Cursus Massaspectrometrie

Een inleiding tot
massaspectrometrie
In een korte cursus wordt de basis uitgelegd
vanmassaspectroscopie, en de verschillende stappen die
ervoor nodig zijn. Enkele leerlingenvragen stimuleren
verder nadenken over de principes. Een cursus in het
kader van de Rosetta ruimtemissie naar komeet 67P.
Sint-Niklaasinstituut Anderlecht
Uitgave
Doelgroep
Oktober 2016
K
1 2 3 4 5 6
Secundair
1 2 3 4 5 6
Basis
pagina 1
Een inleiding tot
MASSASPECTROMETRIE
Cursus kenmerken
Leeftijd doelgroep
Type
16-18 jaar
Informatieve cursus met enkele leerlingenvragen
Complexiteit
Eenvoudig
Voorbereidingstijd
voor de leraar
30 minuten
Vereiste lestijd
1 lesuur
Onderwerpen die aan 
bod komen
24 okt 2016
pagina 2
Colofon
Uitgave
November 2014
Laatste update
20 oktober 2016
Gebruik
Dit cursusmateriaal mag gratis gebruikt worden voor educatieve
doeleinden. Wie fragmenten eruit overneemt, dient de bron te
vermelden.
Download op www.esero.be > NL > Lesmateriaal.
Bron van deze cursus
Het ESERO Rosetta project 2014-15 in België gebruikte de ESA
ruimtemissie ROSETTA naar een komeet als basis om de
wetenschapslessen in 2 scholen een heel schooljaar lang te
verbinden met actuele ruimtevaart, de techniek van allerlei
ROSETTA instrumenten en met het thema kometen.
In het project deden meerdere instituten een bijdrage via
rechtstreeks contact tussen de leerlingen en de professionele
wetenschappers. Zij gaven lezingen, of deden oefeningen met
de leerlingen.
Bij de ROSETTA missie speelden spectrometrie en
massaspectrometrie een belangrijke rol. In dat kader
produceerde leraar Werner Poets voorliggende cursus.
AUTEURS
Werner Poets 

ESERO Belgium 



Belgische Instituut voor 
Ruimte Aeronomie (BIRA) 
Uw mening is belangrijk
Auteur van de cursusinhoud
In 2014-15 leraar fysica derde graad Sint-Niklaasinstituut
Anderlecht.
Nalezing/aanvullingen
Layout
Organisatie ESERO Rosetta project
Medewerker: Pieter Mestdagh
Nalezing/aanvullingen
Medewerker: dr. Johan De Keyser
Cursussen van ESERO Belgium worden online aangeboden in
dynamische versie. Dat betekent dat elke bruikbare feedback
van gebruikers onmiddellijk leidt tot de publicatie vaan een
aangepaste uitgave op www.esero.be (Nederlandstalig).
Help toekomstige gebruikers door uw opmerkingen of
aanvullingen per email op te sturen (www.esero.be > contact).
Gebruikers die nieuwe onderdelen toevoegen aan de cursus
worden onder ‘colofon’ in de auteurslijst vermeld.
24 okt 2016
pagina 3
Inhoud
CURSUS KENMERKEN ....................................................................................................... 1
COLOFON ............................................................................................................................ 2
INHOUD ................................................................................................................................ 3
❶ INLEIDING ....................................................................................................................... 4
HOE WERKT MASSASPECTROMETRIE? ................................................................................... 4
LEERLINGEN OPDRACHTEN ................................................................................................... 6
❷ STAPPEN VOOR HET BEKOMEN VAN EEN MASSASPECTRUM ............................... 6
MONSTERVOORBEREIDING ................................................................................................... 7
IONISATIE ............................................................................................................................ 8
VERSNELLEN VAN IONEN ...................................................................................................... 8
MASSASCHEIDING ................................................................................................................ 8
DETECTIE............................................................................................................................ 9
BEELDMATERIAAL ................................................................................................................ 9
LEERLINGEN OPDRACHTEN ................................................................................................... 9
❸ HOEVEELHEDEN ........................................................................................................... 9
❹ FRAGMENTATIE ............................................................................................................10
❺ ISOTOPEN .....................................................................................................................11
LEERLINGEN OPDRACHTEN ..................................................................................................11
❻ ANDERE TOEPASSINGEN VAN MASSASPECTROMETRIE .......................................12
❼ VOORBEELDEN ............................................................................................................12
MASSASPECTRUM VAN BROOM ............................................................................................12
MASSASPECTRUM VAN METHOXY-ETHAAN ............................................................................13
BRONNEN ...........................................................................................................................14
24 okt 2016
pagina 4
❶ Inleiding
Hoe werkt massaspectrometrie?
