Verbesserte Trennung von Isomeren in Trapped-Ion-Mobility-Spectrometry (TIMS) durch gezieltes Einsetzen von Ionenchemie: Kernprinzipien und Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Alexander Haack
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561548276

Das schnelle und zuverlässige Trennen von Isomeren ist eine der großen Herausforderungen in der modernen Analytischen Chemie, insbesondere für Anwendungen aus Biochemie, Biomedizin, Pharmakologie und Spurenanalytik. Das liegt daran, dass isomere Moleküle trotz ihrer physikochemisch oft ähnlichen Eigenschaften in biologischen Systemen drastisch anders agieren können. So besteht ein hoher Bedarf z.B. isomere Metaboliten in Zellen oder isomere Verunreinigungen bei der Medikamentensynthese sicher unterscheiden und jeweils quantifizieren zu können. Durch die hohen Anforderungen an Selektivität aber auch Sensitivität werden heute oft massenspektrometrische (MS) Methoden für diese Analytik eingesetzt. Zunehmend werden auch Kopplungen der Ionenmobilitätsspektrometrie mit MS (IM-MS) verwendet, da dies eine struktursensitive Trenntechnik ist und sich somit gut für die Trennung von Isomeren eignet. Um immer feinere Strukturunterschiede zwischen isomeren Analyten auflösen zu können, werden heute zum einen hochauflösende Techniken, wie die Trapped Ion Mobility Spectrometry (TIMS) Technik, verwendet, zum anderen werden chemische Modifikationen eingesetzt. Diese reichen von der kovalenten Derivatisierung der Analyten über Komplexierung mit Metallen bis hin zur Modifizierung der Gasphase durch Dopanten, immer mit dem Ziel, feine Strukturunterschiede zwischen (isomeren) Analyten weiter zu amplifizieren. In diesem Projekt werden detaillierte Computersimulationen mit experimentellen Arbeiten verbunden, um anhand von realen Trennproblemen den Einsatz von Dopanten in der TIMS zu etablieren. Dies kombiniert die hochauflösenden Eigenschaften von TIMS mit einer vielversprechenden chemischen Modifikation, die in anderen IM-MS Techniken bereits angewendet wird. Zentral für diese Arbeiten sind die Computersimulationen, die auf der vom Antragsteller entwickelten TAURUS-Pipeline basiert. Hier werden quantenchemische, Stoßtrajektorien- und Reaktionsdynamiksimulationen kombiniert, um das Verhalten von Analyten innerhalb des TIMS unter verschiedensten Dopanten- und Instrumentbedingungen vorherzusagen. Hierdurch können Optimierungen der Trennparameter nicht nur ressourcensparend in silico erfolgen, sondern die Simulationen erlauben auch, die Beobachtungen mit molekularen Parametern zu korrelieren und somit ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen zu generieren. Dieses ist auch wichtig, um die gezeigten Ergebnisse auf weitere Trennprobleme in der Zukunft anzuwenden. Die in diesem Projekt behandelte Kombination von hochauflösenden IM-MS Techniken mit flexibler chemischer Modifikation durch Dopanten-Zugabe und der Erklärung der Trennmechanismen auf molekularer Ebene werden unsere Möglichkeiten, strukturell sehr ähnliche Isomere zu trennen, signifikant erhöht. Damit hat dieses Projekt Einfluss auf viele Bereiche in den Lebenswissenschaften oder der Spurenanalytik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen