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Die Massenspektrometrie ist eine Analysetechnik, die die Identifizierung und Quantifizierung unbekannter Verbindungen innerhalb einer Probe und die Bestimmung ihrer Struktur ermöglicht.
Bei der Massenspektrometrie werden Gasphasen-Ionen aus den Atomen oder Molekülen einer Probe erzeugt. Die Ionen werden dann anhand ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses, symbolisiert durch m/z, getrennt.
Diese Trennung ermöglicht die Bestimmung quantitativer und qualitativer Informationen über eine Probe, wie z. B. ihre Masse und Struktur.
In diesem Video werden die grundlegenden Konzepte und Instrumente der Massenspektrometrie vorgestellt und ihre Verwendung bei der Elementquantifizierung demonstriert.
Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionisationsquelle, einem Massenanalysator und einem Detektor. An der Ionisationsquelle werden die Verbindungen ionisiert, in der Regel zu einer einzigen positiven Ladung.
Ionen können mit verschiedenen Techniken erzeugt werden, z. B. durch Aufprall mit einem Elektronenstrahl, Plasma oder Lasern, die jeweils zu einer Reihe von Fragmentierungen führen, die bei der Bestimmung der Molekülstruktur hilfreich sind. Diese Methoden werden grob in "harte" und "weiche" Ionisation unterteilt.
Harte Ionisationstechniken führen zu einer starken Fragmentierung, was zu mehr Fragmenten mit geringerer Masse führt.
Weiche Ionisationstechniken führen zu einer geringeren oder fast keiner Fragmentierung bei einem hohen Molekularmassenbereich.
Ist die Fragmentierung zu groß, können wertvolle Strukturinformationen verloren gehen. Wenn es zu wenig ist, werden kleine Moleküle nicht effizient ionisiert. Die Auswahl eines Ionisationsverfahrens hängt also vom interessierenden Analyten und dem gewünschten Fragmentierungsgrad ab.
Die Ionen werden dann in einem elektrischen Feld beschleunigt, wenn sie in den Massenanalysator gelangen, wo sie getrennt werden.
Der einfachste Massenanalysator ist ein magnetischer Sektor, der aus einem gekrümmten Magneten besteht, der ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Die Anziehungskraft des Magneten und die Zentrifugalkraft der beschleunigenden Ionen bewirken, dass sie sich auf einer kreisförmigen Bahn durch die Kurve bewegen.
Der Radius der Kreisbahn der Ionen hängt von der Beschleunigungsspannung, dem angelegten Magnetfeld und dem Masse-Ladungs-Verhältnis ab.
Die Spannung und das Magnetfeld können dann so gewählt werden, dass nur bestimmte Spezies des Masse-Ladungs-Verhältnisses durch den gekrümmten Pfad gelassen werden. Andere Ionen prallen in die Seiten der magnetischen Bahn und gehen verloren. Durch das Abtasten der magnetischen Feldstärke erreichen die gewünschten Ionen den Detektor zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wodurch jede Spezies genau identifiziert werden kann.
Eine andere Art von Massenanalysator ist der Quadrupol-Massenfilter. Der Quadrupol besteht aus zwei Paaren paralleler Metallstäbe, wobei jedes Paar gegenüberliegender Stäbe elektrisch miteinander verbunden ist.
An die Stabpaare wird eine Gleichspannung angelegt, und ihre Potentiale wechseln sich kontinuierlich ab, so dass die Paare immer phasenverschoben zueinander sind.
Der Ionenstrahl wird dann durch die Mitte der vier Stäbe gelenkt. Ionen bewegen sich aufgrund der ständigen Anziehung und Abstoßung durch die Stäbe auf einer korkenzieherartigen Bahn. Abhängig vom Masse-Ladungs-Verhältnis der Ionen legt das Ion entweder den gesamten Weg des Quadrupols zurück und erreicht den Detektor oder prallt gegen die Stäbe.
Nachdem nun die Grundlagen des Massenspektrometers beschrieben wurden, werfen wir einen Blick auf den Einsatz im Labor.
Das in diesem Experiment verwendete Massenspektrometer ist ein Ionisator mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) und einem Quadrupolfilter. Das Gerät wird verwendet, um eine Metallkomponente in einer Probe zu detektieren und zu quantifizieren.
Füllen Sie zu Beginn des Versuchs alle Polypropylenröhrchen mit 5 mL 0,1 M Salzsäure, um alle kontaminierenden Spuren von Eisen zu entfernen. Legen Sie die Röhrchen für 1 Stunde bei 50 μC in ein Wasserbad.
Waschen Sie die Röhrchen nach der Inkubation mit 5 mL deionisiertem Wasser und trocknen Sie die Röhrchen in einem Ofen oder einer chemischen Haube.
Geben Sie in die sauberen Röhrchen 1,8 ml konzentrierte Salpetersäure und 200 ? L der Probe, die das interessierende Isotop enthält.
Befolgen Sie die Sicherheitsvorkehrungen, wenn Sie konzentrierte Säure verwenden.
Legen Sie die Schläuche über Nacht in ein Wasserbad. Die Temperatur kann bei Bedarf erhöht werden, um die Aufschlusszeit zu verkürzen.
