| License: Publishing license for publications including print on demand (11MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-329149
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.32914
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Place of Publication: | Regensburg, Deutschland |
| Number of Pages: | 129 |
| Date: | 21 November 2016 |
| Referee: | Prof. Frank-Michael Matysik |
| Date of exam: | 19 November 2015 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik) |
| Keywords: | elektrochemisch assitierte Injektion, Kapillarelektrophorese, Massenspektrometrie, Ferrocen, Guanosin, Rutin, Quercetin, oxidativer Stress |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 32914 |
Abstract (German)
Die wissenschaftliche Nachfrage nach einem möglichst hohen Informationsgehalt, in dem sich die vielfältigen analytischen Methoden stark unterscheiden können, kann mit der Kopplung verschiedener Techniken in einem einzigen Experiment bedient werden. Die hervorragende Trenneffizienz der Kapillarelektrophorese gepaart mit leistungsstarker massenspektrometrischer Detektion bietet eine sehr gute ...
Abstract (German)
Die wissenschaftliche Nachfrage nach einem möglichst hohen Informationsgehalt, in dem sich die vielfältigen analytischen Methoden stark unterscheiden können, kann mit der Kopplung verschiedener Techniken in einem einzigen Experiment bedient werden. Die hervorragende Trenneffizienz der Kapillarelektrophorese gepaart mit leistungsstarker massenspektrometrischer Detektion bietet eine sehr gute Grundlage, elektrochemische Modifikationen des Analyten oder des Analytgemisches während der Injektion in das Kapillarfließsystem zu vereinen. Mit dem Konzept EAI–CE–MS wurde eine neue Methodik für Redoxstudien eingeführt.
Erste Versuche anhand eines Modellsystems aus vier Ferrocenverbindungen zeigten das große Potential von EAI–CE–MS. Zum einen konnten durch die elektrochemische Umwandlung aus neutralen Analyten ionische Spezies generiert werden, die aufgrund ihrer unterschiedlichen elektrophoretischen Mobilitäten eine CE-Trennung ermöglichten. Zum anderen waren mechanistische Studien elektrochemischer Reaktionen möglich, wobei die Kapillarelektrophorese als sehr schnelle und effiziente Trenntechnik genutzt werden konnte, um das gebildete Produktgemisch zu untersuchen. Im Kontext von CE–MS-Messungen war weiterhin interessant, dass im Fall der elektrochemischen Konvertierung von Neutralanalyten zu geladenen Produktspezies das Nachweisvermögen der ESI-MS-Detektion verbessert werden konnte. Gerade hydrophobe Analyten, die im ESI-Prozess eine zu geringe Ionisierungseffizienz zeigten, konnten nach einer elektrochemischen Umwandlung zu Produkten führen, die sich nachweisstark massenspektrometrisch detektieren ließen. Die Untersuchung der Ferrocenverbindungen wurde mit NACE in rein organischem Lösungsmittel durchgeführt. Allgemein bietet EAI–CE–MS jedoch ebenso die Möglichkeit, mit Mischungen aus organischen und wässrigen Lösungsmitteln oder auch nur im rein Wässrigen zu arbeiten, wobei gerade letzteres mit Blick auf bioanalytische Studien von großem Vorteil ist.
In weiteren Untersuchungen wurde oxidativer Stress am Beispiel des Nukleosids Guanosin simuliert. Erstmalig wurde eine bionanalytische Anwendung für das Konzept EAI–CE–MS verwirklicht. Neben vorbereitenden Experimenten mit der Cyclovoltammetrie und einfachen EC–MS-Experimenten wurden die EAI–CE–MS-Messungen mit einer automatischen EAI-Zelle durchgeführt. Gegenüber des ursprünglichen Aufbaus der EAI-Zelle konnte mit bedeutend geringeren Probenvolumina gearbeitet werden. Ebenso konnte das Elektrodenmaterial schnell und unkompliziert gewechselt werden. Beide Eigenschaften der automatischen EAI-Zelle begünstigen die Erweiterung der Anwendbarkeit auf biologische Proben. Sowohl die elektrochemische Konvertierung als auch die CE-Trennung erfolgten ausschließlich in wässrigen Puffern. Damit kann die Simulation oxidativen Stresses nahe an den physiologischen Bedingungen untersucht werden. Die Generierung von Oxidationsprodukten sowie deren massenspektrometrische Detektion konnten erfolgreich realisiert werden. Das elektromigrative Verhalten der Produkte bei unterschiedlichen pH-Werten diente als wertvolles Kriterium, um eine Strukturzuordnung von möglichen Verbindungen mit identischer Summenformel vorzunehmen. Die Untersuchung des oxidativen Verhaltens von 8-Oxoguanosin bestätigte qualitativ die Ergebnisse der Guanosin-Oxidation. Zudem konnte bestätigt werden, dass 8-Oxoguanosin eine entscheidende Rolle als primäres Oxidationsprodukt im Mechanismus der Guanosin-Oxidation spielt.
