Massaspectrometrie (MS) is een analytische techniek waarmee moleculen worden geïdentificeerd en gekwantificeerd op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z). De methode is toepasbaar op vrijwel alle stofklassen — van kleine organische moleculen tot grote eiwitten — en levert informatie over molecuulstructuur, molecuulmassa en concentratie in één meting. Daarmee is MS een van de meest veelzijdige technieken binnen de analytische chemie.
Een massaspectrometer bestaat uit drie functionele eenheden die achter elkaar werken onder hoog vacuüm:
Het vacuümsysteem — doorgaans een combinatie van een voorvacuümpomp en één of meer turbomoleculaire pompen — voorkomt botsingen tussen ionen en luchtmoleculen en is onmisbaar voor stabiele ionenbanen. Het vacuümsysteem bepaalt een aanzienlijk deel van de instrumentkosten en het dagelijks onderhoud.
De ionisatiemethode bepaalt in grote mate welke monsters analyseerbaar zijn. De meest gebruikte methoden zijn:
Massaspectrometrie wordt vrijwel altijd gecombineerd met een chromatografische scheidingstechniek om complexe mengsels te analyseren. De twee meest gebruikte combinaties zijn:
Bij GC-MS worden vluchtige en semi-vluchtige verbindingen eerst gescheiden in een gaschromatograaf en vervolgens gedetecteerd door de massaspectrometer. GC-MS is de standaardmethode voor de identificatie van organische verontreinigingen, restsolventen en vluchtige aromatische verbindingen zoals benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xylenen (BTEX). De elektronenionisatie (EI) die bij GC-MS wordt gebruikt, levert reproduceerbare fragmentatiepatronen op die vergelijkbaar zijn met bibliotheekspectra. De resultaten van een GC-MS-analyse worden geïnterpreteerd aan de hand van twee complementaire gegevens: de retentietijd van een component in de chromatograaf en het bijbehorende massaspectrum. De retentietijd geeft een eerste aanwijzing voor de identiteit; het massaspectrum wordt vergeleken met een spectrale bibliotheek (zoals de NIST-database) voor definitieve identificatie. Kwantificering vindt plaats via een externe of interne kalibratiecurve met referentiestandaarden.
Vloeistofchromatografie gekoppeld aan massaspectrometrie (LC-MS) is geschikt voor niet-vluchtige, polaire en thermolabiele verbindingen zoals farmaceutische werkzame stoffen, metabolieten en peptiden. De tandem-variant (LC-MS/MS) selecteert een precursor-ion en fragmenteert dit vervolgens opnieuw, wat hogere specificiteit geeft voor kwantitatieve analyses op lage concentratieniveaus. Typische detectiegrenzen liggen bij LC-MS/MS in het gebied van ng/L tot µg/L, afhankelijk van matrix en monstervoorbereiding. Voor eiwitidentificatie wordt LC-MS/MS vrijwel altijd ingezet in de zogenoemde bottom-up aanpak: het eiwit wordt eerst enzymatisch verteerd (doorgaans met trypsine) tot peptiden, waarna de peptiden worden gescheiden via LC en geïdentificeerd via hun MS/MS-fragmentatiepatroon. Bij top-down proteomics wordt het intacte eiwit zonder voorafgaande vertering rechtstreeks geanalyseerd, wat informatie geeft over post-translationele modificaties en sequentievarianten.
Het massaspectrum toont de relatieve intensiteit van ionen op de y-as uitgezet tegen de m/z-waarde op de x-as. Drie sleutelbegrippen helpen bij de interpretatie:
Bij tandem-massaspectrometrie op een triple-quadrupool wordt onderscheid gemaakt tussen Q1 (eerste quadrupoolfilter, precursor-selectie), q2 (collisiecel waarin fragmentatie plaatsvindt) en Q3 (tweede quadrupoolfilter, productselectie). Door een specifiek Q1/Q3-ionenpaar te monitoren (Multiple Reaction Monitoring, MRM), wordt een hoge selectiviteit en gevoeligheid bereikt voor kwantitatieve analyses.
Een massaspectrometer kan op verschillende manieren worden bestuurd, afhankelijk van het analytische doel:
De massanauwkeurigheid wordt uitgedrukt in ppm (parts per million) en geeft aan hoe dicht de gemeten m/z bij de theoretische waarde ligt. Lage-resolutie instrumenten (quadrupool, ion-trap) leveren een nominale massa en zijn geschikt voor identificatie via bibliotheekzoeken. Hoge-resolutie instrumenten zoals Orbitrap en TOF halen typisch een afwijking onder de 5 ppm, wat voldoende is om de elementaire samenstelling van een onbekende verbinding rechtstreeks uit de gemeten massa af te leiden.
