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Lexikon der Biologie: Massenspektrometrie

Massenspektrometrie w, Abk. MS, Verfahren zur analytischen Auftrennung gasförmiger Ionen nach ihrem Masse/Ladung-Verhältnis (m/z). Das Meßprinzip besteht darin, die zu untersuchende Substanz in einer Ionisierungskammer in gasförmige Ionen zu überführen, diese in einem nachgeschalteten Massenanalysator nach ihrem m/z-Verhältnis aufzutrennen und anschließend mit einem Ionendetektor, meist einem Photomultiplier, zu registrieren ( vgl. Abb. ). Der im Photomultiplier durch auftreffende Molekülionen ausgelöste Strom wird in ein spezifisches Massenspektrum konvertiert, mit dem die Substanzprobe identifiziert werden kann. In der klassischen Massenspektrometrie werden die Ionen durch Elektronenstoß-Ionisation (EI) oder chemische Ionisation (CI) erzeugt, in einem elektrischen Feld beschleunigt und anschließend von einem senkrecht zur Flugbahn orientierten Magnetfeld, das als Massenanalysator dient, abgelenkt. Die Teilchen treffen in Abhängigkeit ihrer m/z-Werte an unterschiedlichen Positionen des Ionendetektors auf und führen so zu einem für jede Substanz charakteristischen Spektrum. In der modernen Massenspektrometrie haben sich, insbesondere bei der Analyse von Biomolekülen wie Peptiden, Proteinen, Oligonucleotiden und Oligosacchariden, neue Verfahren der Ionisierung und Massenanalyse durchgesetzt. Mit der Einführung der Elektronenspray-Ionisation (ESI) 1984 konnten erstmals Substanzen mit relativen Molekülmassen bis zu 50.000 analysiert werden. Bei der ESI werden die gelösten Analyte in einem elektrischen Feld in ein Spray aus geladenen Ionen überführt. Ein zweites in der Proteinanalytik sehr häufig eingesetztes Ionisierungsverfahren, mit dem relative Molekülmassen über 300.000 analysiert werden können, ist die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI), bei der die in einer Matrix eingebettete Substanz durch Laserstrahl-Anregung (Laser) in die Gasphase übergeht und dabei ionisiert wird. Für die Massenanalyse von Biomolekülen werden meist Quadrupol-Massenfilter bzw. Quadrupol-Ionenfallen oder Flugzeit-Analysatoren eingesetzt. Während die Molekülionen in der Quadrupol-Massenspektrometrie durch die parallele Anordnung von 4 Elektroden in einem hyperbolischen elektrischen Feld nach ihren m/z-Werten aufgetrennt werden, nutzt die Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF-Massenspektrometrie; von engl. time of flight) die m/z-abhängige Flugzeit der Ionen in einer Flugröhre. In der Proteinanalytik wird die Massenspektrometrie intensiv für die Identifizierung von Proteinen anhand der relativen Molekülmasse sowie zur Peptid-Sequenzierung eingesetzt. Mit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie kann die relative Molekülmasse kleinster Proteinmengen (10–8 Mol) mit bis zu 0,0001%iger Genauigkeit bei einer Massenauflösung von 1:10.000 bestimmt werden. Ferner ermöglicht diese Technik einen hohen Probendurchsatz in sehr kurzer Zeit und wird daher in der Proteinanalytik – vor allem im Rahmen der Proteomik – für die Identifizierung von Proteinspots nach der zweidimensionalen Gelelektrophorese herangezogen. Die Proteinidentifikation durch MALDI-Massenspektrometrie setzt voraus, daß die experimentell gefundene relative Molekülmasse mit der theoretischen relativen Molekülmasse eines in einer Datenbank (Bioinformatik) gespeicherten Proteins übereinstimmt. Ist eine eindeutige Zuordnung nicht möglich, wird das fragliche Peptid oder Proteinfragment meist mit der sog. Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) analysiert bzw. sequenziert. Bei der MS/MS durchlaufen die Peptide oder Proteinfragmente nach der Ionisierung einen ersten Massenanalysator, wobei Peptidionen mit einem vorgegebenen m/z-Wert in eine Kollisionskammer eintreten und dort durch den Beschuß mit inerten Gasmolekülen an den Peptidbindungen gespalten werden (collision induced decay, CID). Die resultierenden Peptidfragmente werden in einem nachgeschalteten Massenanalysator analysiert und geben Aufschluß über die Sequenz des Peptids. Für die MS/MS werden meist Geräte mit ES-Ionisation und Quadrupol- oder Ionenfallen-Analysatoren hintereinandergeschaltet. Die Massenspektrometrie kann in vielfältigster Weise mit anderen Analyse- bzw. Trennmethoden kombiniert werden und wird oft der Trennung durch Flüssigkeitschromatographie oder Kapillarelektrophorese nachgeschaltet.

H.Z.



Massenspektrometrie

1
Schema eines Massenspektrometers; 2 massenspektrometrische Aufnahme der Isotope des Elements Cadmium; 3 Mikrovergrößerung eines Massenspektrogramms verschieder Molekül- und Atomionen der Massenzahl 16

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