Tandem-Massenspektrometrie

Bei einer Massenspektrometrie wird stets das Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) bestimmt. Dafür müssen alle Teilchen zunächst ionisiert werden. Dabei existieren zwei Möglichkeiten:

• Bei "sanfter" Ionisierung liefert die Massenspektrometrie ein eindeutiges Isotopenmuster, sodass die Summenformel der zu untersuchenden Probe ermittelt werden kann. Die Struktur des Teilchens lässt sich damit jedoch nicht aufklären.
• Bei "radikaleren" Ionisierung kommt es leicht zu Fragmentierungen, sodass man ein Spektrum erhält, das reich an Fragment-Ionen-Peaks ist. Die einzelnen Fragmentierungswege, also welches Fragment-Ion von welchem Vorläufer-Ion stammt, lassen sich damit aber nicht aufklären.

In beiden Fällen kann anschließend eine weitergehende Analyse mittels Tandem-Massenspektrometrie erfolgen.

Das Prinzip der Tandem-Massenspektrometrie beruht auf zwei Analysatoren mit einer dazwischengeschalteten Reaktion. Im ersten Analysator werden die Ionen gescannt und selektiert. Dann durchlaufen die Teilchen eine Reaktion, deren Produkte im zweiten Analysator bestimmt werden. Im Prinzip handelt es sich also um mehrere hintereinander betriebene Funktionseinheiten.

Je nach Zielsetzung werden unterschiedliche Betriebsmodi eingesetzt. Als Analysatoren stehen time oft flight(TOF)-, Ionenfallen- und Quadrupol-Sensoren zur Verfügung, die ebenfalls problemorientiert eingesetzt und vielfältig kombiniert werden können. Folgende Schritte laufen bei einer Tandem-Massenspektrometrie hintereinander ab:^[1]

Probenverdampfung

Für die Analyse muss das Molekül bzw. die Substanz in die Gasphase überführt werden. Dies geschieht in der sogenannten Verdampfungskammer. Bei Temperaturen von bis zu 250 °C werden im Hochvakuum selbst schwerflüchtige Substanzen verdampft.

Ionisation

Neutrale Teilchen bewegen sich zufällig im Raum. Für eine Massenspektrometrie ist es aber nötig, das eine gerichtete Bewegung erfolgt. Dies wird durch Ionisation der Probe erreicht, denn geladene Teilchen lassen sich mithilfe eines elektrischen Feldes gezielt in eine Richtung bewegen. Zur Ionisation stehen mehrere Verfahren zur Auswahl. Je nachdem, wie empfindlich das zu analysierende Molekül ist, oder wie das Molekül analysiert werden soll, wird ein hartes oder weniger hartes Verfahren gewählt.

Zu den harten Verfahren gehören der Beschuss mit einem Elektronenstrahl (Elektronenstoß-Ionisation) und mit Edelgas-Atomen oder Alkalimetall-Kationen (Fast Atom Bombardment).

Weichere Verfahren umfassen die Zersprühung der Probe im elektrischen Feld (Elektronenspray-Ionisation) oder die Matrix unterstützte Laserdesorptions-Ionisation (MALDI). Vor allem bei der Analyse biologischer Moleküle kommen tendenziell weichere Verfahren zum Einsatz.^[2]

Ionenbeschleunigung

Auf die Ionisation folgt die Beschleunigung der Ionen durch ein elektrisches Feld in Richtung des ersten Analysators. Oft ist das elektrische Feld in die Ionisationskammer integriert, sodass Ionisation und Beschleunigung nahezu simultan erfolgen.

Analysator 1

Im ersten Analysator werden, abhängig vom gewünschten Ziel, die Ionen nach m/z (Masse-zu-Ladungsverhältnis) selektiert (Produkt-Ionen-Scan) oder es wird nur m/z bestimmt (Vorläufer-Ionen- und Neutral-Verlust-Scan).

Stoßkammer

Die Stoßkammer entspricht im einfachsten Fall einer mit Inertgas (z.B. Helium) gefüllten Röhre, durch die die Ionen fliegen. Aufgrund von Teilchenkollisionen fragmentieren die Ionen und gelangen als Fragment-Ionen in den zweiten Analysator.

Analysator 2

Im zweiten Analysator werden die in der Stoßkammer gebildeten Fragment-Ionen nach m/z analysiert. Damit lassen sich beispielsweise alle Produkte scannen und man erhält genauere Informationen über die Struktur des Moleküls (Produkt-Ionen-Scan). Wahlweise kann auch nur ein einzelnes Fragmention betrachtet werden, was eine sehr sensitive Analyse ermöglicht.

Ein einfaches Beispiel soll diesen Sachverhalt genauer erläutern: Durch eine Massenspektrometrie wurde die Summenformel C₂₀H₃₄O₈ erhalten. Die Recherche in einer Datenbank, zum Beispiel dem SciFinder, liefert 255 Ergebnisse. Um zu bestimmen, welche der 255 Ergebnisse dem untersuchten Molekül entspricht, wird ein Produkt-Ionen-Scan durchgeführt. Denn anhand der charakteristischen Fragment-Ionen lassen sich weitere Erkenntnisse ziehen, die zum gesuchten Molekül führen.^[3]

Auswertung

Die Messergebnisse werden in Form von sogenannten "Peaks" dargestellt. Jeder Peak entspricht einem Ion. Je häufiger das Ion in der Probe enthalten ist, desto stärker fällt der Peak aus. Das intakte Molekül-Ion erzeugt den Molekül-Ion-Peak, die Fragment-Ionen erzeugen die Fragment-Ionen-Peaks. So lässt sich ein für jedes Molekül charakteristisches Spektrum erzeugen, das man visuell mit Datenbanken abgleichen kann.

Die Tandem-Massenspektrometrie spielt eine herausragende Rolle in der instrumentellen Analytik und findet breite Verwendung in der Chemie, der Biochemie und der Medizin. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Medikamente oder Drogen in sehr geringen Konzentrationen nachweisen. Die Spurenanalytik wäre ohne Massenspektrometrie nicht möglich. Ferner kommt die Tandem-Massenspektrometrie zur Strukturanalyse von Makromolekülen, wie beispielsweise Proteinen, zum Einsatz.