Nachdem die Probe verdaut wurde, lassen Sie die Röhrchen auf Raumtemperatur abkühlen.
Fügen Sie anschließend 8 ml deionisiertes Wasser hinzu, um die Proben zu verdünnen und eine Salpetersäurekonzentration von unter 20 % zu erhalten. Die endgültige Verdünnung der Probe beträgt 1/50. Die ideale Konzentration für ICP liegt im Bereich von Teilen pro Milliarde. Zentrifugieren Sie die Röhrchen, um verbleibende makroskopische Rückstände zu pelletieren.
ICP ist eine Methode der harten Ionisation, bei der gekoppeltes Argonplasma bei etwa 10.000 ? C, das elektrisch leitfähig ist, um die Probenmoleküle zu ionisieren.
Beginnen Sie mit der Einrichtung des Geräts, indem Sie den ICP-Brenner überprüfen, um sicherzustellen, dass er sauber ist.
Überprüfen Sie dann den Probenehmer und die Skimmerkegel, um sicherzustellen, dass sie auch sauber sind. Diese Kegel ermöglichen die Probenahme nur des inneren Teils des vom ICP-Brenner erzeugten Ionenstrahls und wirken als Barriere zum Hochvakuum des Massenspektrometers.
Überprüfen Sie den Argondruck und starten Sie den Kühler. Starten Sie den Plasma- und Flüssigkeitsfluss in das System. Warten Sie 20 Minuten, bis sich das System vollständig erwärmt hat.
Als nächstes wird eine Standardtestlösung aspiriert, die verschiedene bekannte Elementarstandards enthält. Die Testlösung sollte so ausgewählt werden, dass sie den erwarteten Massenbereich der Analytlösung abdeckt.
Wenn der Lösungsfluss hergestellt ist, initialisieren und testen Sie das Gerät gemäß den Richtlinien des Herstellers.
Um das Instrument auszuführen, wählen Sie zunächst die Elemente und Isotope aus, die Sie interessieren. Stellen Sie dann den Scan-Modus auf Peak-Hopping ein.
Wählen Sie fünf Replikationen pro Messung aus. Legen Sie fest, dass jedes Replikat 40 Mess-Sweeps enthält, wobei jeder Sweep eine Verweilzeit von 50 ms hat. Die Gesamtintegrationszeit beträgt 2.000 ms pro Replikat.
Erstellen Sie eine Kalibrierkurve für die Elemente Ihrer Wahl, indem Sie vorgefertigte Standardlösungen messen.
Führen Sie schließlich die Probe aus, in diesem Fall Eisenoxid-Nanopartikel. Bestimmen Sie die Eisenkonzentration mit Hilfe der Eisenkalibrierkurve.
Die Massenspektrometrie wird in einer Vielzahl von Anwendungen unter Verwendung verschiedener Ionisations- und Massenanalysetechniken eingesetzt.
In diesem Beispiel wurde eine Art von Weichionisations-Massenspektrometrie, die als matrixgestützte Laserdesorptionsionisations-Time-of-Flight oder MALDI-TOF bezeichnet wird, verwendet, um Proteine mit hohem Molekulargewicht zu analysieren. Bei MALDI werden Moleküle mit einer Matrix stabilisiert, um die Fraktionierung beim Ionisieren der großen Moleküle zu verringern.
Die Proteinlösung und die Matrix wurden beide auf der sauberen MALDI-Platte getupft und getrocknet. Die MALDI-Platte wurde in das Gerät eingesetzt und die Probe analysiert.
Die Analyse flüchtiger und oxidationsempfindlicher Verbindungen wurde mit Hilfe der Elektronenionisations-Massenspektrometrie, einer harten Ionisationstechnik, gemessen.
Zunächst wurde ein verschließbares Röhrchensystem entwickelt, um eine vollständige Evakuierung des Röhrchens zu ermöglichen, gefolgt von der Beladung der Probe unter Kühlung mit flüssigem Stickstoff.
Das Probenröhrchen wurde mit der Einlassöffnung verbunden und die Probe in das Gerät geladen. Anschließend wurde das Massenspektrum der Probe, in diesem Fall Tris(trifluormethyl)phosphat, analysiert.
Ein Molekularstrahl-Massenspektrometer in Verbindung mit Synchrotronstrahlung wurde verwendet, um die elektronische Struktur von Gasphasenmolekülen und -clustern zu untersuchen.
Der Molekularstrahl, der in Synchrotronstrahlung integriert ist, bietet eine selektive Ionisationsmethode, um Moleküle in der Gasphase zu untersuchen.
Die Probe wurde in die Düse geladen, die Düse wieder in das Instrument geladen und der Photonenstrahl in die Kammer eingedrungen.
Das Massenspektrum wurde dann gesammelt und mit Daten zur Photoionisationseffizienz verglichen, um die elektronische Struktur von Molekülen zu bestimmen.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Massenspektrometrie gesehen. Sie sollten nun die grundlegenden Instrumente der Massenspektrometrie verstehen und wissen, wie Sie eine grundlegende massenspektrometrische Analyse durchführen.
Danke fürs Zuschauen!
