Flugzeit-Massenspektrometrie

In vielen ToF-MS-Geräten werden cronologic TDCs oder ADCs verwendet, um die Ankunft einzelner Ionen präzise zu messen. Aus der Ankunftszeit wird die Flugzeit des Ions abgeleitet, aus der das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis des detektierten Teilchens bestimmt werden kann. Ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Messung ist dabei der extrem niedrige Cycle-to-Cycle Jitter unserer TDCs und ihre sehr geringe Totzeit bei der Erkennung von mehreren Treffern (Hits).

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Wenn es darum geht, die Zusammensetzung unbekannter Stoffe herauszufinden, dann kommen in den meisten Fällen Massenspektrometer zum Einsatz. Dies gilt sowohl für die Überprüfung von Verbindungen bei ihrer Herstellung als auch für die reine Analyse. Zu diesem Zweck wird die Masse individueller Atome oder Moleküle exakt bestimmt.

Die ToF-Massenspektrometrie (TOFMS) bietet dabei Vorteile hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Durchsatzes bei automatisierten Messmethoden, z.B. für high-throughput screening tools. Moderne Massenspektrometer arbeiten deshalb häufig in mehreren Stufen (Tandem-MS, MS/MS, MSn), bei denen eine abschließende ToF-Messung der exakten Untersuchung isolierter Ionen dient.

In den Flugzeitmassenspektrometern selbst werden ionisierte Atome bzw. Moleküle einer Probe anhand ihres Verhältnisses von Masse-zu-Ladung während der Passage eines Flugrohres separiert, sodass letztlich aus der Messung ihrer Flugzeit die Masse bestimmt werden kann. Die Ionen nehmen beim Eintritt in den Analysator (elektrisches Feld mit bekannter Feldstärke) proportional zu ihrer Ladung kinetische Energie auf. Dabei wird angestrebt, dass alle vorhandenen Ionen die gleiche kinetische Energie haben und leichte Ionen deshalb früher detektiert werden als schwere. Bei Ionen gleicher Ladung ist dies der Fall. Die gemessene Flugzeit (Time-of-Flight, ToF) wird aufgezeichnet und ist bei den auch als „linear Time of Flight instruments“ bezeichneten Geräten proportional zur Masse des Moleküls.
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Funktionsweise / Messaufbau:

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Es gibt eine Vielzahl von ausgeklügelten Messaufbauten in der ToF-Massenspektrometrie, die für ihren jeweiligen Einsatzbereich optimiert wurden. Bei vielen Analysen geht z.B. der eigentlichen TOF-Messung noch eine an diese gekoppelte chromatographische Trennung der Probe voraus. Dabei wird die ToF-MS mit Gaschromatographie (GC-MS), Flüssigchromatographie (LC-MS), Ionenmobilitäts-Spektrometrie (IMS-MS) oder mit Kapillarelektrophorese (CE-MS) bzw. einer Kombination derartiger Trennverfahren gekoppelt. Diese vorausgehende Trennung ist insbesondere bei der Auswertung sehr komplexer Proben hilfreich, wie sie z. B. in der Lebensmittelanalytik vorliegen. Das Kernstück der Geräte und der Schlüssel zu ihrer Präzision besteht in all diesen Fällen letztlich aus dem Flugzeitanalysator.

Wie wird die Ionisierung der Probe umgesetzt?

Je nach Anwendungsbereich und den chemischen, biologischen bzw. physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Probe kommen verschiedene Wege der Ionisierung in Betracht. Befindet sich z.B. bei GC-MS die Probe nicht bereits in der Gasphase, muss sie zunächst verdampft oder vernebelt werden. Die Ionisierung der Probensubstanz erfolgt dann typischerweise durch Stoßionisation (Elektronenstoßionisation), Protonierung (chemische Ionisation) oder mittels starkem Laserlicht. Im Idealfall entstehen dabei einfach geladene Ionen.

