Spektroskopische Notation Beispiel Essay

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Mid-Infrared Fiber-Coupled Photoacoustic Sensor for Biomedical Applications

Jonas Kottmann, Urs Grob, Julien M. Rey and Markus W. Sigrist *

Received: 29 October 2012; in revised form: 20 December 2012 / Accepted: 22 December 2012 / Published: 2 January 2013

Abstract

:

Biomedical devices employed in therapy, diagnostics and for self-monitoring often require a high degree of flexibility and compactness. Many near infrared (NIR) optical fiber-coupled systems meet these requirements and are employed on a daily basis. However, mid-infrared (MIR) fibers-based systems have not yet found their way to routine application in medicine. In this work we present the implementation of the first MIR fiber-coupled photoacoustic sensor for the investigation of condensed samples in the MIR fingerprint region. The light of an external-cavity quantum-cascade laser (1010–1095 cm−1) is delivered by a silver halide fiber, which is attached to the PA cell. The PA chamber is conically shaped to perfectly match the beam escaping the fiber and to minimize the cell volume. This results in a compact and handy sensor for investigations of biological samples and the monitoring of constituents both in vitro and in vivo. The performance of the fiber-coupled PA sensor is demonstrated by sensing glucose in aqueous solutions. These measurements yield a detection limit of 57 mg/dL (SNR = 1). Furthermore, the fiber-coupled sensor has been applied to record human skin spectra at different body sites to illustrate its flexibility.

Institute for Quantum Electronics, ETH Zurich, Schafmattstrasse 16, 8093 Zurich, Switzerland

*

Author to whom correspondence should be addressed; Tel.: +41-44-633-2289; Fax: +41-44-633-1230.

Keywords:

photoacoustic; quantum cascade laser; spectroscopy; glucose

1. Introduction

Optical fiber systems are widely used in the near infrared (NIR) where cheap silica based fibers offer a highly flexible and compact solution to deliver or collect light. Their application field is extremely broad reaching from medical imaging to the telecom industry. Due to the higher cost and lower quality (e.g., in terms of flexibility or transmission) mid-infrared (MIR) fibers have not yet found their way to routine applications in medical therapy and diagnostics. However, the demand for compact/portable, low-cost and reliable biomedical MIR fiber systems [1] or standoff detection schemes is immense [2]. For biomedical applications MIR fibers would be useful in therapy to deliver laser radiation (from quantum cascade lasers (QCL), CO2-, CO- or Er:YAG lasers) or in diagnostics to record a thermal image of the body or a tissue spectrum (e.g., for optical biopsy or monitoring of tissue constituents) in the MIR fingerprint region [3–5]. Especially, QCLs have boosted this request since they offer room temperature operation, a narrow linewidth, reasonable average power, a compact design and emission in the 3–20 μm wavelength range.

So far, there have been only few attempts of directly coupling a fiber to a photoacoustic (PA) cell. These are all related to trace gas detection and employ mostly fiber-coupled laser diodes [6,7]. Schilt et al. for example employed a distributed feedback (DFB) laser diode emitting at 1.65 μm to detect methane by coupling the light via a fiber directly into a resonant PA cell [8]. A MIR-fiber was used by Elia et al. to couple a pulsed QCL into a PA cell directly attached to the fiber to measure formaldehyde (CH2O) at 1,778.9 cm−1 [9]. However, to the best knowledge of the authors, the present work is the first one where a fiber-coupled PA cell was employed to investigate liquids and solids in the MIR. Despite current limitations of MIR fibers, we implemented a MIR fiber-coupled PA sensor and demonstrated its capability to detect solutes like glucose in biological samples. The sensor combines the advantages of a sensitive detection based on PA spectroscopy with the flexibility offered by a fiber-coupled system, which is especially advantageous for in vivo applications. The rigid fixation of the fiber to the PA cell ensures a fixed location of the light excitation even if the PA cell is moved. In addition our PA sensor is advantageous because of its small PA chamber volume of only 35 mm3. This is enabled by the fiber coupling and the conical shape of the chamber. A further specialty of the PA cell design is the integrated N2 ventilation system, which provides constant conditions in the PA chamber, even if samples containing volatile compounds like water (typically present in biological samples) are investigated [10,11]. The performance of the fiber-coupled PA sensor is demonstrated by the detection of glucose in aqueous solution. These measurements led to a detection limit of 140 mg/dL for an integration time of 1 s (57 mg/dL for an integration time of 45 s) and a signal-to-noise ratio (SNR) of one. This lies within the physiological range (i.e., 30–500 mg/dL), but needs to be improved if non-invasive in vivo glucose measurements should become feasible in the future. Such a non-invasive PA sensor would facilitate the life of diabetes patients considerably if it were able to measure glucose reliably with an accuracy of ±15 mg/dL. By exploiting the tuning capability of the QCL and the flexibility of the fiber-coupled PA cell, in vivo spectra of human skin were recorded at the finger tip and the forearm.

2. MIR Fibers

Unfortunately, glass fibers based on silica and fluoride are only transparent up to 6 and 7 μm, respectively [12]. Some chalcogenide glasses transmit light up to 15 μm, but they exhibit a low transmission for longer wavelengths and rather poor mechanical properties. Furthermore, some of them are even toxic or water soluble and hence do not represent a valid option [3]. MIR fibers have also been produced out of two different crystal groups: thallium halides (TlClBr) and silver halides (AgClBr). Since thallium halides are extremely toxic and rather unstable, silver halide crystals are usually the material of choice for the production of MIR-fibers [12].

Single silver halide crystals have a composition of AgClxBr1−x (0 ≤ x ≤ 1) and are highly transparent in the 3 to 30 μm wavelength range, what makes them useful for a broad range of applications. The refractive index almost linearly decreases with increasing x from 2.16 for AgBr to 1.98 for AgCl. This enables the fabrication of core-clad fibers [13]. The crystals’ mechanical and optical properties (hardness, melting point, light sensitivity, etc.) vary according to its composition. The fibers are typically produced out of a single crystalline rod by extrusion through a small die. The resulting polycrystalline fibers (grain size approximately 1 μm [12]) are reasonably flexible, nontoxic, biocompatible and very slightly soluble in water. Furthermore they exhibit an acceptable low sensitivity to ultraviolet and visible light and have typical transmission losses of 0.2 dB/m at 10.6 μm [14].

Two different types of fibers exist: core-only and core-cladding fibers. These are typically fabricated as multimode fibers with core diameters between 300 and 800 μm. Recent progress has been made towards step-index few-modes [13] and even single mode fibers [15–17]. In order to obtain single mode operation in a silver halide fiber, a core radius of between 15 and 35 μm is required, which is challenging to fabricate [17] and exhibits high transmission losses of 15 to 20 dB/m (at 10.6 μm). The concept of another fiber class, called photonic crystal fibers, can be employed to construct single-mode silver halide waveguides. These fibers possess lower losses and provide a larger mode diameter (∼100 μm) [16].

