MALDI-TOF oder ESI: Ionisierungsverfahren für Peptide im Vergleich

Ein Massenspektrometer kann nur messen, was geladen und gasförmig ist. Peptide sind weder das eine noch das andere, und die Frage, wie man sie in fliegende Ionen verwandelt, bestimmt, wie das Spektrum aussieht. Für Peptide haben sich zwei Verfahren durchgesetzt: die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI) und die Elektrospray-Ionisation (ESI). Der Chemie-Nobelpreis 2002 würdigte die Entwicklung solcher sanften Ionisierungsverfahren für Biomoleküle, und beide haben ihren Platz. Dieser Beitrag erklärt die Unterschiede.

MALDI: Laser auf Kristalle

Bei MALDI wird die Peptidprobe mit einem großen Überschuss einer kleinen, UV-absorbierenden Matrixsubstanz gemischt — gängig sind α-Cyano-4-hydroxyzimtsäure oder Sinapinsäure — und auf einer Metallplatte eingetrocknet. Ein gepulster Laser trifft die Kristalle. Die Matrix nimmt die Energie auf, verdampft explosionsartig und reißt die Peptidmoleküle mit, wobei sie ihnen ein Proton überträgt.

MALDI wird fast immer mit einem Flugzeit-Analysator (TOF) kombiniert: Die Ionen werden beschleunigt und fliegen eine Strecke; leichte Ionen kommen früher an als schwere. Charakteristisch sind:

• überwiegend einfach geladene Ionen, das Peptid erscheint als ein Signal bei [M+H]⁺,
• hohe Toleranz gegenüber Salzen und Puffern, weil die Probe nicht chromatographisch vorgetrennt werden muss,
• Geschwindigkeit: Eine Messung dauert Sekunden, viele Proben passen auf eine Platte.

Die Kehrseite: Die Signalintensität schwankt je nach Kristallisation stark von Stelle zu Stelle. MALDI ist deshalb ein hervorragendes Werkzeug für die Frage „Ist das Zielmolekül da?“, aber ein schwaches für „Wie viel davon?“.

ESI: Spray aus der Lösung

Bei der Elektrospray-Ionisation fließt die Probenlösung durch eine feine Kapillare, an der eine Hochspannung von einigen Kilovolt anliegt. Am Kapillarende entsteht ein Nebel geladener Tröpfchen. Das Lösungsmittel verdampft, die Tröpfchen schrumpfen, bis die Ladungsdichte so hoch wird, dass einzelne Peptidionen in die Gasphase übergehen.

Weil Peptide mehrere basische Stellen haben — den N-Terminus sowie Lysin-, Arginin- und Histidinreste —, nehmen sie bei ESI oft mehrere Protonen auf. Ein Peptid mit 4000 Da erscheint dann nicht bei m/z 4001, sondern als Serie bei m/z 1001 (vierfach geladen), 1334 (dreifach) und 2001 (zweifach). Diese Mehrfachladung ist kein Nachteil, sondern ein Vorteil: Sie bringt große Moleküle in den Messbereich gängiger Analysatoren, und aus der Serie lässt sich die Masse rechnerisch sehr genau rekonstruieren. Wie man eine solche Serie auswertet, beschreibt der Beitrag Massenspektrum interpretieren.

Der größte praktische Vorteil von ESI: Es arbeitet aus einem Flüssigkeitsstrom und lässt sich direkt hinter eine HPLC schalten.

Die Kopplung macht den Unterschied

Genau diese Kopplung, die LC-ESI-MS, ist der Grund, warum ESI in der Qualitätsprüfung von Peptiden dominiert. Die Chromatographie trennt Haupt- und Nebenprodukte zeitlich, das Massenspektrometer ordnet jedem Peak eine Masse zu. So lässt sich nicht nur feststellen, ob das Zielpeptid vorliegt, sondern auch, was die Nebenpeaks sind — eine Deletion, eine Oxidation, ein Trunkierungsprodukt. Das Vorgehen beschreibt der Beitrag LC-MS-Identitätsprüfung.

MALDI lässt sich ebenfalls mit Chromatographie verbinden, allerdings nur indirekt: Fraktionen werden gesammelt und einzeln auf die Platte getropft. Für die Routine ist das umständlich.

Vergleich auf einen Blick

Merkmal	MALDI-TOF	ESI
Probenzustand	fest, in Matrix kokristallisiert	gelöst
Typische Ladung	einfach ([M+H]⁺)	mehrfach ([M+nH]ⁿ⁺)
Salztoleranz	hoch	gering, Salze unterdrücken das Signal
Kopplung an HPLC	nur offline	direkt online
Quantifizierung	eingeschränkt	gut, mit geeigneter Kalibrierung
Stärke	schneller Identitätsnachweis, auch für große Moleküle	Reinheitsprofil mit Zuordnung der Nebenprodukte
Typische Störung	Matrixsignale im unteren Massenbereich	Natrium- und Kaliumaddukte, Ionensuppression

Was das für ein Analysezertifikat bedeutet

Eine Angabe wie „MS: konform“ sagt ohne Nennung des Verfahrens wenig. Ein MALDI-Spektrum mit einem sauberen [M+H]⁺-Signal belegt, dass das Zielpeptid in der Probe vorhanden ist — nicht, dass keine anderen Stoffe vorhanden sind. Eine LC-ESI-MS mit Chromatogramm und Massenzuordnung der Nebenpeaks sagt deutlich mehr. Beim Lesen eines Zertifikats lohnt es sich deshalb, nach Verfahren, Ionisierungsart und abgebildetem Spektrum zu fragen; die übrigen Prüfpunkte stehen im Beitrag Analysezertifikat prüfen.

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