Here is a brief overview of various ion sources:

• Die Elektronenionisation (EI, früher auch als „Elektroneneinschussionisation“ und Elektronenstoßionisation bekannt) ist die klassische Art der Ionisation, bei der energiereiche Elektronen mit Atomen oder Molekülen in fester oder gasförmiger Phase interagieren. Eine Elektronenkanone erzeugt dabei Elektronen mittels einer Glühkathode und schießt diese Elektronen gezielt auf die Probe, aus welcher direkt Ionen erzeugt werden. Die zu ionisierenden Moleküle müssen zuerst durch Zufuhr thermischer Energie verdampft werden. Die auf diese Weise erzeugten Ionen können unterschiedliche Massen haben, sind aber größtenteils gleich geladen, wobei jedoch ihre Anregungsenergie oft ihr Ionisierungspotential weit übersteigt. EI überträgt eine große Menge an Schwingungsenergie auf die Probe, was zu einer umfassenden Fragmentierung führt. Diese Methode der harten Ionisierung ist nützlich für die Analyse flüchtiger, thermisch stabiler, organischer Verbindungen mit geringer Masse.
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• Sehr verbreitet ist die Methode des MALDI-TOF (Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung). Bei dieser wird Laserlicht in Verbindung mit einer chemischen Matrix verwendet, um die Probe zu ionisieren. Der Vorteil von MALDI-TOF MS liegt in dem hohen Durchsatz, mit dem verschiedenste Proben gemessen werden können. Nachteilig wirkt sich dabei allerdings aus, dass die Ionisierungseffizienz schnell abnimmt und dass ggf. die Laserquelle für lichtempfindliche Proben schädlich sein kann.
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• Die milderen Ionisationsbedingungen der Elektro-Spray Ionisation (ESI) bieten die Möglichkeit, labile und lichtempfindliche Proben schonender zu untersuchen. Das Sample wird dazu in sehr flüchtiger Flüssigkeit aufgelöst (Wasser, Ethanol, Methanol). Diese Analytlösung wird dann mit sehr hohem Druck durch sehr feine Metallkapillare gepresst, sodass sich ein Aerosol bildet. Dabei liegt die Spitze der Nadel am positiven Pol einer Hochvoltquelle. Beim Verlassen der Nadel nehmen die Tropfen des Aerosols Wasserstoff-Ionen aus der protischen Lösung auf. Die verbleibende Lösung verdampft, und die ionisierten Tröpfchen werden vom negativen Pol der Messeinrichtung angezogen und somit beschleunigt.
  
  Wichtig: Das Masse-Ladungsverhältnis der Probe wird durch diese Art der Ionisation verändert. Denn bei der Flugzeitberechnung ist die Masse der zusätzlich aufgenommenen Protonen zu berücksichtigen. Genauer gesagt ergeben sich für jeden Bestandteil der Analytlösung mehrere positive Ladungszustände, so dass dieser später mehrfach im Massenspektrum erscheint. Die Analyse der aufgezeichneten Messdaten ist folglich aufwändiger.
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• Bei der Photoionisation werden vergleichsweise wenige Ionen erzeugt. Da bei einer TOF-Messung alle von der Ionenquelle abgetasteten Ionen erfasst werden, ist diese Messmethode also den scannenden Massenanalysatoren bei Photoionisationsmassenspektrometrie und Photoelektron-Photoion-Koinzidenz- Spektroskopie deutlich überlegen. Dies ermöglicht u.a. die exakte Untersuchung von Reaktionsnetzwerken in Flammen. In der MBMS (Molekularstrahl-Massenspektrometrie) wird die molekularen Masse von Molekülen in reaktiven Medien bestimmt. Die Kombination dieser Probenahme-Technik mit einem Flugzeit-Massenspektrometer ermöglicht eine simultane Detektion nahezu aller chemisch-relevanten Spezies, eingeschlossen radikalischer und anderer hochreaktiver Spezies. Dadurch wird der gesamte Massebereich von der Gasphase bis hin zu Partikeln im Nanometerbereich zugänglich.
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• Bei der Feldionisation bewirken starke elektrische Felder in unmittelbarer Nähe zu scharfen Spitzen, dünnen Drähten oder scharfen Kanten ebenfalls eine Ionisation. Diese erfolgt hierbei auf der Oberfläche des Feldemitters indem ein elektronisch hochangeregtes Atom oder Molekül spontan ein Elektron verliert, ohne dass es zu einer weiteren Wechselwirkung mit der Energiequelle kommt. Es handelt sich daher um eine sehr schonende Ionisationsmethode, die als Felddesorption bezeichnet wird und heute gerade in Kombination mit exakten TOF-Messungen wieder an Bedeutung gewinnt.
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• Beim Fast Atom Bombardement wird von einer Atom- oder Ionenkanone ein beschleunigter Strahl von Atomen (normalerweise Xenon) oder Ionen (normalerweise Cäsium) auf ein kleines Ziel aus Metall geschossen. Das Metalltarget wird auf eine Sonde montiert und mit einer viskosen flüssigen Matrix (meist Thioglycerin oder m-Nitrobenzylalkohol) beladen, in welcher die zu analysierende Probe gelöst ist. Wenn der Atom- oder Ionenstrahl mit der Matrix kollidiert, werden viele Oberflächenmoleküle der Probe ionisiert, in das Hochvakuum gesputtert und dann zum Detektor bewegt.
  