Silver halide fibers of different design (i.e., cylindrical, tapered, flattened or U-shaped) have been widely employed in evanescent wave spectroscopy [12]. For such investigations a part of the fiber core is exposed to the sample. In this region the light, coupled into the fiber, interacts via the evanescent field with the sample. Particularly in the analysis of biological samples like blood, tissue, glucose, albumin or urine, such non-destructive Attenuated Total Reflection (ATR) techniques have been used [1,18]. However, in PA spectroscopy the fiber is solely required to deliver the laser light to the PA cell.

Another MIR fiber class is hollow core optical fibers, which are less fragile and do not exhibit cladding modes compared with the solid-core fibers. The fibers are fabricated out of a hollow glass capillary tube. With wet chemistry techniques the glass tubes are coated on the inner surface with a dielectric silver iodide (AgI) layer on top of a reflective silver (Ag) layer [19]. The light is then guided in a hollow core with a diameter of typically 300–800 μm through reflection. Despite the large core diameter single mode transmission is possible in these fibers as demonstrated by Kriesel et al. [19]. Recently the transmission of hollow core fibers for QCL radiation in the 9 to 10 μm wavelength range have been investigated and losses of down to 0.44 dB/m have been reported [20,21]. Employing a hollow-core fiber-coupled QCL sensitive spectroscopic measurements of SF6 (normalized noise-equivalent absorption of 2.7 × 10−10 W·cm−1/Hz1/2) have been conducted by Spagnolo et al. using a quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) technique [22].

3. Photoacoustic Spectroscopy

Photoacoustic spectroscopy is a well established sensitive technique used in investigations of gases, liquids and solids. It is applied in a broad field ranging from physics, chemistry, biology and material sciences to medicine. In PA spectroscopy the sample is irradiated with modulated light usually from a laser. The absorbed optical energy is converted to heat by means of non-radiative relaxation of the molecules and creates an acoustic wave in the sample. In a solid, the acoustic wave can either be sensed by a piezoelectric sensor at the surface or by a microphone in the coupling gas of an adjacent PA cell as in this work (see Figure 1).

For the study of solid samples with a PA cell, Rosencwaig and Gersho developed a model according to which 6 different cases of PA signal generation can be distinguished depending on the ratio between the sample length l, the optical absorption length μa= 1/α (α: absorption coefficient) and the thermal diffusion length of the sample μs (not to be confused with the symbol for the scattering coefficient) [23]. All these cases have an identical dependence of the PA signal amplitude on the properties of the coupling gas and the light intensity. Using the same notation as Tam [24] and in addition the wavelength dependent fiber transmission t(λ) we summarize this dependence using a factor (F) defined as: where γ = Cp/Cv is the ratio of the specific heat at constant pressure and volume, P0 the ambient pressure, I0 the amplitude of the laser intensity, μg the thermal diffusion length of the coupling gas, lg the length of the coupling gas and T0 the ambient temperature. The thermal diffusion length of the sample (s) and coupling gas (g) are defined as: where f is the modulation frequency of the laser and the thermal diffusivity, with ki being the thermal conductivity and ρi the density of the coupling gas (g) or sample (s), i.e., i = g or s.
For a biological sample like human skin or aqueous solutions as considered here, which are both characterized by high water content, the penetration of MIR light is small due to the strong water absorption in this wavelength region. Hence, the sample length l is usually larger than the optical penetration depth μa (i.e., l > μa) as indicated in Figure 1. By adjusting the modulation frequency f one can vary the thermal diffusion length of the sample μs (see Equation (2)) and restrict the discussion of the Rosencwaig–Gersho model to the case in which l > μa > μs holds. In this case the PA signal amplitude (APA) dependence is given by: where V denotes the PA cell volume and where the dependence on parameters summarized in F (see Equation (1)) are included.

4. Experimental Section

A sketch of the PA setup is displayed in Figure 2. The emission of the external-cavity quantum cascade laser (EC-QCL) (Daylight Solutions DLS-TLS-001-PL) covers the wavelength range from 1,010–1,095 cm−1. This includes the two strong glucose absorption peaks at 1,034 and 1,080 cm−1. The EC-QCL is tunable via the external grating in steps of 0.9 cm−1 and a fine tuning can be obtained by changing the QCLs chip temperature or current. The maximal average laser power depends on the emission wavelength and ranges from 13 mW at 1,010 cm−1 to 125 mW at 1,055 cm−1. The continuous-wave (cw) laser beam is modulated by a mechanical chopper (New Focus Model 3501) with gold-coated blade at ∼125 Hz and focused by two anti-reflection coated ZnSe lenses into the silver halide fiber mounted on a xyz-stage. To deliver the QCL light to the PA cell, two different step-index silver halide fibers (CeramOptec GmbH) with a core diameter of 400 and 600 μm, respectively, have been employed. Both fibers are 0.7 m ± 0.05 long, have a numerical aperture of 0.13 ± 0.02 and a cladding diameter, which exceeds the core diameter by 100 μm. The minimum bend radius R equals 100 times the fiber diameter. The multimode fibers have Ti-SMA-connectors at both ends to ease the connection to the sensing head and are protected with a polyether ether keton (PEEK) tube, which impedes a too strong bending. The core refractive index is 2.1 and the transmission range of the fiber reaches from 4 to 16 μm. The beam emerging the fiber then passes the PA chamber and is absorbed in the sample sealing the cell. The generated acoustic wave is sensed with an electret microphone (Knowles FG-23329-P07) in the coupling gas (air and N2 mixture). The small microphone diameter (2.59 mm) allows a compact cell volume V which is favorable in terms of signal amplitude (see Equation (3)) and sensor size. The pre-amplified PA signal is measured with a lock-in amplifier (Stanford Research SR830) before being recorded with a computer. To monitor the conditions in the PA chamber a compact temperature (T) and relative humidity (RH) sensor (Sensirion SHT21, 3 mm × 3 mm × 1.1 mm) was integrated.

4.1. Photoacoustic Cell Design

The design of the fiber-coupled PA cell for the investigation of biological samples is pictured in Figure 3. The PA cell is manufactured out of a copper piece of 4 × 25 × 35 mm. A conically shaped hole (upper diameter 2.1 mm and lower diameter 4.0 mm) builds the PA chamber, which ideally encloses the divergent QCL beam escaping the fiber. This design enabled to reduce the PA chamber volume V to 35 mm3. In comparison with PA cells described in former publications [10,11,25], this represents a volume reduction by a factor > 2. Since the PA amplitude for a non-resonant cell is proportional to V−1 (see Figure 3), a small volume is preferred. The inner surface of the PA cell has been polished and gold coated to minimize the undesired PA signal from the cell itself. On the upper end the PA chamber is directly closed by a home-built aluminum SMA fiber connector, which is screwed onto the PA cell. At the bottom side of the connector two little grooves have been incorporated, into which two thin needles (length =19 mm and inner diameter = 0.4 mm) were placed and fixed with glue to ventilate the PA chamber with N2. One needle is connected via silicon tubes to a mass flow controller (MKS Instruments, Multi Gas Controller 647B) providing a constant flow of N2 to the cell while the other is left open. This ensures stable conditions in the PA chamber essential for precise measurements if samples containing volatile components are investigated (for details see references [10,11]). The MIR fiber is simply screwed to the connector and delivers the modulated light to the sample sealing the PA chamber on the lower side. The rigid fixation of the fiber to the PA cell guarantees a stable location of the excitation beam with respect to the cell even if it is moved. To improve the sealing of the PA cell by the sample a small ring structure of 0.5 mm height (called “pressure seal” in Figure 3) was integrated in the cell design. The generated PA signal is then sensed with a microphone, which is connected through a cylindrical hole (length = 1 mm, diameter = 1 mm) with the main PA chamber. Similarly, an RH-T sensor is integrated on the opposite to monitor the conditions in the PA chamber. Optionally the PA cell can be closed on the lower end with a chemical vapor deposition (CVD) diamond membrane (3.91 μm thick, Diamond Materials) to enable the study of liquids. Due to the outstanding thermal and optical properties of diamond, a strong PA signal of the liquid of interest brought in direct contact with the diamond membrane is obtained [25].

