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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90441
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9044/


Atmospheric Pressure Desorption by Impulsive Vibrational Excitation Mass Spectrometry (AP-DIVE-MS)

Massenspektrometrie unter Atmosphärendruck mittels Desorption durch impulsive Anregung intramolekularer Vibrationszustände

Lu, Yinfei

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Laser , Massenspektrometrie , Massenspektrum , Spheric , Biologie , Proteine
Freie Schlagwörter (Englisch): laser application , mass spectrometry , atmospheric , protein , soft
Basisklassifikation: 42.99 , 33.90
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Miller, R.J. Dwayne (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 07.03.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Kürzlich wurde nachgewiesen, dass ein Pikosekunden-IR-Laser (PIRL), mit einer Zentralwellenlänge von 2.94 µm und einer Pulsdauer von zehn bis zu einigen hundert Pikosekunden, zur 'sanften' Laser-Desorption verwendet werden kann, um wasserreiche Proben direkt in die Gasphase zu bringen, ohne dabei die Zusammensetzung oder Struktur der Biomoleküle zu verändern. PIRL-Ablation erfolgt durch den Mechanismus der impulsiven Anregung intramolekularer Vibrationszustände ('desorption by impulsive vibrational excitation', DIVE), wobei die Pikosekunden-Pulsdauer von PIRL länger als die Thermalisierung der Vibrationsanregung der OH-Streckmode von Wasser und kürzer als die thermische Diffusionszeit und akustische Expansionszeit des angeregten Volumens der Flüssigkeit ist. Desweiteren ist eine Zentralwellenlänge bei 2.94 µm resonant mit der OH-Streckschwingung des Wassermoleküls, die über die Wasserstoffbrücken-Wechselwirkung direkt mit den O-O Translationsbewegungen gekoppelt ist, d.h. mit genau der Bewegung, die die Ablation antreibt. Daher wird die Laserenergie von PIRL am effizientesten von den Schwingungsbewegungen der Wassermoleküle an die Translationsbewegungen für die Ablation gekoppelt, ohne dass dabei Energie aus dem angeregten Volumen durch die Erzeugung von Schockwellen und Wärmeausbreitung entweicht. Die gepulste Hitze treibt einen Phasenübergang von Analyten in wässriger Lösung im überhitzten Zustand in die Gasphase bei minimaler Schädigung ihrer Struktur, um sie anschließend mit Massenspektrometrie (MS) zu untersuchen.


In dieser Dissertation werden zwei selbst designte Online-Systeme vorgestellt, die PIRL-Ablation direkt mit einem Bruker Ionenfallen-Massenspektrometer unter Atmosphärendruck verbinden, und die damit erzielten Resultate werden diskutiert. Das erste Online-System, das PIRL-DIVE für massenspektroskopische Studien verwendet, inklusive zum Aufladungsmechanismus und Detektionslimit, ist das AP-DIVE-MS (DIVE-Massenspektrometer unter Atmosphärendruck) mit kontinuierlicher Zufuhr von wässrigen Proben. Ein kugelförmiger Tropfen der wässrigen Probe wurde vor der Einlassöffnung des Massenspektrometers mittels eines Transfer-Kapil-larröhrchens geformt, das mit einer Spritze verbunden ist. Eine Spritzenpumpe liefert eine kontrollierte Durchflussrate vergleichbar zu der in Nano-Elektrospray. Kleine Moleküle, Molekülmischungen, sowie Peptide und Proteine in reinen Wasser-, in sauren Wasser- und in Pufferlösungen wurden mit PIRL extrahiert und direkt in die Einlassöffnung des Massenspektrometers zur weiteren Analyse transferiert. Die Neuheit dieses Interfaces ist, dass eine Vorrichtung zur Nachionisation oder ein Zerstäuber nicht benötigt wird, um hochgeladene Ionen zu erhalten, was mit Elektrospray vergleichbar ist. Außerdem wird keine hohe Spannung direkt an die wässrige Lösung angelegt. In dieser Arbeit werden die Instrumentierung, Charakterisierung und wichtigsten Resultate des AP-DIVE-MS mit kontinuierlicher Probenzufuhr präsentiert und im Detail diskutiert. Darüber hinaus wird der mögliche Aufladungsmechanismus von AP-DIVE-MS durch Vergleich mit den verschiedenen existierenden Modellen diskutiert, sowie mögliche Aufladungsprozesse vorgeschlagen.

