Matrix-gestützte Laser-Desorptions-Ionisation (MALDI)
Wie MALDI mit Hilfe einer lichtabsorbierenden Matrix große Moleküle schonend ionisiert und woran man eine geeignete Matrixsubstanz erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- MALDI ist ein weiches Ionisationsverfahren der Massenspektrometrie, bei dem eine lichtabsorbierende Matrix den Analyten durch Laserbeschuss in die Gasphase bringt und ionisiert.
- Ein Stickstofflaser mit 337 nm strahlt im Hochvakuum im Bereich der Absorptionsmaxima der Matrix, nicht des Analyten.
- Die Matrix überträgt Energie ohne thermische Zersetzung und Protonen auf den Analyten, sodass vorwiegend \(\ce{[M+H]+}\) entsteht.
- Die Fragmentierung ist gering, Fragmente können aber dennoch detektiert werden. Polymorphe lassen sich mit MALDI wie mit FAB nicht unterscheiden.
- Geeignete Matrices wie DHB, CHCA, 3-Hydroxypicolinsäure und Sinapinsäure (für Proteine wie Insulin) sind aromatische Säuren mit konjugiertem Chromophor. Aliphatische Säuren wie Buttersäure oder Äpfelsäure absorbieren bei 337 nm nicht.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
MALDI ist ein weiches Ionisationsverfahren der Massenspektrometrie, das vor allem große und empfindliche Moleküle wie Peptide, Proteine oder Oligonucleotide intakt in die Gasphase bringt. In der Pharmazie nutzt man es etwa zur Massenbestimmung von Peptidarzneistoffen wie Insulin. Der Kern des Verfahrens ist eine Hilfssubstanz, die das Laserlicht an Stelle des Analyten aufnimmt.
Prinzip und Eigenschaften
MALDI steht für matrix-assisted laser desorption/ionization, auf Deutsch matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisation. Das Verfahren gehört zu den weichen Ionisationsverfahren. Energiequelle sind Laserimpulse. Diese treffen aber nicht den Analyten selbst, sondern eine Hilfssubstanz, in die er eingebettet ist.
Die Matrix ist eine kleine organische Verbindung, die im großen Überschuss mit dem Analyten auf dem Probenträger kokristallisiert. Sie absorbiert die Laserstrahlung stark, verdampft und überträgt dabei Energie und Protonen auf die Analytmoleküle.
Vom Laserpuls zum Ion
Der Ablauf lässt sich in wenige Schritte gliedern. Alles geschieht im Hochvakuum, damit die entstandenen Ionen ungestört zum Analysator fliegen.
- Probenvorbereitung: Analytlösung und Matrixlösung werden gemischt, auf das Target getropft und getrocknet. Es entstehen Kristalle, in denen einzelne Analytmoleküle zwischen vielen Matrixmolekülen liegen.
- Laserbeschuss: Kurze Impulse eines Stickstofflasers mit 337 nm treffen die Kristalle. Die Wellenlänge liegt im Bereich der Absorptionsmaxima der Matrix.
- Desorption: Die Matrix nimmt die Energie auf, heizt sich schlagartig auf und verdampft. Sie reißt die Analytmoleküle in einer Gaswolke mit.
- Ionisation: In der Gaswolke geben Matrixmoleküle Protonen an den Analyten ab. Er wird dadurch positiv geladen.
- Beschleunigung: Ein elektrisches Feld zieht die Ionen aus der Quelle zum Massenanalysator.
Die Protonenübertragung lässt sich vereinfacht so schreiben, wobei Mx für ein Matrixmolekül und M für den Analyten steht:
\[\ce{M + [Mx + H]+ -> [M + H]+ + Mx}\]
Entscheidend ist die Arbeitsteilung. Die Analytmoleküle werden nicht überwiegend direkt angeregt. Die Matrix absorbiert und gibt die Energie so rasch weiter, dass der Analyt ohne thermische Zersetzung in die Gasphase gelangt. Man kann sich die Matrix wie einen Hitzeschild vorstellen, der den Laserstoß abfängt und den empfindlichen Analyten nur sanft anschiebt. Weil die Ionen gepulst entstehen, koppelt man MALDI meist mit einem Flugzeit-Analysator.
Das MALDI-Prinzip ist ein Examensklassiker: Die Matrix absorbiert den Stickstofflaser bei 337 nm im Hochvakuum und überträgt Energie und Protonen auf den Analyten. Achte darauf, dass die Laserwellenlänge zur Absorption der Matrix passt, nicht zu der des Analyten.
Weich, aber nicht fragmentfrei
MALDI ist eine weiche Ionisation und damit das Gegenteil der harten Elektronenionisation. Die Analytmoleküle fragmentieren nur gering. Im Spektrum dominiert daher meist das einfach protonierte Quasimolekülion \(\ce{[M+H]+}\). Bei großen Proteinen treten daneben in kleinerem Anteil doppelt geladene Ionen \(\ce{[M+2H]^2+}\) auf. Anders als bei der Elektrospray-Ionisation prägen mehrfach geladene Ionen das Spektrum aber nicht.
Gering heißt nicht null. Auch bei MALDI können Fragmente entstehen und detektiert werden, etwa wenn ein Teil der Ionen nach der Desorption zerfällt. Die Matrix selbst liefert zusätzlich Signale im unteren Massenbereich. Sie reagiert dabei nicht chemisch mit dem Analyten, es werden also keine Ester der Matrixsäuren gebildet und gemessen. Gemessen wird wie in jeder Massenspektrometrie das Masse-Ladungs-Verhältnis der Ionen. Die Energie abgestrahlter Lichtquanten spielt anders als in der Emissionsspektroskopie keine Rolle.
