Wikipedia

MALDI

MALDI (forkortelse for Matrix-assisted laser desorption-ionization) innenfor massespektrometri er en ioniseringsteknikk som bruker laserenergi absorberende matrise for å lage ioner fra store molekyler med minimal fragmentering[1].

MALDI massespektrometri. En innkommende laser lar deler av matriksen med analytten gå over til molekylære ioner.

MALDI har blitt benyttet til analyse av store biomolekyler (biopolymerer som DNA, proteiner, peptider og sukkerarter) og store organiske molekyler (som polymerer, dedrimerer og andre makromolekyler). Store organiske molekyler som dette har en tendens til å være skjøre og fragmentere når de ioniseres ved mer konvensjonelle ioniseringsmetoder.

Teknikken er ganske lik elektronsprayionisering (ESI) ved at begge teknikkene er relativt myke (lav fragmentering). Ofte vil MALDI produsere langt færre multiladede ioner.

MALDI har en tre trinns prosess.

  1. Prøven blandes med et egnet matrisematriale. Dette danner matrisen.
  2. En laser med en pulserende stråle vil bestråle matriksen. Dette vil frigjøre matriksen med analytten.
  3. Analytten vil bli ionisert ved protonering eller deprotonering i den varme gassen. Deretter kan ionene bli akselerert inn i et massespektrometer.[2]

Historie rediger

Begrepet matriseassistert laserdesorpsjonsionisering (MALDI) ble laget i 1985 av Franz Hillenkamp, ​​Michael Karas og deres kolleger.[3] Disse forskerne fant at aminosyren alanin kunne bli ionisert lettere hvis den ble blandet med aminosyren tryptofan og bestrålt med en pulserende laser på 266 nm. Tryptofanen absorberte laserenergien og hjalp til med å ionisere den ikke-absorberende alaninen. Peptider opp til 2843 Da peptidet melittin kan ioniseres når de blandes med denne typen "matrise".[4] Gjennombruddet for laser desorpsjon ionisering med store molekyler kom i 1987 da Koichi Tanaka fra Shimadzu Corporation og hans medarbeidere brukte det de kalte "ultrafint metal plus væskematriks metoden" som kombinerte 30 nm store koboltpartikler i glyserol med en nitrogen laser på 337 nm for ionisering.[5] Ved å bruke denne laser- og matrisekombinasjonen var Tanaka i stand til å ionisere biomolekyler så store som 34 472 Da. Proteinet karboksypeptidase-A. Tanaka mottok en fjerdedel av Nobelprisen i kjemi i 2002 for å ha demonstrert at et protein kan ioniseres med riktig kombinasjon av laserbølgelengde og matrise.[6] Karas og Hillenkamp var deretter i stand til å ionisere det 67 kDa store proteinet albumin ved hjelp av en nikotinsyrematrise og en 266 nm laser.[7] Ytterligere forbedringer ved bruk av en 355 nm laser og kanelsyrederivatene ferulinsyre, koffeinsyre og sinapinsyre som matrise kom i 1989.[8] Tilgjengeligheten av små og relativt billige nitrogenlasere som opererte ved 337 nm bølgelengde ble introdusert på begynnelsen av 1990-tallet som ga de første kommersielle instrumentene. Dette førte MALDI til et økende antall forskere.[9] I dag brukes for det meste organiske matriser til MALDI massespektrometri.

Matriksen rediger

Matrisen består av krystalliserte molekyler, hvorav de tre mest brukte er sinapinsyre, α-cyano-4-hydroksykanelsyre (α-CHCA, alfa-cyano eller alfa-matrise) og 2,5-dihydroksybenzoesyre (DHB).[10] En løsning av ett av disse molekylene blir laget, ofte i en blanding av høyt renset vann og et organisk løsningsmiddel som acetonitril (ACN) eller etanol. En motionekilde slik som trifluoreddiksyre (TFA) blir vanligvis tilsatt for å generere [M+H] ionene. Et godt eksempel på en matriseoppløsning ville være 20 mg/ml sinapinsyre i ACN:vann: TFA (50: 50: 0,1).

De vanligste kjemikaliene benyttet i MALDI matriks
Kjemikalie Struktur Løsningsmiddel Bølgelengde (nm) Anvendelse
Gentisinsyre[11]   Acetonitril, vann, metanol, aceton, kloroform 337, 355, 266 Peptider, nukleotider, oligonukleotider, oligosakkarid
Sinapinsyre[12]   Acetonitril, vann, aceton, kloroform 337, 355, 266 Peptider, nukleotider, lipider
Ferulsyre[12]   Acetonitril, vann, propanol 337, 355, 266 Proteiner
alfa-cyano-4-hydroksykinnaminsyre[13]   Acetonitril, vann, etanol, aceton 337, 355 Peptider, lipider, nukleotider
Pikolinsyre[14]   Etanol 266 Oligonukleotider
3-Hydroksypikolinsyre[15]   Etanol 337, 355 Oligonukleotider

Instrumentelt rediger

 
Diagram over et MALDI TOF-instrument. Prøvematrisen ioniseres av strålingsenergi som kommer ut fra overflaten. Prøven går inn i masseanalysatoren og blir i hovedsak oppdaget.

