Determination of bioactive and potentially toxic compounds in food: raw material analysis and shelf life evaluation

"Bioactive compounds" are extranutritional constituents that typically occur in small quantities in food. They are being intensively studied to evaluate their effects on health. Bioactive compounds include both water soluble compounds, such as phenolics, and lipidic substances such as n-3 fatty acids, tocopherols and sterols. Phenolic compounds, tocopherols and sterols are present in all plants and have been studied extensively in cereals, nuts and oil. n-3 fatty acids are present in fish and all around the vegetable kingdom. The aim of the present work was the determination of bioactive and potentially toxic compounds in cereal based foods and nuts. The first section of this study was focused on the determination of bioactive compounds in cereals. Because of that the different forms of phytosterols were investigated in hexaploid and tetraploid wheats. Hexaploid cultivars were the best source of esterified sterols (40.7% and 37.3% of total sterols for Triticum aestivum and Triticum spelta, respectively). Significant amounts of free sterols (65.5% and 60.7% of total sterols for Triticum durum and Triticum dicoccon, respectively) were found in the tetraploid cultivars. Then, free and bound phenolic compounds were identified in barley flours. HPLCESI/ MSD analysis in negative and positive ion mode established that barley free flavan-3- ols and proanthocyanidins were four dimers and four trimers having (epi)catechin and/or (epi)gallocatechin (C and/or GC) subunits. Hydroxycinnamic acids and their derivatives were the main bound phenols in barley flours. The results obtained demonstrated that barley flours were rich in phenolic compounds that showed high antioxidant activity. The study also examined the relationships between phenolic compounds and lipid oxidation of bakery. To this purpose, the investigated barley flours were used in the bakery production. The formulated oven products presented an interesting content of phenolic compounds, but they were not able to contain the lipid oxidation. Furthermore, the influence of conventional packaging on lipid oxidation of pasta was evaluated in n-3 enriched spaghetti and egg spaghetti. The results proved that conventional packaging was not appropriated to preserve pasta from lipid oxidation; in fact, pasta that was exposed to light showed a high content of potentially toxic compounds derived from lipid oxidation (such as peroxide, oxidized fatty acids and COPs). In the second section, the content of sterols, phenolic compounds, n-3 fatty acids and tocopherols in walnuts were reported. Rapid analytical techniques were used to analyze the lipid fraction and to characterize phenolic compounds in walnuts. Total lipid chromatogram was used for the simultaneous determination of the profile of sterols and tocopherols. Linoleic and linolenic acids were the most representative n-6 and n-3 essential dietary fatty acids present in these nuts. Walnuts contained substantial amounts of γ- and δ-tocopherol, which explained their antioxidant properties. Sitosterol, Δ5-avenasterol and campesterol were the major free sterols found. Capillary electrophoresis coupled to DAD and microTOF was utilized to determine phenolic content of walnut. A new compound in walnut ((2E,4E)- 8-hydroxy-2,7-dimethyl-2,4-decadiene-1,10-dioic acid 6-O-β-D-glucopiranosyl ester, [M−H]− 403.161m/z) with a structure similar to glansreginins was also identified. Phenolic compounds corresponded to 14–28% of total polar compounds quantified. Aglycone and glycosylated ellagic acid represented the principal components and account for 64–75% of total phenols in walnuts. However, the sum of glansreginins A, B and ((2E,4E)-8-hydroxy- 2,7-dimethyl-2,4-decadiene-1,10-dioic acid 6-O-β-D-glucopiranosyl ester was in the range of 72–86% of total quantified compounds.

