New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

Advanced schemes for surface plasmon resonance and plasmon-enhanced fluorescence biosensors

Advanced optical biosensor platforms exploiting long range surface plasmons (LRSPs) and responsive N-isopropylacrylamide (NIPAAm) hydrogel binding matrix for the detection of protein and bacterial pathogen analytes were carried out. LRSPs are optical waves that originate from coupling of surface plasmons on the opposite sites of a thin metallic film embedded between two dielectrics with similar refractive indices. LRSPs exhibit orders of magnitude lower damping and more extended profile of field compared to regular surface plasmons (SPs). Their excitation is accompanied with narrow resonance and provides stronger enhancement of electromagnetic field intensity that can advance the sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) and surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) biosensors. Firstly, we investigated thin gold layers deposited on fluoropolymer surface for the excitation of LRSPs. The study indicates that the morphological, optical and electrical properties of gold film can be changed by the surface energy of fluoropolymer and affect the performance of a SPFS biosensor. A photo-crosslinkable NIPAAm hydrogel was grafted to the sensor surface in order to serve as a binding matrix. It was modified with bio-recognition elements (BREs) via amine coupling chemistry and offered the advantage of large binding capacity, stimuli responsive properties and good biocompatibility. Through experimental observations supported by numerical simulations describing diffusion mass transfer and affinity binding of target molecules in the hydrogel, the hydrogel binding matrix thickness, concentration of BREs and the profile of the probing evanescent field was optimized. Hydrogel with a up to micrometer thickness was shown to support additional hydrogel optical waveguide (HOW) mode which was employed for probing affinity binding events in the gel by means of refractometric and fluorescence measurements. These schemes allow to reach limits of detection (LODs) at picomolar and femtomolar levels, respectively. Besides hydrogel based experiments for detection of molecular analytes, long range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was employed for detection of bacterial pathogens. The influence of capture efficiency of bacteria on surfaces and the profile of the probing field on sensor response were investigated. The potential of LRSP-FS with extended evanescent field is demonstrated for detection of pathogenic E. coli O157:H7 on sandwich immunoassays . LOD as low as 6 cfu mL-1 with a detection time of 40 minutes was achieved.rn

Entwicklung einer Thermodesorptionseinheit für die GC/MS zur Bestimmung hochreaktiver, biogener Kohlenwasserstoffe und deren Anwendung im Rahmen von Labor- und Feldstudien

Flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs), besonders rnTerpene, gelten als Vorläufer des sekundären organischen Aerosols (secondary rnorganic aerosols, SOA). Terpene werden von Pflanzen zur Abwehr oder zur rnAttraktion von Bestäubern emittiert. Ungesättigten Verbindungen, wie Sesquiterpene, rnsind sehr ozonolyseempfindlich und weisen nur geringe Konzentrationen in der rnAtmosphäre auf. Zudem lassen sie sich mit handelsüblichen rnThermodesorptionseinheiten meist nicht ohne Artefakte nachweisen, da sie eine hohe rnReaktivität mit vielen Oberflächen zeigen. rnDiese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der qualitativen und rn(semi)quantitativen Auswertungen flüchtiger organischer Verbindungen in rnLaborstudien und biogenen Emissionsproben (Feldmessungen) mittels rnThermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC/MS). Speziell rnzur Analyse hochreaktiver Verbindungen wurde eine Thermodesorptionseinheit für die rnGC/MS entwickelt. Diese besteht aus einer Kryofokussierung, einem Desorptionsofen rnund einer Heizung. Die Steuerung erfolgt über eine eigens dafür geschaffene rnBedienoberf läche von Labview® an einem PC über eine nachgeschaltete SPS rn(speicherprogrammierbare Steuerung). Das komplette Desorptionsprogramm und der rnStart der GC/MS-Analyse wurden automatisiert. rnDie Quantifizierung alle Proben wurde über Diffusionsquellen und rnVergleichsmessungen durch auf Adsorptionsröhrchen aufgebrachte rnVerdünnungsreihen realisiert. Um Informationen über die mutmaßlichen Vorläufer des rnsekundären organischen Aerosols zu erhalten, wurde zudem eine Ozon-Scrubber-rnMethode basierend auf Propen entwickelt. Diese wurde anhand von Standards in einer rnReaktionskammer getestet und in Feldmessungen erfolgreich angewendet. rnQuantitative Analysen zeigen, dass die meisten Terpene so vollständig vor der rnOzonolyse bewahrt werden können. Für hochreaktive Analyte wie α-Humulen oder rnβ-Caryophyllen wurden Wiederfindungsraten von über 80 % erreicht. So konnte die rnTemperaturabhängigkeit der Terpen-Emissionen der Fichte (Picea abies) in rnFeldmessungen nachgewiesen werden. rnEine weitere Anwendungsmöglichkeit wurde mit der Unterscheidung verschiedener rnArten der gleichen Gattung anhand der Emissionsmuster und der möglichen rnAbgrenzung verschiedener Bestäubertypen am Beispiel der Gattung Salvia untersucht. rnDie Emissionsanalysen zeigen, dass eine Zuordnung der Verwandtschaftsverhältnisse rnzusätzlich zu anderen Vergleichen möglich ist. Das gleiche gilt für die Differenzierung rnvon Bestäubertypen. Die Ergebnisse der Feldmessungen wurden durch rnMethodenvergleich zwischen biogenen Emissionsmessungen mit anschließender rnTD-GC/MS-Analyse und Extraktionen der jeweiligen Blüten/Blätter mit rnanschließender GC/MS-Messung bestätigt.

