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IONENQUELLE: Zur Ionisation der Probenmoleküle nutzt man Elektronen,
Ionen, Moleküle, Photonen sowie elektrische und/oder thermische Energie.
Oft sind die Ionenquellen in die Einlaßsysteme integriert.
Die Wahl der Ionenquelle hängt von der Probensubstanz und der gewünschten Information ab. ,Soft ionisation' -Methoden wie die Feld-desorption und die Elektrospray ionisation tendieren zu Massenspektren mit wenigen oder gar keinen
Fragment-Ionen.
Gasphasen Ionisierung:
Elektronen Ionisierung (EI): Auch als ,Electron impact' Ionisation bekannt, ist
sie die älteste und best beschriebene Ionisationsmethode.
Ein Elektronenstrahl passiert die Gas/Proben -Phase. Wenn nun ein e- mit einem neutralen Molekül zusammenprallt, kann es ein anderes Elektron herausschlagen und ein positiv geladenes Ion ist die Folge.
Dieser Prozeß kann in einem molekularen Ion (hat dieselbe Masse wie das
Anfangsmolekül) oder in einem Fragment Ion enden.
Das Ionisationspotential ist die Elektronen Energie die benötigt wird um ein molekulares Ion zu produzieren. Das Scheinpotential eines gewissen Fragment Iones ist jene Energie die dieses Fragment Ion hervorbringen wird. Die meisten MS verwenden Elektronen mit 70eV. Setzt man die e- Energie herab, so wird die
Fragmentierung reduziert aber es werden auch weniger Ionen gebildet.
Vorteile:
- einfach, verständlich
- kann praktisch für alle (leicht) flüchtigen Stoffe verwendet werden
- reproduzierbare Massenspektren
- Fragmentierung läßt auf Struktur zurückschließen
- Spektren können mit ,Fingerprint' (in Literatur) verglichen werden
Nachteile:
- Probe muß flüchtig und relativ stabil sein
- Molekulares Ion kann schwach oder gar nicht vorhanden sein
Massen Bereich:
- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.
Chemische Ionisierung (CI): Nutzt Ion- Molekül -Reaktionen um Ionen
aus dem Analyten zu bilden. Der Ionisatzionsprozeß beginnt mit einem Gas-Reagenten (z.B. CH4, i-Butan, NH4) welches mittels EI ionisiert wird.
Durch einen hohen Reagentgasdruck (bzw. eine lange Reaktionszeit) wird die Reaktion gestartet, auch manche Fragment Ionen reagieren mit Analyt
Molekülen zu Analyt Ionen.
Beispiel: (R= Reagent, P= Probe, .= Radikal)
R + e- R+. + 2e-
R+. + RH RH+ + R.
RH+ + P PH+ + R
(natürlich gibt es noch andere Reaktionsmöglichkeiten)
Vorteile:
- gibt oft Molekül Gewichtsinfo durch Molekülähnliche Ionen
wie z.B. [M+H]+ auch wenn die EI kein solches Ion bilden würde
- simple Massenspektren, Fragmentation reduziert im Vergleich mit EI
Nachteile:
- Probe muß flüchtig und stabil sein
- Geringere Fragmentation als bei EI, Fragmentmuster nicht besonders
Informativ oder reproduzierbar genug für penible Analysen
Massen Bereich:
- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.
Desorptionschemische Ionisation (DCI): Dies ist eine Variation der CI
bei der der Analyt auf einem Filamentdraht plaziert wird welches rapide im CI Plasma erhitzt wird. Die direkte Exposition zu den CI Reagentionen, kombiniert mit hurtigem Erhitzen reduziert die Fragmentation. Manche Proben die thermisch nicht
desorbiert werden ohne zu zerfallen, können Mittels Pyrolysen -DCI
charakterisiert werden.
Vorteile:
- reduzierte thermische Zersetzung
- schnellere Analyse
- relativ einfaches Gerät
Nachteile:
- nicht sehr reproduzierbar
- schnelles Erhitzen erfordert schnelle Scangeschwindigkeiten
- versagt bei großen oder labilen Verbindungen
Massen Bereich:
- klein, Typisch weniger als 1,500 Da.
Negative-Ionen-chem. Ionisation (NCI): Nicht alle Verbindungen bilden
negative Ionen, viele wichtige können dies jedoch unter den richtigen Bedingungen. Für solche Verbindungen ist die Negative Ionen MS viel effizienter,
sensitiver und selektiver als die Positive Ionen MS.
Negative Ionen können durch viele Prozesse gebildet werden.
Die ,Resonance elektron capture' -Methode bezieht sich auf das Einfangen eines Elektrons durch ein neutrales Molekül. Die e- -Energie ist gering und die spezifische Energie die zum Einfangen eines e- benötigt wird, ist abhängig von der
Molekülstruktur des Analyten.
Das Anhängen eines e- ist ein endothermer Vorgang.
Manche -so entstandenen molekularen Anionen fassen diesen Energie-überschuß, andere können das e- verlieren oder zerfallen um
Fragmentanionen zu hervorzubringen.
In der NIC verlangsamt ein Puffergas (meist wie bei der CI) die Elektronen bis sie die richtige Energie haben um eingefangen zu werden. Das Puffer-
gas kann die energiereichen Atome stabilisieren und die Fragmentierung reduzieren. Eigentlich ist das ein physikalischer und kein chemischer
Ionisationsvorgang.
Vorteile:
- effiziente Ionisierung, hohe Empfindlichkeit
- weniger Fragmentierung als bei pos. EI/CI
- höhere Selektivität bei gewissen biologisch oder umweltanalytisch
wichtigen Verbindungen
Nachteile.
- nicht alle flüchtigen Verbindungen ergeben negative Ionen
- schlechte reproduzierbarkeit
Massen Bereich:
- klein, Typisch weniger als 1,000 Da.
Feld Desorption und Ionisierung:
Diese Methoden basieren auf dem Tunneleffekt.
Ein e- durchtunnelt einen Emitter mit einem hohen el. Potential. Der Emitter ist eigentlich ein Filament auf dem feine kristalline Spitzen gezüchtet werden. Wenn eine hohe Spannung angelegt wird, existiert an diesen Spitzen ein hohes el. Feld welches dem e- erlaubt gewisse Barrieren zu durchtunneln. Es werden Kohlenstoff- und Silizium- Emitter verwendet. Si- Emitter sind robuster und halten größere Spannungen aus und sind überdies auch relativ billig. C- Emitter haben
eine höhere Selektivität, nur sind sie leider etwas teurer.
FD und FI sind sanfte Methoden welche MSpektren mit geringen Fragment-
Ionen Gehalt erzeugen.
Feld Desorption (FD): Die Probe wird auf den Emitter gebracht, dieser
dann auf ein hohes Potential (einige kV) ausgerichtet und mit Anbringen einer Spannung erhitzt. Sobald der Emitterstrom langsam ansteigt und die Probe in die
Gasphase überführt wird, werden die Analytmoleküle zunehmend von den
tunnelnden e- ionisiert.
Die Probe wird direkt auf den Emitter gebracht.
Das geschieht entweder indem man
- den Emitter direkt in die Lösung taucht
- das gelöste oder suspendierte Material direkt darauf gibt
Vorteile:
- einfache MSpektren
- wenig bis gar kein chemischer Hintergrund
- funktioniert gut mit kleinen organischen Molekülen, vielen Organo-
metallen, LMW Polymeren und manchen petrochemischen Fraktionen
Nachteile:
- empfindlich zu Alkalimetall -Kontamination und Probenüberlastung
- Der Emitter ist relativ zerbrechlich
- relativ langsame Analyse, da der Stromfluß erst ansteigen muß
die Probe sollte thermisch beständig sein um desorbiert werden zu
können
Massen Bereich:
- klein bis mäßig. Probenabhängig. Typisch weniger als 2,000 - 3,000 Da
- es wurden aber schon Ionen mit M > 10,000 Da gemessen
Feld Ionisation (FI): Die Probe wird aus einer direkten Probenaufgabe
verdampft (beheiztes Einspritzsystem wie bei GC bzw. gasförmige Probe).
Wenn das Gas den Emitter passiert wird es durch die tunnelnden e- ionisiert.
Vorteile:
- wie Feld Desorption
Nachteile:
- Probe muß thermisch beständig sein und wird wie bei der Elektronen
Ionisation (EI) eingebracht
Massen Bereich:
- klein, typisch < 1,000 Da
Teilchen Beschuß:
In diesen Methoden wird die Probe auf einem Target mit Atomen, Ionen oder neutralen Teilchen beschossen. Am häufigsten wird der Analyt in einer flüssigen Matrix mit geringer Beständigkeit gelöst und mit einem relativ hohen Teilchenstrom bombardiert. (FAB oder dynamische SIMS)
Andere Methoden verwenden einen relativ geringen Teilchenfluß und keine flüssige Matrix. (statische SIMS) Die letzteren Methoden werden aber eher zur Oberflächen-analyse verwendet. In diesem Prozeß gibt es 2 Teilchenstrahlen. Der primäre
bombardiert und der sekundäre Ionen -Strahl besteht aus den resultierenden Ionen.