Determinazione di amminotioli mediante elettroforesi capillare

The aminothiols are critical cellular components that play numerous and important roles in metabolism as key extracellular reducing agents, critical substrates for proteins synthesis and detoxificants of free radicals and peroxides. Because altered thiols levels in body fluids are linked to specific pathological conditions, their measurement is thus considered very important. One method to determine these compounds is the capillary electrophoresis, a technique that involves the separation of charged molecules on the basis of their movement under the influence of an applied electric field. The instrument used in this work is equipped with an amperometric detector recording the current of the thiols oxidized at the end of the capillary at a BDD electrode. The aim of this work is to find a valid method for the separations of the aminothiols analyzed, in terms of capillary coating and experimental conditions. In order to find an alternative and less expensive electrode than BDD and to increase sensitivity for the detection of the thiols, a modified electrode consisting in a carbon paste electrode containing Cobalt-phthalocyanine has been studied. In this electrode Cobalt-phthalocyanine works as electrocatalyst to enhance the oxidation reaction, meanwhile the graphite acts as conductive mean. This kind of electrode shows great sensibility and low detection limits for the thiols that have a free thiolic group, but it is not sensible to disulfides. The analysis of human plasma point out that the best method found for the capillary electrophoresis is not useful for the detection of aminothiols in a healthy person, because the very low concentrations in which they are present.

Cross-Talk tra Bifidobacterium e intestino umano: impatto sulle attività health promoting

Bifidobacteria constitute up to 3% of the total microbiota and represent one of the most important healthpromoting bacterial groups of the human intestinal microflora. The presence of Bifidobacterium in the human gastrointestinal tract has been directly related to several health-promoting activities; however, to date, no information about the specific mechanisms of interaction with the host is available. The first health-promoting activities studied in these job was the oxalate-degrading activity. Oxalic acid occurs extensively in nature and plays diverse roles, especially in pathological processes. Due to its highly oxidizing effects, hyper absorption or abnormal synthesis of oxalate can cause serious acute disorders in mammals and be lethal in extreme cases. Intestinal oxalate-degrading bacteria could therefore be pivotal in maintaining oxalate homeostasis, reducing the risk of kidney stone development. In this study, the oxalate-degrading activity of 14 bifidobacterial strains was measured by a capillary electrophoresis technique. The oxc gene, encoding oxalyl-CoA decarboxylase, a key enzyme in oxalate catabolism, was isolated by probing a genomic library of B. animalis subsp. lactis BI07, which was one of the most active strains in the preliminary screening. The genetic and transcriptional organization of oxc flanking regions was determined, unravelling the presence of other two independently transcribed open reading frames, potentially responsible for B. animalis subsp. lactis ability to degrade oxalate. Transcriptional analysis, using real-time quantitative reverse transcription PCR, revealed that these genes were highly induced in cells first adapted to subinhibitory concentrations of oxalate and then exposed to pH 4.5. Acidic conditions were also a prerequisite for a significant oxalate degradation rate, which dramatically increased in oxalate pre-adapted cells, as demonstrated in fermentation experiments with different pH-controlled batch cultures. These findings provide new insights in the characterization of oxalate-degrading probiotic bacteria and may support the use of B. animalis subsp. lactis as a promising adjunct for the prophylaxis and management of oxalate-related kidney disease. In order to provide some insight into the molecular mechanisms involved in the interaction with the host, in the second part of the job, we investigated whether Bifidobacterium was able to capture human plasminogen on the cell surface. The binding of human plasminogen to Bifidobacterium was dependent on lysine residues of surface protein receptors. By using a proteomic approach, we identified six putative plasminogen-binding proteins in the cell wall fraction of three strain of Bifidobacterium. The data suggest that plasminogen binding to Bifidobactrium is due to the concerted action of a number of proteins located on the bacterial cell surface, some of which are highly conserved cytoplasmic proteins which have other essential cellular functions. Our findings represent a step forward in understanding the mechanisms involved in the Bifidobacterium-host interaction. In these job w studied a new approach based on to MALDI-TOF MS to measure the interaction between entire bacterial cells and host molecular target. MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight)—mass spectrometry has been applied, for the first time, in the investigation of whole Bifidobacterium cells-host target proteins interaction. In particular, by means of this technique, a dose dependent human plasminogen-binding activity has been shown for Bifidobacterium. The involvement of lysine binding sites on the bacterial cell surface has been proved. The obtained result was found to be consistent with that from well-established standard methodologies, thus the proposed MALDI-TOF approach has the potential to enter as a fast alternative method in the field of biorecognition studies involving in bacterial cells and proteins of human origin.