Characterization of optical transduction-based molecular systems and nanoparticles for the development of chemical sensors

With the increasing importance that nanotechnologies have in everyday life, it is not difficult to realize that also a single molecule, if properly designed, can be a device able to perform useful functions: such a chemical species is called chemosensor, that is a molecule of abiotic origin that signals the presence of matter or energy. Signal transduction is the mechanism by which an interaction of a sensor with an analyte yields a measurable form of energy. When dealing with the design of a chemosensor, we need to take into account a “communication requirement” between its three component: the receptor unit, responsible for the selective analyte binding, the spacer, which controls the geometry of the system and modulates the electronic interaction between the receptor and the signalling unit, whose physico-chemical properties change upon complexation. A luminescent chemosensor communicates a variation of the physico-chemical properties of the receptor unit with a luminescence output signal. This thesis work consists in the characterization of new molecular and nanoparticle-based system which can be used as sensitive materials for the construction of new optical transduction devices able to provide information about the concentration of analytes in solution. In particular two direction were taken. The first is to continue in the development of new chemosensors, that is the first step for the construction of reliable and efficient devices, and in particular the work will be focused on chemosensors for metal ions for biomedical and environmental applications. The second is to study more efficient and complex organized systems, such as derivatized silica nanoparticles. These system can potentially have higher sensitivity than molecular systems, and present many advantages, like the possibility to be ratiometric, higher Stokes shifts and lower signal-to-noise ratio.

Messa a punto e validazione di metodiche analitiche per la determinazione di micotossine in matrici biologiche mediante UPLC-MS/MS

La presenza di micotossine nelle materie prime desta grande preoccupazione a causa delle importanti implicazioni nella sicurezza di alimenti e mangimi. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di mettere a punto e validare una metodica analitica rapida e semplice, in cromatografia liquida ad ultra prestazione accoppiata a spettrometria di massa-tandem (UPLC-MS/MS), per la determinazione simultanea di differenti micotossine: aflatossine (B1, B2, G1, G2), ocratossina A, fumonisine (B1, B2), deossinivalenolo e zearalenone in matrici biologiche. Il metodo sviluppato per l’analisi di campioni di mangime secco per cani ha mostrato prestazioni adeguate ed è stato applicato a 49 campioni reperibili in commercio, al fine di valutare la sua efficacia e di ottenere alcuni dati preliminari sulla contaminazione da micotossine in alimenti per cani disponibili sul mercato italiano. Lo studio ha evidenziato una percentuale alta di campioni positivi, contenenti principalmente fumonisine, deossinivalenolo e ocratossina A; tutti i tenori si sono dimostrati inferiori al limite di legge previsto (Racc. CE 576/2006). Una seconda metodica è stata messa a punto e validata per l’identificazione e la quantificazione micotossine in campioni di formaggio; per questa matrice è stata inserita anche l’aflatossina M1, specifica dei prodotti lattiero - caseari. Le differenti proprietà chimico-fisiche degli analiti e la complessità della matrice hanno implicato alcune difficoltà nello sviluppo della metodica. Tuttavia, il metodo validato si è mostrato rapido, semplice ed affidabile ed è stato applicato a diversi tipi di formaggi per verificarne la versatilità. I risultati preliminari hanno mostrato l’assenza di contaminazione da parte delle micotossine in oggetto. Entrambi i metodi si sono dimostrati utili per il monitoraggio di contaminanti in matrici complesse ad oggi ancora poco studiate.

