Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация, МАЛДИ (от англ. MALDI, Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization) — десорбционный метод «мягкой» ионизации, обусловленной воздействием импульсами лазерного излучения на матрицу с анализируемым веществом. Матрица представляет собой материал, свойства которого обуславливают понижение деструктивных свойств лазерного излучения и ионизацию анализируемого вещества. МАЛДИ масс-спектрометрия находит своё широкое применение для анализа нелетучих высокомолекулярных соединений (пептиды, белки, углеводы, олигонуклеотиды и др.)

Впервые возможность применения матрицы для подавления фрагментации при анализе нелетучих органических соединений на примере белков и пептидов была продемонстрирована в 1987 году группой ученых в Германии (M. Karas and F. Hillenkamp)[1]. За открытие метода МАЛДИ японский инженер Коити Танака известной японской приборостроительной корпорации Shimadzu получил в 2002 году Нобелевскую премию.

Обычно используется в сочетании с времяпролётным масс-анализатором. Таким образом, верхний рубеж определяемых масс ограничивается пропускаемой способностью анализатора (около 1MDa). Чувствительность метода: << 1 фемтомоль.

Матрица

Количество самых разнообразных органических соединений, использованных в качестве матрицы, очень велико. Правильный выбор материала матрицы является ключевым моментом для успешной регистрации масс-спектра. Поэтому вещество, используемое в качестве матрицы, должно отвечать следующим основным требованиям:

1) обладать высоким коэффициентом экстинкции при длине волны лазерного излучения (иными словами, обладать высокой способностью поглощать используемое лазерное излучение);
2) иметь способность к ионизации нейтральных молекул анализируемого вещества путём переноса заряда или заряженной частицы;
3) обладать хорошей растворимостью в растворителях, применяемых в процессе пробоподготовки;
4) быть химически инертным по отношению к анализируемому веществу;
5) иметь низкую летучесть в условиях вакуума и термическую устойчивость.

Стоит указать на селективность в выборе матричных соединений по отношению к классу анализируемых соединений. Во многом это определяется различной природой механизмов образования ионов анализируемого вещества. Как правило, доминирующим процессом в их образовании являются процессы вторичной ионизации, а именно ион-молекулярные взаимодействия между матричными ионами и молекулами анализируемого вещества. Иными словами, вторичная ионизация может происходить за счет таких процессов, как перенос протона (Н+), заряженной частицы в виде электрона (e−), металл-катионов (Na+, Ag+ и др.).

Например, существует широко распространенная группа кислотных матриц для анализа белков и пептидов: 2,5-дигидроксибензойная кислота, различные производные коричной (β-фенилакриловой) кислот и т. д. Пептиды и белки, как правило, обладают высокими значениями сродства к протону от 900 кДж/моль и более. Эти значения превышают величины сродства к протону матричных соединений (870–910 кДж/моль), в результате чего реакция переноса протона является экзотермической:

А + МН+ → М + АН+, где А – молекула анализируемого вещества, М – матричная молекула.

Другой путь образования ионов происходит путём переноса электрона (процесс перезарядки), конечным результатом которого является образование молекулярного радикал-катиона:

А + М+• → А+• + М.

Это наиболее эффективный способ образования положительных ионов для неполярных соединений с низкими значениями энергии ионизации.

Примеры МАЛДИ матриц
Название Английское название (аббревиатура) Растворители для матрицы Типы исследуемых веществ
2,5-Дигидроксибензойная кислота 2,5-Dihydroxybenzoic Acid(DHB) Вода, этанол, метанол, ацетон, ацетонитрил, хлороформ, тетрагидрофуран Пептиды, олигонулеотиды, полисахариды, синтетические полимеры
2-(4-Гидроксифенилазо)-бензойная кислота 2-(4-Hydroxyphenyazo)-benzoic acid (HABA) Диоксан, ацетон, тетрагидрофуран, диметилформамид Пептиды, белки, синтетические полимеры
α-циано-4-гидроксикоричная кислота α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid Ацетон, водн. ацетонитрил, ТГФ, ДМФА, этанол Пептиды, синтетические полимеры
Синапиновая кислота Sinapic Acid ТГФ, ДМФА Пептиды, белки, липиды
Феруловая кислота Ferulic Acid ТГФ, ДМФА Пептиды, белки
1,8,9-Антрацентриол 1,8,9-anthracentriol(Dithranol) ТГФ, ДМФА, толуол, хлороформ, хлорбензол Синтетические полимеры, липиды