Bij de routinematige inzet van massaspectrometrie spelen enkele aandachtspunten een grote rol in de kwaliteit van de meting:
Massaspectrometrie wordt ingezet in een breed scala aan sectoren:
MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – Time of Flight) ioniseert het monster met een laserpuls via een matrix. De ionen worden versneld in een elektrisch veld en bereiken de detector op basis van hun vluchttijd, die evenredig is met de vierkantswortel van de massa-ladingverhouding. MALDI-TOF is bijzonder geschikt voor snelle identificatie van micro-organismen in microbiologische laboratoria (bijvoorbeeld via het VITEK-MS of Bruker MALDI Biotyper platform) en voor de analyse van polymeerverdelingen.
Tandem-massaspectrometrie (MS/MS) is de technologie achter de neonatale hielprikscreening: met één meting worden tientallen metabolieten bepaald die wijzen op aangeboren stofwisselingsziekten. Daarnaast wordt LC-MS/MS gebruikt voor de kwantificering van steroïdhormonen, vitamine D-metabolieten en therapeutische geneesmiddelspiegels in bloed. MS is hierbij doorgaans gevoeliger en specifieker dan immunoassays.
Bij de diagnostiek en responsbeoordeling van multipel myeloom wint massaspectrometrie terrein als aanvulling op de klassieke immunofixatie-elektroforese. LC-MS/MS-methoden kunnen het monoklonale M-proteïne (het afwijkende eiwit dat myeloomcellen produceren) meten met een hogere gevoeligheid dan immunoassays, tot in het mg/L-bereik. Dit is van belang voor de detectie van minimale restziekte (MRD) na behandeling: patiënten bij wie geen M-proteïne meer aantoonbaar is via MS worden aangeduid als MS-MRD-negatief. Klinische studies onderzoeken of MS-gebaseerde MRD-meting de behandelbeslissingen bij myeloom kan ondersteunen.
Het Galleri-testplatform — een bloedtest voor vroege tumordetectie — maakt gebruik van next-generation sequencing, niet van massaspectrometrie. Massaspectrometrie wordt wél ingezet voor de detectie van eiwitbiomarkers (bijvoorbeeld via MRM-MS) in oncologisch onderzoek.
Spectrofotometrie meet de absorptie of emissie van licht door een oplossing en is gebaseerd op de wet van Lambert-Beer. Massaspectrometrie maakt geen gebruik van licht, maar van elektrische en magnetische velden om ionen te scheiden op massa. MS is structuurspecifiek; spectrofotometrie is concentratiegevoelig voor bekende verbindingen. Lees meer in ons artikel over UV/Vis-spectrofotometrie.
m/z staat voor de massa-ladingverhouding (Engels: mass-to-charge ratio). Het is de fundamentele grootheid waarop een massaspectrometer ionen scheidt en detecteert. m staat voor de massa van het ion in atomaire massa-eenheden (Da), z voor het aantal elementaire ladingen dat het ion draagt.
De berekening is:
m/z = (molecuulmassa + z × 1,0073) / z
waarbij 1,0073 Da de massa van een proton is. Bij enkelvoudig geladen ionen (z = 1) is de m/z-waarde praktisch gelijk aan de molecuulmassa plus één protonmassa. Bij meervoudig geladen ionen — zoals bij grote eiwitten via ESI gebruikelijk is — is z groter dan 1, waardoor de gemeten m/z-waarde lager uitvalt dan de werkelijke molecuulmassa. Uit de reeks van meervoudig geladen pieken kan de werkelijke molecuulmassa worden terugberekend. De m/z-waarde is dimensieloos; de eenheid Da/e wordt in de praktijk weggelaten.
Een massaspectrometer bestaat uit vijf functionele onderdelen die als geïntegreerd systeem werken:
Voor eiwitidentificatie wordt LC-MS/MS vrijwel altijd ingezet volgens de bottom-up aanpak: het eiwit wordt eerst enzymatisch verteerd (doorgaans met trypsine) tot peptiden. De peptiden worden vervolgens gescheiden via LC en elk peptide wordt geïdentificeerd aan de hand van zijn MS/MS-fragmentatiepatroon, dat wordt vergeleken met eiwitsequentiedatabases zoals UniProt of SwissProt. Op basis van de geïdentificeerde peptiden wordt het oorspronkelijke eiwit afgeleid. Bij top-down proteomics wordt het intacte eiwit zonder voorafgaande vertering rechtstreeks geanalyseerd, wat informatie geeft over post-translationele modificaties en sequentievarianten. Native mass spectrometry — waarbij niet-covalente interacties bewaard blijven — maakt aanvullend de quaternaire structuur en complexsamenstelling zichtbaar.