5. Results and Discussion

5.1. Transmission of the MIR Fiber

The transmission of silver halide fibers covers a broad wavelength range (3–30 μm) but it is not entirely flat due to impurity bands near 2.9, 6.28 and 7.15 μm and scattering losses [26]. Unlike in silica fibers, where the scattering losses vary with 1/λ4 (Rayleigh scattering), the scattering in silver halide fibers decreases for longer wavelength with 1/λ2 [27]. In order to determine the laser intensity exciting the sample, the transmission t(λ) of both MIR fibers was measured. With a coarse fiber coupling, a transmission of 32–21% could be achieved for the 600 μ

Massenspektrometrie bezeichnet ein Verfahren zum Messen der Masse von Atomen oder Molekülen.

Die zu untersuchenden Moleküle werden dabei in die Gasphase überführt (Desorption) und ionisiert, die Ionen werden anschließend durch ein elektrisches Feld beschleunigt und dem Analysator zugeführt, der sie nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnism/z (auch m/q) „sortiert“, beispielsweise räumlich in Teilstrahlen auftrennt wie in einem Sektorfeld-Massenspektrometer. Die Moleküle können dabei fragmentiert werden,[1][2] die Fragmentierung ist insbesondere bei den vergleichsweise komplexen Biopolymeren oftmals erwünscht, da die Fragmente leichter in die Gasphase überführt werden, beispielsweise bei der Untersuchung von Proteinen. Das für die Desorption in die Gasphase erforderliche Hochvakuum wird heute in der Regel durch den kombinierten Einsatz einer Drehschieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe erzeugt.

Die Massenspektrometrie findet in vielen Bereichen Anwendung. Eingesetzt wird sie unter anderem bei der Charakterisierung von chemischen Verbindungen, in der Biochemie zur Untersuchung von Biomolekülen, in der medizinischen Chemie zur Identifizierung von Substanzen in Körperflüssigkeiten oder Organen, in kriminaltechnischen Untersuchungen, bei Dopingkontrollen, in der Umweltanalytik, in der Analytik von chemischen Kampfstoffen und Sprengstoffen. Es gibt sehr unterschiedliche Techniken, die sich je nach Aufwand, Anwendung und Genauigkeit unterscheiden. Vorteilhaft ist in vielen Bereichen, dass die Datenmenge recht gering ist und damit eine Kopplung mit Datenbanken von Massenspektren leicht möglich ist, z. B. Mascot für Proteine. Es ist auch verhältnismäßig leicht, ein Massenspektrometer mit einer HPLC-Anlage (meist ESI-MS) oder einem Gaschromatographen (oft EI-MS) zu koppeln und so nacheinander die verschiedenen Massenspektren der einzelnen Fraktionen zu erhalten.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Massenspektrometrie basiert auf einer Hypothese, die vom britischen Chemiker William Prout im frühen 19. Jahrhundert aufgestellt wurde und besagt, dass es eine Eigenschaft eines Atoms ist, eine definierte Masse zu haben – das Atomgewicht, er hatte festgestellt, dass die Masse der Atome einiger chemischer Elemente dem ganzzahligen Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entsprach.[3][4] Spätere und genauere Messungen von Jöns Jakob Berzelius (1828) und Edward Turner (1832) schienen jedoch diese Hypothese zu widerlegen, denn es wurde z. B. für das Chlor-Atom eine Masse bestimmt, die das 35,45-fache der Wasserstoffmasse beträgt. In der Mitte des 19. Jahrhunderts beobachtete Julius Plücker den Einfluss von magnetischen Feldern auf das Leuchten von Gasentladungsröhren.

Eugen Goldstein und Wilhelm Wien publizierten in den Jahren 1886 und 1898 die sogenannten Kanalstrahlen und ihre Ablenkung durch Felder. Sie hatten die weitreichenden Konsequenzen ihrer Entdeckungen jedoch 1886 noch nicht erkannt.[5][6][7][8][9][10]

Später, ab dem Jahr 1897, publizierte Joseph J. Thomson verschiedene Experimente,[11][9] in denen er in VakuumröhrenKathodenstrahlen von verschiedenen Kathodenmetallen mit elektromagnetischen Feldern ablenkte, und stellte korrekte Gleichungen zum Zusammenhang zwischen Masse, Geschwindigkeit und Bahnradius auf. 1913 publizierte er eine Methode, um mit Hilfe eines MassenspektroskopsFotoplatten zu belichten und so qualitative und quantitative Untersuchungen an den in einer Röhre enthaltenen Gasen durchzuführen.

Im Jahr 1918 wurde von Arthur Jeffrey Dempster das erste moderne Massenspektrometer entworfen und gebaut, welches 100-fach genauer arbeitete als alle vorherigen Entwicklungen, und legte den Grundstein für das Design heutiger Massenspektrometer,[12] es besaß einen magnetischen Sektoranalysator. Aufgrund dieser Entwicklung hat er im Jahr 1935 das Uranisotop mit der Masse 235 identifizieren können.

Ein Schüler von Thomson, der britische Chemiker und Physiker Francis William Aston, baute um dieselbe Zeit sein erstes Massenspektrometer, über das er 1919 berichtete,[13][14] mit dessen neuen Technik konnte er die Isotope von Chlor (35Cl und 37Cl), von Brom (79Br und 81Br) und von Krypton (78Kr, 80Kr, 82Kr, 83Kr, 84Kr und 86Kr) beobachten. Aston wurde schließlich im Jahr 1922 mit dem Nobelpreis für Chemie für seine Untersuchungen der Isotope geehrt. Durch die Verwendung der Technik des Elektrofokussierens konnte er nicht weniger als 212 der damals bekannten 287 Isotope beobachten, im Jahr 1932 entwickelte Kenneth Bainbridge einen Massenspektrometer mit einer Auflösung von 600 und einer Genauigkeit von 1:10.000.[15] Er verwendete es zur Bestätigung der Energie-Masse-Äquivalenz von Albert Einstein, E = mc2.[16]

