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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-255697
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.25569
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
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Open Access Art: | Primärpublikation |
Datum: | 11 Januar 2013 |
Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Frank-Michael Matysik und Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis |
Tag der Prüfung: | 9 Juli 2012 |
Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik) |
Stichwörter / Keywords: | capillary electrophoresis, mass spectrometry, hyphenation, fast, small volume, instrumental, catecholamines, hyaluronan, organotin speciation, organoarsenic speciation, capillary batch injection, injection efficiency |
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
Status: | Veröffentlicht |
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
Dokumenten-ID: | 25569 |
Zusammenfassung (Englisch)
Fast Capillary Electrophoresis–Mass Spectrometry. Measurements with capillary electrophoresis (CE) coupled to mass spectrometry (MS) are desirable when both the high separation efficiency of capillary electrophoresis and the identification capabilities of mass spectrometry are required. With current instrumentation, analyses require between 10 min and more than one hour to complete. Fast CE–MS ...
Zusammenfassung (Englisch)
Fast Capillary Electrophoresis–Mass Spectrometry. Measurements with capillary electrophoresis (CE) coupled to mass spectrometry (MS) are desirable when both the high separation efficiency of capillary electrophoresis and the identification capabilities of mass spectrometry are required. With current instrumentation, analyses require between 10 min and more than one hour to complete. Fast CE–MS measurements are generally preferable; however, they become mandatory when a high sample throughput is required.
Using an experimental setup of simple and straightforward design, a methodology to separate analytes with CE–MS both fast and efficiently has been developed, which successfully employs both aqueous and non-aqueous background electrolytes (BGEs). High electric field strengths of up to 1.25 kV•cm−1 and the use of short-length capillaries were found to be key in achieving fast separations.
Hyphenation of CE and MS was accomplished using a coaxial sheath liquid electrospray ionisation interface. Its commercial availability and simple experimental design aid in the rapid implementation of fast CE–MS methodology by other researchers and laboratories. The influence of parameters inherent to this interface was studied in more detail as to its effects on both separation and detection, including suction pressure and dilution. It was shown that parameter settings different from those routinely recommended have to be used in order to achieve highly efficient separations. General conclusions could be drawn from these findings, which allow rapid method development for fast CE–MS.
The influence of the capillary inner diameter (ID) on separations was investigated. In addition to standard capillaries of 75 and 50 µm ID, separations in capillaries with IDs of 25, 15, and 5 µm have been successfully applied to this setup. The analytical performance is compared over this range of capillary dimensions and both advantages and disadvantages are discussed. Usage of reduced ID capillaries allows for the analysis of sub-nL samples, the use of high conductivity BGEs, and can eliminate problems arising from certain parameter combinations in CE–MS experiments based on non-aqueous BGEs. Most significantly, it could be shown that reducing the separation capillary ID can have great potential in improving the separation efficiency.
The often-cited assumption of increased dilution at the ESI interface (and, hence, decreased signal intensity) with decreased separation capillary ID was found to be far less dramatic. Together with the increase in separation efficiency and the correspondingly sharper analyte signals, this dilution effect either was not present at all, or was considerably lower than what would be expected from the volumetric ratio of separation capillary outflow to sheath liquid flow rate.
The fast CE–MS methodology has been successfully applied to the separation of cationic and anionic analytes (co- and counter-electroosmotic separation conditions, respectively), namely catecholamines, hyaluronan oligomeres, organoarsenic compounds, and organotin compounds. For relevant sets of analytes, it could be shown that matrix-containing samples can be injected with only minimal sample pretreatment, with no negative effect on the CE–MS method. Most of these analytes could be separated in less than one minute; using a pressure-assisted approach, a separation within 10 s was possible.
While the injection process employed here was manual, it could be easily automated. At the time of writing, work towards an automated setup for fast CE–MS is being conducted in the same working group.
Small Samples. Efficient sample usage is of key importance in many bioanalytical questions for which a CE–MS separation is sought. The concept of injection efficiency is introduced to give a figure of merit to the injection process in analytical systems. It represents the ratio of injected sample and the amount of sample needed for carrying out the injection process (v/v). Typical values for the injection efficiency in CE range from 10−3 to 10−7.