Chromatografie scheidt componenten op basis van verschillen in affiniteit voor een stationaire en mobiele fase. MS identificeert en kwantificeert na die scheiding op basis van massa. De combinatie GC-MS of LC-MS combineert de scheidingskracht van chromatografie met de identificatiekracht van MS.
GC-MS is geschikt voor vluchtige en semi-vluchtige verbindingen die bestand zijn tegen verhitting; de scheiding vindt plaats in de gasfase. LC-MS is de methode van keuze voor niet-vluchtige, polaire en thermolabiele stoffen zoals eiwitten, farmaceutica en metabolieten; de scheiding vindt plaats in de vloeistoffase. De ionisatiemethoden verschillen navenant: GC-MS maakt vrijwel altijd gebruik van elektronenionisatie (EI), terwijl LC-MS elektrospray-ionisatie (ESI) of APCI gebruikt. Voor onbekende vluchtige organische verbindingen is GC-MS de eerste keuze vanwege de beschikbare spectrale bibliotheken (NIST); voor biologische matrices prevaleert LC-MS/MS.
Een massaspectrometrische meting verloopt in vier opeenvolgende stappen:
Elektrospray-ionisatie (ESI) is een oplossingsgebaseerde techniek waarbij een vloeistofstroom door een sterk elektrisch veld wordt vernevelt tot geladen druppels. ESI koppelt direct aan vloeistofchromatografie (LC-MS) en genereert meervoudig geladen ionen, wat het analyseren van grote eiwitten mogelijk maakt met een analysator met beperkt m/z-bereik. MALDI ioniseert monsters in vaste toestand via een laserpuls op een matrix en levert overwegend enkelvoudig geladen ionen. MALDI-TOF is daardoor bijzonder geschikt voor snelle monsterverwerking van grote aantallen monsters, polymeeranalyse en directe weefselanalyse (MALDI-MSI), terwijl ESI de voorkeur heeft voor kwantitatieve analyse en eiwitsequencing.
Een Orbitrap is een type massa-analysator waarbij ionen rondom een centrale elektrode spiraalvormig oscilleren. De oscillatiefrequentie is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de m/z-waarde en wordt via Fourier-transformatie omgezet in een massaspectrum. Orbitrap-instrumenten behoren tot de hogeresolutie-massaspectrometers en halen een massanauwkeurigheid van doorgaans minder dan 2 ppm. Dat maakt ze geschikt voor de bepaling van de exacte moleculaire formule van onbekende verbindingen en voor de analyse van intacte eiwitten (native MS en top-down proteomics).
Multiple Reaction Monitoring (MRM) is een tandem-MS-scanmodus op een triple-quadrupool-massaspectrometer waarbij een specifiek precursor-ion (Q1) wordt geselecteerd, gefragmenteerd in de collisiecel (q2) en waarbij vervolgens één specifiek productfragment (Q3) wordt gedetecteerd. Dit Q1/Q3-ionenpaar heet een MRM-overgang. Doordat twee selectiestappen worden gecombineerd, is de achtergrondruis zeer laag en zijn detectiegrenzen in het pg/mL-bereik haalbaar in complexe biologische matrices. MRM is de standaard voor de kwantitatieve bioanalyse van geneesmiddelen, hormonen en pesticiden, en voor residu-onderzoek conform farmaceutische en levensmiddelennormen.
GC-MS is in de forensische toxicologie de referentiemethode voor de confirmatie van drugs en geneesmiddelen in biologische matrices zoals bloed, urine, speeksel en weefsel. De techniek is geschikt voor vluchtige en semi-vluchtige verbindingen die een derivatiseringsstap kunnen doorlopen. Veelgeanalyseerde stofgroepen zijn cannabinoïden (THC en metabolieten), cocaïne en benzoylecgonine, amfetaminen en verwante stimulantia, opiaten (morfine, codeïne, heroïne-metabolieten), benzodiazepinen en barbituraten, en organofosforverbindingen en vergiften zoals cyanide. De elektronenionisatie (EI) die bij GC-MS wordt gebruikt, levert reproduceerbare fragmentatiepatronen op die directe vergelijking met de NIST-spectrale bibliotheek mogelijk maken. Voor niet-vluchtige of thermolabiele verbindingen — zoals sommige synthetische opioïden en glucuronideconjugaten — heeft LC-MS/MS de voorkeur boven GC-MS.
