Zweidimensionale Flüssigkeits­chromatografie (LC x LC)

In allen Bereichen der Life Sciences werden immer komplexere Proben analysiert. Dieser Trend macht auch vor der Umweltanalytik nicht halt. Waren vor etwa 10 Jahren die ersten Multianalytmethoden auf die Erfassung weniger Zielanalyten ausgerichtet, so wird heute versucht, Hunderte von Komponenten und deren Metabolite bzw. Transformationsprodukte in einem analytischen Lauf zu erfassen.

Eindimensionale Trennverfahren auf Basis der Flüssigkeitschromatografie liefern hierzu oftmals nicht die erforderliche Peakkapazität. Obwohl leistungsfähige massenspektrometrische Detektoren zur Verfügung stehen, bereitet die Matrix der Probe bzw. die Anzahl co-eluierender Substanzen häufig Probleme. Komponenten, die in einer hohen Konzentration vorliegen, können somit das Signal, der in niedriger Konzentration vorliegenden Stoffe, vollkommen überdecken. Vor diesem Hintergrund konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten in diesem Bereich auf die Entwicklung zweidimensionaler Trennsysteme.

Der Vorteil einer zweidimensionalen LC-Kopplung liegt darin, dass anhand unterschiedlicher Selektivitäten beider Trennsysteme co-eluierende Spezies auf der zweiten Trennsäule aufgetrennt werden können. Neben einer Erhöhung der Peakkapazität führt dies auch zu einem geringeren Risiko von Suppressionseffekten, wenn ein Massenspektrometer als Detektor verwendet wird.

Die Herausforderung bei dieser Kopplung besteht darin, eine extrem schnelle Gradiententrennung in der zweiten Trenndimension von weniger als einer Minute zu realisieren. Gleichzeitig sollte eine Kompatibilität zur Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) erzielt werden. Bei vielen in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen Ansätzen kommt es deshalb häufig zu dem Problem, dass eine hohe Flussrate von mehr als 2 mL/min in der zweiten Trenndimension resultiert, was die Nutzung der ESI-MS stark einschränkt. Vor diesem Hintergrund bestand der hier realisierte Lösungsansatz darin, ein miniaturisiertes System bestehend aus einer Nano-HPLC in der ersten und einer Mikro-HPLC in der zweiten Trenndimension einzusetzen. Durch die Nutzung von Core-Shell Materialien sowie der Erhöhung der Temperatur kann die lineare Fließgeschwindigkeit in der zweiten Trenndimension erhöht werden, ohne dass eine hohe Gesamtflussrate resultiert. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass aufgrund der Temperaturzunahme die Viskosität der mobilen Phase und somit der Gegendruck herabgesetzt wird.

Das zweidimensionale Trennsystem kann an beliebige Massenspektrometer gekoppelt werden und soll zukünftig für Fragestellungen aus dem Bereich der Umweltanalytik eingesetzt werden. Die Kopplung der Trenneinheit an ein hochauflösendes Massenspektrometer erlaubt somit die Identifizierung unbekannter Verbindungen, die z. B. durch Anwendung eines neuartigen Oxidationsverfahrens wie der Ozonung entstehen können. Es erfolgt deshalb ebenfalls eine sehr enge Kooperation mit dem Bereich Umwelthygiene & Spurenstoffe, der sich schwerpunktmäßig mit innovativen Verfahren zur Elimination von Mikroschadstoffen auf Grundlage erweiterter Oxidationsprozesse beschäftigt.

Weitere Entwicklungs- und Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Realisierung verschiedener Modi für 2D-LC-Anwendungen. Neben dem Ansatz der umfassenden (comprehensive) LC x LC wird in Zukunft insbesondere der sog. multiple Heart-Cut-Modus (auch selective LC x LC) in Bezug auf die Analyse therapeutisch wirksamer Proteine eine wichtige Rolle spielen.

Die Arbeit zur Entwicklung eines miniaturisierten zweidimensionalen LC-Systems in Kombination mit der hochauflösenden Massenspektrometrie wurde 2014 auf der analytica mit dem Eberhard-Gerstel-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) ausgezeichnet.

Ansprechpartner

Dr. rer. nat. Thorsten Teutenberg
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Tel. +49 2065 418 – 179