Bronkhorst

Massenspektrometrie und Massendurchflussregelung – eine nähere Betrachtung

23. Mai 2017 Rob ten Haaft
Massenspektrometer
Massenspektrometer

Seit vielen Jahren schon werden Massendurchflussmesser (MFMs) und Massendurchflussregler (MFCs) in der Analytik eingesetzt. MFCs und MFM kommen überall dort zum Einsatz, wo die Applikation einen kontinuierlichen Massenstrom erfordert, z.B. als Spülgas, Trägergas oder als mobile Phase in der Gaschromatographie (GC) oder Flüssigchromatographie (LC). Es gibt aber noch eine Vielzahl andere Anwendungen, wo MFMs und MFC in Analysegeräten zum Einsatz kommen. Selbst mit meiner langjährigen Erfahrung im Bereich Analytik sehe ich immer wieder neue Anwendungen.

In diesem Blog möchte ich mich heute auf die Massenspektrometrie (MS) konzentrieren. In der Massenspektroskopie werden chemische Bestandteile (Moleküle, Ionen) anhand Ihrer Masse aufgetrennt. Die Massenspektrometrie wird häufig mit anderen Analysemethoden kombiniert, z.B. in Kombination mit der Gaschromatographie als GC-MS oder der Flüssigchromatographie als LC-MS. Hier werden die Potenziale beider Techniken gekoppelt und es wird ein sehr viel genaueres Analysenergebnis erzielt als bei Verwendung der einzelnen Methoden.
 

Wo kommt die Massenspektrometrie zum Einsatz?

Der Markt für Massenspektrometrie ist sehr groß und wächst ständig weiter. Generell werden Massenspektrometer in der analytischen Forschung eingesetzt. In neuerer Zeit steigen die Anwendungen im Lebensmittelbereich, dies reicht z.B. von Forschungen für die Reifung von Whisky bis zum chemischen Fingerabdruck von Rotweinen zur Herkunftsbestimmung und vieles anders. Ein weiterer, stetig wachsender Bereich ist die biopharmazeutische Forschung, wo Proteine und deren Bildung in lebenden Organismen untersucht werden. Sogar in der Weltraumforschung finden sich Anwendungen, ein Massenspektrometer ist Bestandteil der Analyseausrüstung auf dem Mars Rover, der die Oberfläche und die Bodenbeschaffenheit auf dem Mars untersucht hat. Weitere Informationen zum Mars Rover finden Sie auf der Seite der NASA.
 

Was ist ein Massenspektrometer?

Ein Massenspektrometer wird oft mit einer Waage für Moleküle verglichen. Jedes Molekül ist aus Atomen aufgebaut und jedes Atom trägt eine bestimmte Atommasse. Diese Masse wird sozusagen mittels eines Massenspektrometers detektiert. Bevor die Masse aber bestimmt wird, müssen die einzelnen Bestandteile eines Moleküls voneinander separiert werden. Dabei wird ein Molekül nicht komplett in seine Bestandteile zerlegt, sondern zunächst in die Gasphase gebracht und ionisiert, also mit einer Ladung versehen. Anschließend werden diese Ionen dann in einem elektrischen Feld beschleunigt. In einem Magnetfeld werden die Ionen nun in Abhängigkeit von ihrem Verhältnis Masse zu Ladung (m/z - Verhältnis) abgelenkt. Je leichter ein Ion ist, desto stärker die Ablenkung im Magnetfeld und damit die Änderung der Flugbahn.

Der Detektor detektiert den Auftreffpunkt des Ions und dies ist ein Maß für das m/z-Verhältnis und damit letztendlich für die Masse des Ions. Der Ort, an dem die Ionisation stattfindet, wird als Ionenquelle bezeichnet. Es gibt viele verschiedene Arten von Ionenquellen, abhängig von der Matrix der Probe und von den Ionen, die gebildet werden sollen, kommen verschiedene Typen von Ionenquellen zum Einsatz. Der ionisierende Teil ist der interessanteste Teil aus der Sicht des Massendurchflusses, da in diesem Teil je nach Ionisationsmethode unterschiedliche Gase verwendet werden. 
 