Massaspectrometrie is een veelzijdige techniek, die gebruikt kan worden voor de
identificatie en kwantificatie van atomen en moleculen (en hun isotopische samenstelling)
in chemische en biologische mengsels in zeer kleine hoeveelheden. Het deelwoord –
“spectrometrie” verwijst hier naar het meten van iets in functie van een bepaalde parameter.
In dit geval is die parameter niet de golflengte, zoals bij elektromagnetische spectra of de
frequentie bij geluidsspectra, maar de massa van de deeltjes. De resultaten worden in een
zogenaamd massaspectrum weergegeven.
Continue elektromagnetische
spectra
Intensiteit van een geluid in
functie van de tijd.
Discreet elektromagnetisch spectrum
Audiospectrum van ditzelfde geluid.
24 okt 2016
pagina 5
Een massaspectrum.
In een massaspectrometer worden individuele moleculen van het monster geïoniseerd door
een ionenbron. Laat ons veronderstellen dat de hierdoor gevormde ionen slechts een kleine
energie hebben. In een vereenvoudigd model van de massaspectrometer worden de ionen
versneld in een zeer precies geregeld elektrisch veld waarvan de grootte bepaald wordt door
de spanning U (die spanning moet beduidend groter zijn dan de energie van de deeltjes in de
ionenbron).
Schematische weergave van de opbouw van
een massaspectrometer.
Vervolgens komen de ionen in een homogeen magnetisch veld waar de lorentzkracht op de
ionen zal inwerken.
De ionen worden ruimtelijk gescheiden op basis van hun massa/ladingsverhouding. Indien
de magnetische inductie B homogeen is, en indien de spanning U en de inductie B door de
sturing van het instrument zo gekozen worden dat de ionen altijd eenzelfde snelheid v hebben,
dan wordt de plaats waar de moleculen terecht komen in de detector bepaald door de
24 okt 2016
pagina 6
massa/ladingsverhouding m/Q. r is groter voor grotere massa’s; de deeltjes komen dan
meer naar rechts op het detectorgedeelte van bovenstaande figuur terecht.
In massaspectrometrie is het de gewoonte om de grootte van de elektrische lading aan te
duiden met Z. Z is het aantal keer de eenheidslading e (e = 1,60217653 . 10–19 C). De
eenheidslading is de absolute waarde van de grootte van lading van een elektron of een
proton. Er geldt dus Q = Z . e. In massaspectrometrie is het de gewoonte om de
massa/ladingsverhouding kort te noteren als m/Z met m de massa van het ion. Na de
scheiding op basis van de massa/ladingsverhouding van de moleculen volgt de detectie. In
een massaspectrum wordt de intensiteit uitgezet in functie van de m/Z waarden.
Leerlingen opdrachten
Opdracht 1
Wat is de formule voor de lorentzkracht?
Opdracht 2
Wat is de richting van de lorentzkracht ten opzichte van de snelheid?
Opdracht 3
Welke baan zal een deeltje volgen als er een kracht met een constante grootte op werkt die
loodrecht staat op de snelheidsvector?
Opdracht 4
Hoe noemt men een kracht die de oorzaak is van een cirkelbaan? Wat is er de formule voor
deze kracht?
Opdracht 5
Welke factoren bepalen waar de ionen terecht komen op de detector?
❷ Stappen voor het bekomen van
een massaspectrum
We bespreken de opeenvolgende stappen die doorlopen worden om een massaspectrum te
bekomen.
1.
2.
3.
4.
5.
Monstervoorbereiding
Ionisatie
Versnellen van ionen
Massascheiding
Detectie
24 okt 2016
pagina 7
Onderdelen van een massaspectrometer.
Monstervoorbereiding
Om het massaspectrum makkelijk te interpreteren is het wenselijk als er in de
massaspectrometer slechts één type molecule aanwezig is. Als er meerdere soorten
moleculen aanwezig zijn in een monster dan dienen we deze moleculen vooraf te scheiden.
Als een mengsel moet worden geanalyseerd, wordt vaak gebruikgemaakt van
vloeistofchromatografie om de componenten van het mengsel van mekaar te scheiden. Dit
gebeurt als volgt:
xxxxxxxxxxxxxxxx



Het mengsel wordt aangebracht op een vast substraat (vaste fase).
Men laat er vervolgens een vloeibare mobiele fase overheen lopen.
Bestanddelen die sterk binden met de vaste fase worden tegengehouden. Ze blijven
langer op de vaste fase, dus ze bevinden zich achteraan het substraat.
24 okt 2016
pagina 8


Bestanddelen die zwakker binden met de mobiele fase worden meegenomen, ze blijven
minder lang op de vaste fase. Ze bevinden zich vooraan op het substraat.
De afzonderlijke bestanddelen bereiken op een verschillend moment het einde van het
vast substraat en dus ook de massaspectrometer. Bij het scheiden van plantenextracten
zorgt dit voor verschillende kleurenbanden, vandaar de naam chromatografie.
Wanneer een zuivere stof moet worden geanalyseerd, kan het soms volstaan dat men een
klein beetje van de stof eenvoudig inbrengt in de ionisatiekamer. De ionisatiekamer wordt
afgesloten en in verbinding gebracht met de andere onderdelen van de massaspectrometer
waar een hoog-vacuüm heerst. Hier zal de stof verdampen of sublimeren vanwege het hoogvacuüm. Eventueel kan de stof verhit worden om het verdampen of het sublimeren te
versnellen.
Ionisatie
Een manier om het monster te ioniseren is door het monster in de gasfase met elektronen te
bombarderen. De elektronen komen uit een gloeidraad die op enige afstand van het
gasvormig monster wordt opgewarmd. De elektronen worden tot een energie van ca. 70 eV
versneld met behulp van een elektrisch veld. Wanneer de elektronen met deze snelheid op
een molecuul van het monster botsen, kan een elektron uit het molecuul worden geschoten
waarbij een positief atomair of moleculair ion wordt gevormd (M+., de plus geeft de
elektrische lading van het ion weer, het punt het feit dat het een radicaalmolecule betreft waarin
een reactief ongepaard elektron aanwezig is).
Deze techniek voldoet goed voor eenvoudige monsters waarvan voldoende in de gasfase kan
worden gekregen, en die ook niet meteen helemaal uit elkaar vallen door de ioniserende
botsing.
Versnellen van ionen
Na de ionisatie van het monster dienen de geïoniseerde moleculen of ionen een snelheid te
verkrijgen. Dit bekomt men door de ionen te versnellen tussen twee metalen ringen
waartussen een elektrisch potentiaalverschil heerst. De eerste ring bevindt zich ter hoogte
van de ionisatiekamer en heeft een hogere potentiaal dan de tweede ring. De eerste ring is
dus aangesloten op de positieve pool van de spanningsbron, de tweede ring is aangesloten
op de negatieve pool van de spanningsbron. Het potentiaalverschil tussen de eerste ring en
de tweede ring noemt men de spanning U.
Massascheiding
Door een magnetisch veld dwars op de voortbewegingsrichting van de ionen te plaatsen,
worden de ionen afgebogen. Voor een bepaald magnetisch veld is de mate van afbuiging
alleen afhankelijk van de verhouding massa/lading (m/Z).
In theorie zou men een hele rij detectoren aan het einde van de analysator kunnen plaatsen
en zo in één keer een compleet massaspectrum opnemen. Meestal gebruikt men een enkele
detector en wordt een spectrum opgenomen door een reeks metingen na elkaar te verrichten
terwijl de sterkte van het magnetisch veld verandert.
