Integration der Ionenmobilitätsanalyse in eine lineare Quadrupol-Ionenfalle zur Verbesserung der analytischen Leistungsfähigkeit

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christoph Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566668822

Die genaue Identifizierung und Quantifizierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in komplexen chemischen Umgebungen erfordert eine hochsensitive, selektive und verlässliche Echtzeit-Analysentechnik. Obwohl die Massenspektrometrie (MS) diese Anforderungen grundsätzlich erfüllt, stößt sie bei der Unterscheidung von isobaren und isomeren Ionen in komplexen Proben auf Herausforderungen, da diese die gleichen m/z-Werte aufweisen. Techniken wie die Kopplung von MS mit Gaschromatographie (GC) oder Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) sowie die Nutzung von Tandem-MS können die Trennung dieser Ionen verbessern. Allerdings führen GC-MS zu längeren Analysezeiten und sind daher für Echtzeitanwendungen ungeeignet, während Tandem-MS und IMS-MS die instrumentelle Komplexität erhöhen. Aktuelle Forschung am J. Heyrovský Institut für Physikalische Chemie in Prag zielt darauf ab, eine neue Generation der Massenspektrometrie zur Analyse von Spurengasen und VOCs zu entwickeln, die eine lineare Quadrupol-Ionenfalle (LQIT) verwendet. Diese integrierte Plattform kombiniert chemische Ionisation, m/z-Analyse und optionale kollisionsinduzierte Dissoziation von massenselektierten Ionen innerhalb einer einzigen Ionenfalle, was in einer hohen analytischen Leistungsfähigkeit resultiert und gleichzeitig die instrumentelle Komplexität durch den Verzicht auf zusätzliche Trennstufen und das Ersetzen mehrerer Massenanalysatoren auf eine einzige LQIT reduziert. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist die Integration der Ionenmobilitätsanalyse als zusätzliche Trenndimension in die LQIT, um eine zuverlässigere Identifizierung von VOCs und eine ungerichtete Quantifizierung in komplexen Mischungen zu ermöglichen. Dabei wird der Austrittszeitpunkt der Ionen bei Resonanzanregung, beeinflusst durch Kollisionen mit Neutralgasteilchen, zur Bestimmung der Ionenmobilität genutzt. Die Ionenbewegung innerhalb der Ionenfalle lässt sich als die eines gedämpften harmonischen Oszillators beschrieben, wobei der Zusammenhang zwischen Dämpfungskonstante und Ionenmobilität noch unklar ist. Eine zentrale Herausforderung dieses Vorhabens ist daher die Entwicklung einer theoretischen Grundlage zur präzisen Ableitung der Ionenmobilität aus experimentellen Daten. Um den Ansatz zu validieren, werden Referenzwerte der Ionenmobilität mittels einer geeigneten Referenzplattform, wie der „selected ion flow-drift tube“-MS, bei verschiedenen Betriebsdrücken etabliert. Die experimentelle Validierung erfolgt durch den Vergleich der in der LQIT ermittelten Ionenmobilitäten mit diesen Referenzwerten. Zudem wird untersucht, ob die aus der Literatur bekannte Feldabhängigkeit der Ionenmobilität und unerwünschte Fragmentierungen während der Ionenmobilitätsanalyse auftreten. Abschließend soll die verbesserte Trennfähigkeit der modifizierten LQIT bei Mischungen von isomeren und isobaren Ionen demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Gastgeber: Professor Dr. Patrick Spanel