Filtern
Dokumenttyp
Gehört zur Bibliographie
- ja (3)
Schlagworte
- ion mobility spectrometry (3) (entfernen)
Institut
Die Elektrosprayionisation (ESI) ist eine der weitverbreitetsten Ionisationstechniken für flüssige Pro-ben in der Massen- und Ionenmobilitäts(IM)-Spektrometrie. Aufgrund ihrer schonenden Ionisierung wird ESI vorwiegend für empfindliche, komplexe Moleküle in der Biologie und Medizin eingesetzt. Überdies ist sie allerdings für ein sehr breites Spektrum an Substanzklassen anwendbar. Die IM-Spektrometrie wurde ursprünglich zur Detektion gasförmiger Proben entwickelt, die hauptsächlich durch radioaktive Quellen ionisiert werden. Sie ist die einzige analytische Methode, bei der Isomere in Echtzeit getrennt und über ihre charakteristische IM direkt identifiziert werden können. ESI wurde in den 90ger Jahren durch die Hill Gruppe in die IM-Spektrometrie eingeführt. Die Kombination wird bisher jedoch nur von wenigen Gruppen verwendet und hat deshalb noch ein hohes Entwick-lungspotential. Ein vielversprechendes Anwendungsfeld ist der Einsatz in der Hochleistungs-flüssigkeitschromatographie (HPLC) zur mehrdimensionalen Trennung. Heutzutage ist die HPLC die Standardmethode zur Trennung komplexer Proben in der Routineanalytik. HPLC-Trennungsgänge sind jedoch häufig langwierig und der Einsatz verschiedener Laufmittel, hoher Flussraten, von Puffern, sowie Laufmittelgradienten stellt hohe Anforderungen an die Detektoren. Die ESI-IM-Spektrometrie wurde in einigen Studien bereits als HPLC-Detektor eingesetzt, war dort bisher jedoch auf Flussratensplitting oder geringe Flussraten des Laufmittels beschränkt.
In dieser kumulativen Doktorarbeit konnte daher erstmals ein ESI IM-Spektrometer als HPLC-Detektor für den Flussratenbereich von 200-1500 μl/min entwickelt werden. Anhand von fünf Publi-kationen wurden (1) über eine umfassende Charakterisierung die Eignung des Spektrometers als HPLC-Detektor festgestellt, (2) ausgewählte komplexe Trenngänge präsentiert und (3) die Anwen-dung zum Reaktionsmonitoring und (4, 5) mögliche Weiterentwicklungen gezeigt.
Erfolgreich konnten mit dem selbst-entwickelten ESI IM-Spektrometer typische HPLC-Bedingungen wie Wassergehalte im Laufmittel von bis zu 90%, Pufferkonzentrationen von bis zu 10 mM, sowie Nachweisgrenzen von bis zu 50 nM erreicht werden. Weiterhin wurde anhand der komplexen Trennungsgänge (24 Pestizide/18 Aminosäuren) gezeigt, dass die HPLC und die IM-Spektrometrie eine hohe Orthogonalität besitzen. Eine effektive Peakkapazität von 240 wurde so realisiert. Auf der HPLC-Säule koeluierende Substanzen konnten über die Driftzeit getrennt und über ihre IM identifi-ziert werden, sodass die Gesamttrennzeiten erheblich minimiert werden konnten. Die Anwend-barkeit des ESI IM-Spektrometers zur Überwachung chemischer Synthesen wurde anhand einer dreistufigen Reaktion demonstriert. Es konnten die wichtigsten Edukte, Zwischenprodukte und Produkte aller Stufen identifiziert werden. Eine quantitative Auswertung war sowohl über eine kurze HPLC-Vortrennung als auch durch die Entwicklung eines eigenen Kalibrierverfahrens, welches die Ladungskonkurrenz bei ESI berücksichtigt, ohne HPLC möglich. Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei Weiterentwicklungen des Spektrometers präsentiert. Eine Möglichkeit ist die Reduzierung des Drucks in den intermediären Bereich (300 - 1000 mbar) mit dem Ziel der Verringerung der benötigten Spannungen. Mithilfe von Streulichtbildern und Strom-Spannungs-Kurven wurden für geringe Drücke eine verminderte Freisetzung der Analyt-Ionen aus den Tropfen festgestellt. Die Verluste konnten jedoch über höhere elektrische Feldstärken ausgeglichen werden, sodass gleiche Nachweisgrenzen bei 500 mbar und bei 1 bar erreicht wurden. Die zweite Weiterentwicklung ist ein neuartiges Ionentors mit Pulsschaltung, welches eine Verdopplung der Auflösung auf bis zu R > 100 bei gleicher Sensitivität ermöglichte. Eine denkbare Anwendung im Bereich der Peptidanalytik wurde mit beachtlichen Auflösungen der Peptide von R = 90 gezeigt.
The capability of electrospray ionization (ESI)-ion mobility (IM) spectrometry for reaction monitoring is assessed both as a stand-alone real-time technique and in combination with HPLC. A three-step chemical reaction, consisting of a Williamson ether synthesis followed by a hydrogenation and an N-alkylation step, is chosen for demonstration. Intermediates and products are determined with a drift time to mass-per-charge correlation. Addition of an HPLC column to the setup increases the separation power and allows the determination of further species. Monitoring of the intensities of the various species over the reaction time allows the detection of the end of reaction, determination of the rate-limiting step, observation of the system response in discontinuous processes, and optimization of the mass ratios of the starting materials. However, charge competition in ESI influences the quantitative detection of substances in the reaction mixture. Therefore, two different methods are investigated, which allow the quantification and investigation of reaction kinetics. The first method is based on the pre-separation of the compounds on an HPLC column and their subsequent individual detection in the ESI-IM spectrometer. The second method involves an extended calibration procedure, which considers charge competition effects and facilitates nearly real-time quantification.
A new ion mobility (IM) spectrometer, enabling mobility measurements in the pressure range between 5 and 500 mbar and in the reduced field strength range E/N of 5-90 Td, was developed and characterized. Reduced mobility (K-0) values were studied under low E/N (constant value) as well as high E/N (deviation from low field K-0) for a series of molecular ions in nitrogen. Infrared matrix-assisted laser desorption ionization (IR-MALDI) was used in two configurations: a source working at atmospheric pressure (AP) and, for the first time, an IR-MALDI source working with a liquid (aqueous) matrix at sub-ambient/reduced pressure (RP). The influence of RP on IR-MALDI was examined and new insights into the dispersion process were gained. This enabled the optimization of the IM spectrometer for best analytical performance. While ion desolvation is less efficient at RP, the transport of ions is more efficient, leading to intensity enhancement and an increased number of oligomer ions. When deciding between AP and RP IR-MALDI, a trade-off between intensity and resolving power has to be considered. Here, the low field mobility of peptide ions was first measured and compared with reference values from ESI-IM spectrometry (at AP) as well as collision cross sections obtained from molecular dynamics simulations. The second application was the determination of the reduced mobility of various substituted ammonium ions as a function of E/N in nitrogen. The mobility is constant up to a threshold at high E/N. Beyond this threshold, mobility increases were observed. This behavior can be explained by the loss of hydrated water molecules.