  FAB ist im Vergleich zur Elektronenstoßionisation ein „sanftes“ Ionisierungsverfahren, welches sich für eine Vielzahl von Verbindungen eignet, sofern die Probe in der Matrix löslich ist.
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• Bei der Spektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) wird zunächst durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld ein Plasma in einem Argon-Gasstrom generiert, in welchem ein Probenaerosol auf Temperaturen im Bereich von 5.000–10.000 °C erhitzt wird. Die Inhaltsstoffe der Proben werden in diesem Prozess verdampft, in ihre atomaren Bestandteile zerlegt und ionisiert.
  
  Durch die Kopplung mit ToF-Messungen bietet diese Ionisationsmethode sehr gute Nachweisgrenzen und gilt in der anorganischen Elementanalytik als robuste Methode zur Elementspurenanalyse von Schwermetallen, wie Quecksilber, Blei oder Cadmium.

Since extensive further developments are taking place with regard to ionization techniques, this list does not claim to be exhaustive.

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Die verwendeten Detektoren:

Der Zeitpunkt des Eintreffens der Ionen am Ende der Flugstrecke wird mit Hilfe von Detektoren gemessen. Die folgenden Detektoren kommen bei TOF-MS zum Einsatz:

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• Prinzipiell stellt ein Faraday-Becher die einfachste Form eines Detektors dar. Dieser sammelt Ionen und läd sich dabei elektrisch auf. Er wird auf einem konstantem Potenzial gehalten und, wobei die Ladung über einen Widerstand abfließt und der gemessene Spannungsabfall gemessen und registriert wird. Ein Vorteil des Faraday-Auffangers liegt in seiner Zuverlässigkeit und in der Möglichkeit, den Ionenstrom oder Elektronenstrom direkt als Absolutwert zu messen. Dieses System wird wegen seiner geringen Nachweisempfindlichkeit fast ausschließlich lediglich noch in der Isotopen-Massenspektrometrie eingesetzt. Der Verstärkungsfaktor liegt bei 1.
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• Klassische Photomultiplier (Photoelektronenvervielfacher, Photovervielfacher, Photomultiplier Tubes, PMT) arbeiten im ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei handelt es sich um Elektronenröhren, die schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) auffangen und so weit verstärken, dass aus freien Elektronen weitere freie Elektronen geringerer Energie entstehen, wodurch die schwachen Eingangssignale in messbare Stromstärken umgewandelt werden. Sie bestehen typischerweise aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) in einem evakuierten Glaskolben. Ihr Verstärkungsfaktor beträgt bis zu 10⁸.
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• Moderne Silizium-Photomultiplier (SiPM) basieren auf einer Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD). Diese fortschrittlichen Avalanche-Photodioden (APDs) nutzen den photoelektrischen Effekt zur Erzeugung von Ladungsträgern und den Lawineneffekt zur internen Verstärkung. Es handelt sich also bei SiPM um optische Sensoren auf Basis eines Siliziumsubstrates, die eine extrem hohe Empfindlichkeit aufweisen und somit ebenfalls die Detektion von schwachem Licht bis hin zum einzelnen Photon ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Photomultiplier-Röhren (PMTs) kommen sie mit einer deutlich kleineren Versorgungsspannung aus. Sie kommen u.a. auch bei der die Detektion einzelner Teilchen in der Hochenergiephysik zum Einsatz. Heute ist es mit analogen SiPM möglich, dass aus einer ausgegebenen Spannung direkt auf die Photonenrate geschlossen werden kann. Digitale SiPM Chips bieten inzwischen sogar die Möglichkeit, einzelne Photonen zu zählen und gleichzeitig direkt binäre Zeitstempel zu generieren.