Det er flere varianter av MALDI-teknologien, og sammenlignbare instrumenter produseres i dag for veldig forskjellige formål. Fra mer akademisk og analytisk, til mer industriell med høy gjennomstrømning. Massespektrometerfeltet har utvidet seg til å kreve massespektrometri med ultrahøy oppløsning, slik som FT-ICR-instrumentene[16][17], samt flere instrumenter med høy gjennomstrømning.[18] Ettersom mange MALDI MS-instrumenter kan kjøpes med en utskiftbar ioniseringskilde (elektrosprayionisering, MALDI, ionisering ved atmosfæretrykk osv.) Overlapper teknologiene ofte og mange ganger kan enhver myk ioniseringsmetode potensielt brukes. For flere variasjoner av myke ioniseringsmetoder, se: Ionekilde.

Laser rediger

MALDI-teknikker bruker vanligvis UV-lasere som nitrogenlasere (337 nm) og frekvens-tredoblet og firdoblet Nd:YAG-lasere (henholdsvis 355 nm og 266 nm).[19]

Infrarøde laserbølgelengder brukt til infrarød MALDI inkluderer 2,94 μm Er:YAG-laser, midt-IR optisk parametrisk oscillator og 10,6 μm karbondioksidlaser. Selv om det ikke er så vanlig, brukes infrarøde lasere på grunn av deres mykere ioniseringsmåte.[20] IR-MALDI har også fordelen av større materialfjerning (nyttig for biologiske prøver), mindre forstyrrelser med lav masse og kompatibilitet med andre matrisefrie laserdesorpsjonsmassespektrometri-metoder.

Flyvetid rediger

 
Prøvemål for et MALDI massespektrometer

Typen av et massespektrometer som er mest brukt med MALDI, er flyvetidsmassespektrometeret (TOF), hovedsakelig på grunn av dets store masseområde. TOF-måleprosedyren er også ideell for MALDI-ioniseringsprosessen, siden den pulserende laseren tar individuelle "skudd" i stedet for å jobbe kontinuerlig. MALDI-TOF-instrumenter er ofte utstyrt med en reflektron (et "ionespeil") som reflekterer ioner ved hjelp av et elektrisk felt. Dette øker ioneflyvebanen, og øker dermed flytid mellom ioner med forskjellig m/z og øker oppløsningen. Moderne kommersielle reflektron TOF-instrumenter når en oppløsningseffekt m/Δm på 50 000 FWHM (halvbredde i full bredde, Δm definert som toppbredde ved 50% av topphøyde) eller mer.[21]

MALDI har blitt koblet til IMS-TOF MS for å identifisere fosforylering og ikke-fosforylering peptider.[22][23]

MALDI-FT-ICR MS har vist seg å være en nyttig teknikk der høyoppløselige MALDI-MS målinger er ønsket.[24]

Atmosfærisk trykk rediger

Atmosfærisk trykk (AP) matriksassistert laserdesorpsjon/ioniserings (MALDI) er en ioniseringsteknikk (ionekilde) som i motsetning til vakuum MALDI opererer i normalt atmosfærisk miljø.[25] Hovedforskjellen mellom vakuum MALDI og AP-MALDI er trykket der ionene dannes. I vakuum MALDI produseres ioner vanligvis ved 10 mTorr eller mindre mens AP-MALDI-ioner dannes i atmosfærisk trykk. Tidligere har den største ulempen med AP-MALDI-teknikken sammenlignet med konvensjonelt vakuum MALDI vært den begrensede følsomheten; Imidlertid kan ioner overføres til massespektrometeret med høy effektivitet og deteksjonsgrenser for attomol er rapportert.[26] AP-MALDI brukes i massespektrometri (MS) i en rekke applikasjoner som spenner fra proteomikk til medikamentoppdagelse. Populære emner som tas opp av AP-MALDI massespektrometri inkluderer: proteomikk; masseanalyse av DNA, RNA, PNA, lipider, oligosakkarider, fosfopeptider, bakterier, små molekyler og syntetiske polymerer, lignende anvendelser som også tilgjengelige for vakuum MALDI-instrumenter. AP-MALDI-ionekilden kan enkelt kobles til et ionefellemassespektrometer[27] eller et hvilket som helst annet MS-system utstyrt med elektrosprayionisering (ESI) eller nanoESI-kilde.

Aerosol rediger

I aerosolmassespektrometri består en av ioniseringsteknikkene i å skyte en laser mot individuelle dråper. Disse systemene kalles single particle mass spectrometers (SPMS).[28] Prøven kan eventuelt blandes med en MALDI-matrise før aerosolisering.

Referanser rediger

  1. ^ Hillenkamp, Franz; Karas, Michael; Beavis, Ronald C.; Chait, Brian T. (15. desember 1991). «Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry of Biopolymers». Analytical Chemistry. 24. 63: 1193A–1203A. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00024a716. Besøkt 2. mai 2019. 
  2. ^ Karas, Michael; Krüger, Ralf (1. februar 2003). «Ion Formation in MALDI:  The Cluster Ionization Mechanism». Chemical Reviews. 2. 103: 427–440. ISSN 0009-2665. doi:10.1021/cr010376a. Besøkt 2. mai 2019. 
  3. ^ Karas, Michael.; Bachmann, Doris.; Hillenkamp, Franz. (1. desember 1985). «Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass spectrometry of organic molecules». Analytical Chemistry. 14 (engelsk). 57: 2935–2939. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00291a042. Besøkt 11. mars 2021. 
  4. ^ Karas, M.; Bachmann, D.; Bahr, U.; Hillenkamp, F. (September 1987). «Matrix-assisted ultraviolet laser desorption of non-volatile compounds». International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes (engelsk). 78: 53–68. doi:10.1016/0168-1176(87)87041-6. Besøkt 11. mars 2021. 
  5. ^ Tanaka, Koichi; Waki, Hiroaki; Ido, Yutaka; Akita, Satoshi; Yoshida, Yoshikazu; Yoshida, Tamio; Matsuo, T. (August 1988). «Protein and polymer analyses up tom/z 100 000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry». Rapid Communications in Mass Spectrometry. 8 (engelsk). 2: 151–153. ISSN 0951-4198. doi:10.1002/rcm.1290020802. Besøkt 11. mars 2021. 
  6. ^ «Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2002» (PDF). The Royal Swedish Academy of Science. 09.10.2002. s. 1-13. 
  7. ^ Karas, Michael.; Hillenkamp, Franz. (15. oktober 1988). «Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons». Analytical Chemistry. 20 (engelsk). 60: 2299–2301. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac00171a028. Besøkt 11. mars 2021. 
  8. ^ Beavis, Ronald C.; Chait, Brian T.; Standing, K. G. (Desember 1989). «Matrix-assisted laser-desorption mass spectrometry using 355 nm radiation». Rapid Communications in Mass Spectrometry. 12 (engelsk). 3: 436–439. ISSN 0951-4198. doi:10.1002/rcm.1290031208. Besøkt 11. mars 2021. 
  9. ^ Karas, M.; Bahr, U. (November 1990). «Laser desorption ionization mass spectrometry of large biomolecules». TrAC Trends in Analytical Chemistry. 10 (engelsk). 9: 321–325. doi:10.1016/0165-9936(90)85065-F. Besøkt 11. mars 2021. 
  10. ^ Using mass spectrometry for drug metabolism studies. Boca Raton, FL: CRC Press. 2010. s. 342. ISBN 978-1-4200-9221-9. OCLC 496960764. 
  11. ^ «ScienceDirect». www.sciencedirect.com. doi:10.1016/0168-1176(91)85050-v. Besøkt 2. mai 2019. 
  12. ^ a b Beavis, Ronald C.; Chait, Brian T.; Standing, K. G. (1989). «Matrix-assisted laser-desorption mass spectrometry using 355 nm radiation». Rapid Communications in Mass Spectrometry. 12 (engelsk). 3: 436–439. ISSN 1097-0231. doi:10.1002/rcm.1290031208. Besøkt 2. mai 2019. 
  13. ^ Beavis, R. C.; Chaudhary, T.; Chait, B. T. (1992). «α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid as a matrix for matrixassisted laser desorption mass spectromtry». Organic Mass Spectrometry. 2 (engelsk). 27: 156–158. ISSN 1096-9888. doi:10.1002/oms.1210270217. Besøkt 2. mai 2019. 
  14. ^ Tang, K.; Taranenko, N. I.; Allman, S. L.; Cháng, L. Y.; Chen, C. H.; Lubman, D. M. (1994). «Detection of 500-nucleotide DNA by laser desorption mass spectrometry». Rapid Communications in Mass Spectrometry. 9 (engelsk). 8: 727–730. ISSN 1097-0231. doi:10.1002/rcm.1290080913. Besøkt 2. mai 2019. 
