Topaktuelle Entwicklungen in der Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie: Von fortschrittlichen Instrumenten bis hin zu vielfältigen Anwendungen

12. August 2025 durch

Lieven Gentaur

Die Kapillarelektrophorese in Verbindung mit Massenspektrometrie (CE-MS) ist eine leistungsstarke hybride Analysetechnik, die die außergewöhnlichen Trennfähigkeiten der Kapillarelektrophorese mit der hochempfindlichen und spezifischen Detektionsleistung der Massenspektrometrie kombiniert. In den letzten Jahren haben bedeutende Fortschritte in Instrumentierung und Methodik die CE-MS von einem Nischenanalyseinstrument zu einer etablierten Plattform in der biochemischen, pharmazeutischen und Umweltforschung gemacht.

Fortschritte in der Instrumentierung

Verbesserte CE-MS-Schnittstellen

Eine große technische Herausforderung bestand in der Vergangenheit darin, eine effiziente Schnittstelle zwischen CE und MS zu schaffen. Herkömmliche Schnittstellen litten oft unter einem schlechten Analyttransfer und Signalverlusten. Neuere Entwicklungen umfassen hüllenlose Schnittstellen und Nanospray-Ionisationsverfahren, die Verdünnung und Ionenunterdrückung minimieren. Diese Schnittstellen gewährleisten einen stabilen Elektrospray bei den für CE typischen niedrigen Flussraten, erhöhen die Empfindlichkeit und ermöglichen die Detektion von Analyten im niedrigen Femtomol- bis Attomol-Bereich.

Kapillartechnologie

Material und Beschichtung der Kapillaren wurden optimiert, um die Analytadsorption und die elektroosmotische Flussvariabilität zu reduzieren. Beschichtungen wie Polyacrylamid oder dynamische Beschichtungen, die auf spezifische Analyttypen zugeschnitten sind, verbessern die Reproduzierbarkeit und die Peakform. Darüber hinaus ermöglichen Fortschritte in der Kapillarherstellung kleinere Innendurchmesser (bis zu 10–20 µm), was die Trennleistung verbessert und den Probenvolumenbedarf reduziert.

Verbesserungen bei Massenspektrometern

Moderne MS-Geräte in Verbindung mit CE bieten hohe Auflösung und schnelle Scanraten. Flugzeit-Massenanalysatoren (TOF), Orbitrap und Quadrupol-Flugzeit-Massenanalysatoren (QTOF) werden häufig eingesetzt und liefern präzise Massenmessungen, die für die Identifizierung unbekannter Verbindungen und posttranslationaler Modifikationen entscheidend sind.

Methodische Verbesserungen

Optimierte Trennbedingungen

Die Wahl von Puffer, pH-Wert und Spannung spielt bei der CE-Trennung eine entscheidende Rolle. Neuere Methoden verwenden flüchtige, MS-kompatible Puffer (z. B. Ammoniumacetat oder Formiat), die die Trennqualität gewährleisten und gleichzeitig eine Kontamination des Massenspektrometers verhindern. Gradientenspannungsprogrammierung und Temperaturkontrolle verfeinern die Trennung zusätzlich, insbesondere bei komplexen biologischen Proben.

Probenvorbereitung und Automatisierung

Probenreinigungs- und Vorkonzentrationsmethoden wie Festphasenextraktion und On-Capillary-Vorkonzentration verbessern die Sensitivität durch Reduzierung von Matrixeffekten und Erhöhung der Analytkonzentration. Die Automatisierung der Probeninjektion und Datenerfassung durch Softwareintegration verbessert Reproduzierbarkeit und Durchsatz und macht CE-MS für den Routineeinsatz leichter zugänglich.

Fortschrittliche Datenverarbeitung

Softwaretools mit maschinellem Lernen und fortschrittlichen Algorithmen helfen bei der Dekonvolution komplexer Spektren, der Identifizierung unbekannter Verbindungen und der hochpräzisen Quantifizierung von Analyten. Diese Entwicklungen beschleunigen die Dateninterpretation und reduzieren den manuellen Arbeitsaufwand.

Vielfältige Anwendungen

Proteomik und Peptidomik

CE-MS eignet sich hervorragend zur Trennung geladener Peptide und kleiner Proteine mit hoher Auflösung. Es ist von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung von Proteinisoformen, posttranslationalen Modifikationen wie Phosphorylierung oder Glykosylierung sowie für die Peptidkartierung und liefert wichtige Erkenntnisse zur Proteinfunktion und zu Krankheitsmechanismen.

Metabolomik

Die Fähigkeit der Technik, kleine Metaboliten anhand von Ladung und Größe zu trennen, ermöglicht eine detaillierte Stoffwechselprofilierung. CE-MS wurde eingesetzt, um Biomarker bei Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurologischen Störungen zu identifizieren und so eine frühzeitige Diagnose und therapeutische Überwachung zu ermöglichen.

Pharmazeutische Analyse

CE-MS unterstützt die Arzneimittelentwicklung durch die Charakterisierung von Arzneimittelmetaboliten, die Untersuchung der Pharmakokinetik und die Sicherstellung der Reinheit von Verbindungen. Seine hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Erkennung von Spurenverunreinigungen und Abbauprodukten, die für die Arzneimittelsicherheit entscheidend sind.

Umwelt- und Lebensmittelsicherheit

CE-MS dient zum Nachweis von Schadstoffen, Toxinen und Kontaminanten in Umweltproben und Lebensmitteln. Die Fähigkeit, komplexe Matrizen mit minimaler Probenvorbereitung zu analysieren, macht es für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Qualitätskontrolle wertvoll.

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