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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-541365
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.54136
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 3 Mai 2024 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Frank-Michael Matysik |
| Tag der Prüfung: | 21 April 2023 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik) |
| Stichwörter / Keywords: | Amperometrie, Massenspektrometrie, Dualdetektion, Kapillarelektrophorese |
| 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: | 54136 |
Zusammenfassung (Englisch)
In this thesis, a novel DDC for CE consisting of an AD and a MS was developed. The presented DDC has an excellent complementarity because it combines the sensitivity of AD and the selectivity of MS in one method. Due to the destructive detection principle of both detectors (AD and MS), their serial arrangement was impossible. Therefore, the CE stream was divided into two parts utilizing a FS. ...
Zusammenfassung (Englisch)
In this thesis, a novel DDC for CE consisting of an AD and a MS was developed. The presented DDC has an excellent complementarity because it combines the sensitivity of AD and the selectivity of MS in one method. Due to the destructive detection principle of both detectors (AD and MS), their serial arrangement was impossible. Therefore, the CE stream was divided into two parts utilizing a FS. This allowed the parallel positioning of the detectors. A model system consisting of an ACN-based BGE and different ferrocene derivatives was used for the whole project.
The development of the DDC was divided into three subprojects:
• Coupling of capillaries with various IDs
• Comparison of different FSs
• Characterization of the DDC and its practical application
For the realization of the new DDC, three capillaries had to be combined without dead volume. Since this is very complex, the linear coupling of two capillaries was investigated in the first subproject. A total of nine capillary combinations with partly different IDs (25, 50, and 75 µm) were tested. A commercially available capillary connector was used, whereby the injection and detection were performed at different sides of the capillary connector. Within this work, differences between non fragmented and fragmented capillaries were predominately examined. With CFIA-C4D, it could be shown that a flow resistance arose when two capillaries with identical ID were coupled. The flow resistance was particularly distinct for capillary combinations going from a larger to a smaller ID. The same effect was found with CE-UV. The migration behavior of the EOF marker was more affected by the coupling than the migration of the cationic species. It was concluded that this effect resulted from a mechanical resistance at the connection site. Furthermore, the peaks were compressed at the transition from a smaller to a larger ID, resulting in increased TPNs. The peak compression was visualized with a dye solution and a transparent capillary connector. For the capillary combination 25+50 µm, the signal intensity at the UV doubled due to the larger ID (doubled optical path length). In addition to the first experiences for the coupling of capillaries in the DDC, the linear coupling of capillaries had another advantage. It is often difficult to choose the best suitable capillary ID because injection, separation, and detection could have different requirements. Due to the approach with the capillary connector, it was possible to select the best suitable ID for each application individually.
In the second subproject, the continuous flow splitting, which was required for the technical implementation of the DDC, was investigated. For this purpose, two FSs with different geometry (T- and Y-shaped) were compared. Both FSs were commercially available, user-friendly, resistant to ACN, and had a dead volume of just a few nL. The split ratio was approximately 50% for both FSs, whereby the reproducibility was slightly better for FSY. The split ratios were determined by CE-UV. By placing a C4D directly in front of and behind the FS, it could be shown that there was no significant peak broadening due to the flow splitting. Additionally, the LODs in front of and behind the FS were identical. Therefore, the flow splitting was considered as almost dead volume free. Contrary to expectations, the geometry of the FS had no measurable influence on flow splitting. A capillary with an ID of 75 µm instead of 50 µm at the injection side (in front of the FS) achieved a higher sample loading of the capillary by similar sample zone lengths. This is especially interesting for trace analysis. In summary, it could be shown that flow splitting using commercially available FSs was a suitable method for establishing a DDC consisting of two destructive detectors.
In the third subproject, the final DDC (CE-AD/MS) was characterized using the two model substances, [FcMTMA]+ and FcMeOH. The model substances could be detected at both detectors (AD and MS). By a simple adjustment of the height difference between AD and MS, it was possible to synchronize the migration times. This was an advantage over traditional DDCs with serial detector arrangement, where usually a time offset between the detectors occurs. Reproducibility measurements demonstrated that the RSDs for the peak area and peak height were approximately 1% for the AD. In comparison, the RSDs for both parameters were about 10% for MS. The LODs were up to three orders of magnitude lower for AD than for MS. The better reproducibility and lower LODs illustrated that the AD was much better suited for quantification than the MS. However, in contrast to AD it was possible to identify the substances with MS. There was no loss of detection power due to flow splitting as the LODs for the DDC were identical to the detectors coupled to CE individually. The practicability of the new dual detection method was demonstrated by determining the doping agent trimetazidine.
