Characterization of “DMG Icon® – Caries infiltrant – proximal” and its analysis on human teeth by matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry

Abstract

Aufgrund von vielversprechenden Ergebnissen, die von der ersten Analyse auf menschlichen Zähnen durch die Forschungsgruppe von Hirano, H. und Mitarbeiter mit matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS) erhalten wurden [1], wurde diese Studie auf eine weitere Anwendung mit ähnlicher Fragestellung fokussiert. Von Interesse ist die Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung eines dentalen Füllmaterials, das als synthetische, polymerbasierte Materialprobe beschrieben wird und Detektion des selbigen in Zähnen. Bei MALDI werden in Matrix eingebettete Analytmoleküle auf einem Probenträger aufgebracht und mit einem Laser beschossen. Die Analyt-Matrix Mischung wird dadurch im Vakuum verdampft und gleichzeitig alle Moleküle ohne Fragmentierung und Zersetzung ionisiert. Die entstandenen Ionen werden durch anlegen einer Hochspannung in Richtung Massenanalysator beschleunigt. Im Flugzeitmassenspektrometer, einem time-of-flight (ToF) Massenanalysator, findet die Bestimmung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses durch Messung der Flugzeit statt. Der Zeitpunkt des Eintreffens der Ionen am Ende der Flugstrecke wird durch einen Detektor nachgewiesen und korreliert mit deren Molekulargewicht [2]. Vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil enthält die Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung des erforschten dentalen Füllmaterials „DMG Icon® Caries infiltrant proximal“ mittels MALDI-TOF-MS. Eine passende Probenvorbereitung und optimale Messbedingungen wurden erarbeitet, die eine Charakterisierung von Icon-Dry und Icon-Infiltrant ermöglichen, zwei Komponenten der kommerziellen Formulierung die am Zahn zu einem Polymer ausgehärtet werden. Des Weiteren wird ein Protokoll zur Probenvorbereitung von Zahnmaterial vorgestellt, wobei Zähne ohne Einbettung als 100 700 m dünne Schnitte durch Schneiden mit einem Diamantsägeblatt vorbereitet wurden. Icon-Infiltrant wurde auf den vorbereiteten menschlichen Zahnschnitten mit 3 verschiedenen Probenvorbereitungsverfahren aufgebracht und per MALDI-TOF-MS gemessen, wobei auch Sublimation als Matrixapplikationsverfahren getestet wurde. Letztendlich wurde die Verteilung von Icon-Infiltrant auf menschlichen Zahnschnitten mittels MALDI Imaging visualisuert.

Based on promising results obtained from first analysis on human teeth with matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry imaging (MALDI-TOF-MSI) by Hirano et al. [1], this study was focused on another application of this analytical technique on human teeth samples. The characterization of the chemical composition of a dental filling material described as a synthetic polymer-based material was matter of interest. For MALDI, the samples are embedded in a crystalline matrix on a target plate and are targeted by laser light. The sample and matrix molecules vaporize in the vacuum while being ionised at the same time without fragmenting. High voltage is then applied to accelerate the charged particles towards the mass analyser. A time-of-flight (ToF) analyser separates ions according to their mass-to-charge ratios and determines the time it takes for each ion to reach a detector [2], which directly correlates to the mass of the particle. Present thesis is divided into two parts. The first part focusses on the characterization of the chemical composition of the applied dental filling material „DMG Icon® Caries infiltrant proximal“ using MALDI-TOF-MS. Suitable sample preparation procedures were developed and optimal measurement conditions were proposed in order to obtain spectra characterizing Icon-Dry and Icon-Infiltrant, two formulation constitutents of the polymer filling. Sample preparation protocols for the cutting of human teeth into thin sections of 100 to 700 m thickness without embedding using a diamond blade were established. Subsequently, measurement of Icon-Infiltrant on obtained human teeth sections was performed by applying three different sample preparation protocols. Sublimation is performed as matrix application technique in one of these sample preparation procedures. Eventually, the distribution of Icon-Infiltrant was visualized on human teeth sections by MALDI-TOF-MS Imaging.