Erneuerbare turbulente Flusschromatographie für Exposomics

Das Projekt Erneuerbare turbulente Flusschromatographie für Exposomics wird von Dr. David J. Cocovi-Solberg an der BOKU Wien unter der Betreuung von Assoz. Prof. Dr. Stephan Hann durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Entwickelung von neuen Systemen zur Realisierung von automatisierten Analysen im Bereich von Studien zum Exposom. Während in der klassischen Umweltanalytik die Ermittlung der Konzentration einzelner Substanzen in verschiedenen Umweltkompartimenten im Vordergrund steht, beschäftigt sich die Exposom-Analytik mit der Untersuchung der möglichen toxischen oder gesundheitsschädigenden Auswirkung aller auf den Menschen einwirkenden Umwelteinflüsse und Substanzen. Exposom- Studien stellen eine große Herausforderung dar und sind sehr komplex, da viele verschiedene Stoffe mit teilweise sehr geringen Konzentrationen (part per billion-levels) in einer Vielzahl von Proben untersucht werden müssen. Die Massenspektrometrie ist die Methode der Wahl für solche Studien, wobei ein Nachteil bei der geringen Robustheit dieser Systeme bezüglich Proben mit hohem Matrixgehalten besteht. Als Folge müssen die Proben in mehreren Aufarbeitungsschritten vorbereitet werden. Dies ist mit einem hohen Zeitaufwand und einem hohen Verbrauch von Chemikalien verbunden, muss aber zur Abtrennung von Probenbestanteilen durchgeführt werden, um richtige Ergebnissen zu erzielen und die hohe Performance und lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. Zur Verbesserung dieser Situation werden im Projekt an der BOKU unter der Nutzung von speziellen Ventilen, Pumpen und 3D-gedruckten Komponenten neue Systeme entwickelt, welche eine vollautomatisierte Probenvorbereitung ermöglichen, bei der störende Probenbestandteile abgetrennt und eine empfindliche Bestimmung der Zielanalyten ermöglicht wird. Das Herz dieser Systeme besteht aus der sogenannten turbulenten Flusschromatographie (TFC), einer schon länger bekannten Methode, welche auf den Vorteilen eines turbulenten Flussregimes im Zusammenhang mit partikulären Festphasen besteht, aber nie im Kontext Exposom angewandt worden ist. Mit Hilfe der heutigen technischen Möglichkeiten (IT-Lösungen, 3D-Druck, neue Materialien) wird im vorliegenden Projekt das Konzept TFC neu entwickelt und implementiert werden. Das neue System wird komplexe Probenvorbereitungsschritte in automatisierter Form, ohne dass manuelle Eingriffe notwendig sind, durchführen und die genaue Analyse einer Vielzahl von Substanzen ermöglichen.

Im vorliegenden Projekt haben wir chemische Analysenmethoden, welche üblicherweise in klinischen Labors und Umweltlabors verwendet werden, optimiert und verbessert, sodass die vor der Analyse erforderlichen Vorgänge in sehr kurzer Zeit vollautomatisch durchgeführt werden können. Das entwickelte System besteht aus einem einzigen speziellen Schaltventil und ist klein und tragbar. Eine Firmenkooperation innerhalb des Projekts ermöglichte zusätzlich die Integration von chromatographischen Trennungen in das System, sodass wir von nun an die Probenvorbereitung und die Trennung der Probe in einzelne Komponenten auf einer tragbaren Plattform durchführen können. Die Motivation zu unserer Forschungsarbeit beginnt bei dem Konzept des Exposoms. Wir alle wissen, dass unsere Gene unsere individuelle Anfälligkeit für Krankheiten beeinflussen, aber gleichzeitig beginnen wir zu verstehen, dass unsere Umwelt möglicherweise noch wichtiger ist. Wir haben derzeit kein universelles Werkzeug zur Quantifizierung all dessen, dem wir ständig ausgesetzt sind (Boden, Wasser, Luft, Lebensmittel, Medikamente, Stress ...), aber es ist klar, dass wir für die Analyse dieser Einflussfaktoren schnellere, tragbare, erschwingliche und leicht parallelisierbare Analysegeräte benötigen - in einem Wort, Miniaturisierung. In der chemischen Analytik müssen Proben vor der Analyse entsprechend vorbereitet werden, um qualitativ hochwertige Daten zu erhalten und die Lebensdauer der verwendeten Systeme zu verlängern. Diese Operationen nehmen normalerweise viel Zeit in Anspruch, welche wir in unserer Arbeit dank des Prinzips der turbulenten Strömungschromatographie signifikant auf wenige Sekunden verkürzen konnten. Das Prinzip der Strömungschromatographie greift auf sehr teure Verbrauchsmaterialien zurück, aber wir haben es geschafft, die gleichen Ergebnisse mit kostengünstigen Sorptionsmaterialien und der sogenannten "bead injection" zu erhalten. In weiterer Folge entwickelten wir eine neue Ventilkonfiguration, um weitere chromatographische Funktionen einzubeziehen. Wir möchten diese Ergebnisse veröffentlichen, da sie zeigen, dass unsere entwickelten Systeme optimal funktionieren. Es ist wichtig, dass sowohl unsere Kolleg*innen als auch die Unternehmen erkennen, dass Analysenmethoden durch eine bessere Softwaresteuerung verbessert werden können, ohne dazu unbedingt auf neue Hardware zurückgreifen zu müssen. Wir sind der in-situ- und Echtzeitanalyse um einen Schritt nähergekommen, was einen enormen Einfluss auf die medizinische Diagnose und die Bewertung von Umweltrisiken haben kann. Bis Ende des Jahres 2021 werden bis zu 10 Arbeiten zu dieser Forschung veröffentlicht und 2 Bachelorarbeiten abgeschlossen. In der Zukunft werden wir versuchen, massenspektrometrische Detektoren zu miniaturisieren. Dies würde es ermöglichen, vor Ort eine große Anzahl von Stoffen zu analysieren, und wäre vergleichbar mit der Leistungsfähigkeit der derzeitigen Laboranalytik.