Ein hochauflösendes Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-System (LC-HRMS) ist eine extrem leistungsfähige analytische Plattform, die zwei Haupttechniken kombiniert, um komplexe Stoffgemische zu trennen, zu identifizieren und zu quantifizieren. Es verbindet die flüssigkeitschromatographische Trennung (LC) mit der hochauflösenden Massenspektrometrie (HRMS). Damit können neue Forschungsmöglichkeiten erschlossen werden, womit auch positionspezifische Messungen möglich werden:
1. Hochauflösende organische Spurenanalytik (LC-HRMS) mit Non-Target-Screening-Fähigkeit zur Identifikation unbekannter Metaboliten und Transformationsprodukte von Schadstoffen in aquatischen Proben durch einen Messbereich von 40 bis 6.000 m/z,
2. Isotopenanalyse (Stable Isotope Analysis, SIA) für mehrere Elemente (13C, 15N, 2H, 18O, 34S) an chromatographisch getrennten Einzelverbindungen (Pestizide, Pharmazeutika und deren Abbauprodukte) aus Umweltproben.
Nur die Kombination beider Fähigkeiten in einem einzigen Gerät erlaubt es, gleichzeitig Konzentrationen, Metabolitenspektren und isotopische Signaturen aus denselben Proben zu erfassen - eine methodische Grundvoraussetzung für die geplanten Studien zu Abbaukinetik, Bioabbau-Diskriminierung und Stressorinteraktionen in Fließgewässern.
Das Gerät "Orbitrap Exploris 240 Isotope Solution" ist laut Marktrecherche der UDE derzeit das einzige HRMS System auf dem Markt, dass garantierte Leistungsspezifikationen für präzise Isotopenmessungen bereitstellen kann.
Klassische LC-IRMS-Systeme scheiden aus, da sie technisch nur in der Lage sind Kohlenstoff-Isotopen zu messen und eine Kompatibilität mit organischen Lösungsmitteln aufweisen. Mit der Flüssigchromatographie ist nur Analyse von Kohlenstoff möglich. Ein vollständiges Isotopenbild von Elementen wie Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel ist dabei nicht möglich. Zudem lassen sich nur bekannte Verbindungen und Transformationsprodukte identifizieren, da diese Systeme keine Non-Target Funktion bieten.
´Die verfügbaren Systeme bieten hochauflösende Massenspektrometrie und Non-Target-Screening-Fähigkeit, allerdings nicht in den benötigten Massenbereichen für die Isotopenanalyse. (3) Aktuelle Standardsysteme bestehen jeweils aus einem Flüssigchromatographie-Gerät (LC/HPLC) und einem hochauflösenden Massenspektrometrie-Gerät (HRMS), die miteinander gekoppelt sind. Damit andere Elemente neben Kohlenstoff analysiert werden können, ist die Kopplung mit Gaschromatographen (GC) notwendig. Die Kopplung erfolgt dabei über ein sogenanntes Interface, das den Übergang von der Flüssigkeit (LC) in das Vakuum (MS) ermöglicht. Sie machen jedoch eine Derivatisierung notwendig, die zu einer Isotopenverfälschung führt; Bei dieser Umwandlung werden dem Probenmolekül andere chemische Gruppen hinzugefügt. Das verändert das natürliche Isotopenverhältnis der Proben. Diese muss mit einer Korrekturberechnung auf Basis bekannter Isotopenzusammensetzung des Reagenzes ausgeglichen werden. Diese Korrekturberechnungen machen die Ergebnisse ungenauer oder sogar fehlerhaft. Geringe Fehler reichen aus um falsche Schlussfolgerungen zu erzeugen. Dies betrifft insbesondere Messungen der Umweltanalytik (Bestimmung der Herkunft bestimmter Schadstoffe). Kleinste Isotopenverschiebungen zeigen auf ob Schadstoffe biologisch abgebaut werden, oder nicht. Messunsicherheiten können zu falschen Aussagen über Abbauprozesse führen und daher die Forschungsergebnisse verfälschen. Darüber hinaus sinkt durch die Ungenauigkeit auch die Reproduzierbarkeit, was die Ergebnisse invalidiert. Daher ist eine hohe Messpräzision für die Forschungen unabdingbar, die jedoch mit den Standardsystemen nicht ausreichend sichergestellt werden kann.
Das Gerät "Orbitrap Exploris 240 Isotope Solution" vereint die Funktionen (LC/HPLC und HRMS) in einem einzelnen Gerät, dass die benötigte Messqualität für die Forschungsprojekte erfüllen kann.
Bei der Orbitrap-Technologie verändert sich nicht die chemische Zusammensetzung der Proben, da keine Derivatisierung notwendig ist. Die Proben werden direkt analysiert, indem die elektroschen Signale, die die Ionen beim Schwingen erzeugen, gemessen werden. Dies ermöglicht hochauflösende organische Spurenanalytik (inklusive Non Target Screening) mit präziser, multi elementarer komponentenspezifischer Isotopenanalyse (C, N, H, O, S) an chromatographisch getrennten Einzelverbindungen: Das bedeutet für jedes einzelne Molekül (z. B. ein Pestizid), das aus der LC kommt, kann gleichzeitig auch das Verhältnis von Isotopen gemessen werden. Durch die gleichzeitige Analyse der Isotipe kann so der natürliche Ursprung der Moleküle bestimmt werden. Anders als den Gerätekombination der Standardsysteme, können neben Kohlenstoff auch die Elemente wie Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel analysiert werden, ohne dass es zu einer Isotopenverfälschung kommt. So kann eine ausreichend hochauflösende Messung und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erfolgen.
Im Rahmen der weltweiten Marktanalyse wurden weltweit alle relevanten Hersteller von LC-HRMS-Systemen und IRMS-Systemen (Thermo Fisher Scientific, Waters Corporation, Bruker Daltonics, Agilent Technologies, Elementar) geprüft. Dies erfolgte durch eine systematische Internetrecherche aller relevanten Hersteller, Herstelleranfragen und Produktinformationen, Prüfung des Patentschutzes, kontinuierliche berufliche wissenschaftliche Auseinandersetzung der Fachpersonen mit dem Marktangebot und Fachliteratur. Keine der bekannten Herstellter kann nach Wissensstand der UDE die oben genannten Kriterien jedoch erfüllen.