Матрично-активована лазерна десорбція

Матрично-активована лазерна десорбція/іонізація,МАЛДІ(від англ. MALDI, Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization) - десорбційний метод «м'якої» іонізації, обумовленої впливом імпульсами лазерного випромінювання на матрицю з аналізованою речовиною. Матриця є матеріал, властивості якого зумовлюють зниження деструктивних властивостей лазерного випромінювання та іонізацію аналізованої речовини. МАЛДІ мас-спектрометрія знаходить своє широке застосування для аналізу нелетких високомолекулярних сполук (пептиди, білки, вуглеводи, олігонуклеотиди та ін.)

Вперше можливість застосування матриці для придушення фрагментації при аналізі нелетких органічних сполук на прикладі білків і пептидів була продемонстрована в 1987 групою вчених у Німеччині (M. Karas and F. Hillenkamp) [1] . За відкриття методу Малді японський інженер Коїті Танака відомої японської приладобудівної корпорації Shimadzu отримав у 2002 році Нобелівську премію.

Зазвичай використовується у поєднанні з часопролітним мас-аналізатором. Таким чином, верхній рубіж обумовлюваних мас обмежується пропускною здатністю аналізатора (близько 1MDa). Чутливість методу: Матриця

Кількість найрізноманітніших органічних сполук, використаних як матриця, дуже велика. Правильний вибір матеріалу матриці є ключовим моментом успішної реєстрації мас-спектру. Тому речовина, яка використовується як матриця, повинна відповідати наступним основним вимогам:

1) мати високий коефіцієнт екстинкції при довжині хвилі лазерного випромінювання (іншими словами, мати високу здатність поглинати використовуване лазерне випромінювання); 2) мати здатність доіонізації нейтральних молекул аналізованої речовини шляхом перенесення заряду або зарядженої частки; 3) мати хорошу розчинність у розчинниках, що застосовуються в процесі пробопідготовки; 4) бути хімічно інертним по відношенню до аналізованої речовини; 5) мати низьку леткість в умовах вакууму та термічну стійкість.

Варто зазначити селективність у виборі матричних сполук стосовно класу аналізованих сполук. Багато в чому це визначається різною природою механізмів утворення іонів речовини, що аналізується. Як правило, домінуючим процесом у їх освіті є процеси вторинної іонізації, а саме іон-молекулярні взаємодії між матричними іонами та молекулами аналізованої речовини. Інакше кажучи, вторинна іонізація може відбуватися з допомогою таких процесів, як перенесення протона (Н + ), зарядженої частки як електрона (e − ), металл-катионов (Na + , Ag + та інших.).

Наприклад, існує широко поширена група кислотних матриць для аналізу білків і пептидів: 2,5-дигідроксибензойна кислота, різні похідні коричної (β-фенілакрилової) кислот і т. д. Пептиди і білки, як правило, мають високі значення спорідненості до протону від 900 кДж/моль та більше. Ці значення перевищують величини спорідненості до протону матричних сполук (870-910 кДж/моль), внаслідок чого реакція перенесення протона є екзотермічною:

А + МН + → М + АН +, де А – молекула аналізованої речовини, М – матрична молекула.

Інший шлях утворення іонів відбувається шляхом перенесення електрона (процес перезарядки), кінцевим результатом якого є утворення молекулярного радикал-катіону:

Це найбільш ефективний спосіб утворення позитивних іонів для неполярних сполук з низькими значеннямиенергії іонізації.

Приклади МАЛДІ матрицьНазва Англійська назва (абревіатура) Розчинники для матриці Типи досліджуваних речовин