Tropospheric carboxylic acids in tropical rainforest environments

Der Übergang der Grenzschicht von stark ozeanisch auf kontinental beeinflusst wurde in 2 tropischen Küstenwaldgebieten Amerikas untersucht, wo Luftmassen vom Meer kommend über den Kontinent transportiert werden.Zwei Feldkampagnen wurden durchgeführt; in Costa Rica (CR; 07.1996) und in Surinam (04.1998). In CR wurde im nordöstlichen Flachgebiet (etwa 10°25' N; 84°W) Regenwasser gesammelt, in dem später Carboxylate, anorganischen Anionen, Ca2+, K+, NH4+ und Mg2+ gemessen wurden. Die Proben wurden an 5 verschiedenen Stellen entlang der Windrichtung 1, 20, 60, 60 und 80 km von der Küste gesammelt. In Surinam (Sipaliwini, 2°02' N, 56°08' W) wurden organischen Säuren aus der Gasphase gesammelt etwa 550 km von der Küste entfernt, sowohl wie O3 und CO. Die Proben wurden mittels Ionenchromatographie und Kapillarelektrophorese analysiert. Morgendliche Einmischung der nächtlichen residualen Schicht und Luft der unteren freien Troposphäre war Hauptquelle für HCOOH und CH3COOH in der Tagesmischschicht. Es wurde gezeigt, dass lokale Produktion dieser Säuren durch chemische Reaktionen eine kleine Rolle gespielt hat und dass direkte Emission vernachlässigbar war.Aus den beiden Feldkampagnen folgt, dass die Konzentrationen der sekundären Verbindungen HCOOH, CH3COOH, Ozon und CO in der Tagesmischschicht von Importen bestimmt wurden, was gilt für Regen- und Trockenzeit bis zu Entfernungen von 550 km zur Küste.

Functional components and lipid quality assessment in vegetable foods: analytical and technological approaches

Lipids are important components that contribute very significantly to nutritional and technological quality of foods because they are the least stable macro-components in foods, due to high susceptibility to oxidation. When rancidity take place, it makes food unhealthy and unacceptable for consumers. Thus, the presence of antioxidants, naturally present of added to foods, is required to enhance shelf life of foods. Moreover, antioxidant like phenolic compounds play an important role in human health enhancing the functionality of foods. The aim of this PhD project was the study of lipid quality and lipid oxidation in different vegetable foods focusing on analytical and technological aspects in order to figure out the effects of lipid composition and bioactive compounds (phenolic compounds, omega-3 fatty acids and dietary fiber) addition on their shelf life. In addition, bioavailability and antioxidant effects of phenolic compounds in human and animals, respectively, were evaluated after consumption of vegetable foods. The first section of the work was focused on the evaluation of lipid quality impact on technological behaviour of vegetable foods. Because of that, cocoa butter with different melting point were evaluated by chromatographic techniques (GC, TLC) and the sample with the higher melting point showed the presence of fatty acids, triglycerides, 2-monoglycerides and FT-IR profile different from genuine cocoa butter, meaning an adding of foreign fat (lauric-fat) not allowed by the law. Looking at lipid quality of other vegetable foods, an accelerated shelf life test (OXITEST®), was used to evaluate of lipid stability to oxidation in tarallini snacks made up using different lipid matrices (sunflower oil, extravirgin olive oil and a blend of extravirgin olive oil and lard). The results showed a good ability of OXITEST® to discriminate between lipid unsaturation and different cooking times, without any samples fat extraction. In the second section, the role of bioactive compounds on cereal based food shelf life was studied in different bakeries by GC, spectrophotometric methods and capillary electrophoresis. It was examined the relationships between phenolic compounds, added with flour, and lipid oxidation of tarallini and frollini. Both products showed an increase in lipid oxidation during storage and antioxidant effects on lipid oxidation were not as expected. Furthermore, the influence of enrichment in polyunsaturated fatty acids on lipid oxidation of pasta was evaluated. The results proved that LC n-3 PUFA were not significantly implicated in the onset of oxidation in spaghetti stored under daylight and accelerated oxidation in a laboratory heater. The importance of phenolic compounds as antioxidant in humans and rats was also studied, by HPLC/MS in the latter section. For this purpose, apigenin and apigenin glycosides excretion was investigated in six women’s urine in a 24 hours study. After a single dose of steamed artichokes, both aglicone and glucuronide metabolites were recovered in 24 h urine. Moreover, the effect of whole grain durum wheat bread and whole grain Kamut® khorasan bread in rats were evaluated. Both cereals were good sources of antioxidants but Kamut® bread fed animals had a better response to stress than wheat durum fed, especially when a sourdough bread was supplied.

Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Hsp90 characterization and inhibition: a multi-methodological study

Many physiological and pathological processes are mediated by the activity of proteins assembled in homo and/or hetero-oligomers. The correct recognition and association of these proteins into a functional complex is a key step determining the fate of the whole pathway. This has led to an increasing interest in selecting molecules able to modulate/inhibit these protein-protein interactions. In particular, our research was focused on Heat Shock Protein 90 (Hsp90), responsible for the activation and maturation and disposition of many client proteins [1], [2] [3]. Circular Dichroism (CD) spectroscopy, Surface Plasmon Resonance (SPR) and Affinity Capillary Electrophoresis (ACE) were used to characterize the Hsp90 target and, furthermore, its inhibition process via C-terminal domain driven by the small molecule Coumermycin A1. Circular Dichroism was used as powerful technique to characterize Hsp90 and its co-chaperone Hop in solution for secondary structure content, stability to different pHs, temperatures and solvents. Furthermore, CD was used to characterize ATP but, unfortunately, we were not able to monitor an interaction between ATP and Hsp90. The utility of SPR technology, on the other hand, arises from the possibility of immobilizing the protein on a chip through its N-terminal domain to later study the interaction with small molecules able to disrupt the Hsp90 dimerization on the C-terminal domain. The protein was attached on SPR chip using the “amine coupling” chemistry so that the C-terminal domain was free to interact with Coumermycin A1. The goal of the experiment was achieved by testing a range of concentrations of the small molecule Coumermycin A1. Despite to the large difference in the molecular weight of the protein (90KDa) and the drug (1110.08 Da), we were able to calculate the affinity constant of the interaction that was found to be 11.2 µm. In order to confirm the binding constant calculated for the Hsp90 on the chip, we decided to use Capillary Electrophoresis to test the Coumermycin binding to Hsp90. First, this technique was conveniently used to characterize the Hsp90 sample in terms of composition and purity. The experimental conditions were settled on two different systems, the bared fused silica and the PVA-coated capillary. We were able to characterize the Hsp90 sample in both systems. Furthermore, we employed an application of capillary electrophoresis, the Affinity Capillary Electrophoresis (ACE), to measure and confirm the binding constant calculated for Coumermycin on Optical Biosensor. We found a KD = 19.45 µM. This result compares favorably with the KD previously obtained on biosensor. This is a promising result for the use of our novel approach to screen new potential inhibitors of Hsp90 C-terminal domain.

Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

Speciation of tetravalent plutonium in contact with humic substances and kaolinite under environmental conditions