  15. ^ Wu, Kuang Jen; Steding, Anna; Becker, Christopher H. (1993). «Matrix-assisted laser desorption time-of-flight mass spectrometry of oligonucleotides using 3-hydroxypicolinic acid as an ultraviolet-sensitive matrix». Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2 (engelsk). 7: 142–146. ISSN 1097-0231. doi:10.1002/rcm.1290070206. Besøkt 2. mai 2019. 
  16. ^ «Talking About a Revolution: FT-ICR Mass Spectrometry Offers High Resolution and Mass Accuracy for Pr». www.biocompare.com (engelsk). Besøkt 11. mars 2021. 
  17. ^ Schmitt-Kopplin, Philippe; Hertkorn, Norbert (1. november 2007). «Ultrahigh resolution mass spectrometry». Analytical and Bioanalytical Chemistry. 5 (engelsk). 389: 1309–1310. ISSN 1618-2650. PMC 2129108  . doi:10.1007/s00216-007-1589-0. Besøkt 11. mars 2021. 
  18. ^ Ghyselinck, Jonas; Van Hoorde, Koenraad; Hoste, Bart; Heylen, Kim; De Vos, Paul (September 2011). «Evaluation of MALDI-TOF MS as a tool for high-throughput dereplication». Journal of Microbiological Methods. 3 (engelsk). 86: 327–336. doi:10.1016/j.mimet.2011.06.004. Besøkt 11. mars 2021. 
  19. ^ Dreisewerd, Klaus (April 2014). «Recent methodological advances in MALDI mass spectrometry». Analytical and Bioanalytical Chemistry. 9-10 (engelsk). 406: 2261–2278. ISSN 1618-2642. doi:10.1007/s00216-014-7646-6. Besøkt 11. mars 2021. 
  20. ^ «6». The encyclopedia of mass spectrometry (1st ed utg.). Amsterdam: Elsevier. 2003. ISBN 978-0-08-043850-4. OCLC 55939535. 
  21. ^ Xian, Feng; Hendrickson, Christopher L.; Marshall, Alan G. (17. januar 2012). «High Resolution Mass Spectrometry». Analytical Chemistry. 2 (engelsk). 84: 708–719. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac203191t. Besøkt 11. mars 2021. 
  22. ^ Ruotolo, Brandon T.; Gillig, Kent J.; Woods, Amina S.; Egan, Thomas F.; Ugarov, Michael V.; Schultz, J. Albert; Russell, David H. (November 2004). «Analysis of Phosphorylated Peptides by Ion Mobility-Mass Spectrometry». Analytical Chemistry. 22 (engelsk). 76: 6727–6733. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac0498009. Besøkt 11. mars 2021. 
  23. ^ Ruotolo, Brandon T.; Verbeck; Thomson, Lisa M.; Woods, Amina S.; Gillig, Kent J.; Russell, David H. (August 2002). «Distinguishing between Phosphorylated and Nonphosphorylated Peptides with Ion Mobility−Mass Spectrometry». Journal of Proteome Research. 4 (engelsk). 1: 303–306. ISSN 1535-3893. doi:10.1021/pr025516r. Besøkt 11. mars 2021. 
  24. ^ Paša-Tolić, Ljiljana; Huang, Yulin; Guan, Shenheng; Kim, Hyun Sik; Marshall, Alan G. (Juni 1995). «Ultrahigh-resolution matrix-assisted laser desorption/ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectra of peptides». Journal of Mass Spectrometry. 6 (engelsk). 30: 825–833. ISSN 1076-5174. doi:10.1002/jms.1190300607. Besøkt 11. mars 2021. 
  25. ^ Laiko, Victor V.; Baldwin, Michael A.; Burlingame, Alma L. (Februar 2000). «Atmospheric Pressure Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry». Analytical Chemistry. 4 (engelsk). 72: 652–657. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac990998k. Besøkt 11. mars 2021. 
  26. ^ «MassTech – Your Source for AP-MALDI» (engelsk). Besøkt 11. mars 2021. 
  27. ^ Laiko, Victor V.; Moyer, Susanne C.; Cotter, Robert J. (November 2000). «Atmospheric Pressure MALDI/Ion Trap Mass Spectrometry». Analytical Chemistry. 21 (engelsk). 72: 5239–5243. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac000530d. Besøkt 11. mars 2021. 
  28. ^ Li, Yong Jie; Sun, Yele; Zhang, Qi; Li, Xue; Li, Mei; Zhou, Zhen; Chan, Chak K. (Juni 2017). «Real-time chemical characterization of atmospheric particulate matter in China: A review». Atmospheric Environment (engelsk). 158: 270–304. doi:10.1016/j.atmosenv.2017.02.027. Besøkt 11. mars 2021. 
Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=MALDI&oldid=23662870»