Optimierte Laserfoki für die Bildgebende MALDI-Massenspektrometrie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Jens Soltwisch
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259818831

Die Bildgebende MALDI-Massenspektrometrie stellt ein noch junges analytisches Verfahren mit enormem Entwicklungspotential dar. Der große Vorteil der Methode liegt in der gleichzeitigen markierungsfreien und ortsaufgelösten Registrierung einer Vielzahl von Biomolekülen in Gewebeschnitten. Die laterale Auflösung wird dabei maßgeblich durch den fokalen Laserspotdurchmesser bestimmt. Auflösungen von 20-50 µm, wie sie zurzeit standardmäßig erreicht werden, liegen oberhalb der für viele biologische und medizinische Fragestellungen erforderlichen zellulären Auflösung. Diese Grenze wird im Allgemeinen erst mit Spotdurchmessern kleiner als 10 µm durchbrochen. Die Realisierung einer echten massenspektrometrischen Auflösung < 10 µm wird allerdings durch eine Reihe von instrumentellen wie MALDI-prozessbedingten Faktoren erschwert. So führt z. B. ein bisher noch unverstandener spot size-Effekt dazu, dass bei Verkleinerung des Laserspots die benötigte Pulsenergie pro Fläche überproportional ansteigt. Hinsichtlich der Leistungsdaten spielt zudem das Laserstrahlprofil gerade bei kleinen Spots eine große Rolle. Gaußförmige oder stärker strukturierte Laserstrahlprofile mit hot spots, wie sie die für die MALDI-MS eingesetzten Nd:YAG bzw. N2-Laser erzeugen, können in den Intensitätsspitzen zu einer verstärkten Fragmentierung der Ionen führen. Nur durch die Verwendung von flat top-Strahlprofilen werden optimale Anregungsbedingungen über die gesamte bestrahlte Fläche ermöglicht. Aufgrund ihrer Flankensteilheit und den dadurch definierten Materialabtrag eignen sich flat top-Profile zudem hervorragend für die Bildgebende MALDI-MS. Dies gälte noch mehr für solche mit quadratischen Abmessungen. Aufbauend auf Techniken zur Strahlmodulation, wie sie in der Laser-Material-Bearbeitung und der Lasermedizin bereits erfolgreich eingesetzt werden, sollen im Forschungsvorhaben flat top-Strahlprofile (einschließlich solchen mit quadratischen Abmessungen) mit Durchmessern zwischen 2 und 200 µm in der Probenebene handelsüblicher MALDI-Ionenquellen erzeugt werden. Dazu werden verschiedene Konzepte untersucht und für die MALDI-MS weiterentwickelt, die in ihrer Gesamtheit die Fälle der MALDI-typischen Lichtquellen (räumlich hoch-kohärente Nd:YAG-Laser und niedrig-kohärente N2-Laser) abdecken. Als Massenspektrometer werden ein Synapt G2-S HDMS (Waters) und ein dem QStar (AB Sciex) ähnliches Gerät eingesetzt.In einem zweiten, eng verknüpften Schwerpunkt des Forschungsvorhabens werden die Grundlagen des MALDI-Prozesses im Hinblick auf den Einfluss der Laserspotgröße und des Laserstrahlprofils untersucht. Dazu werden der Gesamtmaterialabtrag (aufgenommen mit einem photoakustischen Aufbau) und dazu parallel die MALDI-Ionensignale als Funktion dieser Parameter und der Laserfluenz registriert. Auch aus diesen Untersuchungen werden wichtige Hinweise auf Verbesserungsmöglichkeiten der Bildgebenden Massenspektrometrie erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen