2D-Nanomaterialien in Schichtbauweise haben aufgrund mehrerer vorteilhafter Eigenschaften [1] großes Interesse im Bereich der bioanalytischen Chemie geweckt. Vor allem die photothermischen Umwandlungseigenschaften von Molybdändisulfid (MoS₂)  macht es zu einem vielversprechenden Material für die Laser-Desorption/Ionisation (LDI) und die  matrixgestützte LDI (MALDI)Massenspektrometrie. Die Ränder einer MoS₂ Flocke bilden aktive Stellen, um Wasserstoff (H₂) zu dissoziieren und H⁺ zu assoziieren. Dadurch wird die Bildung von protonierten und deprotonierten Molekülionen für die Massenspektrometrie stark unterstützt und gefördert [2]. Allerdings ist das grundlegende Verständnis der Ionenbildung in Gegenwart von MoS₂ noch nicht im Detail untersucht worden, und die Bedeutung des basischen Elektronentransfers im Vergleich zu Protonentransferreaktionen ist unbekannt.

Wichtig ist somit hohe Potential die grundlegende Testung dieser Materialien für die Anwendbarkeit inlaserbasierten Anwendungen – ein bisher eher unerforschtes Gebiet in der Bioanalytik.

Ziele

Wir werden von unseren Projektpartnern synthetisierte 2D-Nanomaterialien auf ihre mögliche Anwendung in der Bioanalytik evaluieren. Dafür untersuchen wir den anfänglichen Beitrag der MoS₂-Nanomaterialien zum Protonentransfer während der (De-)Protonierung von Molekülen im massenspektrometrischenIonisierungsprozesses und vergleichen dies mit den Leistungsmerkmalen von funktionalisierten MoS₂ -Materialien. Solche grundlegenden Erkenntnisse sind auch für die Entwicklung von spezifischeren und sensitiveren Meßmethoden wie der Quantifizierung kleiner Moleküle mittels LDI MS notwendig. Unsere Ansätze werden letztendlich einen rationalen Ansatz für die Entwicklung neuer funktionalisierterMaterialien für neue Oberflächenkonzepte in der Analytischen Chemie liefern.

In der Anwendung werden diese neue Ansätze für ex-vivo Oxidationstests an Gewebe und in biologischenFlüssigkeiten eingesetzt, um biologisch interessante, UV-induzierten Oxidationen wie Sie in der Altersfoschung von Relevanz sind, zu studieren.

In einer weiteren Entwicklung werden bifunktionalisierte MoS₂ Materialien für modernste multimodale Bildgebungskonzepte kombiniert wodurch etablierte Fluoreszenz- [3] mit innovativerMassenspektrometrischer Bildgebung kombiniert werden können.

Methoden

Vorgefertigte MoS₂ Materialien werden von den TU-D Partnern zur Verfügung gestellt. Die Ionenbildung in der Massenspektrometrie wird in Folge mit Hilfe von Isotopen-markierten Analyten im Detail untersucht, um die neu in der Gasphase gebildete Ionen von jenen in der kondensierten Phase zu unterscheiden. Die analytischen Möglichkeiten der 2D-Materialien werden im positiven und negativen Ionenmodus unter Verwendung von Standardanalyten sowie von analytischen Targets aus Bioanwendungen getestet (z.B. Metaboliten, Medikamente, Peptide). Wir vergleichen Selektivität und Empfindlichkeit mit modernsten anderen MALDI matrices, Nanoflocken, MoS₂/Ag oder auchMoS₂/TiO₂/Si-Nanowires.

Die Entwicklung von ex-vivo Tests umfasst die Verwendung neuartiger UV-empfindlicher MoS₂Oberflächen, die hochgradig lokalisierte Oxidationsreaktionen in einem menschlichen Hautäquivalent auslösen und dabei Einblick in die Zellalterung geben. Diese Entwicklungen werden die Grundlage für komplexere Oberflächenstrukturen bilden. Bifunktionalisiertes MoS₂ soll dabei die gezielte Detektion biologisch relevanter Rezeptoren ermöglichen. Ebenso wird die Entwicklung neuartiger Bildgebungsmethoden möglich, bei der Liganden fluoreszenzaktiv sind und auch ein photospaltbare Gruppe tragen, welche letztendlich per Massenspektrometrie ortsaufgelöst gemessen wird.

Kollaborationen

Die Eder Gruppe wird punktdefekte MoS₂ Filme und deren erste Charakterisierung bereitstellen. 2D MoS₂Flocken und Filme werden von Holzer (nasschemische Exfoliation) und Mueller (CVD) bereitgestellt. Filipovic wird den photoangeregten Elektronentransport modellieren. Holzer wird auch bifunktionalisiertes MoS₂ Nanomaterial zur Verfügung stellen. Libisch wird die Theorie für die Wechselwirkungen zwischen Laser und Festkörper liefern. Grasser wird die Ergebnisse mit der  Stabilität und Zuverlässigkeit von Devices verbinden. Biologisch relevantes Material (Hautäquivalente aus Zellkulturen) wird von F. Gruber (Medizinische Universität Wien) zur Verfügung gestellt.

Betreuerin

Martina Marchetti-Deschmann ist Spezialistin für Instrumentelle Analytische Chemie mit den Schwerpunkten Massenspektrometrie zur Identifizierung, Quantifizierung, detaillierte Charakterisierung und räumliche Lokalisierung von Biomolekülen. Zu ihren Forschungsgebieten gehören laserbasierte Analytische Chemie, Elektrospray und laserunterstützte Massenspektrometrie (MS). Ihr Ziel ist es Ionenbildungsmechanismen in der Laser-Desorptions/Ionisations- (LDI) und Matrix-unterstützten LDI (MALDI) MS für empfindliche Messungen zu verstehen und in Anwendungen zu bringen, wie zum Beispiel bei der bildgebenden Massenspektrometrie. Sie hat Forschungs- und Ausbildungsprogramme zur Stärkung der langfristigen Vision der Zukunft MS-Bildgebung auf europäischer Ebene begründet und verstärkt .

Literatur

1. N. Dalila R, M. Md Arshad, S. C. Gopinath, W. Norhaimi, and M. Fathil. Current and future envision on developing biosensors aided by 2D molybdenum disulfide (MoS 2 ) productions. Biosensors and Bioelectronics 132, 248–264 (2019). DOI: 10.1016/j.bios.2019.03.005.
2. Y. Zhao, G. Deng, X. Liu, L. Sun, H. Li, Q. Cheng, K. Xi, and D. Xu. MoS 2 /Ag nanohybrid: A novel matrix with synergistic effect for small molecule drugs analysis by negative-ion matrix- assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Analytica Chimica Acta 937, 87–95 (2016). DOI: 10.1016/j.aca.2016.06.026.
3. D. Xie, D.-K. Ji, Y. Zhang, J. Cao, H. Zheng, L. Liu, Y. Zang, J. Li, G.-R. Chen, T. D. James, and X.-P. He. Targeted fluorescence imaging enhanced by 2D materials: a comparison between 2D MoS2 and graphene oxide. Chemical Comm. 52, 9418–9421 (2016). DOI: 10.1039/c6cc04687h.