, dass eine Detektorebene, deren Detektoren jeweils so positioniert waren, dass sie alle in den Proben erwarteten Ionenspezies erfassten, es dem Gerät ermöglichte, gleichzeitig alle vom Patienten ausgeatmeten Gase zu messen. Obwohl der Massenbereich auf etwas über 120 u begrenzt war , machte die Fragmentierung einiger der schwereren Moleküle eine höhere Nachweisgrenze überflüssig. ^{[ 77 ]}

Die Hauptfunktion der Massenspektrometrie besteht in der chemischen Analyse mittels Detektion und Quantifizierung von Ionen anhand ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses. Sie bietet jedoch auch vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in der Materialforschung. ^{[ 59 ]} Die sanfte Ionenlandung zeichnet sich durch die Abscheidung intakter Ionen auf Oberflächen bei niedrigen kinetischen Energien aus, wodurch die Fragmentierung der auftreffenden Ionen verhindert wird. ^{[ 78 ]} Die sanfte Landung wurde erstmals 1977 für die Reaktion von schwefelhaltigen Ionen niedriger Energie auf einer Bleioberfläche beschrieben. ^{[ 79 ]}

Die meisten Massenspektrometer messen das Masse-Ladungs-Verhältnis; die tatsächliche Masse lässt sich nur bestimmen, wenn die Ladung bekannt ist. Bei kleineren Molekülen kann die Ladung aus dem Abstand der Isotopenpeaks ermittelt werden, aber bei sehr großen Biomolekülen und Partikeln (im Megadalton-Bereich) ist die Auflösung möglicherweise nicht ausreichend, um die Isotopenpeaks zu trennen, sodass die Masse nicht bestimmt werden kann. In der Ladungsdetektions-Massenspektrometrie (CDMS) wird die Ladung eines einzelnen Ions/Partikels direkt (zusammen mit seinem Masse-Ladungs-Verhältnis) gemessen, und somit ist die wahre Masse bekannt. Es handelt sich um eine Einzelpartikeltechnik, aber um präzisere und genauere Ergebnisse zu erzielen, können die Daten vieler einzeln gemessener Ionen kombiniert werden. ^{[ 80 ] [ 81 ]}

• Interaktives Tutorial zu Massenspektren, Nationales Hochfeldmagnetlabor
• Massenspektrometer-Simulation Eine interaktive Anwendung, die die Konsole eines Massenspektrometers simuliert
• Echtzeit-Massenspektren- Simulationstool zur Simulation von Massenspektren im Browser