Clusterinduzierte Desorption/Ionisation: sanfter Desorptionsmechanismus zur massenspektrometrischen Analyse ioneninduzierter Fragmentierung in Oligopeptiden

Abstract

In dieser kumulativen Doktorarbeit wurde der sanfte Desorptionsmechanismus der clusterinduzierten Desorption/Ionisation (engl.: Desorption/Ionization induced by Neutral Clusters, DINeC) untersucht und in Kombination mit der Massenspektrometrie (MS) für die Analyse ioneninduzierter Fragmentierung von Oligopeptiden angewendet. Eine fragmentationsarme Desorption ist hierbei entscheidend, um die zu untersuchenden Fragmentationsprozesse nicht durch die Analyse zu verfälschen. Durch die in dieser Arbeit dargestellten Untersuchungen konnte ein enger Zusammenhang zwischen der ioneninduzierten Fragmentierung und den fundamentalen Wechselwirkungsprozessen zwischen den einfallenden Ionen und den untersuchten Molekülen hergestellt werden. In Bezug auf den Desorptionsmechanismus wurde mittels Molekulardynamik- Simulationen (MD-Simulationen) gezeigt, dass die clusterinduzierte Desorption auf einem Lösungsprozess des adsorbierten Moleküls im auftreffenden SO2-Cluster basiert. Die Desorption erfolgt dann in einem Fragment des zerspringenden Clusters. Für polare und geladene Moleküle ergibt sich aus dem Lösungsvorgang eine energetische Stabilisierung und damit eine Reduzierung der effektiven Energiebarriere für die Desorption. In der Folge kann die Desorption bei kleinen Energiedichten erfolgen und führt daher nicht zu Fragmentierung der Moleküle. Der Lösungsprozess selbst ist zusätzlich entropisch getrieben und wird durch die erhöhte Temperatur des Clusters bei der Kollision unterstützt, wodurch die clusterinduzierte Desorption auch für nicht-polare Moleküle anwendbar ist. Experimentell wurde dies für Polystyrol-Moleküle bestätigt. MD-Simulationen mit Polystyrol-Molekülen unterschiedlicher Kettenlängen zeigen weiterhin, dass die Größe isolierter Adsorbate auf der Oberfläche nur einen geringen Einfluss auf die Desorptionseffzienz hat. Insgesamt wird aus den Untersuchungen zum Desorptionsmechanismus deutlich, dass es sich um eine sanfte und zugleich vielseitig anwendbare Desorptionsmethode für die Massenspektrometrie handelt. Für die Untersuchung ioneninduzierter Fragmentierung wurden Oligopeptid-Proben mit Ionen in unterschiedlichen Energiebereichen bestrahlt und anschließend mittels DINeC-MS analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Bestrahlung mit Ionen mit keV-Bereich zu nicht-spezifischer Fragmentierung führt; Bindungsbrüche treten teilweise im Peptidrückgrat, hauptsächlich aber in den Seitenketten der Moleküle auf. Dies wurde auf den bei dieser Energie dominanten nuklearen Energieverlust der Ionen im Material zurückgeführt. Die Energie wird lokal in den atomaren Freiheitsgraden deponiert, was zum Bruch kovalenter Bindungen in der Nähe des Stoßes führt. Für Ionen im MeV-Bereich wurde überwiegend spezifische Fragmentierung des Peptid-Rückgrats beobachtet. In diesem Energiebereich werden zunächst nur die Elektronen des Materials angeregt. Diese Anregung verteilt sich über das Molekül und führt dann über die Kopplung mit dem atomaren System zu Molekülschwingungen und schließlich zur beobachteten spezifischen Fragmentierung.