Chemische Ionisation und APCI
Wie ein ionisiertes Reaktandgas Analytmoleküle schonend in Quasimolekülionen überführt und wie man diese im Spektrum über die Massendifferenz zuordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die chemische Ionisation (CI) ist ein weiches Ionisationsverfahren, bei dem Ionen eines Reaktandgases die gasförmigen Analytmoleküle ionisieren.
- Elektronen ionisieren nur das Reaktandgas im Überschuss; der Analyt wird durch eine Ionen-Molekül-Reaktion ionisiert, nicht durch direkten Elektronenbeschuss.
- Mit Methan entsteht über \(\ce{CH5+}\) das Quasimolekülion \(\ce{[M+H]+}\) bei M+1, begleitet von kleinen Signalen bei M+29 und M+41.
- Die CI ist schonender als die EI: geringe Fragmentierung, intensives Quasimolekülion, und Quasimolekülionen mit Reaktandgas-Anteil gibt es nur bei der CI.
- Mit Ammoniak bildet sich das Addukt \(\ce{[M+NH4]+}\) bei M+18, etwa \(m/z\) 360 bei Saccharose oder \(m/z\) 198 bei D-Mannose.
- Bei der APCI erzeugt eine Koronaentladung bei Atmosphärendruck Reaktandionen, die Ionen aus verdampften Neutralteilchen bilden.
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Worum es geht
Die chemische Ionisation ist das weiche Gegenstück zur Elektronenionisation. Sie liefert vor allem das Signal des intakten Moleküls und damit die Molmasse, auch wenn das EI-Spektrum kein Molekülion zeigt. In der Arzneistoffanalytik ist das wertvoll für empfindliche Stoffe wie Zucker oder Glykoside.
Prinzip der CI
Bei der chemischen Ionisation (CI) trifft der Elektronenstrahl nicht den Analyten selbst. Er ionisiert zuerst ein Reaktandgas. Dieses Gas liegt in der Ionenquelle in großem Überschuss vor, grob tausendfach gegenüber der Probe. Der Druck ist mit etwa 1 mbar viel höher als bei der Elektronenionisation. Die Elektronen stoßen deshalb fast nur auf Gasmoleküle.
Die entstandenen Reaktandgas-Ionen stoßen danach vielfach mit Neutralmolekülen zusammen. Trifft ein solches Ion auf ein gasförmiges Analytmolekül, gibt es seine Ladung in einer Ionen-Molekül-Reaktion weiter, meist als Proton. Der Analyt wird also indirekt ionisiert. Man kann sich das wie eine Staffel vorstellen: Der Elektronenstoß gibt die Energie an das Gas, das Gas reicht nur noch die Ladung sanft weiter.
Mit Methan beginnt die Kaskade mit dem Elektronenstoß auf das Gas:
\[\ce{CH4 + e- -> CH4^{.+} + 2e-}\]
Das Radikalkation reagiert sofort mit einem weiteren Methanmolekül zum eigentlichen Reaktandion \(\ce{CH5+}\):
\[\ce{CH4^{.+} + CH4 -> CH5+ + CH3^{.}}\]
\(\ce{CH5+}\) ist eine starke Gasphasensäure. Es überträgt ein Proton auf den Analyten M:
\[\ce{CH5+ + M -> [M+H]+ + CH4}\]
Nebenbei entstehen im Methanplasma auch \(\ce{C2H5+}\) und \(\ce{C3H5+}\). Die Abbildung zeigt die Quelle mit vielen Gasmolekülen und wenigen Analytmolekülen.
Gebräuchliche Reaktandgase sind Methan, Isobutan, Ammoniak und Wasserstoff. Sie unterscheiden sich darin, wie bereitwillig ihr Reaktandion ein Proton abgibt. \(\ce{H3+}\) aus Wasserstoff protoniert sehr kräftig, \(\ce{NH4+}\) aus Ammoniak nur schwach. Auch Helium und Stickstoff lassen sich einsetzen. Ihre Ionen übertragen kein Proton, sondern entreißen dem Analyten ein Elektron (Ladungsaustausch).
Mehrfach geladene Molekülionen entstehen bei der CI nicht. Die energiereichen Elektronen, oft über 70 eV, erreichen den Analyten praktisch nie. Die Ionen-Molekül-Reaktion überträgt nur eine einzige Ladung.
