„Massenspektrometrie in der organischen Spurenanalytik“

Einleitung

Die Verfügbarkeit von Massenanalysatoren in Kopplung mit unterschiedlichen chromatographischen Trenntechniken hat seit der Jahrtausendwende eine enorme Entwicklung erfahren. Besonders die Kopplung von Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie (LC-MS) etablierte sich in der Routineanalytik von organischen Spurenstoffen in Wasser und anderen Umweltmatrices sowie in Lebensmitteln. Die heutigen LC-MS-Analysensysteme sind in der Lage, durch Direktinjektion von 100 µL in einer Wasserprobe Konzentrationen der organischen Spurenstoffe im Bereich von einigen Nanogramm je Liter nachzuweisen, und zwar ohne die Wasserprobe anzureichern. Aufgrund der Leistungsfähigkeit der Geräte wird vom Anwender neben dem Nachweis und der Quantifizierung vorgegebener Substanzen (Target-Analytik bzw. Target-Screening) auch zunehmend die Antwort auf die Frage, welche weiteren Substanzen zudem noch vorhanden sind (Non-Target-Screening), gefordert. Der vorliegende Beitrag soll die Unterschiede in der Aufgabenstellung des Target- und Non-Target-Screenings und die Möglichkeiten und Grenzen einiger verschiedener massenspektrometrischer Techniken zur Lösung dieser Fragestellungen aufzeigen.

<b>Abbildung 1:</b> Schematische Darstellung des Target-Screenings mit „Black Box“ als Probe und Pfeilen als Fragen nach möglichen einzelnen Inhaltsstoffen sowie vom Analysensystem gegebenen Antworten ja/nein
<b>Abbildung 2:</b> Schematische Darstellung des Non-Target-Screenings mit „Black Box“ als Probe und Kreisfläche als Frage nach allen mit der Methode detektierbaren Inhaltsstoffen sowie Buchstabenmatrix als verschlüsselter Antwort mit Auswertung „Traube“
<b>Abbildung 3:</b> Auswertung beim Non-Target-Screening: Extraktion einer bestimmten Masse charakteristisch für den Analyten aus dem TIC mit chromatographischem Peak im EIC als Indiz für den Inhaltsstoff (links) und Veranschaulichung anhand der Buchstabenmatrix mit „Traube“ als Ergebnis (rechts)
<b>Abbildung 4:</b> Suche nach weiteren Substanzen: Beispielsweise „Wein“ als Metabolit von „Traube“

Target-Screening

Die Methode des Target-Screenings umfasst das spezifische Fragen bzw. Suchen nach vorgegebenen Analyten. Um das Prinzip zu veranschaulichen, stellt man sich die Analysenprobe als eine „Black Box“ vor. Zur Ermittlung der organischen Spurenstoffe werden durch das Analysensystem gezielte Fragen an die „Black Box“ gestellt. Beispielsweise: „Sind Äpfel in der Box?“, „Sind Karotten in der Box?“ oder „Sind Trauben in der Box?“. Alle diese Fragen werden mit ja oder nein beantwortet. In Abb. 1 ist diese Vorgehensweise schematisch dargestellt. Die roten Pfeile auf die „Black Box“ (Probe) stellen die Fragen dar und rechts sind die Antworten auf diese Fragen mit ja/nein angegeben. Es ist offensichtlich, dass hierbei nur Substanzen erkannt werden, nach denen gefragt wird. Im vorliegenden Beispiel sind somit Trauben (Analyt) als Boxinhalt nachgewiesen. Als Analysensysteme werden hierfür bevorzugt die sogenannten Triple-Quadrupol-Massenspekrometer eingesetzt.

Non-Target-Screening

Die Methode des Non-Target-Screenings stellt dagegen die Frage: „Was ist in der Box (Probe) enthalten?“. Die Antwort des Analysensystems ist die gesamte Information über den Box-Inhalt. Allerdings lautet die Antwort nicht, in der Box sind Trauben enthalten, sondern die Information liegt in verschlüsselter Form (beispielsweise als Massenspektrum) vor. Dies ist in Abb. 2 schematisch dargestellt. Der rote Kreis soll den Blick auf den gesamten Inhalt der Box symbolisieren. Er zeigt aber auch, dass nicht die gesamte Box abgedeckt ist. Es werden nur Substanzen detektiert, die mit der Methode erfassbar sind. Das verschlüsselte Ergebnis ist als Buchstabentabelle in Abb. 2 dargestellt und muss entschlüsselt (ausgewertet) werden.

