Effects of a cyanobacterial extract containing-anatoxin-a(s) on the cardiac rhythm of Leurolestes circunvagans

This work presents the effects of an anatoxin-a(s)-containing extract on a cockroach semi-isolated heart preparation and the results supporting the extract s biological activity on acetylcholinesterase (purified from ell). The presence of the toxin in cyanobacterial strains Anabaena spiroides (ITEP-024, ITEP-025 and ITEP-026) isolated from the Tapacurá reservoir in Pernambuco, Brazil, was confirmed by means of liquid chromatography coupled to an ion-trap mass spectrometer. The anticholinesterase activity was assessed biochemically by the Ellman test and was confirmed by measuring the cockroach s heart rate. The concentration of the extract containing the tested anatoxin-a(s) (antx-a(s)) (10, 16 and 100 μg.μL-1) inhibited the eel acetylcholinesterase (AChE) by more than 90%. The cockroach cardiac frequency increased by a maximum of about 20% within 29 min after the addition of 2.5x10³ μg of extract containing antxa (s).g-1 bw (n=9, p<0.05). Our results strongly indicate that antx-a(s) is capable of exerting biological effects on cockroach, indicating that more research might be conducted to determine its role in the environment, especially on insects.

Identifizierung und Quantifizierung von sauren Markersubstanzen für troposphärisches sekundäres organisches Aerosol aus biogenen Kohlenwasserstoffen mittels Kapillar-HPLC-ESI-MS n

Sekundäres organisches Aerosol (SOA) ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Aerosolpartikeln. Atmosphärische Aerosole sind bedeutsam, da sie das Klima über direkte (Streuung und Absorption von Strahlung) und indirekte (Wolken-Kondensationskeime) Effekte beeinflussen. Nach bisherigen Schätzungen ist die SOA-Bildung aus biogenen Kohlenwasserstoffen global weit wichtiger als die SOA-Bildung aus anthropogenen Kohlenwasserstoffen. Reaktive Kohlenwasserstoffe, die in großen Mengen von der Vegetation emittiert werden und als die wichtigsten Vorläufersubstanzen für biogenes SOA gelten, sind die Terpene. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche die Quantifizierung von aciden Produkten der Terpen-Oxidation ermöglicht. Die Abscheidung des größenselektierten Aerosols (PM 2.5) erfolgte auf Quarzfilter, die unter Zuhilfenahme von Ultraschall mittels Methanol extrahiert wurden. Nach Aufkonzentrierung und Lösungsmittelwechsel auf Wasser sowie Standardaddition wurden die Proben mit einer Kapillar-HPLC-ESI-MSn-Methode analysiert. Das verwendete Ionenfallen-Massenspektrometer (LCQ-DECA) bietet die Möglichkeit, Strukturaufklärung durch selektive Fragmentierung der Qasimolekülionen zu betreiben. Die Quantifizierung erfolgte teilweise im MS/MS-Modus, wodurch Selektivität und Nachweisgrenze verbessert werden konnten. Um Produkte der Terpen-Oxidation zu identifizieren, die nicht als Standards erhältlich waren, wurden Ozonolysexperimente durchgeführt. Dadurch gelang die Identifizierung einer Reihe von Oxidationsprodukten in Realproben. Neben schon bekannten Produkten der Terpen-Oxidation konnten einige Produkte erstmals in Realproben eindeutig als Produkte des α Pinens nachgewiesen werden. In den Proben der Ozonolyseexperimente konnten auch Produkte mit hohem Molekulargewicht (>300 u) nachgewiesen werden, die Ähnlichkeit zeigen zu den als Dimeren oder Polymeren in der Literatur bezeichneten Substanzen. Sie konnten jedoch nicht in Feldproben gefunden werden. Im Rahmen von 5 Messkampagnen in Deutschland und Finnland wurden Proben der atmosphärischen Partikelphase genommen. Die Quantifizierung von Produkten der Oxidation von α-Pinen, β-Pinen, 3-Caren, Sabinen und Limonen in diesen Proben ergab eine große zeitliche und örtliche Variationsbreite der Konzentrationen. Die Konzentration von Pinsäure bewegte sich beispielsweise zwischen etwa 0,4 und 21 ng/m³ während aller Messkampagnen. Es konnten stets Produkte verschiedener Terpene nachgewiesen werden. Produkte einiger Terpene eignen sich sogar als Markersubstanzen für verschiedene Pflanzenarten. Sabinen-Produkte wie Sabinsäure können als Marker für die Emissionen von Laubbäumen wie Buchen oder Birken verwendet werden, während Caren-Produkte wie Caronsäure als Marker für Nadelbäume, speziell Kiefern, verwendet werden können. Mit den quantifizierten Substanzen als Marker wurde unter zu Hilfenahme von Messungen des Gehaltes an organischem und elementarem Kohlenstoff im Aerosol der Anteil des sekundären organischen Aerosols (SOA) errechnet, der von der Ozonolyse der Terpene stammt. Erstaunlicherweise konnten nur 1% bis 8% des SOA auf die Ozonolyse der Terpene zurückgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, dass die Ozonolyse der Terpene die wichtigste Quelle für biogenes SOA darstellt. Gründe für diese Diskrepanz werden in der Arbeit diskutiert. Um die atmosphärischen Prozesse der Bildung von SOA vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.

Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen Ionenfallen-Massenspektrometers für Aerosolpartikel (AIMS)

Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

Nuclear charge radius determination of 7,10 Be and the one-neutron halo nucleus 11 Be

The only nuclear model independent method for the determination of nuclear charge radii of short-lived radioactive isotopes is the measurement of the isotope shift. For light elements (Z < 10) extremely high accuracy in experiment and theory is required and was only reached for He and Li so far. The nuclear charge radii of the lightest elements are of great interest because they have isotopes which exhibit so-called halo nuclei. Those nuclei are characterized by a a very exotic nuclear structure: They have a compact core and an area of less dense nuclear matter that extends far from this core. Examples for halo nuclei are 6^He, 8^He, 11^Li and 11^Be that is investigated in this thesis. Furthermore these isotopes are of interest because up to now only for such systems with a few nucleons the nuclear structure can be calculated ab-initio. In the Institut für Kernchemie at the Johannes Gutenberg-Universität Mainz two approaches with different accuracy were developed. The goal of these approaches was the measurement of the isotope shifts between (7,10,11)^Be^+ and 9^Be^+ in the D1 line. The …first approach is laser spectroscopy on laser cooled Be^+ ions that are trapped in a linear Paul trap. The accessible accuracy should be in the order of some 100 kHz. In this thesis two types of linear Paul traps were developed for this purpose. Moreover, the peripheral experimental setup was simulated and constructed. It allows the efficient deceleration of fast ions with an initial energy of 60 keV down to some eV and an effcient transport into the ion trap. For one of the Paul traps the ion trapping could already be demonstrated, while the optical detection of captured 9^Be^+ ions could not be completed, because the development work was delayed by the second approach. The second approach uses the technique of collinear laser spectroscopy that was already applied in the last 30 years for measuring isotope shifts of plenty of heavier isotopes. For light elements (Z < 10), it was so far not possible to reach the accuracy that is required to extract information about nuclear charge radii. The combination of collinear laser spectroscopy with the most modern methods of frequency metrology …finally permitted the …first-time determination of the nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one neutron halo nucleus 11^Be at the COLLAPS experiment at ISOLDE/ CERN. In the course of the work reported in this thesis it was possible to measure the absolute transition frequencies and the isotope shifts in the D1 line for the Be isotopes mentioned above with an accuracy of better than 2 MHz. Combination with the most recent calculations of the mass effect allowed the extraction of the nuclear charge radii of (7,10,11)^Be with an relative accuracy better than 1%. The nuclear charge radius decreases from 7^Be continuously to 10^Be and increases again for 11^Be. This result is compared with predictions of ab-initio nuclear models which reproduce the observed trend. Particularly the "Greens Function Monte Carlo" and the "Fermionic Molecular Dynamic" model show very good agreement.

