Wie aus dem Prinzip der MS zu erwarten, gibt es viele verschiedene Techniken zur Messung von Ionenmassen. Man kann jedoch mit allen Massenanalysatoren immer nur isolierte Ionen in der Gasphase analysieren. Die Funktion eines jeden Analysators beruht nämlich darauf, dass sich die Ionen ungestört durch andere Einflüsse nach genau den Gesetzmäßigkeiten bewegen, die ihnen vom Gerät erzeugte elektrische und gegebenenfalls noch magnetische Felder vorgeben. Das erfordert eine stoßfreie Umgebung, woraus sich erklärt, warum Massenspektrometer Hochvakuumapparaturen sind. Ebenso wichtig ist die elektrische Ladung der Teilchen, weil sich nur Ionen gezielt manipulieren lassen, während Neutralteilchen unbeeinflusst von den Feldern ihrer ungerichteten thermischen Bewegung folgen.
Die Ionenquelle liefert dem Analysator die Ionen, d.h. dort findet der Ionisationsprozess statt. Am Ionenquellengehäuse befinden sich auch Probeneinlassvorrichtungen, um Proben aus der Laborumgebung in das Hochvakuum des Gerätes zu überführen. Schließlich braucht das Gerät noch einen Detektor, der eintreffende Ionen registriert. Der Detektor, gewöhnlich ein Sekundärelektronenvervielfacher (SEV), liefert dann ein verwertbares elektrisches Signal.
Trotz der beachtlichen Vielfalt an Ionisationsmethoden und Massenanalysatoren entsprechen alle Massenspektrometer einem einfachen Blockbild: Ionenquelle, Massenanalysator, Detektor. Seit zwei Jahrzehnten haben Datensysteme die Aufzeichnung der Spektren und die Gerätesteuerung übernommen.
Ein klassisches doppelfokussierendes Magnetsektorfeld-Massenspektrometer verfügt über einen Massenanalysator, in dem ein magnetisches Sektorfeld und ein elektrostatisches Sektorfeld miteinander kombiniert sind. Das ermöglicht eine sehr gute Massentrennung der Ionen.
Es gibt aber nicht nur Magnetsektorfeld-Massenspektrometer. Vielmehr wurden über die Jahrzehnte zahlreiche Typen von Massenanalysatoren entwickelt, die unterschiedliche Leistungsanforderungen und Anwendungen bedienen. Die resultierenden Geräte haben völlig verschiedene Stärken, die in günstigem Preis und geringem Platzbedarf, besonderer Eignung zur quantitativen Arbeit oder zur Strukturaufklärung oder in hoher Massengenauigkeit und flexibler Verwendbarkeit liegen können. Die Palette kommerziell verfügbarer Massenspektrometer reicht von Tischgeräten bis zu raumfüllenden Maschinen.
Eine kurze Übersicht über die heute verwendeten Massenanalysatoren gibt die nachfolgende Tabelle.
| Analyator | Symbol und Anordnungen | Prinzip und Verwendung |
|---|---|---|
| Sektorfeldgeräte | B, BE, EB, EBE, EBEB, BEBE,… | Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen bewirken Trennung eines kontinuierlichen Ionenstrahls nach m/z. Doppelfokussierende Modelle waren lange Zeit das wichtigste Instrumentarium der MS. Sektorfeldgeräte sind recht groß, schwer und nicht ganz billig und werden daher heute nur noch selten angeschafft. Im Bereich der GC-HR-MS (Dioxinanalytik) und in der Element-MS sind sie noch verbreitet. |
| Quadrupolgeräte | Q, QqQ | Überlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearen Quadrupolen (Q: Massentrennung, q: nur fokussierende Wirkung) bewirkt Trennung eines Ionenstrahls nach m/z. Kompakte Geräte für GC-MS und LC-MS. Tripelquadrupolgeräte (QqQ) eignen sich zu Quantifizierung im Spurenbereich, da sie MS/MS und großen dynamischen Bereich vereinen. |
| Dreidimensionale Quadrupol-Ionenfallen | QIT | Überlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einer Paul-Falle zu Speicherung und Massenanalyse der Ionen. QITs werden gepulst betrieben, d.h. Ionenpakete werden eingelassen und dann nach m/z getrennt auf einen Detektor ausgeschossen. QITs können wiederholt Ionen selektieren, fragmentieren und analysieren. Kompakte Geräte für niederaufgelöste Spektren. Anwendungen in GC-MS und LC-MS und LC-MS/MS bevorzugt in der Strukturaufklärung. |
| Lineare Quadrupol-Ionenfallen | LIT | Überlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einer linearen Quadrupol-Ionenfalle (LIT). Erlaubt Speicherung der Ionen. LITs werden wie QITs gepulst betrieben. LITs können wiederholt Ionen selektieren, fragmentieren und analysieren. Kompakte Geräte für niederaufgelöste Spektren. Anwendungen in LC-MS und LC-MS/MS. |
| Fourier-Transform-Ionencyclotronresonanzgeräte | FT-ICR | Elektrische Anregung von in sehr starkem Magnetfeld (7–15 T) gespeicherten Ionenpaketen und Bestimmung der Cyclotronresonanzfrequenz. Zu deren Bestimmung werden Bildströme der kreisenden Ionenpakete in der Zeitdomäne registriert und danach durch Fourier-Transformation (FT) in die Frequenzdomäne umgewandelt. FT-ICR-MS liefert die höchsten Auflösungsvermögen und Massengenauigkeiten. Die Geräte sind dafür groß, schwer und teuer. Ihre MSn-Fähigkeit und Vielseitigkeit ermöglichen Messungen und Experimente, die an anderen Systemen unmöglich wären. |
| Flugzeitgeräte | TOF | Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen. Benötigt eine extrem kurz gepulste Ionenzufuhr. Zunächst waren TOFs in Kombination mit der intrinsisch gepulsten Methode MALDI sehr erfolgreich. Dann folgten TOFs mit orthogonaler Beschleunigung der Ionenpakete in den TOF-Analysator (oaTOF), die heute einen großen Marktanteil haben. Bei moderaten Kosten bieten sie hohe Auflösung und exakte Masse. |
| Orbitrap | Orbitrap | Orbitrap-Geräte sind seit 2005 erhältlich. Ionenpakete kreisen in elektrostatischem Feld um eine spindelförmige Elektrode und schwingen an dieser in axialer Richtung entlang. Die axiale Schwingung wird zur Massenanalyse aufgezeichnet. Bei der Orbitrap wird ebenfalls Fourier-Transformation eingesetzt, um das Signal zu analysieren. Die Orbitrap konkurriert heute mit oaTOF- und FT-ICR-Geräten, soweit es Auflösung und Massengenauigkeit im analytischen Betrieb angeht. |
| Hybridgeräte | BEqQ, EBE-TOF, QqTOF, QqLIT, Qq-FT-ICR, LIT-FT-ICR… | Kombination verschiedener Analysatoren für MS/MS, MSn und Kombinationen derer mit exakter Masse. Man vereint verschiedene Prinzipien so in einem Gerät, dass die jeweilige Stufe auf effektivste Weise realisiert werden kann. Heute sind viele leistungsstarke Geräte in irgendeiner Weise Hybrid-Geräte. |
Ein Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer (oben) ist ein kompaktes Tischgerät, während ein FT-ICR-Massenspektrometer (unten) großen Laborraum erfordert, dafür aber auch in vielen Punkten gewaltig höhere Leistungsdaten bietet.