Bei der Übertragung dieser Vorstellung auf die Massenspektrometrie entspricht die Aufnahme des gesamten Inhalts der Box der Detektion des Totalionenstromes (TIC), der die gesamte Analyseninformation enthält. Dieser TIC wird anschließend ausgewertet, beispielsweise durch die Extraktion bestimmter Massen (EIC). In Abbildung 3 wird dies verdeutlicht.

Der große Vorteil dieser Methodik liegt darin, dass zunächst keine Informationen hinsichtlich der Probenbestandteile vorliegen müssen. Nach Aufnahme des TIC und dessen Speicherung können die analytischen Signale weiterverarbeitet werden, so dass gezielt nach weiteren Substanzen oder Metaboliten später gesucht werden kann. Dies ist in Abb. 4 dargestellt, in der zunächst im EIC der Analyt „Trauben“ identifiziert wurde und anschließend auch nach dessen Metaboliten „Wein“ gesucht werden kann. Ein nachträgliches Hinzufügen von Analyten ist bei der Target-Analytik nicht mehr möglich.

Im Folgenden werden die am häufigsten in der Routineanalytik eingesetzten Massenanalysatoren hinsichtlich ihrer Anwendung beim Target- und Non-Target-Screening verglichen. Allgemeine Eigenschaften der Massenanalysatoren und deren wichtigsten analytischen Leistungsparameter sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.

Quadrupol

Ein Quadrupol-Massenspektrometer (Q) besteht aus vier quadratisch angeordneten hyperbolischen oder zylindrischen Elektroden. An den jeweils gegenüberliegenden Stäben liegt sowohl Gleichspannung (Direct Current, DC) gleicher Polarität als auch um 180° phasenverschobene Wechselspannung (Radio Frequency, RF) an, wodurch ein zweidimensionales Quadrupolfeld erzeugt wird. Das Trennprinzip beruht auf der Ionenablenkung im elektrischen Feld. Durch periodische Änderung der Stärke der Gleich- und Wechselspannung werden entsprechend dem DC/RF-Verhältnis unterschiedlich starke Quadrupolfelder erzeugt, die nur eine Ionenart mit einem bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z-Verhältnis) zu einer stabilen, oszillierenden Bahn anregen. Alle anderen Ionen beschreiben eine instabile Flugbahn und werden in Richtung der Stäbe abgelenkt und dort entladen. Dieser Teil der gebildeten Ionen geht der Detektion verloren. Die Änderung von DC und RF bei konstantem Verhältnis ermöglicht die Aufnahme eines gesamten Massenspektrums.

Eine Steigerung der Selektivität und Empfindlichkeit eines einfachen Quadrupols wird bei der Durchführung von Analysen im SIM-Modus (Selected Ion Monitoring) erreicht. Dabei werden Gleich- und Wechselspannung während der gesamten Analyse so eingestellt, dass nur das zu detektierende Ion den Quadrupol passieren kann. Ein Quadrupol im SIM-Modus ist ein Massenanalysator für Target-Screening, während im Scan-Modus ein Non-Target-Screening durchgeführt werden könnte. Ein Non-Target-Screening ist jedoch aufgrund der geringen Massenauflösung und der geringen Massengenauigkeit des Quadrupol-Scans nur wenig aussichtsreich. Dagegen wird ein Quadrupol-Massenanalysator in vielen Systemen zur Fokussierung von Ionen oder zur Vorselektion von Ionen bzw. mit erhöhtem Gasdruck als Kollisionszelle eingesetzt.

<b>Tabelle 1:</b> Übersicht der Massenanalysatoren

3D-Ionenfalle (Ion Trap, IT)

Die dreidimensionale Ionenfalle ermöglicht den Einfang von Ionen innerhalb festgelegter Grenzen und besteht aus einer zur Mitte hin verjüngten Ringelektrode und zwei hyperbolischen Endkappen. Das der IT zugrunde liegende Prinzip beruht auf der Erzeugung von stabilen Bewegungsbereichen für Ionen innerhalb des gewünschten m/z-Bereichs und Entfernung unerwünschter Ionen durch Kollisionen mit der Wand oder durch axialen Auslass aufgrund ihrer instabilen Bahnen. Das dreidimensionale Wechselfeld, das durch die angelegten RF- und DC-Potenziale zwischen den Endkappen und der Ringelektrode erzeugt wird, ähnelt anschaulich einem rotierenden Sattel, wodurch die Ionen eingefangen werden (Veranschaulichung im Simulationsvideo).