Das zweite Online-System ist das AP-DIVE-MS kombiniert mit einem Labor-auf-einem-Chip ('lab-on-a-chip', LOC) Interface, auf dem Pikoliter-Lösungen in einem Behälter von 300 nm Tiefe and 100 µm Durchmesser lokalisiert wurden. Die lokalisier-te, wässrige Pikoliter-Probe wurde anschließend von der Rückseite her abladiert durch PIRL, der auf das Zentrum des Behälters und die Einlassöffnung des Massenspektrometers justiert wurde. Aufgrund des Gradienten der Oberflächenrauheit und eines instabilen Kontaktwinkels wurde eine 'dynamische Benetzung' auf dem Pikoliter-Chip erreicht, indem ein Tropfen der wässrigen Probe über die Chip-Arrays gezogen wurde. Außerdem wurde der Pikoliter-Chip automatisch ausgerichtet und gescannt unter Verwendung eines Bezugspunkt-Algorithmus, der in unserer Gruppe entwickelt wurde. Der Verschiebetisch zur Halterung des Chips und die Kontrolleinheit des optischen Shutters von PIRL wurden synchronisiert, um die Empfindlichkeit des Systems zu erhöhen. Ionen-Signale von Einzel-Reihen- sowie Einzel-Behälter-Scans wurden erzielt, und die resultierenden Massenspektren werden präsentiert und diskutiert. Vorläufige Ergebnisse von Peptiden werden ebenfalls präsentiert, um die faszinierenden potentiellen Anwendungen des Chips für biomedizinische Analyse durch Massenspektrometrie aufzuzeigen. Es sei angemerkt, dass die Detektionslimits dieses ersten Injektionssystems unter Umgebungsatmosphäre die Empfindlichkeits-limits in den 10 Attomol-Bereich einstufen. Uns sind Verluste bei der Ionenerfassung bekannt, die durch ein direktes, internes Massenspektrometer-Vakuuminterface komplett vermieden werden können, um die Empfindlichkeitslimits um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Diese Arbeit zeigt, dass Detektionslimits im Zepto-mol-Bereich bis in den Einzel-Molekül-Bereich möglich sind, wie für die Analyse einzelner Zellen benötigt.
Kurzfassung auf Englisch: Recently it was demonstrated that a picosecond infrared laser (PIRL), with wavelengths centered at 2.94 µm and pulse duration from ten to few hundred picoseconds, can be used for 'soft' laser desorption to eject water-rich samples into the gas phase without inducing compositional or structural changes to biomolecules. PIRL ablation works under the mechanism of desorption by impulsive vibrational excitation (DIVE), where the picosecond pulse duration of PIRL is longer than the thermalization of the vibrational excitation of the OH stretch mode of water and shorter than the thermal diffusion and acoustic expansion times of the excited volume. In addition, a wavelength centered at 2.94 µm is resonant with the OH stretch mode of the water molecule, which is directly coupled to the O-O translational motions via the hydrogen bond interaction, i.e., the very motion needed to drive ablation. Therefore the laser energy of PIRL is most efficiently coupled from the vibrational motions of water molecules into translational motions for ablation without energy leaking out of the excited volume via shock-wave generation or heat propagation. The impulsive heat drives a phase transition of analytes in aqueous solution under superheating condition into the gas phase with minimum damage of the structures for further study by mass spectrometry (MS).

In this doctoral thesis, two home-designed online systems that directly couple PIRL ablation to a Bruker ion trap mass spectrometer in atmospheric pressure will be presented, and the results obtained will be discussed. The first online system exploiting PIRL-DIVE for MS studies, including charging mechanism and detection limits, is the AP-DIVE-MS with continuous aqueous sample delivery. A bead of aqueous sample was formed in front of the inlet of the MS via a capillary transfer tubing connected to a syringe and a syringe pump with a flow rate comparable to nano-electrospray. Small molecules, molecule mixtures, as well as peptides and proteins in pure water, acidic water and buffer solutions have been extracted by PIRL and directly transferred into the MS inlet for further analysis. The novelty of this interface is that no post-ionization device or nebulizer is needed for obtaining highly charged ions, which is comparable to electrospray. In addition, no high voltage is applied directly to the aqueous solution. The instrumentation, characterization, and main results from AP-DIVE-MS with continuous sample delivery will be introduced and discussed in this thesis. Last but not the least, the potential charging mechanism of AP-DIVE-MS will be discussed in detail by comparing with several existing models, and possible charging processes will be proposed.


The second online system is the AP-DIVE-MS coupled by a lab-on-a-chip (LOC) interface, where picoliter solutions were localized inside a well of 300 nm in depth and 100 µm in diameter. The localized picoliter aqueous sample was then ablated from the back by PIRL, which was aligned to the center of the well and the inlet of the MS. Due to the gradient of surface roughness and instable contact line angle, 'dynamic wetting' was achieved on the picoliter chip by sliding a bead of aqueous sample over the chip arrays. The picoliter chip was aligned and scanned automatically by using a fiducial algorithm developed in our group. The translation stage for chip mounting and the optical shutter control of PIRL were synchronized in order to increase system sensitivity. Ion signals from single-row and single-well scans were obtained and the resulting mass spectra are presented and discussed. Preliminary results from peptides are also presented to highlight the fascinating potential applications of the chip for biomedical analysis using MS. It is noted that limits of detection with this first ambient atmosphere injection system place the sensitivity limits in the 10 attomole range. There are known losses in collection that can be completely avoided by a direct internal MS vacuum interface to improve sensitivity limits by orders of magnitude. This work indicates that detection limits in the zeptomole to single molecule range needed for single cell analysis are possible.

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