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Elementspeziesanalytik von Palladium, Platin und Zink mittels simultaner ESI-MS und ICP-MS Detektion nach flüssigchromatographischer Trennung

Hollmann, Markus

Die Elementspeziesanalytik ist eine Teildisziplin der Analytischen Chemie. Besonders die induktivgekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) gekoppelt mit chromatographischen Trennverfahren hat sich dabei zu einer Routinemethode in dieser Wissenschaftsdisziplin entwickelt. In diesem Kontext konnte das Hauptziel der Arbeit, die Elementspeziation durch parallele Element- und Molekülmassenspektrometrie nach flüssigchromatographischer Trennung zu etablieren, erfolgreich abgeschlossen werden. Ebenso ist es gelungen, durch den Einsatz eines Membrandesolvators die Kopplungsapparatur „gradientenfähig“ zu machen. Das aufgebaute System, welches hauptsächlich aus einem ICP-MS und einem hochauflösenden ESI-Massenspektrometer besteht, konnte erfolgreich beim Screening nach PGE-Spezies und der Zuordnung möglicher Platin- und Palladium-Proteinspezies mit Hilfe der Literatur und Proteindatenbanken angewendet werden. Eine definitive Identifizierung dieser Spezies aufgrund von proteolytischem Verdau und anschließender Identifizierung der Verdaupeptide mittels MS/MS hätte den zeitlichen Rahmen und den Umfang der vorliegenden Arbeit gesprengt, da eine aufwendige Fraktionierung mit mehrdimensionaler Chromatographie und anschließender Aufkonzentration der Spezies erfolgen müsste. Daher könnte dieser Vorgang in einer thematisch verwandten anschließenden Arbeit erfolgen. Als Nebeneffekt des verwendeten Membrandesolvators konnte die Oxidbildungsrate des ICP-MS verringert werden, so dass der Großteil der Interferenzen auf Palladium und Platin in der ICP-MS ausgeblendet werden kann. Dadurch ist eine Quantifizierung der PGE im Ultraspurenbereich auch aus Realmatrices wie Umweltproben möglich, ohne vorab eine Matrixabtrennung durchzuführen, wie durch die Bestimmung von zertifiziertem Referenzmaterial belegt wurde. Dadurch steht mit dem ICP-MS ein robustes und sensitives Analysengerät zur Verfügung, welches ebenso erfolgreich in Anwendungen auf biologisch-medizinischen Bereichen eingesetzt werden konnte. Beispielsweise konnte der Einfluss von Metallen auf die Bildung von oxidativem Stress untersucht werden. Dazu wurde eine LC/MS basierte Methode zur Bestimmung des Gleichgewichts von oxidierten und reduzierten Glutathion entwickelt, die ohne Derivatisierung der Thiolgruppen auskommt. Weiterhin konnte mit Hilfe von Plasmiden demonstriert werden, inwieweit selbst essentielle Metalle wie Zink, die unter physiologischen Bedingungen nicht-redoxaktiv sind, dennoch zu einer Schädigung der DNA beitragen können. Auch konnte die Struktur des potentiellen Zink-Glutathion-Komplexes durch mehrdimensionale Massenspektrometrie belegt und somit ein Mechanismus für den Metall-induzierten oxidativen Stress (nämlich die Blockierung der Thiolfunktion in „Scavenger“-Molekülen wie GSH) postuliert werden.

Elemental speciation is a field in analytical chemistry. In particular inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) hyphenated to chromatography has become a common method in speciation. Within this context, the goal of this work to establish a parallel online detection of elemental and molecular mass spectrometry after chromatographic separation of element species could be achieved. Additionally, by use of a membrane desolvation unit, the instrument was made capable of running gradient elution. In detail the analytical system consists of an ICP-MS and a high resolving electrospray ionization mass spectrometer (ESI-MS). This setup was used to screen for platinum and palladium species followed by a metal protein assignment with the help of literature knowledge or database search. For a definitive identification enzymatic digestion followed by peptide elucidation should be performed. This approach should be performed in a subsequent work based on this thesis. A positive side-effect of the membrane desolvation unit was the low oxide building rate in ICP-MS. So a significant amount of palladium and platinum interferences were avoided making the quantitative determination of these metals possible in complex sample matrices. The method was evaluated by the analysis of certified reference material. Furthermore a LC/MS based method without derivatization for the investigation of the glutathione (GSH) equilibrium has been established. In addition the influence of the non-redox active metal zinc on DNA damage was shown with plasmid-GSH-assays under physiological conditions. Finally the structure of a possible zinc glutathione complex was elucidated by multidimensional mass spectrometry. This finding indicates the mechanism of metal induced oxidative stress, namely the blocking of free sulfhydryl groups (deactivation of scavenger function) in glutathione like molecules.

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Hollmann, Markus: Elementspeziesanalytik von Palladium, Platin und Zink mittels simultaner ESI-MS und ICP-MS Detektion nach flüssigchromatographischer Trennung. 2013.

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