Die Ionenfalle erzeugt Massenspektren der gesamten Probe und hat im Scan-Modus eine größere Empfindlichkeit als der Quadrupol. Doch vor allem die Möglichkeit, MSn-Experimente zur Strukturaufklärung durchzuführen, macht die 3D-IT zu einem empfindlichen Werkzeug der Target-Analytik und zu einem gewissen Teil der Analytik von unbekannten Substanzen zugänglich. Der Nachteil einer 3D-IT besteht darin, dass die Anzahl der zu akkumulierenden Ionen begrenzt ist und durch Überschreitung dieser Grenzen Raumladungseffekte auftreten können, die die gesamte Leistung der Ionenfalle beeinträchtigen.

Simulationsvideo

Lineare Ionenfalle (Linear Ion Trap, LIT)

Der Aufbau einer linearen Ionenfalle ähnelt dem eines Quadrupols, die Funktionsweise jedoch der einer dreidimensionalen Ionenfalle. Das an das vordere und hintere Ende der LIT anliegende höhere Potenzial und die Betriebsweise im RF-only-Modus ermöglichen den Einfang von Ionen und unterscheiden die LIT von einem Quadrupol. Im Gegensatz zu einer dreidimensionalen Ionenfalle wird jedoch nur ein zweidimensionales Hochfrequenzfeld erzeugt, in dem sich die Ionen auf einer axialen Bahn bewegen. Der Auslass der akkumulierten Ionen kann sowohl axial als auch radial durch Löcher in den Quadrupolstäben durchgeführt werden, wodurch der gleichzeitige Einsatz von zwei Detektoren ermöglicht wird. Diese Besonderheit der LIT führt zu einer Empfindlichkeitssteigerung im Vergleich zur 3D-IT. Des Weiteren können aufgrund des größeren Volumens mehr Ionen eingefangen werden, und aufgrund der besseren Verteilung entlang einer zentralen Achse (anstatt Fokussierung in einem Punkt) treten kaum Raumladungseffekte auf.

Eine LIT ist somit aus verschiedenen Gründen leistungsfähiger als eine 3D-IT, verfügt jedoch nicht über die Möglichkeit, öfter als ein Mal Fragmentierungen durchzuführen. Der Einsatz einer einzelnen LIT wird nicht praktiziert. Vielmehr wird diese als dritter Quadrupol in einem Tripel-Quadrupol-System (QqQ) betrieben, wo sie sowohl als Ionenfalle als auch als Quadrupol-Ionenfilter agieren kann. Der Einsatz einer LIT in einem QqQ erhöht die Empfindlichkeit dieses Systems und ermöglicht zusätzliche Anwendungsmodi, vornehmlich der Target-Analytik.

Flugzeit-Massenspektrometer (Time-of-Flight, TOF)

Das Flugzeit-Massenspektrometer bewirkt eine Auftrennung von Ionen unterschiedlicher m/z-Verhältnisse nach der Flugzeit, die sie für das Zurücklegen einer feldfreien Flugstrecke festgelegter Länge benötigen. Die größten Vorteile eines TOF sind die Verfügbarkeit eines gesamten Massenspektrums (Full Scan) innerhalb einiger zehn Mikrosekunden und die hohe Empfindlichkeit im Full-Scan-Modus aufgrund großer Transmission für Ionen. Des Weiteren erlaubt ein Flugzeitmassenspektrometer, trotz des vergleichsweise einfachen Aufbaus und der verhältnismäßig geringeren Kosten, eine exakte Massenbestimmung in einem theoretisch unbeschränkten Massenbereich. Die Generierung von einem Vorschlag oder einigen wenigen Vorschlägen für die Summenformel einer Substanz wird somit möglich. Aus diesem Grund ist mittels TOF-Untersuchung ein Non-Target-Screening durchführbar, so dass auch beispielsweise Metaboliten im Nachhinein erkannt werden können.