Schema eines Massenspektrometers
Schema eines Massenspektrometers
Chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck
Chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck

Es gibt zwei Haupttechniken für die Ionisation: harte Ionisation und weiche Ionisation. Bei harten Ionisationstechniken werden die Moleküle in der Probe erhitzt und auf atomare Ebene in Fragmente zerlegt, die Informationen über den atomaren Aufbau des Moleküls geben. Bei weichen Ionisationstechniken bleibt das Molekül intakter (d.h. die resultierenden Fragmente sind deutlich größer) und es gibt Masseninformationen des Moleküls an. Grade bei größeren Molekülen erfreut sich die weiche Ionisation immer stärker werdender Beliebtheit, denn man bekommt hier viele Informationen über den Aufbau größerer Moleküle. Allerdings ist die Interpretation solcher Messdaten nicht einfach, da neben einer einfachen Ionisation auch die doppelte Ionisation vorkommt und je nach Molekül und Technik verschiedene Fragmente gebildet werden. Häufig wird die weiche Ionisation bei Biomolekülen, im Lebensmittel- und Pharmabereich eingesetzt. So können z.B. auch sehr große Moleküle wie Enzyme, Proteine, Wirkstoffe usw. untersucht werden und man bekommt viele Informationen über den inneren Aufbau. 

Lassen Sie uns einmal genauer auf eine der am häufigsten verwendeten Ionisationstechniken, die Elektrospray-Ionisation (ESI) schauen. Hier wird die flüssige Probe zunächst verdampft (z.B. kommend aus einem Flüssigchromatographen) durch eine Kapillare geleitet, an deren Spitze eine Spannung anliegt. Dazu wird ein Trägergas gemischt und so ein Aerosol mit gleichartig geladenen Teilchen in einem Lösemittel erzeugt. Je feiner das Aerosol, desto leichter wird die Probe verdampft. 

Über einen zweiten Gasstrom senkrecht zum Aerosol-Strom werden die Tröpfchen soweit wie möglich verdampft, so dass die Ladungen in den Tröpfchen anfangen sich gegenseitig so stark abzustoßen, dass sich zunächst kleinere Tröpfchen bilden (Coulomb-Explosion), bis irgendwann die Ionen in die Gasphase übergehen. Für den Mechanismus des Überganges der Ionen in die Gasphase gibt es verschiedene Theorien (Charge Residue Model, Ionen-Emissions-Modell). Die geladenen Ionen werden nun mittels einer Potentialdifferenz zwischen der Sprayer-Kapillare und einer Düse, die als Gegenelektrode fungiert, in das Massenspektrometer gelenkt. Dort werden die Ionen entsprechend ihres m/z-Verhältnisses abgelenkt und detektiert.

Electrospray Ionisierung (ESI)
Electrospray Ionisierung (ESI)

​Wie spielen Massendurchflussregelung und die Verdampfung in der Elektrospray-Ionenenquelle zusammen?

Es ist extrem wichtig, dass der die Strömung des Trägergases sehr konstant sein muss, damit die Bildung und Verdampfung der Tröpfchen immer gleich ist. Das ist so wichtig, weil sonst unterschiedliche Ionisationsprodukte gebildet werden können, die dann zu falschen Analyseergebnissen führen. Ein wichtiger Parameter in dieser Reproduzierbarkeit ist der Gasstrom. Durch die Verwendung von Massendurchflussreglern für das Trägergas (zur Bildung des Aerosols) und Verdampfungs- oder Trocknungsgas wird die Ionenquelle immer reproduzierbare Gasströme aufweisen. So bildet das gleiche Molekül immer die gleichen Fragmente und lässt sich so auch eindeutig identifizieren.
 

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