Was ist die Massenspektrometrie?

Alle Massenspektrometer haben drei Hauptkomponenten: eine Ionenquelle, einen Massenanalysator und einen Ionendetektor. Die Proben werden vorbereitet, in flüssiger, gasförmiger oder getrockneter Form in das Massenspektrometer geladen und anschließend von der Ionenquelle verdampft und ionisiert. Variationen dieser Komponenten finden sich in allen Arten von Massenspektrometern, die viele verschiedene Optionen für die Prüfung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften von Proben und die Datenerfassung bieten.

Wir werden die Grundlagen der Massenspektrometrie betrachten und uns dabei auf ihre Geschichte, ihre Technik und ihre vielen Anwendungsmöglichkeiten konzentrieren.

Einführung in die Protein-Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie wurde vor 100 Jahren entwickelt und diente ursprünglich dazu, das Atomgewicht von Elementen und die natürliche Häufigkeit bestimmter Isotope zu messen. Die Massenspektrometrie wurde zuerst in den Life Sciences eingesetzt, um den Weg der Isotope durch biologische Systeme zu verfolgen.

Im Jahr 1998 legte der deutsche Physiker Wilhelm Wien den Grundstein für die Massenspektroskopie, als er entdeckte, dass geladene Teilchen durch ein Magnetfeld abgelenkt werden können. Dies wurde später von J.J. Thomson für die Entwicklung des Parabel-Spektrographen (die früheste Version eines Massenspektrometers) genutzt.
In späteren Jahren wurde die Massenspektrometrie zur Sequenzierung von Oligonukleotiden und Peptiden sowie zur Analyse von Nukleotidstrukturen eingesetzt.
Die heutigen Massenspektrometriegeräte sind mit Computersystemen integriert, um Daten zu erzeugen. Ein Massenspektrum ist das Diagramm, das man nach der Durchführung der Massenspektrometrie erhält und das die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Masse zu Ladung und dem Ionensignal beschreibt.

Die Entwicklung von Methoden zur Ionisierung von Makromolekülen, wie die Elektrospray-Ionisierung(ESI)und die chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck (APCI) waren für die Untersuchung der Proteinstruktur durch Massenspektrometrie von entscheidender Bedeutung.

So funktioniert die Massenspektrometrie

Die Funktionsweise der Massenspektrometrie beruht auf dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz. Mithilfe dieser Eigenschaft von Materie stellt die Massenspektrometrie Ionen mit unterschiedlichen Massen in einem Massenspektrum dar.

Aus dem Gesetz können wir ableiten, wie viel Masse für die Trägheit und Beschleunigung einer Verbindung relevant ist. Ionen mit unterschiedlichem Masse-zu-Ladung-Verhältnis werden so in einem elektrischen oder magnetischen Feld um unterschiedliche Winkel abgelenkt.

Die Geschichte der proteomischen Workflows

Die Massenspektrometrie hat sich in der Proteomik, der Untersuchung aller Proteine in einem biologischen System (z. B. Zellen, Gewebe, Organismen) während bestimmter biologischer Ereignisse, als äußerst nützlich erwiesen. Der Grund dafür ist, dass die Massenspektrometrie Daten über die Menge, die Funktionen, die Faltung und die Wechselwirkungen von Proteinen liefert.

Die Proteomik ist ein anspruchsvolles Forschungsgebiet, da die dynamische Natur der Proteinexpression so komplex ist. Außerdem werden die meisten Proteine einer Form von posttranslationaler Modifizierung (PTM) unterzogen, was zu weiteren Herausforderungen bei genomischen und proteomischen Studien führt.

In den letzten 15 Jahren hat die Massenspektrometrie einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Proteomik geleistet.

Überblick über die Technik der Massenspektrometrie

Wenn die Moleküle eine Ladung erhalten, sorgt das Massenspektrometer dafür, dass die Ionen durch das Massenspektrometersystem beschleunigt werden. Über die Massenanalysatoren treffen die Ionen entweder auf elektrische oder magnetische Felder (oder eine Kombination aus beidem). Dadurch werden die Wege der einzelnen Ionen je nach ihrem spezifischen m/z-Wert abgelenkt.

Zu den Massenanalysatoren gehören:

• Flugzeitmessgeräte (Time-of-Flight, TOF)
• Orbitraps
• Quadrupole und Ionenfallen

Jedes dieser Geräte hat seine eigenen Eigenschaften. Massenanalysatoren können auf zwei Arten eingesetzt werden: zur Trennung aller Analyten für die Analyse oder wie ein Filter, der nur bestimmte Ionen zum Detektor ablenkt.

Sobald die Ionen erfolgreich durch die Massenanalysatoren abgelenkt wurden, kommen sie mit dem Ionendetektor in Kontakt. Der Detektor emittiert eine Kaskade von Elektronen, wenn jedes Ion auf die Detektorplatte trifft, was zu einer Verstärkung jedes Ionentreffers führt. Dadurch wird die Empfindlichkeit für den Nachweis verbessert.

Diese Prozesse werden unter einem Hochvakuum (10-6 bis 10-8 Torr) durchgeführt, das Verunreinigungen durch Gasmoleküle sowie neutrale und probenfremde Ionen entfernt. Durch das Entfernen von Verunreinigungen kann man das Risiko verringern, dass diese Moleküle mit den Ionen der Probe zusammenstoßen, was deren Weg verändern und unspezifische Reaktionsprodukte erzeugen kann.

