Modellierung von differentieller Mobilität von grundlegenden Prinzipien

• Antragsteller: Dr. Alexander Haack
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449651261

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Differentielle Mobilitätsspektrometrie (DMS) ist eine Technik zur Analyse von chemischen Proben. Ob eine unbekannte Substanz identifiziert oder ob eine Probe auf bekannte, gefährliche Substanzen getestet werden soll, zentral ist die Verfügbarkeit von zuverlässigen und gut verstandenen analytischen Techniken. Obwohl DMS schon jetzt in vielen Bereichen der analytischen Chemie oder Biochemie verwendet wird, so sind noch viele fundamentale Fragen zur genauen Funktionsweise ungeklärt. Entsprechend können manche experimentellen Beobachtungen nicht erklärt werden, was zu ungenauen oder falschen Schlussfolgerungen führen kann. In diesem Projekt wurde nun unser Verständnis der genauen Funktionsweise von DMS vertieft, indem ein Computermodell entwickelt wurde, welches in der Lage ist, die wesentlichen Aspekte dieser Technik zu simulieren. Dafür war es nötig, sowohl die physikalischen Grundlagen des Analyseprinzips als auch die während des Analysevorgangs ablaufende Chemie zu modellieren. Insbesondere galt zu verstehen, wie sich diese beiden Aspekte gegenseitig beeinflussen. So kann es zum Beispiel passieren, dass sich die zu analysierende Substanz während des Analysevorgangs chemisch verändert. Eine korrekte Identifikation ist dann nur möglich, wenn diese Prozesse wohl verstanden sind, in anderen Worten, modelliert werden können. Indem wir unsere Simulationen mit experimentellen Beobachtungen von immer komplizierteren chemischen Systemen verglichen haben, konnten wir unser Modell verfeinern, erweitern und auch seine Vorhersagegenauigkeit erhöhen. Obwohl ein paar Herausforderungen bleiben, so erlaubt dieses Modell nun den Anwendern der DMS, ihre Experimente mit Simulationen zu untermauern und so das Vertrauen in die Interpretation ihrer Ergebnisse zu erhöhen. Dies wurde im Laufe des Projektes schon an konkreten analytischen Problemen unter Beweis gestellt. Zudem eröffnete das tiefere Verständnis des Funktionsprinzips der DMS bereits, neue Variationen dieser Technik zu nutzen und kann in Zukunft auch der technologischen Weiterentwicklungen von Nutzen sein. Dadurch kann der generelle Anwendungsbereich der DMS in der chemischen Analytik erweitert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• MobCal-MPI 2.0
  Haack, A.; Ieritano, C. & Hopkins, W.S.
  
• First-Principles Modeling Of Differential Ion Mobility – Aiming for Quantitative Prediction (Poster). ID: 306648, Nov. 5th, Proceedings of the 69th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Philadelphia, PA, Oct. 31 – Nov. 5, 2021.
  Haack, A.; Bissonnette, J.R.; Ieritano, C. & Hopkins, W.S.
  
• Higher-Order-2TT_Testset. ioChem-BD Computational Chemistry Datasets. Institute of Chemical Research of Catalonia.
  Haack, Alexander & Bissonette, Justine R.
  
• Predicting Differential Mobility from First Principles (Poster). Proceedings of the 33rd International Workshop on Tandem Mass Spectrometry, Lake Louise, Canada, Dec. 1-4, 2021.
  Haack, A. & Hopkins, W. S.
  
• UVPD spectroscopy of differential mobility-selected prototropic isomers of protonated adenine. Physical Chemistry Chemical Physics, 23(35), 19892-19900.
  Heldmaier, Fiorella Villanueva; Coughlan, Neville J. A.; Haack, Alexander; Huard, Rebecca; Guna, Mircea; Schneider, Bradley B.; Le Blanc, J. C. Yves; Campbell, J. Larry; Nooijen, Marcel & Hopkins, W. Scott
  
• First Principles Modelling of Ion-Solvent Clustering in Ion Mobility (Talk). Proceedings of the 34th International Workshop on Tandem Mass Spectrometry, Lake Louise, Canada, Nov. 30 – Dec. 3, 2022.
  Haack, A. & Hopkins, W.S.
  
