Massenspektrometrie bezeichnet ein Verfahren zum Messen der Masse von (historisch ursprünglich) Atomen oder (heute meist) 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-Verhältnis m/z (auch m/q) „sortiert“, beispielsweise räumlich in Teilstrahlen auftrennt wie in einem Sektorfeld-Massenspektrometer. Die Moleküle können dabei fragmentiert werden. 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. Gelegentlich werden auch Diffusionspumpen-Systeme mit einer Vorpumpe und einer Diffusionspumpe hergestellt.
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 sowie zur Bestimmung des Edelmetallanteils in Legierungen. 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 mini|hochkant=2|Nachbau des dritten Massenspektrometers von J. J. Thomson
Die Massenspektrometrie basiert auf einer Hypothese, die vom britischen Chemiker William Prout im frühen 19. Jahrhundert aufgestellt wurde, und besagt, dass jede Art von Atomen eine definierte Masse hat – damals als Atomgewicht bezeichnet. Er hatte festgestellt, dass die Masse der Atome einiger chemischer Elemente dem ganzzahligen Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entsprach.William Prout: On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. In: Annals of Philosophy. 6, 1816, S. 321–330 (online)William Prout: Correction of a mistake in the essay on the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. In: Annals of Philosophy. 7, 1816, S. 111–113 (online) 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 35,45fache der Wasserstoffmasse beträgt. (Dies liegt daran, dass es sich um ein Mischelement handelt.) 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.E. Goldstein: Canalstrahlen. In: Sitzungsbericht der Preussischen Akademie der Wissenschaften. Band 691, 1886, S. 691–699.E. Rückardt: Zur Erinnerung an Wilhelm Wien bei der 25. Wiederkehr seines Todestages. In: Die Naturwissenschaften. 42. Jahrgang, Heft 3, 1955, S. 57–62, doi:10.1007/BF00589524.E. Rückhardt: Zur Entdeckung der Kanalstrahlen vor fünfzig Jahren. In: Die Naturwissenschaften. 24. Jahrgang, Heft 30, 1936, S. 465–467, doi:10.1007/BF01473963.J. J. Thomson: Cathode Rays. In: Philosophical Magazine. 44, 1897, S. 293, doi:10.1080/14786431003659214 ().J. J. Thomson: Rays of positive electricity. In: Proceeding of the Royal Society A. 89, 1913, S. 1–20 (Digitalisat auf JSTOR), wie exzerpiert in Henry A. Boorse, Lloyd Motz: The World of the Atom. Vol 1, 1966 F. W. Aston: Kanalstrahlen und Atomphysik. In: Die Naturwissenschaften. 24. Jahrgang, Heft 30, 1936, S. 467–469, doi:10.1007/BF01473964.
hochkant|mini|Frühe Fotoplatte mit den Isotopen von Neon (20Ne und 22Ne) Später, ab dem Jahr 1897, publizierte Joseph J. Thomson verschiedene Experimente,J.J. Thomson: XLII. . In: Philosophical Magazine Series 6. 19, 1910, S. 424, doi:10.1080/14786440308636816. in denen er in Vakuumröhren Kathodenstrahlen 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 Massenspektroskops Fotoplatten 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 den Grundstein für das Design heutiger Massenspektrometer legte.A. J. Dempster: A New Method Of Positive Ray Analysis. In: Phys. Rev. Band 11, 1918, S. 316. 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.F. W. Aston: LXXIV. A positive ray spectrograph. In: Philosophical Magazine Series 6. 38, 1919, S. 707, doi:10.1080/14786441208636004.Kevin M. Downard: Francis William Aston: The Man Behind the Mass Spectrograph. In: European Journal of Mass Spectrometry. 13, 2017, S. 177, doi:10.1255/ejms.878. Mit dessen neuer 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 ein Massenspektrometer mit einer Auflösung von 600 und einer Genauigkeit von 1:10.000. Er verwendete es zur Bestätigung der Energie-Masse-Äquivalenz von Albert Einstein, E = mc2.
1934 beschrieben Josef Mattauch und Richard Herzog ein doppelfokussierendes Massenspektrometer (Mattauch-Herzog-Geometrie, von Mattauch und Herzog 1936 gebaut), das Mattauch für die in der damaligen Zeit präzisesten Atommassenbestimmungen nutzte.
