laser

MALDI

MALDI - matrix assisted laser desorption and ionization

Erstmalig wurde die "Matrix-Assisted" Laser Desorption 1985 von Franz Hillenkamp et al. 1985 durchgeführt und beschrieben [1]. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, in dem Biomoleküle, welche durch eine sie umgebende Matrix aus anderen Molekülen geschützt sind, durch Laserbestrahlung in die Gasphase überführt werden können, ohne dass sie fragmentieren. Für die Entwicklung von weichen Desorption/Ionisation-Methoden zur massenspektrometischen Analyse von  biologischen Makromolekülen wurde 2002 schließlich der Nobelpreis für Chemie anteilig an Koichi Tanaka verliehen, der erstmals die Anwendbarkeit der Laserdesorption auf Makromoleküle zeigte [2]. Inzwischen können thermisch instabile Biomoleküle bis in den Massenbereich von mehr als 500 Kilodalton (kDa) desorbiert und massenspektrometrisch nachgewiesen werden [3, 4, 5], wodurch sich MALDI längst als wertvolles bioanalytisches Instrument etabliert hat. Es zeigte sich, dass die Effiziens des MALDI-Prozesses, gemessen an der Ionenausbeute, stark von den Parametern des verwendeten Lasers abhängt. Ziel unserer Forschungen ist es, den Einfluss geformter Femtosekunden-Laserpulse auf verschiedene Ionensignale zu untersuchen.

 

Experimenteller Aufbau

Für alle massenspektrometrischen Messungen setzten wir eine kommerzielle MALDITOF- Apparatur (Typs REFLEX, Bruker Daltonics, Bremen, Deutschland) ein, welche durch Einbau zusätzlicher Optiken für den Einsatz von Femtosekunden- Lasern für unsere Zwecke erweitert wurde.

Eine Übersicht über das Lasersystem, welches geformte Laserpulse zur Verfügung stellt, liefert Abbildung 3.6. Die Erzeugung der fs-Pulse wurde mit einem Prismenoszillator gemäß eines Kapteyn-Murname Designs realisiert, der durch einen Nd:YAG-Laser (Typ Millenia V, Spectra Physics, CA, USA) mit einer Leistung von 4W im Dauerstrichbetrieb gepumpt wird. Dieser ist schematisch in Abbildung. Die so erzeugten Pulse verfügen über eine Energie von 6nJ bei einer Repititionsrate von 87MHz und werden nachverstarkt, um die nötige Intensität für unsere Experimente bereitzustellen. Hierzu dient ein Multipassverstärker des Typs Odin (Quantronix, Darmstadt), für den die Besetzungsinversion durch einen Nd:YLF-Laser (Typ DQ-I, Quantronix, Darmstadt) realisiert wird.

 

Erweitertes Setup für eine parametrische Optimierung

Wird ein Optimierungsexperiment durchgeführt, also die Anwendung des genetischen Algorithmus zur Erzeugung von Laserpulsen, die das beste MALDI-Signal liefern, wird der Datenfluss erweitert, wie in Abbildung schematisch dargestellt ist.

 

Modifizierte Datenkontrolle für eine Optimierung: Die
Daten der Massenspektren werden statt auf der
workstation auf einem PC ausgewertet, der den
räumlischen Lichtmodulator (SLM) zwecks Laser-
pulsformung ansteuert.

Die Messsignale werden nach ihrer Auswertung durch den LSA1000 nicht nur direkt an die \emph{workstation} weitergeleitet, sondern passieren ein Netzwerk-HUB, durch welches die Daten parallel auch von einem weiteren Computer ausgelesen und verarbeitet werden können. Auf diesem Computer wird der Optimierungsalgorithmus ausgeführt. Die Informationen zur Evaluierung der Fitnesswerte werden kontinuierlich aus Massenspektrendaten, insbesondere den Intensitätswerten ausgewählter Ionensignale ermittelt. Die aus der Datenauswertung berechnete verbesserte Pulsform wird anschließend auf den Modulator geschrieben. Anschließend wird eine neue Messung mit neuen Laserparametern durchgeführt, die ggf. ein verändertes Ionensignal bewirken. Auf dem Rechner wird die Entwicklung der Fitnesswerte beobachtet und in der Regel wird der Prozess manuell beendet, wenn das Signal konvergiert.