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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Onlineentsalzung der mobilen Phase in chromatographischen Trennsystemen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen umfassen ein chromatographisches System zur Probentrennung, ein Modul zum Entsalzen oder zur Reduzierung der Salzkonzentration der mobilen Phase, das an das chromatographische System angekoppelt oder darin integriert ist, und ein Ionenmobilitätsspektrometer als Detektor (IMS-Detektor). Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen die chromatographische Probentrennung und die anschließende Analyse der aufgetrennten Probe mittels eines IMS-Detektors.
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Stand der Technik
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Ionenmobilitätsspektrometer (IMS, zunächst unter dem Namen Plasma-Chromatograph bekannt) sind analytische Detektoren, die sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit auszeichnen. Mit diesen Detektoren können Substanzen erkannt und Partikelgrößen bestimmt werden.
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Während einer IMS-Messung wird der Analyt/die Probe ionisiert. Die entstandenen Ionen werden von einem elektrischen Feld durch ein Gas „gezogen”. Durch Kollisionen mit den Gasmolekülen werden die Ionen gebremst, wobei die Bremswirkung bei großen Probenteilchen/Molekülen stärker ist als bei kleinen Probenteilchen/Molekülen. Deshalb bewegen sich kleine Moleküle in der Regel mit einer höheren Geschwindigkeit im Gas. Entscheidend ist, dass die Ionen Energie im elektrischen Feld zwischen zwei Stößen aufnehmen und bei einem Stoß wieder abgeben. Da dies sehr schnell geschieht, erreichen die Ionen eine für sie charakteristische mittlere Geschwindigkeit während der Drift im elektrischen Feld, die sog. Driftgeschwindigkeit. Da die Driftgeschwindigkeit vor allem aufgrund der Molekülgröße, aber auch wegen anderer physikalischer Parameter, wie z. B. der Polarisierbarkeit, für die Ionen der verschiedenen Probenteilchen unterschiedlich ist, können diese voneinander unterschieden werden. Häufig ist es auch möglich Isomere zu trennen, die zwar gleichen Massen haben, aber einen unterschiedlichen geometrischen Aufbau und dadurch andere Stoßparameter und unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten. Sofern eine vollständige Unterscheidung allein durch die Driftgeschwindigkeit nicht erreicht werden kann, können chromatographische Methoden zur Probentrennung zum Einsatz kommen, um die jeweiligen Bestandteile einer Probe im Idealfall nacheinander in den Ionisationsraum eines IMS-Detektors eintreten zu lassen. So entstehen charakteristische dreidimensionale Abhängigkeiten von der Retentionszeit, der Driftzeit und dem Ionenstrom (Quelle Wikipedia).
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IMS-Detektoren haben Probleme im Bereich der Auflösung wenn die Probenzusammensetzung komplex ist und eine Probe z. B. aus einem Gemisch verschiedener Komponenten mit unterschiedlicher Teilchengröße besteht, die zeitgleich in den Detektor eingeleitet werden. Deshalb ist es vorteilhaft, die einzelnen Bestandteile einer Probe vor Überführung in einen IMS-Detektor zunächst mittels eines geeigneten chromatographischen Trennverfahrens, wie z. B. die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) bzw. die Größenausschluss-Chromatographie (SEC, Size Exclusion Chromatography) sowie die Feldflussfraktionierung (FFF), aufzutrennen, so dass diese nacheinander in den Detektor eingeleitet werden. Im Fall der Feldflussfraktionierung können z. B. die Asymmetrische Fluss FFF (AF4), die Hohlfaser Fluss FFF (HF5), die Thermische FFF (TF3) oder die Zentrifugal FFF (CF3) verwendet werden.