Fluctuation spectroscopy of single plasmonic nanostructures

Plasmonic nanoparticles are great candidates for sensing applications with optical read-out. Plasmon sensing is based on the interaction of the nanoparticle with electromagnetic waves where the particle scatters light at its resonance wavelength. This wavelength depends on several intrinsic factors like material, shape and size of the nanoparticle as well as extrinsic factors like the refractive index of the surrounding medium. The latter allows the nanoparticle to be used as a sensor; changes in the proximate environment can be directly monitored by the wavelength of the emitted light. Due to their minuscule size and high sensitivity this allows individual nanoparticles to report on changes in particle coverage.rnrnTo use this single particle plasmon sensor for future sensing applications it has to meet the demand for detection of incidents on the single molecule level, such as single molecule sensing or even the detection of conformational changes of a single molecule. Therefore, time resolution and sensitivity have to be enhanced as today’s measurement methods for signal read-out are too slow and not sensitive enough to resolve these processes. This thesis presents a new experimental setup, the 'Plasmon Fluctuation Setup', that leads to tremendous improvements in time resolution and sensitivity. This is achieved by implementation of a stronger light source and a more sensitive detector. The new setup has a time resolution in the microsecond regime, an advancement of 4-6 orders of magnitude to previous setups. Its resonance wavelength stability of 0.03 nm, measured with an exposure time of 10 ms, is an improvement of a factor of 20 even though the exposure time is 3000 times shorter than in previous reports. Thus, previously unresolvable wavelength changes of the plasmon sensor induced by minor local environmental alteration can be monitored with extremely high temporal resolution.rnrnUsing the 'Plasmon Fluctuation Setup', I can resolve adsorption events of single unlabeled proteins on an individual nanorod. Additionally, I monitored the dynamic evolution of a single protein binding event on a millisecond time scale. This feasibility is of high interest as the role of certain domains in the protein can be probed by a study of modified analytes without the need for labels possibly introducing conformational or characteristic changes to the target. The technique also resolves equilibrium fluctuations in the coverage, opening a window into observing Brownian dynamics of unlabeled macromolecules. rnrnA further topic addressed in this thesis is the usability of the nanoruler, two nanospheres connected with a spacer molecule, as a stiffness sensor for the interparticle linker under strong illumination. Here, I discover a light induced collapse of the nanoruler. Furthermore, I exploit the sensing volume of a fixed nanorod to study unlabeled analytes diffusing around the nanorod at concentrations that are too high for fluorescence correlation spectroscopy but realistic for biological systems. Additionally, local pH sensing with nanoparticles is achieved.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Surface-enhanced vibrational techniques for the detection of synthetic organic colorants

The research project object of this thesis is focused on the development of an advanced analytical system based on the combination of an improved thin layer chromatography (TLC) plate coupled with infrared (FTIR) and Raman microscopies for the detection of synthetic dyes. Indeed, the characterization of organic colorants, which are commonly present in mixtures with other components and in a very limited amount, still represents a challenging task in scientific analyses of cultural heritage materials. The approach provides selective spectral fingerprints for each compound, foreseeing the complementary information obtained by micro ATR-RAIRS-FTIR and SERS-Raman analyses, which can be performed on the same separated spot. In particular, silver iodide (AgI) applied on a gold coated slide is proposed as an efficient stationary phase for the discrimination of complex analyte mixtures, such as dyes present in samples of art-historical interest. The gold-AgI-TLC plate shows high performances related both to the chromatographic separation of analytes and to the spectroscopic detection of components. The use of a mid-IR transparent inorganic salt as the stationary phase avoids interferences of the background absorption in FTIR investigations. Moreover, by ATR microscopy measurements performed on the gold-AgI surface, a considerable enhancement in the intensity of spectra is observed. Complementary information can be obtained by Raman analyses, foreseeing a SERS activity of the AgI substrate. The method has been tested for the characterization of a mixture of three synthetic organic colorants widely used in dyeing processes: Brilliant Green (BG1), Rhodamine B (BV10) and Methylene Blue (BB9).