Grenze: Polymorphie
Polymorphe Modifikationen eines Arzneistoffs unterscheiden sich nur in ihrer Kristallpackung. Bei der Desorption geht dieses Kristallgitter verloren, ins Spektrum gelangen einzelne Moleküle als Ionen. Deshalb liefern Polymorphe identische Massenspektren. Das gilt ebenso für die verwandte FAB-Ionisation mit schnellen Atomen. Für Polymorphie braucht man Festkörpermethoden wie die Röntgenpulverdiffraktometrie.
Matrixsubstanzen
Eine Matrix muss vor allem eines können: bei der Laserwellenlänge stark absorbieren. Für 337 nm braucht sie dazu einen ausgedehnten Chromophor, also ein Aromatensystem in Konjugation mit Doppelbindungen, Carbonyl- oder Nitrilgruppen. Zusätzlich ist sie meist eine organische Säure und kann so Protonen abgeben. Die gängigen Matrices vereinen beides.
| Matrixsubstanz | Abkürzung | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| 2,5-Dihydroxybenzoesäure | DHB | Peptide, Kohlenhydrate, kleine Moleküle |
| α-Cyano-4-hydroxyzimtsäure | CHCA | Peptide |
| Sinapinsäure | SA | Proteine wie Insulin |
| 3-Hydroxypicolinsäure | 3-HPA | Oligonucleotide |
In allen vier Strukturen trägt ein aromatischer Ring Hydroxy- oder Methoxygruppen. Diese Auxochrome verschieben die Absorption bathochrom, also zu längeren Wellenlängen. Bei den Zimtsäurederivaten CHCA und Sinapinsäure verlängert die konjugierte Doppelbindung das π-System zusätzlich. Bei 3-Hydroxypicolinsäure übernimmt ein Pyridinring die Rolle des Aromaten.
Aliphatische Carbonsäuren wie Buttersäure, Bernsteinsäure und Äpfelsäure taugen dagegen nicht für den Stickstofflaser. Sie sind zwar sauer, besitzen aber nur isolierte Carboxygruppen. Diese absorbieren erst weit unterhalb von 337 nm im fernen UV. Ferulasäure ist hingegen geeignet, denn sie ist wie Sinapinsäure ein Zimtsäurederivat mit konjugiertem Aromaten.
Eine Strukturformel beurteilen
Ob eine Verbindung als Matrix für 337 nm taugt, prüfst du an der Strukturformel in drei Schritten.
- Aromat suchen: Gibt es einen Benzol- oder Pyridinring? Fehlt jeder Ring und jede Konjugation, scheidet die Verbindung aus.
- Konjugation verfolgen: Steht der Ring in Konjugation mit einer C=C-Doppelbindung, einer C=O- oder einer Nitrilgruppe? Je länger das durchgehende π-System, desto langwelliger die Absorption.
- Auxochrome und Säuregruppe prüfen: OH- oder \(\ce{OCH3}\)-Gruppen am Ring verschieben die Absorption weiter in Richtung 337 nm. Eine Carboxygruppe liefert die Protonen für die Ionisation.
Eine gute MALDI-Matrix ist aromatisch, konjugiert und sauer. Die Säuregruppe allein macht noch keine Matrix, erst der Chromophor fängt das Laserlicht ein.
Quiz
Aussage 1
Die Analytmoleküle werden bei MALDI vor allem durch Protonen geladen, die sie von Matrixmolekülen übernehmen.
Die Matrix wirkt als Protonenquelle, es entstehen vorwiegend positiv geladene \(\ce{[M+H]+}\)-Ionen.
Aussage 2
Äpfelsäure eignet sich als Matrix für einen 337-nm-Laser, weil ihre zwei Carboxygruppen genügend Protonen liefern.
Äpfelsäure ist ungeeignet. Ihr fehlt ein konjugierter aromatischer Chromophor, die isolierten Carboxygruppen absorbieren nur weit unterhalb von 337 nm.
Aussage 3
Sinapinsäure ist eine gebräuchliche MALDI-Matrix für Proteine wie Insulin.
Sinapinsäure ist ein Zimtsäurederivat mit konjugiertem Aromaten und wird typischerweise für Proteine eingesetzt.
Aussage 4
Die Wellenlänge des Stickstofflasers von 337 nm muss im Absorptionsbereich der Matrixsubstanz liegen.
Der Laser strahlt im Bereich der Absorptionsmaxima der Matrix, damit diese die Energie aufnehmen kann.
Aussage 5
Bei MALDI wird die Laserstrahlung überwiegend direkt von den Analytmolekülen absorbiert.
Die Matrix absorbiert die Laserstrahlung und gibt die Energie an den Analyten weiter. Genau das schützt den Analyten vor Zersetzung.
Aussage 6
Weil MALDI ein weiches Verfahren ist, enthält ein MALDI-Spektrum grundsätzlich keine Fragmentionen.
Die Fragmentierung ist gering, aber Fragmente können durchaus entstehen und detektiert werden.
Aussage 7
Zwei polymorphe Modifikationen eines Arzneistoffs liefern im MALDI-Massenspektrum unterschiedliche Signale und lassen sich so unterscheiden.
Bei der Desorption geht das Kristallgitter verloren. Polymorphe ergeben identische Massenspektren, man braucht Festkörpermethoden wie die Röntgenpulverdiffraktometrie.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.