N151 MS IonenquellenDetektoren B BA
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Instrumentelle Analytik Massenspektrometrie <strong>MS</strong> Seite<br />
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4.2.2 Ionenquellen<br />
Das Massenspektrum eines Moleküls hängt sehr stark von der Art der Fragmentierung und<br />
damit von der Art der Ionisierung ab.<br />
Elektronenstoß-Ionisation (EI)<br />
harte Ionisation, starke Fragmentierung<br />
Molekülpeak oft nicht zu registrieren<br />
Chemische Ionisation (CI)<br />
Elektrospray-Ionisation (ESI)<br />
weiche Ionisation<br />
Laser Desorption (MALDI)<br />
Fast atom bombardment (FAB)<br />
Ionisation nicht verdampfbarer Proben<br />
mittels Desorption<br />
Die beiden neueren Verfahren ESI und MALDI sind die wichtigsten Verfahren in der Untersuchung von<br />
großen Biomolekülen in der Proteinanalytik und Sequenzierung von Peptiden.<br />
4.2.2.1 Harte Ionisation<br />
(Elektronenstoß-Ionisation EI )<br />
Wichtigste und am häufigsten verwendete Methode für flüchtige Analyten mit m < 1000 amu<br />
Prinzip: Die Ionisation erfolgt durch den Beschuss der gasförmigen Moleküle mit thermischen<br />
Elektronen hoher Energie bei stark vermindertem Druck (ca.10 −5 mbar).<br />
Als Elektronenquelle dient eine Glühkathode aus Wolfram oder Rhenium.<br />
Beschleunigungs<br />
Spannung 1-10 kV<br />
Abb.: Schema einer Ionenquelle mit Elektronenstoßionisation<br />
Abb.: Ionenausbeute als Funktion der<br />
Primärenergie der Elektronen<br />
Standard-Elektronenenergie: 70 eV<br />
• Ionenausbeute gering (ca. 10 -5 )<br />
• reproduzierbare Fragmentierung<br />
Ionisierungspotential<br />
ca. 7-14 eV
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Mechanismus der Ionisierung und Fragmentierung bei der EI<br />
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1) M + e - → M +• + 2e - Primärionisation der Analytmoleküle zu Radikalkationen<br />
mit hoher Überschussenergie (Elektron wird entfernt, bevorzugt<br />
eines der freien Elektronenpaare bei vorhandenen Heteroatomen<br />
oder einer Doppelbindung).<br />
M + e - → M -•<br />
Elektroneneinfang mit Bildung negativer Ionen<br />
(sehr selten: M + /M - = 1/1000)<br />
Überschussenergie von ca. 10 eV in M +• (Schwingungs-<br />
Rotationsanregung) führt zur gewünschten Fragmentierung.<br />
(Spaltung einer C-C Bindung benötigt nur ca. 2 eV)<br />
2) Innerhalb einiger µs zerfallen die hochangeregten Molekülionen in Primärfragmente..<br />
Zwei Möglichkeiten: - Molekül-Radikalkation zerfällt in Molekülkation + Neutralradikal<br />
- Molekül-Radikalkation zerfällt in Radikalkation + Neutralmolekül<br />
M +• → A + + B •<br />
M +• → A • + B +<br />
Fragmentierung in Kation und Neutralradikal<br />
M +• → C +• + D Fragmentierung in Radikalkation plus Neutralteilchen<br />
3) Die Primärfragmente haben meist noch genügend innere Energie, um weiter zu zerfallen.<br />
In einer Kette von mitunter sehr komplexen Fragmentierungs- und Umordnungsreaktionen<br />
entstehen so weitere Fragmente.<br />
Abb.: Schematischer Fragmentierungsmechanismus eines org. Moleküls bei der EI
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Wichtige Fragmentierungsreaktionen<br />
Terminologie / Symbolik<br />
Molekülkation: M + , M +• , [M] +• , M ┐+•<br />
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Fragmentbildung:<br />
• Homolyse: Bindungsbruch durch Wanderung des Elektrons<br />
Zeichen: ;<br />
• Heterolyse: Bindungsbruch durch Wanderung eines Elektronenpaares<br />