Massenspektrometer sind mit einer computergestützten Software verbunden, die die Schwingungen und Frequenzen der Ionen misst. Dies geschieht mithilfe der Bildstromerkennung. Das Programm erkennt die Ionen und ordnet sie nach ihrem m/z-Wert und ihrer relativen Häufigkeit.

Mithilfe etablierter Datenbanken können diese Ionen dann anhand des m/z-Wertes zugeordnet und identifiziert werden.

Vier Hauptbestandteile der Massenspektrometrie

Einlasssystem

Einer der größten Fortschritte in der Massenspektrometrietechnik war die Einführung des Einlasssystems. 1960 verbanden A. James und A. Martin erstmals die Gaschromatographie (GC) mit einem Massenspektrometer. Dies geschah mithilfe einer Injektion einer gepackten Säule.

Diese Methode wurde später noch einmal verbessert, als der schwedische Mediziner Einar Stenhagen eine gepackte Säule mit hohem Durchfluss, einem Düsenseparator und einer Kapillarsäule mit großem Durchmesser (530–750 µm) patentieren ließ, die mit der Vakuumkammer des Massenspektrometers verbunden wurde. Dieser Fortschritt veränderte die Durchflussrate der Probe in die Ionenkammer. Diese Entwicklung legte den Grundstein dafür, dass die MS zu einem so effektiven Werkzeug für die analytische Chemie wurde.

Ionisierung

Bei der Verarbeitung einer Probe in der Massenspektrometrie wird die Probe mit Elektronen beschossen. Diese Elektronen bewegen sich zwischen Kathode und Anode. Während die Probe den Elektronenstrom durchläuft, schlagen die Elektronen mit hoher Energie Elektronen aus der Probe heraus und bilden Ionen.

Deflektor

Die Deflektion erfolgt durch die Wechselwirkung der Ionen mit einem Magnetfeld. Das Feld deflektiert die Ionen abhängig von ihrer Ladung und Masse. Wenn ein Ion schwer ist oder zwei oder mehr positive Ladungen hat, wird es am wenigsten deflektiert. Leichte Ionen oder solche mit nur einer positiven Ladung werden dagegen stärker deflektiert.

Ionendetektor

Der Ionendetektor spielt im Analyseprozess eine entscheidende Rolle. Die Ionen mit der richtigen Ladung und Masse wandern zum Detektor, wo das Verhältnis von Masse und Ladung analysiert wird.

Anwendungen der Protein-Massenspektrometrie

Es gibt zahlreiche Anwendungen für die Massenspektrometrie, einschließlich qualitativer und quantitativer Anwendungen. Am häufigsten wird die Massenspektrometrie in analytischen Labors zur Untersuchung der physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften von Verbindungen eingesetzt.

Weitere Anwendungen der Massenspektrometrie:

• Identifizierung unbekannter Verbindungen
• Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Elementen in einem Molekül
• Bestimmung der Struktur einer Verbindung anhand ihrer Fragmentierung
• Quantifizierung der Menge einer Verbindung in einer Probe
• Verständnis der Grundlagen der Ionenchemie in der Gasphase

Dies macht die Massenspektrometrie zu einem idealen Werkzeug für Medikamentenforschung, klinische Tests, Genomik, Geologie und Umweltstudien über Lebensmittel und Böden. Eine der beliebtesten Anwendungen der Massenspektrometrie ist die Kohlenstoffdatierung, die von Geologen und anderen Fachleuten genutzt wird.

Qualitätskontrolle mit dem Massenspektrometer

Der Ionennachweis ist für die Wissenschaft unverzichtbar, da er eine genaue Methode bietet, um die Zusammensetzung einer bestimmten Probe zu verstehen, was sich direkt auf die öffentliche Gesundheit und Sicherheit auswirken kann.

Viele Unternehmen erstellen Prüfprotokolle für die gesamte Produktentwicklung und den Herstellungsprozess, um die Qualitätsstandards einzuhalten. Dieser Einblick in jede notwendige Phase der Produktion kann helfen, Verunreinigungen, Fehler in der Prozesschemie oder andere Anomalien festzustellen, die ein Risiko für die Verbraucher darstellen könnten.

Einige Verunreinigungen in biopharmazeutischen Produkten können bei Patienten immunogene Reaktionen auslösen. Daher ist es wichtig, jegliche Verfälschungen in einem Produkt zu erkennen und zu beseitigen.

Die Flüssigchromatographie MS (LC-MS) kann Peptide mit unglaublicher Empfindlichkeit (auf atomarer Ebene) nachweisen, was eine genaue Produktformulierung, die Überwachung der Stabilität und die Identifizierung von Verunreinigungen ermöglicht.

Dieses Maß an Genauigkeit wird oft Western-Blotting-Techniken wie ELISA zugeschrieben, die eine Antikörperbehandlung erfordern. Wenn jedoch keine kompatiblen Antikörper zur Verfügung stehen, kann die Massenspektrometrie auch ohne Antikörperreagenzien sehr genaue Ergebnisse liefern.

Schlussfolgerung:
Die Massenspektrometrie ist eine optimale Analysetechnik für zahlreiche Anwendungen in mehreren Wissenschaftsbereichen. Avantor bietet das Fachwissen über die Technik hinter der Massenspektrometrie, um Sie bei all Ihren Anforderungen im Labor und in der Produktion zu unterstützen.