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Um eine hohe Trennleistung der chromatographischen Verfahren zu erzielen, werden oft mobile Phasen benötigt, die entsprechende Salzkonzentrationen beinhalten. Da die Salze die Leitfähigkeit der mobilen Phase begünstigen, ist die Ionisierung einer darin enthaltenen Probe nicht oder nur bedingt möglich. Detektoren, welche die Probe ionisieren, wie z. B. IMS-Dektoren, können in diesem Fall nicht mehr oder nur eingeschränkt verwendet werden. Dies spiegelt sich in einer Absenkung der Sensitivität eines IMS-Dektors wieder. Darüber hinaus können innerhalb des jeweiligen Trennsystems entstehende Salzkristalle das Analyseergebnis verfälschen. Der Grund dafür ist die oftmals ähnliche Größe von Salzkristallen und Probenteilchen. Diese führt dazu, dass die tatsächliche Partikelgrößenverteilung innerhalb einer Probe nur unzureichend beschrieben werden kann. Weiterhin verkürzt eine hohe Salzfracht der mobilen Phase auch die Reinigungsintervalle von IMS-Detektoren, da sich vermehrt Salzkristalle im Detektor ablagern. Für den Aufbau eines gekoppelten Trennsystems umfassend eine Trennvorrichtung und einen IMS-Detektor bedeutet dies, dass die jeweils verwendete mobile Phase „online”, d. h. vor den Eintritt in den Detektor entsalzt werden muss. Idealerweise sollte dabei die zuvor erreichte Probentrennung, d. h. die lokale Konzentrationsverteilung der Probe in der mobilen Phase, nicht gestört/verändert werden.
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Das Prinzip der Onlineentsalzung wird z. B. beschrieben in Chen et al., On-Line Electrodialytic Salt Removal in Electrospray Ionization Mass Spectrometry of Proteins, Analytical Chemistry, 2011, 83, 1015–1021, und Kim et al., Online Matrix Removal Platform for Coupling Gel-Based Separations to Whole Protein Electrospray Ionization Mass Spectrometry, J. Proteome Res. 2015, 14, 2199–2206.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur chromatographischen Probentrennung und -analyse unter Verwendung eines IMS-Detektors.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Vorrichtungen umfassen ein chromatographisches System zur Probentrennung, insbesondere ein FFF-System, ein Modul zum Entsalzen oder zur Reduzierung der Salzkonzentration der mobilen Phase (Entsalzungsmodul), das an das chromatographische System angekoppelt oder darin integriert ist, sowie einen IMS-Detektor.
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Das Entsalzungsmodul kann basierend auf einem modifizierten FFF-Kanal, einer Hohlfaserkartusche mit einer oder mehreren Fasern, einer Ionenaustauschersäule oder einem elektrodialytischen Entsalzer aufgebaut sein. Entscheidend ist, dass das Entsalzungsmodul so aufgebaut ist, dass die Konzentrationsverteilung der Probe in der mobilen Phase während der Entsalzung nicht verändert wird. Gleichzeitig kann das Entsalzungsmodul dazu verwendet werden, die Volumenströme zum nachgeschalteten ionisierenden Detektor anzupassen. Dazu kann aus dem Entsalzungsmodul mehr Flüssigkeit abgeleitet werden als durch das vorgeschaltete Trennsystem und das Spülsystem des Entsalzungsmoduls eingebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich die Flussrate zum bzw. durch den Detektor variabel anzupassen.
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Bei den in den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendeten Trennsystemen handelt es sich um chromatographische Systeme zur Probentrennung, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dies sind insbesondere Systeme für die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) bzw. die Größenausschluss-Chromatographie (SEC, Size Exclusion Chromatography) sowie die Feldflussfraktionierung (FFF). Bevorzugt werden FFF-Systeme eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Systeme für die Asymmetrische Fluss FFF (AF4) und die Hohlfaser Fluss FFF (HF5).
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Neben einem IMS-Detektor können in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ein oder mehrere Detektor(en) verwendet werden, der/die im Bereich der Feldflussfraktionierung oder der Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) bekannt ist/sind. Beispiele sind UV-Detektoren, Brechungsindex-(RI-)Detektoren, (Mehrwinkel-)Lichtstreudetektoren, Massenspektrometer, Fluoreszenzdetektoren, ICP-Massenspektrometer, dynamische Lichtstreudetektoren (DLS) und Kleinwinkelröntgenstreuungs(SAXS-)Detektoren. Bevorzugt werden zusätzlich ein UV-Detektor, ein Brechungsindex-(RI-)Detektor und/oder ein (Mehrwinkel-)Lichtstreudetektor eingesetzt.
