Im Rahmen der Untersuchung von Lebensmitteln auf unerwünschte Stoffe, wie Rückstände und Verunreinigungen, z. B. von Pestiziden oder Schimmelpilzgiften, werden Messsysteme benötigt, mit denen sich kleinste Spuren dieser Stoffe nachweisen lassen. Für den Nachweis und die Bestimmung der Mengen dieser unerwünschten Stoffe sind Massenspektrometer am besten geeignet. In der Regel werden diese Geräte mit leistungsfähigen Methoden zur Auftrennung von Stoffgemischen gekoppelt, z. B. mit der Gas- oder Flüssigchromatographie.

Pestizide und andere Verunreinigungen bestehen aus Molekülen, die eine bestimmte Masse aufweisen. Diese ergibt sich dabei aus der elementaren Zusammensetzung, in der Regel Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sowie weiterer Elemente wie Stickstoff, Chlor, Phosphor, Schwefel und Fluor. Für die massenspektrometrische Bestimmung müssen diese Moleküle als geladene Teilchen (Ionen) vorliegen. Anschließend erfolgen die Trennung und die Identifizierung der Ionen anhand ihrer Masse und ihrer Ladung in elektrischen und magnetischen Feldern.

Massenspektrometer bestehen aus einer Ionenquelle, einem Massenanalysator und in der Regel einem Detektor. Bei sogenannten Orbitrap-Massenspektrometern ist der Massenanalysator auch gleichzeitig der Detektor (Beispielhafter Aufbau und Funktionsweise siehe Abbildung 1) 

Die für die Messung benötigten Ionen (positiv oder negativ geladene Teilchen) werden in der Ionenquelle erzeugt. Je nach Art und Weise der Ionisierung bleiben die Moleküle als Ganzes erhalten oder es werden mehrere kleinere Bruchstücke erzeugt (Fragmentierung). Bei gleichen Ionisierungsbedingungen werden dabei immer auch die gleichen Bruchstücke/Ionen erhalten, sodass diese Bruchstücke wie ein Fingerabdruck für die Identifizierung des Moleküls genutzt werden können. 

Zusätzlich zur Ionisierung und Fragmentierung in der Ionenquelle werden aus den erhaltenen Ionen häufig ein weiteres Mal Bruchstücke erzeugt, die für die Identifizierung der unerwünschten Rückstände genutzt werden können. Zusätzlich erhält man z. B. auch weitere Informationen über den Aufbau und die Struktur eines Moleküls.

Hierzu wird in den Massenanalysator z. B. eine geringe Menge eines Gases eingeleitet (in der Regel Stickstoff oder Argon). Für die Messung wird ein bestimmtes Fragment herausgefiltert. Durch die Kollision dieses Fragments mit Gasteilchen werden unter gleichbleibenden Bedingungen weitere, für das Molekül spezifische Ionen gebildet.

Die so erhaltenen Ionen bzw. ihre Bruchstücke werden im Massenanalysator anhand ihrer Masse und Ladung getrennt. Häufig werden dazu elektrische und magnetische Felder genutzt. Dabei werden die Felder jeweils so eingestellt, dass immer nur Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladungsverältnis (m/z-Verhältnis) zum Detektor gelangen. Eine weitere Möglichkeit ist die Identifizierung anhand der Flugzeit. Bei dieser Methode fliegen z. B. positiv geladene Ionen durch ein Flugrohr auf ein negatives Potenzial zu. Anhand der Flugzeit, die vom m/z-Verhältnis abhängt, werden die Ionen aufgetrennt und können anschließend am Detektor identifiziert und quantifiziert werden. Damit die Ionen zum Detektor gelangen können, ist es notwendig, dass sich im Massenanalysator möglichst keine anderen Teilchen als die zu bestimmenden befinden. Hierzu wird ein Hochvakuum erzeugt, damit die Ionen nicht mit den „fremden“ Teilchen reagieren bzw. durch eine eventuelle Kollision unkontrolliert weitere Bruchstücke entstehen.

Verlässt ein Ion den Massenanalysator, trifft es auf den Detektor. Dadurch wird ein Signal in Form eines äußert geringen messbaren Stroms erzeugt. Weiterhin gilt: je höher das Signal, desto höher ist die Menge des jeweiligen Ions und dadurch lässt sich die Menge des Rückstands berechnen. 

Abbildung 1: Funktionsweise eines Massenspektrometers

Massenspektrometer