TY - THES A1 - Gabriel, Stefan Johannes T1 - Entmischungsphänomene in lösemittelbasierenden MALDI-TOF MS Probenpräparationen N2 - Die matrixunterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI-MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Methode zur Charakterisierung von synthetischen Polymeren entwickelt. Neben der Messung von Molmassen und deren Verteilungen bietet diese Technik die Möglichkeit, simultan Monomerstrukturen und Endgruppen eines Polymers zu bestimmen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der einfachen Probenpräparation, die überwiegend durch Auftropfen der Matrix- und Polymerlösung (engl. Dried Droplet Method) erfolgt. Anstelle eines homogenen Probenspots wird nach dem Verdampfen des Lösemittels häufig jedoch die Bildung von Eintrocknungsringen beobachtet. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Matrix/Polymer Verhältnissen, was die Qualität und Reproduzierbarkeit der MALDI Methode erheblich beeinträchtigt. Dies ist insbesondere von Interesse, da synthetische Polymere, im Gegensatz zu biologischen Makromolekülen, eine Kettenlängen-Verteilung aufweisen, die ebenfalls Segregationseffekten unterliegen kann. Eine realistische Bestimmung von Molmassen und deren Verteilung ist demzufolge nahezu unmöglich. Auf Grund der weiten Verbreitung der Dried Droplet Methode ist es daher erforderlich, mögliche Ursachen der Segregation aufzuklären und gegebenenfalls alternative Probenpräparationstechniken, basierend auf dieser simplen Tropfenmethode zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde die Trocknung verschiedener Polymer/Matrix Spots bei Verwendung unterschiedlicher Lösemittel untersucht. Da die MALDI Methode auch die Möglichkeit bietet, als bildgebendes Verfahren (MALDI-Imaging Massenspektrometrie) genutzt zu werden, wurde diese Technik primär für die Untersuchung der Segregationseffekte verwendet. In Analogie zum Einsatz in biologischen Systemen, beispielsweise bei der Lokalisierung von Metaboliten oder Wirkstoffen in Gewebeproben, kann mittels MALDI-Imaging MS die laterale Verteilung von Polymeren mit unterschiedlichen Strukturen und Molmassen sowie der Matrix simultan bestimmt werden. Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Prozessen, wie Kapillarfluss oder Marangoni Strömung, die u.a. für die Ringbildung verantwortlich gemacht wurden, zeigen die Ergebnisse der hier vorgestellten Experimente deutlich, dass die Löslichkeit von Polymer und Matrix im verwendeten Lösemittel von entscheidender Bedeutung ist. Im Verlauf des Verdampfungsprozesses findet eine Aufkonzentrierung der Moleküle im abgesetzten Tropfen statt. Beim Erreichen der Sättigungskonzentration beginnen die Polymermoleküle mit den hohen Molmassen zuerst auszufallen, während die restlichen, immer noch gelösten Homologen weiterhin den Transportvorgängen unterliegen, die beim Eintrocknen generiert werden. Bei Lösemitteln die langsam verdunsten kann das zur molmassenabhängigen Segregation von Polymerhomologen führen. Verwendet man Lösemittel die schnell verdunsten erfolgt keine Molmassen-Segregation der Polymere, sondern ausschließlich eine Entmischung von Matrix und Polymer. Auf Grund ihrer geringen Molmasse bleibt die Matrix am längsten gelöst und kann demzufolge bis unmittelbar vor dem Eintrocknen an den Tropfenrand transportiert werden. Dies erklärt die Bildung von hauptsächlich aus Matrix bestehenden Ringen bei der üblicherweise verwendeten Konzentration von 10 mg ml-1. Die Experimente haben jedoch auch gezeigt, dass die beobachtete Entmischung bei einer deutlich höheren Konzentration von 100 mg ml-1 ohne Einschränkungen in der Qualität der Spektren vermieden werden kann. Bei dieser Konzentration wird die Sättigungskonzentration der Matrix bereits vor dem ersten Ausfallen der Polymere erreicht. Dadurch entsteht eine hoch viskose Lösung, welche die folgenden Transportprozesse der Polymermoleküle behindert. Eine Entmischung kann somit nicht mehr erfolgen und man erhält eine chemisch homogene Spotoberfläche. Eine andere einfache Möglichkeit die Viskosität der Probenspots soweit zu erhöhen, dass keine Segregation erfolgen kann, bietet die Verwendung von Matrizes basierend auf ionischen Flüssigkeiten. Neben der einfachen Synthese zeichnen sich diese Verbindungen durch ihre hohe Stabilität und der Vermeidung einer Sublimation im Vakuum aus. Selbst nach 24h im Hochvakuum der MALDI-Quelle konnten reproduzierbare Spektren gemessen werden. Die Intensität der Spektren ist dabei deutlich höher als bei der Verwendung konventioneller Matrizes. Dies ermöglicht die Aufnahme von Spektren bei geringerer Bestrahlungsstärke, was wiederum zu weniger Fragmentierungen führt und insbesondere für labile Polymere interessant sein könnte. Die mit der Dried Droplet Methode und ionischen Matrizes erzeugten Spots weisen eine überragende Homogenität auf. Diese Matrixklasse stellt somit eine neue und interessante Alternative zur konventionellen Spotpräparation in der MALDI-TOF Massenspektrometrie dar. N2 - Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS) has become an indispensable tool for polymer characterization. This method enables the determination of molar masses and mass distributions, monomer structures and end groups, simultaneously. Another advantage represents the simple sample spot preparation, which is typically done by spotting sample and matrix solutions on the target surface. After drying, instead of a homogenous area, often a ring is formed. This segregation leads to different matrix/polymer ratios on the spot, which dramatically affects the quality and reproducibility of the spectra. In contrast to biological macromolecules, synthetic polymers consist of different chain length, which also might be affected by segregation. Thus, a realistic determination of the molecular mass and mass distribution is almost impossible. Since the majority of sample spots are prepared by this simple and fast method, possible reasons for segregation have to be determined. Alternatively, droplet based sample preparation procedures, that avoid segregation should be developed. Therefore, the drying of various polymer/matrix spots using different solvent systems was investigated. Since MALDI can also be used as an imaging tool, this special technique was applied to monitor the segregation effects. Similar to its application in biological systems, e.g. to identify the local distribution of metabolites or drugs in tissues, MALDI Imaging MS is able to simultaneously measure the distribution of polymers with different structures and molar masses, as well as the matrix. In literature the capillary flow and the marangoni flow are considered as the major causes for ring formation. In contrast to that, the results of this thesis show that the solubility of the polymer and the matrix in the used solvent is of major importance. While evaporating, the concentration of the molecules in the droplet increases. When the saturation concentration of the polymer has been reached, molecules with higher molar masses begin to precipitate first. Lower mass polymers that are still dissolved are subjected to transport processes. When a slowly evaporating solvent is used, mass segregation of polymer homologous can occur. Using a fast evaporating solvent, a segregation of polymer homologous cannot be observed. Here, a segregation of polymer and matrix can be found. Due to its comparatively low molecular mass the matrix stays dissolved much longer than the polymer molecules, and could be transported to the rim of the spots. When a typical matrix concentration of 10 mg ml-1 is used, the rings mainly consist of matrix. However, the experiments also showed that higher matrix concentrations (100 mg ml-1) always resulted in homogeneous sample spots without any loss of the quality of the spectra. At this concentration the saturation concentration of the matrix is reached before polymers start to precipitate. The much higher matrix concentration dramatically increases the viscosity of the matrix solution. Thus, transport processes caused by the solvent evaporation are increasingly hindered and segregation could not be observed. Another possibility to increase the viscosity of the sample spots to avoid segregation is the use of ionic liquid matrices. Ionic matrices are easy to produce and stable in high vacuum. Even after 24h in the high vacuum of the MALDI source reproducible spectra could be measured. Thus, the laser irradiance can be reduced, which results in less fragmentation. This could be favorable for the investigation of labile polymers. The dried droplet sample spots show a superior homogeneity and spots can be measured several times without visible differences in the mass spectra. Ionic matrices, therefore, represent a new and promising alternative for the conventional sample spot preparation in MALDI mass spectrometry. T3 - BAM Dissertationsreihe - 126 KW - MALDI Imaging MS KW - Entmischungsphänomene KW - Ionische Flüssigkeit KW - Polymere KW - Dried Droplet PY - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-4873 SN - 978-3-9816668-6-1 VL - 126 SP - 1 EP - 144 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-487 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Mishra, Kirti Bhushan A1 - Weidner, Steffen T1 - Molmassenabhängige Verteilung einer Dried Droplet Probe in Abhängigkeit von Lösungsmitteln und Polymeren T2 - 16. Kolloquium MALDI und Synthetische Polymere CY - Berlin, Germany DA - 2012-05-08 PY - 2012 AN - OPUS4-26136 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Seperation effects caused by dried-droplet sample preparation in MALDI mass spectrometry of polymers T2 - MACRO BeGE 2012 CY - Houffalize, Belgium DA - 2012-12-03 PY - 2012 AN - OPUS4-27603 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Separation effects in dried-droplet sample preparations for MALDI mass spectrometry of polymers T2 - Jahrestagung der DGMS CY - Berlin, Germany DA - 2013-03-10 PY - 2013 AN - OPUS4-29257 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Separation effects caused by the dried-droplet sample preparation for MALDI-MS of synthetic polymers T2 - ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics CY - Minneapolis, MN, USA DA - 2013-06-08 PY - 2013 AN - OPUS4-29252 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Separationseffekte in "dried-droplet" Probenpräparationen für MALDI MS von synthetischen Polymeren T2 - Bruker Anwendertreffen CY - Berlin, Germany DA - 2013-02-26 PY - 2013 AN - OPUS4-29253 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Separation effects in dried-droplet sample preparations for MALDI mass spectrometry of polymers T2 - Anakon 2013 CY - Essen, Germany DA - 2013-03-04 PY - 2013 AN - OPUS4-29254 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Ionische Flüssigkeiten zur Verbesserung der Homogenität der Probenpräparationen T2 - MALDI Kolloquium 2013 CY - Berlin, Germany DA - 2013-03-14 PY - 2013 AN - OPUS4-29255 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - Separation effects caused by the dried dropled sample preparation for MALDI-MS of synthetic polymers T2 - Adlershofer Forschungsforum 2013 CY - Berlin, Germany DA - 2013-11-12 PY - 2013 AN - OPUS4-30163 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gabriel, Stefan A1 - Weidner, Steffen A1 - Panne, Ulrich A1 - Schwarzinger, C. T1 - MALDI-ToF-MS Imaging: Classical Dried Droplet vs. Ionic Matrix T2 - Advances in Polymer Science and Technology (APST) 3 CY - Linz, Austria DA - 2013-09-09 PY - 2013 AN - OPUS4-30165 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gabriel, Stefan A1 - Pfeifer, Dietmar A1 - Schwarzinger, C. A1 - Panne, Ulrich A1 - Weidner, Steffen T1 - Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometric imaging of synthetic polymer sample spots prepared using ionic liquid matrices N2 - RATIONALE Polymer sample spots for matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) prepared by the dried-droplet method often reveal ring formation accompanied by possible segregation of matrix and sample molecules as well as of the polymer homologs itself. Since the majority of sample spots are prepared by this simple and fast method, a matrix or sample preparation method that excludes such segregation has to be found. METHODS Three different ionic liquid matrices based on conventionally used aromatic compounds for MALDI-TOF MS were prepared. The formation of ionic liquids was proven by 1H NMR spectroscopy. MALDI-Imaging mass spectrometry was applied to monitor the homogeneity. RESULTS Our results show a superior sample spot homogeneity using ionic liquid matrices. Spots could be sampled several times without visible differences in the mass spectra. A frequently observed loss of matrix in the mass spectrometer vacuum was not observed. The necessary laser irradiance was reduced, which resulted in less polymer fragmentation. CONCLUSIONS Ionic liquid matrices can be used to overcome segregation, a typical drawback of conventional MALDI dried-droplet preparations. Homogeneous sample spots are easy to prepare, stable in the MS vacuum and, thereby, improve the reproducibility of MALDI. PY - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/rcm.6810 SN - 0951-4198 SN - 1097-0231 VL - 28 IS - 5 SP - 489 EP - 498 PB - Wiley CY - Chichester AN - OPUS4-30267 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gabriel, Stefan A1 - Steinhoff, R.F. A1 - Pabst, M. A1 - Schwarzinger, C. A1 - Zenobi, R. A1 - Panne, Ulrich A1 - Weidner, Steffen T1 - Improved analysis of ultra-high molecular mass polystyrenes in matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry using DCTB matrix and caesium salts N2 - Rationale The ionization of polystyrenes in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) is typically achieved by the use of silver salts. Since silver salts can cause severe problems, such as cluster formation, fragmentation of polymer chains and end group cleavage, their substitution by alkali salts is highly desirable. Methods The influence of various cations (Ag+, Cs+ and Rb+) on the MALDI process of polystyrene (PS) mixtures and high mass polystyrenes was examined. The sample preparation was kept as straightforward as possible. Consequently, no recrystallization or other cleaning procedures were applied. Results The investigation of a polystyrene mixture showed that higher molecular polystyrenes could be more easily ionized using caesium, rather than rubidium or silver salts. In combination with the use of DCTB as matrix a high-mass polymer analysis could be achieved, which was demonstrated by the detection of a 1.1 MDa PS. Conclusions A fast, simple and robust MALDI sample preparation method for the analysis of ultra-high molecular weight polystyrenes based on the use of DCTB and caesium salts has been presented. The suitability of the presented method has been validated by using different mass spectrometers and detectors. KW - MALDI KW - Mega-dalton KW - Ionization KW - Caesium KW - Polystyrene KW - DCTB PY - 2015 UR - http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rcm.7197/full U6 - https://doi.org/10.1002/rcm.7197 SN - 0951-4198 SN - 1097-0231 VL - 29 IS - 11 SP - 1039 EP - 1046 PB - Wiley CY - Chichester AN - OPUS4-33191 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gabriel, Stefan A1 - Schwarzinger, C. A1 - Schwarzinger, B. A1 - Panne, Ulrich A1 - Weidner, Steffen T1 - Matrix segregation as the major cause for sample inhomogeneity in MALDI dried droplet spots N2 - The segregation in dried droplet MALDI sample spots was analyzed with regard to the matrix-to-sample ratio using optical microscopy, MALDI imaging mass spectrometry (MALDI MSI) and IR imaging spectroscopy. In this context, different polymer/matrix/solvent systems usually applied in the analysis of synthetic polymers were investigated. The use of typical matrix concentrations (10 mg mL-1) in almost every case resulted in ring patterns, whereas higher concentrated matrix solutions always led to homogeneous sample spot layers. The data revealed that segregation is predominantly caused by matrix transport in the drying droplet, whereas polymer segregation seems to be only secondary. KW - MALDI KW - Imaging MS KW - Matrix segregation KW - Dried droplet KW - Sample preparation KW - Polymers PY - 2014 U6 - https://doi.org/10.1007/s13361-014-0913-0 SN - 1044-0305 VL - 25 IS - 8 SP - 1356 EP - 1363 PB - American Society for Mass Spectrometry CY - New York, NY AN - OPUS4-32582 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -