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

Abstract

Die Komplexität der mittels Ionenmobilitätsspektrometern in Kopplung mit Multi- Kapillarsäulen analysierten Proben hat sich seit Beginn des 21. Jahrhunderts enorm erhöht. Trotz der zahlreichen Vorteile der Methode, wie die schnelle Trennung, die hohe Auflösung, die Empfindlichkeit im Femtomol-Bereich u.v.m., steht die MCC-IMS zwei grundlegenden Problemen gegenüber: zum einen der erforderlichen Identifikation eines detektierten Analyten aus dem gemessenen Chromatogramm und zum anderen der Clusterbildung, wie sie bei der Analyse derartiger Proben auftritt. Erstmalig wurde in dieser Arbeit ein linearer Zusammenhang zwischen der inversen reduzierten Ionemobilität und der Anzahl der Kohlenstoffatome innerhalb einer homologen Reihe von Substanzen gezeigt und schließlich zur Vorhersage der reduzierten Ionenmobilität anderer Substanzen aus der gleichen Reihe genutzt. Die empirische Prognose, welche mit 18 aliphatischen Komponenten durchgeführt und mittels MCCIMS Messungen validiert wurde, zeichnet sich durch eine sehr hohe Genauigkeit von über 99,5 % aus. Diese innovative Technik reduziert den Aufwand für zeitraubende und kostenintensive Referenzmessungen mittels anderer Methoden, wie der Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie, die derzeit verwendet wird um unbekannte Signale im IMS Chromatogramm zu identifizieren, signifikant. Die aus der empirischen Vorhersage entwickelten Regressionsgleichungen wurden anschließend generalisiert in eine einzige Gleichung für die reduzierte Ionenmobilität, die dann mit der herkömmlichen Mason-Schamp-Gleichung verglichen wurde. Dabei zeigten sich Unstimmigkeiten in dieser 30 Jahre alten Gleichung. Um diese aufzulösen wurde der den Stoßquerschnitt beschreibende Term in zwei unterschiedliche, dieMassenund die Radikalabhängigkeit beschreibende Terme, aufgespalten. Die derart modifizierte Mason-Schamp-Gleichung beschreibt nun die in der Driftstrecke stattfindenden Stöße 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 Auflösung der mittels IMS detektierten Signale um bis zu 40 % gesteigert werden. Zudem konnte die Clusterbildung in der Driftstrecke, beispielsweise bei medizinisch relevanten Substanzen, weitgehend vermieden werden. Dieses moderne Design erleichtert die maßgeschneiderte Anpassung von IMS-Systemen an die jeweilige individuelle Anwendung. Dies wird noch dadurch verstärkt, dass neben einer Variation der Länge der Driftstrecke auch die Driftspannung innerhalb eines sehr großen Bereichs eingestellt werden kann, was neue Forschungsoptionen bezüglich der Bewegung von Ionen im elektrischen Feld erschließt.