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Entmischungsphänomene in lösemittelbasierenden MALDI-TOF MS Probenpräparationen

  • Die matrixunterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI-MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Methode zur Charakterisierung von synthetischen Polymeren entwickelt. Neben der Messung von Molmassen und deren Verteilungen bietet diese Technik die Möglichkeit, simultan Monomerstrukturen und Endgruppen eines Polymers zu bestimmen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der einfachen Probenpräparation, die überwiegend durch Auftropfen der Matrix- und Polymerlösung (engl. Dried Droplet Method) erfolgt. Anstelle eines homogenen Probenspots wird nach dem Verdampfen des Lösemittels häufig jedoch die Bildung von Eintrocknungsringen beobachtet. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Matrix/Polymer Verhältnissen, was die Qualität und Reproduzierbarkeit der MALDI Methode erheblich beeinträchtigt. Dies ist insbesondere von Interesse, da synthetische Polymere, im Gegensatz zu biologischen Makromolekülen, eine Kettenlängen-Verteilung aufweisen, dieDie matrixunterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI-MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Methode zur Charakterisierung von synthetischen Polymeren entwickelt. Neben der Messung von Molmassen und deren Verteilungen bietet diese Technik die Möglichkeit, simultan Monomerstrukturen und Endgruppen eines Polymers zu bestimmen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der einfachen Probenpräparation, die überwiegend durch Auftropfen der Matrix- und Polymerlösung (engl. Dried Droplet Method) erfolgt. Anstelle eines homogenen Probenspots wird nach dem Verdampfen des Lösemittels häufig jedoch die Bildung von Eintrocknungsringen beobachtet. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Matrix/Polymer Verhältnissen, was die Qualität und Reproduzierbarkeit der MALDI Methode erheblich beeinträchtigt. Dies ist insbesondere von Interesse, da synthetische Polymere, im Gegensatz zu biologischen Makromolekülen, eine Kettenlängen-Verteilung aufweisen, die ebenfalls Segregationseffekten unterliegen kann. Eine realistische Bestimmung von Molmassen und deren Verteilung ist demzufolge nahezu unmöglich. Auf Grund der weiten Verbreitung der Dried Droplet Methode ist es daher erforderlich, mögliche Ursachen der Segregation aufzuklären und gegebenenfalls alternative Probenpräparationstechniken, basierend auf dieser simplen Tropfenmethode zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde die Trocknung verschiedener Polymer/Matrix Spots bei Verwendung unterschiedlicher Lösemittel untersucht. Da die MALDI Methode auch die Möglichkeit bietet, als bildgebendes Verfahren (MALDI-Imaging Massenspektrometrie) genutzt zu werden, wurde diese Technik primär für die Untersuchung der Segregationseffekte verwendet. In Analogie zum Einsatz in biologischen Systemen, beispielsweise bei der Lokalisierung von Metaboliten oder Wirkstoffen in Gewebeproben, kann mittels MALDI-Imaging MS die laterale Verteilung von Polymeren mit unterschiedlichen Strukturen und Molmassen sowie der Matrix simultan bestimmt werden. Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Prozessen, wie Kapillarfluss oder Marangoni Strömung, die u.a. für die Ringbildung verantwortlich gemacht wurden, zeigen die Ergebnisse der hier vorgestellten Experimente deutlich, dass die Löslichkeit von Polymer und Matrix im verwendeten Lösemittel von entscheidender Bedeutung ist. Im Verlauf des Verdampfungsprozesses findet eine Aufkonzentrierung der Moleküle im abgesetzten Tropfen statt. Beim Erreichen der Sättigungskonzentration beginnen die Polymermoleküle mit den hohen Molmassen zuerst auszufallen, während die restlichen, immer noch gelösten Homologen weiterhin den Transportvorgängen unterliegen, die beim Eintrocknen generiert werden. Bei Lösemitteln die langsam verdunsten kann das zur molmassenabhängigen Segregation von Polymerhomologen führen. Verwendet man Lösemittel die schnell verdunsten erfolgt keine Molmassen-Segregation der Polymere, sondern ausschließlich eine Entmischung von Matrix und Polymer. Auf Grund ihrer geringen Molmasse bleibt die Matrix am längsten gelöst und kann demzufolge bis unmittelbar vor dem Eintrocknen an den Tropfenrand transportiert werden. Dies erklärt die Bildung von hauptsächlich aus Matrix bestehenden Ringen bei der üblicherweise verwendeten Konzentration von 10 mg ml-1. Die Experimente haben jedoch auch gezeigt, dass die beobachtete Entmischung bei einer deutlich höheren Konzentration von 100 mg ml-1 ohne Einschränkungen in der Qualität der Spektren vermieden werden kann. Bei dieser Konzentration wird die Sättigungskonzentration der Matrix bereits vor dem ersten Ausfallen der Polymere erreicht. Dadurch entsteht eine hoch viskose Lösung, welche die folgenden Transportprozesse der Polymermoleküle behindert. Eine Entmischung kann somit nicht mehr erfolgen und man erhält eine chemisch homogene Spotoberfläche. Eine andere einfache Möglichkeit die Viskosität der Probenspots soweit zu erhöhen, dass keine Segregation erfolgen kann, bietet die Verwendung von Matrizes basierend auf ionischen Flüssigkeiten. Neben der einfachen Synthese zeichnen sich diese Verbindungen durch ihre hohe Stabilität und der Vermeidung einer Sublimation im Vakuum aus. Selbst nach 24h im Hochvakuum der MALDI-Quelle konnten reproduzierbare Spektren gemessen werden. Die Intensität der Spektren ist dabei deutlich höher als bei der Verwendung konventioneller Matrizes. Dies ermöglicht die Aufnahme von Spektren bei geringerer Bestrahlungsstärke, was wiederum zu weniger Fragmentierungen führt und insbesondere für labile Polymere interessant sein könnte. Die mit der Dried Droplet Methode und ionischen Matrizes erzeugten Spots weisen eine überragende Homogenität auf. Diese Matrixklasse stellt somit eine neue und interessante Alternative zur konventionellen Spotpräparation in der MALDI-TOF Massenspektrometrie dar.zeige mehrzeige weniger
  • Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS) has become an indispensable tool for polymer characterization. This method enables the determination of molar masses and mass distributions, monomer structures and end groups, simultaneously. Another advantage represents the simple sample spot preparation, which is typically done by spotting sample and matrix solutions on the target surface. After drying, instead of a homogenous area, often a ring is formed. This segregation leads to different matrix/polymer ratios on the spot, which dramatically affects the quality and reproducibility of the spectra. In contrast to biological macromolecules, synthetic polymers consist of different chain length, which also might be affected by segregation. Thus, a realistic determination of the molecular mass and mass distribution is almost impossible. Since the majority of sample spots are prepared by this simple and fast method, possible reasons forMatrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS) has become an indispensable tool for polymer characterization. This method enables the determination of molar masses and mass distributions, monomer structures and end groups, simultaneously. Another advantage represents the simple sample spot preparation, which is typically done by spotting sample and matrix solutions on the target surface. After drying, instead of a homogenous area, often a ring is formed. This segregation leads to different matrix/polymer ratios on the spot, which dramatically affects the quality and reproducibility of the spectra. In contrast to biological macromolecules, synthetic polymers consist of different chain length, which also might be affected by segregation. Thus, a realistic determination of the molecular mass and mass distribution is almost impossible. Since the majority of sample spots are prepared by this simple and fast method, possible reasons for segregation have to be determined. Alternatively, droplet based sample preparation procedures, that avoid segregation should be developed. Therefore, the drying of various polymer/matrix spots using different solvent systems was investigated. Since MALDI can also be used as an imaging tool, this special technique was applied to monitor the segregation effects. Similar to its application in biological systems, e.g. to identify the local distribution of metabolites or drugs in tissues, MALDI Imaging MS is able to simultaneously measure the distribution of polymers with different structures and molar masses, as well as the matrix. In literature the capillary flow and the marangoni flow are considered as the major causes for ring formation. In contrast to that, the results of this thesis show that the solubility of the polymer and the matrix in the used solvent is of major importance. While evaporating, the concentration of the molecules in the droplet increases. When the saturation concentration of the polymer has been reached, molecules with higher molar masses begin to precipitate first. Lower mass polymers that are still dissolved are subjected to transport processes. When a slowly evaporating solvent is used, mass segregation of polymer homologous can occur. Using a fast evaporating solvent, a segregation of polymer homologous cannot be observed. Here, a segregation of polymer and matrix can be found. Due to its comparatively low molecular mass the matrix stays dissolved much longer than the polymer molecules, and could be transported to the rim of the spots. When a typical matrix concentration of 10 mg ml-1 is used, the rings mainly consist of matrix. However, the experiments also showed that higher matrix concentrations (100 mg ml-1) always resulted in homogeneous sample spots without any loss of the quality of the spectra. At this concentration the saturation concentration of the matrix is reached before polymers start to precipitate. The much higher matrix concentration dramatically increases the viscosity of the matrix solution. Thus, transport processes caused by the solvent evaporation are increasingly hindered and segregation could not be observed. Another possibility to increase the viscosity of the sample spots to avoid segregation is the use of ionic liquid matrices. Ionic matrices are easy to produce and stable in high vacuum. Even after 24h in the high vacuum of the MALDI source reproducible spectra could be measured. Thus, the laser irradiance can be reduced, which results in less fragmentation. This could be favorable for the investigation of labile polymers. The dried droplet sample spots show a superior homogeneity and spots can be measured several times without visible differences in the mass spectra. Ionic matrices, therefore, represent a new and promising alternative for the conventional sample spot preparation in MALDI mass spectrometry.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Stefan Johannes Gabriel
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (126)
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2015
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Gutachter*innen:Ulrich PanneORCiD, Clemens Schwarzinger, Klaus Rademann
Datum der Abschlussprüfung:17.12.2014
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:126
Erste Seite:1
Letzte Seite:144
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Freie Schlagwörter:Entmischungsphänomene; Ionische Flüssigkeit; Polymere
Dried Droplet; MALDI Imaging MS
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-4873
ISBN:978-3-9816668-6-1
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:09.04.2015
Jahr der Fertigstellung:2015
Referierte Publikation:Nein
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