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

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

Development of a biorefinery scheme for the valorization of olive mill wastewaters and grape pomaces

In the Mediterranean area, olive mill wastewater (OMW) and grape pomace (GP) are among the major agro-industrial wastes produced. These two wastes have a high organic load and high phytotoxicity. Thus, their disposal in the environment can lead to negative effects. Second-generation biorefineries are dedicated to the valorization of biowaste by the production of goods from such residual biomasses. This approach can combine bioremediation approaches to the generation of noble molecules, biomaterials and energy. The main aim of this thesis work was to study the anaerobic digestion of OMW and GP under different operational conditions to produce volatile fatti acids (VFAs) (first stage aim) and CH4 (second stage aim). To this end, a packed-bed biofilm reactor (PBBR) was set up to perform the anaerobic acidogenic digestion of the liquid dephenolized stream of OMW (OMWdeph). In parallel, the solid stream of OMW (OMWsolid), previously separated in order to allow the solid phase extraction of polyphenols, was addressed to anaerobic methanogenic digestion to obtain CH4. The latter experiment was performed in 100ml Pyrex bottles which were maintained at different temperatures (55-45-37°C). Together with previous experiments, the anaerobic acidogenic digestion of fermented GP (GPfreshacid) and dephenolized and fermented GP (GPdephacid) was performed in 100ml Pyrex bottles to estimate the concentration of VFAs achievable from each aforementioned GPs. Finally, the same matrices of GP and not pre-treated GP (GPfresh) were digested under anaerobic methanogenic condition to produce CH4. Anaerobic acidogenic and methanogenic digestion processes of GPs lasted about 33 days. Instead, the anaerobic acidogenic and methanogenic digestion process of OMWs lasted about 121 and 60 days, respectively. Each experiment was periodically monitored by analysing volume and composition of produced biogas and VFA concentration. Results showed that VFAs were produced in higher concentrations in GP compared to OMWdeph. The overall concentration of VFAs from GPfreshacid was approximately 39.5 gCOD L-1, 29 gCOD L-1 from GPdephacid, and 8.7 gCOD L-1 from OMWdeph. Concerning the CH4 production, the OMWsolid reached a high biochemical methane potential (BMP) at a thermophilic temperature (55°) than at mesophlic ones (37-45°C). The value reached was about 358.7 mlCH4 gSVsub-1. In contrast, GPfresh got a high BMP but at a mesophilic temperature. The BMP was about 207.3 mlCH4 gSVsub-1, followed by GPfreshacid with about 192.6 mlCH4 gSVsub-1 and lastly GPdephacid with about 102.2 mlCH4 gSVsub-1. In summary, based on the gathered results, GP seems to be a better carbon source for acidogenic and methanogenic microrganism compared to OMW, because higher amount of VFAs and CH4 were produced in AD of GP than OMW. In addition to these products, polyphenols were extracted by means of a solid phase extraction (SPE) procedure by another research group, and VFAs were utilised for biopolymers production, in particular polyhydroxyalkanoates (PHAs), by the same research group in which I was involved.

LC-MS/MS screening method for designer amphetamines, tryptamines, and piperazines in serum

Since the late 1990s and early 2000s, derivatives of well-known designer drugs as well as new psychoactive compounds have been sold on the illicit drug market and have led to intoxications and fatalities. The LC-MS/MS screening method presented covers 31 new designer drugs as well as cathinone, methcathinone, phencyclidine, and ketamine which were included to complete the screening spectrum. All but the last two are modified molecular structures of amphetamine, tryptamine, or piperazine. Among the amphetamine derivatives are cathinone, methcathinone, 3,4-DMA, 2,5-DMA, DOB, DOET, DOM, ethylamphetamine, MDDMA, 4-MTA, PMA, PMMA, 3,4,5-TMA, TMA-6 and members of the 2C group: 2C-B, 2C-D, 2C-H, 2C-I, 2C-P, 2C-T-2, 2C-T-4, and 2C-T-7. AMT, DPT, DiPT, MiPT, DMT, and 5MeO-DMT are contained in the tryptamine group, BZP, MDBP, TFMPP, mCPP, and MeOPP in the piperazine group. Using an Applied Biosystems LC-MS/MS API 365 TurboIonSpray it is possible to identify all 35 substances. After addition of internal standards and mixed-mode solid-phase extraction the analytes are separated using a Synergi Polar RP column and gradient elution with 1 mM ammonium formate and methanol/0.1% formic acid as mobile phases A and B. Data acquisition is performed in MRM mode with positive electro spray ionization. The assay is selective for all tested substances. Limits of detection were determined by analyzing S/N-ratios and are between 1.0 and 5.0 ng/mL. Matrix effects lie between 65% and 118%, extraction efficiencies range from 72% to 90%.

On-line SPE LC-MS/MS for the quantification of Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) and its two major metabolites in human peripheral blood by liquid chromatography tandem mass spectrometry

A universal and robust analytical method for the determination of Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) and two of its metabolites Δ9-(11-OH)-tetrahydrocannabinol (11-OH-THC) and 11-nor-Δ9-carboxy-tetrahydrocannabinol (THC-COOH) in human whole blood was developed and validated for use in forensic toxicology. Protein precipitation, integrated solid phase extraction and on-line enrichment followed by high-performance liquid chromatography separation and detection with a triple quadrupole mass spectrometer were combined. The linear ranges used for the three cannabinoids were from 0.5 to 20 ng/mL for THC and 11-OH-THC and from 2.5 to 100 ng/mL for THC-COOH, therefore covering the requirements for forensic use. Correlation coefficients of 0.9980 or better were achieved for all three analytes. No relevant hydrolysis was observed for THC-COOH glucuronide with this procedure--in contrast to our previous GC-MS procedure, which obviously lead to an artificial increase of the THC-COOH concentration due to the hydrolysis of the glucuronide-conjugate occurring at high pH during the phase-transfer catalyzed methylation step.

NON-CHROMATOGRAPHIC PURIFICATION OF SYNTHETIC BIO-OLIGOMERS

Synthetic oligonucleotides and peptides have found wide applications in industry and academic research labs. There are ~60 peptide drugs on the market and over 500 under development. The global annual sale of peptide drugs in 2010 was estimated to be $13 billion. There are three oligonucleotide-based drugs on market; among them, the FDA newly approved Kynamro was predicted to have a $100 million annual sale. The annual sale of oligonucleotides to academic labs was estimated to be $700 million. Both bio-oligomers are mostly synthesized on automated synthesizers using solid phase synthesis technology, in which nucleoside or amino acid monomers are added sequentially until the desired full-length sequence is reached. The additions cannot be complete, which generates truncated undesired failure sequences. For almost all applications, these impurities must be removed. The most widely used method is HPLC. However, the method is slow, expensive, labor-intensive, not amendable for automation, difficult to scale up, and unsuitable for high throughput purification. It needs large capital investment, and consumes large volumes of harmful solvents. The purification costs are estimated to be more than 50% of total production costs. Other methods for bio-oligomer purification also have drawbacks, and are less favored than HPLC for most applications. To overcome the problems of known biopolymer purification technologies, we have developed two non-chromatographic purification methods. They are (1) catching failure sequences by polymerization, and (2) catching full-length sequences by polymerization. In the first method, a polymerizable group is attached to the failure sequences of the bio-oligomers during automated synthesis; purification is achieved by simply polymerizing the failure sequences into an insoluble gel and extracting full-length sequences. In the second method, a polymerizable group is attached to the full-length sequences, which are then incorporated into a polymer; impurities are removed by washing, and pure product is cleaved from polymer. These methods do not need chromatography, and all drawbacks of HPLC no longer exist. Using them, purification is achieved by simple manipulations such as shaking and extraction. Therefore, they are suitable for large scale purification of oligonucleotide and peptide drugs, and also ideal for high throughput purification, which currently has a high demand for research projects involving total gene synthesis. The dissertation will present the details about the development of the techniques. Chapter 1 will make an introduction to oligodeoxynucleotides (ODNs), their synthesis and purification. Chapter 2 will describe the detailed studies of using the catching failure sequences by polymerization method to purify ODNs. Chapter 3 will describe the further optimization of the catching failure sequences by polymerization ODN purification technology to the level of practical use. Chapter 4 will present using the catching full-length sequence by polymerization method for ODN purification using acid-cleavable linker. Chapter 5 will make an introduction to peptides, their synthesis and purification. Chapter 6 will describe the studies using the catching full-length sequence by polymerization method for peptide purification.

Determination of ajulemic acid and its glucuronide in human plasma by gas chromatography-mass spectrometry

A method using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and solid-phase extraction (SPE) was developed for the determination of ajulemic acid (AJA), a non-psychoactive synthetic cannabinoid with interesting therapeutic potential, in human plasma. When using two calibration graphs, the assay linearity ranged from 10 to 750 ng/ml, and 750 to 3000 ng/ml AJA. The intra- and inter-day precision (R.S.D., %), assessed across the linear ranges of the assay, was between 1.5 and 7.0, and 3.6 and 7.9, respectively. The limit of quantitation (LOQ) was 10 ng/ml. The amount of AJA glucuronide was determined by calculating the difference in the AJA concentration before ("free AJA") and after enzymatic hydrolysis ("total AJA"). The present method was used within a clinical study on 21 patients suffering from neuropathic pain with hyperalgesia and allodynia. For example, plasma levels of 599.4+/-37.2 ng/ml (mean+/-R.S.D., n=9) AJA were obtained for samples taken 2 h after the administration of an oral dose of 20 mg AJA. The mean AJA glucuronide concentration at 2h was 63.8+/-127.9 ng/ml.

Optimized Demineralization Technique for the Measurement of Stable Isotope Ratios of Nonexchangeable H in Soil Organic Matter

To make use of the isotope ratio of nonexchangeable hydrogen (δ2Hn (nonexchangeable)) of bulk soil organic matter (SOM), the mineral matrix (containing structural water of clay minerals) must be separated from SOM and samples need to be analyzed after H isotope equilibration. We present a novel technique for demineralization of soil samples with HF and dilute HCl and recovery of the SOM fraction solubilized in the HF demineralization solution via solid-phase extraction. Compared with existing techniques, organic C (Corg) and organic N (Norg) recovery of demineralized SOM concentrates was significantly increased (Corg recovery using existing techniques vs new demineralization method: 58% vs 78%; Norg recovery: 60% vs 78%). Chemicals used for the demineralization treatment did not affect δ2Hn values as revealed by spiking with deuterated water. The new demineralization method minimized organic matter losses and thus artificial H isotope fractionation, opening up the opportunity to use δ2Hn analyses of SOM as a new tool in paleoclimatology or geospatial forensics.

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.

A quantitiative LC-MS/MS method for the measurement of arachidonic acid, prostanoids, endocannabinoids, N-acylethanolamines and steroids in human plasma.

Free arachidonic acid is functionally interlinked with different lipid signaling networks including those involving prostanoid pathways, the endocannabinoid system, N-acylethanolamines, as well as steroids. A sensitive and specific LC-MS/MS method for the quantification of arachidonic acid, prostaglandin E2, thromboxane B2, anandamide, 2-arachidonoylglycerol, noladin ether, lineoyl ethanolamide, oleoyl ethanolamide, palmitoyl ethanolamide, steroyl ethanolamide, aldosterone, cortisol, dehydroepiandrosterone, progesterone, and testosterone in human plasma was developed and validated. Analytes were extracted using acetonitrile precipitation followed by solid phase extraction. Separations were performed by UFLC using a C18 column and analyzed on a triple quadrupole MS with electron spray ionization. Analytes were run first in negative mode and, subsequently, in positive mode in two independent LC-MS/MS runs. For each analyte, two MRM transitions were collected in order to confirm identity. All analytes showed good linearity over the investigated concentration range (r>0.98). Validated LLOQs ranged from 0.1 to 190ng/mL and LODs ranged from 0.04 to 12.3ng/mL. Our data show that this LC-MS/MS method is suitable for the quantification of a diverse set of bioactive lipids in plasma from human donors (n=32). The determined plasma levels are in agreement with the literature, thus providing a versatile method to explore pathophysiological processes in which changes of these lipids are implicated.

(Table 1) Color, Fe-C-S chemistry and carbonate content from ODP Sites 172-1062 and 172-1063

Reflectance spectra collected during ODP Leg 172 were used in concert with solid phase iron chemistry, carbonate content, and organic carbon content measurements to evaluate the agents responsible for setting the color in sediments. Factor analysis has proved a valuable and rapid technique to detect the local and regional primary factors that influence sediment color. On the western North Atlantic drifts, sediment color is the result of primary mineralogy as well as diagenetic changes. Sediment lightness is controlled by the carbonate content while the hue is primarily due to the presence of hematite and Fe2+/Fe3+ changes in clay minerals. Hematite, most likely derived from the Permo-Carboniferous red beds of the Canadian Maritimes, is differentially preserved at various sites due to differences in reductive diagenesis and dilution by other sedimentary components. Various intensities for diagenesis result from changes in organic carbon content, sedimentation rates, and H2S production via anaerobic methane oxidation. Iron monosulfides occur extensively at all high sedimentation sites especially in glacial periods suggesting increased high terrigenous flux and/or increased reactive iron flux in glacials.

Geochemistry of continental slope and deep sea basin sediments off Uruguay

Pore water and solid phase from surface sediments of the continental slope off Uruguay and from the Argentine Basin (southwestern Atlantic) were investigated geochemically to ascribe characteristic early diagenetic reactions of iron and manganese. Solid-phase iron speciation was determined by extractions as well as by Mössbauer spectroscopy. Both methods showed good agreement (<6% deviation) for total-Fe speciation. The proportion of easy reducible iron oxyhydroxide relative to total-Fe oxides decreased from the continental slope to the deep sea which is attributed to an increase in crystallinity during transport as well as to a general decrease of iron mobilization. The product of iron reoxidation is Fe oxyhydroxide which made up less than 5% of total Fe. In addition to this fraction, a proportion of smectite bound iron was found to be redox reactive. This fraction made up to 10% of total Fe in sediments of the Argentine Basin and was quantitatively extracted by 1 N HCl. The redox reactive Fe(+II) fraction of smectite was almost completely reoxidized within 24 h under air atmosphere and may therefore considerably contribute to iron redox cycling if bioturbation occurs. In the case of the slope sediments we found concurrent iron and manganese release to pore water. It is not clear whether this is caused by dissimilatory iron and manganese reduction at the same depth or dissimilatory iron reduction alone inducing Mn(+IV) reduction by (abiotic) reaction with released Fe2+. The Argentine Basin sediment showed a significant manganese solid-phase enrichment above the denitrification depth despite the absence of a distinct pore-water gradient of Mn. This implies a recent termination of manganese mobilization and thus a non-steady-state situation with respect to sedimentation or to organic carbon burial rate.

Methanol and ethanol analysis in marine sediment pore water

Low-molecular-weight (LMW) alcohols are produced during the microbial degradation of organic matter from precursors such as lignin, pectin, and carbohydrates. The biogeochemical behavior of these alcohols in marine sediment is poorly constrained but potentially central to carbon cycling. Little is known about LMW alcohols in sediment pore waters because of their low concentrations and high water miscibility, both of which pose substantial analytical challenges. In this study, three alternative methods were adapted for the analysis of trace amounts of methanol and ethanol in small volumes of saline pore waters: direct aqueous injection (DAI), solid-phase microextraction (SPME), and purge and trap (P&T) in combination with gas chromatography (GC) coupled to either a flame ionization detector (FID) or a mass spectrometer (MS). Key modifications included the desalination of samples prior to DAI, the use of a threaded midget bubbler to purge small-volume samples under heated conditions and the addition of salt during P&T. All three methods were validated for LMW alcohol analysis, and the lowest detection limit (60 nM and 40 nM for methanol and ethanol, respectively) was achieved with the P&T technique. With these methods, ambient concentrations of volatile alcohols were determined for the first time in marine sediment pore waters of the Black Sea and the Gulf of Mexico. A strong correlation between the two compounds was observed and tentatively interpreted as being controlled by similar sources and sinks at the examined stations.