Herbert Budzikiewiczund Mathias Schäfer

Massenspektrometrie

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Herbert Budzikiewicz und Mathias Schäfer

Massenspektrometrie

Eine Einführung

6., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage

Autoren

Prof. Dr. Herbert BudzikiewiczDepartment für ChemieInstitut für Organische ChemieGreinstrasse 450939 Köln

PD Dr. Mathias SchäferDepartment für ChemieInstitut für Organische ChemieGreinstrasse 450939 Köln

6. vollständig überarbeitete Auflage 2012

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Print ISBN: 978-3-527-32911-3

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 6. Auf lage XIAus dem Vorwort zur 1. Auflage XIII

Einleitung XV

Teil I Grundlagen 1

1 Terminologie 3

2 Apparative Grundlagen 92.1 Das Einlasssystem 92.1.1 Möglichkeiten der Probeneinführung 92.1.1.1 Indirekte Probeneinführung 102.1.1.2 Direkte Probeneinführung 102.1.1.3 Die Kopplung mit einem Gaschromatographen 112.1.2 Die Probenmenge im Routinebetrieb 112.1.3 Verunreinigungen 112.1.4 Die Veränderung von Proben vor der Ionisierung 142.1.5 Herstellung flüchtigerer Derivate 152.2 Ionenquellen 162.2.1 Ionisierungsverfahren, die zu M+ führen 162.2.1.1 Elektronenionisation 162.2.1.2 Photo- und Laserionisation 172.2.1.3 Feldionisation 172.2.2 Chemische Ionisation 182.2.3 Oberflächenionisation (Desorptionsverfahren) 212.2.3.1 Felddesorption 212.2.3.2 Fast-Atom Bombardment 232.2.3.3 Cf-Plasmadesorption 242.2.3.4 Matrixunterstützte Laserdesorption/-ionisation 242.2.3.5 Desorption Electrospray Ionisation (DESI) und Direct Analysis

in Real Time (DART) 24

V

:

2.2.4 Sprayverfahren 262.2.4.1 Elektrospray- und Ionensprayverfahren 272.2.5 Chemische Ionisation und Photoionisation bei

Atmosphärendruck 302.2.6 Massenspektrometrie mit einem induktiv gekoppelten

Plasma 302.2.7 Spezielle Ionisierungsverfahren für Metalle und anorganische

Verbindungen 302.2.7.1 Sekundärionen-Massenspektrometrie und verwandte

Techniken 302.2.7.2 Thermoionisation 312.2.7.3 Vakuumentladungen (Funkenionenquellen) 312.3 Analysator 312.3.1 Beschleunigung 312.3.2 Trennung der Ionen 322.3.2.1 Magnetfeldgeräte 322.3.2.2 Flugzeit- (Time of Flight, TOF) -Massenspektrometer 322.3.2.3 Ionenbeweglichkeitsspektrometer 332.3.2.4 Quadrupol-Massenspektrometer (Massenfilter) 332.3.2.5 Quadrupol-Ionenfallen (Quistor, q-Ion Trap) 352.3.2.6 Ionenzyklotronresonanz-Spektrometer 352.3.2.7 Orbitraps 372.3.2.8 Beschleuniger-Massenspektrometer 372.3.2.9 Tandemgeräte 382.3.3 Auflösungsvermögen und Fokussierung 402.4 Registrierung 432.4.1 Technische Durchführung 432.4.2 Ausgabe der Messdaten 452.4.2.1 Gesamtionenstrom 452.4.2.2 Selected-Ion Monitoring 452.4.2.3 Vollständige Massenspektren 472.4.2.4 Die Bestimmung der nominellen Ionenmassen 492.4.2.5 Die Bestimmung der exakten Ionenmasse 492.5 Rechnersysteme 51

