Massenspektrometrie: das Molekülgewicht messen

Die Grundidee: wiegen durch Aufladen

Man kann ein einzelnes Molekül nicht auf eine gewöhnliche Waage legen. Die Massenspektrometrie löst das mit einem klugen Umweg. Das Molekül erhält zunächst eine elektrische Ladung, dann wird es durch ein Feld geschickt. Wie schwer ein geladenes Teilchen ist, bestimmt, wie stark es von diesem Feld abgelenkt wird oder wie schnell es sich bewegt. Aus dieser Bewegung rechnet das Gerät die Masse zurück.

Was ein Massenspektrometer eigentlich misst, ist nicht die Masse allein, sondern das Verhältnis von Masse zu Ladung. Dieses Verhältnis heißt der m/z-Wert. Aus dem m/z-Wert und der Anzahl der Ladungen leitet man das Molekülgewicht ab. Das Ergebnis ist ein Spektrum: ein Diagramm mit Peaks, wobei jeder Peak ein Teilchen einer bestimmten Masse darstellt.

Die drei Schritte in jedem Gerät

Jedes Massenspektrometer arbeitet in drei Schritten. Zuerst die Ionisation, bei der das Molekül eine Ladung erhält. Für Peptide verwendet man oft sanfte Methoden, die das Molekül intakt lassen, wie die Elektrospray-Ionisation oder MALDI. Sanft bedeutet hier, dass das Peptid während des Aufladens nicht in Stücke zerfällt.

Dann die Trennung, bei der die geladenen Teilchen im Analysator nach Masse sortiert werden. Und schließlich die Detektion, bei der ein Sensor zählt, wie viele Teilchen jeder Masse ankommen. Diese Zählung wird zum Spektrum. Die Höhe eines Peaks sagt etwas darüber aus, wie viel von diesem Teilchen vorhanden war.

Was sie über ein Peptid verrät

Ein Peptid hat eine bekannte Aminosäuresequenz, und aus dieser Sequenz kann man das erwartete Molekülgewicht aufsummieren. Die Massenspektrometrie misst das tatsächliche Gewicht. Wenn der gemessene Wert mit dem berechneten Wert übereinstimmt, ist das ein starker Beleg dafür, dass das richtige Molekül im Röhrchen ist. Weicht er ab, dann stimmt etwas nicht: eine falsche Sequenz, ein fehlendes Stück oder eine unerwünschte Veränderung am Molekül.

Moderne Geräte messen so genau, dass sie den Unterschied eines einzelnen Wasserstoffatoms erkennen können. Dadurch enthüllen sie auch kleine Veränderungen wie Oxidation oder eine falsch verknüpfte Aminosäure. Das macht die Methode zu einer feinmaschigen Kontrolle der Identität und Reinheit eines Peptids.

Zusammenspiel mit HPLC

Die Massenspektrometrie wird oft mit HPLC gekoppelt, einer Technik, die ein Gemisch zunächst in einzelne Komponenten trennt. Die Kombination heißt LC-MS. HPLC trennt die Stoffe zeitlich, sodass sie nacheinander in das Massenspektrometer gelangen. So erhält man von jeder Komponente eine eigene Massenmessung.

Diese Kopplung ist nützlich, weil eine Probe selten völlig rein ist. Mit LC-MS sieht man nicht nur das Hauptprodukt, sondern auch mögliche Nebenprodukte und deren Masse. Es liefert also ein vollständigeres Bild als jede der beiden Techniken allein.

Grenzen der Methode

Die Massenspektrometrie verrät die Masse, aber nicht direkt die dreidimensionale Form eines Moleküls. Zwei Moleküle mit derselben Atomzusammensetzung können dieselbe Masse haben und dennoch anders gefaltet sein. Auch sagt die Messung nichts über die biologische Wirkung aus. Sie bestätigt die molekulare Identität, nicht die Funktion oder die Sicherheit.

Für ein vollständiges Bild kombinieren Labore die Massenmessung daher mit anderen Tests, wie HPLC für die Reinheit und manchmal ergänzenden Analysen für die Struktur. Zusammen bilden sie das Analysepaket auf einem Analysezertifikat.