Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

Methodenentwicklung zur Charakterisierung von metallischen Nanopartikeln und deren potentieller Einsatz bei der Analyse von Biomolekülen mittels ICP-MS Kopplungstechniken

Die qualitative und quantitative Analyse von Biomolekülen hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch das Aufkommen und die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Separations- und Detektionsmethoden und deren Verbindung miteinander zu leistungsfähigen Einheiten, erlangte man Schritt für Schritt neue Erkenntnisse bei ihrer Untersuchung. Die Elementmassenspektrometrie als nachweisstarke Detektionsmethode wird von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen bei der Trennung und Quantifizierung von Proteinen und Metalloproteinen mittels Detektion der in den Biomolekülen vorkommenden Metalle und Heteroatome angewendet. Heteroatome (z.B. Schwefel, Phosphor) haben im Plasma des ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometer) schlechte Ionisationseigenschaften und dementsprechend deutlich höhere Nachweisgrenzen als Metalle. Ein Ansatz, schlecht oder nicht detektierbare Verbindungen (also solche, die keine Metalle oder Heteroatome enthalten) mit dem ICP-MS sichtbar zu machen, ist die Markierung der selbigen mit Metallionen oder -cluster. rnIn dieser Arbeit ist es gelungen, der Analyse ganz unterschiedlicher Substanzklassen, zum einen metallische Nanopartikel und zum anderen Proteine, neue Impulse zu geben und zukünftiges Potential bei der Anwendung gekoppelter Techniken zur Separation und Detektion aufzuzeigen. Durch die Verwendung einer alten, aber neu konzipierten Trenntechnik, der Gelelektrophorese (GE), und deren Kopplung an einen modernen Detektor, dem ICP-MS, kann die für die Proteinanalytik weit verbreitete Gelelektrophorese ihr enormes Potential bei der Trennung verschiedenster Verbindungsklassen mit der exzellenten Nachweisstärke und Elementspezifität des ICP-MS verbinden und dadurch mit deutlich weniger Arbeitsaufwand als bisher qualitative und auch quantitative Ergebnisse produzieren. Bisher war dies nur mit großem präparativem Aufwand unter Verwendung der laser ablation möglich. Bei der Analyse von Nanopartikeln konnte aufgezeigt werden, dass durch die GE-ICP-MS-Kopplung aufgrund der guten Trenneigenschaften der GE vorhandene Spezies bzw. Fraktionen voneinander separiert werden und mit Hilfe des ICP-MS Informationen auf atomarem Niveau gewonnen werden können. Es war möglich, das atomare Verhältnis der Metallatome im Kern und der Schwefelatome in der Ligandenhülle eines Nanopartikels zu bestimmen und damit die Größe des Partikels abzuschätzen. Auch konnte die Anzahl der Goldatome in einem dem Schmid-Cluster ähnlichen Nanopartikel bestimmt werden, was vorher nur mit Hilfe von MALDI-TOF möglich war. Bei der Analyse von Biomolekülen konnte auf einfache Weise der Phosphorylierungsgrad verschiedener Proteine bestimmt werden. Auch bei kleinen Molekülen erzielt die Gelelektrophorese ausgezeichnete Trennergebnisse, wie z. B. bei der Analyse verschiedener Brom- und Iodspezies.rnDie stöchiometrische Kopplung eines Proteins an einen Nanopartikel, ohne eine der beiden Verbindungen in einem größeren Maße zu verändern, stellte jedoch eine Herausforderung dar, die im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig gelöst werden konnte. Verschiedene Ansätze zur Kopplung der beiden Substanzen wurden erprobt, jedoch führte keine zu dem gewünschten Ergebnis einer stöchiometrisch vollständigen und spezifischen Modifikation eines Proteins mit einem Nanopartikel. Durch das Potential der GE-ICP-MS-Kopplung bei der Analyse beider Substanz-klassen und dem Beweis der Praktikabilität und Zuverlässigkeit der Methode ist jedoch der Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt worden. Ist eine geeignete chemische Kopplung der beiden Substanzklassen gefunden und beherrscht, steht auf analytischer Seite eine leistungsstarke Kombination aus Trennung und Detektion zur Verfügung, um die Quantifizierung von Proteinen entscheidend zu verbessern.rn

Einsatz eines Aerosolmassenspektrometers während der CYPHEX-Kampagne und zur Methodenentwicklung einer Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf das Klima, der bisher nur grundlegend verstanden ist und weiterer Forschung bedarf. Das atmosphärische Verhalten der Aerosolpartikel hängt maßgeblich von ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung ab. Durch Reflexion, Absorption und Streuung des Sonnenlichtes verändern sie den Strahlungshaushalt der Erde direkt und durch ihre Einflussnahme auf die Wolkenbildung indirekt. Besonders gealterte, stark oxidierte organische Aerosole mit großem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis wirken als effektive Wolkenkondensationskeime. Neben primären Aerosolpartikeln, die direkt partikelförmig in die Atmosphäre gelangen, spielen sekundäre Aerosolpartikel eine große Rolle, die aus Vorläufergasen in der Atmosphäre entstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass kurzkettige aliphatische Amine bei Nukleationsprozessen beteiligt sind und somit die Partikelneubildung vielerorts mitsteuern. Um die Rolle von Aminen in der Atmosphäre besser erforschen und industrielle Emissionen kontrollieren zu können, bedarf es einer zuverlässigen Methode zur Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine mit hoher Zeitauflösung und niedriger Nachweisgrenze.rnDas hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS) bietet die Möglichkeit, atmosphärische Partikel in Echtzeit zu analysieren. Dabei werden Größe, Menge und grundlegende chemische Zusammensetzung erfasst. Anorganische Aerosolbestandteile können eindeutig zugeordnet werden. Es ist jedoch kaum möglich, einzelne organische Verbindungen in den komplizierten Massenspektren atmosphärischer Aerosole zu identifizieren und quantifizieren.rnIn dieser Arbeit wird atmosphärisches Aerosol untersucht, das im Westen Zyperns während der CYPHEX-Kampagne mit einem HR-ToF-AMS gemessen wurde. An diesem Standort ist vor allem stark gealtertes Aerosol vorzufinden, das aus Zentral- und Westeuropa stammt. Lokale Einflüsse spielen fast keine Rolle. Es wurde eine durchschnittliche Massenkonzentration von 10,98 μg/m3 gefunden, zusammengesetzt aus 57 % Sulfat, 30 % organischen Bestandteilen, 12 % Ammonium, < 1 % Nitrat und < 1 % Chlorid, bezogen auf das Gewicht. Der Median des vakuum-aerodynamischen Durchmessers betrug 446,25 nm. Es wurde sehr acides Aerosol gefunden, dessen anorganische Bestandteile weitgehend der Zusammensetzung von Ammoniumhydrogensulfat entsprachen. Tag-Nacht-Schwankungen in der Zusammensetzung wurden beobachtet. Die Sulfatkonzentration und die Acidität zeigten tagsüber Maxima und nachts Minima. Konzentrationsschwankungen an Nitrat und Chlorid zeigten einen weniger ausgeprägten Rhythmus, Maxima fallen aber immer mit Minima der Sulfatkonzentration, Aerosolacidität und Umgebungstemperatur zusammen. Organische Aerosolbestandteile entsprachen stark gealtertem, schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol. Es wurde eine interne Mischung der Partikel beobachtet, die ebenfalls meist bei alten Aerosolen auftritt.rnUm mit dem HR-ToF-AMS auch einzelne organische Verbindungen identifizieren und quantifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, mit der man Amine der Gasphase selektiv in künstlich erzeugte Phosphorsäurepartikel aufnimmt und so für die HR-ToF-AMS-Messung zugänglich macht. Dadurch kombiniert man die Vorteile der Online-Messung des HR-ToF-AMS mit den Vorteilen klassischer Offline-Probenahmen. So können in Echtzeit sehr einfache Massenspektren gemessen werden, in denen störende Komponenten abgetrennt sind, während die Analyten eindeutig identifiziert werden können. Systeme dieser Art wurden GTRAP-AMS (Gaseous compound TRapping in Artificially-generated Particles – Aerosol Mass Spectrometry) genannt. Kalibrierungen für (Mono)Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Diethylamin und Triethylamin ergaben Nachweisgrenzen im ppt-Bereich bei einer Zeitauflösung von 3 min. Kammerexperimente zur Aminemission von Pflanzen zeigten eine gute Übereinstimmung des neu entwickelten Systems mit einer Gasdiffusionsabscheider-Offline-Probenahme und anschließender ionenchromatographischer Analyse. Beide Methoden zeigten Reaktionen der Pflanzen auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse, während erhöhte Ozonkonzentrationen die Aminemission nicht veränderten. Die GTRAP-AMS-Methode eignet sich bereits für die Messung von Umgebungsluftkonzentrationen an einigen Orten, für die meisten Orte reicht die Nachweisgrenze allerdings noch nicht aus. Die Technik könnte bereits zur Echtzeitkontrolle industrieller Abgasemissionen eingesetzt werden.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

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

Tidal volume single breath washout of two tracer gases--a practical and promising lung function test

Background Small airway disease frequently occurs in chronic lung diseases and may cause ventilation inhomogeneity (VI), which can be assessed by washout tests of inert tracer gas. Using two tracer gases with unequal molar mass (MM) and diffusivity increases specificity for VI in different lung zones. Currently washout tests are underutilised due to the time and effort required for measurements. The aim of this study was to develop and validate a simple technique for a new tidal single breath washout test (SBW) of sulfur hexafluoride (SF6) and helium (He) using an ultrasonic flowmeter (USFM). Methods The tracer gas mixture contained 5% SF6 and 26.3% He, had similar total MM as air, and was applied for a single tidal breath in 13 healthy adults. The USFM measured MM, which was then plotted against expired volume. USFM and mass spectrometer signals were compared in six subjects performing three SBW. Repeatability and reproducibility of SBW, i.e., area under the MM curve (AUC), were determined in seven subjects performing three SBW 24 hours apart. Results USFM reliably measured MM during all SBW tests (n = 60). MM from USFM reflected SF6 and He washout patterns measured by mass spectrometer. USFM signals were highly associated with mass spectrometer signals, e.g., for MM, linear regression r-squared was 0.98. Intra-subject coefficient of variation of AUC was 6.8%, and coefficient of repeatability was 11.8%. Conclusion The USFM accurately measured relative changes in SF6 and He washout. SBW tests were repeatable and reproducible in healthy adults. We have developed a fast, reliable, and straightforward USFM based SBW method, which provides valid information on SF6 and He washout patterns during tidal breathing.

Confirmation analysis of ethyl glucuronide and ethyl sulfate in human serum and urine by CZE-ESI-MS(n) after intake of alcoholic beverages

CZE coupled to sheath liquid-based electrospray ionization (ESI) and multiple-stage ion trap mass spectrometry (MS(n) ) was used for the confirmation analysis of ethyl glucuronide (EtG) and ethyl sulfate (EtS) in human serum and urine collected after intake of alcoholic beverages. Electrophoretic separations were performed in uncoated fused-silica capillaries using a pH 9.5 ammonium acetate background electrolyte and normal polarity. MS detection of EtG and EtS occurred after negative ionization using a spray liquid containing 0.5% v/v ammonia in isopropanol/water (60:40%, v/v). CZE-MS and CZE-MS² results obtained after injection of solid-phase extracts for EtG and EtS and of diluted urine confirmed the presence of EtG and EtS in samples whose levels were previously determined by CZE with indirect UV detection. Detection limits of each compound were estimated to be around 2.0 (injection of diluted urine) and 0.2 μg/mL (extracts).

Fossil versus contemporary sources of fine elemental and organic carbonaceous particulate matter during the DAURE campaign in Northeast Spain

We present results from the international field campaign DAURE (Detn. of the sources of atm. Aerosols in Urban and Rural Environments in the Western Mediterranean), with the objective of apportioning the sources of fine carbonaceous aerosols. Submicron fine particulate matter (PM1) samples were collected during Feb.-March 2009 and July 2009 at an urban background site in Barcelona (BCN) and at a forested regional background site in Montseny (MSY). We present radiocarbon (14C) anal. for elemental and org. carbon (EC and OC) and source apportionment for these data. We combine the results with those from component anal. of aerosol mass spectrometer (AMS) measurements, and compare to levoglucosan-based ests. of biomass burning OC, source apportionment of filter data with inorg. compn. + EC + OC, submicron bulk potassium (K) concns., and gaseous acetonitrile concns. At BCN, 87 % and 91 % of the EC on av., in winter and summer, resp., had a fossil origin, whereas at MSY these fractions were 66 % and 79 %. The contribution of fossil sources to org. carbon (OC) at BCN was 40 % and 48 %, in winter and summer, resp., and 31 % and 25 % at MSY. The combination of results obtained using the 14C technique, AMS data, and the correlations between fossil OC and fossil EC imply that the fossil OC at Barcelona is ∼47 % primary whereas at MSY the fossil OC is mainly secondary (∼85 %). Day-to-day variation in total carbonaceous aerosol loading and the relative contributions of different sources predominantly depended on the meteorol. transport conditions. The estd. biogenic secondary OC at MSY only increased by ∼40 % compared to the order-of-magnitude increase obsd. for biogenic volatile org. compds. (VOCs) between winter and summer, which highlights the uncertainties in the estn. of that component. Biomass burning contributions estd. using the 14C technique ranged from similar to slightly higher than when estd. using other techniques, and the different estns. were highly or moderately correlated. Differences can be explained by the contribution of secondary org. matter (not included in the primary biomass burning source ests.), and/or by an over-estn. of the biomass burning OC contribution by the 14C technique if the estd. biomass burning EC/OC ratio used for the calcns. is too high for this region. Acetonitrile concns. correlate well with the biomass burning EC detd. by 14C. K is a noisy tracer for biomass burning. [on SciFinder(R)]

Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests

Plutonium is present in the environment as a consequence of atmospheric nuclear tests, nuclear weapons production and industrial releases over the past 50 years. To study temporal trends, a high resolution Pu record was obtained by analyzing 52 discrete samples of an alpine firn/ice core from Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m a.s.l.), dating from 1945 to 1990. The 239Pu signal was recorded directly, without decontamination or preconcentration steps, using an Inductively Coupled Plasma - Sector Field Mass Spectrometer (ICP-SFMS) equipped with an high efficiency sample introduction system, thus requiring much less sample preparation than previously reported methods. The 239Pu profile reflects the three main periods of atmospheric nuclear weapons testing: the earliest peak lasted from 1954/55 to 1958 and was caused by the first testing period reaching a maximum in 1958. Despite a temporary halt of testing in 1959/60, the Pu concentration decreased only by half with respect to the 1958 peak due to long atmospheric residence times. In 1961/62 Pu concentrations rapidly increased reaching a maximum in 1963, which was about 40% more intense than the 1958 peak. After the signing of the "Limited Test Ban Treaty" between USA and USSR in 1964, Pu deposition decreased very sharply reaching a minimum in 1967. The third period (1967-1975) is characterized by irregular Pu concentrations with smaller peaks (about 20-30% of the 1964 peak) which might be related to the deposition of Saharan dust contaminated by the French nuclear tests of the 1960s. The data presented are in very good agreement with Pu profiles previously obtained from the Col du Dome ice core (by multi-collector ICP-MS) and Belukha ice core (by Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Although a semi-quantitative method was employed here, the results are quantitatively comparable to previously published results.

A Data-Analytic Strategy for Protein-Biomarker Discovery: Profiling of High-Dimensional Proteomic Data for Cancer Detection

With recent advances in mass spectrometry techniques, it is now possible to investigate proteins over a wide range of molecular weights in small biological specimens. This advance has generated data-analytic challenges in proteomics, similar to those created by microarray technologies in genetics, namely, discovery of "signature" protein profiles specific to each pathologic state (e.g., normal vs. cancer) or differential profiles between experimental conditions (e.g., treated by a drug of interest vs. untreated) from high-dimensional data. We propose a data analytic strategy for discovering protein biomarkers based on such high-dimensional mass-spectrometry data. A real biomarker-discovery project on prostate cancer is taken as a concrete example throughout the paper: the project aims to identify proteins in serum that distinguish cancer, benign hyperplasia, and normal states of prostate using the Surface Enhanced Laser Desorption/Ionization (SELDI) technology, a recently developed mass spectrometry technique. Our data analytic strategy takes properties of the SELDI mass-spectrometer into account: the SELDI output of a specimen contains about 48,000 (x, y) points where x is the protein mass divided by the number of charges introduced by ionization and y is the protein intensity of the corresponding mass per charge value, x, in that specimen. Given high coefficients of variation and other characteristics of protein intensity measures (y values), we reduce the measures of protein intensities to a set of binary variables that indicate peaks in the y-axis direction in the nearest neighborhoods of each mass per charge point in the x-axis direction. We then account for a shifting (measurement error) problem of the x-axis in SELDI output. After these pre-analysis processing of data, we combine the binary predictors to generate classification rules for cancer, benign hyperplasia, and normal states of prostate. Our approach is to apply the boosting algorithm to select binary predictors and construct a summary classifier. We empirically evaluate sensitivity and specificity of the resulting summary classifiers with a test dataset that is independent from the training dataset used to construct the summary classifiers. The proposed method performed nearly perfectly in distinguishing cancer and benign hyperplasia from normal. In the classification of cancer vs. benign hyperplasia, however, an appreciable proportion of the benign specimens were classified incorrectly as cancer. We discuss practical issues associated with our proposed approach to the analysis of SELDI output and its application in cancer biomarker discovery.

Organic Wastewater Chemicals in Silver Bow Creek - Butte to Warm Springs Ponds

The purpose of this study is to detail and analyze the distribution, concentration, and loads of 5 organic compounds along Silver Bow Creek in Butte, Montana from the Municipal Wastewater treatment plant to the Warm Springs Ponds. The chemicals analyzed include Carbamazepine (pharmaceutical), Miconazole (fungicide) and three antibiotics – Sulfamethoxazole, Thiabendazole, and Ciprofloxacin. This project begins a 2 year study to analyze 6 additional compounds (11 compounds total), to develop an effective method to detail and analyze OWCs using Mass Spectrometer/Liquid chromatography system, and to aid in assessment of aquatic health and ongoing restoration work. The EPA method 1694 was used for analysis

The STEREO/PLASTIC response to solar wind ions (Flight measurements and models)

The Plasma and Supra-Thermal Ion Composition (PLASTIC) instrument is one of four experiment packages on board of the two identical STEREO spacecraft A and B, which were successfully launched from Cape Canaveral on 26 October 2006. During the two years of the nominal STEREO mission, PLASTIC is providing us with the plasma characteristics of protons, alpha particles, and heavy ions. PLASTIC will also provide key diagnostic measurements in the form of the mass and charge state composition of heavy ions. Three measurements (E/qk, time of flight, ESSD) from the pulse height raw data are used to characterize the solar wind ions from the solar wind sector, and part of the suprathermal particles from the wide-angle partition with respect to mass, atomic number and charge state. In this paper, we present a new method for flight data analysis based on simulations of the PLASTIC response to solar wind ions. We present the response of the entrance system / energy analyzer in an analytical form. Based on stopping power theory, we use an analytical expression for the energy loss of the ions when they pass through a thin carbon foil. This allows us to model analytically the response of the time of flight mass spectrometer to solar wind ions. Thus we present a new version of the analytical response of the solid state detectors to solar wind ions. Various important parameters needed for our models were derived, based on calibration data and on the first flight measurements obtained from STEREO-A. We used information from each measured event that is registered in full resolution in the Pulse Height Analysis words and we derived a new algorithm for the analysis of both existing and future data sets of a similar nature which was tested and works well. This algorithm allows us to obtain, for each measured event, the mass, atomic number and charge state in the correct physical units. Finally, an important criterion was developed for filtering our Fe raw flight data set from the pulse height data without discriminating charge states.

ROSINA/DFMS capabilities to measure isotopic ratios in water at comet 67P/Churyumov–Gerasimenko

The likelihood that comets may have delivered part of the water to Earth has been reinforced by the recent observation of the earth-like D/H ratio in Jupiter-family comet 103P/Hartley 2 by Hartogh et al. (2011). Prior to this observation, results from several Oort cloud comets indicated a factor of 2 enrichment of deuterium relative to the abundance at Earth. The European Space Agency’s Rosetta spacecraft will encounter comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, another Jupiter-family comet of likely Kuiper belt origin, in 2014 and accompany it from almost aphelion to and past perihelion. Onboard Rosetta is the Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis (ROSINA) which consists of two mass spectrometers and a pressure sensor [Balsiger et al. 2007]. With its unprecedented mass resolution, for a space-borne instrument, the Double Focusing Mass Spectrometer (DFMS), one of the major subsystems of ROSINA, will be able to obtain unambiguously the ratios of the isotopes in water from in situ measurements in the coma around the comet. We will discuss the performance of this sensor on the basis of measurements of the terrestrial hydrogen and oxygen isotopic ratios performed with the flight spare instrument in the lab. We also show that the instrument on Rosetta is capable of measuring the D/H even in the very low density water background released by the spacecraft. This capability demonstrates that ROSINA should obtain very sensitive measurements of these ratios in the cometary environment. These measurements will allow detection of fractionation as function of the distance from the nucleus as well as fractionation due to mechanisms that are correlated with heliocentric distance.

2-methiopropamine, a thiopene analogue of metamphetamine: studies on its metabolism abt detectability in the rat and human using

2-Methiopropamine [1-(thiophen-2-yl)-2-methylaminopropane, 2-MPA], a thiophene analogue of methamphetamine, is available from online vendors selling "Research chemicals." The first samples were seized by the German police in 2011. As it is a recreational stimulant, its inclusion in routine drug screening protocols should be required. The aims of this study were to identify the phase I and II metabolites of 2-MPA in rat and human urine and to identify the human cytochrome-P450 (CYP) isoenzymes involved in its phase I metabolism. In addition, the detectability of 2-MPA in urine samples using the authors' well-established gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography-linear ion trap-mass spectrometry (LC-MS(n)) screening protocols was also evaluated. The metabolites were isolated from rat and human urine samples by solid-Phase extraction without or following enzymatic cleavage of conjugates. The phase I metabolites, following acetylation, were separated and identified by GC-MS and/or liquid chromatography-high-resolution linear ion trap mass spectrometry (LC-HR-MS(n)) and the phase II metabolites by LC-HR-MS(n). The following Major metabolic pathways were proposed: N-demethylation, hydroxylation at the side chain and at the thiophene ring, and combination of these transformations followed by glucuronidation and/or sulfation. CYP1A2, CYP2C19, CYP2D6, and CYP3A4 were identified as the major phase I metabolizing enzymes. They were also involved in the N-demethylation of the analogue methamphetamine and CYP2C19, CYP2D6, and CYP3A4 in its ring hydroxylation. Following the administration of a typical user's dose, 2-MPA and its metabolites were identified in rat urine using the authors' GC-MS and the LC-MS(n) screening approaches. Ingestion of 2-MPA could also be detected by both protocols in an authentic human urine sample.

High precision determination of the terrestrial 40K abundance

Recent improvements in the precision of mass spectrometric measurements have reduced the uncertainty of K-Ar and 39Ar-40Ar ages measured on geological materials. Now the major sources of uncertainty are the uncertainties on the 40K decay constant and the absolute abundance of 40K. In order to improve on this situation we determined the abundance of the 40K isotope in terrestrial standards. A ThermoFischer Triton+ thermal ionization mass spectrometer was used for K isotope ratio measurements of the NIST K standard reference materials SRM 918b and SRM 985. Ion beams were measured in Faraday cups with amplifiers equipped with 1E10, 1E11 and 1E12 Ω resistors. Three measurement protocols were used: (A) dynamic measurement with in-run fractionation correction by normalization to the IUPAC recommended isotope ratio 41K/39K = 0.0721677; (B) total evaporation; (C) a modified total evaporation with interblock baseline measurements. Different measurement protocols were combined with different loading procedures. The best results were obtained by loading samples on single tantalum filaments with 0.1M H3PO4. The total ion yields (ionization + transmission) were tested for the evaporation procedures (B) and (C) and ranged up to 48 %. The resulting best estimate for the 40K/39K ratio is 0.000 125 116 ± 57 (2σ), corresponding to 40K/K = (1.1668 ± 8; 2σ) x 10-4.