3 Ionenarten 533.1 Das Molekülion 533.2 Fragmentionen 543.3 Mehrfach geladene Ionen 553.4 Quasi-Molekülionen 563.5 Metastabile Ionen 563.6 Tandem-Massenspektrometrie 583.6.1 Grundlagen 583.6.2 Technische Durchführung 623.6.2.1 Sektorfeldgeräte 62

VI Inhaltsverzeichnis

3.6.2.2 Triplequad-Geräte 633.6.2.3 Stoßaktivierung und Fragmentierung in der Elektrospray-

Ionenquelle: In-source oder Skimmer-CID 653.7 Fragmentierungsmuster 653.7.1 Abhängigkeit des Fragmentierungsmusters von der Mole-

külstruktur 653.7.2 Abhängigkeit des Fragmentierungsmusters von Betriebspara-

metern 67

Teil II Die Auswertung von Massenspektren 73

4 Die Bestimmung von Molekülmasse und Elementar-zusammensetzung 75

4.1 Molekülmasse 754.2 Die Elementarzusammensetzung einer Verbindung 76

5 Isotopenanalyse 795.1 Die Berechnung von Isotopenmustern 795.2 Hohe und extrem hohe Massen 815.3 Nachweis und quantitative Bestimmung schwerer Isotope 84

6 Qualitative und quantitative Analyse von Gemischen 876.1 Vorbemerkungen 876.2 Qualitative Analytik 876.2.1 Mit chromatographischer Trennung 876.2.1.1 GC-Kopplung 876.2.1.2 LC- und CE-Kopplung 886.2.2 Qualitative Analyse ohne vorhergehende chromatographische

Trennung 896.3 Quantitative Analytik 91

7 Bindungsenergien und thermodynamische Daten aus IE-und AE-Messungen 95

8 Die Interpretation der Fragmentierungsmuster organischerVerbindungen 99

8.1 Symbolik 998.2 Allgemeine Vorbemerkungen 1018.3 Das Konzept der „lokalisierten Ladung“ 1058.4 Typische Zerfalls- und Umlagerungsreaktionen 1078.5 Hinweise zur Interpretation von Spektren 110

9 Besprechung einzelner organischer Verbindungsklassen 1159.1 Kohlenwasserstoffe 1159.1.1 Alkane 115

Inhaltsverzeichnis VII

9.1.2 Alkene 1179.1.3 Alkine 1189.1.4 Alicyclen 1189.1.5 Aromatische Kohlenwasserstoffe 1189.2 Hydroxyverbindungen 1239.2.1 Aliphatische Alkohole 1239.2.2 Cycloalkanole 1259.2.3 Phenole und Benzylalkohole 1269.3 Ether 1309.3.1 Aliphatische Ether 1309.3.2 Cyclische Ether 1319.3.3 Aromatische Ether 1329.4 Thiole und Thioether 1349.5 Amine 1369.5.1 Aliphatische Amine 1369.5.2 Cycloalkylamine 1389.5.3 Aromatische Amine 1389.6 Halogenverbindungen 1409.6.1 Aliphatische Halogenverbindungen 1409.6.2 Aromatische Halogenverbindungen 1429.7 Nitroverbindungen 1439.8 Aldehyde und Ketone 1449.8.1 Aldehyde 1449.8.2 Aliphatische Ketone 1459.8.3 Cycloalkanone 1479.8.4 Aromatische Ketone 1479.9 Carbonsäuren und Ester 1509.9.1 Aliphatische Säuren und ihre Ester 1509.9.2 Aromatische Säuren und ihre Ester und Amide 1529.10 Koordinationsverbindungen 155

10 Beispiele aus dem Naturstoffbereich 15710.1 Aminosäuren und Peptide 15710.2 Zucker 16510.3 Steroide 16910.4 Dopinganalyse 171

11 Stereochemische Probleme 177

12 Anhang 18112.1 Weiterführende Literatur 18112.1.1 Allgemeine und apparative Grundlagen 18112.1.2 Kopplungstechniken 18112.1.3 Anorganische und Komplexchemie 18212.1.4 Organische Chemie 182