24 okt 2016
pagina 9
Detectie
Het aantal ionen dat door de analysator komt, moet worden geteld. Dit wordt gedaan door het
ion te laten botsen op een oppervlak waaruit een aantal elektronen wordt losgeslagen. Omdat
de stroom per ion heel klein is, is deze moeilijk nauwkeurig te meten. Daarom worden in de
meeste instrumenten de losgemaakte elektronen vermenigvuldigd. Dit gebeurt door het
versnellen van de elektronen waarna ze op een tweede oppervlak botsen. Uit dat tweede doel
worden per invallend elektron een aantal elektronen losgeslagen. Dit proces wordt meerdere
malen herhaald zodat een lawine van elektronen ontstaat en het oorspronkelijk signaal ca. 1
miljoen keer wordt versterkt. Op deze manier kan elk ion dat de detector raakt gemakkelijk
en betrouwbaar worden geteld.
Lichtdetectie: Bij sommige systemen worden de elektronen na één stap op een fosfor scherm
gericht, waar de stroom in licht wordt omgezet. In een beeldversterker wordt het lichtsignaal
daarna verder versterkt. Dit maakt het mogelijk dat de eigenlijke detector zich buiten het
vervuilende instrument bevindt, en daardoor langer meegaat.
Beeldmateriaal
Een video die je een goed overzicht geeft van de verschillende stappen bij
massaspectroscopie vind je via : https://www.youtube.com/watch?v=J-wao0O0_qM
Leerlingen opdrachten
Opdracht 6
Wat is de elektrische potentiële energie van een lading Q die zich bevindt aan de eerste ring
ten opzichte van een punt ter hoogte van de tweede ring?
Opdracht 7
In welke energievorm is deze elektrische potentiële energie omgezet als de geïoniseerde
molecule de tweede ring bereikt? Wat is de formule voor deze energievorm?
Opdracht 8
Wat is dan de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule als die de tweede ring
bereikt?
Opdracht 9
Vul de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule die je bekomen hebt bij
opdracht 8 in de formule voor r die je bekomen hebt bij opdracht 5.
❸ Hoeveelheden
De hoeveelheid monster dat nodig is om een massaspectrum op te nemen is erg klein. Elk
individueel ion dat de bron verlaat en door de analysator gaat, wordt uiteindelijk geteld, en
zelfs een paar honderd moleculen kunnen zo een significant signaal vormen. Bij de
monstervoorbereiding en ionisatie gaat echter nog een groot gedeelte van het monster
24 okt 2016
pagina 10
verloren. Voor het maken van een volledig spectrum zijn dan een tiental tot een honderdtal
metingen nodig.
Al deze verliezen in ogenschouw genomen, zijn normaal gesproken femtogrammen tot
picogrammen van een stof nodig om een massaspectrum op te nemen.
❹ Fragmentatie
Fragmentatie is van groot belang voor de identificatie van de moleculen in het monster.
Afhankelijk van de massaresolutie van het instrument kunnen verschillende moleculen
gemeten worden bij eenzelfde molecuulmassa. Zo kunnen bijvoorbeeld C4H10 met een
molecuulmassa van 58,08 en C3H6O met een molecuulmassa van 58,04 wel van elkaar
worden onderscheiden in een instrument met een zeer grote massaresolutie, maar worden
beide moleculen teruggevonden bij een gehele molecuulmassa van 58 bij instrumenten met
een lagere massaresolutie. Daarnaast bestaan er ook stoffen met eenzelfde molecuulformule
en een verschillende structuur (isomeren). Het onderscheid tussen butaan (C4H10),
methylpropaan (C4H10), aceton (C3H6O) en propanal (C3H6O), allen met een molecuulmassa
van ongeveer 58, kan met behulp van fragmentatie eenvoudig worden bepaald.
butaan (C4H10)
methylpropaan (C4H10)
aceton (C3H6O)
propanal (C3H6O)
Fragmentatie in een massaspectrometer kan optreden bij ionisatie door een bombardement
met elektronen van eerder hoge energie. Alternatief kunnen de gevormde ionen na ionisatie
fragmenteren door botsingen in een klein kamertje gevuld met een inert gas (vaak argon).
Fragmentatie gebeurt in ieder geval voor het versnellen van de ionen.
Bij een fragmentatie breekt normaal gesproken één enkele chemische binding in het molecuul.