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Als mobile Phase zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können wässrige und nicht-wässrige organische Lösungsmittel verwendet werden. Beispiele umfassen wässrige Lösungen mit 0,5–5 g/l NaCl und/oder 0,1–5 g/l Natriumdodecylsulfat (sodium dodecyl sulfate; SDS) sowie die organischen Lösungsmittel Tetrahydrofuran (THF), Toluol, Aceton, Methanol, Ethanol, Chloroform, Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) sowie Mischungen davon.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Probe” jegliche Art von Analyten, die sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtungen auftrennen und detektieren lassen. Dies können Substanzen mit einem Molekulargewicht von 500 Da bis 16 MDa oder mit einer Größe von 2 nm bis 5 μm sein, die in der jeweils verwendeten mobilen Phase gelöst oder suspendiert vorliegen.
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Der Begriff „Probe” umfasst insbesondere auch Gemische, wobei das Molekulargewicht und/oder die Größe der einzelnen Bestandteile gleich oder verschieden sein kann/können.
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Proben zur Auftrennung und Detektion mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind z. B. Proteine aus den Bereichen der pharmazeutischen Industrie und der Forschung, Nanopartikel und Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes) sowie natürliche und synthetische Polymere, insbesondere Silicate, Pigmente, Kolloide, Peptide, Viruszellen, Liposomen, Antikörper, Polysacharide und andere Makromoleküle.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in einem Verfahren zur chromatographischen Probentrennung und anschließenden Analyse der aufgetrennten Probe unter Verwendung dieser Vorrichtungen eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis eines modifizierten FFF-Trennkanals.
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2 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Hohlfaserkartusche.
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3 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Hohlfaserkartusche in der die Entsalzung über einen Konzentrationsausgleich erfolgt.
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4 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Ionenaustauschersäule.
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5 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis eines elektrodialytischen Entsalzers.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen und die darin verwendeten Bezugszeichen erläutert.
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Die 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis eines modifizierten FFF-Trennkanals. Nach dem Trennsystem (1) wird die noch salzhaltige mobile Phase zum Kanal (12) des Entsalzungsmoduls weitergeleitet. Die mobile Phase wird über den ersten Einlass (4) in den Kanal (12) eingeleitet und strömt über die semipermeable Membran (6) in Richtung des zweiten Auslasses (10) am Kanal (12). Während die mobile Phase über die Membran (6) strömt, wird aus dem Reservoir (2) Spülflüssigkeit mittels der Pumpe (3) entnommen und über den zweiten Einlass (5) in den Kanal (12) eingeleitet. Oberhalb der Membran (6) wird die salzhaltige mobile Phase zunächst mit der Spülflüssigkeit verdünnt. Die Probenbestandteile in der mobilen Phase, die sich oberhalb der Membran (6) befindet, können die Membran nicht passieren. Dagegen können die Salzanteile der mobilen Phase die Membran (6) durchdringen und zum ersten Auslass (7) des Kanals (12) gelangen. Gleichzeitig wird das System zur Flussratenregelung (8) so eingestellt, dass mindestens der aus dem Reservoir (2) mittels der Pumpe (3) zugeführte Volumenstrom der Spülflüssigkeit über den ersten Auslass (7) wieder abfließen kann. Die nun salzhaltige Spülflüssigkeit wird dann zu einem zweiten Reservoir (9) weitergeleitet. Die entsalzte mobile Phase wird über den zweiten Auslass (10) am Kanal (12) zum ionisierenden Detektor (11) weitergeleitet und dort analysiert.
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Die 2 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Hohlfaserkartusche. Nach dem Trennsystem (201) wird die noch salzhaltige mobile Phase zu einem T-Stück (204) weitergeleitet. Gleichzeitig fördert eine Pumpe (203) aus dem ersten Reservoir (202) Spülflüssigkeit in das T-Stück (204). Innerhalb des T-Stückes wird die salzhaltige mobile Phase mit der salzfreien Spülflüssigkeit verdünnt und zur Hohlfaserkartusche (207) weitergeleitet. Die verdünnte mobile Phase durchströmt die semipermeable rohrförmige Hohlfasermembran (206) wobei die in der mobilen Phase vorhandenen Probenbestandteile die Membran (206) nicht passieren können. Dagegen können die Salzanteile der mobilen Phase die Hohlfasermembran (206) durchdringen und gelangen in den Raum außerhalb der Hohlfasermembran. Gleichzeitig wird das System zur Flussratenregelung (209) so eingestellt, dass mindestens der aus dem Reservoir (202) mittels der Pumpe (203) zugeführte Volumenstrom der Spülflüssigkeit über den zweiten Auslass (212) der Hohlfaserkartusche (207) wieder abfließen kann. Die nun salzhaltige Spülflüssigkeit wird dann zu einem zweiten Reservoir (210) weitergeleitet. Die entsalzte mobile Phase wird über den ersten Auslass (208) an der Hohlfaserkartusche (207) zum ionisierenden Detektor (211) weitergeleitet und dort analysiert.