Fast Atom Bombardment (FAB): ein kleiner Teil ( ~1µl) des in einer
Matrix aus Glycerin, Thioglycerin, m-Nitrobenzyl Alkohol oder Diethanolamin gelösten Analyten wird auf dem Target plaziert und mit einem schnellen Atomstrahl (z.B. 6keV Xe) beschossen. Diese Atome desorbieren Molekülähnliche Ionen und Fragmente aus dem Analyten. (Cluster -Ionen aus der Matrix werden ebenfalls desorbiert und ein kleines chemisches Hintergrundrauschen, abhängig
von der Matrix ist die Folge)
Die Probe wird entweder direkt oder über LC/MS -Kopplung (frit FAB oder
continuous-flow FAB) eingebracht.
Vorteile:
- schnell
- einfach
- Unterschiede in der Probennahme gegenüber relativ tolerant
- gut für eine große Vielfalt an Verbindungen
- starke Ionenströme => gut für hochaufgelöste Messungen
(FAB)
Nachteile:
- hohes chemisches Hintergrundrauschen legt Detektionslimit fest
- Unterscheidung zwischen niedermolekularen Vbdg. und
Hintergrundrauschen oft schwierig
- Analyt sollte in Matrix löslich sein
- nicht besonders gut geeignet für Vbdg. mit mehr als 2 Ladungen
Massen Bereich:
- mäßig, typischerweise ~300 bis 6,000 Da
Sekundär Ionen MS (SIMS) -dynamisch! : Die SIMS ist der FAB beinahe
ident. Nur ist hier der primäre Strahl ein Ionenstrahl (meist Cs Ionen). Die Ionen können Fokussiert und auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Daraus ergibt sich eine höhere Massenempfindlichkeit.
Ansonsten ist sie wie die FAB.
Die Verwendung von SIMS für Proteine und Peptide mit mittlerer Größe
(3,000 - 3,000 Da) wurde größtenteils durch Elektrospray Ionisation verdrängt.
Vorteile:
- wie FAB, nur wird die Empfindlichkeit verbessert
(Massen von 3,000 - 13,000 Da)
Nachteile:
- wie FAB
- Target kann sich erhitzen da energetischerer Primärstrahl
- hochspannungs Bögen häufiger als bei FAB
- generell öftere Instandhaltung der Ionenquelle als bei FAB
Massen Bereich:
- mäßig, charakteristisch sind Massen von 300 bis 13,000 Da
Spray Methoden:
Hier wird eine Lösung des Analyten bei Atmosphärendruck in eine Schnittstelle zum Vakuum der MS Ionenquelle. Eine Kombination von thermischen und pneumatischen Vorgängen dient der Desolvatation der Ionen wenn sie die Ionenquelle betreten.
Lösungs- Flußraten können von exzellente
Detektionslimits
- Gegenwart oder Abwesenheit von Fragmentation mit
Schnitstellenlinsenpotential steuerbar
- Kompatibel mit MS/MS -Methoden
Nachteile:
- Multiladungsarten müssen mathematisch interpretiert werden
- komplementär zur APCI. Ungeeignet für ungeladene wenigpolare Vbdg.
(z.B. Steroide)
- hochempfindlich zu Verunreinigungen (z.B. Alkalimetalle)
- relativ kleine Ionenströme
- benötigt relativ komplexe Hardware im Vergleich zu anderen
Ionenquellen
Massen Bereich:
- Niedrig bis Hoch. Typ. < 200,000 Da
Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI): Diese Schnittstelle
ist der ESI komplementär. Hier ionisiert eine Corona-Entladung den Analyten in
der Atmosphärendruckregion. Gasphasen-Ionisation ist gegenüber der ESI
effektiver bei wenigpolaren Arten.
Vorteile:
- geeignet für wenigpolare Verbindungen
- exzellente LC/MS -Schnittstelle
- kompatibel mit MS/MS Methoden
Nachteile:
- Komplementär zur ESI
Massen Bereich:
- Niedrig bis Mittel. Typ. < 2,000 Da
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