VIII Inhaltsverzeichnis

12.1.5 Biochemie, Naturstoffe u.ä. 18212.1.6 Enzyklopädie und periodisch erscheinende Literatur 18312.1.7 Spektrensammlungen 18312.2 Englische Fachausdrücke 18412.3 Abkürzungen 18812.4 Ausgewählte Isotopenmassen und -häufigkeiten 19012.5 Umrechnungsfaktoren 19512.6 Lösungen der Aufgaben 19512.7 EI-Massenspektren wichtiger Lösungsmittel und von

Hahnfett 21112.8 Literatur 21312.9 Sachregister 219

Inhaltsverzeichnis IX

Vorwort zur 6. Auf lage

Als 1971 die erste Auflage dieses Bändchens entstand, konnte man sich inHinblick auf Ionisierungsverfahren auf die Elektronenionisation (EI) und aufder apparativen Seite auf Sektorfeldgeräte beschränken. In den Jahren da-nach kamen die chemische Ionisation, Plasmadesorption, Fast-Atom Bom-bardment und insbesondere die verschiedenen Spray- sowie Laserdesorp-tionsverfahren hinzu, die Zugang zu den höchsten Massenbereichen (mitMolmassen >106 Da) gestatten. Heute gewinnen Techniken an Bedeutung,die eine Probennahme unter Umweltbedingungen erlauben, also ohne Vor-trennung und bei Atmosphärendruck. Chemische Ionisation, Fast-AtomBombardment und insbesondere Plasmadesorption haben inzwischen wie-der an Bedeutung verloren; sie werden nur noch kurz beschrieben, um dasVerständnis der älteren Literatur zu erleichtern. Sektorfeldgeräte werden nurnoch eingeschränkt eingesetzt; stattdessen beherrschen heute Quadrupolge-räte, Ionenfallen („ion traps“, „orbitraps“) und Flugzeitgeräte sowie Kom-binationen verschiedener Analysatoren den Markt.Diese Neuauflage soll nach Absprache mit dem Verlag den ursprüng-

lichen Zweck der Reihe „Studienbücher der Instrumentellen Analytik“fortführen, dem Chemiestudenten den Einstieg in die Massenspektrome-trie zu erleichtern (vergl. unten „Aus dem Vorwort zur 1. Auflage“). So istauch die 6. Auflage keine vollständige Neubearbeitung, sie möchte aber denEntwicklungen der letzten Jahre Rechnung tragen.Breiten Raum nimmt nach wie vor die Diskussion des Zerfalls einfacher

organischer Moleküle bei der Elektronenionisation-Massenspektrometrieein. Hier ist die Korrelation zwischen Struktur und Massenspektrum ambesten dokumentiert und experimentell und theoretisch abgesichert. Aufdiese Weise kann man sich mit den Gedankengängen, die der Interpreta-tion von Massenspektren zugrunde liegen, und der Problematik der Me-thode am leichtesten vertraut machen und das so erworbene Wissen aufandere Techniken und Verfahren übertragen. Zwar kann man (abgesehenvon kleinen Molekülen) die Struktur einer Verbindung, über die nichtsweiter bekannt ist, nur in seltenen Fällen allein aus dem Fragmentierungs-muster ableiten, aber man kann mit guter Aussicht auf Erfolg Struktur-