Based on the concept of capillary batch injection (CBI), the development of an automated system is presented. This device is capable of running true multi-sample measurement series, using minimal sample volumes in the lower nL range and delivering an injection efficiency of up to 100%. It is compatible with both aqueous and non-aqueous background electrolytes. Design and specifications of the injection device are shown, and all parameters relevant for achieving both high injection efficiency and high separation efficiency are discussed. These parameters include liquid handling of sample volumes with the injection capillary, relative positioning of injection and separation capillary, and convection effects in the injection cell.
Furthermore, a procedure is presented to coat the tip of a fused silica capillary with a silicone elastomer acting as a seal between two capillaries in mid-solution. This allows for the injection of sample solution from the injection capillary directly into the separation capillary.
As an additional benefit, very short separation capillaries down to 15 cm in length can be used with this device. CE–MS separations of a catecholamine model system in capillaries of only 15 cm length under conditions of high electric field strength could be completed in 20 s with high separation efficiency.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Schnelle Kapillarelektrophorese–Massenspektrometrie. Die Kopplung von Kapillarelektrophorese (CE) und Massenspektrometrie (MS) ist immer dann von Vorteil, wenn sowohl die hohe Trenneffizienz der CE als auch die Identifikationsstärke der MS benötigt werden. Bei Einsatz gängiger Instrumentierung dauern Messungen zwischen 10 min und über einer Stunde. Schnelle CE–MS-Messungen sind generell ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Schnelle Kapillarelektrophorese–Massenspektrometrie. Die Kopplung von Kapillarelektrophorese (CE) und Massenspektrometrie (MS) ist immer dann von Vorteil, wenn sowohl die hohe Trenneffizienz der CE als auch die Identifikationsstärke der MS benötigt werden. Bei Einsatz gängiger Instrumentierung dauern Messungen zwischen 10 min und über einer Stunde. Schnelle CE–MS-Messungen sind generell wünschenswert, werden aber unumgänglich, wenn ein hoher Probendurchsatz erzielt werden soll.
Mithilfe des hier eingesetzten einfachen experimentellen Aufbaus wurde eine Methodik entwickelt, um Analyte mittels CE–MS sowohl schnell als auch effizient zu trennen. Wässrige und nicht-wässrige Hintergrundelektrolyte (BGE) wurden erfolgreich eingesetzt. Der Verwendung kurzer Trennkapillaren und der Einsatz hoher elektrischer Feldstärken von bis zu 1.25 kV•cm−1 waren die Hauptfaktoren, um schnelle Trennungen zu erreichen.
Die Kopplung von CE und MS erfolgte über ein koaxiales sheath-liquid Elektrospray-Interface. Da es kommerziell verfügbar ist und einen einfachen experimentellen Aufbau erlaubt, wird die Übernahme der schnellen CE–MS-Methodik durch andere Forscher und Arbeitsgruppen erleichtert. Der spezifischen Parameter dieses Interfaces wurden detailliert auf ihre Einflüsse in Trennung und Detektion, einschließlich Saugdruck und Verdünnung, hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass andere als die üblicherweise verwendeten Parametereinstellungen gewählt werden müssen, um Trennungen mit möglichst hoher Trenneffizienz zu ermöglichen. Aus diesen Untersuchungen konnten allgemeine Schlussfolgerungen abgeleitet werden, die eine rasche Methodenentwicklung für schnelle CE–MS erlauben.
Der Einfluss des Innendurchmessers (ID) der Trennkapillare wurde untersucht. Zusätzlich zu üblicherweise eingesetzten Kapillaren mit 75 und 50 µm ID konnten solche mit 25, 15 und 5 µm ID erfolgreich für Trennungen mit dem experimentellen Setup eingesetzt werden. Die analytische Leistung wird über diesen Bereich verglichen und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Die Verwendung von Trennkapillaren mit kleineren ID erlaubt die Analyse von sub-nL Proben und die Verwendung von BGE mit höherer Leitfähigkeit. Zudem können dadurch Probleme behoben werden, die durch bestimmte Parameterkombinationen in der nicht-wässrigen CE–MS verursacht werden. Vor allem aber konnte gezeigt werden, dass die Verringerung des Kapillar-ID großes Potential bei der Verbesserung der Trenneffizienz zeigt.