Overall, a new DDC for CE with a unique, parallel detector positioning was developed. Due to the excellent complementarity, the weaknesses of the MS could be compensated by the strengths of AD and vice versa. The new DDC is particularly interesting for pharmacy, environmental analysis, or medicine, as it can be used to quantify (AD) and identify (MS) minimal amounts of analytes simultaneously. In addition, complex sample mixtures can be separated by CE. The approach of continuous flow splitting using a FS could be also used to establish other dual detection concepts or for more sophisticated applications in CE.
Parallel to the development of the DDC, a user-friendly, miniaturized CE system was developed. Due to a compact design and several capillary passages, the CE device could be connected to different detectors. It had a novel capillary positioning system that allowed the variable positioning of the capillary at the injection side. Injections could be carried out from sealed vials with micro inserts, which enabled the handling of very small sample volumes. Due to its flexibility, the new system is particularly interesting for research institutions.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen der Promotion wurde ein neues DDC bestehend aus einem AD und einem MS für die CE entwickelt. Dieses DDC hat eine hervorragende Komplementarität, da es die Sensitivität des AD und die Selektivität des MS in einer Methode vereint. Aufgrund des destruktiven Detektionsprinzips der beiden Detektoren war deren serielle Anordnung nicht möglich, weswegen der Fluss der Kapillarelektrophorese ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen der Promotion wurde ein neues DDC bestehend aus einem AD und einem MS für die CE entwickelt. Dieses DDC hat eine hervorragende Komplementarität, da es die Sensitivität des AD und die Selektivität des MS in einer Methode vereint. Aufgrund des destruktiven Detektionsprinzips der beiden Detektoren war deren serielle Anordnung nicht möglich, weswegen der Fluss der Kapillarelektrophorese mittels eines FS geteilt werden musste. Für das gesamte Projekt wurde ein Modellsystem bestehend aus einem ACN basierten BGE und verschiedenen Ferrocen-Derivaten verwendet.
Die Entwicklung des DDC wurde in drei Teilprojekte unterteilt:
• Kopplung von Kapillaren mit verschiedenen IDs
• Vergleich verschiedener FSs
• Charakterisierung des DDC und dessen praktische Anwendung
Für die Realisierung des neuen DDC mussten drei Kapillaren totvolumenfrei gekoppelt werden. Aufgrund der Komplexität wurde in einem ersten Teilprojekt die lineare Kopplung von zwei Kapillaren betrachtet. Hierbei wurden im Speziellen die Unterschiede zwischen durchgehenden und gekoppelten Kapillaren untersucht. Für die Untersuchung wurden neun Kapillar-Kombinationen mit teils unterschiedlichen IDs (25, 50 und 75 µm) betrachtet. Für die Kopplung wurde ein kommerziell erhältlicher Kapillarverbinder verwendet, wobei Injektion und Detektion an unterschiedlichen Seiten des Kapillarverbinders stattfanden. Mittels CFIA-C4D konnte gezeigt werden, dass bei der Kopplung von zwei Kapillaren mit identischem ID ein Fließwiderstand entsteht. Dieser Fließwiderstand war besonders ausgeprägt beim Übergang von einem größeren auf einen kleineren ID. Der gleiche Effekt konnte mittels CE-UV nachgewiesen werden. Das Migrationsverhalten des EOF Markers wurde dabei wesentlich stärker beeinträchtigt als das des Kations. Es wurde geschlussfolgert, dass dieser Effekt aus einer mechanischen Hinderung an der Verbindungsstelle resultiert. Im Gegensatz dazu trat bei Übergang von einem kleineren auf einen größeren ID eine Kompression der Peaks auf, welche mittels einer Farbstofflösung visualisiert wurde und zu einer Erhöhung der TPN führte. Ebenfalls kam es beim Übergang von einer 25 µm auf eine 50 µm Kapillare zu einer Verdopplung des Signalintensität am UV-Detektor aufgrund des größeren ID. In diesem Teilprojekt konnten erste Erkenntnisse für das DDC gewonnen werden. Darüber hinaus wurde ein weiterer Anwendungsbereich für die Kapillarverbinder gefunden. Häufig ist es schwierig, den richtigen ID zu wählen, da Injektion, Trennung und Detektion unterschiedliche Anforderungen an den ID haben. Durch den Ansatz mit den Kapillarverbindern war es möglich, den jeweils passenden ID zu wählen.