XI

Massenspektrometrie: Eine Einführung. H. Budzikiewicz und M. SchäferCopyright © 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

vorschläge bestätigen oder ablehnen sowie in Kombination mit anderenMethoden und Informationen Strukturaufklärung betreiben.Massenspektrometer sind heute ausnahmslos mit Computern zur Steue-

rung und Auswertung der Messdaten ausgestattet und werden damitzunehmend zur „black box“, d. h., Akquisition und Verarbeitung der Mess-daten ist weitgehend der Kontrolle des Analytikers entzogen. Umso wichti-ger ist es, dass er in der Lage ist zu beurteilen, ob ein Ergebnis auchvernünftig ist, und zu wissen, wo Fehler liegen können. Auf diese Proble-matik wird an mehreren Stellen des Buches hingewiesen. Insbesonderemuss mit aller Deutlichkeit vor einem blinden Vertrauen in Strukturvor-schläge gewarnt werden, die ein Computer durch Vergleich der erhaltenenDaten mit einer kommerziellen Spektrensammlung macht. Gerade hierwird das Beherrschen von Fragmentierungsregeln gute Dienste bei derÜberprüfung leisten.Ein Problem ist nach wie vor der Fachjargon und die Unsitte, Abkürzun-

gen bzw. Akronyme ohne nähere Erläuterung zu verwenden1) (siehe Kapitel12). 1974 und in überarbeiteter Form 1978 und 1991 sind die Recommenda-tions for Symbolism and Nomenclature for Mass Spectroscopy und 2006 einEntwurf für Standard Definitions of Terms Relating to Mass Spectrometryerschienen [1]. Da sich Nomenklaturempfehlungen erfahrungsgemäß nurlangsam (oder in der fachfernen Literatur auch gar nicht) durchsetzen,werden in der vorliegenden Einführung neben den in den Recommendationsempfohlenen Ausdrücken auch solche erwähnt (zumindest in Kapitel 12),die häufiger in der Literatur anzutreffen sind.Danken möchten wir Herrn P. Christiansen (Bremen, Abb. 6.1), Prof. Dr.

J. Grotemeyer (Kiel, Abb. 10.5), Prof. Dr. Th. Kruck† und Dr. J. P. Loux(Köln, Abb. 2.20, 2.21), Prof. Dr. W. Schänzer (Köln, Abb. 10.12‒10.16) fürAbbildungs- und Spektrenmaterial sowie Prof. Dr. G. Spiteller (Bayreuth)für Abb. 8.3 sowie die Erlaubnis, die Abb. 2.1, 2.17, 3.7 und 8.2 aus seinemBuch Massenspektroskopische Strukturanalyse organischer Verbindungen zuübernehmen. Die Spektren in Kapitel 9 und Abschnitt 10.1 stammen ausder Bibliothek des National Institute of Standards (NIST).Herrn M. Neihs (Köln) danken wir für technische Unterstützung.Köln, im Januar 2012H. Budzikiewicz, M. Schäfer

1) Zwei Beispiele aus Ankündigungen auf einer Fachtagung: „CZE-MS and LC-MS inter-faces for APCI“ und „Sequencing peptides with CID/PDS MALDI-TOF“. Wem nachDurcharbeiten dieses Buches noch nicht klar ist, worum es dabei geht, dem sei ein Blickin Kapitel 12 (am Ende von Abschnitt 12.6) empfohlen.

XII Vorwort zur 6. Auflage

Aus dem Vorwort zur 1. Auf lage

Dieser Band ist ‒ der Zielsetzung der Reihe „Studienbücher der Instru-mentellen Analytik“ entsprechend ‒ für den Chemiestudenten bestimmt,der am Anfang seiner Ausbildung steht und mit der Massenspektrometriezum ersten Mal in Berührung kommt. Voraussetzungen für das Verständ-nis des Gebotenen sollen daher nur Grundkenntnisse der Chemie-Diplom-ausbildung sein. Darauf basierend wird versucht, die Grundlagen derMassenspektrometrie logisch aufzubauen. Für ein Verständnis spätererKapitel ist es daher notwendig, daß das Buch systematisch durchgearbeitetwird. Auf diese Weise soll eine Grundlage für das Verständnis weiterfüh-render Werke auf dem Gebiet der Massenspektrometrie geschaffen werden.

Aus dem Vorwort zur 1. Auflage XIII