Hoe werkt massaspectrometrie?

Massaspectrometrie (MS) is een veel gebruikte techniek om moleculen te kunnen identificeren. Die identificatie vindt plaats aan de hand van de massa's van verschillende brokstukken van het te onderzoeken molecuul.

Werking van de massaspectrometer

Om een stof met de massaspectrometer te kunnen analyseren dient het in de gasfase te zijn. Vaste stoffen en vloeistoffen worden daarom eerst door verdamping in de gasfase gebracht. Met behulp van een vacuümpomp wordt het gasvormige monster vervolgens door het apparaat gezogen. Hierbij passeert het monster een aantal verschillende onderdelen.

Ionisatiekamer

Als eerste passeert het monster de ionisatiekamer. Hierin worden de moleculen, onder invloed van een zeer krachtig elektrisch veld, gebombardeerd met elektronen. Hierbij onstaat een eenwaardig positief ion: het molecuulion. Uit moleculen ethanol (C2H5OH) bijvoorbeeld ontstaat zo een ethanol-ion:

C2H5OH+ereactiepijlC2H5OH+\(\,^{\small\bullet}\) +2 e

Het relatief instabiele molecuulion kan in brokstukken uiteen vallen. Dit proces wordt fragmentatie genoemd. De fragmenten die ontstaan zijn karateristiek voor de structuur van het molecuul.
Zo kan een ethanolion bijvoorbeeld fragmenteren tot een ethylion en een hydroxylradicaal.

C2H5OH+\(\,^{\small\bullet}\) reactiepijlC2H5++OH\( ^{\small\bullet}\)

Meer informatie over de vorming van fragmenten vind je in Binas-tabel 39D of ScienceData-tabel 11.4.

Versnelling

De gevormde fragmenten worden in een volgend onderdeel van de massaspectrometer versneld door middel van een elektrisch veld.

Magnetisch veld

De versnelde fragmenten komen vervolgens aan bij een magnetisch veld. Dit magnetisch veld zorgt er voor dat de fragmenten worden afgebogen. Ze gaan niet meer rechtdoor maar maken een bocht. De mate waarin ieder fragment-ion afbuigt is afhankelijk van de massa: de zwaarste ionen zullen het minst worden afgebogen.

Afbuiging van fragmentionen door een magnetisch veld.

Detectie

De ionen zijn nu gescheiden op basis van hun massa. Als laatste volgt de detectie. De intensiteiten van de gescheiden ionenbundels worden als functie van de massa geregistreerd. Hierdoor ontstaat een patroon, dat massaspectrum wordt genoemd.

Schematische weergave van een massaspectrometer.

Massaspectrum

Een massaspectrum is dus een afbeelding van de massa's van de geladen fragmenten die afkomstig zijn van het te onderzoeken molecuul. Hieronder is het massaspectrum weergegeven van pentaan.

Het massaspectrum van pentaan.

De piek uiterst rechts behoort bij het brokstuk met de grootste massa. In de regel is dat het molecuulion. Hieruit kan de molecuulmassa dus direct worden afgelezen. Door vervolgens te puzzelen met de massa's van kleinere brokstukken en Binas-tabel 39D of ScienceData-tabel 11.4 kan vaak de molecuulstructuur worden vastgesteld.

GC-MS

Voor de scheiding en identificatie van een mengsel van onbekende stoffen wordt de massaspectrometer vaak gekoppeld aan een gaschromatograaf. De gaschromatograaf zorgt dan voor de scheiding van de verschillende componenten van het onbekend mengsel waarna de massaspectrometer de verschillende componenten afzonderlijk analyseert en identificeert.

Een typische gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) opstelling met rechts de gaschromatograaf en links de massaspectrometer.