• Improved First-Principles Model of Differential Mobility Using Higher Order Two-Temperature Theory. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 33(3), 535-547.
  Haack, Alexander; Bissonnette, Justine R.; Ieritano, Christian & Hopkins, W. Scott
  
• Kinetics in DMS: Modeling Clustering and Declustering Reactions. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 33(12), 2250-2262.
  Haack, Alexander & Hopkins, W. Scott
  
• Kinetics_DMS_clustering. ioChem-BD Computational Chemistry Datasets. Institute of Chemical Research of Catalonia.
  Haack, Alexander
  
• On the Conformational Changes of Tripeptides in Differential Mobility Spectrometry (Poster). ID: 309076, June 9th, Proceedings of the 70th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Minneapolis, MN, June 5-9, 2022.
  Haack, A.; Ieritano, C. & Hopkins, W.S.
  
• Protonation‐Induced Chirality Drives Separation by Differential Ion Mobility Spectrometry. Angewandte Chemie International Edition, 61(9).
  Ieritano, Christian; Yves, Le Blanc J. C.; Schneider, Bradley B.; Bissonnette, Justine R.; Haack, Alexander & Hopkins, W. Scott
  
• Bridging the Gap between Differential Mobility, Log S, and Log P Using Machine Learning and SHAP Analysis. Analytical Chemistry, 95(27), 10309-10321.
  Stienstra, Cailum M. K.; Ieritano, Christian; Haack, Alexander & Hopkins, W. Scott
  
• Chemical Transformations Can Occur during DMS Separations: Lessons Learned from Beer’s Bittering Compounds. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 34(7), 1315-1329.
  Ieritano, Christian; Haack, Alexander & Hopkins, W. Scott
  
• First-Principles Modeling of Preferential Solvation in Mixed-Modifier Differential Mobility Spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 34(7), 1417-1427.
  Bissonnette, Justine R.; Ryan, Christopher R. M.; Ieritano, Christian; Hopkins, W. Scott & Haack, Alexander
  
• HiKE_cluster_sizes. ioChem-BD Computational Chemistry Datasets. Institute of Chemical Research of Catalonia.
  Haack, Alexander
  
• Ion Clustering and Transformation Reactions during the Transit in the HiKE-IM: Comparing Measurement and Model (Poster). ID: 313188, June 7th, Proceedings of the 71st ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Houston, TX, June 4-8, 2023.
  Haack, A.; Schaefer, C.; Hopkins, W.S. & Zimmermann, S.
  
• MobCal-MPI 2.0: an accurate and parallelized package for calculating field-dependent collision cross sections and ion mobilities. The Analyst, 148(14), 3257-3273.
  Haack, Alexander; Ieritano, Christian & Hopkins, W. Scott
  
• MobCal-MPI 2023
  Ieritano, C. & Haack, A.
  
• Predicting Ion-Solvent Clustering in Differential Mobility Spectrometry using Anharmonic Thermochemistry. American Chemical Society (ACS).
  Ryan, Christopher R. M.; Haack, Alexander & Hopkins, W. Scott
  
• Preferential_Solvation_DMS. ioChem-BD Computational Chemistry Datasets. Institute of Chemical Research of Catalonia.
  Haack, Alexander; Bissonnette, Justine & Ryan, Christoph
  
• Tripeptides_MassSpec. ioChem-BD Computational Chemistry Datasets. Institute of Chemical Research of Catalonia.
  Haack, Alexander
  
• Validation of Field-Dependent Ion–Solvent Cluster Modeling via Direct Measurement of Cluster Size Distributions. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 34(6), 1035-1046.
  Haack, Alexander; Schaefer, Christoph; Zimmermann, Stefan & Hopkins, W. Scott