Neue Einsatzmöglichkeiten Massenspektrometrie mit Digitizern

Der Bereich der Massenspektrometrie entwickelt sich durch den Bau von Geräten mit immer höheren Auflösungen und Messempfindlichkeiten stetig weiter. Moderne Digitizer spielen bei diesem Wandel eine wichtige Rolle. Wo liegen ihre Vorteile?

Vor mehr als 100 Jahren haben Wissenschaftler entdeckt, dass geladene Teilchen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern nach ihrem Masse-Ladung-Verhältnis voneinander separiert werden können. Seit jener Zeit wird das wissenschaftliche Gebiet der Massenspektrometrie (MS) ständig weiterentwickelt. Obwohl Spektrometriesysteme heutzutage in verschiedenen Konfigurationen erhältlich sind, hängt ihre Leistung von einigen wenigen grundlegenden Elementen ab. In einem modernen Massenspektrometer sind das üblicherweise die Ionenquelle (zum Erzeugen der Ionen des zu untersuchenden Materials), der Massenanalysator, der Partikel-Detektor und die dazugehörige Elektronik. Bild 1 zeigt ein Blockdiagramm, wie diese grundsätzlichen Baugruppen zusammenwirken.

Ionenquellen

In der Massenspektrometrie gibt es eine Vielzahl von Ionenquellen, wobei jede ihre Vor- und Nachteile bei der Analyse von verschiedenen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen aufweist. Die Ionisierungsmethode ist mit entscheidend dafür, welche Probentypen analysiert werden können. Beispielsweise werden bei festen oder flüssigen biologischen Proben häufig Techniken wie Elektrospray (ESI) oder Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisierung (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) eingesetzt, wohingegen bei chemischen Verbindungen mit hoher Molekülmasse ein chemischer Ionisationsprozess besser geeignet ist.

Massenanalysatoren

Sobald eine Probe ionisiert wurde, werden die Ionen durch elektrische oder magnetische Felder zu einem Massenanalysator geleitet. Die Felder üben auf die geladenen Teilchen Kräfte aus, sodass Ionen mit unterschiedlichen Massen und Ladungen unterschiedlich stark beschleunigt werden. Auf diese Weise kann man die Ionen voneinander trennen. Auch bei den Massenanalysatoren gibt es verschiedene Typen, die ihre Vor- und Nachteile haben. Bei manchen weit verbreiteten Massenanalysatoren kommt das Laufzeit- oder Time-of-Flight-Verfahren (TOF) zum Einsatz. Hierbei werden alle Ionen im selben elektrischen Feld beschleunigt. Der Analysator misst dann die Laufzeit (Time of Flight), die die einzelnen Ionen benötigen, um zum Detektor zu gelangen. Bei Ionen mit derselben Ladung hängt die Beschleunigung und Geschwindigkeit lediglich von der Masse ab. Leichte Teilchen erreichen den Detektor vor den schwereren Teilchen.

Andere Massenanalysatoren ermöglichen die selektive Massenfilterung durch magnetische Felder oder oszillierende elektrische Felder (beispielsweise ein Radiofrequenz-Quadrupolfeld, das mit vier Stäben erzeugt wird). Diese Techniken erhöhen zwar die Komplexität der Instrumente, aber sie ermög­lichen eine höhere Messauflösung und Messempfindlichkeit.

Detektoren

Das Massenspektrometer besitzt natürlich auch einen Detektor. Er besteht für gewöhnlich aus einem Elektronen-Multiplier, der die Ankunft eines geladenen Teilchens erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei dem Verfahren kommen meist einige elek­trisch geladene Platten zum Einsatz, die eine Elektronenlawine erzeugen, nachdem ein geladenes Teilchen die erste Elektrode getroffen hat. Elektronen-Multiplier sind in verschiedenen Ausführungen und Materialien verfügbar. Zu den gängigsten Multipliern gehören Geräte mit diskreten Dynoden, bei denen mithilfe von sequenziellen Vervielfältigungselektroden mit unterschiedlichem Spannungspotenzial Elektronenkaskaden ausgelöst werden. Üblich sind auch Multiplier mit kontinuierlichen Dynoden, bei denen Halbleitermaterialien und eine gebogene Konstruktion zum Einsatz kommen, um einen Trichtereffekt zu erzeugen. Das Ergebnis sind elektrische Pulse, die zur weiteren Messung und Analyse an die Elektronik weitergeleitet werden.