Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie identifiziert und quantifiziert Moleküle und Elemente, indem sie diese ionisiert und die Masse-zu-Ladung-Verhältnisse der resultierenden Ionen misst.
Definition
Die Massenspektrometrie ist eine analytische Technik, die Analyten in Gasphasenionen umwandelt und diese nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis trennt und detektiert, wodurch Spektren zur Identifizierung, Strukturaufklärung und Quantifizierung gewonnen werden.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Prinzipien und die Instrumentierung der Massenspektrometrie als analytische Methode: die Erzeugung von Gasphasenionen, deren Trennung nach dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis in verschiedenen Analysatoren, deren Detektion und die Interpretation der resultierenden Spektren. Er behandelt sowohl die molekulare als auch die elementare Massenspektrometrie, die Fragmentierung, die genaue Massenmessung und die Kopplung von Massenspektrometern an Trenntechniken. Die für Elemente verwendeten Atomemissions- und Absorptionsmethoden werden separat unter analytischer Spektroskopie behandelt.
Sub-topics
Core questions
- Wie werden Analyten in Gasphasenionen umgewandelt, die für die Massenanalyse geeignet sind?
- Wie erreichen verschiedene Massenanalysatoren ihr Auflösungsvermögen und ihren Massenbereich?
- Wie unterstützen Fragmentierungsmuster und genaue Masse die Identifizierung?
- Wie wird die Massenspektrometrie quantitativ gemacht und wie wird sie mit Trenntechniken gekoppelt?
Key theories
- Trennung nach Masse-zu-Ladung-Verhältnis
- Sobald Analyten ionisiert sind, hängt ihre Bewegung in elektrischen oder magnetischen Feldern von ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis ab; die Messung dieses Verhältnisses für jedes Ion erzeugt ein Massenspektrum, dessen Peakpositionen Spezies identifizieren und dessen Intensitäten, entsprechend kalibriert, diese quantifizieren.
- Sanfte Ionisierung von Biomolekülen
- Elektrospray- und Matrix-unterstützte Laserdesorptionsionisation überführen intakte große und fragile Moleküle mit geringer Fragmentierung als Ionen in die Gasphase, wodurch die Massenspektrometrie von kleinen flüchtigen Molekülen auf Proteine und andere Biopolymere ausgedehnt wird.
Mechanisms
Ein Analyt wird – durch Elektronenstoß, Elektrospray, Laserdesorption oder ein Plasma – ionisiert, um geladene Spezies in der Gasphase zu bilden. Ein Massenanalysator trennt diese Ionen dann nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis unter Verwendung elektrischer und magnetischer Felder, der Flugzeit oder der Ionenfalle, und ein Detektor registriert die Häufigkeit der Ionen bei jedem Verhältnis. Das resultierende Spektrum liefert molekulare oder elementare Massen, Isotopenmuster und, durch kontrollierte Fragmentierung, Strukturinformationen; kalibrierte Peakflächen ermöglichen die Quantifizierung.
Clinical relevance
Die Massenspektrometrie ist die Grundlage der Proteomik und Metabolomik, des klinischen Neugeborenen-Screenings und der therapeutischen Medikamentenüberwachung, der Analyse von Umwelt- und Lebensmittelkontaminanten, der forensischen Toxikologie und der elementaren Spurenanalyse mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie, geschätzt für ihre Empfindlichkeit, Spezifität und Breite.
History
Die Massenspektrometrie entstand mit J. J. Thomsons Positivstrahl-Experimenten und Francis Astons Massenspektrographen, die im frühen 20. Jahrhundert Isotope aufdeckten. Mitte des Jahrhunderts dienten Instrumente der organischen Strukturaufklärung, und die Entwicklung von Soft-Ionisationsmethoden – Elektrospray durch John Fenn und Laserdesorption, weiterentwickelt von Koichi Tanaka – in den 1980er Jahren, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, erschloss die Massenspektrometrie für große Biomoleküle.
Key figures
- J. J. Thomson
- Francis Aston
- John Fenn
- Koichi Tanaka
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Seminal works
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Frequently asked questions
- Was misst ein Massenspektrometer eigentlich?
- Es misst das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Ionen, die aus einer Probe erzeugt wurden, und wie viele Ionen bei jedem Verhältnis auftreten, wodurch ein Spektrum entsteht, das zur Bestimmung von molekularen oder elementaren Massen, Isotopenmustern und der Struktur verwendet wird.
- Warum war die sanfte Ionisierung ein Durchbruch?
- Frühere Ionisationsmethoden fragmentierten große Moleküle oder konnten sie nicht verdampfen; Elektrospray und Matrix-unterstützte Laserdesorption erzeugen schonend intakte Ionen von Proteinen und anderen Biopolymeren, wodurch die Massenspektrometrie in Biologie und Medizin erweitert wurde.