Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Online coupling of electrochemistry with mass spectrometry (EC/MS) is highly promising for prediction and simulation of metabolic processes of xenobiotics in living organisms. Less time and cost of analysis, matrix free detection, and automation make EC/MS-based metabolomics superior over traditional in-vivo and in-vitro methods. Furthermore, EC/MS has a special feature to identify reactive intermediates and reaction mechanisms.
The main objective of this work was to simulate biotransformation processes of pesticides by EC/MS and to elucidate the Transformation products (TPs). We have studied the oxidative phase I metabolism processes of selected pesticides by EC/MS or with liquid chromatography (EC/LC/MS) and compared the derived TPs with cytochrome based metabolites. The electrochemical TPs were produced by boron-doped diamond electrode, separated by LC, and detected by single quadrupole ESI-MS online. Structural identification of both electrochemical oxidation and liver microsome metabolites were based on accurate mass measurements by FT-ICR high-resolution mass spectrometry, isotopic pattern, MS/MS fragmentation, and Retention time alignments.
Main phase I oxidative metabolites by P-oxidation, N- & O- dealkylation, dechlorination, hydroxylation, and -OH- oxidation have been identified. Many targeted and untargeted metabolites have been identified by EC/(LC)/MS. Additionally, reactive species have been trapped online by biomolecules to study phase II conjugative reactions. Furthermore, we synthesized TP standards by EC/MS and applied them for pesticide's TPs occurrence investigation in foodstuf matrices.
Mykotoxine werden als sekundäre Metabolite von Schimmelpilzen gebildet und haben diverse schädliche Effekte auf Menschen, Tiere und Pflanzen. Laut FAO sind weltweit bis zu 25 % aller Lebens- und Futtermittel mit Mykotoxinen kontaminiert, wodurch jährlich immense ökonomische Verluste entstehen.
Neben den eigentlichen Mykotoxinen rücken zunehmend deren Transformationsprodukte (TPs) in den Fokus. Diese können als natürliche Stoffwechselprodukte toxischer sein als das eigentliche Mykotoxin und stellen eine potenzielle zusätzliche Gefahr für den Verbraucher dar. TPs werden überwiegend mit in vitro und in vivo Techniken untersucht, welche sowohl zeit- als auch kostenintensiv sind. Ziel war es nun, schnelle und zudem verlässliche Techniken zur Simulation von TPs diverser Mykotoxine zu testen. Die Kopplung von Elektrochemie und Massenspektrometrie, kurz EC/MS, als rein instrumenteller Ansatz ist seit vielen Jahren in der pharmazeutischen Forschung etabliert. Hierbei wird mithilfe einer elektrochemischen Durchflusszelle der oxidative Metabolismus einer Substanz simuliert und zugleich analysiert.
Unter Verwendung von EC/MS, EC/LC/MS und HPLC-MS Techniken (MS/MS und FT-ICR) wurden nun die Mykotoxine Zearalenon, Citrinin und Dihydroergocristin (als Modellsubstanz für die Ergotalkaloide) elektrochemisch bei Potentialen bis zu 2500 mV vs. Pd/H2 oxidiert und deren TPs mit mikrosomalen in vitro Ansätzen verglichen. Hierbei konnten mehrere Übereinstimmungen hydroxylierter Spezies, sowohl elektrochemisch als auch biochemisch generiert, festgestellt werden. Die EC/MS ist somit auch in der Lebensmittelanalytik als nützliches und vielseitiges Werkzeug verwendbar.
Zearalenone (ZEN) and its phase II sulfate and glucoside metabolites have been detected in food and feed commodities. After consumption, the conjugates can be hydrolyzed by the human intestinal microbiota leading to liberation of ZEN that implies an underestimation of the true ZEN exposure. To include ZEN conjugates in routine analysis, reliable standards are needed, which are currently not available. Thus, the aim of the present study was to develop a facilitated biosynthesis of ZEN-14-sulfate, ZEN-14-glucoside and ZEN-16-glucoside. A metabolite screening was conducted by adding ZEN to liquid fungi cultures of known ZEN conjugating Aspergillus and Rhizopus strains. Cultivation conditions and ZEN incubation time were varied. All media samples were analyzed for metabolite formation by HPLC-MS/MS. In addition, a consecutive biosynthesis was developed by using Fusarium graminearum for ZEN biosynthesis with subsequent conjugation of the toxin by utilizing Aspergillus and Rhizopus species. ZEN-14-sulfate (yield: 49%) is exclusively formed by Aspergillus oryzae. ZEN-14-glucoside (yield: 67%) and ZEN-16-glucoside (yield: 39%) are formed by Rhizopus oryzae and Rhizopus oligosporus, respectively. Purities of ≥73% ZEN-14-sulfate, ≥82% ZEN-14-glucoside and ≥50% ZEN-16-glucoside were obtained by 1H-NMR. In total, under optimized cultivation conditions, fungi can be easily utilized for a targeted and regioselective synthesis of ZEN conjugates.