Как правило, раствор матрицы в подходящем растворителе (концентрация ~10 мг/мл) готовят ежедневно, поскольку он светочувствителен и подвержен фоторазложению. Наиболее широкое применение в качестве матриц нашли коричная кислота, 3-амино-4-гидроксибензойная кислота, никотиновая кислота, α-циано-4-гидроксикоричная кислота, 2,5-Дигидроксибензойная кислота, 6,7-дигидроксикумарин, 2-(4-Гидроксифенилазо)-бензойная кислота, 3-гидроксипиколиновая кислота, 2,4,6-тригидроксиацетофенон и многие другие. В качестве растворителей чаще всего используют воду, ацетон, этанол, ацетонитрил, хлороформ, тетрагидрофуран и др. Источники МАЛДИ с повышенным давлением позволяют использовать в качестве матрицы воду и ряд других соединений. В этих условиях эффективность работы ИК-лазеров выше, чем УФ-лазеров[2].

Механизм ионизации

Схематическое представление механизма МАЛДИ
  • При облучении лазером с длительностью импульса несколько наносекунд и высокими величинами интенсивности излучения (106 — 107 Вт/см²) из образца, представляющего собой твердый раствор или смесь анализируемого вещества и матрицы, происходит выброс материала в виде микрочастиц. Такие частицы могут достигать размеров несколько сотен микрометров. Над поверхностью образца возникает область высокого локального давления — так называемый факел (от англ. англ. plume — факел, шлейф, султан), который преимущественно состоит из нейтральных частиц. Вместе с тем, в нём присутствуют и заряженные частицы, доля которых по разным оценкам составляет 10−5—10−3 от полного числа всех частиц. На начальном этапе образования факела его плотность близка к плотности вещества в конденсированном состоянии.
  • C расширением факела (в первые наносекунды) происходит распад конгломератов вплоть до образования отдельных молекул или их фрагментов, а также заряженных (преимущественно матричных) частиц. Ионизацию молекул, происходящую непосредственно при выбросе материала из конденсированного состояния, принято рассматривать как первичную.
  • В расширяющемся факеле происходят непрерывные соударения между частицами, в том числе возможны ион-молекулярные реакции между матричными заряженными частицами и молекулами анализируемого вещества, которые приводят к ионизации последнего. Такого рода ионизацию относят к вторичной.

Применение

К настоящему времени методом МАЛДИ успешно анализируют самые разнообразные классы веществ:

  1. Биоорганические соединения (полипептиды, белки, олигонуклеотиды, олиго- и полисахариды и т. п.);
  2. синтетические полимеры;
  3. органические комплексные соединения;
  4. высокомолекулярные материалы;
  5. гуминовые кислоты;
  6. синтетические дендримеры;
  7. фуллерены и др.

Метод МАЛДИ используют прежде всего для установления молярной массы соединения.

МАЛДИ масс-спектрометрия в медицине

С конца 2000-х технология MALDI-TOF начала применяться в практической медицине для быстрой идентификации видовой принадлежности [3]. В 2009 году компания Bruker представила первую в мире клиническую версию системы MALDI Biotyper. Идентификация микроорганизмов основывалась на получении общего масс-спектра белков в диапазоне 1000-10000 дальтон и биоинформационного сравнения полученного спектра с базой данных референсных спектров. Применение метода позволило значительно сократить затраты и время бактериологического анализа и увеличить его точность.

См. также

Ссылки

  1. ↑ Karas M., Bachmann D., Bahr D. and Hillenkamp F. “Matrix-assisted ultraviolet-laser desorption of nonvolatile compounds” // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc.. — 1987. — № 78. — С. 53—68.
  2. ↑ Hillenkamp F., Berkenkamp S., Leisner A. How Cool is MALDI? An Introduction to High Pressure MALDI Sources // Ext. Abstr. 50th Proceedings of the ASMS Conference on Mass Spectrometry & Allied Topics. Orlando, Forida, USA, June 2-6, 2002, A020361.
  3. ↑ Mellmann A, Cloud J, Maier T, Keckevoet U, Ramminger I, Iwen P, Dunn J, Hall G, Wilson D, Lasala P, Kostrzewa M, Harmsen D. Evaluation of Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time-of-Flight Mass Spectrometry in Comparison to 16S rRNA Gene Sequencing for Species Identification of Nonfermenting Bacteria // J Clin Microbiol. — 2008. — № Jun;46(6). — С. 1946—1954.