Eine weitere bioanalytische Anwendung des EAI–CE–MS-Konzepts wurde mit Rutin, einem Antioxidans, durchgeführt. Verschiedene Eigenschaften, wie mehrere Ladungszustände abhängig vom pH-Wert der Umgebung oder relativ niedrige Redoxpotentiale stellen ein gutes Fundament für weiterführende Studien zum Oxidationsverhalten mittels EAI–CE–MS dar. Obwohl die detektierten Oxidationsprodukte ungeladen auftraten, konnte eine Trennung von den negativ geladenen Edukten Rutin und Quercetin realisiert werden. Sechs Produkte wurden massenspektrometrisch identifiziert, auch wenn eine Strukturaufklärung nicht möglich war. Es konnte gezeigt werden, dass abhängig vom Elektrodenmaterial eine unterschiedliche Produktzusammensetzung auftrat.
Die Wahl der Reaktionsbedingungen, wie Elektrodenmaterial und Elektrolytzusammensetzung, unter denen Oxidationsstudien durchgeführt werden, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Art der Produkte und deren Zusammensetzung. Ebenso spielen ESI-Parameter und Trennbedingungen eine entscheidende Rolle. Um umfangreiche Oxidationsstudien in der Bioanalytik durchzuführen, die in ihren experimentellen Bedingungen nahe an den physiologischen Begebenheiten liegen, wird mit der methodischen Entwicklung des EAI–CE–MS-Konzeptes eine neue Möglichkeit vorgestellt.
Translation of the abstract (English)
The scientific demand for a very high information content, in which diverse analytical methods can vary greatly, can be served with the coupling of different techniques in one unique experiment. The excellent separation efficiency of capillary electrophoresis hyphenated with powerful mass spectrometric detection provides a very good basis for hyphenation of electrochemical modification of the ...
Translation of the abstract (English)
The scientific demand for a very high information content, in which diverse analytical methods can vary greatly, can be served with the coupling of different techniques in one unique experiment. The excellent separation efficiency of capillary electrophoresis hyphenated with powerful mass spectrometric detection provides a very good basis for hyphenation of electrochemical modification of the analyte or the analyte mixture during the injection step into the capillary flow system. A new methodology for redox studies was established with the concept of EAI–CE–MS.
Initial experiments using a model system of four ferrocene compounds show the great potential of EAI–CE–MS. On the one hand ionic species could be generated by electrochemical conversion of neutral analytes, which allowed a CE separation due to their different electrophoretic mobilities. On the other hand EAI–CE–MS enabled mechanistic studies of electrochemical reactions. Thus, capillary electrophoresis could be used as a very fast and efficient separation technology for the analysis of the formed product mixture. In the context of CE–MS measurements the electrochemical conversion of neutral (hydrophobic) analytes to charged product species increased the ionization efficiency of ESI-MS detection significantly. The investigation of the ferrocene compounds was performed with NACE in an organic solvent mixture. In general, EAI–CE–MS offers also the opportunity to work with mixtures of organic and aqueous solvents or even in purely aqueous solvents, whereby the latter offers great advantage for bioanalytical studies.
In further studies oxidative stress was simulated using the example of the nucleoside guanosine. For the first time a bioanalytical application for the concept of EAI–CE–MS was realized. Preliminary cyclic voltammetry experiments and simple EC–MS measurements as well as EAI–CE–MS measurements were performed using a fully automated EAI cell. In contrast to the first generation of EAI cell the experiments could be performed with much smaller sample volumes. Likewise, the electrode material could be changed quickly and easily. Both characteristics of the automatic EAI cell favor the extension of applicability to biological samples. Both the electrochemical conversion and the CE separation carried out exclusively in aqueous buffer solutions. Thus, the simulation of oxidative stress may be performed under conditions near to physiological situations. The generation of oxidation products and their mass spectrometric detection could be successfully implemented. The electromigrative behavior of product species formed at different pH values served as a valuable criterion for structure assignment in case of several possible compounds with the identical molecular formula. The investigation of the oxidative behavior of 8-oxoguanosine confirmed the results of the guanosine oxidation experiments qualitatively. In addition, it could be confirmed that 8 oxoguanosine plays an important role as the primary oxidation product in the mechanism of oxidation of guanosine.
A further application of the bioanalytical EAI–CE–MS approach was realized with rutin, an antioxidative compound. Various properties such as different charge states depending on the pH of the environment or relatively low redox potentials represent a good foundation for further studies on the oxidation behavior by EAI–CE–MS. A separation from the negatively charged reactants rutin and quercetin were realized in spite the fact, that the detected oxidation products occurred uncharged. Six products were identified by mass spectrometry, even if a structural analysis was not possible. Depending on the electrode material a different product composition could be detected.
The choice of reaction conditions, such as electrode material and background electrolyte composition, under which oxidation studies are conducted, have a decisive influence on the type of products and their composition. Likewise ESI parameters and separation conditions play a crucial role. The methodological development of the EAI–CE–MS concept enables a new potential for performing extensive bioanalytical oxidation studies under conditions close to physiological situations.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:23
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