• Hybride Photodetektoren  (Hybridphotodetektoren, HPD, Hybrid Photomultiplier Röhren, HPMT) erfassen sehr geringe Lichtmengen, indem sie die Eigenschaften von Photomultipliern und Avalanche-Photodioden kombinieren. Von einer Photokathode (z.B. aus Galliumarsenidphosphid, GaAsP) die eine hohe Quantenausbeute ermöglicht, werden die Photoelektronen im Vakuum mittels eines elektrischen Feldes beschleunigt und treffen auf eine Avalance Photodiode (APD), so dass es zu einer extremen Vervielfältigung des ursprünglichen Photoelektrons kommt. Solche Detektoren sind durch ihre vergleichsweise niedrige statistische Schwankung der Endzahl der erzeugten Elektronen in der Lage, die Anzahl der anfänglich erzeugten Photoelektronen genau zu bestimmen, solange die maximale Aufnahmekapazität nicht überschritten wird. Die Photokathode kann in der Regel kleiner ausfallen, als bei Photomultipliern (PMTs).
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• Daly-Detektoren sind Hochleistungs-Ionenzählgeräte mit sehr hohem Dynamikumfang. Sie dienen daher der Messung von kleinen Proben und Isotopen geringer Häufigkeit und werde daher häufig in Molekularstrahlexperimenten in Kombination mit der Flugzeit-Massenspektrometrie verwendet. Ihr Aufbau ermöglicht die Separation des eingesetzten Photomultipliers vom Inneren des Massenspektrometers. Dazu wird in solch einem Detektor eine aluminisierten Kathode (ein sogenannter „Daly-knob“ oder eine Umwandlungsdynode) auf einem sehr großen negativen Potential gehalten, sodass Ionen dermassen stark von ihr angezogen werden, dass beim Auftreffen Sekundärelektronen emittiert werden. Zwischen der Kathode und einem Szintillator ist wiederum eine Hochspannung angelegt, welche die Elektronen in Richtung Szintillator beschleunigt, sodass diese dort Photonen auslösen, die durch ein Glasfenster in eine Photomultiplier-Röhre geleitet werden. Der Photomultiplier detektiert und zählt letztlich die Photonen, welche durch das Glasfenster treten. Das Glasfenster lässt ausschließlich die Photonen durch und verhindert damit eine Kontamination, was die Lebensdauer des Photomultipliers auf eine Lebensdauer von bis zu 5 Jahren erhöht.
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• Channeltrons (Channel PhotoMultiplier, CPM) interagieren mit Elektronen, Ionen und UV-Strahlung und erzeugen aus einem primären Teilchen eine Elektronenlawine. Sie arbeiten im Vakuum und erzeugen massive Sekundärelektronenemissionen mit hoher Emissionsrate. Bei diesen Detektoren handelt es sich um Strukturen in Glas- oder Keramikkörpern, die je nach Bauart hinter einem Eingangstrichter ein horn-, kreis-, sinus- oder spiralförmiges Kanalrohr aufweisen. Das Innere dieses Rohres ist mit einer Elektronen-emittierenden Schicht bedampft. Trifft ein Elektron auf die besagte Schicht, so wird es aufgrund der angelegten Hochspannung beschleunigt und löst bei den darauffolgenden Kollisionen mit der Rohrwand eine Lawine von Sekundärelektronen aus, die als Spannungspulse gemessen werden können. Die gebogene Form des Kanalrohres stellt dabei sicher, dass die bei einem Wandstoß erzeugten Sekundärelektronen sicher mehrfach auf die Wand auftreffen um somit weitere Elektronen auszulösen. Ihr Verstärkungsfaktor beträgt bis zu 10^8.
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• Mikrokanalplatten-Detektoren (MCP) erfassen Elektronen, Ionen oder hochenergetischer Photonen. Sie können als Weiterentwicklung einfacher Channeltrons betrachtet werden und bestehen aus einer plattenförmigen Matrix aus Glaskapillaren (zwischen 10μm und 100μm Innendurchmesser), die innen mit einem Halbleitermaterial versehen sind. Dieses Schicht auf den Kapillarwänden besitzt Elektronen-emittierende Eigenschaften, wobei das Bleiglas ein hohen elektrischen Widerstand zwischen den Kapillaren gewährleistet. Jede der Kapillaren wirkt bei der Detektion als Elektronenvervielfacher: Zwischen beiden metallisierten Plattenseiten liegt eine Beschleunigungsspannung an und die Kapillare ist zur Plattenachse leicht verkippt angeordnet, sodass einfallende Elektronen mit Sicherheit mehrfach auf die Wand der jeweiligen Kapillare treffen und dabei immer wieder Sekundärelektronen erzeugen. Diese können dann mit Hilfe von schnellen TDCs oder ADCs als messbare Impulse erfasst werden. Mikrokanalplatten arbeiten besonders rauscharm und liefern aufgrund der Matrix-Anordnung bei Bedarf auch räumliche Informationen. Ihr Verstärkungsfaktor liegt im Bereich von 10⁴.
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Wie genau erfolgt die Auswertung bei der TOF-Massenspektrometrie?