Plutonium represents the major contribution to the radiotoxicity of spent nuclear fuel over storage times of up to several hundred thousand years. The speciation of plutonium in aquifer systems is important in order to assess the risks of high-level nuclear waste disposal and to acquire a deep knowledge of the mobilization and immobilization behavior of plutonium. In aqueous solutions, plutonium can coexist in four oxidation states and each one of them has different chemical and physical behavior. Tetravalent plutonium is the most abundant under natural conditions. Therefore, detailed speciation studies of tetravalent plutonium in contact with humic substances (HS) and kaolinite as a model clay mineral have been performed in this work. Plutonium is present in the environment at an ultratrace level. Therefore, speciation of Pu at the ultratrace level is mandatory. Capillary electrophoresis (CE) coupled to resonance ionization mass spectrometry (RIMS) was used as a new speciation method. CE-RIMS enables to improve the detection limit for plutonium species by 2 to 3 orders of magnitude compared to the previously developed CE-ICP-MS. For understanding the behavior of Pu(IV) in aqueous systems, redox reactions, complexation, and sorption behavior of plutonium were studied. The redox behavior of plutonium in contact with humic acid (HA) and fulvic acid (FA) was investigated. A relatively fast reduction of Pu(VI) in contact with HS was observed. It was mainly reduced to Pu(IV) and Pu(III) within a couple of weeks. The time dependence of the Pu(IV) complexation with Aldrich HA was investigated and a complex constant (logßLC) between 6.4 - 8.4 of Pu(IV) was determined by means of ultrafiltration taking into account the loading capacity (LC). The sorption of tetravalent plutonium onto kaolinite was investigated as a function of pH in batch experiments under aerobic and anaerobic conditions. The sorption edge was found at about pH = 1 and a maximum sorption at around pH = 8.5. In the presence of CO2 at pH > 8.5, the sorption of plutonium was decreased probably due to the formation of soluble carbonate complexes. For comparison, the sorption of Th(IV) onto kaolinite was also investigated and consistent results were found. The Pu(IV) sorption onto kaolinite was studied by XANES and EXAFS at pH 1, 4, 9 and the sorbed species on kaolinite surface was Pu(IV). Depending on the pH, only 1 - 10 % of the sorbed plutonium is desorbed from kaolinite and released into a fresh solution at the same pH value. Furthermore, the sorption of HS onto kaolinite was studied as a function of pH at varying concentrations of HS, as a prerequisite to understand the more complex ternary system. The sorption of HA onto kaolinite was found to be higher than that of FA. The investigation of the ternary systems (plutonium-kaolinite-humic substances) is performed as a function of pH, concentration of HS, and the sequences of adding the reactants. The presence of HS strongly influences the sorption of Pu(IV) onto kaolinite over the entire pH range. For comparison, the influence of HS on the sorption of Th(IV) onto kaolinite was also investigated and a good agreement with the results of Pu(IV) was obtained.

Entwicklung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie und deren Anwendung in der Bioanalytik

Die Elementmassenspektrometrie wurde in den letzten Jahren sehr erfolgreich zur Aufklärung verschiedener Fragestellungen in der Bioanalytik eingesetzt. Hierbei spielen vor allem Kopplungstechniken von Trennmethoden wie der Flüssigchromatographie (LC) oder der Kapillarelektrophorese (CE) mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) als Multielementdetektor mit hervorragenden Quantifizierungseigenschaften eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Biopolymeren und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Metallen. So wurden beispielsweise verschiedene Methoden für die Trennung und Detektion von Metalloproteinen oder DNA-Metall-Addukten in unterschiedlichen Probenmaterialien entwickelt. Die traditionelle und leistungsstärkste Trennmethode für Biopolymere aller Art, die Gelelektrophorese, wurde jedoch bislang nicht in einem Online-Verfahren an die ICP-MS gekoppelt, um solche Fragestellungen zu bearbeiten. Verschiedene Versuche auf der Basis der Laserablation wurden in diese Richtung unternommen, wobei diese Techniken als sehr umständlich und zeitaufwändig anzusehen sind. In dieser Arbeit wird erstmals die technische Realisierung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der ICP-MS beschrieben. Das System basiert auf einem Prinzip aus der präparativen Gelelektrophorese, in welcher eine kontinuierliche Elution der getrennten Komponenten aus dem Gel während der laufenden Elektrophorese durchgeführt wird. Die eluierten Komponenten werden mit dem Elutionspuffer direkt in das Zerstäubersystem des ICP-MS geführt. Die ersten Untersuchungen wurden am Beispiel der Fragemente von doppelsträngiger DNA (dsDNA) durchgeführt. Kommerziell erhältliche Standardlösungen wurden mit der Online-GE-ICP-MS mittels Detektion von 31P an einem hochauflösenden Massenspektrometer mit einer Massenauflösung von 4000 analysiert. Die Trennbedingungen (z.B. pH-Wert oder Ionenstärke der Pufferlösungen) wurden für die Trennung von dsDNA-Fragementen in Agarosegelen optimiert und auf verschiedene dsDNA-Fragmente angewandt. In einem nächsten Schritt wurden die Quantifizierungsmöglichkeiten für Biopolymere untersucht. Sehr kleine Mengen an dsDNA konnten mit einer Präzision von weniger als 3% quantifiziert werden. Hierfür kamen verschiedene Möglichkeiten der externen Kalibration zum Einsatz, wie der Kalibration mit einem Phosphat-Standard oder einem kommerziell erhältlichen quantitativen dsDNA-Standard. Um das Potenzial der entwickelten Methode für die Untersuchung von Biopolymer-Metall-Wechselwirkungen zu demonstrieren, wurden Oligonukleotide mit Cisplatin unter physiologischen Bedingungen inkubiert und die Reaktionsprodukte mit der Online-GE-ICP-MS mittels 31P- und 195Pt-Detektion untersucht. Verschiedene Cisplatin-Oligonukleotid-Addukte konnten auf diese Weise beobachtet werden, was zur Identifizierung die Anwendung der MALDI-TOF-MS als komplementärer Form der Massenspektrometrie notwendig machte. Abschließend wurde die Isotopenverdünnungsanalyse zum Zweck der Quantifizierung herangezogen.

