Entwicklung eines portablen on-line gekoppelten CE-NMR-Systems für die Analyse von fluorierten Substanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Miniaturisierung von analytischen Messmethoden für die chemische Analyse ist ein wichtiger Bereich in der Wissenschaft. Eine portable Kapillarelektrophorese (CE), welche an ein miniaturisiertes Kernspinresonanz-Spektrometer (NMR) gekoppelt ist, bietet einige Vorteile für die Anwendungen in der analytischen Chemie, der pharmazeutischen Industrie, dem Umweltbereich sowie an Hochschulen, wie u.a. die Nutzung von geringen Probevolumina (nL - µL), niedrige Investitions- und Bedienungskosten, geringe Ansprüche an Laborstandfläche und Wartungsarbeiten. Durch Kopplung der Trenneinheit CE mit dem zerstörungsfrei arbeitenden Mikrospulen-NMR- Detektor wird eine Identifikation von Komponenten in komplexen Gemischen über eine on-line Strukturidentifikation der Analyten ermöglicht. In der vorliegende Arbeit ist die Entwicklung eines miniaturisierten portablen CE-NMR Gerätes gelungen, welches auf einer tragbaren CE und einem Aktenkoffergroßen Mikrospulen-NMR-System basiert, das mit einem kleinen 1,6 T Permanentmagneten, integrierten Korrekturspulen und Temperaturkontrolleinheit ausgestattet ist. Mit dem System können momentan für 1H und 19F NMR Analyten mit Konzentrationen ≥ 0,1 M analysiert werden. Als problematisch erwies sich, dass die Strukturaufklärung über NMR Probenkonzentrationen im Bereich von ≥ 500 mM erfordert, sich diese konzentrierten Gemische aber nur schlecht mit CE trennen lassen. Um für Realproben relevante Konzentrationsbereiche (mikromolar) einsetzen zu können wurden verschiedene Aufkonzentrierungsmethoden, wie die transiente Isotachophorese oder die elektrokinetische Injektion getestet und optimiert und dabei Anreicherungsfaktoren bis 100 erzielt. Um zusätzlich das Detektionsvolumen in der NMR zu vergrößern wurden an das System angepasste Bubble-Cell Kapillaren über zwei verschiedene Verfahren hergestellt. Von verschiedenen Analyten, wie perfluorierten Verbindungen, schwachen organischen Säuren und Aminosäuren, wurden 19F und 1H NMR Spektren aufgenommen und die Strukturen erfolgreich identifiziert. Die NMR Signalverbreiterung auf Grund des bei der laufenden elektrophoretischen Trennung fließenden Stroms wurde mit Hilfe einer integrierten Berechnung über die Korrekturspulen, basierend auf dem jeweiligen Stromwert, minimiert. Die Lösung dieses fundamentalen Problems erlaubt kontinuierliche CE-NMR Messungen in dem portablen Gerät, wobei der CE Strom nicht zwischenzeitlich für die NMR Messungen abgeschaltet werden muss und keine weiteren Hardware-Entwicklungen nötig sind. Eine Verbesserung der Einsatzmöglichkeiten dieses portablen CE-NMR Systems sollte sich v.a. durch Integration von Anreichungsschritten in die CE-Trennung ergeben, an denen zurzeit noch gearbeitet wird. Schlagwörter: portable NMR, portable CE, Mikrospulen, gekoppeltes CE-NMR System, 1H und 19F NMR Spektroskopie
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Portable Microcoil NMR Detection Coupled to Capillary Electrophoresis. Anal. Chem. (2011) 83 (4), 1328-1335
J. Diekmann, K.L. Adams, G.L. Klunder, L. Evans, P. Steele, C. Vogt, J.L. Herberg
