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Main Title: Mechanismen und Minimierung von Matrixeffekten in der quantitativen Spurenanalytik mit der Elektrospray-Massenspektrometrie
Translated Title: Mechanisms and minimization of matrix effects in quantitative trace level analysis with electrospray mass spectrometry
Author(s): Stahnke, Helen
Advisor(s): Alder, Lutz
Referee(s): Kroh, Lothar
Alder, Lutz
Vetter, Walter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Ziel dieser Arbeit war es Matrixeffekte, die in der Spurenanalytik mit LC-ESI-MS auftreten, grundlegend zu charakterisieren, Rückschlüsse auf ihren Mechanismus zu ziehen und Vorschläge zum Umgang mit diesen Störeffekten für Multianalyt-Methoden abzuleiten. Dazu wurde eine neue Methode zur Quantifizierung von Matrixeffekten bei LC-ESI-MS-Analysen über Matrixeffektprofile eingeführt. Matrixeffektprofile beschreiben das Ausmaß von Ionisierungsstörungen erstmals quantitativ über die gesamte Messzeit chromatographischer Läufe. Neben der konventionellen Messung von Matrixeffekten mit Matrixstandards wurden in dieser Arbeit die Matrixeffektprofile für mehr als 3600 Analyt/Matrix-Kombinationen bei ESI(+) und weitere 590 Analyt/Matrix-Kombinationen bei ESI(-) gemessen. Die Untersuchung der Matrixeffekte erfolgte am Beispiel von Pestizid-Rückständen in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft, Trink- und Oberflächenwässern. Die statistische Auswertung der Messdaten ergab im positiven Ionenmodus überraschend ähnliche Matrixeffekte für die Mehrheit der Pestizide. Damit wurde entgegen der lange vorherrschenden Meinung gezeigt, dass Matrixeffekte vorhersagbar sind, weil sie i. d. R. nur von der Retentionszeit und kaum von weiteren Eigenschaften der Analyte abhängig sind. Dieser Befund deckt sich mit einem theoretischen Modell von Enke et al., mit dem in dieser Arbeit der Einfluss koeluierender Matrix auf den ESI-Response von Analyten simuliert wurde. Die weitestgehend alleinige Abhängigkeit der Matrixeffekte von der Retentionszeit wurde mit fünf ESI-Quellen von drei Geräteherstellern bestätigt. Der häufiger vermutete Einfluss der ESI-Quellengeometrie auf Matrixeffekte wurde bei dem Gerätevergleich nicht festgestellt. Durch Messungen an hochauflösenden Massenspektrometern wurden 31 Inhaltsstoffe pflanzlicher Lebensmittel identifiziert, die Matrixeffekte bei der ESI verursachen. Die Stoffeigenschaften der identifizierten Inhaltsstoffe unterscheiden sich zu wenig von denen wichtiger Pestizide, um mit einer speziellen Probenaufarbeitung eine selektive Abtrennung der verantwortlichen Probenmatrix zu erreichen. Als Alternative zur Verbesserung der Probenaufarbeitung wurde das Verdünnen der Probenendextrakte als Methode zur Minimierung von Matrixeffekten untersucht. Für 156 Analyt/Matrix-Kombinationen wurde der Nutzen verschiedener Verdünnungsfaktoren gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass Matrixeffekte mit dem Logarithmus der Matrixkonzentration steigen. Es wurde eine neue Vorgehensweise abgeleitet, mit der die Anzahl der heute noch durchgeführten aufwendigen Standardadditonen deutlich gesenkt werden könnte. Dazu wird empfohlen (i) alle Probenextrakte vor Injektion in das LC-MS-Gerät zu verdünnen und (ii) die SRM-Messmethoden um 3-5 Übergänge für permanent nach der LC-Säule infudierte Referenzverbindungen zu erweitern. Effekte der Matrix auf den Response von Analyten können in vielen Fällen mit Hilfe der Matrixeffektprofile der Referenzverbindungen kompensiert werden. Als Mechanismus der Signalsuppression unterstützen die Ergebnisse der Arbeit stark die Hypothese einer Konkurrenz zwischen Analyt und koeluierender Matrix um Überschussladungen an der Oberfläche der ESI-Tropfen. Andere Hypothesen zum Mechanismus der Matrixeffekte wurden in der Arbeit widerlegt. Letztlich wurde im Elektrospray ein unterschiedlicher Einfluss der Matrix bei der Erzeugung positiver oder negativer Ionen festgestellt. So wurden z. B. bei negativer Ionisierung Unterschiede in den Matrixeffektprofilen festgestellt und häufiger Signalerhöhungen gemessen als mit ESI(+). Zum Ablauf der negativen Elektrospray-Ionisation und ihrer Störung durch Matrix besteht weiterer Forschungsbedarf.
