JoVE Science Education
Biochemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Biochemistry
MALDI-TOF Mass Spectrometry
  • 00:00Overview
  • 00:52Principles of MALDI-TOF Mass Spectrometry
  • 02:32Plate, Matrix, and Sample Preparation
  • 04:19Running the Mass Spectrometer
  • 05:16Applications
  • 07:09Summary

ספקטרומטריית מסה MALDI-TOF

English

Share

Overview

יינון פירוק לייזר בסיוע מטריצה (MALDI) הוא מקור יונים ספקטרומטרי מסה אידיאלי לניתוח של biomolecules. במקום לייצב תרכובות במצב הגזי, דגימות מוטבעות במטריצה, אשר נפגע על ידי לייזר. המטריצה סופגת את רוב האנרגיה; חלק מאנרגיה זו מועברת לאחר מכן לדגימה, אשר מייננות כתוצאה מכך. לאחר מכן ניתן לזהות יונים לדוגמה באמצעות מנתח זמן טיסה (TOF).

וידאו זה מכסה עקרונות של MALDI-TOF, כולל בחירת מטריצה וכיצד נעשה שימוש ב- TOF כדי לתפר את יחסי המסה לטעינה. הליך זה מראה את הכנת צלחת MALDI, טעינת דגימות על הצלחת, ואת הפעולה של ספקטרומטר מסת TOF. בחלק האחרון מוצגים יישומים וריאציות, כולל ניתוח תאים שלמים, אפיון של דגימות ביולוגיות מורכבות ויינון תרסיס אלקטרונים.

יינון פירוק לייזר בסיוע מטריקס, או MALDI, הוא מקור יון ספקטרומטרי מסה אידיאלי לניתוח של biomolecules. רוב מקורות היונים מסירים מידע מבני מביומולקולים גדולים ושבריריים. MALDI שומר על שלמות מבנית, ולכן מידע, תוך האצת המולקולות לתוך מנתח המסה, אשר מפריד את התרכובות בהתבסס על גודל ומטען. הנפוץ ביותר בשילוב עם MALDI הוא זמן הטיסה, או TOF, מנתח מסה. וידאו זה יציג את המושגים של יינון MALDI, הליך כללי, וחלק מהשימושים שלה בביוכימיה.

כדי שספקטרומטריית המסה תתפקד, יש ליינן מולקולות למצב הגזי. ב- MALDI, המדגם מוטבע במטריצה, בדרך כלל תרכובת אורגנית המכילה קשרים כפולים ארומטיים וצומדים.

כאשר פעימת לייזר פוגעת בתערובת זו המטריצה סופגת את רוב האנרגיה, מתחממת במהירות, והיא אינה משתחררת, או משוחררת, מפני השטח. המטריצה האנרגטית מעבירה חלק מהאנרגיה שלה לביומולקולים, מבטלת את ההסרה ואז מייננת אותם.

MALDI הוא בדרך כלל מזווג עם זמן טיסה, או TOF, מנתח מסה. שדה חשמלי מחיל אנרגיה קינטית על היונים, ומעביר אותם לאזור נטול שדות הנקרא צינור סחף. מהירות היונים כשהם נעים דרך הצינור קשורה ליחס המסה-לטעינה שלהם, כך שחלקיקים כבדים יותר נעים לאט יותר דרך המכשיר. גלאי בסוף הצינור מודד את זמן הטיסה של כל יון. עם ידע זה, כמו גם את אורך הצינור ואת כוח השדה מיושם, יחס מסה לטעינה של כל יון ניתן לברוח.

ניתן להשוות חלקה זו של עוצמת האות ליחס מסה-טעינה, המכונה ספקטרום מסה, לספרייה של ספקטרום שנאסף. אם לא נמצאו התאמות, ניתן לזהות מולקולות בטכניקות נוספות, כגון ספקטרומטריית מסה דו-מושבית. לקבלת מידע נוסף, עיין בסרטון הווידאו של אוסף זה בנושא.

עכשיו שהיסודות של MALDI-TOF נדונו, בואו נסתכל על התהליך במעבדה.

לפני תחילת ניסוי, חשוב לשקול את הבחירה של מטריצה שממנה דגימות יהיה desorbed. הוא חייב לספוג את אנרגיית הלייזר, להיות יציב בחלל ריק, לא להגיב עם מולקולות המטרה, ולהיות מסוגל desorb. בהתאם לדגימה, מטריצות שונות עדיפות. עבור חלבון גדול, שילוב של CHCA ו- DHB הראה הפרדה טובה יותר של הפסגות, הנקראות רזולוציה, מאשר מטריצות בודדות.

