Kopplung von Ionenmobilitätsspektrometrie und chip-basierter Elektrochromatographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der wissenschaftliche Schwerpunkt in diesem gemeinsamen Projekt lag auf der Entwicklung und Evaluierung eines neuen Analysesystems, das auf der Kopplung chipbasierter Trenntechniken in flüssiger Phase mit der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) beruht. Zu diesem Zweck wurde ein maßgeschneidertes hochauflösendes Driftröhren-IMS mit geerdetem Einlass als kompakter, markierungsfreier und chemikalienspezifischer Detektor für mikrofluidische Plattformen entwickelt. Im Vergleich zu einem kommerziellen Gerät erwies sich das IMS als sehr geeignet für die Kopplung mit Chipsystemen auf Basis von Elektrosprayionisation (ESI), da nur elektrische Potentiale im Bereich von 3-4 kV chipseitig angelegt werden mussten. Darüber hinaus wurden höhere Peakauflösungen und Trennleistungen erreicht. Durch die Kopplung des hochauflösenden IMS mit mikrofluidischen Chromatographiechips konnten multidimensionale Trennungen mit orthogonaler Selektivität erreicht werden. Dies erweitert den Anwendungsbereich von ESI-IMS auf die zuverlässige Analyse komplexer Gemische mit erhöhter Empfindlichkeit. Die Kopplung mit front-end chipbasierten Trennungen ermöglicht außerdem einen geringen Proben- und Lösungsmittelverbrauch mit schnellen Trennungen in weniger als einer Minute. In diesem Zusammenhang wurde die Kombination von IMS und Chip-HPLC erfolgreich realisiert, wobei es möglich war, 2D-Trennungen von drei isobaren Antidepressiva innerhalb von 15 Sekunden durchzuführen. Um den Vorteil der IMS als sehr schnelles, kompaktes und tragbares Analysesystem zu erhalten, wurde die Kopplung mit der Chip-Elektrochromatographie (ChEC) entwickelt. Dadurch konnte auf komplexe, sperrige Peripheriegeräte wie Pumpsysteme verzichtet werden, und für den Betrieb des Systems war lediglich eine Hochspannungsstromversorgung erforderlich. Zu diesem Zweck wurde ein integrierter mikrofluidischer Glaschip entwickelt, der ein Injektionskreuz, eine photopolymerisierte monolithische Trennsäule, eine nanofluidische Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung und einen monolithischen ESI-Emitter beinhaltet. Nach Parameteroptimierung anhand von Modellmischungen wurde das entwickelte ChEC-IMS-System erfolgreich für die Analyse von vier Herbiziden in einer Weinmatrix eingesetzt. Schließlich konnte das neu entwickelte IMS auch erfolgreich für die end-of-line Analyse in der Tröpfchenmikrofluidik eingesetzt werden. Durch Versprühen einzelner Tröpfchen in das IMS konnten die Tröpfcheninhalte entsprechend ihrer charakteristischen Gasphasenmobilität getrennt und nachgewiesen werden. Im Vergleich zur derzeit typischerweise eingesetzten Massenspektrometrie ermöglichte dies eine schnelle Tröpfchenanalyse mit deutlich geringerem instrumentellen Aufwand und verringertem Kontaminationsrisiko. Die erzielten Projektergebnisse zeigen, dass sich die beiden Bereiche der lab-on-a-chip Technologie und der IMS sehr gut ergänzen. Beide zielen darauf ab, die Analysezeit und die Instrumentengröße zu verringern und bieten neue Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer analytischer Fragestellungen. Dies eröffnet zahlreiche interessante Anwendungsfelder, die von der Vor-Ort-Analyse flüssiger Proben bis zur Reaktionsoptimierung mittels Tröpfchenmikrofluidik reichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2D in Seconds: Coupling of Chip-HPLC with Ion Mobility Spectrometry, Anal. Chem. 2019, 91, 7613-7620
S. K. Piendl, C.-R Raddatz, N. T. Hartner, C. Thoben, R. Warias, S. Zimmermann, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b00302) - Coupling On-Chip Separations to Ion Mobility Spectrometry, Proceedings of the 23rd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, Chemical and Biological Microsystems Society, 2019, 550-551
N. T. Hartner, S. K. Piendl, C.-R. Raddatz, C. Thoben, R. Warias, S. Zimmermann, D. Belder
- IMS Instrumentation I: Isolated data acquisition for ion mobility spectrometers with grounded ion sources, Int. J. Ion Mobil. Spec. 2020, 23, 69-74
M. Lippmann, A. T. Kirk, M. Hitzemann, S. Zimmermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s12127-020-00260-5) - On-Line Coupling of Chip-Electrochromatography and Ion Mobility Spectrometry, Anal. Chem. 2020, 92, 15129-12136
N. T. Hartner, C.-R. Raddatz, C. Thoben, S. K. Piendl, S. Zimmermann, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03446) - Compact electrospray ionization ion mobility spectrometer, 15. Dresdner Sensor-Symposium, 2021, 60-63
C. Thoben, C.-R. Raddatz, A. Ahrens, J. B. Schulte, A. Staschel, S. Zimmermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.5162/15dss2021/4.2) - Coupling Droplet Microfluidics with Ion Mobility Spectrometry for Monitoring Chemical Conversions at Nanoliter Scale, Anal. Chem. 2021, 93, 13615-13623
N. T. Hartner, K. Wink, C.-R. Raddatz, C. Thoben, M. Schirmer, S. Zimmermann, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c02883) - Wireless Low-Power Transfer for Galvanically Isolated High-Voltage Applications, Electronics 2022, 11, 923
M. Hitzemann, M. Lippmann, J. Trachte, A. Nitschke, O. Burckhardt, S. Zimmermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/electronics11060923)
