Analytische Chemie
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Isotope analysis plays a critical role in various disciplines, including environmental science, archaeology, and forensic investigations. Traditional methods such as mass spectrometry provide precise isotopic data but often require complex, costly setups and extensive sample preparation. As an alternative, optical spectrometry has emerged as a versatile and less invasive technique. This presentation explores the advancements and applications of optical spectrometry methods in isotope analysis, emphasizing their benefits and challenges.
Lithium (Li), Boron (B), Nitrogen (N), Magnesium (Mg), and Calcium (Ca) are pivotal elements across various spheres such as the hydrosphere, biosphere, and lithosphere, significantly impacting (bio-) geochemical and physiological processes. These elements exhibit stable isotopes with substantial roles in geological, environmental, and biological studies. The traditional method for measuring isotope amount ratios has been through mass spectrometry, which, despite its accuracy, comes with high operational costs, the need for skilled operators, and time-consuming sample preparation processes.
Combining optical spectroscopy with chemometrics introduces an innovative, cost-effective approach by the hand of high-resolution continuum source atomic and molecular absorption spectrometry (HR-CS-AAS and HR-CS-MAS) for the analysis of isotope ratios in Li, B, N, Mg, and Ca. By analyzing the atomic or molecular absorption spectrum of the in-situ generated cloud of atoms of diatomic molecules (e.g., Li, BH, NO, MgF, CaF) during the electronic transition from the fundamental state, this method allows for the rapid determination of isotope ratios directly from sample solutions without the need for complex sample preparation.
For each element, the respective atomic or molecule's absorption spectrum was deconvoluted into its isotopic components using partial least squares regression or machine learning algorithms. Robust calibration models were developed, calibrated with enriched isotope, and validated against certified reference materials. Spectral data underwent preprocessing to optimize the modeling to determine the optimal number of latent variables.
The findings showcase that this optical spectrometric method yields results that agree with those obtained via inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), offering a promising, cost-effective, and rapid alternative for isotope analysis with precisions as low as ± 0.2‰. This approach is a significant advancement in analytical chemistry, providing a new way to study isotope variations in biological, environmental, and geological samples.
What does GD-OES reveal about the aging and manufacturing processes of lithium-ion batteries?
(2024)
Glow-Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES), a powerful analytical technique, sheds light on the two critical aspects of lithium-ion batteries (LIBs): manufacturing and aging 1, 2. We optimized cell production in manufacturing by adjusting parameters, including cathode doping, electrolyte concentration, and pressing force. GD-OES provided in-depth elemental composition and homogeneity analysis, which is crucial for identifying optimal manufacturing conditions. These findings were validated by electrochemical impedance spectroscopy, confirming the quality of the manufactured batteries.
Shifting the focus to aging, we use GD-OES for fluorine depth profiling, a key element in understanding polymer and electrolyte degradation. However, fluorine presents analytical challenges. We addressed this by substituting argon with a neon:argon mixture, which significantly enhanced fluorine detection sensitivity. This advancement not only improves accuracy but also holds the potential to guide sustainable and cost-efficient manufacturing strategies.
Through its versatility, GD-OES has proven to be a powerful tool for not only optimizing LIB manufacturing processes but also gaining deeper insights into their aging mechanisms. This research extends beyond academic interest, offering tangible benefits for the industry by translating into improved battery quality, extended lifespan, and overall performance.
Im Rahmen der von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufenen Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ liegt der Fokus u.a. auf der Entwicklung von neuen Zertifizierungsworkflows. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen. Zur Datenintegration aus der Sensor-Feldebene einer Versuchs-wasserstofftankstelle wurde eine solche Infrastruktur zunächst in einer Laborumgebung aufgebaut.
Faecal contaminants in water are considered serious threats for human health, due to the presence of viruses, bacteria and other harmful microorganisms.1 Urobilin (UB) is a well-known faecal pigment and can be used as a marker for faecal matter in water.2 UB is commonly present in the urine of all mammals as the catabolic end product of bilirubin degradation.2 As the only simple chemical approach to its detection, Schlesinger’s test is usually used to enhance the weak fluorescence of UB in alcoholic media by complexation with Zinc.2, 3 The major limitation of this method is the only weak enhancement of the intrinsically weak UB fluorescence in aqueous media.3 This work presents an approach to introduce different Zn salts for improved fluorescence response, where we found a clear dependence of the fluorescence yield of UB-Zn(II) complexes on the counterion of the salt in water. By employing a combination of fluorescence parameters like transition energy, fluorescence intensity, and fluorescence lifetime, a photophysical understanding of the structure and conformation of the UB-Zn(II) complexes responsible for the fluorescence enhancement in water could be gained. The possibilities of developing a sensitive analytical method based on the acquired understanding are also discussed.