Im Jahr 1939 beschrieben Alfred Nier und Earl Gulbransen das Isotopenverhältnis von Kohlenstoff,[17] im Jahr 1946 wurde von W. Stephens die gepulste Ionisation entwickelt, wodurch der messbare Massenbereich vergrößert wurde und die Grundlage für das erste Flugzeit-Massenspektrometer entstand,[18] das erste Flugzeitmassenspektrometer wurde 1948 von A. Cameron und D. Eggers gebaut,[19] eine deutliche Verbesserung der Auflösung wurde 1955 durch W. Wiley und I. McLaren erzielt.[20]

Während des Manhattan-Projekts wurden zum Bau von Atombomben große Isotopenanreicherungsanlagen (Calutrons) gebaut, die nach dem Prinzip von Massenspektrometern arbeiteten.[21] In den 1950er Jahren wurde von Roland Gohlke und Fred McLafferty das erste Mal ein Massenspektrometer als Detektor für eine Chromatographie-Methode eingesetzt.[22][23][24] Beide koppelten einen Gaschromatographen mit einem Massenspektrometer. Durch diese Methode konnten das erste Mal Substanzgemische in einer Anlage getrennt und identifiziert werden.[24][25] Für die Anwendung in einer gaschromatographischen Methode müssen die entsprechenden Verbindungen jedoch im Vakuum flüchtig und dabei unzersetzt verdampfbar sein, im Jahr 1953 entwickelte Wolfgang Paul den Quadrupol, der eine Selektion der Masse-Ladungsverhältnisse fliegender Ionen ermöglichte.[26]

Ebenso entwickelte Wolfgang Paul die Ionenfalle, mit der Ionen in einem definierten kleinen Raum gehalten werden konnten. Für seine Entdeckungen erhielt Wolfgang Paul 1989 den Nobelpreis für Physik. Ab 1959 wurde die Massenspektrometrie von K. Biemann und Kollegen zur Proteinidentifikation eingesetzt.[27]

Die bisherigen Methoden zur Erzeugung der benötigten Ionen waren sehr aggressiv und führten zu vielen Bruchstücken (Fragmente) beim Vermessen organischer Verbindungen, daher setzte ab den 1960er Jahren die Entwicklung immer schonenderer Ionisationsmethoden ein. Mitte der 1960er Jahre wurde von Munson und Field die chemische Ionisation (CI) veröffentlicht,[28] die Verbindung zweier Massenspektrometer über eine Kollisionskammer durch Jean Futrell und C. Miller führte 1966 zur Entwicklung des ersten Tandem-Massenspektrometers,[29][30] im Jahr 1969 publizierte H. D. Beckey die Felddesorption (FD).[31][32]

Im Jahr 1974 entwickelten Alan G. Marshall und Melvin B. Comisarow von der University of British Columbia inspiriert von den Fourier-Transformations-Kernspinresonanzspektroskopie- (FT-NMR) und Ionenzyklotronresonanz-Methoden (ICR) ein Fourier-Transform-Massenspektrometer (FT-ICR-Massenspektrometrie).[33] Die Unterscheidung von Radioisotopen und anderen Isotopen mit gleichem Masse-Ladungsverhältnis unter Verwendung eines Cyclotrons wurde erstmals von Richard Muller beschrieben,[34] im Jahr 1977 wurde von Boris A. Mamyrin und Kollegen das Problem breiter initialer Energieverteilungen mit dem Reflektron gelöst;[35] in den späten 1970er Jahren verwendete Jim Morrison drei Quadrupole in Serie, bei denen der erste Quadrupol als Massenfilter, der Zweite zur Fragmentierung von Molekülen und der Dritte zur Detektion der Molekülionen diente. Durch Erhöhung des Drucks durch Zugabe eines Inertgases konnten Christie Enke, Richard Yost und Jim Morrison im Jahr 1979 eine kollisionsinduzierte Fragmentierung von zu untersuchenden Molekülen ohne eine Verwendung von Lasern erreichen.[36] Dadurch konnten auch Makromoleküle genauer untersucht werden, im Jahr 1978 entwickelten Calvin Blakly, Mary McAdams und Marvin Vestal die Thermospray-Ionisation mit einer erhitzten Düse, durch die eine flüssige Probe mit Ammoniumacetat in ein Vakuum hinein verdampft wurde.[37] Ab 1981 wurde von Michael Barber und Kollegen die Ionisationsmethode des fast atom bombardment entwickelt, bei der die Ionisation durch beschleunigte Atome erreicht wurde,[38] die Tandem-Massenspektrometrie wurde ab 1981 von Donald Hunt und Kollegen zur Proteinsequenzierung aus Proteingemischen eingesetzt.[39] Für die Elementaranalyse wurde ab 1980 von Robert Houk und Alan Gray die ICP-MS entwickelt, mit einer Sensitivität im Bereich von ppb oder ppt.[40]

Später erfolgten dann die weitere Entwicklung einer Vielzahl an Ionisationsmethoden für die unterschiedlichsten Zwecke wie zum Beispiel Elektrospray (ESI, ab 1968),[41][42]Chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI, ab 1974),[43] und Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI, ab 1985).[44][45]

Ab 1982 entwickelte John Bennett Fenn die Elektrospray-Ionisation für Biomoleküle,[46] im Jahr 1987 veröffentlichte Koichi Tanaka eine flüssige Matrix mit Metallkolloiden für Biomoleküle.[47] Fenn und Tanaka erhielten im Jahr 2002 dafür den Nobelpreis für Chemie, im Jahr 1999 entwickelte Alexander Makarov den Orbitrap-Massenspektrometer.[48]

Parameter eines Massenspektrometers[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Massenspektrometer wird durch verschiedene Parameter charakterisiert:[49][50][51] Die Massenauflösung, die Massengenauigkeit, der Massenbereich, der lineare dynamische Bereich und die Messrate.

Die Massenauflösung bezeichnet den minimalen Massenunterschied dm, den zwei Ionen haben müssen, damit sie noch aufgelöst werden können, die Auflösung eines Massenspektrometers wird in der Einheit Thomson (Th) angegeben, wobei aber trotzdem öfter nur das Auflösungsvermögen R angegeben wird. Dieses ist als Verhältnis einer Masse zum Massenunterschied der nächsten noch getrennt erscheinenden Masse () definiert. Zum Beispiel würde man bei einem Auflösungsvermögen von 4000 die Peaks bei 4000 Th und 4001 Th noch getrennt sehen, aber ebenso die Peaks bei 2000 Th und 2000,5 Th da 2000/(2000,5 − 2000) = 4000. In der Praxis werden die beiden Begriffe Auflösung und Auflösungsvermögen oft nicht exakt auseinandergehalten.

Es gibt drei verschiedene Definitionen der Auflösung:

  • Bei der 10-%-Methode definiert man dm als die Massenabweichung, bei der die Intensität eines Peaks auf 10 % des Maximums absinkt.
  • Bei der 50-%-Methode definiert man dm als die Massenabweichung, bei der die Intensität eines Peaks auf 50 % des Maximums absinkt.
  • Bei der Halbwertsbreitenmethode (FWHM, full width at half maximum height) definiert man dm als die volle Peakbreite bei der halben Peakhöhe.

Die Massengenauigkeit gibt an, wie genau die Masse des Teilchens bestimmt werden kann, diese Angabe erfolgt oft in parts per million (ppm), d. h. ein Molekül mit der nominellen Masse 500 kann bei einer Genauigkeit von 1 ppm auf 0,0005 ugenau bestimmt werden.

Die Massenspanne ist der analysierbare Massenbereich eines Massenspektrometers, der lineare dynamische Bereich ist der Bereich, bei dem die Signalintensität proportional zur Konzentration ist. Die Messrate ist die Anzahl an Messungen pro Zeiteinheit.

Aufbau eines Massenspektrometers[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Massenspektrometer (MS) besteht aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einem Detektor, jedes dieser Bauteile existiert in verschiedenen Bauformen und Funktionsprinzipien, die prinzipiell frei kombinierbar sind, obschon bevorzugte Kombinationen existieren. Diese werden im Folgenden beschrieben.

Ionenquelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Ionenquelle

In der Ionenquelle wird der Analyt ionisiert. Dies kann mit Hilfe verschiedener Methoden erfolgen, die Wahl der Methode ist hauptsächlich abhängig von der Art der zu analysierenden Substanz und davon, wie schonend ionisiert werden soll. Die Ionen werden meistens mit einem elektrischen Feld aus der Ionenquelle extrahiert und in den Analysator übergeben, die Ionen können auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Häufig kommen Stoßionisation, insbesondere Elektronenstoßionisation (EI) oder chemische Ionisation (CI), Photoionisation (PI), Feldionisation (FI), Fast Atom Bombardment (FAB), Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) und Elektrospray-Ionisation (ESI) vor.

Analysator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Analysator oder Massenselektor werden die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt (ist die Ladung bekannt, dann kann man damit direkt auf die Masse des Ions schließen). Es gibt mehrere sehr unterschiedliche Methoden, wie diese Massentrennung erfolgt. Abhängig von der Methode ist auch das Trennvermögen recht unterschiedlich, die einzelnen Trennmethoden werden im Abschnitt Arten von Analysatoren behandelt.

Detektor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Detektor dient zur Erfassung der zuvor separierten Ionen, als Detektor eingesetzt werden können Photomultiplier, Sekundärelektronenvervielfacher (SEV), Faraday-Auffänger, Daly-Detektoren, Mikrokanalplatten (MCP) oder Channeltrons. Der SEV wird teilweise in Kombination mit einer Konversionsdynode verwendet, bei der die Ionen aufgrund einer angelegten hohen Beschleunigungsspannung (bis zu 25 kV) auf eine Metalloberfläche prallen und der SEV dann die freiwerdenden Elektronen detektiert. In der Anfangszeit der Massenspektrometrie wurden auch Fotoplatten benutzt.

FT-ICR- und Orbitrap-Massenspektrometer messen Ströme (engl. image-currents), welche durch die sich bewegenden Ionenpakete in den Detektorplatten erzeugt werden. In diesem Fall werden die Ionen also nicht vom Detektor absorbiert und können deshalb mehrfach gemessen werden, das trägt entscheidend zur hohen Messgenauigkeit dieser Instrumente bei.

Arten von Analysatoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Massenspektrometer werden durch den jeweilig eingesetzten Analysator typisiert.

Sektorfeld-Massenspektrometer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Sektorfeld-Massenspektrometern werden die Ionen in statischenmagnetischen Feldern oder zusätzlich statischenelektrischen Feldern abgelenkt. Der Radius der Kreisbahnen, die sie in den Feldern durchlaufen, hängt von der Energie (im elektrischen Feld) und vom Impuls (im magnetischen Feld) der Ionen ab. In Kenntnis der Ladung, der Energie und des Impulses kann dann die Masse bestimmt werden. Sektorfeld-Massenspektrometer können so gebaut werden, dass Ionen mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit auf einem Punkt im Detektor abgebildet werden (Geschwindigkeitsfokussierung), auch Ionen, deren Flugbahn leicht geneigt ist, können auf einen Punkt abgebildet werden (Richtungsfokussierung). Massenspektrometer, die beides gleichzeitig können, nennt man doppelfokussierend. Die Fokussierung ist nötig, um bei hoher Auflösung noch eine akzeptable Intensität des Messsignals zu erhalten. Sektorfeld-Massenspektrometer erreichen Auflösungen von bis zu 100.000 und waren vor der Entwicklung der FT-Ionenfallen die Massenspektrometer mit der größten Auflösung. Heute werden sie nur noch selten verwendet, zum Beispiel in der Stabilisotopenmassenspektrometrie.

Quadrupol-Massenspektrometer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Quadrupol-Massenspektrometer

Im Quadrupol-Massenspektrometer werden die erzeugten Ionen durch ein statisches, elektrisches Feld beschleunigt und durchfliegen zentral vier parallel liegende Stabelektroden, deren Schnittpunkte mit einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse ein Quadrat bilden (Quadrupol), im Wechselfeld zwischen den Quadrupol-Stäben findet eine m/q-Selektierung statt, so dass jeweils nur Teilchen mit einer definierten Masse das Feld durchlaufen können.

Flugzeitmassenspektrometer (TOFMS)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Flugzeitmassenspektrometer

Im Flugzeitmassenspektrometer (TOFMS) wird ausgenutzt, dass die Ionen beim Eintritt in den Analysator alle die gleiche Energie haben und leichte Ionen deshalb schneller sind als schwere, daher erreichen beim Flug durch einen feldfreien Raum leichte Ionen den Detektor eher als schwere Ionen. Der Flugzeitanalysator besteht somit nur aus einem Rohr unter Vakuum mit einem sehr schnellen Detektor am Ende, die Auflösung beträgt bis zu R = 15.000 (10-%-Methode). In der Praxis haben sich Geräte mit Ionenspiegeln bzw. Reflektron bewährt, bei denen die Flugstrecke durch ein zusätzliches elektrisches Feld am Ende der ursprünglichen Flugrichtung verdoppelt wird. Zusätzlich erreicht man durch diese Technik eine weitere Fokussierung.

Ionenfallen-Massenspektrometer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Ionenfallen-Massenspektrometer

In Ionenfallen-Massenspektrometern werden die Ionen durch elektromagnetische Felder in einem definierten Bereich gehalten und können so analysiert und manipuliert werden; in der Quadrupol-Ionenfalle werden die Ionen durch ein Kühlgas, häufig Helium, gesammelt und stabilisiert. Dieses nimmt die thermische Energie der Ionen auf und sorgt dafür, dass sich die Ionen im Zentrum des Quadrupols sammeln und in einem ruhigen und geordneten Zustand vorliegen. Beim Anlegen einer bestimmten Spannung wird eine bestimmte Sorte an Ionen, die durch eine bestimmte Masse charakterisiert ist, instabil gemacht, die den Quadrupol verlässt und mittels eines Elektronenvervielfachers detektiert werden kann; in Ionenfallen-Massenspektrometern ist eine mehrfache Wiederholung von Anregung und Massenselektion möglich, ohne dass ein weiteres Bauteil benötigt wird. Folgende Typen von Ionenfallen-Massenspektrometer existieren:

  1. Quadrupol-Ionenfalle
  2. Linear trap
  3. Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz (FT-ICR)
  4. Orbitrap

MS/MS (auch Tandem-Massenspektrometrie)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um Fragmentierungen zu studieren oder auch um die Selektivität und Sensitivität (Nachweisgrenze) einer Quantifizierungsmethode entscheidend zu verbessern, koppelt man entweder mehrere Analysatoren hintereinander oder arbeitet in Ionenfallen. Zwischen zwei Analysatoren wird eine sogenannte Kollisionszelle eingebaut, um den Ionen durch Stöße mit einem Inertgas (meist Stickstoff oder Argon) Energie zuzuführen. Daraufhin zerfallen die Ionen sehr spezifisch zu anderen (leichteren) Ionen.

