Refine
Year of publication
- 2020 (5) (remove)
Document Type
- Article (4)
- Doctoral Thesis (1)
Is part of the Bibliography
- yes (5)
Keywords
- ion mobility spectrometry (5) (remove)
Institute
Infectious pathogens are a global issue. Global air travel offers an easy and fast opportunity not only for people but also for infectious diseases to spread around the world within a few days. Also, large public events facilitate increasing infection numbers. Therefore, rapid on-site screening for infected people is urgently needed. Due to the small size and easy handling, ion mobility spectrometry coupled with a multicapillary column (MCC-IMS) is a very promising, sensitive method for the on-site identification of infectious pathogens based on scents, representing volatile organic compounds (VOCs). The purpose of this study was to prospectively assess whether identification of Influenza-A-infection based on VOCs by MCC-IMS is possible in breath. Nasal breath was investigated in 24 consecutive persons with and without Influenza-A-infection by MCC-IMS. In 14 Influenza-A-infected patients, infection was proven by PCR of nasopharyngeal swabs. Four healthy staff members and six patients with negative PCR result served as controls. For picking up relevant VOCs in MCC-IMS spectra, software based on cluster analysis followed by multivariate statistical analysis was applied. With only four VOCs canonical discriminant analysis was able to distinguish Influenza-A-infected patients from those not infected with 100% sensitivity and 100% specificity. This present proof-of-concept-study yields encouraging results showing a rapid diagnosis of viral infections in nasal breath within 5 min by MCC-IMS. The next step is to validate the results with a greater number of patients with Influenza-A-infection as well as other viral diseases, especially COVID-19. Registration number at ClinicalTrials.gov NCT04282135.
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.
The contamination of barley by molds on the field or in storage leads to the spoilage of grain and the production of mycotoxins, which causes major economic losses in malting facilities and breweries. Therefore, on-site detection of hidden fungus contaminations in grain storages based on the detection of volatile marker compounds is of high interest. In this work, the volatile metabolites of 10 different fungus species are identified by gas chromatography (GC) combined with two complementary mass spectrometric methods, namely, electron impact (EI) and chemical ionization at atmospheric pressure (APCI)-mass spectrometry (MS). The APCI source utilizes soft X-radiation, which enables the selective protonation of the volatile metabolites largely without side reactions. Nearly 80 volatile or semivolatile compounds from different substance classes, namely, alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, substituted aromatic compounds, alkenes, terpenes, oxidized terpenes, sesquiterpenes, and oxidized sesquiterpenes, could be identified. The profiles of volatile and semivolatile metabolites of the different fungus species are characteristic of them and allow their safe differentiation. The application of the same GC parameters and APCI source allows a simple method transfer from MS to ion mobility spectrometry (IMS), which permits on-site analyses of grain stores. Characterization of IMS yields limits of detection very similar to those of APCI-MS. Accordingly, more than 90% of the volatile metabolites found by APCI-MS were also detected in IMS. In addition to different fungus genera, different species of one fungus genus could also be differentiated by GC-IMS.
The visible-light photocatalyticE/Zisomerization of olefins can be mediated by a wide spectrum of triplet sensitizers (photocatalysts). However, the search for the most efficient photocatalysts through screenings in photo batch reactors is material and time consuming. Capillary and microchip flow reactors can accelerate this screening process. Combined with a fast analytical technique for isomer differentiation, these reactors can enable high-throughput analyses. Ion mobility (IM) spectrometry is a cost-effective technique that allows simple isomer separation and detection on the millisecond timescale. This work introduces a hyphenation method consisting of a microchip reactor and an infrared matrix-assisted laser desorption ionization (IR-MALDI) ion mobility spectrometer that has the potential for high-throughput analysis. The photocatalyzedE/Zisomerization of ethyl-3-(pyridine-3-yl)but-2-enoate (E-1) as a model substrate was chosen to demonstrate the capability of this device. Classic organic triplet sensitizers as well as Ru-, Ir-, and Cu-based complexes were tested as catalysts. The ionization efficiency of theZ-isomer is much higher at atmospheric pressure which is due to a higher proton affinity. In order to suppress proton transfer reactions by limiting the number of collisions, an IM spectrometer working at reduced pressure (max. 100 mbar) was employed. This design reduced charge transfer reactions and allowed the quantitative determination of the reaction yield in real time. Among 14 catalysts tested, four catalysts could be determined as efficient sensitizers for theE/Zisomerization of ethyl cinnamate derivativeE-1. Conversion rates of up to 80% were achieved in irradiation time sequences of 10 up to 180 s. With respect to current studies found in the literature, this reduces the acquisition times from several hours to only a few minutes per scan.