Therapeutic monoclonal antibodies are the fastest-growing group of biological agents which generated a yearly turnover of USD 210 billion in 2022 and whose sales are expected to grow by 10% annually over the next 10 years. With steadily increasing market importance, analytical methods for reliable quantification of therapeutic antibodies also become more and more relevant. Liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) has become the main technology for antibody quantification. This approach, however, requires enzymatic digestion of the intact protein into peptides, for which a wide range of different protocols exists that often lead to different results depending on the digestion procedure or trypsin variants used. In particular, the amount and type of detergents added for protein unfolding prior to digestion is known to create significant bias in measurement results. The overall goal of the presented project is the application of novel thermostable and surface-functionalized trypsin particles for improved antibody digestion. Specifically, a trypsin-variant described in the literature exhibiting increased activity and thermal stability above 80°C, will be examined. The application of this enzyme should allow to perform digestion at elevated temperatures where the protein is naturally unfolding thereby increasing enzyme accessibility without the need for detergents. Furthermore, we will immobilize the thermostable trypsin onto the surface to further enhance enzyme stability, prevent self-digestion, and enable separation of trypsin from target peptides before LC–MS/MS analysis. As an immobilization platform, cheap and non-porous corundum particles will be used as these show high chemical stability and low levels of interaction of matrix proteins with the functionalized surface. adsorption. In a multidisciplinary collaboration with the SALSA Photonics Lab, we will investigate the characteristics of covalent enzyme binding and unspecific peptide binding using an interface-sensitive analytical tool, vibrational sum-frequency generation (VSFG) spectroscopy. The insights gained will not only lead to new competencies in peptide and enzyme surface analysis using VSFG spectroscopy in SALSA but will also significantly contribute to optimizing antibody quantification.
Antikörper sind in der medizinischen Welt nicht mehr wegzudenken. Ihr Einsatz-Repertoire als Therapeutika für die Behandlung diverser Krankheiten und Infektionen weitet sich von Jahr zu Jahr mehr aus. Dabei basiert ein Großteil der verwendeten Antikörper zu diesem Zeitpunkt auf monoklonalen Antikörpern auf Basis von Hybridomazellen. Doch hier könnten rekombinante Antikörper aufgrund ihrer Vektor-basierten Expression eine vielversprechende und womöglich sogar revolutionierende Alternative bieten. So ergeben sich neue Optimierungsoptionen für Merkmale wie Affinität, Stabilität und Kompatibilität über Anpassungen auf genetischer oder posttranslationaler Ebene. Allerdings ergibt sich kein Anwendungszweck ohne die vorhergehende detaillierte Charakterisierung der Antikörper. Denn nur mit spezifischem Wissen über die diversen Eigenschaften und Wechselwirkungen kann eine effektive und präzise Verwendung in der Diagnostik und Therapeutik gewährleistet werden und auf diese Weise Leben retten.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Masterarbeit mit der Vertiefung der rekombinanten Antikörper-Thematik. Dazu soll ein Anti-Tetanus-Antikörper erstmals rekombinant in verschiedenen Zelllinien hergestellt und anschließend über umfangreiche analytische Verfahren mit einem Fokus auf die Einflussanalyse der unterschiedlichen posttranslationalen Glykosylierungen charakterisiert werden. Zu diesem Zweck wurden als Grundlage einerseits zwei P1316-Dual-Expressions-Vektoren mit variierenden Insert-Positionen der schweren und leichten Kette durch Gibson-Assembly sowie individuellen pRK5-Plasmide für eine separiert Expression der Antikkörperketten mithilfe Restriktionsfragment-Ligation generiert. In einer Gegenüberstellung der der Expressionsausbeuten stellte sich die Überlegenheit der P1316-Plasmid-Konfiguration heraus, in der das Leichtketten-Insert an der ersten Expressionsstelle positioniert ist. Deshalb wurde dieser Vektor als Ausgangspunkt für die anschließende hochskalierten Herstellung des Anti-Tetanus-Antikörpers in Expi293F-GnTI- und ExpiCHO-S-Zellen verwendet. Ein ELISA bestätigte die