Wanneer in het massaspectrum van een stof met een molecuulmassa van 58 een piek
optreedt bij een massa van 29 is het blijkbaar mogelijk dat het molecuul precies in tweeën
breekt. Dat sluit aceton en methylpropaan als mogelijke kandidaten uit. Op deze manier kan
men aan de hand van fragmentatie een preciezere uitspraak doen over de identiteit van het
monster.
Mochten de pieken in het massaspectrum niet voldoende informatie geven om het monster
uniek te identificeren, dan kan men in een MS-MS (of MS²) instrument een verder
fragmentatie-experiment uitvoeren: men kan in de eerste MS stap het fragment met een
massa van 29 selecteren, en dat fragment opnieuw laten botsen met een inert gas om verdere
fragmentatie te induceren. In het tweede instrument kan men dan een tweede-orde fragmentspectrum maken om te zien wat de identiteit van het fragment-ion met massa 29 is. Voor
complexe moleculen zoals proteïnen, kan dit proces verschillende keren worden doorlopen,
we spreken dan van MSn, waarbij n het aantal massaspectrometrie stappen is.
24 okt 2016
pagina 11
❺ Isotopen
Veel chemische elementen hebben meerdere natuurlijk voorkomende isotopen. Men kan
met scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen waarnemen tussen
moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling.
In de massaspectrometrie is het verschil tussen isotopen echter eenvoudig te zien: de massa
van verschillende isotopen verschilt ongeveer een geheel aantal massa-eenheden.
Verder is het zo dat men bij veel eigenschappen die voor de isotopen een klein verschil
vertonen een gemiddelde meet wanneer meerdere isotopen voorkomen. Bij
massaspectrometrie kijkt men naar elk molecuul individueel, en kan daardoor de
isotoopsamenstelling van elk molecuul worden bepaald.
Eén van de isotopen die in de massaspectrometrie van organische chemische verbindingen
een grote rol speelt is 13C, dat 1,1% van de natuurlijke koolstof vormt. Een molecuul methaan
met 12C en 4 waterstof atomen heeft een molecuulmassa van 16, maar 1,1% van alle methaan
moleculen bevat een 13C atoom en heeft een massa van 17: een klein piekje naast de
belangrijkste moleculaire piek. Voor butaan, C4H10 zijn er vier koolstofatomen, en is de kans
ruwweg 4,4% dat één van de koolstofatomen een 13C atoom is: een klein piekje bij een massa
van 59 naast de moleculaire piek op 58. Op deze manier kan men voor organische stoffen het
aantal koolstofatomen tellen, en kan het onderscheid worden gemaakt tussen propanal en
butaan: ze hebben allebei een massa van 58, maar propanal heeft drie, en butaan vier
koolstofatomen.
Andere veel voorkomende isotopen zijn 18O (0,2% t.o.v. 16O),
verhouding van 1:1 en 35Cl en 37Cl met een verhouding van 3:1.
79
Br en
81
Br met een
Men kan deze isotoopverhoudingen soms gebruiken wanneer men de herkomst van een
materiaal zoekt. Massaspectrometrie is gevoelig genoeg om zelfs van elementen die slechts
in minuscule hoeveelheden in een monster voorkomen te kunnen vaststellen wat de
isotopenverhouding is. Voor de beste gevoeligheid gebruikt men voor zo'n massaspectrum
een ionisatiemethode die de moleculen in het monster helemaal opbreekt in atomaire ionen;
zo'n techniek is het inductief gekoppeld plasma (Engelse afkorting ICP; men spreekt over
ICP-MS).
Een heel ander doel van het bepalen van nauwkeurige isotoopverhouding is het bepalen van
geologische tijdschalen: radio-actief verval met lange halfwaardetijd zorgt ervoor dat het
voorkomen van verschillende isotopen afhangt van de geologische leeftijd van het monster.
Een voorbeeld is koolstof 14-datering.
Leerlingen opdrachten
Opdracht
Waarom kan men met scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen
waarnemen tussen moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling?
De chemische eigenschappen worden bepaald door de configuratie van de elektronen op de
buitenste schil. Voor isotopen is deze configuratie van de elektronen op de buitenste schil
identiek. Het enige verschil is de massa van de kern. Dit geeft een zeer klein verschil in de
energieniveaus. Daar door zijn de chemische eigenschappen zo goed als identiek voor
isotopen.
