MALDI

MALDI (forkortelse for Matrix-assisted laser desorption-ionization) innenfor massespektrometri er en ioniseringsteknikk som bruker laserenergi absorberende matrise for å lage ioner fra store molekyler med minimal fragmentering^[1].

MALDI har blitt benyttet til analyse av store biomolekyler (biopolymerer som DNA, proteiner, peptider og sukkerarter) og store organiske molekyler (som polymerer, dedrimerer og andre makromolekyler). Store organiske molekyler som dette har en tendens til å være skjøre og fragmentere når de ioniseres ved mer konvensjonelle ioniseringsmetoder.

Teknikken er ganske lik elektronsprayionisering (ESI) ved at begge teknikkene er relativt myke (lav fragmentering). Ofte vil MALDI produsere langt færre multiladede ioner.

MALDI har en tre trinns prosess.

1. Prøven blandes med et egnet matrisematriale. Dette danner matrisen.
2. En laser med en pulserende stråle vil bestråle matriksen. Dette vil frigjøre matriksen med analytten.
3. Analytten vil bli ionisert ved protonering eller deprotonering i den varme gassen. Deretter kan ionene bli akselerert inn i et massespektrometer.^[2]

Begrepet matriseassistert laserdesorpsjonsionisering (MALDI) ble laget i 1985 av Franz Hillenkamp, ​​Michael Karas og deres kolleger.^[3] Disse forskerne fant at aminosyren alanin kunne bli ionisert lettere hvis den ble blandet med aminosyren tryptofan og bestrålt med en pulserende laser på 266 nm. Tryptofanen absorberte laserenergien og hjalp til med å ionisere den ikke-absorberende alaninen. Peptider opp til 2843 Da peptidet melittin kan ioniseres når de blandes med denne typen "matrise".^[4] Gjennombruddet for laser desorpsjon ionisering med store molekyler kom i 1987 da Koichi Tanaka fra Shimadzu Corporation og hans medarbeidere brukte det de kalte "ultrafint metal plus væskematriks metoden" som kombinerte 30 nm store koboltpartikler i glyserol med en nitrogen laser på 337 nm for ionisering.^[5] Ved å bruke denne laser- og matrisekombinasjonen var Tanaka i stand til å ionisere biomolekyler så store som 34 472 Da. Proteinet karboksypeptidase-A. Tanaka mottok en fjerdedel av Nobelprisen i kjemi i 2002 for å ha demonstrert at et protein kan ioniseres med riktig kombinasjon av laserbølgelengde og matrise.^[6] Karas og Hillenkamp var deretter i stand til å ionisere det 67 kDa store proteinet albumin ved hjelp av en nikotinsyrematrise og en 266 nm laser.^[7] Ytterligere forbedringer ved bruk av en 355 nm laser og kanelsyrederivatene ferulinsyre, koffeinsyre og sinapinsyre som matrise kom i 1989.^[8] Tilgjengeligheten av små og relativt billige nitrogenlasere som opererte ved 337 nm bølgelengde ble introdusert på begynnelsen av 1990-tallet som ga de første kommersielle instrumentene. Dette førte MALDI til et økende antall forskere.^[9] I dag brukes for det meste organiske matriser til MALDI massespektrometri.

Matrisen består av krystalliserte molekyler, hvorav de tre mest brukte er sinapinsyre, α-cyano-4-hydroksykanelsyre (α-CHCA, alfa-cyano eller alfa-matrise) og 2,5-dihydroksybenzoesyre (DHB).^[10] En løsning av ett av disse molekylene blir laget, ofte i en blanding av høyt renset vann og et organisk løsningsmiddel som acetonitril (ACN) eller etanol. En motionekilde slik som trifluoreddiksyre (TFA) blir vanligvis tilsatt for å generere [M+H] ionene. Et godt eksempel på en matriseoppløsning ville være 20 mg/ml sinapinsyre i ACN:vann: TFA (50: 50: 0,1).

De vanligste kjemikaliene benyttet i MALDI matriks

Kjemikalie	Struktur	Løsningsmiddel	Bølgelengde (nm)	Anvendelse
Gentisinsyre[11]		Acetonitril, vann, metanol, aceton, kloroform	337, 355, 266	Peptider, nukleotider, oligonukleotider, oligosakkarid
Sinapinsyre[12]		Acetonitril, vann, aceton, kloroform	337, 355, 266	Peptider, nukleotider, lipider
Ferulsyre[12]		Acetonitril, vann, propanol	337, 355, 266	Proteiner
alfa-cyano-4-hydroksykinnaminsyre[13]		Acetonitril, vann, etanol, aceton	337, 355	Peptider, lipider, nukleotider
Pikolinsyre[14]		Etanol	266	Oligonukleotider
3-Hydroksypikolinsyre[15]		Etanol	337, 355	Oligonukleotider