Zeichen: ;<br />
• keine Aussage<br />
über Mechanismus<br />
Beispiel: Allylspaltung<br />
1) Primärionisation<br />
2) Homolyse<br />
Spaltung geht von<br />
der Radikalstelle<br />
aus<br />
2’) Heterolyse<br />
Spaltung geht von<br />
der Ladung aus
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1) Allylspaltung<br />
Leichte Spaltung einer Bindung in Nachbarschaft zu einer Doppelbindung (Allylstellung).<br />
2) Benzylspaltung<br />
Benzylfragment bildet sich besonders leicht, wenn die Probe eine Benzylgruppe enthält.<br />
Fragment stabilisiert sich durch Umlagerung in Tropylium-Kation.<br />
3) Alkylspaltung<br />
Die Stabilität von Carbokationen nimmt in der Reihe CH + 3 < RCH + 2 < R 2 CH + < R 3 C + zu.<br />
Die Spaltung an Verzweigungspunkten der Kohlenstoffkette ist daher am wahrscheinlichsten.<br />
Die positive Ladung verbleibt bevorzugt am höchstsubstituierten C-Atom<br />
4) α-Spaltung<br />
Die C-Bindung in α-Stellung (eine Bindung Abstand) zu Heteroatomen wird gespalten.<br />
Grund: freie Elektronenpaare des Heteroatoms stabilisieren die positive Ladung des Radikalions.<br />
α-Spaltungen treten mit großer Wahrscheinlichkeit in Carbonylverbindungen, Ethern, und in<br />
Nachbarschaft zu OH-, SH- und Aminogruppen auf.<br />
5) Decarbonylierung<br />
Kationen, die durch α-Spaltung aus einer Carbonylgruppe entstanden sind, spalten sehr<br />
leicht ein CO-Neutral-Molekül ab.
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Wichtige Umlagerungsreaktionen<br />
6) Onium-Reaktion<br />
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Folgereaktion der bei der α-Spaltung gebildeten Ammonium-, Oxonium-, Sulfonium-, etc. Ionen.<br />
Dabei wird ein H-Atom aus dem an das Heteroatom gebundenen Rest, unter Abspaltung dieses<br />
Restes auf das Heteroatom übertragen.<br />
7) Retro-Diehls-Adler-Reaktion<br />
Ein Sechsring (Cyclohexen) mit einer Doppelbindung zerfällt in ein Dien und in ein Dienophil.<br />
(Umkehrung der Diels-Alder-Reaktion)<br />
8) McLafferty-Umlagerung<br />
Ein H-Atom wird über einen “Sechsring-Übergangszustand“ auf eine Doppelbindung übertragen.<br />
Gleichzeitig wird ein (substituiertes) Ethenmolekül abgespalten.<br />
Zusammenfassung:<br />
• Eine Fragmentierung ist immer dann günstig, wenn das entstehende Radikal bzw. Kation stabil ist.<br />
• Die Abspaltung eines neutralen Moleküls (z.B. CO, C 2 H 4 ) ist günstig.<br />
• Besonders bevorzugt sind Spaltungen neben mesomeren Systemen im Molekül (Benzyl-, Allyl-).<br />
• Ebenso bevorzugt sind Spaltungen neben Heteroatomen (O, N, S ), insbesondere in α-Stellung.<br />
Dabei wird meist der schwerere Substituent eliminiert.<br />
• Gesättigte Kohlenwasserstoffe werden besonders an Verzweigungen des Gerüsts gespalten (Alkyl-).<br />
• Bei Cyclohexan-verwandten Verbindungen (Sechsring mit einer Doppelbindung) ist eine<br />
Retro-Diels-Alder-Reaktion möglich.<br />
• Eine McLafferty Umlagerung ist bei allen Verbindungen möglich, bei denen ein H-Atom über<br />
einen Sechsring-Übergangszustand an eine Doppelbindung übertragen werden kann.
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Beispielspektren zur Fragmentierung<br />
(Elektronenstoßionisation)<br />
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Das Tropylium spaltet weiter ein Ethin (C 2 H 2 )<br />
ab und wird zum Cyclopentadienyl (m/z = 65).<br />
Ebenso spaltet der Benzolring (m/z = 77)<br />
weiter ein neutrales Ethinmolekül ab.
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4.2.2.2 Weiche (sanfte) Ionisation<br />
Mit weichen Ionisierungsmethoden wird weniger Energie auf die Moleküle übertragen.<br />
⇒ Moleküle fragmentieren nicht so schnell und der Molpeak kann registriert werden.<br />
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1) Chemische Ionisation (CI)<br />
Methode der Wahl bei flüchtigen Substanzen, die keinen Molpeak zeigen (m bis 1000 amu).<br />
Prinzip: In die Ionisierungskammer wird zusätzlich ein “Reaktandgas“ (meist Methan, Isobutan oder<br />
Ammoniak) im Überschuss eingeleitet. Die Elektronen stoßen dann hauptsächlich mit dem Reaktandgas<br />
zusammen. Diese aktivierten Reaktandgasionen können dann mit den eigentlichen Probemolekülen<br />
reagieren (Protonierung des Analyten bei Stoßwechselwirkung).<br />
Die dampfförmige Probe strömt<br />
senkrecht zur Bildebene in die<br />
Ionenquelle<br />
Reaktionen in der Ionenquelle<br />
Primär: CH 4 + e- → CH +• 4 + 2e - Ionisation des Reaktandgases<br />
CH 4 + e - → CH + 3 + H • + 2e - (z.B. Methan)<br />
CH 4 + e - → CH +• 2 + H 2 + 2e -<br />
CH +• 4 + CH 4 → CH + •<br />
5 + CH 3 Sekundärionen durch H-Transfer<br />
CH + 3 + CH 4 → C 2 H + 5 + H 2<br />
CH +•<br />
2 + 2CH 4 → C 3 H + 5 + 2H 2 + H •<br />
Unter einem Druck von 1 hPa des Reaktandgases werden also hauptsächlich folgende Ionen gebildet:<br />
CH + +<br />
5 , C 2 H 5 , C 3 H + 5 (Massenzahlen 17, 29 und 41), die dann mit den Analytmolekülen reagieren und<br />
auch im Spektrum als Peaks erscheinen.<br />
Sekundär: Protonentransfer:<br />
CH + 5 + M → CH 4 + [M+H] + stabiles Quasimolekül: M → M + 1<br />
C 2 H + 5 + M → C 2 H 4 + [M+H] + Masse: M → M + 1<br />
Alkyladdition :<br />
C 2 H + 5<br />
+<br />
+ M → (M)⋅C 2 H 5<br />
C 3 H + 5<br />
+<br />
+ M → (M)⋅C 3 H 5<br />
Masse: M → M + 29<br />
Masse: M → M + 41<br />
Hydridabspaltung :<br />
CH 5 + + M → CH 4 + H 2 + [M-H] + Masse: M → M - 1<br />
C 2 H 5 + + M → C 2 H 5 + [M-H] + Masse: M → M - 1
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Abb.: Kombinierte Chemische Ionisations- und Elektronenstoß-Ionisations-Quelle<br />
Der Elektronenstrahl verläuft senkrecht zur Bildebene.<br />
2) Atmosphärendruck Chemische Ionisation (APCI)<br />
(atmospheric pressure chemical ionisation)<br />
Thermospray -Ionenquelle zur LC/<strong>MS</strong>-Kopplung<br />
Heizung<br />
(200-600 °C)<br />
“Stickstoffvorhang“<br />
Skimmer<br />
Einlass<br />
0.2-2 ml/min<br />
zum Massenanalysator<br />
Durchmesser 100µm<br />
Zerstäubergas (N 2 )<br />
Make-up-Gas (H 2 O ..)<br />
Korona-Entlading<br />
(1 - 2 kV)<br />
Vakuumpumpe<br />
1. Mechanismus (chemische Ionisation)<br />
• Die Probenlösung wird zerstäubt und in einer beheizten Röhre verdampft.<br />
• Eine Korona-Entladung durch ein extrem inhomogenes Feld an der Spitze einer Nadel<br />
erzeugt (unmittelbar vor dem Probeneinlass des <strong>MS</strong>) hochenergetische Primärelektronen.
