Analyse mikrobiologischer Proben auf Basis der Ionenmobilitätsspektrometrie
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Date
2021
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Instrumentelle Entwicklungen und exemplarische Anwendungen
Abstract
Die vorliegende Dissertation konzentriert sich zum einen auf experimentelle Anwendungen der
Ionenmobilitätsspektrometrie im Bereich der Mikrobiologie und zum anderen auf gezielte
instrumentelle Entwicklungen, um die Akzeptanz der Methode zu verbessern. Zunächst konnte gezeigt
werden, dass durch Headspace-Analysen unterschiedlicher Bakterienkulturen die Identifizierung
verschiedener Spezies und die Überwachung deren bakteriellen Wachstums möglich war. Aufbauend
auf diese Arbeiten wurde als neue Ionisierungsmethode das Flexible Microtube Plasma vorgestellt, um
damit die üblichen radioaktiven β-Strahlungsquellen mit ihren regulatorischen Einschränkungen zu
ersetzen. Nach gezielten Optimierungsschritten konnte Helium durch Stickstoff als Arbeitsgas ersetzt
werden ohne Sensitivität einzubüßen. Hierzu wurde unter anderem eine Ionisierungskammer mittels
3D-Druck gefertigt. Darauf aufbauend wurde im Folgenden erstmals ein vollständig, mittels 3D-Druck
Verfahren gefertigtes Ionenmobilitätsspektrometer vorgestellt und dessen Performance mit einer
Referenz aus PTFE verglichen. Veränderte Materialeigenschaften machten es zunächst notwendig
weitere Designoptimierungen durchzuführen. Letztendlich wurde das optimierte, vollständig 3D gedruckte Ionenmobilitätsspektrometer der Referenz qualitativ angeglichen. Somit konnte gezeigt
werden, dass sich der 3D-Druck als alternatives Herstellungsverfahren für
Ionenmobilitätsspektrometer eignet. Für die Analyse flüssiger Proben wurde abschließend ein
miniaturisierter Thermodesorptionschip vorgestellt. Dieser Chip ermöglichte erstmals in Kombination
mit dem Flexible Microtube Plasma nicht-flüchtige Stoffe, wie den Autoinducer N-hexanoyl-L Homoserinlacton, direkt aus einer Lösung heraus zu adsorbieren, anschließend zu thermodesorbieren
und mittels Ionenmobilitätsspektrometer nachzuweisen.
The present thesis focuses on experimental applications of ion mobility spectrometry in the field of microbiology on one hand and on targeted instrumental developments to improve the acceptance of the method on the other. It could be demonstrated that headspace analyses of different bacterial cultures allow early recognition of bacterial growth and rapid pathogen identification. Based on this, a new ionization method, namely the Flexible Microtube Plasma, was presented to replace the commonly used radioactive β-radiation sources with their regulatory restrictions. After targeted optimization steps, helium as working gas could be replaced by nitrogen without losing sensitivity. For this purpose, an ionization chamber was manufactured using 3D-printing. Furthermore, a completely 3D-printed ion mobility spectrometer was presented for the first time and its performance was compared with a reference made of PTFE. Modified material properties made it necessary to optimize the initial design. Overall, comparable analytical response and general performance of the commonly fabricated ion mobility spectrometer was achieved by the completely 3D-printed one. This demonstrates, that 3D printing is a suitable alternative for manufacturing ion mobility spectrometers. Finally, a miniaturized thermal desorption chip was applied for the analysis of liquid samples. For the first time a combination of thermal desorption chip, a Flexible Microtube Plasma and ion mobility spectrometer allowed the adsorption, thermal desorption and detection of non-volatile substances, such as the autoinducer N-hexanoyl-L-homoserine lactone.
The present thesis focuses on experimental applications of ion mobility spectrometry in the field of microbiology on one hand and on targeted instrumental developments to improve the acceptance of the method on the other. It could be demonstrated that headspace analyses of different bacterial cultures allow early recognition of bacterial growth and rapid pathogen identification. Based on this, a new ionization method, namely the Flexible Microtube Plasma, was presented to replace the commonly used radioactive β-radiation sources with their regulatory restrictions. After targeted optimization steps, helium as working gas could be replaced by nitrogen without losing sensitivity. For this purpose, an ionization chamber was manufactured using 3D-printing. Furthermore, a completely 3D-printed ion mobility spectrometer was presented for the first time and its performance was compared with a reference made of PTFE. Modified material properties made it necessary to optimize the initial design. Overall, comparable analytical response and general performance of the commonly fabricated ion mobility spectrometer was achieved by the completely 3D-printed one. This demonstrates, that 3D printing is a suitable alternative for manufacturing ion mobility spectrometers. Finally, a miniaturized thermal desorption chip was applied for the analysis of liquid samples. For the first time a combination of thermal desorption chip, a Flexible Microtube Plasma and ion mobility spectrometer allowed the adsorption, thermal desorption and detection of non-volatile substances, such as the autoinducer N-hexanoyl-L-homoserine lactone.
Description
Table of contents
Keywords
Ionenmobilitätsspektrometrie, Mikrobiologie, Sepsis, mVOCs, 3D-Druck, Ionisierungsquellen
Subjects based on RSWK
Mikrobiologie, Ionenmobilitätsspektrometrie