Quasimolekülionen
Eine Protonierung in der Gasphase setzt nur wenig Energie frei. Der Elektronenstoß der EI bringt dagegen viel Überschussenergie ins Molekül. Die CI ist deshalb eine weiche Ionisationsmethode und schonender als die EI (zur Einordnung siehe harte und weiche Ionisation). Fragmentierungen in der Ionenquelle treten nur in geringem Ausmaß auf. Das Signal des intakten Moleküls ist dafür intensiv und oft der Basispeak.
Ein Quasimolekülion ist ein geladenes Ion aus dem intakten Analytmolekül und einem angelagerten Ion des Reaktandgases, etwa \(\ce{[M+H]+}\) oder \(\ce{[M+NH4]+}\). Solche Anlagerungsprodukte heißen Addukte (Adduktionen), ihr Signal Quasimolekülion-Peak.
Das Quasimolekülion trägt eine echte positive Ladung. Es ist also ein Kation und kein nach außen neutrales Zwitterion. Anders als das Radikalkation \(\ce{M^{.+}}\) der EI hat \(\ce{[M+H]+}\) eine gerade Elektronenzahl. Auch das macht es stabiler.
Mit Methan als Reaktandgas erscheint das Quasimolekülion \(\ce{[M+H]+}\) bei M+1. Kleine Begleitsignale bei M+29 (\(\ce{[M+C2H5]+}\)) und M+41 (\(\ce{[M+C3H5]+}\)) stammen von den Nebenionen des Methanplasmas. Sie stützen die Zuordnung, wie der Vergleich mit dem EI-Spektrum derselben Verbindung zeigt.
Quasimolekülionen mit Bestandteilen des Reaktandgases gibt es nur bei der CI. Der EI fehlt das Reaktandgas, sie liefert das Radikalkation \(\ce{M^{.+}}\) und viele Fragmente. Fehlt \(\ce{M^{.+}}\) im EI-Spektrum, klärt ein CI-Spektrum die Molmasse.
Im Methan-CI-Spektrum ist das starke Signal bei M+1 das protonierte Molekül und nicht das \(\ce{^{13}C}\)-Isotopensignal. Die Molmasse erhält man deshalb, indem man 1 vom \(m/z\)-Wert abzieht.
Wenige Fragmente heißen nicht, dass das Spektrum nur von der Masse abhängt. Isobare haben dieselbe nominelle Masse und damit Quasimolekülionen bei gleichem \(m/z\). Ihre Fragmentierungsmuster nach CI müssen aber nicht übereinstimmen. Welche Bindungen brechen, bestimmt die Struktur.
Examensklassiker: Die CI ist schonender als die EI, fragmentiert nur wenig und liefert mit Methan ein intensives Quasimolekülion \(\ce{[M+H]+}\) bei M+1. Achte darauf, dass Quasimolekülionen mit Reaktandgas-Anteil nur bei der CI entstehen, nicht bei der EI.
Ammoniak-Addukte
Auch Ammoniak wird zuerst durch Elektronen ionisiert. Das Radikalkation reagiert mit einem zweiten Ammoniakmolekül zum Ammoniumion:
\[\ce{NH3^{.+} + NH3 -> NH4+ + NH2^{.}}\]
\(\ce{NH4+}\) ist eine schwache Säure. Es protoniert nur Analyten, die basischer sind als Ammoniak, etwa Amine. Bei weniger basischen Stoffen wie Zuckern lagert sich das ganze Ion an:
\[\ce{M + NH4+ -> [M+NH4]+}\]
Dieses Addukt ist ebenfalls ein Quasimolekülion. Es erscheint bei M+18, weil \(\ce{NH4+}\) die Masse 18 hat. Lagert sich zusätzlich ein Ammoniakmolekül an, entsteht \(\ce{[M+N2H7]+}\) bei M+35. Ein Signal bei M+18 verrät damit Ammoniak als Reaktandgas. Mit Methan oder Isobutan entsteht kein Addukt bei M+18, denn deren Reaktandionen enthalten keinen Stickstoff.
| Reaktandgas | Reaktandion | typische Quasimolekülionen | Lage im Spektrum |
|---|---|---|---|
| Methan | \(\ce{CH5+}\), \(\ce{C2H5+}\) | \(\ce{[M+H]+}\), \(\ce{[M+C2H5]+}\) | M+1, M+29 |
| Isobutan | \(\ce{C4H9+}\) | \(\ce{[M+H]+}\), \(\ce{[M+C4H9]+}\) | M+1, M+57 |
| Ammoniak | \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{[M+H]+}\), \(\ce{[M+NH4]+}\) | M+1, M+18 |
Ein CI-Spektrum zuordnen
Die Zuordnung gelingt immer über die Differenz zwischen Signal und Molmasse.
- Molmasse berechnen: Aus der Summenformel die nominelle Masse M bestimmen.
- Differenzen bilden: Für jedes größere Signal \(\Delta = m/z - M\) ausrechnen.
- Differenz deuten: +1 steht für \(\ce{[M+H]+}\), +18 für \(\ce{[M+NH4]+}\) und damit Ammoniak, +29 und +41 für Methan.
- Basispeak benennen: Das höchste Signal ist der Basispeak. In der Ammoniak-CI ist das oft das Ammonium-Addukt.
Saccharose (\(\ce{C12H22O11}\)) hat M = 342. Im Spektrum liegen Signale bei \(m/z\) 343, 360 und 377. Die Differenzen +1, +18 und +35 zeigen \(\ce{[M+H]+}\), das Ammonium-Addukt und das Addukt mit zusätzlichem Ammoniak. Der Basispeak bei \(m/z\) 360 ist das Quasimolekülion \(\ce{[M+NH4]+}\), das Reaktandgas war also Ammoniak.
Nach demselben Muster zeigt D-Mannose (\(\ce{C6H12O6}\), M = 180) ihr Ammonium-Addukt bei \(m/z\) 198 als Basispeak.
APCI
Bei der APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) läuft die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck ab. Die gelöste Probe wird durch eine beheizte Kapillare versprüht und verdampft. An einer Koronanadel entsteht eine Entladung. Sie ionisiert Stickstoff- und Lösungsmittelmoleküle, die nun die Rolle des Reaktandgases übernehmen.
Diese Ionen protonieren die verdampften Analytmoleküle wie in der klassischen CI. Die Ionen entstehen also aus Neutralteilchen in der Gasphase. Anders ist es bei der Elektrospray-Ionisation, denn dort liegen die Ionen meist schon in der Lösung vor.
Warum sich die APCI besonders als Schnittstelle zur Flüssigchromatographie eignet, erklärt die Einheit zur LC-MS-Kopplung.
Quiz
Aussage 1
Ein Signal bei M+18 im CI-Spektrum spricht für ein Ammonium-Addukt und damit für Ammoniak als Reaktandgas.
\(\ce{NH4+}\) hat die Masse 18 und lagert sich an den Analyten an. Methan oder Isobutan liefern kein solches Addukt.
Aussage 2
Weil bei der CI nur wenig Energie auf den Analyten übergeht, treten deutlich weniger Fragmente auf als bei der EI.
Die Protonierung überträgt wenig Überschussenergie. Die CI ist daher weich, Fragmente treten nur in geringem Ausmaß auf.
Aussage 3
Bei der APCI entstehen die Ionen bei Atmosphärendruck aus verdampften Neutralteilchen.
Eine Koronaentladung ionisiert Stickstoff- und Lösungsmittelmoleküle, die dann die neutralen Analytmoleküle in der Gasphase ionisieren.
Aussage 4
Bei der chemischen Ionisation werden die Analytmoleküle durch direkten Beschuss mit beschleunigten Elektronen ionisiert.
Die Elektronen ionisieren nur das Reaktandgas. Der Analyt wird anschließend durch Reaktion mit den Reaktandgas-Ionen ionisiert.
Aussage 5
Im Methan-CI-Spektrum erscheint das Quasimolekülion \(\ce{[M+H]+}\) als intensives Signal bei M+1.
\(\ce{CH5+}\) überträgt ein Proton auf den Analyten, das protonierte Molekül liegt eine Masseneinheit über M.
Aussage 6
Quasimolekülionen sind nach außen neutrale Zwitterionen und werden daher nur indirekt detektiert.
Quasimolekülionen tragen eine echte positive Ladung, etwa \(\ce{[M+H]+}\), und werden direkt als Ionen nachgewiesen.
Aussage 7
Im Ammoniak-CI-Spektrum der D-Mannose (\(M = 180\)) entspricht der Basispeak bei \(m/z\) 198 dem protonierten Molekül \(\ce{[M+H]+}\).
Die Differenz beträgt 18, der Peak ist das Ammonium-Addukt \(\ce{[M+NH4]+}\). \(\ce{[M+H]+}\) läge bei \(m/z\) 181.
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