ישנן מספר דרכים להכין דגימות. נראה מה שמכונה שיטת “שכבה כפולה”, או “כריך”. בתור התחלה, לנקות את צלחת MALDI עם ריאגנטים טהורים במיוחד, כמו ספקטרומטריית מסה רגישה מאוד לזיהום. ייבשו את הצלחת עם זרם של גז אינרטי.

לאחר מכן, פתרון מטריצה רוויה נעשה, בדרך כלל עם ממס אורגני . הפתרון מפוספס על צלחת MALDI מיובש. פתרון רווי שני של מטריצה המכילה חומצה טריפלואורואצטית, או TFA, מוכן. TFA עוזר יונים לתוך השלב הגזי.

לאחר מכן, הפתרון לדוגמה מתווסף על גבי נקודת המטריצה היבשה. הוסף את פתרון מטריצה המכיל TFA על גבי המדגם, ובכך להשלים את מטריצה “כריך”. הומוגניות של המקום ניתן לאמת תחת מיקרוסקופ בעל עוצמה נמוכה.

צלחת תקן כיול, שהוא תערובת עם מגוון רחב של מסות ידועות ומשמש כדי לתאם את זמן הטיסה כדי m / z. לבסוף, צלחת המטריצה לבד כשליטה שלילית.

כדי לנתח את הנקודות, הנח את לוחית המטרה לתוך המכשיר. ודא שאין פסולת נוכחת, המאפשר היווצרות של ואקום הדוק. בתוכנה, בחר את הפקד הסטנדרטי, השלילי ודוגמאות העניין. סמן את הכתמים בזיהוי הנכון.

ניתן לתמרן את מקור היונים ואת מתחי העדשה כדי לשפר את ביצועי הניתוח. זה יהיה תלוי בפרטי המכשיר והדגימה. התמקד בנקודה הסטנדרטית וכייל את המכשיר עם התוכנה.

לאחר מכן, לאסוף ספקטרום מכל אחד מנקודות המדגם. נסה כמה מיקומים שונים במקום כדי למקסם את איכות הנתונים שנאספו. לאחר סיום, צלחת MALDI ניתן לאסוף וייעשה שימוש חוזר לאחר ניקוי.

עכשיו שבדקנו הליך, בואו נסתכל על כמה מהדרכים שבהן MALDI מנוצל, וטכניקת יינון שונה.

בנוסף biomolecules, MALDI יכול לשמש כדי לנתח תאים חיים. מקרופאגים הם תאי מערכת החיסון שלוקחים על באחת מכמה צורות שונות, בהתבסס על המיקרו-סביבה שלהם. לאחר חשיפת התאים למולקולות איתות שונות, או ציטוקינים, ניתן להוסיף להם ישירות לצלחת, ולנתח. ספקטרום MALDI יכול לשמש ייחודי “טביעות אצבע”, בהתאם ציטוקינים בשימוש.

דגימות ביולוגיות מורכבות כמו הפרשות חלביות של יונקים דורשות שלב של טיהור לפני ניתוח MALDI. כרומטוגרפיה של שכבה דקה היא טכניקה אחת כזו הנשענת על הקוטביות של הרכיבים. התרכובות נאספות מפטה TLC, מטוהרות ומועברות למטריקס MALDI. הספקטרום המתקבל מאמת את זהותם וטוהרם של הביו-מולולקולים המופרדים מהפרשות החלב של היונקים.

מקור יוני נפוץ נוסף לביומולקולס הוא יינון אלקטרוספרי, או ESI. בשיטה זו, המדגם מוזרק לתוך המכשיר, שבו מתח גבוה מוחל, יצירת תרסיס של טיפות טעונות. כאשר הממס בטיפות מתאדה, המטען מועבר למולקולות המדגם, עד שהן גזיות לחלוטין. ESI אינו דורש את הליך התצפית, ואת המדגם ניתן להזריק ישירות לתוך המכשיר. מצד שני, ESI רגיש יותר לנוכחות של רכיבי חוצץ ומזהמים אחרים, כלומר MALDI הוא חזק יותר.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על ספקטרומטריית מסה של מאלדי. וידאו זה תיאר את התיאוריה שמאחורי המכשיר, עבר על הליך כללי וכיסה חלק מהשימושים בטכניקה. תודה שצפיתם!

Procedure

יינון פירוק לייזר בסיוע מטריצה (MALDI) הוא מקור יונים ספקטרומטרי מסה אידיאלי לניתוח של biomolecules. במקום לייצב תרכובות במצב הגזי, דגימות מוטבעות במטריצה, אשר נפגע על ידי לייזר. המטריצה סופגת את רוב האנרגיה; חלק מאנרגיה זו מועברת לאחר מכן לדגימה, אשר מייננות כתוצאה מכך. לאחר מכן ניתן לזהות יונים לדוגמה באמצעו?…

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

Matrix-assisted laser desorption ionization, or MALDI, is a mass spectrometry ion source ideal for the analysis of biomolecules. Most ion sources remove structural information from large, fragile biomolecules. MALDI maintains structural integrity, and therefore information, while accelerating the molecules into the mass analyzer, which separates the compounds based on size and charge. The most commonly coupled with MALDI is the time of flight, or TOF, mass analyzer. This video will show the concepts of MALDI ionization, a general procedure, and some of its uses in biochemistry.

