Das übergeordnete Ziel dieser Promotion war die Untersuchung und Kompensation des Matrixeffekts für die Analytik von Arzneimitteln in komplexen Probenmatrices mit LC-ESI-MS/MS-Technik. Zunächst konnte eine einfache analytische Methode für eine breite analytische Anwendbarkeit entwickelt werden. Es zeigte sich jedoch, dass die Matrixeffektkompensation zu einem Mehraufwand bei der Probenvorbereitung führt. Deshalb wurde anschließend der Mechanismus des Matrixeffektes auf die LC-ESI-MS/MS-Technik genauer untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend eingesetzt, um eine einfache alternative Quantifizierungsmethode mittels der PCI eines internen Standards zu entwickeln.
Im ersten Teilprojekt wurde eine LC-ESI-MS/MS-Methode für die Analytik von häufig verschriebenen Antibiotika in Abwasserproben der Stadt Dresden entwickelt. Da weder Vergleichsmatrix für Abwasser zur Verfügung stand, noch für alle Zielanalyte isotopenmarkierte Standards erhältlich sind, wurde der stark variierende Matrixeffekt der Abwasserproben mittels der Standardaddition kompensiert. Die Ergebnisse der Methodenentwicklung zeigen, dass eine genaue und flexible Methode entwickelt werden konnte, die Matrixkompensation jedoch zu einem erhöhten Zeit- und Materialaufwand führt. Es wurde deutlich, dass neben bisher genutzten Kompensationsmethoden für den Matrixeffekt, wie Standardaddition und interner isotopenmarkierter Standards, neue alternative Strategien getestet werden müssen.
In dem zweiten Teilprojekt wurde daher der Matrixeffektmechanismus von Urin-, Plasma- und verschiedenen Abwasserproben bei der Messung von verschiedenen Arzneimitteln mittels LC-ESI-MS/MS analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen mittels „post-column infusion“ konnten bisherige Erkenntnisse zu Matrixeffektmechanismen bestätigen und das Verständnis vertiefen. Matrixeffekte sind von der jeweiligen Zusammensetzung der Probenmatrix abhängig, aber auch substanzspezifisch. Dabei kommt es zwischen Analyt und Begleitsubstanzen zu einer Konkurrenz um freie Ladungsträger oder zu einer veränderten Anordnung/Verteilung innerhalb der ESI-Spray-Tröpfchen. Gleichzeitig zeigten die Ergebnisse, dass es auch andere Mechanismen, wie z. B. Ladungstransfers zwischen Analyt und Begleitsubstanzen, geben muss.
Schließlich wurden die Ergebnisse des zweiten Teilprojekts in einer innovativen Methodenentwicklung zur Matrixkompensation und zur Quantifizierung von 16 Arzneimitteln in Urinproben verwendet. Der Matrixeffekt der Substanzen mit vergleichbarer Signalsuppression konnte über einen einzelnen nachsäuleninfundierten internen Standard kompensiert werden. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Vorteil der entwickelten Methode gegenüber Matrix-Kalibrierung in Präzision und Richtigkeit oder dem Einsatz von isotopenmarkierten internen Standards in Aufwand der Methodenentwicklung und Verbrauch von Standardsubstanzen.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen die Bedeutung, Komplexität und den Einfluss der Matrixeffekte in der Anwendung der LC-ESI-MS/MS-Technik. Einerseits sind geeignete Methoden für die Minimierung von Matrixeffekten wie Probenvorbereitung und Chromatographie nötig, andererseits müssen Ionisierungsmechanismen, insbesondere die Wechselwirkungen von Zielanalyten und Begleitsubstanzen, zukünftig Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wichtige Beiträge zur Verbesserung der Analytik von komplexen Proben mittels der LC-ESI-MS/MS-Technik. / The overall goal of this Ph.D. thesis was to investigate and compensate the matrix effect of the analysis of drugs in complex sample matrices with LC-ESI-MS/MS technique. First, a simple analytical method for a broad analytical applicability was developed for wastewater analysis. However, the matrix effect compensation embraced the main part effort in sample preparation. Therefore, the mechanism of the matrix effect on the LC-ESI-MS/MS technique was examined in more detail. The findings were used to develop an alternative quantification method using post-column infusion of an internal standard substance.
In the first project, a LC-ESI-MS/MS method was developed to analyze commonly prescribed antibiotics in wastewater samples of Dresden. Since neither comparison matrix for wastewater nor all isotopically-labeled analogs for the target analytes were available, the strongly varying matrix effect of the wastewater samples was compensated by standard addition. The results show that the developed method is precise and flexible, but the matrix effect compensation leads to an increased expenditure of time and materials. Besides previously used matrix effect compensation methods, such as standard addition and internal isotopically-labeled standard, new alternative strategies need to be tested.
Therefore, the matrix effect mechanism of various drugs and sample matrix combinations was examined in the second project using post-column infusion. The results confirmed previous findings on matrix effect mechanisms and deepened our understanding that matrix effects not only depend on the composition of the sample matrix but are also substance-specific. This results to a competition of free charge carriers between analyte and accompanying substances or to an alternated distribution within the ESI spray droplets. Furthermore, the results indicate that there are other mechanisms, such as charge transfer between analyte and concomitant substances.
The results of the second project were used to invent a method for matrix effect compensation and quantification of 16 drugs in urine samples. The matrix effects of the substances with comparable signal suppression were compensated by a single post-column infused internal standard. The developed method has a significant advantage over the matrix calibration regarding precision and accuracy as well as the use of isotopically-labeled internal standards in effort of method development and consumption of standard substances.
Finally, the results of this work show the importance, complexity and influence of the matrix effects in the application of the LC-ESI-MS/MS-technique. Suitable methods for minimizing matrix effects such as sample preparation and chromatography are needed and ionization mechanisms, in particular the interactions of target analytes with accompanying substances, should be investigated in future studies. The work of this Ph.D. project contributes to the improvement of the analysis of complex samples using the LC-ESI-MS/MS-technique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:33891 |
| Date | 02 May 2019 |
| Creators | Rossmann, Julia |
| Contributors | El-Armouche, Ali, Schwedhelm, Edzard, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1016/j.jchromb.2014.08.008, 10.1016/j.jchromb.2015.06.019, 10.1016/j.chroma.2018.01.001 |
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