Open-tubular Säulen für informationsreiche Chromatographie

Das hier beschriebene Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger Technologien zur Herstellung innen-beschichteter Kapillaren welche sowohl in der Kapillar-Flüssigkeitschromatographie als auch der Kapillarelektrophorese eingesetzt werden können. Als wichtiger Punkt gilt dabei die Kopplung oben genannter Trennmethoden mit der Massenspektrometrie; eine Kombination, die vor allem bei der Analytik komplexer biologischer Proben, welche meist nur in kleinen Mengen zur Verfügung stehen, von besonderer Bedeutung ist. Die Komplexität derartiger Proben lässt sich oft weder durch herkömmliche Trennverfahren aufgrund limitierter Trennleistung noch mit informationsreicher Detektion (meist Massenspektrometrie) bewältigen. Deshalb besteht Bedarf an verbesserten Trennmethoden (mit höherer Peakkapazität) welche sich zudem für die Kopplung mit der Massenspektrometrie eignen. Eine wichtige Anforderungen an eine neue Technologie für die Oberflächenmodifizierung von Kapillaren ist die allgemeine Anwendbarkeit auch für Kapillaren mit sehr geringem Innendurchmesser, ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit in Hinblick auf die Herstellung, Biokompatibilität des für die Modifizierung eingesetzten Materials als auch die Möglichkeit verschiedenste chemische Modifizierungen mit unterschiedlichsten Funktionalitäten einzuführen. Neuartige monomere Precursor im Nanometerbereich auf Basis von polyhedralen oligomerien Silsesquioxanen (POSS) mit der Grundstruktur (RSiO3/2) n (wobei n = 8, 10, 12) sind dafür ideale Ausgangsstoffe, da sie auf einfache Weise kovalent und mit hoher Beständigkeit an die Innenwände von Kapillaren gebunden werden können. Ein bedeutender Vorteil der Herstellung beschichteter Kapillaren mittels POSS Technologie ist die Möglichkeit eine Vielfalt chemischer Funktionalitäten basierend auf nur einer Grundstruktur einzuführen. Damit lassen sich unterschiedlichste Interaktionen mit den Analyten wie chirale, hydrophobe, hydrophile oder ionische Wechselwirkungen induzieren. Der hier beschriebene Ansatz erlaubt eine weitgehende individuelle Oberflächenmodifizierung basierend auf einem POSS Grundgerüst. Damit können Trennselektivitäten gezielt beeinflusst werden (wichtig für die Flüssigchromatographie) als auch sekundäre Interaktionen von Analyten mit der Kapillarwand, welche die Trenneffizienz nachteilig beeinflussen, verringert bzw. unterdrückt werden (wichtig für die Kapillarelektrophorese). Ein weiterer Vorteil der POSS Technologie ist die Möglichkeit sowohl Beschichtungen mit großer Filmdicke (für die Flüssigchromatographie) als auch dünnfilmige Beschichtungen (hauptsächlich für die Kapillarelektrophorese) unter Verwendung desselben Syntheseansatzes herzustellen. Wichtig dabei ist, dass die Möglichkeit zur einfachen Modifizierung ("Click-Chemistry") der Oberfläche dabei nicht von der Schichtdicke abhängig ist.

Dieses Projekt beschäftigte sich mit neuen Entwicklungen in der Miniaturisierung von chemischen Analysen, was zu positiven Auswirkungen in Hinblick auf die Minimierung der erforderlichen Ressourcen und die Verbesserung der Qualität bestimmter Arten von Analysenverfahren führen kann. Die Art der chemischen Analysen, mit welchen sich dieses Projekt beschäftigte, sind unter zwei Aspekte zu sehen. Zunächst geht es um Trennungen von (chemischen) Komponenten in einer Mischung (einer Probe). Dieser Trennschritt ist wesentlich wenn einzelne Komponenten in einer komplexen Probe von Interesse sind (wie zum Beispiel bei der Bestimmung von Pestiziden in Nahrungsmitteln). Erst durch die Auftrennung der verschiedenen Komponenten mittels chemischer Prinzipien wird es möglich die Identität und Quantität einzelner Komponenten zu bestimmen. Der zweite wesentliche Aspekt dieser Arbeit umfasst die eindeutige Identifizierung unbekannter Komponenten nach deren Trennung, wobei maximale Information über jede getrennte Komponente gewonnen werden soll. Dies wird oft durch die Ermittlung des Molekulargewichtes dieser Komponenten (Moleküle) erreicht. Ansätze für Trennungen von Substanzgemischen sind grundsätzlich ausreichend bekannt und umfassen Techniken wie Flüssigkeitschromatographie und Elektrophorese, wobei eine Reihe verschiedener chemischer und physikalischer Prinzipien zur Anwendung kommt. Trotzdem bleiben in der Praxis noch etliche Schwierigkeiten bestehen, insbesondere wenn komplexe Proben mit hunderten oder tausenden Komponenten vorliegen. Eine wichtige Aufgabe ist daher die sorgfältige Optimierung von Trenntechniken um die Zahl der auftrennbaren Komponenten zu maximieren. Gleichzeitig ist eine Miniaturisierung der Trenntechniken ein wesentlicher Vorteil um Kosten und Verbrauch an Chemikalien zu verringern. Miniaturisierte Trennverfahren sind auch essentiell wenn Proben nur in sehr geringer Menge zur Verfügung stehen. Diese Ideen der Miniaturisierung und Optimierung der Trennungen von komplexen Gemischen gehen Hand in Hand mit dem zweiten Aspekt dieses Projektes, nämlich der Erhöhung des Informationsgehaltes jeder Analyse. Massenspektrometrie gekoppelt mit Trenntechniken ermöglicht wertvolle hochspezifische Information über die Identität einzelner Inhaltsstoffe der Probe. Miniaturisierte Trennungen sind in diesem Fall vorteilhaft, da die Analyse oft empfindlicher wird (kleinere Mengen an Komponenten können bestimmt werden) und chemische Prinzipien können besser implementiert werden um zusätzliche Informationen über die Identitäten der Komponenten der Probe zu generieren. Praktisch gesehen lag der Fokus des Projektes in diesen beiden oben angeführten Bereichen, nämlich einerseits bei der Entwicklung von neuen und vielseitigen miniaturisierten Materialien um Trennsysteme für komplexe Mischungen unter Verwendung minimaler chemischer Ressourcen zu entwickeln, und andererseits bei der Untersuchung der möglichen neuartigen Anwendungen von chemischen und physikalischen Prinzipien in Verbindung mit miniaturisierter Analytik und Massenspektrometrie zur Identifizierung von Probenkomponenten. Die Arbeiten zeigen in breiter Form wie neue Arten von minaturisierten Systemen einen verbesserten Zugang zur chemischen Analytik bei verringertem Materialaufwand ermöglichen und gleichzeitig qualitativ hochwertige Information liefern können.