Anwendung der CE-ICP-MS und RIMS sowie Entwicklung und Anwendung der CE-RIMS auf Umweltproben

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Wechselwirkung und Transport von Actiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen die thermodynamische Datenbasis für Actiniden erweitern sowie Informationen zur Ableitung von Bewertungskriterien für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Ton als Wirtsgestein, insbesondere über das Rückhaltevermögen von Tongestein gegenüber Radionukliden, liefern. Dabei stand die Anwendung verschiedener Speziationstechniken wie CE-ICP-MS, UV/VIS und die apparative Entwicklung der CE-RIMS im Vordergrund. Es sollte das Verhalten von Plutonium in umweltrelevanten Medien und Konzentrationen, im Ultraspurenbereich, untersucht werden. Unabhängig davon sollten Uranproben aus dem 2. Weltkrieg und Umweltproben des Landesamts für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz auf ihren Plutoniumgehalt analysiert werden. Dazu wurde zunächst ein neues ICP-MS-Gerät Agilent 7500ce in Betrieb genommen und auf die Verwendung in Kombination mit der Kapillarelektrophorese optimiert. Die erreichte Nachweisgrenze für die vier Oxidationsstufen des Pu beträgt 0,05 ppb des gesamten Plutoniums in Lösung. Mit Hilfe der CE-ICP-MS wurde die Redoxstabilität einer Mischung aus verschiedenen Oxidationszuständen des Plutoniums in Opalinus-Ton-Porenwasser und Vergleichsmedien unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit der CE untersucht. Die Untersuchungen zeigen das Pu(III) bis zu 40 min im verwendeten Elektrolytsystem stabil ist und dann oxidiert wird. In Porenwasser wurde als vorherrschende Spezies Pu(V) bestimmt. Die Redoxstabilität von Pu(VI) wurde untersucht, dabei wurde festgestellt, dass sich Pu(VI) bereits durch einfaches Verdünnen reduzieren lässt. Weiterhin wurden die Kd-Werte für die Sorption von Plutonium an Opalinuston unter aeroben und anaeroben Bedingungen für Pu(III) und Pu(IV) im System Porenwasser/Opalinuston von Kd(aerob) Pu(III) ≈ 53 m3/kg, Kd(aerob) Pu(IV) ≈ 14 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(III) ≈ 114 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(IV) ≈ 178 m3/kg bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Anwendung der Kopplung CE-RIMS zur Speziation des Plutoniums im Ultraspurenbereich. Dies konnte erfolgreich in mehreren Schritten durchgeführt und an den Proben aus den Batchversuchen zur Kd-Wert Bestimmung angewandt werden. Der Memory-Effekt des an den Kapillarwänden sorbierenden Pu(IV) konnte mit der empfindlichen Kopplung CE-RIMS ebenfalls nachgewiesen werden.

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit Polypeptidseitenketten

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die grafting-from-Methode verschiedene geschützte Polypeptidbürsten basierend auf L-glutaminsäure, L-asparaginsäure, L-lysin und L-ornithin synthetisch zugänglich sind. Zur Verwirklichung dieser Synthesestrategie wurde mehrstufig ein Makroinitiator auf Basis von N-methacrylamid-1,6-diaminohexan hergestellt, der die ringöffnende Polymerisation von Leuchs´schen Anhydriden zur Entwicklung von geschützten Polypeptidseitenketten initiieren kann. Durch stark saure bzw. alkalische Abspaltbedingungen war es möglich, die Schutzgruppen bei allen geschützten Bürsten bis auf eine Spezies erfolgreich zu entfernen. Weitergehende Untersuchungen an den positiv bzw. negativ geladenen Polyelektrolytbürsten mittels statischer Lichtstreuung und Kapillarelektrophorese zeigten, dass lediglich die Z-geschützten Poly-L-lysinbürsten ohne Kettenabbau entschützt werden konnten. In allen anderen Fällen wurden nach Abspaltung der Schutzgruppen lineare Kettenfragmente detektiert. Durch die Zugabe von NaClO4 oder Methanol zu den wässrigen Lösungen der Poly-L-lysinbürsten konnte mittels CD-Spektroskopie gezeigt werden, dass die Seitenketten von einer ungeordneten Konformation in eine helikale Konformation übergehen. In weiterführenden Experimenten wurde mittels statischer Lichtstreuung, dynamischer Lichtstreuung, SAXS, und AFM-Aufnahmen in Lösung bewiesen, dass die helikale Konformation der Seitenketten eine deutliche Abnahme des Zylinderquerschnitts und des Querschnittträgheitsradius zur Folge hat, die Topologie der Bürste allerdings unverändert bleibt. Weiterhin konnte mittels Kapillarelektrophorese die elektrophoretische Mobilität der Poly-L-lysinbürsten und ihrer linearen Analoga bestimmt werden. Mit diesen Resultaten war es in Kombination mit statischen Lichtstreuexperimenten möglich, die effektive Ladung von linearem und verzweigten Poly-L-lysin nach einer Theorie von Muthukumar zu berechnen. Das Ergebnis dieser Rechnungen bestätigt die Ergebnisse früherer Untersuchungen von Peter Dziezok, der in seiner Dissertation durch Leitfähigkeits und Lichtstreumessungen an linearem PVP und PVP-Bürsten herausfand, dass die effektive Ladung von Polymerbürsten mindestens um einen Faktor 10 kleiner ist als bei den korrespondierenden linearen Analoga.

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.

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.

Original analytical methods for the determination of psychoactive compounds in complex matrices

This thesis work aims to develop original analytical methods for the determination of drugs with a potential for abuse, for the analysis of substances used in the pharmacological treatment of drug addiction in biological samples and for the monitoring of potentially toxic compounds added to street drugs. In fact reliable analytical techniques can play an important role in this setting. They can be employed to reveal drug intake, allowing the identification of drug users and to assess drug blood levels, assisting physicians in the management of the treatment. Pharmacological therapy needs to be carefully monitored indeed in order to optimize the dose scheduling according to the specific needs of the patient and to discourage improper use of the medication. In particular, different methods have been developed for the detection of gamma-hydroxybutiric acid (GHB), prescribed for the treatment of alcohol addiction, of glucocorticoids, one of the most abused pharmaceutical class to enhance sport performance and of adulterants, pharmacologically active compounds added to illicit drugs for recreational purposes. All the presented methods are based on capillary electrophoresis (CE) and high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to various detectors (diode array detector, mass spectrometer). Biological samples pre-treatment was carried out using different extraction techniques, liquid-liquid extraction (LLE) and solid phase extraction (SPE). Different matrices have been considered: human plasma, dried blood spots, human urine, simulated street drugs. These developed analytical methods are individually described and discussed in this thesis work.