Andrea Beutner, Trägerin des Eberhard-Gerstel-Preises des Jahres 2016.

Eberhard-Gerstel-Preis 2016

Ausgezeichnete mehrdimensionale Analytik

Die Entwicklung eines neuen Kopplungssystems zur Ionenanalyse

Wenn es um die Steigerung der Trennleistung von Analysensystemen geht, liegt die Lösung häufig in der Kopplung unterschiedlicher Trennmechanismen. Hört sich leicht an, birgt allerdings erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der im Fall von Andrea Beutner von der Universität Regensburg mit dem diesjährigen Eberhard-Gerstel-Preis ausgezeichnet wurde. Hier gibt die Wissenschaftlerin Einblick in ihre Arbeit.

Von Andrea Beutner

Um komplexe Umwelt- oder biologische Proben wie Zellflüssigkeiten, Urin oder Blut analysieren zu können, ist es notwendig, diese in die einzelnen Bestandteile aufzutrennen. Dafür gibt es in der instrumentellen Analytik verschiedene Trenntechniken, die für sich allein bei einer größeren Anzahl an Komponenten in einer Probe an ihre Grenzen stoßen. Deswegen versucht man aktuell mehrere dieser Techniken hintereinander zu schalten, um somit deren Peakkapazität zu steigern. In solchen mehrdimensionalen Techniken wird die Probe durch die erste Dimension vorgetrennt und im weiteren Verlauf automatisch in die nächste Dimension weitergeleitet, in der im besten Fall die vollständige Trennung erfolgt.

Eine solche Kopplung nutzt zwei orthogonale Trenntechniken; d.h. die Trennungen basieren idealerweise auf zwei grundverschiedenen Mechanismen. Das ist etwa der Fall bei der Ionenchromatographie und der Kapillarelektrophorese; deren Kopplung besitzt großes Potenzial, stellen beide doch wichtige Trenntechniken in der instrumentellen Ionenanalyse dar.

Bei der Ionenchromatographie basiert die Trennung auf der Wechselwirkung der Analyten zwischen Laufmittel und Säule. Durch unterschiedliche Wechselwirkungen, etwa auf Grund von Ionenaustauschgleichgewichten, werden manche Substanzen stärker zurückgehalten als andere und somit aufgetrennt.

Bei der Kapillarelektrophorese wird an einer mit Elektrolyt gefüllten Kapillare Hochspannung angelegt, infolgedessen sich ein Fluss (Elektroosmotischer Fluss, EOF) einstellt. Durch diesen Fluss und die Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld (abhängig von Ladung und Größe) wandern die Analyten unterschiedlich schnell, was letztlich zur Auftrennung unterschiedlicher Ionen führt.

Weitere Voraussetzung für die erfolgreiche Kopplung zweidimensionaler Systeme: die zweite Dimension muss schneller sein als die erste. Hohe Spannungen und kurze Kapillaren führen bei der Kapillarelektrophorese zu Trennungen in weit unter einer Minute. Im Gegensatz dazu benötigt die Ionenchromatographie mehrere Minuten. Die beiden Systeme erfüllen also auch diese Voraussetzung.

Für die Kopplung muss nun die Weiterleitung der Probe von der einen in die nächste Dimension realisiert werden. Hierzu dient eine Transferkapillare, die den Effluenten der Ionenchromatographie zur Kapillarelektrophorese überführt, sodass ein kontinuierlicher Fluss von Ionenchromatographie zur Kapillarelektrophorese vorliegt. Die vorgetrennte Probe wird in der mit Puffer gefüllten Modulatorzelle aus der Transferkapillare direkt in die Trennkapillare der Kapillarelektrophorese injiziert.

Eine kontinuierliche Injektion würde allerdings zu einer Unterbrechung des Stromflusses in der Kapillarelektrophorese und folglich zu Trennproblemen führen. Deshalb wurde ein Modulator entwickelt, der eine diskontinuierliche Injektion ermöglicht.

Dies geschieht mit einem Positioniermotor, der die Transferkapillare periodisch auf und ab bewegt. Dadurch wird diese immer wieder der Trennkapillare angenähert, was zu einer Injektion führt. Nach wenigen Sekunden wird die Kapillare wieder nach oben bewegt, wodurch die Injektion unterbrochen wird und die Trennung in der zweiten Dimension stattfinden kann. Am Ende der Kapillare können die Analyten dann mit Hilfe eines Massenspektrometers detektiert werden.

Das oben beschriebene System wurde an einem Modellsystem bestehend aus Nukleotiden (Bausteine der RNA) und zyklischen Nukleotiden (Regulierung biologischer Prozesse im Körper) getestet. Die Analyten konnten mit keiner der beiden Techniken allein aufgetrennt werden. Durch die Kopplung von Ionenchromatographie und Kapillarelektrophorese wurde eine vollständige Trennung erhalten, was die Funktion des Kopplungskonzeptes beweist. Die Kopplung von Ionenchromatographie und Kapillarelektrophorese eröffnet somit neue Möglichkeiten im Bereich der Ionenanalyse. Zukünftig soll das System weiterentwickelt werden und Anwendung für reale Proben finden.

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