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• Die freigesetzten Elektronen setzen eine Kette von Reaktionen in Gang, bei der letztlich<br />
positive Analytionen erzeugt werden.<br />
Fragmentierung spielt kein Rolle.<br />
N 2 + e - → N +• 2 + 2e -<br />
N +• 2 + 2N 2 → N +• 4 + N 2<br />
N +• 4 + H 2 O → H 2 O +• +2N 2<br />
H 2 O +• + H 2 O → H 3 O + + OH⋅(H 2 O) n<br />
H 3 O + + M → [M+H] + + H 2 O<br />
(Bildung von Quasimolekülion<br />
durch Protontransfer)<br />
2. Mechanismus (Ladungsrückstand-Ionisation)<br />
Die Elektronen aus der Korona-Entladung wechselwirken mit den Molekülen des Lösungsmittels,<br />
des Make-up-Gases (H 2 O, NH 3 , ..) und den Probenmolekülen.<br />
Reaktion: Tropfen → Mikrotropfen → Cluster → Analytion (siehe Skizze)<br />
• Da die Prozesse bei Atmosphärendruck ablaufen, finden genügend viele Wechselwirkungen<br />
mit Probenmolekülen statt, um ausreichend viele Ionen zu erzeugen.<br />
• Fragmentierungen spielen nur eine untergeordnete Rolle.<br />
• APCI-Techniken sind sanfte Ionisationsprozesse und sehr gut geeignet für die Analyse<br />
polarer und nichtpolarer sowie labi1er Komponenten mittlerer Molmasse.<br />
Es können fast alle pharmazeutischen Verbindungen analysiert werden.<br />
Die Methode ist auch gut geeignet zur Spurenanalytik von Luftschadstoffen.
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3) Elektrospray Ionisation (ESI)<br />
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Beim ESI-Vefahren wird eine Lösung des Analyten (10 -3 bis 10 -5 mol/l) bei Atmosphärendruck aus<br />
einer Kapillare in ein starkes elektrisches Feld versprüht. Dabei erfolgt eine pos. Ladungsübertragung.<br />
Je nach Spraykapillare und Flussrate unterscheidet man:<br />
mikro-ESI: Versprühung an einer Stahlkapillare (Ø ca. 0,1 mm) mit Flussraten von 1-5 µg/min.<br />
Oft direkte Kopplung zu HPLC. Pumpe erforderlich.<br />
nano-ESI:<br />
Versprühung aus ausgezogenen Glaskapillaren (Ø ca. 1µm) mit Flussraten von<br />
ca. 20 nl/min. Keine Pumpe erforderlich.<br />
Aufbau einer ESI Quelle<br />
Da die Versprühung unter Normaldruckbedingungen erfolgt ist der Transfer des Analyten<br />
zum Hochvakuum des Massenspektrometers auch hier sehr aufwendig.<br />
• Rasche und feine Zerstäubung der an der Kaplillarspitze austretenden Lösung in hoch<br />
geladene Initial-Tröpfchen aufgrund der hohen Feldstärke an der Spitze.<br />
• Transfer der geladenen Tröpfen über eine geheizte Transferkapillare (Ø 100-500 µm)<br />
zur Vorvakuumstufe.<br />
• Aufheizung der Tröpfchen und Desolvatisierung in der Vorvakuum- und der nachfolgenden<br />
Hochvakuumstufe.<br />
• Beim Erreichen der Öffnung zum Massenanalysator haben sich durch vollständige Desolvatisierung<br />
freie Ionen gebildet. Die Effizienz der Ionenbildung (0,01 bis 0,1 vergl. EI 0,00001) wird zusätzlich<br />
erhöht, wenn gegen den Spraystrom ein Stickstoffstrom fließt.<br />
Mechanismus der Ionenfreisetzung<br />
• An der Kapillarspitze wird die Flüssigkeitsoberfläche mit positiven Ladungsträgern angereichert.<br />
Die Ladungen werden zur negativen Gegenelektrode gezogen und bilden dabei den sog.<br />
Taylor Konus, der aus der Balance zwischen elektr. Feld und Oberflächenspannung resultiert.<br />
• Ab einer gewissen Distanz erfolgt eine Destabilisierung und es werden Tropfen mit Durchmessern<br />
von ca. 2-10 µm und positiver Überschussladung in einem stabilen Spray emittiert.<br />
• Das Lösungsmittel in den Tropfen verdampft und die Tröpfchen schrumpfen.<br />
• Die Oberflächenladungsdichte nimmt zu. Bei Erreichen einer kritische Größe bilden sich<br />
Ausstülpungen und es werden viele kleine Tröpfen freigesetzt, die nur ca. 2% der Masse,<br />
aber ca. 15% der Ladung des Muttertropfens tragen.
