Untersuchung von Parametern und Methoden der ortsaufgelösten MALDI MS mit Flugzeitspektrometern

Abstract

In dieser experimentellen Arbeit werden Kombinationen von apparativen Parametern an Laserdesorptions-Ionisations- (LDI-) Flugzeit-Massenspektrometern einerseits und präparativen Parametern an biologischen MALDI-Proben (MALDI = Matrix-assistierte Laserdesorptions-Ionisation) und artifiziellen MALDI- und LDI-Testproben andererseits untersucht. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Darstellbarkeit von Analyten in voneinander unabhängigen Untersuchungen mit einzelnen Laserpulsen an wechselnden Messstellen und einer Ionenemissionsfläche von kleiner gleich 1 µm². Die Ergebnisse dieser Situation sind dabei nicht ohne Anpassung auf voneinander abhängige Untersuchungen, mit mehreren Laserpulsen an einer Messstelle, übertragbar. Betrachtet man die bildgebende Massenspektrometrie im microprobe mode mit nativen biologischen Proben als Projektion mit Punkt-zu-Punkt-Charakteristik, ermöglicht dies, Kriterien für eine Klassifizierung von geeigneten apparativen und präparativen Parametern, für gegebene Probenvoraussetzungen, darzustellen. Es kann in dieser Arbeit, in Abhängigkeit von der Probenbeschaffenheit und Analytverteilung innerhalb einer MALDI-Probe, durch geeignete Kombinationen von apparativen und präparativen Parametern die Abbildbarkeit von Analytmolekülen aus ihrer jeweiligen Umgebung erreicht werden. Weiterhin kann es bei Präparaten zu alternativen Abbildungen kommen, die in ihrer Qualität, ähnlich den Ergebnissen anderer optischer Methoden, aufgrund eintretender Aberrationen mehr oder weniger voneinander abweichen. Die erhaltene Information daraus kann einerseits zur Interpretation der Probe, andererseits aber auch zur Optimierung der Messungen, genutzt werden. Der letztgenannte Aspekt steht in dieser Arbeit im Vordergund. Wegen des destruktiven Charakters einer massenspektrometrischen Messung ist bei einzelnen nativen biologischen Proben nur eine begrenzte Anzahl von Einzelmessungen, mit unterschiedlichen Parameterkombinationen, zu einer sinnvollen Informationssammlung möglich. Artifizielle Testpräparate, mit im Vergleich zu nativen Proben relativ gut kontrollierbarer Beschaffenheit und robuster Struktur, heben diese Restriktion dagegen zumindest teilweise auf und ermöglichen dadurch eine eingehendere Untersuchung. Neben den Parametern der elektrostatischen LDI-Ionenquelle und der Probenbeschaffenheit sind die Präparationstechniken der Matrixapplikation dabei entscheidend für die von einer Probenmessstelle mittels MALDI maximal emittierbare Ionenanzahl. Ein besonders sensibler Schritt während der Präparation ist dabei die beginnende Matrixkristallisation, die vor allem an biologischen Oberflächen mit unterschiedlichen Präparationstechniken nicht identisch verläuft. Sehr entscheidend ist dies im Zusammenhang mit der bildgebenden Mikrosondentechnik, hinsichtlich der erzielbaren Abbildungsqualität aber auch generell für die Darstellung der Analytsubstanzen. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beinhaltet die apparative und methodische Einbindung einer konfokalen Laser-Raster-Mikroskopie (CLSM) in ein bestehendes LDI-Flugzeit-Massenspektrometer mit nur einem Laser. Die konfokalen Aufnahmen können dabei im Wechsel an einer identischen Probe durchgeführt werden, wobei so im doppelten Sinne konfokale Messungen möglich werden. The aim of this experimental thesis is the optimization of case-by-case strategy and sample preparation for MALDI-TOF mass spectrometry. Two time-of-flight mass spectrometers were used to investigate the main limitations of high spatial resolution in mass spectrometry imaging (MSI, SMALDI). Therefore small and medium sized burn pattern produced by Gaussian and multimode laser profiles on top of the sample were analyzed. This was done for conventional (MALDI-MS) and mass spectrometry imaging (MSI). Another part of this work was the integration of a CLSM-setup (confocal laser scanning microscopy) into a mass spectrometer allowing for confocal light microscopic and mass spectrometric analysis of one specimen in parallel and batch-mode by using only one laser. In detail, the ablated volumes of numerous laser pulses were investigated. In the same way, this was done for single-pulse ablation and repeated single-pulse ablation. Furthermore the influences of different axial and spatial desorption plume distributions were examined by changing the sample-plane-position along the ion optical path (optical axis) stepwise. The ablated volume and the mass resolution in spectra were found to be influenced by this procedure, too. Different preparation techniques were tested for the light microscopic and mass spectrometric analysis of biological specimens and test-pattern objects aiming for a method which gives comparable results for both analysis techniques. The evolution of signal-to-noise-ratio (SNR), signal-to-ablation-ratio (SAR), base-peak (maximum level) and baseline-intensities (instrument Zero-level) was studied and used to characterize the quality of the (two-dimensional) ion intensity maps. Based on these studies it is possible to describe the desorption/ablation and ionization efficiency of the different operation modes. This kind of fundamental investigations are necessary for a better understanding of the still controversially discussed desorption/ionization mechanisms in MALDI of native biological samples. In order to generate more specific strategies for investigating native biological samples, it is crucial to know, what are the essential key-limitations and which parameters of the operating procedure results in the desired optimization. This might be the basis for further applications in this field of science.