The aim of this work was to fundamentally characterise matrix effects, which occur in trace level analysis with LC-ESI-MS. Based on the understanding of their mechanism, recommendations concerning the handling of these disturbing effects for multianalyte methods should be drawn. For this purpose a new procedure for the quantification of matrix effects in LC-ESI-MS analyses by matrix effect profiles was introduced. The matrix effect profiles obtained by this procedure continuously cover the changes of ionization efficiency during the complete run time of chromatograms. In addition to the conventional determination of matrix effects with matrix-matched standards, matrix effect profiles were measured in this work for more than 3600 analyte/matrix combinations with ESI(+) and further 590 analyte/matrix combinations with ESI(-). Matrix effects were investigated using as an example pesticide residues in food of plant origin, and drinking and surface water. The statistical evaluation of the obtained data resulted in surprinsingly similar matrix effects for the majority of pesticides in the positive ion mode. Thus, in contrast to the predominating opinion, it was shown that matrix effects are predictable, since they are usually only dependent on the retention time and hardly on further properties of the analytes. This finding is in agreement with a theoretical model of Enke et al., which was used in this work to simulate the influence of coeluting matrix components on the ESI response of analytes. The nearly exclusive dependence of matrix effects on retention time was confirmed with five ESI sources from three manufacturers. The often supposed influence of spray geometry on the extent of matrix effects was not observed in this comparison of instruments. Via analysis with high-resolving mass spectrometers 31 ingredients of vegetable food causing matrix effects in ESI were identified. The material properties of the identified substances differ too little from those of important pesticides in order to achieve their selective separation from extracts without reduction of analyte concentrations. As an alternative method for minimization of matrix effects, the dilution of final sample extracts was investigated. The benefit of different dilution levels was measured for 156 analyte/matrix combinations. Thereby it was proven that matrix effects increase with the logarithm of matrix concentration. A new procedure, which may significantely reduce the number of labour-intensive standard additions still performed today, was derived. Therefore, it is recommended to (i) dilute all sample extracts before injection into the LC-MS instrument and (ii) to extend the SRM acquisition methods by 3-5 transitions of permanently post-column infused monitor substances. Effects of matrix on the response of analytes can be compensated in many cases with the help of the matrix effect profiles of the monitor substances. The results of the work strongly support the hypothesis of a competition between analyte and co-eluting matrix for excess charges on the surface of the ESI droplets as a basic mechanism of signal suppression. Other hypotheses for the mechanism of matrix effects were not supported by results of this study. Finally, it was noticed that the formation of negative and positive ions during electrospray is often influenced by matrix in a different way. For instance, matrix effect profiles differed between analytes and more often strong signal enhancements were measured with negative ionization compared to ESI(+). The basic mechanism of negative electrospray ionization and the influence of matrix compounds on the analyte response in ESI(-) are two areas that require further research.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-51027
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4340
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4043
Exam Date: 17-Mar-2014
Issue Date: 5-Jun-2014
Date Available: 5-Jun-2014
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Elektrospray-Ionisation
LC-MS/MS
Matrixeffekte
Pestizide
Quantifizierung
Electrospray ionization
LC-MS/MS
Matrix effects
Pesticides
Quantification
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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