| License: Publishing license for publications excluding print on demand (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-435145
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.43514
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 28 July 2020 |
| Referee: | Prof. Dr. Frank-Michael Matysik |
| Date of exam: | 24 July 2020 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik) |
| Keywords: | Elektrochemie; Massenspektrometrie; Kapillarelektrophorese; Kopplung; |
| 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: | 43514 |
Abstract (English)
Hyphenation of electrochemistry and mass spectrometry is a very versatile method for different kinds of applications such as • electrochemical online sample pretreatment for enhanced detectability of analytes and separation performance • elucidation of oxidation and reduction mechanisms by identification of intermediates and products • electrochemical simulation of oxidative processes of ...
Abstract (English)
Hyphenation of electrochemistry and mass spectrometry is a very versatile method for different kinds of applications such as
• electrochemical online sample pretreatment for enhanced detectability of analytes and separation performance
• elucidation of oxidation and reduction mechanisms by identification of intermediates and products
• electrochemical simulation of oxidative processes of relevant biomolecules.
To meet the demands of the high diversity of different kinds of samples, flexibility of solutions and materials is very important. Because of that a novel injection cell for EC-CE-MS consisting of solvent-resistant materials and equipped with solvent-resistant thin-film electrodes was developed and characterized. EC-CE-MS could be applied to non-aqueous solutions and a mixture of ferrocene derivatives was analyzed as model system. After oxidation, the cations of ferrocenemethanol, decamethylferrocene and ferrocene could be separated with capillary electrophoresis and detected with mass spectrometry. This was not possible without oxidation as neutral ferrocene is not detectable in ESI-MS and neutral ferrocenemethanol can only be detected with very low intensity. Besides that, both would comigrate in CE due to the lack of charge. However, decamethylferrocene was separated and detected without electrochemical oxidation as it was easily oxidized by dissolved oxygen. In conclusion, it was shown that electrochemistry could be used to enhance the separation performance in CE and the detection performance in MS by generation of charged species. The applicability of online EC-CE-MS based on disposable electrode materials could be expanded to non-aqueous solvents, which was not possible before due to limitations of screen-printed electrode materials.
For optimization of oxidation procedures in the context of electrochemical sensing it is important to understand the processes that take place on an electrode surface. Different primary bile acids were shown to be suitable for direct electrochemical oxidation after an acid-induced dehydration step. CE-MS measurements revealed the dehydration and addition of an acetamide group to chenodeoxycholic acid, which could be confirmed by the migration behavior in CE and the identification of the molecular formulas of the corresponding species in MS. Hence, CE-MS could contribute to the elucidation of different reaction steps in the context of anodic oxidation of bile acids.
Nucleobases are essential for life due to their function as building blocks of DNA. In order to understand oxidative damage on DNA or to detect modified nucleobases electrochemically it is important to investigate the mechanisms of nucleobase oxidation. Online EC-MS, EC-CE-MS, EC-HPLC-MS and tandem MS were applied to investigate anodic oxidation of cytosine and thymine in aqueous solutions on screen-printed carbon electrodes. EC-MS based on electrochemical flow cells allowed for a fast and direct detection of oxidation products and thus for a screening of electrochemical activity and reactive intermediates or instable species. By variation of the separation conditions in CE, the presence of acidic or basic functional groups could be investigated based on the migration behavior. Due to short analysis times, conclusions on product stability could be drawn by evaluating the development of the analyte signals in consecutive measurements. MS detection allowed for the identification of oxidation products. EC-HPLC-MS and tandem MS measurements added additional information due to the orthogonality of the separation methods and fragmentation patterns obtained in collision induced dissociation. Cytosine and thymine showed different kinds of products at the applied conditions. While in the case of cytosine monomeric oxidation products exhibiting hydroxy and hydroperoxy groups were detected as main products, thymine predominantly showed dimerization induced by electrochemical oxidation. The oxidation products of cytosine could be separated under acidic conditions while a separation of the oxidation products of thymine could only be achieved under alkaline conditions in capillary electrophoresis. Thus, both analytes behaved completely different despite using similar oxidation conditions.
All results mentioned above show that EC-MS based on disposable electrodes is a powerful and versatile instrumental approach to different analytical challenges. By combination of electrochemical oxidation with separation methods and MS detection a large amount of information can be obtained such as the nature of functional groups based on the migration behavior in CE and retention behavior in HPLC, the product stability, and the mechanisms of electrochemical reactions by identification of products and intermediates. Easy-to-use and virtually maintenance-free disposable electrode materials as well as short separation times make this method interesting for high-throughput measurements. Thus, EC-MS might be of rising interest for applications in medical or pharmaceutical industry in the future.
Translation of the abstract (German)
Die Kopplung von Elektrochemie mit der Massenspektrometrie ist eine sehr vielseitige Methode mit verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise der • elektrochemischen online-Probenvorbereitung zur verbesserten Detektierbarkeit von Analyten und Erhöhung der Trennperformance • Aufdeckung von Oxidations- oder Reduktionsmechanismen über die Identifizierung auftretender ...
Translation of the abstract (German)
Die Kopplung von Elektrochemie mit der Massenspektrometrie ist eine sehr vielseitige Methode mit verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise der
• elektrochemischen online-Probenvorbereitung zur verbesserten Detektierbarkeit von Analyten und Erhöhung der Trennperformance
• Aufdeckung von Oxidations- oder Reduktionsmechanismen über die Identifizierung auftretender Spezies
• elektrochemischen Simulation oxidativer Prozesse relevanter Biomoleküle.