Im Jahr 1939 beschrieben Alfred Nier und Earl A. Gulbransen (1909–1992) das Isotopenverhältnis von Kohlenstoff.Alfred O. Nier, Earl A. Gulbransen: Variations in the Relative Abundance of the Carbon Isotopes. In: Journal of the American Chemical Society. 61, 1939, S. 697, doi:10.1021/ja01872a047. Im Jahr 1946 wurde von William E. Stephens die gepulste Ionisation entwickelt, wodurch der messbare Massenbereich vergrößert wurde und die Grundlage für das erste Flugzeit-Massenspektrometer entstand.William E. Stephens: A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion. In: Physical Review. 69, 1946, S. 674, doi:10.1103/PhysRev.69.674.2. Das erste Flugzeitmassenspektrometer wurde 1948 von A.E. Cameron und D.F. Eggers gebaut.A. E. Cameron, D. F. Eggers: An Ion “Velocitron”. In: Review of Scientific Instruments. 19, 1948, S. 605, doi:10.1063/1.1741336. Eine deutliche Verbesserung der Auflösung wurde 1955 durch William C. Wiley und seinen Mitarbeiter Ian H. McLaren erzielt.William C. Wiley, Ian H. McLaren: Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. In: Review of Scientific Instruments. 26, 1955, S. 1150, doi:10.1063/1.1715212.
hochkant=2|mini|Stark Fragmentiertes Massenspektrum - Elektronenstoß-Ionisation Während des Manhattan-Projekts wurden zum Bau von Atombomben große Isotopenanreicherungsanlagen (Calutrons) gebaut, die nach dem Prinzip von Massenspektrometern arbeiteten.William E. Parkins: The Uranium Bomb, the Calutron, and the Space-Charge Problem. In: Physics Today. 58, 2005, S. 45, doi:10.1063/1.1995747. In den 1950er Jahren wurde von Roland Gohlke und Fred McLafferty das erste Mal ein Massenspektrometer als Detektor für eine Chromatographie-Methode eingesetzt.F. W. McLafferty: Mass Spectrometric Analysis Broad Applicability to Chemical Research. In: Analytical Chemistry. 28, 1956, S. 306, doi:10.1021/ac60111a005.F. W. McLafferty: Mass Spectrometric Analysis. Molecular Rearrangements. In: Analytical Chemistry. 31, 1959, S. 82, doi:10.1021/ac60145a015.R. S. Gohlke: Time-of-Flight Mass Spectrometry and Gas-Liquid Partition Chromatography. In: Analytical Chemistry. 31, 1959, S. 535, doi:10.1021/ac50164a024. Beide koppelten einen Gaschromatographen mit einem Massenspektrometer. Durch diese Methode konnten das erste Mal Substanzgemische in einer Anlage getrennt und identifiziert werden. 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.
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 Klaus Biemann und Kollegen zur Proteinidentifikation eingesetzt.K. Biemann, G. Gapp, J. Seibl: APPLICATION OF MASS SPECTROMETRY TO STRUCTURE PROBLEMS. I. AMINO ACID SEQUENCE IN PEPTIDES. In: Journal of the American Chemical Society. 81, 1959, S. 2274, doi:10.1021/ja01518a069.
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 Burnaby Munson und Frank H. Field die chemische Ionisation (CI) veröffentlicht. Die Verbindung zweier Massenspektrometer über eine Kollisionskammer durch Jean Futrell und Dean Miller führte 1966 zur Entwicklung des ersten Tandem-Massenspektrometers.Jean H. Futrell: Tandem Mass Spectrometer for Study of Ion-Molecule Reactions. In: Review of Scientific Instruments. 37, 1966, S. 1521, doi:10.1063/1.1720033.K.R. Jennings: Collision-induced decompositions of aromatic molecular ions. In: International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics. 1, 1968, S. 227, doi:10.1016/0020-7381(68)85002-8. Im Jahr 1969 publizierte H. D. Beckey die Felddesorption (FD).H. D. Beckey: Field ionization mass spectrometry. In: Research/Development. 20(11),1969, S. 26.H. D. Beckey: Strukturbestimmung organischer Moleküle und quantitative Analysen mit dem Feldionisations-Massenspektrometer. In: Angewandte Chemie. 81, 1969, S. 17–18, 662.