Die MALDI-TOF-Massenspektrometrie ist eines der modernsten Verfahren der chemischen und biologischen Analytik. Sie ermöglicht es, die Masse von Molekülen mit extremer Präzision zu bestimmen und wird heute standardmäßig genutzt, um Mikroorganismen wie Bakterien in Rekordzeit zu identifizieren.
Der Name MALDI-TOF beschreibt zwei perfekt aufeinander abgestimmte Prozesse: die Probenvorbereitung (MALDI) und die eigentliche Messung (TOF).
Schritt 1 – MALDI
Zum einen MALDI, wobei das Akronym hier für Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization steht. Der entscheidende Akteur ist ein gepulster UV-Laser (meist mit Wellenlängen von 337 nm oder 355 nm). Bei herkömmlichen Methoden würden Laserstrahlen empfindliche Biomoleküle einfach zerstören.
MALDI nutzt daher einen eleganten Trick: Die Biomoleküle werden in eine spezielle Substanz – die Matrix – eingebettet, die nach dem Trocknen Kristalle bildet. Dies wird als Schutzschild für die eigentliche Probe verwendet.
Durch gezielte Energieabsorption, fast ausschließlich von der Matrix, erreicht man das die eigentliche Probe geschont wird. Dafür muss die Wellenlänge des UV-Lasers abgestimmt sein.
Die „sanfte“ Explosion, wenn der kurze Laserpuls (wenige Nanosekunden lang) auf das Gemisch trifft, verdampft die Matrix schlagartig. Dabei reißt sie die Probenmoleküle nahezu unbeschadet mit in die Gasphase – wie ein Surfer auf einer Welle. Gleichzeitig findet die Ionisation statt, bei der die Moleküle elektrisch aufgeladen werden.
Schritt 2 – MALDI-TOF
Der zweite Prozess TOF steht für Time of Flight (Flugzeit). Sobald die Moleküle ionisiert über der Matrix schweben, werden sie durch ein elektrisches Feld beschleunigt und auf eine Flugstrecke durch ein Vakuumrohr geschickt.
Das Prinzip ist hier das alle einfach ionisierten Moleküle exakt die gleiche Energiemenge als „Schubs“ erhalten. Dadurch fliegen leichte Moleküle schneller als schwere. Ein Detektor am Ende der Vakuumrohr-Strecke misst die Ankunftszeit auf die Nanosekunde genau. Gleich schwere Moleküle werden Zeitgleich auf den Detektor treffen und registriert. Leichtere früher, schwere später.
Das Ergebnis ist ein digitaler Fingerabdruck der Teilchen. Denn aus den unterschiedlichen Flugzeiten berechnet das System ein Massenspektrum. Das ist eine Darstellung der Häufigkeit von Molekülemasse-zu-Ionisations-Verhältnis. Dieses wird in der Medizin mit riesigen Datenbanken abgeglichen. So lässt sich innerhalb weniger Minuten bestimmen, um welchen Erreger es sich handelt und welches Antibiotikum für den Patienten am effektivsten ist.
Warum das MALDI-TOF Verfahren revolutionär ist?
Der Einsatz des gepulsten UV-Lasers in Kombination mit der Matrix hat die Diagnostik grundlegend verändert:
Schnelligkeit: Ergebnisse liegen in Minuten vor, während klassische Kulturen Tage dauerten.
Schonung der Probe: Selbst sehr große Proteine können unbeschadet gemessen werden.
Effizienz: Nach der Anschaffung des Geräts sind die Kosten pro Einzeltest minimal.
Zusammenfassend könnte man so argumentieren das der UV-Laser die notwendige Energie liefert, um Moleküle „fliegen“ zu lassen, während die Matrix sicherstellt, dass sie bei diesem Prozess nicht zerstört werden.