For mass spectrometry to function, molecules must be ionized into the gaseous state. In MALDI, the sample is embedded in a matrix, typically an organic compound containing aromatic and conjugated double bonds.

When a laser pulse strikes this mixture the matrix absorbs the majority of the energy, rapidly heats, and is desorbed, or released, from the surface. The energized matrix transfers some of its energy to the biomolecules, desorbing and then ionizing them.

MALDI is typically paired with a time of flight, or TOF, mass analyzer. An electric field applies kinetic energy to the ions, moving them into a field-free region called a drift tube. The velocity of the ions as they move through the tube is related to their mass-to-charge ratio, so heavier particles travel slower through instrument. A detector at the end of the tube measures each ion’s flight time. With this knowledge, as well as the tube length and applied field strength, the mass-to-charge ratio of each ion can be elucidated.

This plot of signal intensity to mass-to-charge-ratio, known as a mass spectrum, can be compared to a library of collected spectra. If no matches are found, it can molecules can be identified by further techniques, such as tandem mass spectrometry. For more information, see this collection’s video on the topic.

Now that the basics of MALDI-TOF have been discussed, let’s look at the process in the laboratory.

Before beginning an experiment, it’s important to consider the choice of matrix from which samples will be desorbed. It must absorb the laser energy, be stable in a vacuum, not react with the target molecules, and be able to desorb. Depending on the sample, different matrices are preferred. For a large protein, a combination of CHCA and DHB has shown better separation of the peaks, called resolution, than the individual matrices.

There are a number of ways to prepare samples. We’ll show what is known as the “double-layer”, or “sandwich,” method. To begin, clean the MALDI plate with ultra-pure reagents, as mass spectrometry is very sensitive to contamination. Dry the plate with a stream of inert gas.

Next, a saturated matrix solution is made, typically with an organic solvent . The solution is streaked onto the MALDI plate and dried. A second saturated solution of matrix containing trifluoroacetic acid, or TFA, is prepared. TFA helps ions into the gaseous phase.

Next, the sample solution is added on top of the dried matrix spot. Add the matrix solution containing TFA on top of the sample, thereby completing the matrix “sandwich”. Homogeneity of the spot can be verified under a low-powered microscope.

Plate a calibration standard, which is a mixture with a wide range of known masses and is used to correlate the time-of-flight to m/z. Finally, plate the matrix alone as a negative control.

To analyze the spots, place the target plate into the instrument. Ensure there’s no debris present, allowing for the formation of a tight vacuum. In the software, select the standard, negative control, and samples of interest. Label the spots with the correct identification.

The ion source and lens voltages can be manipulated to improve performance of the analysis. This will depend on the specifics of the instrument and sample. Focus on the standard spot and calibrate the instrument with the software.

Next, collect spectra from each of the sample spots. Try a few different locations on the spot to maximize the quality of the collected data. Once finished, the MALDI plate can be collected and reused after cleaning.

Now that we’ve reviewed a procedure, let’s look at some of the ways MALDI is utilized, and a different ionization technique.

In addition to biomolecules, MALDI can be used to analyze living cells. Macrophages are immune cells that take on one of several different forms, based on their microenvironment. After exposing the cells to various signaling molecules, or cytokines, they can be added directly to the plate, and analyzed. The MALDI spectra can be used as unique “fingerprints”, depending on the cytokine used.

Complex biological samples like mammalian sebaceous secretions require a step of purification before MALDI analysis. Thin layer chromatography is one such technique that relies on the components’ polarity. The compounds are collected from the TLC pate, purified, and transferred to a MALDI matrix. The resulting spectra verify the identity and purity of the separated biomolecules from the mammalian sebaceous secretions.

Another common ion source for biomolecules is electrospray ionization, or ESI. In this method, the sample is injected into the instrument, where a high voltage is applied, creating an aerosol of charged droplets. As the solvent in the droplet evaporates, the charge is moved to the sample molecules, till they are completely gaseous. ESI doesn’t require the spotting procedure, and the sample can be injected directly into the instrument. On the other hand, ESI is more sensitive to the presence of buffer components and other contaminants, meaning MALDI is more robust.

You’ve just watched JoVE’s video on MALDI mass spectrometry. This video described the theory behind the instrument, went over a general procedure, and covered some of the uses of the technique. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. MALDI-TOF Mass Spectrometry. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Related Videos