Im zweiten Teilprojekt wurde die kontinuierliche Flusssplittung, welche für die technische Umsetzung des DDC benötigt wurde, untersucht. Hierzu wurden zwei FSs mit unterschiedlicher Geometrie (T- und Y-förmig) verglichen. Beide FSs waren kommerziell erhältlich, sehr einfach in der Handhabung, beständig gegenüber ACN und hatten ein sehr geringes Totvolumen von nur wenigen nL. Mittels CE-UV wurde das Split-Verhältnis bestimmt. Dieses betrug für beide FSs annähernd 50%, wobei die Reproduzierbarkeit für FSY etwas besser war. Durch die Platzierung eines C4D unmittelbar vor und nach dem FS konnte gezeigt werden, dass es aufgrund der Flusssplittung zu keiner signifikanten Bandenverbreitung kam. Auch die LODs vor und nach dem FS waren identisch, weswegen die Flusssplittung als nahezu totvolumenfrei bezeichnet wurde. Entgegen den Erwartungen hatte die Geometrie des FS keinen nachweisbaren Einfluss auf die Flusssplittung. Durch die Verwendung einer Kapillare mit einem ID von 75 µm anstelle von 50 µm auf der Injektionsseite (vor dem FS) konnte bei gleicher Probenzonenlänge eine höhere Beladung der Kapillare erreicht werden. Zusammengefasst konnte im zweiten Teilprojekt gezeigt werden, dass die Flusssplittung mittels kommerziell erhältlicher FS für die Etablierung eines DDCs bestehend aus zwei destruktiven Detektoren geeignet ist.
Im dritten Teilprojekt wurde das finale DDC (CE-AD/MS) mittels zweier Modelsubstanzen ([FcMTMA]+ und FcMeOH) charakterisiert. Die Modellsubstanzen konnten an beiden Detektoren (AD und MS) detektiert werden. Durch eine Absenkung des AD gegenüber des MS war es möglich, die Migrationszeiten auf einfache Weise zu synchronisieren. Dies war ein Vorteil gegenüber den etablierten DDC mit serieller Detektoranordnung, wo zwangsläufig ein Zeitversatz zwischen den Detektoren auftritt. Aus Reproduzierbarkeitsmessungen ging hervor, dass die RSD für die Peakfläche und Peakhöhe für den AD ungefähr 1% betrug, wohingegen die RSD für das MS bei circa 10% lag. Die LODs waren für den AD um bis zu drei Größenordnungen geringer als für das MS. Die bessere Reproduzierbarkeit und die niedrigeren Nachweisgrenzen zeigten, dass der AD wesentlich besser für die Quantifizierung geeignet war als das MS. Mit dem MS war es im Gegensatz zum AD allerdings möglich, die Substanzen zu identifizieren. Aufgrund der Flusssplittung kam es zu keinem Verlust der Nachweisstärke, da die LODs für das DDC und die einzeln mittels CE gekoppelten Detektoren identisch waren. Die Praxistauglichkeit der neuen Dualdetektionsmethode wurde durch die Bestimmung des Dopingmittels Trimetazidin gezeigt.
Zusammengefasst konnte im Rahmen der Promotion eine neue Dualdetektionsmethode für die CE mit einer bisher einmaligen, parallelen Anordnung der Detektoren entwickelt werden. Aufgrund der hervorragenden Komplementarität konnten die Schwächen des einen Detektors durch die Stärken des anderen Detektors ausgeglichen werden. Das neue DDC ist besonders für die Pharmazie, Umweltanalytik oder Medizin interessant, da mit ihm sehr geringe Analytmengen hochpräzise quantifiziert (AD) und gleichzeitig identifiziert (MS) werden können. Zudem können durch die vorgeschaltete CE komplexe Probengemische getrennt werden. Der Ansatz der kontinuierlichen Flusssplittung mittels eines FS kann auch für die Etablierung weiterer DDCs oder für andere Anwendungen in der CE verwendet werden.
Parallel zur Entwicklung des DDCs wurde ein benutzerfreundliches, miniaturisiertes Kapillarelektrophorese-System entwickelt, welches ein neuartiges Kapillarpositionierungssystem besitzt. Aufgrund der kompakten Bauweise und den zahlreichen Kapillarausgängen war es möglich das CE System mit den unterschiedlichsten Detektoren zu koppeln. Durch die variable Positionierung der Kapillare konnten Injektionen aus verschlossenen Injektionsgefäßen mit Mikroeinsätzen durchgeführt werden, was die Handhabung kleiner Probenmengen ermöglichte. Das neue System ist aufgrund seiner Flexibilität besonders für Forschungseinrichtungen interessant.
Metadaten zuletzt geändert: 03 Mai 2024 05:23
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