Leitfaden zur Massenspektrometrie

Verständnis der Massenspektrometrie

Dieser Leitfaden deckt ein breites Spektrum an Themen im Zusammenhang mit der modernen Massenspektrometrie ab und beantwortet einige häufig gestellte Fragen zur Verwendung und Leistungsfähigkeit von Massenspektrometern. Es werden auch Links zu Artikeln zur Verfügung gestellt, die für Laien geschrieben wurden. Im ersten Abschnitt wird untersucht, wer Massenspektrometer verwendet, gefolgt von der Ionisierung der Verbindungen in der Quelle, die durch Massenspektrometer analysiert werden sollen. Als nächstes folgt eine Beschreibung der verschiedenen Arten von Massenspektrometern und eine Diskussion der wichtigen Themen Massengenauigkeit und -auflösung – oder wie gut wir Unterschiede zwischen eng verwandten Verbindungen feststellen können. Chemie, Probenvorbereitung und Datenprozessierung werden ebenso berücksichtigt wie die Definition einiger Begriffe, die heute in den gängigsten Formen der MS-Praxis verwendet werden.

Eine kurze Geschichte der Massenspektrometrie

1897 – Moderne Massenspektrometrie (MS) wird den Elektronenstrahlexperimenten von J.J. Thomson aus Manchester, England zugeschrieben.
1953 – Für die Erfindung des Quadrupols und der Quadrupol-Ionenfalle durch Wolfgang Paul erhält dieser den Physik-Nobelpreis.
1968 – Malcolm Dole entwickelt die moderne Elektrospray-Ionisierung (ESI), jedoch ohne viel Aufsehen. Die Erzeugung eines Aerosols im Vakuum führte zu einem Dampf, was als zu schwierig angesehen wurde, um praktisch anwendbar zu sein. Flüssigkeit kann eine Volumenzunahme vom 100- bis 1000-fachen ihrer kondensierten Phase darstellen (1 mL/min Wasser würde bei Standardbedingungen 1 l/min Dampf entwickeln).
1974 – Die chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) wurde von Horning entwickelt, die größtenteils auf der Gaschromatographie (GC) basiert, APCI hat sich jedoch nicht weit verbreitet.
1983 – Die Arbeit von Vestal und Blakely über das Erhitzen eines Flüssigkeitsstroms wird als Thermospray bekannt. Sie wurde ein Vorbote der heute kommerziell anwendbaren Geräte.
1984 – Fenns Arbeit mit ESI wird veröffentlicht, was zu seiner nobelpreisgekrönten Arbeit führt, die 1988 veröffentlicht wird.

Wer wendet MS an?

Bevor Sie Massenspektrometrie (MS) in Betracht ziehen, sollten Sie die Art der Analysen, die Sie durchführen, und die Art der Ergebnisse, die Sie von ihnen erwarten, berücksichtigen:

Möchten Sie große Moleküle wie Proteine und Peptide analysieren oder Daten kleiner wässriger Moleküle aufnehmen?
Suchen Sie mit einem bestimmten Detailgrad nach Zielverbindungen oder möchten Sie unbekannte Proben charakterisieren?
Sind Ihre aktuellen Trennungen robust oder müssen Sie Methoden auf Basis komplexer Matrizen entwickeln?
Benötigen Sie eine Massengenauigkeit von z. B. 400 MW oder eine Genauigkeit von bis zu 5 ppm, wie bei 400,0125 MW (oder 2 mDa bei einer Masse von 400)?
Müssen Sie Hunderte von Proben pro Tag prozessieren? Tausende? Zehntausende?

Die Fähigkeit, die Eigenschaften eines Analyten zu bestimmen, nimmt mit den Fähigkeiten des Geräts zu.

Forscher und Experten aus verschiedenen Disziplinen und Teilgebieten der Chemie, Biochemie und Physik sind regelmäßig auf massenspektrometrische Analysen angewiesen. Mitarbeiter der pharmazeutischen Industrie, die an der Arzneimittelforschung und -entwicklung beteiligt sind, verlassen sich auf die Spezifität, den dynamischen Bereich und die Empfindlichkeit der MS, um eng verwandte Metaboliten in einer komplexen Matrix zu differenzieren und so Metaboliten zu identifizieren und zu quantifizieren. Insbesondere in der Wirkstoffforschung, bei der die Identifizierung von Verbindungen und deren Reinheit aus der Synthese sowie der frühen Pharmakokinetik bestimmt werden, hat sich MS als unentbehrlich erwiesen.

Biochemiker erweitern die Anwendung der MS auf die Analyse von Proteinen, Peptiden und Oligonukleotiden. Mithilfe von Massenspektrometern überwachen sie Enzymreaktionen, bestätigen Aminosäuresequenzen und identifizieren große Proteine aus Datenbanken, die Proben enthalten, die von proteolytischen Fragmenten abgeleitet sind. Sie überwachen auch die Proteinfaltung, die mittels Wasserstoff-Deuterium-Austauschstudien durchgeführt wurde, und die Bildung wichtiger Protein-Ligand-Komplexe unter physiologischen Bedingungen.

Auch klinische Chemiker setzen auf MS, um die weniger sicheren Ergebnisse von Immunoassays für Medikamententests und das Screening von Neugeborenen zu ersetzen. Gleiches gilt für Forscher für Lebensmittelsicherheit und Umwelt. Sie und ihre verwandten Industriepartner haben sich aus denselben Gründen an MS gewandt: PAK- und PCB-Analysen, Studien zur Wasserqualität und zur Messung von Pestizidrückständen in Lebensmitteln. Die Bestimmung der Ölzusammensetzung ist eine komplexe und kostspielige Aufgabe, die die Entwicklung einiger der ersten Massenspektrometer vorantreibt und weiterhin bedeutende Fortschritte in der Technologie vorantreibt.

Heutzutage kann der MS-Anwender aus einer Reihe von Ionisierungstechniken wählen, die sich bei einer Vielzahl von Geräten mit nachgewiesenen Fähigkeiten bewährt haben.

Siehe MS – The Practical Art, LCGC

Profiles in Practice Series: Metabolism ID and Structural Characterization in Drug Discovery, Vol. 23, No. 2, Februar 2005
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