Orbitrap

Orbitraps sind die jüngste Entwicklung unter den Ionenfallen-Massenspektrometern und sind seit 2005 erhältlich. Das zentrale Element eines Orbitrap-Massenspektrometers ist eine spindelförmige Elektrode. Umgeben wird diese von einer walzenförmigen Elektrode. Bei der Massenanalyse kreisen die eingefangenen Ionen in einem elektrostatischen Feld um die zentrale spindelförmige Elektrode und schwingen dabei in axialer Richtung. Die in Detektorplatten erzeugten Signale sind von der Frequenz der schwingenden Ionen abhängig. Mittels des mathematischen Verfahrens der Fourier-Transformations-Analyse können daraus die m/z-Verhältnisse sehr genau ermittelt werden.

Orbitrap-Massenspektrometer zeichnen sich sowohl durch eine sehr hohe Massenauflösung als auch durch eine sehr hohe Massengenauigkeit aus und eignen sich daher ebenfalls für das Non-Target-Screening. Orbitraps werden entweder ohne weitere Massenanalysatoren eingesetzt oder gekoppelt mit Quadrupolen bzw. linearen Ionenfallen.

Zusammenfassung

Die fünf beschriebenen Massenanalysatoren besitzen unterschiedliche Merkmale und Funktionsweisen und kommen dementsprechend für verschiedene Aufgabenstellungen in der Analytik zum Einsatz. Für das Screening nach bekannten aber auch unbekannten Substanzen in Wasser und anderen Umweltmatrices sind Flugzeitmassenspektrometer und Orbitraps aufgrund der exakten Massenbestimmung verbunden mit der hohen Auflösung geeignet. Daneben kann die 3D-Ionenfalle aufgrund der Möglichkeit der Aufnahme von mehrstufigen Massenspektren bei der Strukturaufklärung hilfreich sein.

Die Anwendung der Quadrupol-Massenanalysatoren beschränkt sich meist auf den Bereich der Target-Analytik. Besondere Stärke zeigt die Quadrupol-Technologie hier als Triple-Quadrupol-Systeme, die in der LC-MS-Analytik aufgrund ihrer hohen Nachweisstärke eingesetzt wird. Kombinationen mit einer linearen Ionenfalle ermöglichen weitere interessante Scan-Modi mit der Möglichkeit zur Empfindlichkeitssteigerung und der Durchführung eines weiteren MS/MS-Experimentes.

Quadrupol-Geräte finden neben 3D-Ionenfallen Anwendung in der Gaschromatographie, da bei dieser Analysenmethode aufgrund der harten Ionisierung Fragmente der zu untersuchenden Substanz bereits in der Ionenquelle gebildet werden. Eine weitere Fragmentierung der gebildeten Produktionen im Massenanalysator ist daher i.d.R. nicht erforderlich.

Lineare Ionenfalle (Linear Ion Trap, LIT)

Der Aufbau einer linearen Ionenfalle ähnelt dem eines Quadrupols, die Funktionsweise jedoch der einer dreidimensionalen Ionenfalle. Das an das vordere und hintere Ende der LIT anliegende höhere Potenzial und die Betriebsweise im RF-only-Modus ermöglichen den Einfang von Ionen und unterscheiden die LIT von einem Quadrupol. Im Gegensatz zu einer dreidimensionalen Ionenfalle wird jedoch nur ein zweidimensionales Hochfrequenzfeld erzeugt, in dem sich die Ionen auf einer axialen Bahn bewegen. Der Auslass der akkumulierten Ionen kann sowohl axial als auch radial durch Löcher in den Quadrupolstäben durchgeführt werden, wodurch der gleichzeitige Einsatz von zwei Detektoren ermöglicht wird. Diese Besonderheit der LIT führt zu einer Empfindlichkeitssteigerung im Vergleich zur 3D-IT. Des Weiteren können aufgrund des größeren Volumens mehr Ionen eingefangen werden, und aufgrund der besseren Verteilung entlang einer zentralen Achse (anstatt Fokussierung in einem Punkt) treten kaum Raumladungseffekte auf.

Eine LIT ist somit aus verschiedenen Gründen leistungsfähiger als eine 3D-IT, verfügt jedoch nicht über die Möglichkeit, öfter als ein Mal Fragmentierungen durchzuführen. Der Einsatz einer einzelnen LIT wird nicht praktiziert. Vielmehr wird diese als dritter Quadrupol in einem Tripel-Quadrupol-System (QqQ) betrieben, wo sie sowohl als Ionenfalle als auch als Quadrupol-Ionenfilter agieren kann. Der Einsatz einer LIT in einem QqQ erhöht die Empfindlichkeit dieses Systems und ermöglicht zusätzliche Anwendungsmodi, vornehmlich der Target-Analytik.

Flugzeit-Massenspektrometer (Time-of-Flight, TOF)

Das Flugzeit-Massenspektrometer bewirkt eine Auftrennung von Ionen unterschiedlicher m/z-Verhältnisse nach der Flugzeit, die sie für das Zurücklegen einer feldfreien Flugstrecke festgelegter Länge benötigen. Die größten Vorteile eines TOF sind die Verfügbarkeit eines gesamten Massenspektrums (Full Scan) innerhalb einiger zehn Mikrosekunden und die hohe Empfindlichkeit im Full-Scan-Modus aufgrund großer Transmission für Ionen. Des Weiteren erlaubt ein Flugzeitmassenspektrometer, trotz des vergleichsweise einfachen Aufbaus und der verhältnismäßig geringeren Kosten, eine exakte Massenbestimmung in einem theoretisch unbeschränkten Massenbereich. Die Generierung von einem Vorschlag oder einigen wenigen Vorschlägen für die Summenformel einer Substanz wird somit möglich. Aus diesem Grund ist mittels TOF-Untersuchung ein Non-Target-Screening durchführbar, so dass auch beispielsweise Metaboliten im Nachhinein erkannt werden können.

Orbitrap

Orbitraps sind die jüngste Entwicklung unter den Ionenfallen-Massenspektrometern und sind seit 2005 erhältlich. Das zentrale Element eines Orbitrap-Massenspektrometers ist eine spindelförmige Elektrode. Umgeben wird diese von einer walzenförmigen Elektrode. Bei der Massenanalyse kreisen die eingefangenen Ionen in einem elektrostatischen Feld um die zentrale spindelförmige Elektrode und schwingen dabei in axialer Richtung. Die in Detektorplatten erzeugten Signale sind von der Frequenz der schwingenden Ionen abhängig. Mittels des mathematischen Verfahrens der Fourier-Transformations-Analyse können daraus die m/z-Verhältnisse sehr genau ermittelt werden.

Orbitrap-Massenspektrometer zeichnen sich sowohl durch eine sehr hohe Massenauflösung als auch durch eine sehr hohe Massengenauigkeit aus und eignen sich daher ebenfalls für das Non-Target-Screening. Orbitraps werden entweder ohne weitere Massenanalysatoren eingesetzt oder gekoppelt mit Quadrupolen bzw. linearen Ionenfallen.

Zusammenfassung

Die fünf beschriebenen Massenanalysatoren besitzen unterschiedliche Merkmale und Funktionsweisen und kommen dementsprechend für verschiedene Aufgabenstellungen in der Analytik zum Einsatz. Für das Screening nach bekannten aber auch unbekannten Substanzen in Wasser und anderen Umweltmatrices sind Flugzeitmassenspektrometer und Orbitraps aufgrund der exakten Massenbestimmung verbunden mit der hohen Auflösung geeignet. Daneben kann die 3D-Ionenfalle aufgrund der Möglichkeit der Aufnahme von mehrstufigen Massenspektren bei der Strukturaufklärung hilfreich sein.

Die Anwendung der Quadrupol-Massenanalysatoren beschränkt sich meist auf den Bereich der Target-Analytik. Besondere Stärke zeigt die Quadrupol-Technologie hier als Triple-Quadrupol-Systeme, die in der LC-MS-Analytik aufgrund ihrer hohen Nachweisstärke eingesetzt wird. Kombinationen mit einer linearen Ionenfalle ermöglichen weitere interessante Scan-Modi mit der Möglichkeit zur Empfindlichkeitssteigerung und der Durchführung eines weiteren MS/MS-Experimentes.

Quadrupol-Geräte finden neben 3D-Ionenfallen Anwendung in der Gaschromatographie, da bei dieser Analysenmethode aufgrund der harten Ionisierung Fragmente der zu untersuchenden Substanz bereits in der Ionenquelle gebildet werden. Eine weitere Fragmentierung der gebildeten Produktionen im Massenanalysator ist daher i.d.R. nicht erforderlich.

Literatur

[1] Der Beitrag basiert auf der Veröffentlichung von A. Taichrib, D. Flottmann, W. Seitz und W. Schulz in GIT Labor-Fachzeitschrift 03/2008, S. 284-288.