Die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungs- und Produktionsmethoden ist eine der zentralen Fragestellungen der modernen Agrarwirtschaft. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Forschungsthemen, die das Konzept Nachhaltigkeit beinhalten. In beiden Fällen werden analytische Grundlagen für die Entwicklung entsprechender landwirtschaftlicher Arbeitsmethoden gelegt.
Das erste Thema ist an den sogenannten Präzisionsackerbau angelehnt. Bei diesem wird die Bearbeitung von Agrarflächen ortsabhängig ausgeführt. Das heißt, die Ausbringung von Saatgut, Dünger, Bewässerung usw. richtet sich nach den Eigenschaften des jeweiligen Standortes und wird nicht pauschal gleichmäßig über ein ganzes Feld verteilt. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Kenntnis der Bodeneigenschaften. In der vorliegenden Arbeit sollten diese Parameter mittels der analytischen Technik der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS), die eine Form der Elementaranalyse darstellt, bestimmt werden. Bei den hier gesuchten Bodeneigenschaften handelte es sich um die Gehalte von Nährstoffen sowie einige sekundäre Parameter wie den Humusanteil, den pH-Wert und den pflanzenverfügbaren Anteil einzelner Nährstoffe. Diese Eigenschaften wurden durch etablierte Referenzanalysen bestimmt. Darauf aufbauend wurden die Messergebnissen der LIBS-Untersuchungen durch verschiedene Methoden der sogenannten multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Daraus sollten Modelle zur Vorhersage der Bodenparameter in zukünftigen LIBS-Messungen erarbeitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass mit der Kombination von LIBS und MVA sämtliche Bodenparameter erfolgreich vorhergesagt werden konnten. Dies beinhaltete sowohl die tatsächlich messbaren Elemente als auch die sekundären Eigenschaften, welche durch die MVA mit den Elementgehalten in Zusammenhang gebracht wurden.
Das zweite Thema beschäftigt sich mit der Vermeidung von Verlusten durch Schädlingsbefall bei der Getreidelagerung. Hier sollten mittels der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) Schimmelpilzkontaminationen detektiert werden. Dabei wurde nach den flüchtigen Stoffwechselprodukten der Pilze gesucht. Die durch Referenzmessungen mit Massenspektrometern identifizierten Substanzen konnten durch IMS im Gasvolumen über den Proben, dem sogenannten Headspace, nachgewiesen werden. Dabei wurde nicht nur die Anwesenheit einer Kontamination festgestellt, sondern diese auch charakterisiert. Die freigesetzten Substanzen bildeten spezifische Muster, anhand derer die Pilze identifiziert werden konnten. Hier wurden sowohl verschiedene Gattungen als auch einzelne Arten unterschieden. Die Messungen fanden auf verschiedenen Nährböden statt um den Einfluss dieser auf die Stoffwechselprodukte zu beobachten. Auch die sekundären Stoffwechselprodukte der Schimmelpilze, die Mykotoxine, konnten durch IMS detektiert werden.
Beide in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsthemen konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Sowohl LIBS als auch IMS erwiesen sich für den Nachweis der jeweiligen Analyten als geeignet, und der Einsatz moderner computergestützter Auswertemethoden ermöglichte die genaue Charakterisierung der gesuchten Parameter. Beide Techniken können in Form von mobilen Geräten verwendet werden und zeichnen sich durch eine schnelle und sichere Analyse aus. In Kombination mit entsprechenden Modellen der MVA sind damit alle Voraussetzungen für Vor-Ort-Untersuchungen und damit für den Einsatz in der Landwirtschaft erfüllt.