Die Massenspektrometrie ist ein Teil der Chemie, der dir sicherlich schon begegnet ist. Jegliche Massenzahlen, die du für Atome kennst, wurden mithilfe dieser Technik bestimmt. Damit befinden wir uns im Gebiet Analytische Chemie.
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Feedback sendenWir werden dir nun im Folgenden zuerst erklären, wie ein Massenspektrometer aufgebaut ist. Mithilfe dieser Apparatur läuft die Spektrometrie selbst ab, die wir dir direkt im Anschluss erklären. Zum Abschluss dieses Artikels lernst du, warum diese Technik für dich noch immer relevant ist.
Die wichtigsten Informationen erhältst du am Ende zusammengefasst. Damit lernst du noch besser für deine nächste Prüfung.
Allgemein lässt sich für die Massenspektrometrie folgende Definition aufstellen:
Die Massenspektrometrie ist ein Messverfahren, bei dem die Masse im Verhältnis zur Ladung analysiert wird. Das lässt sich formulieren über
mit m für die Masse und q als Ladung. Ist zum Beispiel die Ladung bekannt, kann daraus auf die Masse geschlossen werden.In der Chemie selbst ist die Massenspektrometrie eine Methode der Strukturaufklärung. Dabei werden chemische Elemente und Verbindungen analysiert. Allerdings findet diese Methode auch in anderen Gebieten eine Anwendung.
In der Physik wird sie vor allem dafür verwendet, um die Isotopenzusammensetzung chemischer Elemente zu überprüfen. In der Biologie erfolgt eine ähnliche Anwendung, die aber vor allem darauf abzielt, Proteine und ihre entsprechenden Metabolismen nachzuverfolgen.
Damit du die Massenspektrometrie verstehst, erhältst du zuerst einen Überblick über den Aufbau eines Massenspektrometers. Die folgende Abbildung zeigt dir einen möglichen Aufbau. Da es inzwischen zahlreiche unterschiedliche Systeme gibt, werden sich abhängig von der Funktion einige Bausteine unterscheiden. In diesem Beispiel findest du die grundlegenden Aspekte, die essentiell sind.
Abbildung 1: Aufbau eines Massenspektrometers; Quelle: ivv.frauenhofer.de
Grundlegend gibt es drei Bausteine, die du in jedem Massenspektrometer findest:
Wie diese Einzelteile konkret aufgebaut sind, ist immer unterschiedlich. Das hängt zum Einen davon ab, welche Probe du analysierst. Gleichzeitig spielt es eine Rolle, welche Ergebnisse du erhalten möchtest. Je nach gewünschtem Ergebnis findet die Auswahl eines Massenspektrometers statt.
In diesem Abschnitt lernst du die Funktionsweise eines Massenspektrometers kennen. Dabei gehen wir besonders auf die drei wichtigsten Bestandteile ein und ihre verschiedenen Variationen.
Das Wichtigste befindet sich gleich am Anfang und nennt sich Ionenquelle. Hier wird die zu analysierende Probe ionisiert, das heißt es entstehen geladene Teilchen. Nur so können sie später im elektrischen oder magnetischen Feld abgelenkt werden. Teilchen, die keine Ladung haben, kann man auch nicht beeinflussen.
Dieser Prozess lässt sich mit folgender Gleichung beschreiben:
Dies geschieht über verschiedene Verfahren. Ein paar davor stellen wir dir vor, damit du eine Ahnung davon bekommst, was genau passiert. Diese Anwendungen wirst du vorrangig auch in der Praxis finden:
Innerhalb dieser Ionenquelle gibt es nun ein Feld, dass die Ionen beschleunigt und sie durch einen Kollektorspalt in den Analysator schickt. Dieser unterscheidet sich bei den meisten Massenspektrometern am meisten.
In dem Fall in der Abbildung siehst du ein Beispiel, in dem Analysator ein magnetisches und ein elektrisches Feld besitzt. Häufig wird aber nur eine der beiden Varianten verwendet. Die Aufgabe beider Felder ist jedoch gleich. Die Ionen werden abgelenkt auf eine Kreisbahn. Aufgrund der unterschiedlichen Massen der Ionen sind sie zuerst einmal unterschiedlich schnell und werden auch unterschiedlich stark abgelenkt.
Tatsächlich gibt es inzwischen auch dafür zwei Formeln, mit denen du den jeweiligen Ablenkradius berechnen kannst. Wichtig ist dabei die Unterscheidung der Felder.