Enthält ein Atom in einer Verbindung natürlich auftretende Isotope, so werden diese bei einem hochwertigen TOF-Massenspektrometer auch im Massenspektrum sichtbar sein, denn die Isotope haben ihre eigenen Masse/Ladungsverhältnisse. Diese Komplexität bietet bei der Auswertung der Massenspektren zusätzliche Möglichkeiten bei der Bestimmung von Proben-Inhalten. Zur Identifikation von Probeninhalten werden in einem TOF-Massenspektrometer daher meist die folgenden Daten ermittelt:

• Die akkurate Masse der ionisierten Verbindung. Neben der Konstruktion des Massenspektromerters und den Anforderungen an das Vakuum ist es bei vielen Geräten für exakte Messungen wichtig, dass das verwendete Massenspektrometer akkurat kalibriert wird. Die Genauigkeit der Kalibrierung wird dabei zusammen mit der Messung erfasst. Zur Kalibrierung wird dabei z.B. eine Kalibrierlösung mit bekanntem Inhalt verwendet.
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• Die relative Häufigkeit von Isotopen für jede ionisierte Verbindung. Die Anzahl der counts für jedes Verhältnis von Masse zu Ladung ist charakteristisch für verschiedene Stoffe und lässt ebenfalls Rückschlüsse auf den Inhalte der Probe zu.
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• Das sogenannte Isotope-Spacing. Der Isotopenabstand, also die Unterschiede zwischen den Masse-Ladungs-Verhältnissen der Isotope eines Stoffes sind ebenfalls carakteristisch.

Die Vorteile der TOF-Massenspektrometrie im Vergleich zu anderen massenspektrometrischen Verfahren:

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• TOF-MS ermöglicht die gleichzeitige Messung der Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse aller Ionen für schnelle Messungen ohne Einschränkung im Massenbereich. In einem einzigen Scan kann der gesamte Massenbereich mit enorm hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit analysiert werden.
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• TOF-Messungen bieten dank ihres enormen Massenauflösungsvermögens besonders exakte Detektionsmöglichkeiten.
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• Bei TOF-Messungen gehen in der Regel keine wichtigen Informationen über Probe-Inhalte verloren, sodass auch besonders komplexer Gemische charakterisiert werden können.
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• Da selbst Isotope gesondert im Massenspektrum erscheinen, erleichtern TOF-Messungen die Identifizierung von Analyten und damit die Interpretation der Messungen.

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Author: Uwe Thomaschky

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