Viele Kombinationen der Analysatoren sind denkbar, die gängigsten sind Triple-Quadrupol (QqQ), Tandem-TOF (TOF-TOF) und inzwischen auch TRAP-FTICR und TRAP-Orbitrap.

Am weitesten verbreitet sind sogenannte Triple-Quadrupol (QqQ, auch triple quads genannt). Dabei wird meist durch ESI ein Quasi-Molekülion produziert, welches im ersten Analysatorquadrupol isoliert und dann im zweiten Quadrupol – der sogenannten Kollisionszelle oder Stoßkammer – angeregt wird.

In die Stoßkammer kann ein Stoßgas (meist Argon, Helium oder Stickstoff) eingespeist werden. Dabei wird der Druck so gewählt, dass im Mittel ein erzeugtes Ion maximal einmal mit einem Gasmolekül kollidiert, diese Methode ermöglicht es, erzeugte Ionen weiter zu fragmentieren.

Der dritte Quadrupol gibt die Möglichkeit zu „scannen“, also alle Produktionen des im ersten Quadrupol isolierten Ions (engl. parent ion) zu ermitteln, oder selektiv nur ein bekanntes Fragmention zu beobachten. Durch das Erfassen aller Fragmentionen können Rückschlüsse auf die Struktur gezogen werden. Durch Beobachtung von nur ein oder zwei Fragmentionen kann sehr empfindlich und selektiv quantifiziert werden, diese Technik wird auch als Multiple Reaction Monitoring (MRM) bezeichnet.

Daneben gibt es auch andere Techniken für MS/MS (und sog. MSn); in Ionenfallen kann man ein Ion isolieren, und ihm dann entweder durch Kollision (hier aber meist mit Helium) oder auch durch Strahlung Energie zuführen. Als Fragmentierungsmethoden werden hierzu Infrarotlaser, „Elektronenkanonen“ (engl. Electron Capture Dissociation) oder die Electron Transfer Dissociation (ETD) verwendet. Die Tandem-Massenspektrometrie wird im Bereich der Proteincharakterisierung eingesetzt, z. B. in der De-Novo-Peptidsequenzierung.

Kopplung mit Chromatographieverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei sehr komplexen Proben (z. B. in der Lebensmittelanalytik) ist es nützlich, diese mit einem vorgelegten Trennverfahren aufzutrennen, bevor man sie dem Massenspektrometer zuführt. In diesem Sinn wird Massenspektrometrie oft zusammen mit Gaschromatographie (GC/MS) oder Flüssigchromatographie (LC/MS) betrieben. Weniger weit verbreitet sind die Kopplung mit Kapillarelektrophorese (CE/MS) und Ionenmobilitäts-Spektrometrie (IMS/MS). Teilweise werden auch mehrdimensionale Trenntechniken eingesetzt z. B. GCxGC-MS. Flugzeitmassenspektrometer eignen sich besonders gut im Verbund mit mehrdimensionaler Gaschromatographie, weil damit sehr schnell Massenspektren über einen großen m/q-Bereich aufgenommen werden können. Dieses Verfahren erlaubt eine genaue Auftrennung und Detektion verschiedener Verbindungsklassen aus komplexen Matrices (z. B. Erdölproben). Dafür werden zwei GC-Säulen mit unterschiedlicher Polarität hintereinander geschaltet.

Auswertung der Massenspektren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Voraussetzung für die Bestimmung der Masse m ist die Kenntnis der Ladung q des Ions, denn die Analysatoren können die Ionen nur nach dem Verhältnis m/q trennen. q ist jedoch immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladunge:q = z·e, und meistens ist z = +1 (einfach positiv geladen). Als Einheit von m/q wurde das Thomson Th vorgeschlagen: [m/q] = Th.

Die vom Detektor gelieferten Daten sind diskrete Werte, die normalerweise einen äquidistanten Abstand haben, welcher durch die Abtastung des Detektors vorgegeben ist. Diese Daten kann man direkt darstellen, diese Darstellungsform nennt sich im Englischen „profile data“, welche von besonderem Interesse ist, falls die Peak-Breite wichtig ist. Alternativ dazu können die Daten weiter zu einem Histogramm verarbeitet werden, diese Darstellungsform nennt sich im Englischen „centroid data“: den einzelnen Peaks wird entsprechend ihrer Fläche eine Intensität zugewiesen, welche sich am Ort des größten Wertes befindet.[52] Zunächst muss die Masse des Analyten bestimmt werden. Normalerweise ist das die Masse des schwersten detektierten Ions (Molekülpeak oder Molekülionpeak), der Molekülionpeak gehört zum schwersten Ion, welches im Massenspektrum einer Substanz angezeigt wird, also dem einfach ionisierten Molekül. Allerdings wird bei der Elektronen-Ionisation oft ein Großteil der Ionen gespalten. Testweise kann die Elektronenenergie verringert werden, sodass weniger Ionen gespalten werden und der Molekülpeak deutlicher sichtbar wird.

Die weitere Auswertung basiert darauf, dass die Atome der verschiedenen chemischen Elemente einen unterschiedlichen Massendefekt haben, daher kann aus einer sehr exakt bestimmten Masse eine Liste möglicher Summenformeln angegeben werden. Bei leichten Molekülen gibt es nur eine oder wenige passende Elementarzusammensetzungen, mit steigender Masse oder zunehmender Anzahl an Heteroatomen steigt auch die Anzahl möglicher Kombinationen stark an.

Bei schwereren Molekülen stehen deshalb sehr viele mögliche Summenformeln zur Auswahl. Weitere Hinweise liefern die Isotopenzusammensetzungen der verschiedenen Elemente, so besteht der Kohlenstoff zum Beispiel zu 98,9 % aus 12C und zu 1,1 % aus 13C. Je nachdem, wie viele C-Atome im Molekül vorhanden sind, sind neben dem Hauptsignal im Spektrum Nebensignale zu finden, die vom Hauptpeak um 1 Th, 2 Th etc. entfernt sind und ein charakteristisches Intensitätsverhältnis zum Hauptsignal haben. Die Halogene Chlor und Brom, Schwefel und Silicium haben ebenfalls charakteristische Isotopenverhältnisse, die zur Identifizierung benutzt werden.

