Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация, МАЛДИ — (от англ. MALDI, Matrix Assisted Laser Desorbtion/Ionization) — десорбционный метод «мягкой» ионизации, обусловленной воздействием импульсами лазерного излучения на матрицу с анализируемым веществом. Матрица представляет собой материал, свойства которого обусловливают понижение деструктивных свойств лазерного излучения и ионизацию анализируемого вещества. МАЛДИ масс-спектрометрия находит свое широкое применение для анализа нелетучих высокомолекулярных соединений (пептиды, белки, углеводы, олигонуклеотиды и др.)

Впервые возможность применения матрицы для подавления фрагментации при анализе нелетучих органических соединений на примере белков и пептидов была продемонстрирована в 1987 году группой ученых в Германии (M. Karas and F. Hillenkamp)^[1]. За открытие метода МАЛДИ японский инженер Коити Танака известной японской приборостроительной корпорации Shimadzu получил в 2002 году Нобелевскую премию.

Обычно используется в сочетании с времяпролетным масс-анализатором. Таким образом, верхний рубеж определяемых масс ограничивается пропускаемой способностью анализатора (около 1MDa). Чувствительность метода: << 1 фемтомоль.

Матрица

Считается, что вещество, используемое в качестве матрицы, должно отвечать следующим основным требованиям:

1) обладать высоким коэффициентом экстинкции при длине волны лазерного излучения;

2) иметь способность к ионизации нейтральных молекул анализируемого вещества путем переноса заряда или заряженной частицы;

3) обладать хорошей растворимостью в растворителях, применяемых в процессе пробоподготовки;

4) быть химически инертным по отношению к анализируемому веществу;

5) иметь низкую летучесть и термическую устойчивость.

Стоит указать на селективность в выборе матричных соединений по отношению к классу анализируемых соединений. Во многом это определяется различной природой механизмов образования ионов анализируемого вещества. Как правило, доминирующим процессом в их образовании являются процессы вторичной ионизации, а именно ион-молекулярные взаимодействия между матричными ионами и молекулами анализируемого вещества. Иными словами, вторичная ионизация может происходить за счет таких процессов, как перенос протона (Н⁺), заряженной частицы в виде электрона (e⁻), металл-катионов (Na⁺, Ag⁺ и др.).

Например, существует широко распространенная группа кислотных матриц для анализа белков и пептидов: 2,5-дигидроксибензойная кислота, различные производные коричной (β-фенилакриловой) кислот и т. д. Пептиды и белки, как правило, обладают высокими значениями сродства к протону от 900 кДж/моль и более. Эти значения превышают величины сродства к протону матричных соединений (870–910 кДж/моль), в результате чего реакция переноса протона является экзотермической:

А + МН⁺ → М + АН⁺, где А – молекула анализируемого вещества, М – матричная молекула.

Другой путь образования ионов происходит путем переноса электрона (процесс перезарядки), конечным результатом которого является образование молекулярного радикал-катиона:

А + М^+• → А^+• + М.

Это наиболее эффективный способ образования положительных ионов для неполярных соединений с низкими значениями энергии ионизации.

Примеры МАЛДИ матриц

Название	Английское название (аббревиатура)	Растворители для матрицы	Типы исследуемых веществ
2,5-Дигидроксибензойная кислота	2,5-Dihydroxybenzoic Acid(DHB)	Вода, этанол, метанол, ацетон, ацетонитрил, хлороформ, тетрагидрофуран	Пептиды, олигонулеотиды, полисахариды, синтетические полимеры
2-(4-Гидроксифенилазо)-бензойная кислота	2-(4-Hydroxyphenyazo)-benzoic acid (HABA)	Диоксан, ацетон, тетрагидрофуран, диметилформамид	Пептиды, белки, синтетические полимеры
α-Циано-4-Гидроксикоричная кислота	α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid	Ацетон, водн. ацетонитрил, ТГФ, ДМФА, этанол	Пептиды, синтетические полимеры
Синапиновая кислота	Sinapic Aсid	ТГФ, ДМФА	Пептиды, белки, липиды
Феруловая кислота	Ferulic Aсid	ТГФ, ДМФА	Пептиды, белки
1,8,9-Антрацентриол	1,8,9-anthracentriol(Dithranol)	ТГФ, ДМФА, толуол, хлороформ, хлорбензол	Синтетические полимеры, липиды

Механизм ионизации

Схематическое представление механизма МАЛДИ

• При облучении лазером с длительностью импульса несколько наносекунд и высокими величинами интенсивности излучения (10⁶ — 10⁷ Вт/см²) из образца, представляющего собой твердый раствор или смесь анализируемого вещества и матрицы, происходит выброс материала в виде микрочастиц. Такие частицы могут достигать размеров несколько сотен микрометров. Над поверхностью образца возникает область высокого локального давления — так называемый факел (от англ. англ. plume — факел, шлейф, султан), который преимущественно состоит из нейтральных частиц. Вместе с тем, в нем присутствуют и заряженные частицы, доля которых по разным оценкам составляет 10⁻⁵—10⁻³ от полного числа всех частиц. На начальном этапе образования факела его плотность близка к плотности вещества в конденсированном состоянии.
• C расширением факела (в первые наносекунды) происходит распад конгломератов вплоть до образования отдельных молекул или их фрагментов, а также заряженных (преимущественно матричных) частиц. Ионизацию молекул, происходящую непосредственно при выбросе материала из конденсированного состояния, принято рассматривать как первичную.

• В расширяющемся факеле происходят непрерывные соударения между частицами, в том числе возможны ион-молекулярные реакции между матричными заряженными частицами и молекулами анализируемого вещества, которые приводят к ионизации последнего. Такого рода ионизацию относят к вторичной.

Применение

Диапазон применения МАЛДИ достаточно широк и охватывает многие классы химических соединений:

1. Биоорганические соединения (пептиды, белки, олигонуклеотиды, олигосахариды и т. п.);
2. синтетические полимеры;
3. органические комплексные соединения;
4. высокомолекулярные материалы;
5. синтетические дендримеры;
6. фуллерены и др.

См. также

• Ионизация
• Масс-спектрометрия
• Электроспрей
• Прямая лазерная десорбция
• Десорбционные методы ионизации в масс-спектрометрии
• Guide to Sample Preparation with FLUKA products and Sigma Calibration Kits (англ.)

Ссылки

1. ↑ Karas M., Bachmann D., Bahr D. and Hillenkamp F. “Matrix-assisted ultraviolet-laser desorption of nonvolatile compounds” // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc.. — 1987. — № 78. — С. 53-68.