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• Der Vorgang wiederholt sich bis schließlich nur noch einzelne Tropfen von ca. 1 nm Ø vorliegen,<br />
die das Analytmolekül in einer Solvathülle enthalten.<br />
• Ist das Lösungsmittel schließlich ganz verdampft, bleiben Ionen mit einer großen Anzahl von<br />
Ladungen übrig. Für Protein-Ionen gilt grob: eine Ladung/1000 amu.<br />
Leistungsmerkmale der ESI<br />
Besonderheit der ESI: Bildung mehrfach geladener Ionen bei M > 1000 Da.<br />
• Es können alle herkömmlichen Analysatoren verwendet werden.<br />
• Massenspektrometer mit geringem m/z-Verhältnis (einige 1000) können benutzt werden, um<br />
Moleküle mit Molgewichten über 100000 zu bestimmen. Warum?<br />
• Viele Signale zu einem Molekülion (mit verschiedenen Ladungen) tragen zur Verbesserung<br />
der Genauigkeit und Verlässlichkeit der Methode bei.<br />
Beispiel: ESI-Spektrum einer unbekannten Substanz mit Molekülgewicht M
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Das Signal bei m 1 (m/z = 1274.4) trägt z Ladungen (oder genauer gesagt ist z-fach protoniert).<br />
Daraus folgt also:<br />
M + z<br />
m1 =<br />
⇒ M = m 1 z − z<br />
z<br />
Das Signal bei m 2 (m/z = 991.4) trägt 4 Ladungen mehr (4 Protonen mehr).<br />
Daraus folgt:<br />
M + ( z + 4)<br />
m 2 =<br />
z + 4<br />
⇒ M = m ( z + 4) − z 4<br />
2 −<br />
m z − z = m z + 4) − z 4 ⇒ z =13 ,9986 = 14<br />
1 2 ( −<br />
M = m1 z − 4 = 1274,4⋅14<br />
−14<br />
= 17828<br />
4.2.2.3 Ionisation nicht verdampfbarer Proben<br />
(Bombardierungs-Ionisierungen; Desorptionsmethoden)<br />
Mit der Entwicklung der Bombardisierungs-Ionisation (ca. 1980) ergab sich eine grundsätzliche<br />
Erweiterung der Anwendbarkeit der Massenspektrometrie. Mit diesen “Desorptionsmethoden“ war es<br />
nun möglich, gasförmige Ionen von nichtflüchtigen, hochmolekularen Makromolekülen zu analysieren.<br />
Verfahren: FAB (Fast Atom Bombardment)<br />
MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorptuion Ionisation)<br />
FIB/SI<strong>MS</strong> (Fast Ion Bombardment = Secondary Ion Mass Spectrometry)<br />
1) Fast Atom Bombardment (FAB)<br />
Prinzip (Barber 1980):<br />
• Die Probe wird in einer schwer flüchtigen, flüssigen Matrix (meist Glyzerin) molekular gelöst<br />
und auf dem FAB-Target (Metallträger) in die Ionenquelle gebracht.<br />
• Beschuss der Probe mit neutralen Atomen (Ar, Xe) führt zur Desorption und Ionisation<br />
der Probe (z.B. Peptide , Nucleotide).<br />
Die keV-Primärteilchen werden durch<br />
Ladungsaustausch in der FAB-Kanone<br />
erzeugt.<br />
Xe + e - → Xe + + 2e -<br />
Xe + → Beschleunigung → Xe + schnell<br />
Xe + schnell +Xe → Xe schnell + Xe +<br />
• Es entsteht ein kontinuierlicher, relativ<br />
intensiver Ionenstrom, weil die vom<br />
Primärstrahl zerstäubte Oberfläche<br />
des Matrixtropfens durch Nachfließen<br />
ständig erneuert wird.<br />
Abb.: Schema einer FAB-Ionenquelle ("Fast Atom Bombardment")
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Mechanismus der Desorption und Ionisation:<br />
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• Beim Eindringen in die flüssige Matrix geben die keV-Primärpartikel in einer Stoßkaskade ihre<br />
kinetische Energie ab, wobei sich bis zu 150 Å tiefe Krater in der Tropfenoberfläche bilden.<br />