Massenspektrometrische Untersuchungen und Nachweise von organischen Hydroperoxiden und höhermolekularen Verbindungen im biogenen sekundären organischen Aerosol

Atmosphärische Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt und damit das Klima der Erde. Dies geschieht sowohl direkt (Streuung und Absorption), als auch indirekt (Wolkenkondensationskeime). Das sekundäre organische Aerosol (SOA) bildet einen wichtigen Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Seine Bildung erfolgt durch Reaktionen von Kohlenwasserstoffen mit atmosphärischen Oxidationsmitteln (z.B. Ozon, OH-Radikalen). Eine Klasse dieser Kohlenwasserstoffe sind die Terpene. Sie werden in großen Mengen durch die Vegetation emittiert und gelten als wichtige Vorläufersubstanzen des biogenen SOAs. In den Reaktionen von Monoterpenen und Sesquiterpenen mit atmosphärischen Reaktionspartnern wird eine große Vielfalt an multifunktionellen Reaktionsprodukten gebildet, von denen bis heute nur ein Bruchteil identifiziert werden konnte. In der vorliegenden Arbeit soll im Speziellen die Bildung von organischen Peroxiden und oligomeren Verbindungen im biogenen SOA untersucht und Nachweise einzelner Moleküle erbracht werden.rnFür eine Identifizierung von organischen Peroxiden aus der Oxidation einzelner Monoterpene und Sesquiterpene mit Ozon wurden die Reaktionsprodukte direkt in eine bei Atmosphärendruck arbeitende chemische Ionisationsquelle überführt und massenspektrometrisch untersucht (online-APCI-MS). Hierdurch konnten organische Hydroperoxide in der Partikelphase nachgewiesen werden, welche sich durch eine signifikante Abspaltung von H2O2 im Tandem-Massenspektrum (MS/MS) auszeichneten. Des Weiteren sollte die Bildung von höhermolekularen Verbindungen („Dimere“) im SOA des α-Pinens untersucht werden. Hierfür wurden zunächst die Reaktionsprodukte des Cyclohexens, das als einfache Modellverbindung des α-Pinens dient, mittels online-APCI-MS und offline durch Flüssigkeitschromatographie und Elektrospray-Ionenfallenmassenspektrometrie (HPLC/ESI-MS) untersucht. Verschiedene Produkte der Cyclohexen-Ozonolyse konnten hierbei als Esterverbindungen identifiziert werden, wobei eigens synthetisierte Referenzsubstanzen für die Identifizierung verwendet wurden. In einem weiteren Experiment, indem gleichzeitig Cyclohexen und α-Pinen mit Ozon umgesetzt wurden, konnten ebenfalls eine Bildung von höhermolekularen Estern nachgewiesen werden. Es handelte sich hierbei um „Mischester“, deren Struktur aus Reaktionsprodukten der beiden VOC-Vorläufermoleküle aufgebaut war. Durch diese neuen Erkenntnisse, über die Bildung von Estern im SOA des Cyclohexens, wurden die Dimer-Bildung einer reinen α-Pinen/Ozon-Reaktion online und offline massenspektrometrisch untersucht. Hier stellten sich als Hauptprodukte die Verbindungen mit m/z 357 und m/z 367 ([M-H]--Ionen) heraus, welche zudem erstmals auf einem Filter einer Realprobe aus Hyytiälä, Finnland nachgewiesen werden konnten. Aufgrund ihrer Fragmentierung in MS/MS-Untersuchungen sowie den exakten Summenformeln aus FT-MS Messungen konnte für die Struktur der höhermolekularen Verbindung mit m/z 367 ebenfalls ein Ester und für m/z 357 ein Peroxyhemiacetal vorgeschlagen werden. Die vorgeschlagene Struktur der Verbindung m/z 367 konnte im Anschluss über eine Reaktion aus Hydroxypinonsäure mit Pinsäure bestätigt werden. Die Identifizierung der Esterverbindung des α-Pinen-SOA erfolgte ebenfalls mit Hilfe von LC-MSn-Messungen.rnDie bisher diskutierten Ergebnisse, sowie die meisten in der Literatur beschriebenen Studien befassen sich jedoch mit einzelnen Vorläuferverbindungen, im Gegensatz zu den komplexen SOA-Proben aus den Emissionen der Vegetation. Im Rahmen einer Messkampagne am Forschungszentrum Jülich erfolgte eine massenspektrometrische Charakterisierung (online-APCI-MS) des SOAs aus direkten VOC-Emissionen von Pflanzen. Durch einen Vergleich der Produktverteilung dieser erhalten online-Massenspektren mit denen aus den Reaktionen einzelner VOCs, konnten Aussagen über die in den Reaktionen umgesetzten VOCs gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass in stressbedingten Situationen die untersuchten Exemplare der Betula pendula (Birke) hauptsächlich Sesquiterpene, Picea abies (Fichte) eher Monoterpene und Eucalyptus (Eukalyptus) sowohl Sesquiterpene als auch Monoterpene emittieren. Um die atmosphärischen Prozesse, die zur Bildung der Produkte im SOA führen vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.rn

Das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) : Aufbau, Charakterisierung und Feldeinsatz

Um die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können, ist es wichtig dort vorhandene Partikel gut charakterisieren zu können. Dazu gehört unter anderem die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Partikel. Zur Analyse insbesondere organischer Partikel wurde dazu in einer früheren Promotion das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) entwickelt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Charakteristiken des Prototypen zu verbessern sowie es für den Feldeinsatz tauglich zu machen. Die durchgeführten Veränderungen betreffen mechanische und elektrische Komponenten sowie das LabView Steuerungsprogramm. So wurde z.B. die Ionenquelle derart modifiziert, dass die Ionen nicht mehr permanent erzeugt werden, sondern nur innerhalb des Zeitraums wenn sie auch in der Ionenfalle gespeichert werden können. Durch diese Modifikation konnte das Signal-zu-Rausch Verhältnis deutlich verbessert werden. Nach Beendigung der Umbauten wurden in ausführlichen Laborstudien die einzelnen Instrumentenparameter detailliert charakterisiert. Neben den Spannungen die zur Fokussierung oder zur Speicherung der Ionen in der Ionenfalle dienen, wurden die unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung, mittels der die Ionen in der Ionenfalle gezielt zu Schwingungen angeregt werden können, sehr genau untersucht. Durch eine gezielte Kombination der unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung ist es möglich MSn-Studien durchzuführen. Nach erfolgreicher Charakterisierung konnte in weiteren Laborstudien die MSn-Fähigkeit des AIMS demonstriert werden. Für Tryptophan (C11H12N2O2) wurde anhand von MS4-Studien ausgehend von m/z 130 ein möglicher Fragmentierungsweg identifiziert. Für die einzelnen Stufen der MS4-Studien wurden die Nachweisgrenzen abgeschätzt. Im Rahmen der PARADE (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) Messkampagne im August/September 2011 auf dem kleinen Feldberg in der Nähe von Frankfurt am Main wurde die Feldtauglichkeit des AIMS demonstriert. Die Nachweisgrenzen liegen für eine Mittelungszeit von 60 Minuten für Organik bei 1,4 µg m-3, für Nitrat bei 0,5 µg m-3 und für Sulfat bei 0,7 µg m-3, was ausreichend ist um atmosphärisches Aerosol messen zu können. Dies ist ein signifikanter Fortschritt im Vergleich zum Prototypen, der aufgrund schlechter Reproduzierbarkeit und Robustheit noch nicht feldtauglich war. Im Vergleich zum HR-ToF-AMS, einem Standard-Aerosolmassenspektrometer, zeigte sich, dass beide Instrumente vergleichbare Trends für die Spezies Nitrat, Sulfat und Organik messen.

Complementary mass spectrometric techniques for the characterization of the organic fraction in atmospheric aerosols

Aerosol particles are strongly related to climate, air quality, visibility and human health issues. They contribute the largest uncertainty in the assessment of the Earth´s radiative budget, directly by scattering or absorbing solar radiation or indirectly by nucleating cloud droplets. The influence of aerosol particles on cloud related climatic effects essentially depends upon their number concentration, size and chemical composition. A major part of submicron aerosol consists of secondary organic aerosol (SOA) that is formed in the atmosphere by the oxidation of volatile organic compounds. SOA can comprise a highly diverse spectrum of compounds that undergo continuous chemical transformations in the atmosphere.rnThe aim of this work was to obtain insights into the complexity of ambient SOA by the application of advanced mass spectrometric techniques. Therefore, an atmospheric pressure chemical ionization ion trap mass spectrometer (APCI-IT-MS) was applied in the field, facilitating the measurement of ions of the intact molecular organic species. Furthermore, the high measurement frequency provided insights into SOA composition and chemical transformation processes on a high temporal resolution. Within different comprehensive field campaigns, online measurements of particular biogenic organic acids were achieved by combining an online aerosol concentrator with the APCI-IT-MS. A holistic picture of the ambient organic aerosol was obtained through the co-located application of other complementary MS techniques, such as aerosol mass spectrometry (AMS) or filter sampling for the analysis by liquid chromatography / ultrahigh resolution mass spectrometry (LC/UHRMS).rnIn particular, during a summertime field study at the pristine boreal forest station in Hyytiälä, Finland, the partitioning of organic acids between gas and particle phase was quantified, based on the online APCI-IT-MS and AMS measurements. It was found that low volatile compounds reside to a large extent in the gas phase. This observation can be interpreted as a consequence of large aerosol equilibration timescales, which build up due to the continuous production of low volatile compounds in the gas phase and/or a semi-solid phase state of the ambient aerosol. Furthermore, in-situ structural informations of particular compounds were achieved by using the MS/MS mode of the ion trap. The comparison to MS/MS spectra from laboratory generated SOA of specific monoterpene precursors indicated that laboratory SOA barely depicts the complexity of ambient SOA. Moreover, it was shown that the mass spectra of the laboratory SOA more closely resemble the ambient gas phase composition, indicating that the oxidation state of the ambient organic compounds in the particle phase is underestimated by the comparison to laboratory ozonolysis. These observations suggest that the micro-scale processes, such as the chemistry of aerosol aging or the gas-to-particle partitioning, need to be better understood in order to predict SOA concentrations more reliably.rnDuring a field study at the Mt. Kleiner Feldberg, Germany, a slightly different aerosol concentrator / APCI-IT-MS setup made the online analysis of new particle formation possible. During a particular nucleation event, the online mass spectra indicated that organic compounds of approximately 300 Da are main constituents of the bulk aerosol during ambient new particle formation. Co-located filter analysis by LC/UHRMS analysis supported these findings and furthermore allowed to determine the molecular formulas of the involved organic compounds. The unambiguous identification of several oxidized C 15 compounds indicated that oxidation products of sesquiterpenes can be important compounds for the initial formation and subsequent growth of atmospheric nanoparticles.rnThe LC/UHRMS analysis furthermore revealed that considerable amounts of organosulfates and nitrooxy organosulfates were detected on the filter samples. Indeed, it was found that several nitrooxy organosulfate related APCI-IT-MS mass traces were simultaneously enhanced. Concurrent particle phase ion chromatography and AMS measurements indicated a strong bias between inorganic sulfate and total sulfate concentrations, supporting the assumption that substantial amounts of sulfate was bonded to organic molecules.rnFinally, the comprehensive chemical analysis of the aerosol composition was compared to the hygroscopicity parameter kappa, which was derived from cloud condensation nuclei (CCN) measurements. Simultaneously, organic aerosol aging was observed by the evolution of a ratio between a second and a first generation biogenic oxidation product. It was found that this aging proxy positively correlates with increasing hygroscopicity. Moreover, it was observed that the bonding of sulfate to organic molecules leads to a significant reduction of kappa, compared to an internal mixture of the same mass fractions of purely inorganic sulfate and organic molecules. Concluding, it has been shown within this thesis that the application of modern mass spectrometric techniques allows for detailed insights into chemical and physico-chemical processes of atmospheric aerosols.rn

Lipid remodelling of glycosylphosphatidylinositol (GPI) glycoconjugates in procyclic-form trypanosomes: biosynthesis and processing of GPIs revisited

The African trypanosome, Trypanosoma brucei, has been used as a model to study the biosynthesis of GPI (glycosylphosphatidylinositol) anchors. In mammalian (bloodstream)-form parasites, diacyl-type GPI precursors are remodelled in their lipid moieties before attachment to variant surface glycoproteins. In contrast, the GPI precursors of insect (procyclic)-form parasites, consisting of lyso-(acyl)PI (inositol-acylated acyl-lyso-phosphatidylinositol) species, remain unaltered before protein attachment. By using a combination of metabolic labelling, cell-free assays and complementary MS analyses, we show in the present study that GPI-anchored glycoconjugates in T. congolense procyclic forms initially receive tri-acylated GPI precursors, which are subsequently de-acylated either at the glycerol backbone or on the inositol ring. Chemical and enzymatic treatments of [3H]myristate-labelled lipids in combination with ESI-MS/MS (electrospray ionization-tandem MS) and MALDI-QIT-TOF-MS3 (matrix-assisted laser-desorption ionization-quadrupole ion trap-time-of-flight MS) analyses indicate that the structure of the lipid moieties of steady-state GPI lipids from T. congolense procyclic forms consist of a mixture of lyso-(acyl)PI, diacyl-PI and diacyl-(acyl)PI species. Interestingly, some of these species are myristoylated at the sn-2 position. To our knowledge, this is the first demonstration of lipid remodelling at the level of protein- or polysaccharide-linked GPI anchors in procyclic-form trypanosomes.

Formation of Phosphatidylethanol and Its Subsequent Elimination During an Extensive Drinking Experiment Over 5 Days

BACKGROUND: For almost 30 years, phosphatidylethanol (PEth) has been known as a direct marker of alcohol consumption. This marker stands for consumption in high amounts and for a longer time period, but it has been also detected after 1 high single intake of ethanol (EtOH). The aim of this study was to obtain further information about the formation and elimination of PEth 16:0/18:1 by simulating extensive drinking. METHODS: After 3 weeks of alcohol abstinence, 11 test persons drank an amount of EtOH leading to an estimated blood ethanol concentration of 1 g/kg on each of 5 successive days. After the drinking episode, they stayed abstinent for 16 days with regular blood sampling. PEth 16:0/18:1 analysis was performed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (high-performance liquid chromatography 1100 system and QTrap 2000 triple quadrupole linear ion trap mass spectrometer. Values of blood alcohol were obtained using a standardized method with headspace gas chromatography flame ionization detector. RESULTS: Maximum measured concentrations of EtOH were 0.99 to 1.83 g/kg (mean 1.32 g/kg). These values were reached 1 to 3 hours after the start of drinking (mean 1.9 hours). For comparison, 10 of 11 volunteers had detectable PEth 16:0/18:1 values 1 hour after the start of drinking, ranging from 45 to 138 ng/ml PEth 16:0/18:1. Over the following days, concentrations of PEth 16:0/18:1 increased continuously and reached the maximum concentrations of 74 to 237 ng/ml between days 3 and 6. CONCLUSIONS: This drinking experiment led to measurable PEth concentrations. However, PEth 16:0/18:1 concentrations stayed rather low compared with those of alcohol abusers from previous studies.

Detection of ethyl glucuronide in blood spotted on different surfaces

This study aims to show that sensitive detection of ethyl glucuronide in dried blood spotted onto various surfaces after a period of 24h is feasible. At present, there is insufficient information how tightly ethyl glucuronide (EtG) binds to various materials and how easily it can be eluted. 4ml aliquots of blood samples obtained from seven volunteers after consumption of alcoholic beverages were applied to six different surfaces. After drying and a 24h-storage at 20±2°C the samples were re-dissolved in water, and EtG was subsequently analyzed by a LC-MS Paul-type ion trap. A comparison was made between dried and corresponding fluid samples. EtG was detectable in all subjects' samples following consumption of alcohol. EtG was also detectable after a storage time of four weeks at 4°C in whole blood that had been preserved with EDTA. EtG was detectable in all samples dried on different surfaces and its concentration remained relatively constant irrespective of the particular condition of the material. Detection of EtG in blood spots from the scene may indicate recent alcohol consumption in cases where collection of blood remained undone or could not be performed.

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).

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.

ON THE STABILITY OF SUPER-EARTH ATMOSPHERES

We investigate the stability of super-Earth atmospheres around M stars using a seven-parameter, analytical framework. We construct stability diagrams in the parameter space of exoplanetary radius versus semimajor axis and elucidate the regions in which the atmospheres are stable against the condensation of their major constituents, out of the gas phase, on their permanent nightside hemispheres. We find that super-Earth atmospheres that are nitrogen-dominated (Earth-like) occupy a smaller region of allowed parameter space, compared to hydrogen-dominated atmospheres, because of the dual effects of diminished advection and enhanced radiative cooling. Furthermore, some super-Earths which reside within the habitable zones of M stars may not possess stable atmospheres, depending on the mean molecular weight and infrared photospheric pressure of their atmospheres. We apply our stability diagrams to GJ 436b and GJ 1214b, and demonstrate that atmospheric compositions with high mean molecular weights are disfavored if these exoplanets possess solid surfaces and shallow atmospheres. Finally, we construct stability diagrams tailored to the Kepler data set, for G and K stars, and predict that about half of the exoplanet candidates are expected to harbor stable atmospheres if Earth-like conditions are assumed. We include 55 Cancri e and CoRoT-7b in our stability diagram for G stars

A new Time-Of-Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) for noble gas analysis

Noble gas analysis in early solar system materials, which can provide valuable information about early solar system processes and timescales, are very challenging because of extremely low noble gas concentrations (ppt). We therefore developed a new compact sized (33 cm length, 7.2cm diameter, 1.3 L internal volume) Time-of-Flight (TOF) noble gas mass spectrometer for high sensitivity. We call it as Edel Gas Time-of-flight (EGT) mass spectrometer. The instrument uses electron impact ionization coupled to an ion trap, which allows us to ionize and measure all noble gas isotopes. Using a reflectron set-up improves the mass resolution. In addition, the reflectron set-up also enables some extra focusing. The detection is via MCPs and the signals are processed either via ADC or TDC systems. The objective of this work is to understand the newly developed Time-Of-Flight (TOF) mass spectrometer for noble gas analysis in presolar grains of the meteorites. Chapter 1 briefly introduces the basic idea and importance of the instrument. The physics relevant to time-of-flight mass spectrometry technique is discussed in the Chapter 2 and Chapter 3 will present the oxidation technique of nanodiamonds of the presolar grains by using copper oxide. Chapter 4 will present the details about EGT data analysis software. Chapter 5 and Chapter 6 will explain the details about EGT design and operation. Finally, the performance results will be presented and discussed in the Chapter 7, and whole work is summarized in Chapter 8 and also outlook of the future work is given.

Chemical characterization and quantification of the brown algal storage compound laminarin

In search of a meaningful stress indicator for Fucus vesiculosus we found that the often used quantitative determination procedures for the polysaccharide laminarin (beta-1,3-glucan) result in different kind of problems, uncertainties and limitations. This chemical long-term storage form of carbon enables perennial brown algae in seasonally fluctuating ecosystems to uncouple growth from photosynthesis. Because of this high ecological relevance a reliable and precise method for determination and quantification of laminarin is needed. Therefore, a simple, cold water extraction method coupled to a new quantitative liquid chromatography-mass spectrometrical method (LC-MS) was developed. Laminarin was determined in nine out of twelve brown algal species, and its expected typical molar mass distribution of 2000-7000 Da was confirmed. Furthermore, laminarin consisted of a complex mixture of different chemical forms, since fifteen chemical laminarin species with distinct molecular weights were measured in nine species of brown algae. Laminarin concentrations in the algal tissues ranged from 0.03 to 0.86% dry weight (DW). The direct chemical characterization and quantification of laminarin by LC-MS represents a powerful method to verify the biochemical and ecological importance of laminarin for brown algae. Single individuals of Laminaria hyperborea, L. digitata, Saccharina latissima, F. serratus, F. vesiculosus, F. spiralis, Himanthalia elongata, Cystoseira tamariscifolia, Pelvetia canaliculata, Ascophyllum nodosum, Halidrys siliquosa and Dictyota dichotoma were collected in fall (18.11.2013) during spring low tide from the shore of Finavarra, Co. Clare, west coast of Ireland (53° 09' 25'' N, 09° 06' 58'' W). After sampling, the different algae were immediately transported to the lab, lyophilized and sent to the University of Rostock. Laminarin was extracted with cold ultrapure water from the algal samples. Before extraction they were ground to < 1 mm grain size with an analytical mill (Ika MF 10 Basic). The algal material (approx. 1.5 g DW) was extracted in ultrapure water (8 mL) on a shaker (250 rpm) for 5 h. After the addition of surplus ultrapure water (4 mL) and shaking manually, 1 mL of the sample was filter centrifuged (45 µm) at 14,000 rpm (Hettich Mikro 22 R). The slightly viscous supernatant was free of suspended material and converted into a microvial (300 µL) for further analysis. The extracts were analyzed using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) analysis (LTQ Velos Pro ion trap spectrometer with Accela HPLC, Thermo Scientific). Laminarin species were separated on a KinetexTM column (2.6 µm C18, 150 x 3 mm). The mobile phase was 90 % ultrapure water and 10 % acetonitrile, run isocratically at a flow rate of 0.2 mL min-1. MS was working in ESI negative ion mode in a mass range of 100 - 4000 amu. Glucose contents were determined after extraction using high-performance liquid chromatography (HPLC). Extracted samples were analyzed in an HPLC (SmartLine, Knauer GmbH) equipped with a SUPELCOGELTM Ca column (30 x 7,8 mm without preColumn) and RI-detector (S2300 PDA S2800). Water was used as eluent at a flow rate of 0.8 mL min-1 at 75 °C. Glucose was quantified by comparison of the retention time and peak area with standard solutions using ChromGate software. Mannitol was extracted from three subsamples of 10-20 mg powdered alga material (L. hyperborea, L. digitata, S. latissima, F. serratus, F. vesiculosus, F. spiralis, H. elongata, P. canaliculata, A. nodosum, H. siliquosa) and quantified, following the HPLC method described by Karsten et al. (1991). For analyzing carbon and nitrogen contents, dried algal material was ground to powder and three subsamples of 2 mg from each alga thalli were loaded and packed into tin cartridges (6×6×12 mm). The packages were combusted at 950 °C and the absolute contents of C and N were automatically quantified in an elemental analyzer (Elementar Vario EL III, Germany) using acetanilide as standard according to Verardo et al. (1990).