Optimierte Laserfoki für die Bildgebende MALDI-Massenspektrometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Matrix unterstütze Desorption/Ionisation-Massenspektrometrie (MALDI-MS) stellt eine wichtige Technik zur Untersuchung intakter Biomoleküle dar. Dabei wird der Analyt in eine chemische Matrix eingebracht und mit einem stark fokussierten Laserpuls beschossen. Durch die Wechselwirkung von hochenergetischem Licht mit der Matrix löst sich der Verband explosionsartig auf und der Analyt wird intakt in die Gasphase überführt. Einige Analytmoleküle werden bei diesem Prozess zusätzlich ionisiert und können massenspektrometrisch untersucht werden. Neben der Analyse von Extrakten, wird die MALDI heute vermehrt als bildgebendes Verfahren (MALDI-Imaging) eingesetzt. Dabei wird eine Probe, zum Beispiel ein Gewebeschnitt, mit Matrix überschichtet und der Analyt ortstreu extrahiert. Wird die Probe nun systematisch abgerastert und an jedem Pixel ein Massenspektrum generiert, kann nachträglich für jedes gemessene Masse-zu-Ladungs-Verhältnis die Intensitätsverteilungen innerhalb der Probe rekonstruieren werden. Trotz ihrer weiten Verbreitung als Analysemethode sind viele grundlegende Mechanismen des MALDI Prozesses weiterhin nur unzureichend verstanden. So wurde beispielsweise in empirischen Studien festgestellt, dass der Durchmesser und die Intensitätsverteilung des verwendeten Laserspots großen Einfluss auf den MALDI Prozess haben. Dieser mechanistisch bisher unverstandene sogenannte spot-size effect schlägt insbesondere bei sehr kleinen Laserspots zu Buche, wie sie für bildgebende Verfahren hoher räumlicher Auflösung verwendet werden und steht einer technischen Weiterentwicklung dieser Methode potentiell im Wege. Das nun abgeschlossene Projekt setzt genau an dieser Stelle an und hatte zum Ziel, den Einfluss der Laserspotgröße und des Laserstrahlprofils auf den MALDI-Prozess insbesondere bei kleiner werdenden Spotgrößen näher zu beleuchten. Ein erster wichtiger Schritt bestand dabei darin, die technischen Voraussetzungen zur Erzeugung von gleichmäßig ausgeleuchteten Laserstrahlprofilen (engl. flat-top Profil) verschiedener Größe auf der Probe zu schaffen. Dies gelang unter anderem durch die Verwendung von Lichtwellenleitern und speziellen optischen Bauteilen, sog. FBS (fundamental beam shaper), so dass für die nachfolgenden systematischen Untersuchungen Laserspotgrößen zwischen 10 und 200 µm Durchmesser zur Verfügung standen. Mit ihrer Hilfe konnte so der spot-size effect erstmals auch unter Imaging-Bedingungen untersucht werden und die Auswahl der Strahlparameter beim sog. Oversampling optimiert werden. Neben der Untersuchung der MALDI-Ionenausbeute stand insbesondere der initiale Prozess des Materialabtrags im Fokus der Untersuchungen. Hier lieferten zwei komplementären Techniken wichtige neue Hinweise auf die ablaufenden Prozesse. So konnte erstmals gezeigt werden, dass die Menge des abgetragenen Materials nur von der eingebrachten Energie pro Fläche, nicht aber von der Spotgröße des Lasers abhängig ist. Ursachen für den spot-size effect sind demnach in Prozessen bei der nachfolgenden Ausdehnung der sich entwickelnden Abtragswolke zu suchen. Als weiteres interessantes Ergebnis konnten die Messungen zeigen, dass dem Materialabtrag zwei unterschiedliche Prozesse zu Grunde liegen. Beide Prozesse wurden bereits in der Literatur vorgeschlagen und konnten hier erstmals im selben Experiment nachgewiesen werden. Während bei wenig eingetragener Energie eine Desorption, also ein mehr oder weniger geordneter molekularer Abtrag von der Oberfläche vorherrscht, dominiert den hohen Fluenz Bereich ein explosionsartiger Abtrag von Clustern und kleineren Aggregaten aus dem Volumen heraus. Insgesamt konnte das Projekt zum besseren Verständnis des MALDI Prozesses unter Imaging-Bedingungen beitragen und so neue Grundlagen für mögliche Verbesserungen dieser wichtigen Analysemethode schaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2016. Effect of excitation laser beam diameter and tissue type on the phospholipid ion signal intensities obtained by MALDI-MS imaging in oversampling mode; Imaging Mass Spectrometry Conference, OurCon IV, Ustron, Polen
Wiegelmann, M., Dreisewerd, K., und Soltwisch, J.
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2016. Influence of the Laser Spot Size, Focal Beam Profile, and Tissue Type on the Lipid Signals Obtained by MALDI-MS Imaging in Oversampling Mode. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 27, 1952–1964
Wiegelmann, M., Dreisewerd, K., Soltwisch, J.
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Effect of excitation laser beam diameter and tissue type on the phospholipid ion signal intensities obtained by MALDI-MS imaging in oversampling mode; International Mass Spectromnetry Conference, 2016, Toronto, Kanada
Wiegelmann, M., Dreisewerd, K., und Soltwisch, J.
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2017. New insights into the MALDI mechanisms: Postionization and photoacoustic experiments reveal laser spot size-dependent transitions between desorption and ablation regimes; 50. Jahrestagung der deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie, Kiel
Wiegelmann, M., Dreisewerd, K., und Soltwisch, J.
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2017. New insights into the MALDI mechanisms: Postionization and photoacoustic experiments reveal laser spot size-dependent transitions between desorption and ablation regimes; Imaging Mass Spectrometry Conference, OurCon V, Doorn, Niederlande
Wiegelmann, M., Dreisewerd, K., und Soltwisch, J.
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2018. New insights into mechanisms of material ejection in MALDI mass spectrometry for a wide range of spot sizes. Sci. Rep. 8, 7755
Niehaus, M., Soltwisch, J.