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Die 3 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Hohlfaserkartusche in der die Entsalzung über einen Konzentrationsausgleich erfolgt. Nach dem Trennsystem (301) wird die noch salzhaltige mobile Phase zur Hohlfaserkartusche (310) weitergeleitet. Die mobile Phase wird über den ersten Einlass (302) in die Hohlfaserkartusche (310) eingeleitet und strömt über die semipermeable rohrförmige Hohlfasermembran (309) in Richtung des zweiten Auslasses (311). Während die mobile Phase durch die Hohlfasermembran (309) strömt, wird aus dem ersten Reservoir (303) Spülflüssigkeit mittels der Pumpe (304) entnommen und über den zweiten Einlass (305) in der Hohlfaserkartusche (310) eingeleitet. Das System zur Flussratenregelung (307) wird so eingestellt, das mindestens der gleiche Volumenstrom über den ersten Auslass (306) abfließen kann wie über die Pumpe (304) gefördert wird. Im Hohlraum außerhalb der Hohlfasermembran (309) befindet sich dadurch salzfreie Spülflüssigkeit. Aufgrund des dabei entstehenden Konzentrationsgradienten diffundieren die in der mobilen Phase enthaltenen Salze durch die Hohlfasermembran (309) in Hohlraum außerhalb der Hohlfasermembran (309). Die in der mobilen Phase vorhandenen Probenbestandteile können die Hohlfasermembran nicht passieren und verbleiben innerhalb des von der Hohlfasermembran umgebenen Raums. Die nun salzhaltige Spülflüssigkeit wird über den ersten Auslass (306) und das System zur Flussratenregelung (307) in das zweite Reservoir (308) abgeleitet. Die entsalzte mobile Phase wird über den zweiten Auslass (311) der Hohlfaserkartusche (310) zum ionisierenden Detektor (312) weitergeleitet und dort analysiert.
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Die 4 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis einer Ionenaustauschersäule. Nach dem Trennsystem (401) wird die noch salzhaltige mobile Phase über den Einlass (404) in eine Ionenaustauschersäule (402) geleitet. Die Ionenaustauschersäule (402) ist mit einem Granulat (403) gefüllt, das positiv geladene Ionen und negativ geladene Ionen binden kann. Alternativ kann das Granulat auch auf zwei Säulen aufgeteilt sein, wobei eine Säule nur die positiv geladenen Ionen und die zweite nur die negativ geladenen Ionen bindet. Durch die Bindung der Salzionen aus der mobilen Phase an das Granulat (403) der Ionenaustauschersäule (402) wird die mobile Phase entsalzt. Die entsalzte mobile Phase wird aus dem Auslass (405) der Ionenaustauschersäule (402) zum ionisierenden Detektor (406) weitergeleitet und dort analysiert. Sobald das Granulat (403) keine weiteren Ionen mehr aufnehmen kann, muss die Ionenaustauschersäule (402) regeneriert oder ausgetauscht werden.