Tandem-massaspectrometrie (MS/MS) maakt de neonatale hielprikscreening mogelijk: met één bloedvlekanalyse worden tientallen metabolieten bepaald die wijzen op aangeboren stofwisselingsziekten, zoals fenylketonurie en vetzuuroxidatiestoornissen. In de klinische chemie wordt LC-MS/MS ingezet voor de nauwkeurige kwantificering van steroïdhormonen (zoals cortisol, testosteron en oestradiol), vitamine D-metabolieten en therapeutische geneesmiddelspiegels. MS is hierbij doorgaans gevoeliger en specifieker dan immunoassays en minder gevoelig voor kruisreactiviteit. Voor oncologisch onderzoek wordt MRM-MS gebruikt voor de detectie van eiwitbiomarkers in bloed. MALDI-TOF wordt in de microbiologische diagnostiek ingezet voor de snelle identificatie van bacteriën en schimmels op basis van hun eiwitprofiel.
MS1 (ook wel het eerste massaspectrum of precursorspectrum genoemd) is het spectrum dat wordt verkregen na de eerste scheidingsstap in de massaspectrometer. Het toont alle ionen die aanwezig zijn in het monster op hun respectieve m/z-waarden. In een full-scan meting is MS1 het volledige massaspectrum van het ruwe monster of de chromatografische fractie.
MS2 (ook geschreven als MS/MS of tandem-MS) voegt een tweede stap toe: één specifiek precursor-ion uit het MS1-spectrum wordt geselecteerd, gefragmenteerd in een collisiecel en de resulterende productfragmenten worden opnieuw gemeten. Het MS2-spectrum bevat daarmee structuurinformatie over het geselecteerde precursor-ion. Dit maakt MS/MS bijzonder geschikt voor de identificatie van onbekende verbindingen en voor kwantitatieve analyses met hoge specificiteit (zie ook de uitleg over MRM hierboven).
In theorie zijn ook MS3 en hogere orden mogelijk (MSn): daarbij wordt een fragment uit het MS2-spectrum opnieuw geselecteerd en gefragmenteerd. Dit wordt toegepast bij ionenval-instrumenten voor gedetailleerde structuuropheldering.
De notatie [M−1]⁻ (ook geschreven als [M−H]⁻) verwijst naar een negatief geladen moleculair ion dat is gevormd door het verlies van één proton (H⁺) uit het neutrale molecuul M. Dit ion treedt op in de negatieve ionisatiemodus van ESI of APCI, waarbij zure en sterk polaire verbindingen zoals vetzuren, nucleotiden en fosfopeptiden bij voorkeur negatieve ionen vormen. De gemeten m/z-waarde van [M−H]⁻ is gelijk aan de molecuulmassa minus 1,0073 Da (de massa van een proton). Ter vergelijking: in de positieve modus vormt hetzelfde molecuul doorgaans [M⁺H]⁺ met een m/z gelijk aan de molecuulmassa plus 1,0073 Da. De keuze tussen positieve en negatieve modus wordt bepaald door de chemische eigenschappen van de analyt en wordt ingesteld op de ionisatiebron van het instrument.
De gemiddelde atoommassa is het gewogen gemiddelde van alle stabiele isotopen van een element. Bij massaspectrometrie worden individuele isotooppieken gemeten (isotoopdistributie), wat extra structuurinformatie oplevert en de berekening van de exacte moleculaire formule mogelijk maakt bij hogeresolutie-MS.
Een massaspectrogram is een andere benaming voor een massaspectrum: de grafische weergave van de relatieve intensiteit van ionen (y-as) uitgezet tegen de massa-ladingverhouding m/z (x-as). Beide termen worden in de vakliteratuur door elkaar gebruikt. De interpretatie van een massaspectrogram wordt beschreven in de sectie Een massaspectrum lezen hierboven, waar de basispiek, het moleculair ion en de fragmentpieken worden toegelicht.
In de context van massaspectrometrie verwijst "piekwaarde" doorgaans naar de basispiek: de meest intense piek in het massaspectrum, waaraan per definitie een relatieve intensiteit van 100% wordt toegekend. Alle overige pieken worden uitgedrukt als percentage van deze basispiek. Daarnaast is het moleculair ion (M⁺) van belang: de piek op de hoogste m/z-waarde die overeenkomt met het intacte, geïoniseerde molecuul en daarmee de molecuulmassa weergeeft. De interpretatie van pieken in het massaspectrum wordt uitgebreider beschreven in de sectie Een massaspectrum lezen hierboven.