Det er flere varianter av MALDI-teknologien, og sammenlignbare instrumenter produseres i dag for veldig forskjellige formål. Fra mer akademisk og analytisk, til mer industriell med høy gjennomstrømning. Massespektrometerfeltet har utvidet seg til å kreve massespektrometri med ultrahøy oppløsning, slik som FT-ICR-instrumentene^[16][17], samt flere instrumenter med høy gjennomstrømning.^[18] Ettersom mange MALDI MS-instrumenter kan kjøpes med en utskiftbar ioniseringskilde (elektrosprayionisering, MALDI, ionisering ved atmosfæretrykk osv.) Overlapper teknologiene ofte og mange ganger kan enhver myk ioniseringsmetode potensielt brukes. For flere variasjoner av myke ioniseringsmetoder, se: Ionekilde.

MALDI-teknikker bruker vanligvis UV-lasere som nitrogenlasere (337 nm) og frekvens-tredoblet og firdoblet Nd:YAG-lasere (henholdsvis 355 nm og 266 nm).^[19]

Infrarøde laserbølgelengder brukt til infrarød MALDI inkluderer 2,94 μm Er:YAG-laser, midt-IR optisk parametrisk oscillator og 10,6 μm karbondioksidlaser. Selv om det ikke er så vanlig, brukes infrarøde lasere på grunn av deres mykere ioniseringsmåte.^[20] IR-MALDI har også fordelen av større materialfjerning (nyttig for biologiske prøver), mindre forstyrrelser med lav masse og kompatibilitet med andre matrisefrie laserdesorpsjonsmassespektrometri-metoder.

Typen av et massespektrometer som er mest brukt med MALDI, er flyvetidsmassespektrometeret (TOF), hovedsakelig på grunn av dets store masseområde. TOF-måleprosedyren er også ideell for MALDI-ioniseringsprosessen, siden den pulserende laseren tar individuelle "skudd" i stedet for å jobbe kontinuerlig. MALDI-TOF-instrumenter er ofte utstyrt med en reflektron (et "ionespeil") som reflekterer ioner ved hjelp av et elektrisk felt. Dette øker ioneflyvebanen, og øker dermed flytid mellom ioner med forskjellig m/z og øker oppløsningen. Moderne kommersielle reflektron TOF-instrumenter når en oppløsningseffekt m/Δm på 50 000 FWHM (halvbredde i full bredde, Δm definert som toppbredde ved 50% av topphøyde) eller mer.^[21]

MALDI har blitt koblet til IMS-TOF MS for å identifisere fosforylering og ikke-fosforylering peptider.^[22][23]

MALDI-FT-ICR MS har vist seg å være en nyttig teknikk der høyoppløselige MALDI-MS målinger er ønsket.^[24]

Atmosfærisk trykk (AP) matriksassistert laserdesorpsjon/ioniserings (MALDI) er en ioniseringsteknikk (ionekilde) som i motsetning til vakuum MALDI opererer i normalt atmosfærisk miljø.^[25] Hovedforskjellen mellom vakuum MALDI og AP-MALDI er trykket der ionene dannes. I vakuum MALDI produseres ioner vanligvis ved 10 mTorr eller mindre mens AP-MALDI-ioner dannes i atmosfærisk trykk. Tidligere har den største ulempen med AP-MALDI-teknikken sammenlignet med konvensjonelt vakuum MALDI vært den begrensede følsomheten; Imidlertid kan ioner overføres til massespektrometeret med høy effektivitet og deteksjonsgrenser for attomol er rapportert.^[26] AP-MALDI brukes i massespektrometri (MS) i en rekke applikasjoner som spenner fra proteomikk til medikamentoppdagelse. Populære emner som tas opp av AP-MALDI massespektrometri inkluderer: proteomikk; masseanalyse av DNA, RNA, PNA, lipider, oligosakkarider, fosfopeptider, bakterier, små molekyler og syntetiske polymerer, lignende anvendelser som også tilgjengelige for vakuum MALDI-instrumenter. AP-MALDI-ionekilden kan enkelt kobles til et ionefellemassespektrometer^[27] eller et hvilket som helst annet MS-system utstyrt med elektrosprayionisering (ESI) eller nanoESI-kilde.

I aerosolmassespektrometri består en av ioniseringsteknikkene i å skyte en laser mot individuelle dråper. Disse systemene kalles single particle mass spectrometers (SPMS).^[28] Prøven kan eventuelt blandes med en MALDI-matrise før aerosolisering.