1.4 Prozessanalytik
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Quantitative 1H Nuclear Magnetic Resonance (qNMR) of Aromatic Amino Acids for Protein Quantification
(2022)
qNMR is a valuable technique for metrological studies due to the uniformity of its signal response for all chemical species of an isotope of interest, which enables compound-independent calibration. However, protein quantification remained challenging as large molecules produce wide, low-intensity signals that reduce the already low sensitivity. Combining qNMR with the hydrolysis of protein samples into amino acids circumvents many of these issues and facilitates the use of NMR spectroscopy for absolute protein and peptide quantification.In this work, different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. First, we examined the pH-based signal shifts in the aromatic region. The preferable pH depends on the selection of the amino acids for quantification and which internal standard substance should be used to avoid peak overlap. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, have been applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard, as well as from a certified reference material (bovine serum albumin), was performed. Using the first two suggested internal standards, recovery was ~ 97 % for histidine, phenylalanine, and tyrosine at a concentration of approximately 1 mM in solution. Acidic hydrolysis of a certified reference material (CRM) of bovine serum albumin (BSA) and subsequent quantification of Phe and Tyr yielded recoveries of 98 ± 2 and 88 ± 4 %, respectively, at a protein concentration of 16 g/L or 250 µM.
In the last years, the Process Analytical Technology (PAT) research field has become of great importance due to its connection with the industrial world. This industry related research, along with the evolutionary progress that technology has seen lately, has allowed that key analytical techniques in an industrial environment have undergone a radical development. One of these techniques has been the near-infrared spectroscopy (NIRS). This technique, currently common in "online" industrial analysis, has seen a remarkable revolution, especially since the introduction of the microelectromechanical systems technology (MEMS) in the spectroscopy field. Nowadays it is possible to find compact spectrometers no bigger than a wristwatch in the market. Although there is an unavoidable question: can these compact spectrometers actually compete against the traditional spectrometers?
In this project different calibration parameters of two compact NIR spectrometers ("Spectral Engines Oy NIR-One Sensor NM2.0", with 1550 to 1950 nm range; and "NeoSpectra Si-ware", with 1300 to 2550 nm range) were evaluated, and the obtained results were compared with a reference spectrometer ("Bruker Optik GmbH Matrix-F", with 15000 to 4000 cm–1 range). In order to obtain the different calibration parameters, a sequence of quality performance tests were conducted. The results obtained after the different experiments carried out with both compact spectrometers prove that their performance is more than acceptable for routine analysis.
Afterward, model samples of different microplastics in soil at different known concentration were analyzed with all three spectrometers. Chemometric models capable to identify and classify microplastics in soil were established. For this analysis five of the most used plastics worldwide were used: polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polystyrene (PS), and polyvinyl chloride (PVC). After the Principal component analysis (PCA), it can be seen that only the NIR-One NM2.0 is capable to differentiate all types of microplastics in soil at concentrations of 1–2 %, while the NeoSpectra Si-ware is unable to identify the PET sample.
Die chemische Industrie steht derzeit, wie viele andere Industriebereiche, vor den Herausforderungen einer Digitalisierung der Produktion. Sie ist der Schlüssel für die Flexibilisierung von Prozessen und Anlagen, für die Verkürzung von Produkteinführungszeiten sowie für den Zuschnitt der Produktion auf wechselnde Nachfrage und kürzere Produktlebenszyklen. Die Messtechnik und Sensorik spielt neben der intelligenten Datenverarbeitung eine Schlüsselrolle für die Digitalisierung. Flexiblere Anlagen benötigen Sensorik zur Überwachung des Anlagenzustandes, zur Früherkennung nicht bestimmungsgemäßer Betriebszustände sowie für eine bedarfsgerechte Wartung. Da die Entwicklung neuer und verbesserter Messtechnik und Sensorik grundlegend aus verschiedenen Richtungen gedacht werden muss, haben sich Akteure aus verschiedenen Branchen zusammengetan und dieses Positionspapier erstellt. Es basiert auf einer grundlegenden Analyse des Ist-Stands sowie des Bedarfs der Industrie, die unter anderem auf einem eigens dafür durchgeführten Workshop mit Sensorentwicklern, Anlagenherstellern sowie Anlagenbetreibern am 18. Juni 2019 bei der DECHEMA in Frankfurt a. M. diskutiert wurden. Diese Aktivitäten wurden maßgeblich von der Initiative Wanted Technologies der ProcessNet sowie dem AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V. initiiert.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.