IonBrush - Neue plasmabasierte Ionisationsquelle bei Atmosphärendruck mit Kopplung an die Massenspektrometrie zur direkten Analyse von Biomarkern

• Applicant: Professor Dr. Carsten Engelhard
• Subject Area: Analytical Chemistry
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 161281065

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Die Zusammensetzung einer unbekannten Probe schnell, präzise, und mit geringem Aufwand bestimmen zu können, ist das Ziel der Ambient Desorption/Ionisation Mass Spectrometry (ADI-MS). Dabei ist es erst seit wenigen Jahren möglich, z.B. Sprengstoffspuren auf Kleidung oder Pestizide in und auf Lebensmitteln direkt und mit sehr kurzen Analysenzeiten (<1 Min) bestimmen zu können. Analyten werden dabei durch Laser oder reaktive Spezies von der Probe desorbiert und u.a. über Protonentransfer ionisiert. Mit Kopplung an ein Massenspektrometer können die ionisierten Analyten mit Nachweisgrenzen im Femtomol-Bereich detektiert werden. Die heute etablierten Methoden haben aber den Nachteil, dass stark temperaturempfindliche Proben wie beispielsweise Zellen in einer Zellkultur nicht zerstörungsfrei untersucht werden können. In diesem Projekt ist eine nicht-invasive Technik entwickelt worden, die die direkte massenspektrometrische Untersuchung von solchen Proben ermöglichen soll. Dazu wurde eine Ionisierungsquelle entwickelt, die bei Atmosphärendruck betrieben werden kann und auf einer dielektrisch behinderten Plasmaentladung (lowtemperature plasma, LTP) beruht. Diese wurde an ein hochauflösendes Massenspektrometer (HR-MS, Orbitrap) gekoppelt und in technisch aufwändigen Untersuchungen optimiert. Zum besseren Verständnis der Ionisierungsprozesse wurde die LTP mit etablierten Verfahren (ESI-MS, APCI-MS) verglichen. Schließlich wurde das Verfahren (LTP-HR-MS) zur direkten Untersuchung von verschiedenen Krebszellen (A549, HepG2) und gesunden Zellen (UROtsa) genutzt. Mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse gelang die Klassifizierung der Zellen nach direktem Screening der Zellkulturen.

Publications

• Characteristics of low-temperature plasma ionization for ambient mass spectrometry compared to electrospray ionization and atmospheric pressure chemical ionization, Anal. Chem., 2012, 84 (24), 10657–10664
  A. Albert, C. Engelhard
  
• “A Study of the Ionization Behavior of Several Compound Families in Low Temperature Plasma Ambient Desorption/Ionization High Resolution Mass Spectrometry”, ASMS 2012, Vancouver, Canada, 22.05.2012
  A. Albert, C. Engelhard
  
• Rapid characterization of lithium-ion battery electrolytes and thermal aging products by lowtemperature plasma ambient ionization high-resolution mass spectrometry Anal. Chem., 2013, 85 (6), 3433−3438
  B. Vortmann, S. Nowak, C. Engelhard
  
• “Identification of Thermal Aging Products of Electrolytes by Low-Temperature Plasma Ambient Ionization High-Resolution Mass Spectrometry”, ANAKON 2013, Essen, Deutschland, 04. – 07.03.2013
  B. Vortmann, S. Nowak, C. Engelhard
  
• “Low-temperature Plasma Ambient Desorption/Ionization High Resolution Mass Spectrometry: Fundamental Study of the Ionization Characteristics Compared to ESI and APCI”, 2013 European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Krakau, Polen, 10. –15.02.2013
  A. Albert, C. Engelhard
  
• “Strategy for Optimizing Low-Temperature Plasma Ambient Ionization for High-Resolution Mass Spectrometry: Design of Experiments”, 2013 European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Krakau, Polen, 10. – 15.02.2013
  A. Albert, C. Engelhard
  
• “Tunable Desorption/Ionization with Plasma-based Ambient Mass Spectrometry: Unraveling Mysteries of Lithium-Ion Battery Degradation”, ASMS 2013, Minneapolis, MA, USA, 09. – 13.06.2013
  J. T. Shelley, C. Kuhlmann, B. Vortmann, S. Nowak, C. Engelhard
  
• Plasma-based Ambient Desorption/Ionization Mass Spectrometry: State-of-the-art in Qualitative and Quantitative Analysis, Anal. Bioanal. Chem., 2014, 406(25), 6111-6127
  A. Albert, J.T. Shelley, C. Engelhard
  
• Rapid and Quantitative Analysis of Pesticides in Fruits by QuEChERS Pretreatment and Low- Temperature Plasma Desorption/Ionization Orbitrap Mass Spectrometry, Anal. Methods, 2014, 6(15), 5463-5471
  A. Albert, A. Kramer, S. Scheeren, C. Engelhard
  
• Time-resolved mass-spectral characterization of ion formation from a low-frequency, low-temperature plasma probe ambient ionization source, J. Anal. At. Spectrom., 2014, 29 (2), 359-366
  J. T. Shelley, A. Stindt, J. Riedel, and C. Engelhard
  
• “Capabilities of Low-Temperature Plasma Mass spectrometry for Quantitative Pesticide Analysis”, 2014 Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Amelia Island, FL, USA, 05. – 11.01.2014
  A. Albert, A. Kramer, S. Scheeren, C. Engelhard
  
• Chemometric Optimization of a Low-Temperature Plasma Source Design for Ambient Desorption/Ionization Mass Spectrometry, Spectrochim. Acta, Part B, 2015, 105, 109-115
  A. Albert, C. Engelhard