Ein einzelnes Molekül wiegt ungefähr ein Billionstel eines Billionstel Gramms. Auf keiner Waage der Welt ließe sich das ablegen. Trotzdem bestimmen Labore die Masse einzelner Moleküle routinemäßig — und zwar auf mehrere Nachkommastellen genau.
Der Trick besteht darin, gar nicht zu wiegen, sondern etwas anderes zu messen: wie stark sich ein geladenes Teilchen im elektrischen oder magnetischen Feld ablenken lässt.
In diesem Artikel erfährst du:
- warum Moleküle zuerst elektrisch geladen werden müssen
- was das Masse-zu-Ladung-Verhältnis ist
- wie ein Massenspektrum aussieht und was darin steht
- was Isotopenmuster verraten
- wie sich Moleküle gezielt zerlegen lassen, um mehr zu erfahren
Schritt 1: Ionisieren
Ein elektrisch neutrales Molekül lässt sich von einem elektrischen Feld nicht beeindrucken. Der erste Schritt jeder massenspektrometrischen Messung besteht deshalb darin, es in ein geladenes Teilchen zu überführen. Man nennt das Ionisation, und das Ergebnis ein Ion.
Für empfindliche organische Moleküle hat sich die Elektrospray-Ionisation durchgesetzt, kurz ESI. Dabei wird die Probenlösung durch eine feine Kapillare gesprüht, an der eine hohe Spannung anliegt. Es entsteht ein Nebel geladener Tröpfchen; das Lösungsmittel verdampft, und zurück bleiben die geladenen Moleküle.
Das Elegante daran: Die Methode ist schonend. Die Moleküle bleiben dabei in aller Regel intakt. Meist lagert sich schlicht ein Proton an — aus dem Molekül M wird dann [M+H]⁺, also ein um eine Wasserstoffmasse schwereres, einfach positiv geladenes Ion. Manchmal lagern sich stattdessen Natrium- oder Kaliumionen an; solche Varianten heißen Addukte.
Für die Auswertung heißt das: Man rechnet die angelagerte Ladung wieder heraus, um auf die Masse des ursprünglichen Moleküls zu kommen.
Schritt 2: Trennen nach m/z
Jetzt kommt der eigentliche Messvorgang. Die Ionen werden beschleunigt und durch ein Feld geschickt. Wie stark ein Ion dabei von seiner Bahn abweicht, hängt von zwei Größen ab: seiner Masse und seiner Ladung.
Ein schweres Ion lässt sich träger ablenken als ein leichtes. Ein doppelt geladenes reagiert stärker als ein einfach geladenes. Beides zusammen ergibt die Größe, die ein Massenspektrometer tatsächlich misst: das Masse-zu-Ladung-Verhältnis, geschrieben als m/z.
Bei einfach geladenen Ionen — dem Normalfall in der organischen Analytik — entspricht m/z zahlenmäßig einfach der Masse des Ions. Bei zweifach geladenen erscheint das Molekül bei der halben Zahl.
Für die Trennung gibt es verschiedene Bauarten. Ein Quadrupol nutzt vier parallele Stäbe mit wechselnden Spannungen und lässt jeweils nur Ionen eines bestimmten m/z passieren. Ein Flugzeitanalysator — englisch time of flight, kurz TOF — misst schlicht, wie lange ein Ion für eine bekannte Strecke braucht: Leichte sind schneller da.
Das Massenspektrum
Das Ergebnis ist ein Strichdiagramm. Auf der horizontalen Achse steht m/z, auf der vertikalen die Häufigkeit der gemessenen Ionen. Jeder Strich steht für Ionen einer bestimmten Masse.
Der höchste Strich heißt Basispeak. Der Strich, der dem intakten Molekül entspricht, ist der Molekülpeak.
Hochauflösung: die Nachkommastellen zählen
Bis hierher könnte man meinen, ein Molekül mit der Masse 535 sei einfach ein Molekül mit der Masse 535. Tatsächlich steckt darin viel mehr Information — wenn man genau genug misst.
Der Grund: Die Massen der einzelnen Isotope sind keine glatten Zahlen. Maßgeblich ist hier nicht das mittlere Atomgewicht eines Elements, sondern die exakte Masse des jeweils häufigsten Isotops — die sogenannte monoisotopische Masse. Für ¹²C beträgt sie definitionsgemäß exakt 12,000, für ¹H 1,00783, für ¹⁴N 14,00307, für ¹⁶O 15,99491. Diese Nachkommastellen unterscheiden sich, und deshalb kommen verschiedene Elementkombinationen mit derselben ganzzahligen Masse auf unterschiedliche exakte Massen.
Geräte mit hochauflösender Massenspektrometrie, kurz HRMS, trennen sehr eng benachbarte Massen voneinander — das ist gemeint, wenn von Auflösungsvermögen die Rede ist. Praktisch lässt sich die Masse damit auf mehrere Nachkommastellen genau bestimmen. Damit lässt sich aus einer gemessenen Masse rückwärts eingrenzen, welche Summenformel überhaupt in Frage kommt. Die Genauigkeit wird dabei in ppm angegeben — Teilen pro Million. Eine Abweichung von 5 ppm bedeutet bei einer Masse von 500 gerade einmal 0,0025 Masseneinheiten.