Development and application of mass-spectrometric methods for the quantification and characterization of organic compounds in ice cores

Eisbohrkerne stellen wertvolle Klimaarchive dar, da sie atmosphärisches Aerosol konservieren. Die Analyse chemischer Verbindungen als Bestandteil atmosphärischer Aerosole in Eisbohrkernen liefert wichtige Informationen über Umweltbedingungen und Klima der Vergangenheit. Zur Untersuchung der α-Dicarbonyle Glyoxal und Methylglyoxal in Eis- und Schneeproben wurde eine neue, sensitive Methode entwickelt, die die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit der Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS) kombiniert. Zur Analyse von Dicarbonsäuren in Eisbohrkernen wurde eine weitere Methode entwickelt, bei der die Festphasenextraktion mit starkem Anionenaustauscher zum Einsatz kommt. Die Methode erlaubt die Quantifizierung aliphatischer Dicarbonsäuren (≥ C6), einschließlich Pinsäure, sowie aromatischer Carbonsäuren (wie Phthalsäure und Vanillinsäure), wodurch die Bestimmung wichtiger Markerverbindungen für biogene und anthropogene Quellen ermöglicht wurde. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurde ein Eisbohrkern aus den Schweizer Alpen analysiert. Die ermittelten Konzentrationsverläufe der Analyten umfassen die Zeitspanne von 1942 bis 1993. Mittels einer Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, dass die organischen Verbindungen im Eis hauptsächlich durch Waldbrände und durch vom Menschen verursachte Schadstoffemissionen beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationsverläufe einiger Analyten auf den Mineralstaubtransport auf den Gletscher zurückzuführen. Zusätzlich wurde ein Screening der Eisbohrkernproben mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie durchgeführt. Zum ersten Mal wurden in diesem Rahmen auch Organosulfate und Nitrooxyorganosulfate in einem Eisbohrkern identifiziert.

Methodenentwicklung zur Spurenanalyse organischer Biomarker in Speläothemen und Tropfwasser mittels Flüssigchromatographie-(HR-)Massenspektrometrie

Speläotheme und Tropfwasser spielen eine wichtige Rolle bei der Erforschung von Naturerscheinungen. Während sich bisherige Studien größtenteils auf anorganische Proxies konzentrieren, wächst das Interesse an organischen Biomarkern, vor allem Lipidbiomarkern.rnAufgrund dessen wurde eine neue Methode entwickelt, um Fettsäuren mit einer geradzahligen Kettenlänge C12-C20 in Speläothem- und Tropfwasserproben zu bestimmen. Dabei kam eine Festphasenextraktion mit anschließender HPLC-MS Messung zum Einsatz. Die Methode wurde auf mehrere Proben aus der Herbstlabyrinth-Adventhöhle angewendet. Die benötigte Probenmenge wurde im Vergleich zu früheren Studien von etwa 4 L auf 60-100 mL bei Tropfwasser und von 10-100 g auf ca. 0,5-3,5 g bei Stalagmitproben reduziert. Es konnte eine interne Variation der Analyten festgestellt werden. Korrelationen der Fettsäuren ließen vermuten, dass C12-C18 von der gleichen Quelle stammen, während C20 teilweise andere Quellen besitzt. Korrelationen mit δ13C verdeutlichten, dass es einen Zusammenhang zwischen der Vegetationsdichte und dem Vorkommen der Fett-säuren in dem Probenmaterial gibt. Vergleiche mit Mg Konzentrationen zeigten, dass die Niederschlagsmenge zwar den Transport der Fettsäuren mit dem Tropfwasser beeinflusst, allerdings nicht ihre ermittelte Konzentration in Stalagmitproben. Die ermittelten Ergebnisse ließen darauf schließen, dass eindeutigere Vegetations-Proxies als die Fettsäuren gefunden werden müssen. Ein erstmaliges non-target screening verdeutlichte, dass Lignine und Tannine als charakteristische Biomarker eingesetzt werden können.rn

Development, characterization, and application of flowing atmospheric-pressure afterglow ionization for mass spectrometric analysis of ambient organic aerosols