Häufig wird angenommen, dass eine Verringerung des Kapillar-ID zwangsläufig zu einem größeren Verdünnungseffekt am ESI-Interface (und damit kleineren Signalen) führt. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Verdünnung deutlich kleiner ist als vermutet. Die erhöhte Trenneffizienz und die entsprechend schärferen Signale führten dazu, dass es entweder zu keiner Signalverringerung kam oder aber diese deutlich geringer ausfiel, als vom Verhältnis der Flussraten aus der Trennkapillare und des sheath-liquid zu erwarten wäre.
Die Methodik der schnellen CE–MS konnte erfolgreich auf die Analyse kationischer und anionischer Spezies (co- und counter-elektroosmotische Trennbedingungen) angewandt werden. Eingesetzte Analyte waren Catecholamine, Hyaluronsäureoligomere, Organoarsenverbindungen und Organozinnverbindungen. Für entsprechend relevante Analyte konnte gezeigt werden, dass matrixbelastete Proben nach nur minimaler Probenvorbereitung injiziert und analysiert werden konnten, ohne negative Auswirkungen auf die Bestimmungsmethode zu haben. Die Analyte konnten i. A. in weniger als einer Minute getrennt werden. Durch Druckbeaufschlagung während der Trennung konnten sogar CE–MS-Trennungen in nur 10 s erreicht werden.
Der hier angewandte Injektionsprozess ist manuell, kann aber leicht automatisiert werden. Zum Zeitpunkt der Schriftlegung wird in derselben Arbeitsgruppe bereits an einem Aufbau zur automatisierten schnellen CE–MS gearbeitet.
Kleine Probemengen. Der effizienten Probennutzung kommt v. a. in solchen bioanalytischen Fragestellungen eine Schlüsselrolle, in denen Bestimmungen mit CE–MS durchgeführt werden. Das Konzept der Injektionseffizienz wird eingeführt, um dem Injektionsprozess in Analysensystemen eine Güteziffer zu geben. Die Injektionseffizienz bezeichnet das Verhältnis von injizierter Probe zu der Menge an Probe, die für die Durchführung des Injektionsprozesses notwendig ist (v/v). Typische Werte für CE–MS liegen im Bereich von 10−3 bis 10−7.
Basierend auf dem Konzept der Kapillar-Batch-Injektion (CBI) wird die Entwicklung eines automatisierten Systems vorgestellt. Es ist in der Lage, Messreihen unterschiedlicher Proben durchzuführen, wobei nur minimale Probenvolumina im unteren nL-Bereich benötigt werden und eine Injektionseffizienz von bis zu 100% erreicht werden kann. Es kann sowohl für wässrige als auch nicht-wässrige Elektrolytsysteme verwendet werden. Aufbau und Spezifikationen des Gerätes werden vorgestellt und alle Parameter, die für das Erreichen hoher Trenn- und Injektionseffizienzen relevant sind, werden diskutiert. Diese Parameter umfassen u. a. Handhabung von Probevolumina mit der Injektionskapillare, relative Positionierung von Injektions- und Trennkapillare sowie Konvektionseffekte in der Injektionszelle.
Weiterhin wird eine Prozedur vorgestellt, mit der das Ende einer Quarzglaskapillare mit einem Silikonelastomer beschichtet werden kann. Damit kann zwischen zwei Kapillaren in Lösung eine reversible dichtende Verbindung geschaffen werden. Dies erlaubt die direkte Injektion von Probelösung in die Trennkapillare hinein.
Ein weiterer Vorteil des entwickelten Aufbaus besteht darin, dass sehr kurze Trennkapillaren von nur 15 cm Länge eingesetzt werden können. CE–MS-Trennungen eines Catecholamin-Modellsystems konnten in einer 15 cm langen Kapillare unter hoher Feldstärke in nur 20 s mit hoher Trenneffizienz durchgeführt werden.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 04:15