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MULTI-Ionenquelle mit innovativen Nachionisationsmodulen zur flexiblen Analyse komplexer Proben in der biomedizinischen Lasermassenspektrometrie

Fachliche Zuordnung Analytische Chemie
Förderung Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326945247
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die bildgebende MALDI-Massenspektrometrie oder kurz MALDI-MSI für MALDI-MS imaging hat in den vergangenen Jahren einen bemerkenswerten technischen Aufschwung und, eng damit verbunden, ein nochmal gesteigertes Interesse in der Forschungsgemeinschaft gefunden. Eine besonders wichtige Entwicklung stellt die Kopplung von MALDI-Ionenquellen mit hochauflösenden hybriden Massenspektrometern dar, wie der in diesem Projekt eingesetzten „Orbitrap“. Aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, die räumliche Auflösung weiter zu verbessern, um z.B. einzelne Zellen in Gewebeschnitten oder in Zellkulturen chemisch voneinander zu unterscheiden bzw. zu charakterisieren. Eng verknüpft mit dieser Herausforderung steht die Verbesserung der Nachweisempfindlichkeiten im Fokus vieler methodischer Entwicklungsinitiativen. Im konkreten Forschungsprojekt wurden hierzu zwei neuartige Nachionisationsverfahren entwickelt. Mittels gepulst betriebener Krypton-Entladungslampen und (optionaler) Einleitung eines Dopandengases gelang es, eine Steigerung in den Ionenausbeuten für viele Biomolekülklassen zu erzielen, die der bereits stärker etablierten laserbasierten MALDI-2-MSI-Technik ebenbürtig sind. Vorteile des VUV-Verfahrens sind dabei zum einen die deutlich geringeren Kosten und zum anderen die Möglichkeit, hohe Laserrepetitionsraten bis in den MHz-(cw-)Bereich mit einem robust arbeitendem Aufbau zu erzielen. Als zweite Methode wurde die mittels dielectric barrier discharge-generierte Niedrig-Energie-Plasmanachionisierung vorangetrieben. Vielversprechende Ergebnisse, die z.B. ebenso wie bei den VUV-Experimenten mit Dünnschnitten von Mausorganen bei lateralen Auflösungen nahe 10 µm gewonnen wurden, weisen auf ein mindestens ebenso großes Potential hin. Aus den Experimenten wurde deutlich, dass vor allem das sogenannte Townsend-Regime zu besonders sanfter Anregung führt, während außerhalb dieses Bereiches entweder eine zu niedrige Ionisierungseffizienz vorliegt oder zu höher energetischen Bedingungen, wie z.B. in einer Glimmentladung eine starke Fragmentierung auftritt. Es sind daher aktuell noch weitere technische Entwicklungen erforderlich, um ein robustes Regime für die Plasma-basierte Nachionisation zu erhalten, welches den langen Zeitdauern einer MALDI-MSI- Messungen von oftmals vielen Stunden und den, bedingt durch Unterschiede in den Probenmorphologien, lokalen chemischen Zusammensetzungen der Proben, den unterschiedlichen üblicherweise verwendeten MALDI-Matrizes und Variationen in den Laserfluenzen – alle Faktoren können schnell zu variierenden Plasmaeigenschaften führen – gerecht zu werden. In dem fundamental-methodischen Teil des Vorhabens wurden umfangreiche Untersuchungen zur optischen Charakterisierung der Expansionscharakteristiken der MALDI-Plume durchgeführt. Die Nutzung einer eigens für diese Experimente konzipierten Analysekammer gestattete dabei eine Variation des Puffergasdruckes über einen sehr weiten Bereich von annähernd Hochvakuum bis zu Atmosphärenbedingungen. Zudem war die Differenzierung zwischen ablatierten Clustern in der MALDI-Teilchenwolke und eher gasförmigen Plumebestandteilen möglich. Es zeigte sich, dass beide dabei komplett unterschiedliche Expansionsdynamiken und Geschwindigkeitsverteilungen aufweisen. Ergänzt wurden die auf einer optischen Hellfelddetektion (shadowgraphy) beruhenden Experimente durch solche, die an einem bestehenden MALDI-2- MS-Aufbau unter Variation aufschlussreicher Messgrößen wie dem delay zwischen den beiden Laserpulsen und dem Puffergasdruck in der Ionenquelle. Aus den kombinierten Daten wurden wichtige neue Erkenntnisse (z.B. zu einer möglichen Kondensation von Molekülen durch Kollisionskühlung) gewonnen, die zukünftig zur Entwicklung weiter verbesserter Nachionisationsmodule genutzt werden könnten. Insgesamt wurden daher der im Rahmen der DFG-Initiative „Neue Geräte für die Forschung“ durchgeführten Arbeiten neue Impulse für die bildgebende Massenspektrometrie erzielt. Auch eine mögliche Kommerzialisierung der entwickelten Techniken erscheint gut möglich. Zudem haben die Projektarbeiten entscheidend zur wissenschaftlichen Qualifikation mehrerer Nachwuchswissenschaftler*Innen beigetragen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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