Addressing current limitations of state-of-the-art instrumentation in aerosol research, the aim of this work was to explore and assess the applicability of a novel soft ionization technique, namely flowing atmospheric-pressure afterglow (FAPA), for the mass spectrometric analysis of airborne particulate organic matter. Among other soft ionization methods, the FAPA ionization technique was developed in the last decade during the advent of ambient desorption/ionization mass spectrometry (ADI–MS). Based on a helium glow discharge plasma at atmospheric-pressure, excited helium species and primary reagent ions are generated which exit the discharge region through a capillary electrode, forming the so-called afterglow region where desorption and ionization of the analytes occurs. Commonly, fragmentation of the analytes during ionization is reported to occur only to a minimum extent, predominantly resulting in the formation of quasimolecular ions, i.e. [M+H]+ and [M–H]– in the positive and the negative ion mode, respectively. Thus, identification and detection of signals and their corresponding compounds is facilitated in the acquired mass spectra. The focus of the first part of this study lies on the application, characterization and assessment of FAPA–MS in the offline mode, i.e. desorption and ionization of the analytes from surfaces. Experiments in both positive and negative ion mode revealed ionization patterns for a variety of compound classes comprising alkanes, alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, organic peroxides, and alkaloids. Besides the always emphasized detection of quasimolecular ions, a broad range of signals for adducts and losses was found. Additionally, the capabilities and limitations of the technique were studied in three proof-of-principle applications. In general, the method showed to be best suited for polar analytes with high volatilities and low molecular weights, ideally containing nitrogen- and/or oxygen functionalities. However, for compounds with low vapor pressures, containing long carbon chains and/or high molecular weights, desorption and ionization is in direct competition with oxidation of the analytes, leading to the formation of adducts and oxidation products which impede a clear signal assignment in the acquired mass spectra. Nonetheless, FAPA–MS showed to be capable of detecting and identifying common limonene oxidation products in secondary OA (SOA) particles on a filter sample and, thus, is considered a suitable method for offline analysis of OA particles. In the second as well as the subsequent parts, FAPA–MS was applied online, i.e. for real time analysis of OA particles suspended in air. Therefore, the acronym AeroFAPA–MS (i.e. Aerosol FAPA–MS) was chosen to refer to this method. After optimization and characterization, the method was used to measure a range of model compounds and to evaluate typical ionization patterns in the positive and the negative ion mode. In addition, results from laboratory studies as well as from a field campaign in Central Europe (F–BEACh 2014) are presented and discussed. During the F–BEACh campaign AeroFAPA–MS was used in combination with complementary MS techniques, giving a comprehensive characterization of the sampled OA particles. For example, several common SOA marker compounds were identified in real time by MSn experiments, indicating that photochemically aged SOA particles were present during the campaign period. Moreover, AeroFAPA–MS was capable of detecting highly oxidized sulfur-containing compounds in the particle phase, presenting the first real-time measurements of this compound class. Further comparisons with data from other aerosol and gas-phase measurements suggest that both particulate sulfate as well as highly oxidized peroxyradicals in the gas phase might play a role during formation of these species. Besides applying AeroFAPA–MS for the analysis of aerosol particles, desorption processes of particles in the afterglow region were investigated in order to gain a more detailed understanding of the method. While during the previous measurements aerosol particles were pre-evaporated prior to AeroFAPA–MS analysis, in this part no external heat source was applied. Particle size distribution measurements before and after the AeroFAPA source revealed that only an interfacial layer of OA particles is desorbed and, thus, chemically characterized. For particles with initial diameters of 112 nm, desorption radii of 2.5–36.6 nm were found at discharge currents of 15–55 mA from these measurements. In addition, the method was applied for the analysis of laboratory-generated core-shell particles in a proof-of-principle study. As expected, predominantly compounds residing in the shell of the particles were desorbed and ionized with increasing probing depths, suggesting that AeroFAPA–MS might represent a promising technique for depth profiling of OA particles in future studies.

Entwicklung eines Screeningverfahrens zum simultanen Nachweis von Opioiden in menschlichen Körperflüssigkeiten, Geweben und Haaren für forensisch-toxikologische und klinische Untersuchungen