Um den Anforderungen unterschiedlichster Proben gerecht zu werden ist eine hohe Flexibilität bezüglich verwendeter Lösungen und Materialien unabdingbar. Deshalb wurde eine neuartige Injektionszelle für die EC-CE-MS Kopplung entwickelt und charakterisiert, die aus lösemittelbeständigen Materialien bestand und mit lösemittelbeständigen Dünnfilmelektroden bestückt war. Die EC-CE-MS Methodik konnte somit auf nichtwässrige Systeme angewandt werden und eine Mischung von Ferrocenderivaten wurde als Modellsystem analysiert. Nach der Oxidation konnten die Kationen von Ferrocenmethanol, Decamethylferrocen und Ferrocen mittels Kapillarelektrophorese getrennt und mit Massenspektrometrie detektiert werden. Dies war ohne vorherige Oxidation nicht möglich, da neutrales Ferrocen mit ESI-MS nicht und neutrales Ferrocenmethanol nur sehr schlecht detektierbar ist. Außerdem würden beide im ungeladenen Zustand in der Kapillarelektrophorese komigrieren. Decamethylferrocen konnte auch ohne elektrochemische Oxidation als Kation detektiert werden, da es sehr leicht durch gelösten Sauerstoff oxidiert wird. Zusammenfassend konnte die Elektrochemie hier genutzt werden, um die Trennleistung in der Kapillarelektrophorese sowie die Detektierbarkeit in der Massenspektrometrie durch die Erzeugung geladener Spezies zu verbessern. Es wurde demonstriert, dass die Anwendbarkeit von EC-CE-MS auf der Basis von Einwegelektroden auf nichtwässrige Systeme erweitert werden konnte, was zuvor aufgrund der Limitierungen von Siebdruckelektroden nicht möglich war.
Für die Optimierung von Oxidationsprozessen im Kontext elektrochemischer Sensorik ist es wichtig, die Prozesse zu verstehen, die auf einer Elektrodenoberfläche stattfinden. Verschiedene primäre Gallensäuren erwiesen sich nach einem Säure-induzierten Dehydrationsschritt als für eine direkte elektrochemische Oxidation geeignet. Durch CE-MS Messungen konnte die Dehydratisierung und die Addition einer Acetamid Gruppe an Chenodeoxycholsäure aufgedeckt werden, was durch das Migrationsverhalten in der CE und die Identifikation der entsprechenden Summenformeln in der MS bestätigt wurde. So konnte die CE-MS Analyse zur Aufdeckung verschiedener Reaktionsschritte im Kontext der anodischen Oxidation von Gallensäuren beitragen.
Durch ihre Funktion als DNA-Bausteine sind Nukleobasen essenziell für das Leben. Um oxidative DNA-Schäden zu verstehen oder modifizierte Basen elektrochemisch zu detektieren ist es wichtig, die Mechanismen der Oxidation von Nukleobasen nachzuvollziehen. Online EC-MS, EC-CE-MS, EC-HPLC-MS und Tandem-MS wurden zur Untersuchung der anodischen Oxidation von Cytosin und Thymin in wässriger Lösung auf Kohlenstoff-Siebdruck Elektroden angewandt. Die direkte EC-MS-Kopplung über elektrochemische Fließzellen ermöglichte eine schnelle und direkte Detektion von Oxidationsprodukten und eignete sich somit für einen schnellen Überblick über elektrochemische Aktivität und die Detektion reaktiver Intermediate oder instabiler Spezies. Durch eine Variation der Trennbedingungen in der CE konnte die Anwesenheit bestimmter funktioneller Gruppen über das Migrationsverhalten untersucht werden. Durch kurze Analysezeiten konnten über das Verfolgen der Signalintensitäten bei konsekutiven Messungen Rückschlüsse auf die Stabilität von Produkten gezogen werden. Die Detektion mittels MS ermöglichte die Identifikation von Oxidationsprodukten. EC-HPLC-MS und Tandem-MS Messungen lieferten zusätzliche Informationen durch die Orthogonalität der Trennmethoden und die Fragmentationsmuster, die in Kollisions-induzierter Dissoziation erhalten wurden. Unter den vorliegenden Bedingungen zeigten Cytosin und Thymin verschiedenartige Oxidationsprodukte. Während im Falle des Cytosins monomere Spezies als Hauptoxidationsprodukte detektiert wurden, welche Hydroxy- oder Hydroperoxygruppen aufwiesen, zeigten sich für Thymin dimere Oxidationsprodukte, die durch elektrochemische Oxidation induziert wurden. Die Oxidationsprodukte des Cytosins konnten in der Kapillarelektrophorese unter sauren Bedingungen getrennt werden, wohingegen eine Trennung der Produkte des Thymins nur unter alkalischen Bedingungen erfolgreich war. Somit zeigte sich, dass sich die beiden Substanzen trotz Anwendung ähnlicher Oxidationsbedingungen komplett unterschiedlich verhielten.
Alle oben dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die EC-MS Kopplung auf Basis von Einwegelektroden eine leistungsstarke und vielseitige instrumentelle Methode ist, die für verschiedene analytische Herausforderungen eingesetzt werden kann. Durch die Kombination elektrochemischer Oxidation mit Trennsystemen sowie massenspektrometrischer Detektion kann ein hoher Informationsgehalt erzielt werden, wie etwa die Art vorhandener funktioneller Gruppen basierend auf dem Migrationsverhalten in der CE und dem Retentionsverhalten in der HPLC, die Produktstabilität, sowie die Mechanismen elektrochemischer Reaktionen über die Identifikation von Produkten. Der Einsatz einfach anwendbarer und durch die leichte Austauschbarkeit quasi wartungsfreier Elektrodenmaterialien sowie die schnellen Analysezeiten machen diesen Ansatz für Hochdurchsatzanwendungen interessant. So könnte die EC-MS Methodik für den Einsatz in der medizinischen oder pharmazeutischen Industrie zunehmend Aufmerksamkeit erlangen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 16:19
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