Pro Primärpartikel werden innerhalb von ca. 10 -10 s ca. 1000 Matrixmoleküle mit den darin<br />
gelösten Analytmolekülen desorbiert (impact cavities).<br />
Die kinetische Energie des auftreffenden Primärteilchens führt so zu einer kurzzeitigen<br />
thermischen Überhitzung (thermal spike)<br />
• In der Folge bildet sich ein Übergangsbereich zwischen flüssiger Matrix und dem Vakuum<br />
(selvedge region), in dem ein hoher Druck (Aufheizen) und eine hohe Teilchendichte vorliegt 1 .<br />
• Nachfolgend sinkt die innere Energie der thermisch angeregten Moleküle stark, da die<br />
Ausdehnungsarbeit bei der Expansion ins Vakuum aus dem Reservoir der Inneren Energie<br />
der Analytmoleküle aufgebracht wird (intermolekulare Wechselwirkungsenergie).<br />
• Die desorbierten Analytmoleküle kühlen bei der weiteren Expansion stark ab.<br />
Es verbleibt damit wenig Überschussenergie bei den generierten Ionen, so dass nur<br />
Quasimolekül-Kationen ([M+H] + , [M+Na] + etc.) auftreten.<br />
Fragmentierungen spielen wegen der geringen Überschussenergie keine Rolle.<br />
heiße<br />
Stoßkaskade<br />
Abb.: Vorgänge bei verschiedenen Desorptionsmethoden (FAB, MALDI, FIB/SI<strong>MS</strong>)<br />
Kennzeichen von FAB-Spektren<br />
• FAB-<strong>MS</strong>-Spektren zeigen einen für die Matrix charakteristischen Hintergrund,<br />
z.B. Ionenserien des Gycerins: [(Gly)n+H] + , n = 1-15.<br />
• mehrfach geladene Ionen werden bei FAB-<strong>MS</strong> selten beobachtet.<br />
1 Die Ausdehnung von der flüssigen Phase in das Vakuum erfolgt ähnlich wie die Ausbreitung der Stosswelle<br />
bei einem Überschallstrahl (supersonic jet).
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2) Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation (MALDI)<br />
Sanfte Ionisierung sehr schwerer Moleküle (m bis 500000 amu)<br />
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Prinzip (Hillenkamp und Kara, Münster 1987)<br />
• Die zu untersuchende Probe wird mit einer konzentrierten Lösung der Matrix gemischt und<br />
auf einem metallischen Probenhalter getrocknet.<br />
Beim Trocknen werden die gelösten Analytmoleküle in die kristallisierende Matrix eingebaut.<br />
• Nach der Überführung ins Vakuum wird die feste Matrix/Analyt-Mischung mit kurzen Laserimpulsen<br />
(0,5 - 20 ns UV, 5 - 200 ns IR) beschossen, wobei gasförmige Ionen freigesetzt werden.<br />
Mechanismus der Desorption/Ionisation:<br />
• Mechanismus ähnlich wie bei der FAB aber keine Erneuerung der Matrixoberfläche.<br />
• Bei der Verwendung von UV-Lasern (meist N 2 -Laser 337 nm oder Nd:YAG-Laser 266/355 nm)<br />
erfolgt Resonanzanregung der Elektronen des aromatischen Systems der Matrixmoleküle.<br />
• Die Energie relaxiert innerhalb von ps in Schwingungszustände (IC).<br />
Dabei erfolgt auch ein Energieübertrag auf die Analytmoleküle (rapid heating).<br />
• Das ultraschnelle Aufheizen führt dazu, dass die mit der Fragmentierung (Spaltung)<br />
der Analytmoleküle konkurrierende Verdampfung überwiegt.<br />
• Neben einem unerwünschten Matrixuntergrund entstehen überwiegend Molekülionen<br />
und Quasimolekül-Ionen (meist protoniert oder deprotoniert) der Form:<br />
[nM ± mY] k±<br />
z.B. [M] + , [M+H] + , [M-H] + , [2M+H] + , [M+2H] + , [M+H] 2+ , etc.<br />
Funktion der Matrix beim MALDI-Prozess<br />