In den letzten Jahren stieg in Deutschland der Gebrauch bzw. Missbrauch von Opioid-Analgetika zunehmend an. Das entwickelte Verfahren sollte unter Einbeziehung neuer Substanzen möglichst viele verschiedene Opioide und auch ihre pharmakologisch aktiven Stoffwechselprodukte berücksichtigen.rnVor Analyse wurden Blut-, Serum- oder Urinproben mit Phosphatpuffer versetzt und mittels Festphasenextraktion an C18-Säulenmaterial aufgearbeitet. Post-Mortem-Gewebematerial wurde mit isotonischer Kochsalzlösung versetzt, homogenisiert und anschließend durch eine Festphasenextraktion aufgereinigt. Haarproben wurden nach Zerkleinerung mit Methanol unter Ultrabeschallung extrahiert. Die Flüssigchromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (Elektrosprayionisation im positiven Modus) erwies sich als geeignetes Verfahren für die simultane Bestimmung der Opioide in biologischem Probenmaterial (Körperflüssigkeiten, Gewebe und Haaren). Der Multi-Analyt Assay erlaubt die quantitative Analyse von 35 verschiedenen Opioiden. Die Analyten wurden durch eine Phenyl-Hexyl Säule und einen Wasser/Acetonitril Gradienten durch eine UPLC 1290 Infinity gekoppelt mit einem 6490 Triple Quadrupol von Agilent Technologies separiert.rnDie LC/MS Methode zur simultanen Bestimmung von 35 Opioiden in Serum und Haaren wurde nach den Richtlinien der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie (GTFCh) validiert. Im Fall der Serumvalidierung lagen die Nachweisgrenzen zwischen 0.02 und 0.6 ng/ml und die Bestimmungsgrenzen im Bereich von 0.1 bis 2.0 ng/ml. Die Kalibrationskurven waren für die Kalibrationslevel 1 bis 6 linear. Wiederfindungsraten lagen für alle Verbindungen zwischen 51 und 88 %, außer für Alfentanil, Bisnortiliidn, Pethidin und Morphin-3-Glucuronid. Der Matrixeffekt lag zwischen 86 % (Ethylmorphin) und 105 % (Desomorphin). Für fast alle Analyten konnten akzeptable Werte bei der Bestimmung der Genauigkeit und Richtigkeit nach den Richtlinien der GTFCh erhalten werden. Im Fall der Validierung der Haarproben lagen die Nachweisgrenzen zwischen 0.004 und 0.6 ng/Probe und die Bestimmungsgrenzen zwischen 0.1 ng/Probe und 2.0 ng/Probe. Für die Kalibrationslevel 1 bis 6 waren alle Kalibrationsgeraden linear. Die Wiederfindungsraten lagen für die Opioide im Bereich von 73.5 % (Morphin-6-Glucuronid) und 114.1 % (Hydrocodon). Die Werte für die Bestimmung der Richtigkeit lagen zwischen - 6.6 % (Methadon) und + 11.7 % (Pholcodin). Präzisionsdaten wurden zwischen 1.0 % für Dextromethorphan und 11.5 % für Methadon ermittelt. Die Kriterien der GTFCh konnten bei Ermittlung des Matrixeffekts für alle Substanzen erfüllt werden, außer für 6-Monoacetylmorphin, Bisnortilidin, Meperidin, Methadon, Morphin-3-glucuronid, Morphin-6-glucuronid, Normeperidin, Nortilidin und Tramadol.rnZum Test des Verfahrens an authentischem Probenmaterial wurden 206 Proben von Körperflüssigkeiten mit Hilfe der simultanen LC/MS Screening Methode untersucht. Über 150 Proben wurden im Rahmen von forensisch-toxikologischen Untersuchungen am Instituts für Rechtsmedizin Mainz analysiert. Dabei konnten 23 der 35 Opioide in den realen Proben nachgewiesen werden. Zur Untersuchung der Pharmakokinetik von Opioiden bei Patienten der anästhesiologischen Intensivstation mit Sepsis wurden über 50 Blutproben untersucht. Den Patienten wurde im Rahmen einer klinischen Studie einmal täglich vier Tage lang Blut abgenommen. In den Serumproben wurde hauptsächlich Sufentanil (0.2 – 0.8 ng/ml in 58 Fällen) und Piritramid (0.4 – 11 ng/ml in 56 Fällen) gefunden. Außerdem wurden die Proben von Körperflüssigkeiten und Gewebe von 13 verschiedenen Autopsiefällen mit Hilfe des Multi-Analyt Assays auf Opioide untersucht.rnIn einem zweiten Schritt wurde die Extraktions- und Messmethode zur Quantifizierung der 35 Opioide am Forensic Medicine Center in Ho Chi Minh City (Vietnam) etabliert. Insgesamt wurden 85 Herzblutproben von Obduktionsfällen mit Verdacht auf Opiatintoxikation näher untersucht. Der überwiegende Teil der untersuchten Fälle konnte auf eine Heroin- bzw. Morphin-Vergiftung zurückgeführt werden. Morphin wurde in 68 Fällen im Konzentrationsbereich 1.7 – 1400 ng/ml und der Heroinmetabolit 6-Monoactetylmorphin in 34 Fällen (0.3 – 160 ng/ml) nachgewiesen werden.rnSchließlich wurden noch 15 Haarproben von Patienten einer psychiatrischen Klinik, die illegale Rauschmittel konsumiert hatten, mit Hilfe der simultanen Opioid-LC/MS Screeningmethode gemessen. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden mit früheren Auswertungen von gaschromatographischen Analysen verglichen. Es zeigte sich eine weitgehende Übereinstimmung der Untersuchungsergebnisse für die Opioide 6-Monoacetylmorphin, Morphin, Codein, Dihydrocodein und Methadon. Mit der LC/MS Methode konnten weitere Substanzen, wie zum Beispiel Bisnortilidin, Dextromethorphan und Tramadol in den Haarproben gefunden werden, die bislang nicht entdeckt worden waren.rn

Dynamic computer simulations of electrophoresis: a versatile research and teaching tool

Software is available, which simulates all basic electrophoretic systems, including moving boundary electrophoresis, zone electrophoresis, ITP, IEF and EKC, and their combinations under almost exactly the same conditions used in the laboratory. These dynamic models are based upon equations derived from the transport concepts such as electromigration, diffusion, electroosmosis and imposed hydrodynamic buffer flow that are applied to user-specified initial distributions of analytes and electrolytes. They are able to predict the evolution of electrolyte systems together with associated properties such as pH and conductivity profiles and are as such the most versatile tool to explore the fundamentals of electrokinetic separations and analyses. In addition to revealing the detailed mechanisms of fundamental phenomena that occur in electrophoretic separations, dynamic simulations are useful for educational purposes. This review includes a list of current high-resolution simulators, information on how a simulation is performed, simulation examples for zone electrophoresis, ITP, IEF and EKC and a comprehensive discussion of the applications and achievements.

Development of an LC-MS/MS method for the quantitation of 55 compounds prescribed in combined cardiovascular therapy

This paper reports an LC-MS/MS method with positive electrospray ionization for the screening of commonly prescribed cardiovascular drugs in human plasma, including compounds with antihypertensive (57), antidiabetic (12), hypolipemiant (5), anticoagulant (2) and platelet anti-aggregation (2) effects. Sample treatment consisted of a simple protein precipitation with MeOH/0.1 M ZnSO₄ (4:1, v/v) solution after the addition of internal standard, followed by evaporation and reconstitution. Analytes separation was performed on a Polar-RP column (150 m x 2 mm, 4 μm) using a gradient elution of 15 min. The MS system was operated in MRM mode, monitoring one quantitation and one confirmation transition for each analyte. The recovery of the protein precipitation step ranged from 50 to 70% for most of the compounds, while some were considerably affected by matrix effects. Since several analytes fulfilled the linearity, accuracy and precision values required by the ICH guidelines, the method proved to be suitable for their quantitative analysis. The limits of quantitation varied from 0.38 to 9.1 μg/L and the limits of detection from 0.12 to 5.34 μg/L. The method showed to be suitable for the detection of plasma samples of patients under cardiovascular treatment with the studied drugs, and for 55 compounds reliable quantitative results could be obtained.

Bioanalysis of new designer drugs

Since the late 1990s the illicit drug market has undergone considerable change: along with the traditional drugs of abuse that still dominate, more than 100 psychotropic substances designed to bypass controlled substances legislation have appeared and led to intoxications and fatalities. Starting from the huge class of phenylalkylamines, containing many subgroups, the spectrum of structures has grown from tryptamines, piperazines, phenylcyclohexyl derivates and pyrrolidinophenones to synthetic cannabinoids and the first synthetic cocaine. Due to the small prevalence and high number of unknown substances, the detection of new designer drugs is a challenge for clinical and forensic toxicologists. Standard screening procedures might fail because a recently discovered or yet unknown substance has not been incorporated in the library used. Nevertheless, many metabolism studies, case reports, screening methods and substance-profiling papers concentrating on single compounds have been published. This review provides an overview of the developed bioanalytical and analytical methods, the matrices used, sample-preparation procedures, concentration of analytes in case of intoxication and also gives a résumé of immunoassay experiences. Additionally, six screening methods for biological matrices with a larger spectrum of analytes are described in more detail.