Isotopenmuster: der eingebaute Fingerabdruck
Hier wird es besonders schön. Die meisten Elemente kommen in der Natur als Mischung mehrerer Isotope vor — Varianten desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Masse.
Kohlenstoff besteht zu rund 98,9 Prozent aus ¹²C und zu 1,1 Prozent aus ¹³C. In einem Molekül mit vielen Kohlenstoffatomen ist die Wahrscheinlichkeit spürbar, dass eines davon ein ¹³C ist. Deshalb zeigt praktisch jedes organische Molekül neben seinem Hauptsignal ein kleines Begleitsignal eine Masseneinheit darüber.
Bei manchen Elementen ist dieser Effekt dramatisch:
| Element | Isotope | Verhältnis | Abstand im Spektrum |
|---|---|---|---|
| Chlor | ³⁵Cl / ³⁷Cl | etwa 3 : 1 | 2 Masseneinheiten |
| Brom | ⁷⁹Br / ⁸¹Br | etwa 1 : 1 | 2 Masseneinheiten |
| Schwefel | ³²S / ³⁴S | etwa 22 : 1 | 2 Masseneinheiten |
| Bor | ¹⁰B / ¹¹B | etwa 1 : 4 | 1 Masseneinheit |
Ein Molekül mit einem Bromatom zeigt deshalb zwei gleich hohe Signale im Abstand von zwei Masseneinheiten — ein Anblick, den man nie mehr vergisst. Chlor erzeugt bei ebenfalls zwei Masseneinheiten Abstand ein Verhältnis von drei zu eins. Bei Bor liegen die beiden Isotope dagegen nur eine Masseneinheit auseinander, im Verhältnis von etwa eins zu vier.
Das ist praktisch außerordentlich nützlich: Das Isotopenmuster ist damit ein zweiter, von der reinen Massenzahl unabhängiger Hinweis darauf, welche Elemente im Molekül stecken. Besonders aussagekräftig ist es bei Chlor, Brom, Schwefel und Bor; die Muster von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff allein sind dagegen weniger eindeutig.
Fragmentierung: das Molekül gezielt zerlegen
Manchmal reicht die Gesamtmasse nicht. Dann zerlegt man das Molekül absichtlich.
Bei der Tandem-Massenspektrometrie, kurz MS/MS, wird zunächst ein bestimmtes Ion herausgefiltert, dann in einer Kollisionszelle mit einem Inertgas beschossen und dabei in Bruchstücke zerlegt. Diese Fragmente werden anschließend gemessen.
Weil Moleküle bevorzugt an bestimmten Bindungen brechen, ergibt sich ein charakteristisches Bruchstückmuster — eine Art Steckbrief, der weit spezifischer ist als die Gesamtmasse allein. Genau darauf beruhen die Substanzdatenbanken, mit denen forensische und klinische Labore arbeiten.
Was die Masse nicht verrät
Eine Masse ist eine Summe. Sie sagt, welche Atome vorhanden sind — nicht, wie sie angeordnet sind.
Isomere sind Verbindungen mit identischer Summenformel und damit identischer exakter Masse, aber unterschiedlichem Aufbau. Massenspektrometrisch sind sie deshalb nicht ohne Weiteres zu unterscheiden. Manchmal hilft die Fragmentierung, weil unterschiedlich gebaute Moleküle unterschiedlich zerbrechen; manchmal die Chromatographie, weil Isomere unterschiedlich lange in der Säule bleiben.
Wo es auf die Anordnung der Atome ankommt, ist deshalb die Kernspinresonanz das Verfahren der Wahl. Sie betrachtet nicht die Summe, sondern die Nachbarschaft.
Warum die Kopplung mit der Chromatographie
In der Praxis steht das Massenspektrometer selten allein. Meist sitzt davor eine HPLC — die Kombination heißt dann LC-MS.
Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Chromatographie liefert die Bestandteile nacheinander, das Massenspektrometer bestimmt zu jedem Zeitpunkt die Massen. Man erhält also nicht nur eine Liste aller Massen in der Probe, sondern weiß zusätzlich, welche Masse zu welchem chromatographischen Peak gehört.
Kurz zusammengefasst
Massenspektrometrie wiegt keine Moleküle im eigentlichen Sinn — sie misst, wie stark sich geladene Teilchen ablenken lassen, und rechnet daraus das Masse-zu-Ladung-Verhältnis.
Hochauflösende Geräte messen so genau, dass sich daraus die Summenformel eingrenzen lässt. Und das Isotopenmuster liefert gratis eine zweite, unabhängige Information darüber, welche Elemente enthalten sind. In Kombination mit einer vorgeschalteten Chromatographie ist das eines der leistungsfähigsten Werkzeuge der analytischen Chemie.
Quellen
- IUPAC Gold Book: Mass spectrometry, Mass-to-charge ratio, Electrospray ionization — Begriffsdefinitionen
- IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights: ciaaw.org — Isotopenhäufigkeiten und Atomgewichte
- Weiterführend: HPLC, LC-MS und NMR im Überblick