• Die Matrix isoliert die Analytmoleküle voneinander und schützt sie vor zu hoher Laserenergie.<br />
Die Analytmoleküle sollen bei der Laserwellenlänge nicht absorbieren!<br />
• Die Matrixsubstanz stellt die zur Desorption der Analytmoleküle notwendige Energie zur<br />
Verfügung und liefert Protonen oder abstrahiert diese zur Ionisation des Analyten.<br />
Protonenübergang<br />
Abb.: Prinzip des MALDI-Prozesses (Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionisation)
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Wichtige Matrixsubstanzen<br />
<strong>N151</strong>_<strong>MS</strong>_<strong>IonenquellenDetektoren</strong>_b_<strong>BA</strong>.doc - 15/18<br />
Matrixmoleküle für die UV-Laseranregung müssen eine chromophore Gruppe im UV-Bereich<br />
besitzen, z.B. aromatische Systeme.<br />
Nikotinsäure<br />
DHB: 2,5 Dihydroxybenzoesäure<br />
Super-DHB: (2-Hydroxy-5-methoxybenzoesäure)<br />
MALDI-TOF<br />
MALDI wird üblicherweise in Kombination mit TOF durchgeführt.<br />
Verbesserte Auflösung und Massenbereich<br />
durch “verzögerte Extraktion”<br />
(Delayed Extraction) der Ionen<br />
(DE-MALDI-TOF).<br />
Abb.: Prinzip der verzögerten Ionenextraktion beim linearen TOF (DE-MALDI-TOF)<br />
• Zur Zeit t = 0 werden die Analytmoleküle durch Laserbeschuss vom Probenträger freigesetzt,<br />
besitzen aber unterschiedliche Geschwindigkeiten.<br />
• Nach der Zeit t = t 1 wird das Beschleunigungspotential zwischen Probenteller und<br />
Beschleunigungsgitter angelegt.<br />
⇒ ursprünglich schnelle Ionen befinden sich näher am Gitter und durchlaufen daher ein<br />
geringeres Potentialgefälle bei geringerer Feldstärke.<br />
⇒ Fokussierung
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4.2.3 Detektoren<br />
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Umwandlung des Ionenstromes nach dem Massenanalysator in einen elektrisch messbaren Strom.<br />
Ionenstrom: 10 -9 bis 10 -18 A : ⇒ großer Dynamikbereich erforderlich<br />
⇒ Verstärkungsfaktor 10 6 - 10 8 notwendig<br />
Gebräuchliche Verfahren:<br />
• Faraday Becher (faraday cup FC): Ionen fallen auf einen “Auffänger” und geben ihre Ladung<br />
an diesen ab. Der Entladungsstrom wird elektrisch verstärkt.<br />
• Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV): Elektronen lösen Sekundärelektronen aus, die<br />
kaskadenartig verstärkt werden.<br />
• Micro-Channel-Plate (MCP):<br />
Zweidimensionale Anordnung von vielen mikroskopischen SEV-Einheiten.<br />
4.2.3.1 Faraday Becher<br />
Der Faraday-Becher wird zum direkten Auffangen der Ionen verwendet. Ein angeschlossenes Elektrometer<br />
misst damit direkt die Ladung der Ionen.<br />
• Ionen aus dem Massenanalysator werden direkt in<br />
elektrischen Strom umgewandelt.<br />
• Neutralisierung der Ladungen unabhängig von<br />
Masse und Energie<br />
Nachteile:<br />
• mittlere Empfindlichkeit (10 -14 A)<br />
• geringe Zeitauflösung (ms)<br />
4.2.3.2 Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV)<br />
SEVs sind ähnlich konstruiert wie Photomultiplier. Sie bestehen aus einer Kaskade von Dynoden, die<br />
durch einen Lawineneffekt der Sekundärelektronen die eintreffende Ladung der Ionen verstärken.<br />
• Auf die Konversionsdynode (1) auftreffende<br />
Ionen erzeugen Elektronen<br />