24 okt 2016
pagina 12
Opdracht
Waaraan is het kleine verschil in chemische eigenschappen tussen isotopen te wijten?
Opdracht
Waarom is het verschil tussen de massa’s van verschillende isotopen ongeveer een geheel
aantal massa-eenheden?
❻ Andere toepassingen van
massaspectrometrie
Het zoeken van lekken in een vacuümsysteem
Wanneer een vacuümsysteem lek lijkt te zijn, kan men het lek vinden door een eenvoudige
massaspectrometer aan te sluiten op het systeem, en de buitenkant van het systeem op
kritische plekken aan een stroom helium-gas bloot te stellen. Wanneer het systeem lek is zal
de massaspectrometer duidelijk een piek bij een massa van 4 laten zien.
Het bereiden van isotoop-zuivere materialen
Met preparatieve massaspectrometrie kan men de gevormde ionen opvangen in plaats van ze
op de detector verloren te laten gaan. Dit is een methode om isotopen van elkaar te scheiden.
De hoeveelheden blijven echter erg klein. Voor het scheiden van grotere hoeveelheden
isotopen, zoals bij het verrijken van uranium, wordt daarom gebruikgemaakt van andere
technieken zoals ultracentrifugeren.
❼ Voorbeelden
De massa van een fragment kun je zelf berekenen door de atoommassa's op te tellen. Waar
je wel op moet letten is dat er ook isotopen kunnen voorkomen. We gaan ervan uit dat z = +1,
zodat de waarde voor m/Z gelijk is aan m.
Massaspectrum van broom
Bij broom zie je 2 groepen pieken. Twee pieken in de buurt van 80 en drie in de buurt van 160.
Broom heeft twee isotopen (massagetallen 79 en 81) die beiden ongeveer evenveel
voorkomen. Deze beiden isotopen zijn in het spectrum terug te vinden en de bijbehorende
pieken hebben ongeveer dezelfde intensiteit.
24 okt 2016
pagina 13
Massaspectrum van diBroom (Br2).
De piek bij m/Z = 79 is die van een Br+ ion met massagetal 79 en de piek bij m/Z = 81 hoort
bij het Br+ ion met massagetal 81. De piek bij m/Z = 158 hoort bij een Br2+ molecuul dat
opgebouwd is uit twee isotopen met massagetal 79. De piek bij m/Z = 162 bij een Br2+ molecuul
opgebouwd uit twee isotopen met massagetal 81 en de piek bij m/Z = 160 uit een Br2+ molecuul
dat bestaat uit de isotopen 79Br en 81Br.
Massaspectrum van methoxy-ethaan
We kijken alleen naar de belangrijkste pieken in het massaspectrum.
De grootste m/Z waarde in een massaspectrum hoort meestal bij het moleculair ion. In het
spectrum is te zien dat de grootste waarde gelijk is aan m/Z = 60. De molecuulmassa van
methoxy-ethaan (C3H8O) is gelijk aan 60 u (3 x 12 + 8 x 1 +16). Oftewel m/Z = 60 hoort bij
het C3H8O+ ion.
De grootste piek bij m/Z = 45 hoort bij het CH3CH2O+ ion of het CH3OCH2+ ion, die ontstaan
als van het gehele molecuul een methyl-ion, CH3+, met m/Z = 15 wordt afgesplitst.
De op één na grootste piek bij m/Z = 29 hoort bij een ethyl-ion, CH3CH2+ dat ontstaat bij het
afsplitsen van een brokstuk met m/Z = 31, het methoxy-ion, CH3O+.
Extra oefeningen: http://wetche.cmbi.ru.nl/vwo/cdrom05/jmol/spect/ms/ms.html
24 okt 2016
pagina 14
Massaspectrum van diBroom (Br2).
Methoxyethaan
Bronnen





http://webbook.nist.gov/
http://nl.wikipedia.org/wiki/Massaspectrometrie
http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrupole_mass_analyzer
http://teacherweb.com/AW/ColegioArubano/Johnvanderpluijm/apt22.aspx
http://www.chemguide.co.uk/analysis/masspec/elements.html
24 okt 2016