Im Magnetfeld gilt die folgende Gleichung:
r = Ablenkradius
m = Masse des Ions
v = Geschwindigkeit des Ions
e = Ladung des Ions
B = Magnetfeldstärke
x = Anzahl der Ladungen
Dem gegenüber steht das elektrische Feld mit einer sehr ähnlichen Gleichung, die allerdings nicht verwechselt werden darf.
r = Ablenkradius
m = Masse des Ions
v = Geschwindigkeit des Ions
e = Ladung des Ions
E = Elektrische Feldstärke
Zum Schluss fehlt nur noch der Detektor. Dieser gestaltet sich meist abhängig vom Analysator, denn auch hier sind wieder Unterscheidungen möglich. Die wichtigste Frage ist dabei, ob die Angaben zeit- oder ortsabhängig analysiert werden sollen.
Man spricht von ortsabhängigen Detektoren, wenn die Ionen einen unterschiedlichen Radius besitzen, der nun registriert wird.
Zeitabhängig hingegen bezieht sich meist auf elektrische Verstärker. Die Ionen treffen am gleichen Punkt ein, aber zeitversetzt.
Abbildung 2: Beispiel eines Massenspektrums; Quelle: chemgapedia.de
Hier siehst du ein mögliches Beispiel, wie so ein Massenspektrum nach dem Detektor aussehen kann. Die einzelnen Striche werden als Peaks bezeichnet. Der höchste davon gibt meist an, um welches Teilchen es sich handelt, da es in der höchsten Frequenz vorkommt.
In Aceton gibt es drei vorherrschende Elemente: Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Dafür lassen sich die entsprechenden Peaks erkennen, die in der Abbildung auch markiert sind.
Dank dieser Methoden konnte man also die Massen der einzelnen Atome bestimmen und berechnen. Viele Moleküle sind heutzutage bekannt, daher stellt sich durchaus die Frage, warum der Massenspektrometer auch heute noch seine Anwendung findet. Die Antwort darauf gibt dir der nächste Abschnitt.
Obwohl wir bereits zahlreiche Moleküle kennen, sind wir sicherlich noch nicht am Ende angekommen, vor allem nicht bei den aktuellen Möglichkeiten der synthetischen Herstellung. Daher spielt hier die Massenspektrometrie immer noch eine Rolle. Allerdings findet sie in ein paar Gebieten Anwendung, die noch weit darüber hinausgehen. Daher zeigen wir dir Beispiele, die die Bedeutung noch einmal hervorheben:
Weitere Anwendungsbereiche sind die Technik und Biochemie.
Wie du siehst, spielt die Massenspektrometrie noch immer eine wichtige Rolle. Ein essentieller Teil ist dabei die Analyse der Vergangenheit, doch auch für aktuelle Situation wird er immer wieder verwendet. So können wir bestimmen, wie verunreinigt Abgase zum Beispiel sind. Dieses Thema spielt besonders im Hinblick auf den Klimaschutz eine Rolle. Daher ist es für dich wichtig, dass du dich damit auskennst und weißt, welche Möglichkeiten du mithilfe dieser eigentlich simplen Methode hast.
Damit du die Inhalte dieses Artikel besser lernst, haben wir die wichtigsten Aspekte noch einmal kurz für dich zusammengefasst.
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Wie funktioniert ein Massenspektrometer?
In einem Massenspektrometer werden zuerst die Teilchen der Probe ionisiert, bevor sie beschleunigt werden. Mithilfe eines elektrischen und/oder magnetischen Felds werden sie entsprechend ihrer Masse und Geschwindigkeit abgelenkt. Ein Detektor nimmt dann entweder orts- oder zeitabhängig die Ankunft der Teilchen wahr. Die Auswertung erfolgt anschließend über ein Massenspektrum.
Wie entsteht ein Massenspektrum?
Ein Massenspektrum gibt orts- oder zeitabhängig die Ankunft der ionisierten Teilchen wieder. Es entsteht durch die unterschiedlichen Auftreffen der unterschiedlichen Teilchen.
Warum werden gebildete Ionen im Massenspektrometer beschleunigt?
Die Beschleunigung erfolgt, damit die Teilchen abgelenkt werden können. Der Einfluss des magnetischen oder elektrischen Felds wirkt nur auf Teilchen, die sich in Bewegung befinden.
Was wird mit einem Massenspektrometer gemessen?
Allgemein formuliert lässt sich mit einem Massenspektrometer die Masse im Verhältnis zur Ladung analysieren. Ursprünglich wurde folglich die Masse der einzelnen Atome im Periodensystem bestimmt. Inzwischen dient sie der Strukturaufklärung sowie in Physik der Nachprüfung von Isotopenzusammensetzungen. In der Biologie können damit Proteine und ihre Metabolismen nachverfolgt werden.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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