• Elektronenvervielfachung in einer Reihe<br />
weiterer Dynoden (2...11)<br />
• An der Anode (A) wird der Elektronenstrom<br />
(Verstärkung bis 10 8 ) aufgefangen<br />
• Zeitauflösung: ca. 10 -8 s<br />
Nachweisgrenze: 1 Ion/ 10 s<br />
Nachteile:<br />
• Vervielfachung ist abhängig von<br />
- Ionenmasse,<br />
- Ionenart,<br />
- Ionenenergie,<br />
- Zustand der Dynodenoberfläche
Instrumentelle Analytik Massenspektrometrie <strong>MS</strong> Seite<br />
Dynolyte Photomultiplier (Gekapselter SEV)<br />
<strong>N151</strong>_<strong>MS</strong>_<strong>IonenquellenDetektoren</strong>_b_<strong>BA</strong>.doc - 17/18<br />
Ein sog. Dynolyte Photomultiplier arbeitet mit einem versiegelten SEV und kann deshalb nicht<br />
mit Ionen kontaminiert werden.<br />
• Ionen aus dem Massenspektrometer werden an der Konversionsdynode in Elektronen konvertiert.<br />
• Diese Elektronen werden beschleunigt und treffen auf einen Phosphor unmittelbar vor<br />
einem Photomultilpier.<br />
• Die Photonen aus dem Phosphor treffen auf die Photokathode und lösen Elektronen aus.<br />
• Verstärkung des Elektronenstromes in der nachfolgenden Dynodenkaskade.<br />
Konversions-<br />
Dynode (± 2 kV)<br />
Elektronen<br />
Licht<br />
Photoelektronen<br />
Ionen<br />
Elektronenabweisgitter<br />
Phosphor<br />
(+ 6..10 kV)<br />
Photomultiplier<br />
Abb.: Schema eines hochempfindlichen Ionendetektors (Dynolyte)<br />
Channeltron (Channel Electron Multilier CEM “Posthorn“-Detektor)<br />
Ein Channeltron ist eine hornförmige Dynoden-Struktur die im Inneren mit einer Elektronenemittierenden<br />
Schicht (z.B. Antimon) überzogen ist.<br />
• Ionen aus dem Massenspektrometer werden so abgelenkt, dass sie beim Auftreffen auf die<br />
Widerstandsschicht Elektronen freisetzen.<br />
• Die hornförmige Bauweise ergibt eine kontinuierlich arbeitende Dynode.<br />
Der Potentialabfall entlang der Widerstandsschicht beschleunigt die Sekundärelektronen,<br />
welche durch einen Lawineneffekt vervielfacht werden.<br />
• Nachweis von einzelnen Ionen möglich.<br />
Abb.: Schema einer kontinuierlich arbeitenden Dynode (Channeltron)
Instrumentelle Analytik Massenspektrometrie <strong>MS</strong> Seite<br />
<strong>N151</strong>_<strong>MS</strong>_<strong>IonenquellenDetektoren</strong>_b_<strong>BA</strong>.doc - 18/18<br />
4.2.3.3 Microchannel-Plate (MCP)<br />
Ein Channelplate ist eine zweidimensionale Elektronenverstärkungseinheit, die aus mehreren Millionen<br />
einzelnen Channeltrons (Innendurchmesser ca. 10 µm, Länge ca. 0,5 mm) besteht,<br />
welche innen mit einer Elektronen-emittierenden Schicht überzogen sind.<br />
• An die Channeltron-Kapillaren wird eine hohe Spannung (einige kV) angelegt, so dass die<br />
Sekundärelektronen beschleunigt und vervielfacht werden.<br />
• Die Anode (oder ein nachgeschalteter Phosphorschirm) kann ortsauflösend ausgelesen werden.<br />
• Durch den kurzen Weg der Elektronen von der Kathode zur Anode werden Zeitauflösungen<br />
im 100 ps-Bereich erzielt.<br />
• hohe Empfindlichkeit bzw. Verstärkung: (50 mV/ Ion)<br />
ortsabhängige Detektion möglich (z.B. bei Sektorfeldgeräten Erhöhung der Auflösung)<br />
Nachweis von einzelnen Ionen möglich.<br />
Abb.: Einzelansicht einer Kapillare einer Microchannel-Plate<br />
Abb.: Querschnitt und Schema einer Microchannel-Plate (MCP)