Chromatographie-MS-Kopplungen und Tandem-MS
Welche Ionisationsverfahren zur direkten Kopplung mit GC und LC passen, warum polare Analyte für die GC-MS silyliert werden und wie Tandem-MS arbeitet.
Das Wichtigste in Kürze
- GC-MS und LC-MS koppeln eine chromatographische Trennung direkt mit der Identifizierung im Massenspektrometer.
- Für GC-MS ist die Elektronenionisation (EI) das passende Verfahren, weil die Analyten schon gasförmig ankommen. ESI und MALDI eignen sich nicht.
- Die quantitative GC-MS wird durch den \(\ce{CO2}\)-Gehalt der Raumluft nicht beeinträchtigt.
- Polare Analyte werden durch Silylierung mit Chlorsilanen in leichter verdampfbare Derivate überführt.
- Für LC-MS eignen sich ESI und APCI, die bei Atmosphärendruck ionisieren. EI und MALDI sind für die direkte Kopplung ungeeignet.
- In der Tandem-MS wählt Q1 ein Vorläuferion, q2 fragmentiert es durch Stöße mit Argon, Q3 analysiert die Produktionen.
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Worum es geht
Chromatographie trennt Gemische, das Massenspektrometer identifiziert die getrennten Stoffe über ihre Masse. Gekoppelt liefern beide Verfahren in einem Lauf Retentionszeit und Massenspektrum. In der Pharmazie nutzt man das für Reinheitsprüfung, Wirkstoffspiegel im Plasma und Dopinganalytik.
Warum koppeln
Ein Chromatogramm zeigt nur, dass zu einer bestimmten Zeit etwas eluiert. Was es ist, verrät erst das Massenspektrum. Die Kopplung verbindet die Trennleistung der Chromatographie mit der Identifizierung durch die Massenspektrometrie.
Die wichtigsten Varianten sind GC-MS und LC-MS. Daneben gibt es CE-MS mit der Kapillarelektrophorese und SFC-MS mit der superkritischen Fluidchromatographie. Die Kernfrage ist immer dieselbe: Wie gelangt der Analyt aus dem Trennsystem als Ion ins Hochvakuum des Massenspektrometers? Die Antwort hängt vom Aggregatzustand des Eluats ab.
Noch mehr Spezifität bringt die Tandem-MS. Dabei schaltet man zwei Massenanalysatoren hintereinander.
Bei der Tandem-MS (MS/MS) wählt ein erster Analysator ein Vorläuferion aus, das anschließend fragmentiert wird. Ein zweiter Analysator trennt die entstandenen Produktionen.
Im Triple-Quadrupol läuft das in drei Stufen ab. Q1 lässt nur das gewünschte Vorläuferion passieren. In der Kollisionszelle q2 stößt es mit Argon zusammen und zerfällt (CID, kollisionsinduzierte Dissoziation). Q3 analysiert die Produktionen. So lässt sich ein Wirkstoff auch in einer komplexen Matrix wie Blutplasma sicher erkennen.
GC-MS
In der Gaschromatographie verlassen die Analyten die Säule bereits gasförmig. Der Gasstrom einer Kapillarsäule ist klein, meist etwa 1 mL/min Helium. Die Vakuumpumpen bewältigen ihn problemlos. Die Säule kann deshalb über eine beheizte Transferline direkt in die Ionenquelle münden.
Dort arbeitet die Elektronenionisation (EI). Sie braucht genau das, was die GC liefert: verdampfte Moleküle im Hochvakuum. Eine Glühkathode sendet Elektronen aus, die die Moleküle zu Radikalkationen ionisieren und fragmentieren. Details dazu stehen bei der Elektronenionisation. Die so erhaltenen Spektren sind gut reproduzierbar und lassen sich mit Spektrenbibliotheken abgleichen.
Die Elektrospray-Ionisation passt dagegen nicht zur GC. Sie versprüht eine flüssige Lösung, und ein Gasstrom bietet ihr nichts zum Versprühen. Auch MALDI scheidet aus, denn sie ionisiert eine feste, mit Matrix kristallisierte Probe auf einem Probenträger.
GC-MS ist eine häufig eingesetzte Routinemethode, etwa für Lösungsmittelrückstände, ätherische Öle oder Drogen im Urin. Die Quantifizierung ist robust. Der \(\ce{CO2}\)-Gehalt der Raumluft beeinträchtigt sie nicht. Das System ist geschlossen und evakuiert, und man wertet analytspezifische Ionen aus.
Derivatisierung
GC-MS setzt voraus, dass ein Stoff unzersetzt verdampft. Polare Gruppen wie OH, COOH oder NH bilden Wasserstoffbrücken. Sie halten die Moleküle zusammen und machen sie schwer flüchtig.
