Massenspektrometrie einfach erklärt: Aufbau und Spektrum

Mit der Massenspektrometrie wiegt man Moleküle, und zwar einzeln. Dazu macht man aus Molekülen geladene Teilchen, die Ionen, denn nur geladene Teilchen lassen sich mit elektrischen und magnetischen Feldern lenken. Das Gerät misst dann, wie viele Ionen mit welchem Verhältnis von Masse m zu Ladung z ankommen. Dieses Verhältnis heißt m/z. Meist tragen die Ionen eine einzige positive Ladung, dann entspricht m/z einfach der Masse in atomaren Masseneinheiten.

Das Ergebnis ist ein Massenspektrum: Auf der waagerechten Achse steht m/z, auf der senkrechten Achse die relative Häufigkeit der Ionen, der höchste Peak wird auf 100 Prozent gesetzt. Jede Verbindung hat ein charakteristisches Spektrum, ähnlich einem Fingerabdruck. Auch Isotope lassen sich unterscheiden, denn Atome mit mehr Neutronen sind schwerer. Genau so entdeckten Joseph John Thomson 1912 die beiden Neon-Isotope und Francis Aston ab 1919 viele weitere, wofür er 1922 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

Heute ist die Massenspektrometrie eine der wichtigsten Methoden der Analytik. Sie braucht nur winzige Probenmengen, ist sehr empfindlich und liefert Aussagen über Masse und Struktur gleichzeitig. Für die Schule genügt das Grundprinzip mit Elektronenstoß-Ionisation.

Ein Massenspektrometer besteht aus vier Teilen: Ionenquelle, Beschleunigung, Analysator und Detektor. Alles geschieht im Hochvakuum, denn sonst würden die Ionen mit Luftmolekülen zusammenstoßen. Zuerst wird die Probe verdampft. Die gasförmigen Moleküle treffen in der Ionenquelle auf einen Strahl energiereicher Elektronen, meist mit 70 Elektronenvolt. Ein Elektron wird aus dem Molekül herausgeschlagen: M ergibt M+ plus ein Elektron.

Ein elektrisches Feld beschleunigt die positiven Ionen auf hohe Geschwindigkeit. Im Analysator lenkt ein Magnetfeld sie auf eine Kreisbahn. Leichte Ionen werden stärker abgelenkt als schwere, bei gleicher Ladung. Bei einer bestimmten Feldstärke gelangt nur eine Sorte von Ionen durch den Spalt zum Detektor. Ändert man das Magnetfeld, werden nacheinander alle Massen erfasst. Moderne Geräte nutzen auch Quadrupole oder die Flugzeitmessung, das Prinzip bleibt gleich.

Am Detektor erzeugt jedes auftreffende Ion ein winziges Stromsignal. Ein Computer wandelt es in das Spektrum um. Oft schaltet man vorher eine Gaschromatographie oder Flüssigchromatographie vor, die das Gemisch trennt, sodass jeder Stoff einzeln gemessen wird. Das nennt man GC-MS oder LC-MS.

Der Peak mit dem größten m/z-Wert gehört meist zum unzerfallenen Molekülion M+. Seine Lage gibt die molare Masse der Verbindung an. Das ist die wichtigste Information. Der höchste Peak des ganzen Spektrums heißt Basispeak, er wird auf 100 Prozent gesetzt. Das muss nicht der Molekülionenpeak sein.

Das energiereiche Molekülion ist oft instabil und zerfällt in Bruchstücke, die Fragmente. Dabei entsteht aus M+ ein geladenes Fragment und ein ungeladenes Radikal. Nur das geladene Teilchen wird gemessen, das Radikal sieht der Detektor nicht. Aus den Abständen zwischen den Peaks kannst du auf abgespaltene Gruppen schließen: Eine Differenz von 15 bedeutet Abspaltung einer Methylgruppe CH3, 17 eine OH-Gruppe, 18 ein Wassermolekül, 29 eine Ethylgruppe oder CHO.

Schließlich liefert das Spektrum Hinweise auf Isotope. Kohlenstoff besteht zu etwa 1,1 Prozent aus dem schwereren C-13, deshalb gibt es neben M+ einen kleinen M+1-Peak. Besonders auffällig sind Chlor und Brom. Chlor kommt zu etwa drei Vierteln als Cl-35 und zu einem Viertel als Cl-37 vor, ergibt also zwei Peaks im Abstand 2 mit dem Verhältnis etwa 3 zu 1. Brom besteht fast je zur Hälfte aus Br-79 und Br-81, das ergibt zwei etwa gleich hohe Peaks.

Der erste Fehler ist die Annahme, der höchste Peak sei immer das Molekülion. Der höchste Peak ist der Basispeak, und der ist oft ein Fragment. Das Molekülion ist der Peak mit dem höchsten m/z-Wert, abgesehen von den kleinen Isotopenpeaks daneben. Bei instabilen Molekülen, etwa manchen Alkoholen, ist M+ sogar sehr klein oder gar nicht zu sehen.

Der zweite Fehler: Man berechnet die Masse mit den gemittelten Atommassen aus dem Periodensystem. Das Massenspektrometer misst aber einzelne Isotopenmassen. Für Chlor rechnet man deshalb mit 35 und 37, nicht mit 35,5. Wer 35,5 verwendet, findet im Spektrum keinen passenden Peak.

Der dritte Fehler betrifft Neutralteilchen: Nur geladene Teilchen erscheinen im Spektrum. Wird ein Bruchstück als Radikal abgespalten, fehlt es im Spektrum, man erkennt es nur an der Differenz. Und schließlich: Ein Peak entspricht nicht automatisch der Masse, wenn das Ion zweifach geladen ist. Bei z gleich 2 ist m/z nur die halbe Masse.

Die Massenspektrometrie begegnet dir häufiger, als du denkst. Bei der Dopingkontrolle von Sportlern wird eine Urinprobe mit GC-MS oder LC-MS untersucht, um verbotene Wirkstoffe schon in winzigen Mengen zu finden. Auch Wasserwerke und Umweltämter weisen so Spuren von Pestiziden, Medikamenten oder Mikroplastik im Wasser nach.

In der Medizin wird bei Neugeborenen ein Screening auf Stoffwechselkrankheiten durchgeführt, das auf der Massenspektrometrie beruht. Ein Tropfen Blut genügt. In der Lebensmittelkontrolle prüft man Rückstände und Verfälschungen, etwa bei Honig oder Olivenöl. Archäologen bestimmen das Alter organischer Funde mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie, bei der das seltene Kohlenstoff-Isotop C-14 gezählt wird.

Selbst Raumsonden tragen Massenspektrometer, um die Atmosphären und Böden fremder Himmelskörper zu untersuchen. Die Methode ist deshalb so vielseitig, weil sie fast jeden Stoff erfassen kann, solange er sich ionisieren lässt.