2,5-Дігідроксибензойна кислота	2,5-Dihydroxybenzoic Acid(DHB)	Вода, етанол, метанол, ацетон, ацетонітрил, хлороформ, тетрагідрофуран	Пептиди, олігонулеотиди, полісахариди, синтетичні полімери
2-(4-Гідроксифенілазо)-бензойна кислота	2-(4-Hydroxyphenyazo)-benzoic acid (HABA)	Діоксан, ацетон, тетрагідрофуран, диметилформамід	Пептиди, білки, синтетичні полімери
α-ціано-4-гідроксикорична кислота	α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid	Ацетон, водн. ацетонітрил, ТГФ, ДМФА, етанол	Пептиди, синтетичні полімери
Синапінова кислота	Sinapic Acid	ТДФ, ДМФА	Пептиди, білки, ліпіди
Ферулова кислота	Ferulic Acid	ТДФ, ДМФА	Пептиди, білки
1,8,9-Антрацентріол	1,8,9-антhracentriol(Dithranol)	ТГФ, ДМФА, толуол, хлороформ, хлорбензол	Синтетичні полімери, ліпіди

Як правило, розчин матриці у відповідному розчиннику (концентрація

10 мг/мл) готують щодня, оскільки він світлочутливий і схильний до фоторозкладання. Найбільш широке застосування як матриці знайшли корична кислота, 3-аміно-4-гідроксибензойна кислота, нікотинова кислота, α-ціано-4-гідроксикорична кислота, 2,5-Дігідроксибензойна кислота, 6,7-дигідроксикумарин, 2-(4-Гідроксифензо )-бензойна кислота, 3-гідроксипіколінова кислота, 2,4,6-тригідроксиацетофенон та багато інших. Як розчинники найчастіше використовують воду, ацетон, етанол, ацетонітрил, хлороформ,тетрагідрофуран та ін. Джерела МАЛДІ з підвищеним тиском дозволяють використовувати як матрицю воду та ряд інших сполук. У цих умовах ефективність роботи ІЧ-лазерів вища, ніж УФ-лазерів [2] .

• При опроміненні лазером з тривалістю імпульсу кілька наносекунд і високими величинами інтенсивності випромінювання (10 6 - 10 7 Вт/см²) із зразка, що є твердим розчином або суміш аналізованої речовини і матриці, відбувається викид матеріалу у вигляді мікрочастинок. Такі частинки можуть досягати розмірів кілька сотень мікрометрів. Над поверхнею зразка виникає область високого локального тиску - так званий факел (від англ. plume - факел, шлейф, султан), який переважно складається з нейтральних частинок. Разом з тим, у ньому присутні і заряджені частинки, частка яких за різними оцінками становить 10 -5 -10 -3 від повної кількості всіх частинок. На початковому етапі утворення факела його густина близька до густини речовини в конденсованому стані.
• З розширенням факела (у перші наносекунди) відбувається розпад конгломератів аж до утворення окремих молекул або їх фрагментів, а також заряджених (переважно матричних) частинок. Іонізацію молекул, що відбувається безпосередньо при викиді матеріалу з конденсованого стану, прийнято розглядати як первинну.
• У факелі, що розширюється, відбуваються безперервні зіткнення між частинками, у тому числі можливі іон-молекулярні реакції між матричними зарядженими частинками і молекулами аналізованої речовини, які призводять до іонізації останнього. Такі іонізацію відносять довторинної.

До цього часу методом МАЛДІ успішно аналізують найрізноманітніші класи речовин:

1. Біоорганічнісполуки (поліпептиди, білки, олігонуклеотиди, оліго- та полісахариди тощо);
2. синтетичні полімери;
3. органічні комплексні сполуки;
4. високомолекулярні матеріали;
5. гумінові кислоти;
6. синтетичні дендримери;
7. фулерени та ін.

Метод Малді використовують насамперед для встановлення молярної маси з'єднання.

З кінця 2000-х технологія MALDI-TOF почала застосовуватись у практичній медицині для швидкої ідентифікації видової приналежності [3] . У 2009 році компанія Bruker представила першу у світі клінічну версію системи MALDI Biotyper. Ідентифікація мікроорганізмів ґрунтувалася на одержанні загального мас-спектру білків у діапазоні 1000-10000 дальтонів та біоінформаційного порівняння отриманого спектру з базою даних рефренсних спектрів. Застосування методу дозволило значно скоротити витрати та час бактеріологічного аналізу та збільшити його точність.

Система набула широкого поширення у світі. На початок 2015 року у світі використовується понад 1500 систем MALDI Biotyper. В Україні встановлено понад 80 систем [4] .

---