Polymer-basierende Probenträger für die MALDI (matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation) Massenspektrometrie von Biomolekülen und intakten Zellen

Abstract

The aim of this work is the establishing of a polymer-based sample support for MALDI (matrix assisted laser desorption/ionization) mass spectrometry. The up to this date predominant sample supports (-targets-) are based on metal as bulk material (e.g. stainless steel or nickel coated aluminum). A polymer-based product promises some useful properties that cannot be realized with a conventional full metal target. Among these are the use as a disposable device, no need for a cleaning step after a series of analyses, consistent surface properties and affordable archiving. The use of a disposable device mitigates sample and matrix carryover from previous measurements. The omittance of a cleaning step saves costs in many forms and helps reduce the amount of solvent waste. Furthermore, the defined surface of a disposable polymer target with every sample preparation facilitates the adherence to existing GLP requirements in labs. Besides developing and evaluating such a MALDI target during development with according usage tests (retaining or improving of MALDI MS key parameters (mass spectrometric resolution, sensitivity, reproducibility)) on the way to a mass produced product, it was also characterized fully, i.e. by its stability of calibration, achievable m/z-range and limit of detection and limit of quantification in comparison to a traditional full metal-target as a reference. Other quality parameters like planarity and surface properties of the new MALDI sample holder were also studied. For the documentation of the usability of the new MALDI target in various fields of application Intact Cell Mass Spectrometry was used for differentiation of various bacterial and fungal strains and the results compared to a classic full metal target. Furthermore, the application of this target type for quality control in oligonucleotide synthesis via MALDI mass spectrometry was evaluated. The use of the new polymer based target as an archiving platform for MALDI protein and peptide preparation was studied for a time frame of 6 months and und under different environmental conditions. The polymer based disposable target with nano-coated metal surface proved to perform equal to or even better than the reference (stainless steel full metal target) in all selected applications.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Etablierung eines auf Polymer basierenden Probenträgers für die MALDI (matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation) Massenspektrometrie. Die hauptsächlich verwendeten Probenträger - auch Targets genannt - sind meist vollständig aus Metall gefertigt (zum Beispiel Edelstahl oder mit Nickel beschichtetes Aluminium). Ein auf Kunststoff basierender MALDI Probenträger liefert einige positive Eigenschaften, welche mit einem konventionellen Metalltarget nicht zu realisieren sind. Dazu zählen die Verwendung als Einwegprodukt, Entfallen der Reinigung nach jeder Analysenserie, konsistente Oberflächeneigenschaften und kostengünstige Archivierung. Ein Einwegprodukt vermeidet den Übertrag von Proben- und Matrixmaterial von vorherigen Messungen. Der Wegfall eines Reinigungsschrittes ermöglicht es, Kosten in jeder Form zu sparen und Lösungsmittelabfälle zu vermeiden. Zusätzlich ist eine wohldefinierte Trägeroberfläche bei jeder Probenpräparation und anschließender Messung garantiert, was die Analysenqualität erhöht und eine Erleichterung der Einhaltung bestehender GLP Vorgaben eines Labors ermöglicht. Neben der Entwicklung und Evaluierung eines solchen MALDI Targets mit entsprechender Kontrolle der Einsetzbarkeit (Erhalt bzw. Verbesserung der MALDI MS Kenndaten (massenspektrometrische Auflösung, Sensitivität, Reproduzierbarkeit)) auf dem Weg zu einem fertigen Großserienprodukt wurde dieses schließlich auch in seiner Gesamtheit charakterisiert, d.h. Stabilität der Kalibration, abdeckbarer m/z-Bereich sowie Detektions- und Quantifizierungslimit gegenüber einem traditionellen Vollmetall-Target. Weiters wurden auch andere Qualitätsparameter wie Planarität und Oberflächenbeschaffenheit des neuen MALDI Probenträgers ermittelt. Zur Dokumentation der Einsetzbarkeit des neuen MALDI Targets in verschiedenen Anwendungsbereichen wurde Intact Cell Mass Spectrometry mit verschiedenen Bakterienund Pilz-Stämme betrieben und ein Vergleich mit dem klassischen Vollmetalltarget durchgeführt, Qualitätskontrolle in der Oligonucleotid-Synthese mittels MALDI Massenspektrometrie evaluiert sowie die Verwendung des neuen polymerbasierenden Probeträgers als Archiverungsplattform für MALDI Protein- und Peptidpräparationen untersucht. In allen Anwendungsbereichen konnte sich das polymerbasierende MALDI Target mit nanobeschichteter Metalloberfläche als äquivalent oder sogar überlegen gegenüber dem Standardreferenztarget (Edelstahl-Vollmetalltarget) erweisen.