Massaspectrofotometrie is geen officiële analytische techniek, maar een veelgebruikte samentrekking die verwarring veroorzaakt tussen massaspectrometrie en spectrofotometrie. Massaspectrometrie scheidt en detecteert ionen op basis van massa; spectrofotometrie meet de absorptie of emissie van licht. De twee technieken berusten op volledig verschillende fysische principes en zijn niet uitwisselbaar. Wanneer u de term "massaspectrofotometrie" tegenkomt, betreft het in veruit de meeste gevallen massaspectrometrie. Meer over UV/Vis-spectrofotometrie leest u in de FAQ hierboven en in ons afzonderlijke artikel over die techniek.
Q1 en Q3 verwijzen naar de twee quadrupoolvelden in een triple-quadrupool-massaspectrometer. Q1 is de eerste quadrupoolfilter en selecteert het precursor-ion op een specifieke m/z-waarde. q2 (de middelste quadrupool, doorgaans in kleine letters geschreven) fungeert als collisiecel: hier worden de precursor-ionen gefragmenteerd door botsingen met een inert gas (doorgaans stikstof of argon). Q3 is de tweede quadrupoolfilter en selecteert vervolgens één specifiek productfragment. De combinatie van Q1- en Q3-selectie levert de hoge specificiteit die kenmerkend is voor MRM- en SRM-analyses.
Een massaspectrometer weegt moleculen één voor één op atomaire schaal. Het instrument maakt van moleculen eerst ionen (geladen deeltjes), stuurt ze door een elektrisch veld en meet hoe zwaar ze zijn. Zo ontstaat een 'vingerafdruk' van het monster waarmee de chemische samenstelling wordt vastgesteld.
Spectrometrie is de verzamelnaam voor analytische meetmethoden die eigenschappen van deeltjes, straling of velden kwantitatief bepalen door interactie met materie. De term is afgeleid van het Latijnse spectrum (beeld, verschijning) en het Griekse metron (maat). Massaspectrometrie is een deeldiscipline waarbij ionen worden gemeten op basis van hun massa-ladingverhouding. Andere vormen van spectrometrie — zoals UV/Vis-spectrofotometrie of atoomabsorptiespectrometrie — meten interactie met licht en zijn gebaseerd op andere fysische principes.
Massaspectrometrie wordt ingezet door een breed scala aan laboratoria en sectoren. Farmaceutische bedrijven en biotechnologiebedrijven gebruiken MS voor werkzaamheidscontrole, metabolietenprofilering en eiwitkarakterisering. Milieuanalytische laboratoria zetten GC-MS en LC-MS in voor de bepaling van microverontreinigingen in water, bodem en lucht. In de levensmiddelenindustrie dient MS voor residuanalyse en authenticiteitscontrole. Klinisch-chemische en forensische laboratoria gebruiken tandem-MS voor neonatale screening, therapeutische geneesmiddelspiegels en toxicologisch onderzoek. Universitaire en industriële onderzoekslaboratoria vertrouwen op MS voor structuuropheldering en proteomics. Elementaire analyse via ICP-MS is gangbaar in de metaalindustrie, milieusector en de halfgeleiderindustrie.
Voor de uitvoering van massaspectrometrische analyses zijn naast het instrument zelf diverse hulpmiddelen nodig: monstervoorbereiding (filtratie, SPE-cartridges, eiwitprecipitatie), vials (injectieflacons), gassen (helium of stikstof als dragergas en collision gas), en kalibratiemiddelen. Voor aanvullende titrimetrie die dikwijls parallel plaatsvindt, zijn artikelen beschikbaar in ons overzicht van titrimetrie.
Bekijk het assortiment of neem contact op voor advies over de juiste verbruiksartikelen voor uw MS-toepassing.
Voor de conformationele karakterisering van eiwitten waarvan de intacte massa via massaspectrometrie is bepaald, levert circulair dichroïsme (CD)-spectroscopie aanvullende informatie over de secundaire en tertiaire structuur in oplossing.
Voor de analyse van intacte eiwitcomplexen waarbij niet-covalente interacties en quaternaire structuur bewaard moeten blijven, biedt native mass spectrometry een directe aanvulling op de conventionele MS-methoden die in dit artikel worden beschreven.
Bij Labvakhandel vindt u chromatografie-accessoires voor de koppeling met LC, spuitfilters voor de monstervoorbereiding en vials voor de autosampler.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
