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Meilenstein Spektroskopie

Wenn Ionen auf Reisen gehen: Potenziale und Herausforderungen moderner Massenspektrometrie

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Bremen und die Massenspektrometrie – beides verbindet eine langjährige Tradition. So verwundert es nicht, dass eine der herausragendsten MS-Technologien der jüngeren Geschichte von dort ihren Weg in die Welt gefunden hat. Wo kann die Reise noch hingehen?

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Dr. Thomas Moehring, Senior Director Hardware Management, Life Science Mass Spectrometry, am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific.
Dr. Thomas Moehring, Senior Director Hardware Management, Life Science Mass Spectrometry, am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific.
( Bild: LABORPRAXIS )

LP: Herr Dr. Moehring, die Massenspektrometrie hat am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific eine langjährige Tradition. Woran denken Sie als erstes, wenn Sie an Meilensteine denken?

Dr. Thomas Moehring: Als ich 2004 hier am Standort angefangen habe, hatten wir ein Gerät, das basierend auf der so genannten Fourier-Transform-MS-Technologie war. Das war das klassische FT-ICR-System, mit einem supraleitenden Magneten, mit einer hohen Feldstärke, bei uns waren das 7 Tesla. Dieses Gerät, das 2003 als LTQ FT eingeführt worden ist, war der erste Schritt des Bremer Standorts in Richtung Life-Science-Massenspektrometrie. Da haben wir uns hier am Standort zum ersten Mal mit Anwendungen aus Bereichen wie Proteomics und Metabolomics beschäftigt. Dann kam 2005 ein weiterer FT-MS-Detektor hinzu, den ich als wirklichen Meilenstein für die Analysatortechnik beschreiben würde: der so genannte Orbi­trap-Analysator.

LP: Wie kam es zur Entwicklung der Orbitrap?

Dr. Moehring: Der „main brain“ hinter der Orbitrap ist Alexander Makarov, der heute hier am Standort in Bremen Director of Global Research for Life Sciences Mass Spectrometry ist. Im Jahr 1999 hat er auf der Jahrestagung der American Society for Mass Spectrometry ASMS erstmals Ergebnisse vorgestellt, die für ein Gerät, das nicht FT-ICR-basiert war, revolutionär waren: extrem hohe Auflösungen und extrem gute Massengenauigkeit – zwei der Kern-Eigenschaften der Massenspektrometrie.

LP: Revolutionäre Daten – aber ließen sie sich auf den täglichen Einsatz im Labor einfach adaptieren?

Dr. Moehring: Das Problem, das sich darstellte war, dass ein Kunde, um die Technologie im täglichen Gebrauch anzuwenden, natürlich nicht auf ein kleines Massenfenster und eine exakt kontrollierte Anzahl von Ionen beschränkt sein will. Die Kundenanforderungen lagen in verschiedenen Marktsegmenten vielmehr anders: Es sind komplexe Proben zu analysieren, mit unterschiedlichen Intensitäten, die man mit Chromatographie vortrennt, nichts desto trotz gibt es immer Hintergrundsignale.

Die Entwicklung ausgehend von den ersten Ergebnissen im Jahr 1999 bis hin zum ersten kommerziell verfügbaren Gerät LTQ Orbitrap hat dann noch weitere sechs Jahre in Anspruch genommen. Das umfasste den Orbitrap-Analysator an sich ebenso wie das Injektionssystem. Wie muss beispielsweise der Winkel der Elektrode in der Mitte sein, wie der der Außenelektroden? Die Art und Weise wie wir die Ionen kontrollieren, ist im ersten Ansatz aus dem LTQ FT hervorgegangen. Dieses Konzept des Hybrids mit zwei funktionellen Massenspektrometern, in dem das eine (Lineare Ionenfalle) u.a. Ionenpakete sammeln kann, die dann im zweiten (FT-ICR oder Orbitrap) analysiert werden können, haben wir wieder aufgegriffen und so entstand die LTQ Orbitrap, die 2005 auf der ASMS in San Antonio erstmals vorgestellt wurde.

LP: Wie haben sich die Marktanforderungen seither verändert?

Dr. Moehring: Während Proteomics-Labore zu dieser Zeit oft daran interessiert waren, eine Probe zu charakterisieren oder auch mal drei oder vier als Zeitserie, gehen die Anforderungen heute in den Bereich von hunderten oder tausenden von Proben. Precision Medicine oder Cancer-Moonshot-Programme sind hier aktuell wichtige Schlagwörter. Hier geht es letztendlich darum, mit hohen Durchsätzen, große Probenanzahlen zu charakterisieren.

LP: Dabei ist Schnelligkeit entscheidend, aber sicher nicht nur? Was erwarten Ihre Kunden noch?

Dr. Moehring: Weil die Analysen häufig an verschiedenen Zentren bzw. Standorten durchgeführt werden, geht es neben dem Durchsatz auch um die Gewährleistung einer hohen Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zwischen den Messungen. Das ist eines der Hauptanforderungskriterien momentan an die Hardware. Es geht also nicht nur um Erweiterungen der Kernkennzahlen von Massenspektrometern wie Sensitivität, dynamischer Bereich, Scan-Speed, sondern es geht auch darum, Vergleichbarkeit im Sinne von Instrument-zu-Instrument-Reproduzierbarkeit und Robustheit etc. zu gewährleisten

Wenn Sie sich heute auf einem Anwendertreffen mit Kunden über die Kernkennzahlen unterhalten dann kriegen Sie i.d.R zu hören: dynamischer Bereich: Faktor 10, Sensitivität: Faktor 10 und Scan-Geschwindigkeit: Faktor 10. Die sind quasi gesetzt – da erwarten unsere Kunden von uns, dass wir daran ohnehin arbeiten. Aber daneben ist die Vergleichbarkeit der Geräte mehr und mehr in den Vordergrund getreten und die Robustheit, auch im Life-Science-Bereich. Wenn man sich andere Marktsegmente anschaut, wie Food & Beverage – da müssen Sie natürlich von vornherein robust an den Markt kommen.

LP: Erweitern sich die Märkte noch?

Dr. Moehring: Ein Großteil der Anwendungen bewegte sich zunächst im Bereich der Proteomics-Applikationen, aber die Technologie hat ihren Weg auch in andere Märkte gefunden. Momentan ist hier Biopharma ein sehr interessanter und stark wachsender Markt. Das hat insbesondere auch damit zu tun, dass im Pharma-Bereich vieles heute nicht mehr nur Small-Molecule-Anwendungen sind, sondern Protein-basierte Wirkstoffe – Antikörper, Peptide, Hormone – stark an Bedeutung zunehmen. Im Bereich Biosimilars/Biotherapeutics, können wir, aus dem Bereich Proteomics kommend, Kunden Technologien zur Verfügung stellen, in denen wir stark sind. Deswegen hat so ein Q Exactive als Benchtop-FT-MS-Gerät eine hohe Attraktivität auch für Biopharma-Applikationen und da sehen wir auch für die Zukunft einen der Märkte, der weiter wachsen wird.

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