Abhilfe schafft die Silylierung, eine Form der Derivatisierung für die GC. Ein Chlorsilan wie Trimethylchlorsilan ersetzt das acide H-Atom durch eine Trimethylsilylgruppe (TMS). Für eine Carbonsäure gilt:
\[\ce{R-COOH + (CH3)3SiCl -> R-COO-Si(CH3)3 + HCl}\]
Das Derivat bildet keine Wasserstoffbrücken mehr. Es ist unpolarer und leichter verdampfbar. Ibuprofen mit der Molekülmasse 206 wird so zum TMS-Ester mit 278. Die Zunahme um 72 entspricht einer \(\ce{Si(CH3)3}\)-Gruppe minus ein H-Atom.
LC-MS
Bei der HPLC kommt ein flüssiger Eluentenstrom aus der Säule, oft 0,2 bis 1 mL/min. Ein Milliliter Flüssigkeit verdampft zu Hunderten Millilitern Gas. Leitet man das direkt ins Hochvakuum, bricht das Vakuum zusammen. Zudem sind viele LC-Analyten polar oder thermolabil und lassen sich gar nicht verdampfen.
Die Lösung sind Quellen, die bei Atmosphärendruck ionisieren. Sie entfernen das Lösungsmittel, bevor die Ionen durch eine kleine Öffnung ins Vakuum gelangen.
- ESI: Eine Kapillare unter Hochspannung versprüht das Eluat zu geladenen Tröpfchen. Diese schrumpfen, bis die Ionen frei werden. Geeignet für polare, ionische und große Moleküle wie Peptide.
- APCI: Ein beheizter Zerstäuber verdampft das Eluat. Eine Koronanadel ionisiert das Lösungsmittel, das den Analyten in der Gasphase protoniert. Geeignet für weniger polare, kleinere und thermisch stabile Stoffe, siehe chemische Ionisation und APCI.
Die Elektronenionisation ist für LC-MS nicht das bevorzugte Verfahren. Sie verlangt gasförmige Analyten im Hochvakuum und verträgt den Lösungsmittelstrom nicht. MALDI eignet sich ebenfalls nicht zur direkten Kopplung. Sie ionisiert die Probe pulsweise per Laser aus einem festen Kristall statt aus einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom.
| Verfahren | Probe in der Quelle | direkte GC-MS | direkte LC-MS |
|---|---|---|---|
| EI | Gas im Hochvakuum | geeignet | ungeeignet |
| ESI | versprühte Lösung | ungeeignet | geeignet |
| APCI | verdampfte Lösung | ungeeignet | geeignet |
| MALDI | Feststoff mit Matrix | ungeeignet | ungeeignet |
Das Eluat bestimmt die Quelle: Gas aus der GC geht in die EI, Flüssigkeit aus der LC geht in ESI oder APCI. MALDI braucht einen Feststoff und passt direkt zu keinem von beiden.
Quiz
Aussage 1
APCI eignet sich zur direkten Kopplung von Flüssigchromatographie und Massenspektrometrie.
APCI ionisiert wie ESI bei Atmosphärendruck und entfernt das Lösungsmittel, bevor die Ionen ins Vakuum gelangen.
Aussage 2
Eine Carbonsäure wie Ibuprofen wird durch Umsetzung mit Trimethylchlorsilan leichter verdampfbar.
Die Silylierung ersetzt das acide H durch eine TMS-Gruppe. Ohne Wasserstoffbrücken ist das Derivat unpolarer und flüchtiger.
Aussage 3
In der Kollisionszelle eines Triple-Quadrupols werden die Vorläuferionen durch Laserbeschuss fragmentiert.
Die Fragmentierung in q2 erfolgt durch Stöße mit einem Gas wie Argon (CID).
Aussage 4
Bei der quantitativen GC-MS verfälscht das \(\ce{CO2}\) der Raumluft die Ergebnisse merklich.
Der \(\ce{CO2}\)-Gehalt der Raumluft beeinträchtigt die Quantifizierung nicht. Das System ist geschlossen und man wertet analytspezifische Ionen aus.
Aussage 5
Die Elektrospray-Ionisation ist gut geeignet, um einen Gaschromatographen direkt mit einem Massenspektrometer zu koppeln.
ESI versprüht eine flüssige Lösung. Für die direkte GC-MS-Kopplung nutzt man die EI.
Aussage 6
Die Elektronenionisation ist das übliche Ionisationsverfahren einer direkten GC-MS-Kopplung.
Die GC liefert gasförmige Analyten in kleinem Gasstrom, genau das braucht die EI im Hochvakuum.
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