Bindungsaktivität der rekombinanten Antikörper am Tetanus-Toxoid unabhängig vom Expressionssystem. Nach einer folgenden Optimierung der für die Aufreinigung verwendeten Protein-A-Affinitätschromatographie, wurde über weitere Charakterisierungsmethoden wie Größenausschlusschromatographie und dynamische Lichtstreuung eine vergleichbare Aggregation aufgrund der sauren Elution aufgezeigt. In diesem Kontext wurde die Notwendigkeit einer Zweistufen-Präparation mit Affinitäts- und Größenausschlusschromatografie für den Erhalt monodisperser Proben verdeutlicht. Zudem wurden die verschiedenen intakten Massen mitsamt ihrer spezifischen Glykan-abhängigen Streumaßen in Relation zum monoklonalen NISTmAB-Referenzantikörper bestimmt. Dabei konnte den Erwartungen nach sowohl die geringere Masse als auch die uniformere Glykosylierung der in Expi293 GnTI- exprimierten Immunoglobuline in Relation zum ExpiCHO-S-Antikörper nachgewiesen werden. Anschließend wurde das Stabilitätsverhalten mittels thermischer Entfaltung und dynamischer Lichtstreuung über einen ausgeweiteten Zeitraum sowie verschiedenen Temperaturen dokumentiert. Grundlegend wurde eine höhere thermische Stabilität der zweiten konstanten Schwerketten-Domäne des aus ExpiCHO-S-Zellen stammenden Antikörpers nachgewiesen. Außerdem konnte eine problemlose Lagerungsfähigkeit beider unterschiedlich glykosylierter Antikörper bei Raumtemperatur für mindestens 4 Wochen festgestellt werden. Des Weiteren wurde die Langzeitlagerung im Rahmen der Auswirkung von Gefrier-Auftau-Zyklen mit gleichbleibenden Methoden sowie zusätzlicher Größenausschlusschromatographie erprobt. Hierbei stellte sich der Erhalt der strukturellen Integrität nach bis zu 15 Zyklen heraus. Allerdings geht die Monodispersität bereits nach wenigen Zyklen verloren, wobei die geringfügiger glykosylierten Expi293F-GnTI-Anti-Tetanus-Antikörper eine stärkere Beeinträchtigung durch multiple Gefrier-Auftau-Zyklen aufwiesen.
Die Angabe von Unsicherheiten bei zertifizierten Werten von Referenzmaterialien ist von entscheidender Bedeutung. Die korrekte Einbindung der Unsicherheiten zur Berechnung von Verfahrensmessunsicherheiten ist wesentlich für die Gewährleistung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Messungen. In diesem Vortrag werden die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Unsicherheit zertifizierter Werte gemäß ISO Guide 35 dargestellt. Dabei werden insbesondere die Charakterisierung, Homogenität und Stabilität als entscheidende Faktoren für die Bestimmung der Unsicherheit eines Referenzmaterials betrachtet. Abschließend wird das Konzept anhand eines konkreten Beispiels veranschaulicht, um die praktische Anwendung und die Auswirkungen auf die Berechnung von Verfahrensmessunsicherheiten zu verdeutlichen.
This is a set of use examples for the HDF5Translator framework. This framework lets you translate measurement files into a different (e.g. NeXus-compatible) structure, with some optional checks and conversions on the way. For an in-depth look at what it does, there is a blog post here.
The use examples provided herein are each accompanied by the measurement data necessary to test and replicate the conversion. The README.md files in each example show the steps necessary to do the conversion for each.
We encourage those who have used or adapted one or more of these exampes to create their own conversion, to get in touch with us so we may add your example to the set.
qNMR - The handbook
(2023)
Quantitative NMR (qNMR) has been around for a long time, but also has great potential to solve future problems in any quantitative analysis. As a primary method, it differs fundamentally from chromatographic methods: it is better described as a quantum mechanical balance. Succesful implementation of qNMR requires certain attention to detail. "qNMR - the handbook" is intended to be a guide for analysts to help understand the fundamental principles of NMR and the significant points relating to its implementation for quantitation. Regulatory considerations of qNMR adoption are explained. NMR fundamentals are explained to provide understanding. Together with many useful examples, the book is a compelling addition to the laboratory's reference library, providing all the tools that any practitioner should know to successfully implement qNMR.
The authors are qNMR pioneers and come from a variety of backgrounds including business, government and academia.