Massenspektrometrie in der pharmazeutischen Analytik (Teil 2)

Die Massenspektrometrie (MS) ist eine analytische Methode, die sowohl im Europäischen Arzneibuch (Ph. Eur.) als auch in der United States Pharmacopeia (USP) beschrieben ist. Die Methode ermöglicht mit kleinster Substanzmenge die Bestimmung der relativen Molekülmasse und der Elementarzusammensetzung einer Verbindung. Darüber hinaus sind aus den beobachteten Bruchstücken Aussagen über die Struktur möglich. Massenspektrometrische Untersuchungen können daher zum Strukturbeweis bzw. zur Strukturaufklärung dienen. Ein Massenspektrum kann jedoch auch durch Verwendung interner oder externer Referenzsubstanzen für quantitative Aussagen herangezogen werden. Durch Kopplung mit anderen Verfahren, z. B. der Gaschromatographie (GC/MS) oder der Flüssigchromatographie (LC/MS bzw. HPLC/MS), ist eine Quantifizierung von Substanzen möglich.

Die Grundlagen der Methode wurden im Beitrag Massenspektrometrie in der pharmazeutischen Analytik (Teil 1) dargestellt. In Teil 2 werden nun die einzelnen Ionisationsverfahren und die verschiedenen Analysatoren näher beschrieben.

Ionisationsverfahren

Die Ionenquelle eines Massenspektrometers dient zur Erzeugung und Beschleunigung geladener Teilchen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Ionisierung, wobei die Art der Ionisierung entscheidenden Einfluss auf die Fragmentierung des zu untersuchenden Moleküls hat.

Das Europäische Arzneibuch beschreibt folgende Ionisierungstechniken:

  • Elektronenstoß Ionisation (EI): Die gasförmige Probe wird durch Beschuss mit energiereichen Elektronen (ca. 70 eV) ionisiert. Es kommt zur Bildung von energiereichen Molekül-Radikalkationen und einem teilweisen Zerfall dieser Ionen (Fragmentierung). Manchmal wird eine starke Fragmentierung bei Verlust des Molekülpeaks beobachtet. Die gebildeten charakteristischen Bruchstücke können zur Strukturaufklärung dienen. Nachteil dieser Technik ist, dass die zu untersuchende Probe unzersetzt verdampfbar sein muss, was die Verwendung für polare und hitzelabile Verbindungen sowie für Verbindungen mit großer relativer Molekülmasse einschränkt.
  • Chemische Ionisation (CI): Hierbei handelt es sich um eine sogenannte "weiche" Ionisationsmethode, da bei dieser Art der Ionisation weniger Fragmente als mit der Elektronenstoß-Ionisation gebildet werden. Der zu untersuchende Probe wird ein großer Überschuss eines Reaktandgases (z.B. Methan, Ammoniak) zugefügt. Das Reaktandgas wird vorrangig ionisiert und protoniert. Es kommt zur Bildung sogenannter Quasimolekülionen.
  • Ionisation durch Beschuss mit schnellen Atomen (Fast-Atom Bombardment, FAB) oder schnellen Ionen (Fast-Ion Bombardment Ionisation oder Liq­uid Secondary Ion Mass Spectrometry, LSIMS): Hierbei wird die in einer viskosen Matrix gelöste Probe auf eine Metalloberfläche aufgetragen und mit einem Strahl schwerer, schneller Teilchen (neutrale Atome wie Argon und Xenon oder Caesium-Ionen) ionisiert.
  • Matrixgestützte Laser-Desorptionsionisation (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation, MALDI): Die Probe wird in einer Matrix auf einen Metallträger aufgebracht und durch einen gepulsten Laserstrahl ionisiert.
  • Elektro-Spray Ionisation (ESI): Die Analytlösung (stark verdünnt) wird bei Atmosphärendruck aus einer Kapillare versprüht, in die Gasphase überführt und ionisiert (Ladungsübertragung in geladenen Teilchen). Die ionisierten Teilchen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Die Technik ist für polare Verbindungen und für die Untersuchung von Biomolekülen geeignet.
  • Chemische Ionisation unter Atmosphärendruck (Atmospheric-Pressure Chemical Ionisation, APCI): Die zu untersuchende Probe wird bei Atmosphärendruck mit elektromagnetischer Strahlung ionisiert.
  • Thermospray: Die Probe, die sich in einer mobilen Phase aus Wasser und organischen Modifikatoren sowie einem flüchtigen Elektrolyten befindet, wird nach Passieren einer Metallkapillare bei kontrollierter Temperatur in Nebel überführt, wobei die Ionen des Elektrolyten die zu untersuchende Verbindung ionisieren.

Analysatoren

Die geladenen Teilchen werden in einem Analysator nach dem Quotienten m/z aus der Masse (m) und der Ladung (z) getrennt. Das Europäische Arzneibuch nennt folgende Analysatoren:

  • Magnetische und elektrostatische Analysatoren: Die in der Ionenquelle gebildeten Ionen werden durch eine elektrische Spannung beschleunigt und in Richtung auf einen magnetisch oder einen elektrostatisch arbeitenden Analysator gebündelt.
  • Quadrupol-Analysator: Der Ionenstrahl wird in Längsrichtung zwischen vier parallel angeordnete Metallstäbe geleitet. Hochfrequente elektrische Felder erzeugen oszillierende Flugbahnen. Der Analysator wird so eingestellt, dass immer nur Ionen definierter Masse zum Detektor gelangen.
  • Ionenfallen-Analysator: Ionisation, Ionentrennung und -detektion erfolgen in einem Bauteil.
  • Ionen-Zyklotron-Resonanz-Analysatoren: Die Ionen werden einem gleichförmigen, intensiven Magnetfeld ausgesetzt.
  • Flugzeit-Analysatoren (Time of Fligth, TOF): Gemessen wird die Flugzeit eines Ions auf einer festen, feldfreien Strecke. Die Flugzeit ist proportional zur Quadratwurzel der Masse.

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