Implementation of multi capillary column ion mobility spectrometry (MCC-IMS) for medical and biological applications

摘要

Die Komplexität der mittels Ionenmobilitätsspektrometern in Kopplung mit Multi-Kapillarsäulen analysierten Proben hat sich seit Beginn des 21. Jahrhunderts enormerhöht. Trotz der zahlreichen Vorteile der Methode, wie die schnelle Trennung, diehohe Auflösung, die Empfindlichkeit im Femtomol-Bereich u.v.m., steht die MCC-IMSzwei grundlegenden Problemen gegenüber: zum einen der erforderlichen Identifikationeines detektierten Analyten aus dem gemessenen Chromatogramm und zum anderender Clusterbildung, wie sie bei der Analyse derartiger Proben auftritt.Erstmalig wurde in dieser Arbeit ein linearer Zusammenhang zwischen der inversenreduzierten Ionemobilität und der Anzahl der Kohlenstoffatome innerhalb einer homologenReihe von Substanzen gezeigt und schließlich zur Vorhersage der reduziertenIonenmobilität anderer Substanzen aus der gleichen Reihe genutzt. Die empirischePrognose, welche mit 18 aliphatischen Komponenten durchgeführt und mittels MCCIMSMessungen validiert wurde, zeichnet sich durch eine sehr hohe Genauigkeit vonüber 99,5 % aus. Diese innovative Technik reduziert den Aufwand für zeitraubendeund kostenintensive Referenzmessungen mittels anderer Methoden, wie der Gaschromatographiegekoppelt mit Massenspektrometrie, die derzeit verwendet wird um unbekannteSignale im IMS Chromatogramm zu identifizieren, signifikant.Die aus der empirischen Vorhersage entwickelten Regressionsgleichungen wurdenanschließend generalisiert in eine einzige Gleichung für die reduzierte Ionenmobilität,die dann mit der herkömmlichen Mason-Schamp-Gleichung verglichen wurde. Dabeizeigten sich Unstimmigkeiten in dieser 30 Jahre alten Gleichung. Um diese aufzulösenwurde der den Stoßquerschnitt beschreibende Term in zwei unterschiedliche, dieMassenunddie Radikalabhängigkeit beschreibende Terme, aufgespalten. Die derart modifizierteMason-Schamp-Gleichung beschreibt nun die in der Driftstrecke stattfindendenStöße zwischen geladenen und ungeladenen Molekülen vollständig.Im abschließenden Kapitel dieser Studie wird eine neuartige Driftstrecke vorgestellt,deren modularer Aufbau eine Variation der Länge erlaubt. Damit konnte die Auflösungder mittels IMS detektierten Signale um bis zu 40 % gesteigert werden. Zudem konntedie Clusterbildung in der Driftstrecke, beispielsweise bei medizinisch relevantenSubstanzen, weitgehend vermieden werden. Dieses moderne Design erleichtert diemaßgeschneiderte Anpassung von IMS-Systemen an die jeweilige individuelle Anwendung.Dies wird noch dadurch verstärkt, dass neben einer Variation der Länge derDriftstrecke auch die Driftspannung innerhalb eines sehr großen Bereichs eingestelltwerden kann, was neue Forschungsoptionen bezüglich der Bewegung von Ionen imelektrischen Feld erschließt.