Die genannten Methoden sind auch auf die Bruchstücke anwendbar. Moleküle brechen oft an charakteristischen Stellen, aus der Masse der Bruchstücke und evtl. weiteren Informationen kann schließlich die Strukturformel bestimmt werden.

Dabei helfen vor allem bei mit positiver EI-Ionisierung erstellten Massenspektren auch Massenspektrenbibliotheken, die bekanntesten sind unter den Kürzeln ihrer Vertreiber die Wiley- und die NIST-Massenspektrenbibliotheken. Durch den Peak Counting Score kann eine Identifizierung erfolgen.

Die Quantifizierung von Verbindungen wird bei der Massenspektrometrie dadurch erleichtert, dass bei der Analytik isotopenmarkierte (13C-markierte oder deuterierte) interne Standards verwendet werden können. (Isotopenverdünnungsanalyse)

Ein Problem bei der Datenauswertung stellen die proprietären Datenformate der einzelnen Gerätehersteller dar,[53] die Daten werden in eigenen Binärdatenformaten vorgehalten. Meist werden vom jeweiligen Hersteller in die eigene Steuerungs- und Managementsoftware integrierte Auswertungsprogramme mitgeliefert, um Programme von Dritten zu benutzen, bedarf es oft der Datenkonvertierung zum Datenexport, für die es im Bereich der Forschung frei erhältliche Lösungen gibt.[54]

Massenspektren bestehen aus mehreren unterschiedlichen Gruppen von Peaks:

  • dem Molekülion
  • Isotopenpeaks
  • Fragmentpeaks
  • metastabilen Peaks

Massenspektrometrie zeigt zunächst einmal einen Peak für das Molekülion, welches als Radikal-Kation M+. auftritt, als Resultat der Entfernung eines Elektrons aus dem Molekül. Der Molekülpeak ist jedoch nicht immer nachzuweisen oder kann sehr schwach ausgeprägt sein; in einer homologen Reihe verringert sich der Molekülpeak mit zunehmender Anzahl an Verzweigungen und mit zunehmender Masse. Das Molekülion zu identifizieren kann schwierig sein, eine nützliche Hilfe ist dabei die Stickstoff-Regel: Wenn die Molekülmasse eine gerade Zahl ist, enthält die Verbindung keinen Stickstoff oder eine gerade Zahl an Stickstoffatomen. Molekülionen-Peaks sind häufig begleitet von einem M-1-Peak, der aus dem Verlust eines Wasserstoffradikals resultiert.

Weitere Peaks, mit einem m/z-Verhältnis größer als das des Molekülion, entstehen durch Isotopenverteilung, der sogenannte M+1-Peak entsteht durch ein eingebautes Isotop höherer Masse, entweder 2H oder 13C; der M+2-Peak besitzt zwei Isotopen höherer Masse, etc. Die natürliche Häufigkeit höherer Isotope ist für häufig vorkommende Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff gering und damit auch die Höhe der daraus resultierenden Isotopenpeaks, die Häufigkeit nimmt mit zunehmender Masse schnell ab. Bei den Halogenen Chlor und Brom dagegen sind höhere Isotope recht häufig, was sich in einem charakteristischen Signal äußert.

Peaks mit einer geringeren Masse als das Molekülion sind das Resultat aus Fragmentierungen, der Peak mit der höchsten Intensität nennt sich Basispeak, er muss nicht unbedingt dem Molekülion entsprechen. Es existieren zahlreiche Reaktionswege für Fragmentierungen, aber lediglich neu gebildete Kationen tauchen im Massenspektrum auf, Radikalfragmente oder Neutralfragmente dagegen nicht.

Metastabile Peaks sind breite Peaks bei nicht-ganzzahligen Massewerten, diese Peaks resultieren aus Fragmenten mit geringerer kinetischer Energie, wenn Fragmentierungen vor der Ionisationskammer stattfinden. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Verwandtschaft zweier Peaks beweisen, die über einen einstufigen Zerfallsprozess verknüpft sind.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Massenspektrometrie dient in der Analytik bzw. der analytischen Chemie als Analyseverfahren zur Bestimmung chemischer Elemente oder Verbindungen. In dieser Form werden Massenspektrometer in vielen Bereichen der Naturwissenschaften und der Technik für die Analyse von Materialien eingesetzt, unter anderem in der Chemie, Biologie, Archäologie und Klimatologie.

Auch in der Teilchenphysik werden Massenspektrometer verwendet; in diesem Bereich ist das Ziel jedoch weniger die Analyse von chemischen Elementen, sondern die Ermittlung der Massen von Elementarteilchen oder Atomkernen sowie der Detektion von noch unbekannten Teilchen.

Chemie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für einen Analyten (die zu testende Substanz) wird die Häufigkeit, mit der geladene Moleküle (Ionen) und deren Massenfragmente auftreten, bestimmt, die Massenspektrometrie ist eine wichtige Methode der analytischen Chemie bei der Aufklärung der Struktur und Zusammensetzung von Verbindungen und Gemischen.[55] Der qualitative (Erkennung von unbekannten Substanzen) und quantitative (wie viel Substanz einer Verbindung ist vorhanden) Nachweis sehr kleiner Substanzmengen (ca. > 10−15 g = 1 fg (Femtogramm)) ist möglich.

Geologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Isotopenverhältnisse verschiedener Elemente werden in der Geologie zur Altersdatierung von Gesteinskörpern sowie zur Thermochronologie verwendet, und können Auskunft darüber geben, ob und wann ein Gestein nach seiner Entstehung noch einmal nachträglich erhitzt wurde. Sehr gut geeignet ist dafür unter anderem das Verhältnis von 39Ar zu 40Ar.

Archäologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Isotopenverhältnisse einiger Elemente erlauben Rückschlüsse auf die Ernährung der Menschen, deren Knochen untersucht werden. Siehe auch Isotopenuntersuchung, das Isotopenverhältnis von Kohlenstoff 14C zu 12C im organischen Material von archäologischen Funden erlaubt es, die Zeit seit der pflanzlichen Bildung der vermessenen Substanz zu ermitteln. Zur Messung von 14C wird die Beschleuniger-Massenspektrometrie herangezogen.

Biochemie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Massenspektrometrie wird in der Proteomik und Metabolomik verwendet, wo die Verwendung weitgehend jener in der Chemie entspricht. Biologische Proben, insbesondere Proteine, verlangen jedoch aufgrund der Molekülgröße und der speziellen Fragestellung (Identität, Sequenz, Posttranslationale Modifikation) bei der Aufklärung von systemischen Zusammenhängen eine besondere Probenvorbereitung und Messmethodik. Massenspektrometrische Methoden sind z. B. ITRAQ, ICAT, SILAC, Tandem Mass Tag oder die markierungsfreie massenspektrometrische Quantifizierung. Aminosäuresequenzen können durch De-Novo-Peptidsequenzierung bestimmt werden. Die Massenspektrometrie von Proteinen wurde von der Zeitschrift Nature Methods zur Methode des Jahres 2012 gekürt.[56]

Durch eine MassTag-PCR können UV-labil markierte Nukleinsäuren identifiziert und quantifiziert werden.

Klimatologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Verhältnis der Häufigkeit bestimmter Isotope in Proben von Sedimenten und Eisbohrkernen lässt Rückschlüsse auf das Klima der Vergangenheit zu. Zum Beispiel verdampft Wasser, das das Isotop 16O enthält, leichter als solches, das das Isotop 18O enthält. Eiszeiten, bei denen große Mengen des Wassers als Eisschild dem Wasserkreislauf entzogen werden, verschieben die Häufigkeit dieser Isotope im Meer und damit auch im neu fallenden Schnee, aus der Sauerstoff-Isotopenstufe kann auf die Menge des Inlandeises zu der Zeit geschlossen werden, als die Probe gebildet wurde.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Massenspektrometrie wird auch in vielen technischen Bereichen genutzt, sie kann beispielsweise bei der Endpunkterkennung von Ätzprozessen eingesetzt werden. Ein anderer Anwendungsbereich ist die Einstellung und Optimierung der Gaszufuhr bei Beschichtungsprozessen (genauer chemische Gasphasenabscheidung). Hierbei wird das Abgas nach der Reaktion hinsichtlich unverbrauchter Reaktionsgase untersucht und die Gaszufuhr entsprechend angepasst, die Massenspektrometrie kann aber auch zur Analyse der abgeschiedenen Materialien eingesetzt werden. Dabei können mithilfe von SIMS auch Tiefenprofile erstellt werden, was unter anderem bei der Analyse von dünnen Schichten eingesetzt wird.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemein[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Jürgen H. Gross: Massenspektrometrie - Ein Lehrbuch. Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg 2013, ISBN 978-3-8274-2980-3.
  • Wolf Dieter Lehmann, Hans-Rolf Schulten: Physikalische Methoden in der Chemie: Allgemeine und Elektronenstoß-Massenspektrometrie I. In: Chemie in unserer Zeit. Band 10, Nr. 5, 1976, S. 147–158, doi:10.1002/ciuz.19760100504. 
  • Wolf Dieter Lehmann, Hans-Rolf Schulten: Physikalische Methoden in der Chemie: Massenspektrometrie II. In: Chemie in unserer Zeit. Band 10, Nr. 6, 1976, S. 163–174, doi:10.1002/ciuz.19760100602. 
  • Herbert Budzikiewicz, Mathias Schäfer: Massenspektrometrie – Eine Einführung. Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 3-527-30822-9.
  • Hans-Joachim Hübschmann: Handbook of GC/MS, Fundamentals and Applications. 3. Auflage. Wiley-VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 2015, ISBN 978-3-527-33474-2, auch als Online-Ressource verfügbar[1]
  • Fred W. McLafferty, Frantisek Turecek (Deutsche Übersetzung): Interpretation von Massenspektren. 4. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995, ISBN 0-935702-25-3.
  • A. M. Boehm u. a.: Command Line Tool for Calculating Theoretical MS Spectra for Given Sequences. In: Bioinformatics. 20(16), 2004, S. 2889–2891. doi:10.1093/bioinformatics/bth328
  • Alexander M. Lawson (Hrsg.): Mass Spectrometry - Clinical Biochemistry - Principles/Methods/Applications. Walter de Gruyter & Co., Berlin/ New York 1989, ISBN 3-11-007751-5.
  • Mass Spectrometry Milestones. In: Nature Methods. (2015), Band 12, Supplement (PDF).

Spektrensammlungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Spektrensammlungen liegen sowohl in gedruckten Werken als auch in gerätekompatiblen Dateiformaten vor. Letztere werden heute meist bereits mit den Geräten angeboten und für die komfortable Auswertung von unbekannten Massenspektren eingesetzt.

  • M. Spiteller, G. Spiteller: Massenspektrensammlung von Lösungsmitteln, Verunreinigungen, Säulenbelegmaterialien und einfachen aliphatischen Verbindungen. Springer Verlag Wien/ New York 1973, ISBN 3-211-81117-6.
  • A. Cornu, R. Massot: Compilation of Mass Spectral Data, Index de Spectres de Masse. Vol. 1 & Vol. 2, 2. Auflage. Heyden & Son, London/ Philadelphia/ Rheine 1979, ISBN 0-85501-086-X.
  • K. Pfleger, H. Maurer, A. Weber: Mass Spectral and GC Data of Drugs, Poisons and Their Metabolites. Part I & II, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1985, ISBN 3-527-26303-9.
  • NIST Standard Reference Database 1A, NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library with Search Program: (Data Version: NIST 11, Software Version 2.0g) NIST-Spektrensammlung, auch unter Einschluss von Designerdrogen verfügbar.
  • AISTSpectral Database for Organic CompoundsSDBS, enthält außerdem noch 1H/13C-, FT-IR-, Raman- und ESR-Spektren.

ICP-MS[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • W. Barger: Schulungsunterlagen zum ICP-MS Kurs 2006. LAS PerkinElmer (Germany) GmbH, Rodgau, unveröffentlicht.
  • Robert S. Houk, Velmer A. Fassel, Gerald D. Flesch, Harry J. Svec, Alan L. Gray, Charles E. Taylor: Inductively Coupled Argon Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements. In: Analytical Chemistry. Band 52, Nr. 14, 1980, S. 2283–2289, doi:10.1021/ac50064a012.
  • Simon M. Nelms (Hrsg.): Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Handbook. Blackwell u. a., Oxford u. a. 2005, ISBN 0-8493-2381-9.
  • Douglas A. Skoog, James J. Leary: Instrumentelle Analytik. Grundlagen, Geräte, Anwendung. Springer, Berlin u. a. 1996, ISBN 3-540-60450-2. (Übersetzung der 4. Auflage von Principles of Instrumental Analysis. Orlando 1992)
  • Howard E. Taylor: Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. Practices and Techniques. Academic Press, San Diego CA u. a. 2001, ISBN 0-12-683865-8.
  • Robert Thomas: Practical Guide to ICP-MS (= Practical Spectroscopy. 33). Dekker, New York NY u. a. 2004, ISBN 0-8247-5319-4.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nachbau des dritten Massenspektrometers von J. J. Thomson
Frühe Fotoplatte mit den Isotopen von Neon (20Ne und 22Ne)
Stark Fragmentiertes Massenspektrum - Elektronenstoß-Ionisation
Schematische Zeichnung eines hochauflösenden Sektorfeld-Massenspektrometers
Druckbereiche verschiedener Analysatoren
Schematische Zeichnung eines ICP/Sektorfeld-Massenspektrometers
Ionenfallen-Massenspektrometer
Funktionsprinzip eines Tandem-Massenspektrometers.
Beispiel eines Massenspektrums: Tetrachlordibenzofuran EI-positiv ionisiert
Massenspektrometer zur Bestimmung von 16O/18O und 12C/13C Isotopenverhältnissen an biogenem Karbonat
Beispiel eines Massenspektrums: das Peptid DSAHGFLK

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