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Die 5 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Entsalzungsmodul auf Basis eines elektrodialytischen Entsalzers. Nach dem Trennsystem (501) wird die salzhaltige mobile Phase über den ersten Einlass (502) in den Entsalzer (505) geleitet. Die salzhaltige mobile Phase durchströmt einen Kanal, der durch eine Anodenmembran (503) und eine Kathodenmembran (504) begrenzt ist. Dabei wird über eine Spannungsquelle (506) ein positives Potenzial an der Anode (511) und ein negatives Potenzial an der Kathode (512) erzeugt. Gleichzeitig fördert die erste Pumpe (507) Spülflüssigkeit vom ersten Reservoir (513) über den zweiten Einlass (519) in die Anodenkammer (518), welche die Anodenkammer (518) über den zweiten Auslass (520) wieder verlässt und in das zweite Reservoir (514) weitergeleitet wird. Die zweite Pumpe (508) fördert währenddessen Spülflüssigkeit vom vierten Reservoir (516) über den dritten Einlass (522) in die Kathodenkammer (517). Die Spülflüssigkeit verlässt die Kathodenkammer (517) über den dritten Auslass (521) und wird in das dritte Reservoir (515) weitergeleitet. Während die salzhaltige mobile Phase durch den zwischen der Anodenmembran (503) und der Kathodenmembran (504) gebildeten Kanal fließt, wandern negativ geladene Salzionen zur Anodenmembran (503) und durchqueren diese. Gleichzeitig wandern positiv geladene Salzionen zur Kathodenmembran (504) und durchqueren diese. Dadurch gelangen die negativ geladenen Salzionen in die Anodenkammer (518) und die positiv geladenen Salzionen in die Kathodenkammer (517). Dort werden sie mittels der Spülflüssigkeit, die mit Hilfe der ersten Pumpe (507) über den zweiten Auslass (520) in das zweite Reservoir (514) bzw. mit Hilfe der zweiten Pumpe (508) über den dritten Auslass (521) in das dritte Reservoir (515) gefördert wird, ausgewaschen. Dadurch wird die Salzkonzentration in der mobilen Phase kontinuierlich reduziert. Schließlich wird die entsalzte mobile Phase wird über den ersten Auslass (509) zum ionisierenden Detektor (510) weitergeleitet und dort analysiert.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Reservoire (513) und (516) für die salzfreie Spülflüssigkeit, die Reservoire (514) und (515) für die salzhaltige Spülflüssigkeit sowie die Pumpen (507) und (508) zu jeweils einem Reservoir und einer Pumpe zusammengefasst werden.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1
- 1
- Trennsystem
- 2
- Erstes Reservoir
- 3
- Pumpe
- 4
- Erster Einlass
- 5
- Zweiter Einlass
- 6
- Semipermeable Membran
- 7
- Erster Auslass
- 8
- System zur Flussratenregelung
- 9
- Zweites Reservoir
- 10
- Zweiter Auslass
- 11
- Ionisierender Detektor
- 12
- Kanal
Fig. 2 - 201
- Trennsystem
- 202
- Erstes Reservoir
- 203
- Pumpe
- 204
- T-Stück
- 205
- Einlass
- 206
- Hohlfasermembran
- 207
- Hohlfaserkartusche
- 208
- Erster Auslass
- 209
- System zur Flussratenregelung
- 210
- Zweites Reservoir
- 211
- Ionisierender Detektor
- 212
- Zweiter Auslass
Fig. 3 - 301
- Trennsystem
- 302
- Erster Einlass
- 303
- Erstes Reservoir
- 304
- Pumpe
- 305
- Zweiter Einlass
- 306
- Erster Auslass
- 307
- System zur Flussratenregelung
- 308
- Zweites Reservoir
- 309
- Hohlfasermembran
- 310
- Hohlfaserkartusche
- 311
- Zweiter Auslass
- 312
- Ionisierender Detektor
Fig. 4 - 401
- Trennsystem
- 402
- Ionenaustauschersäule
- 403
- Granulat
- 404
- Einlass
- 405
- Auslass
- 406
- Ionisierender Detektor
Fig. 5 - 501
- Trennsystem
- 502
- Erster Einlass
- 503
- Anodenmembran
- 504
- Kathodenmembran
- 505
- Entsalzer
- 506
- Spannungsquelle
- 507
- Erste Pumpe
- 508
- Zweite Pumpe
- 509
- Erster Auslass
- 510
- Ionisierender Detektor
- 511
- Anode
- 512
- Kathode
- 513
- Erstes Reservoir
- 514
- Zweites Reservoir
- 515
- Drittes Reservoir
- 516
- viertes Reservoir
- 517
- Kathodenkammer
- 518
- Anodenkammer
- 519
- Zweiter Einlass
- 520
- Zweiter Auslass
- 521
- Dritter Auslass
- 522
- Dritter Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Chen et al., On-Line Electrodialytic Salt Removal in Electrospray Ionization Mass Spectrometry of Proteins, Analytical Chemistry, 2011, 83, 1015–1021 [0006]
- Kim et al., Online Matrix Removal Platform for Coupling Gel-Based Separations to Whole Protein Electrospray Ionization Mass Spectrometry, J. Proteome Res. 2015, 14, 2199–2206 [0006]