title: Mikrochip HPLC: Experimentelle Untersuchung von Trenneffizienz, Säuleneigenschaften und Kopplung mit massenspektrometrischer Detektion
title: Microchip HPLC: Experimental investigation of separation efficiency, column characteristics, and coupling with mass spectrometry
Creators: name: Jung, Stephanie
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Chromatographie
Porosität
Lab-on-a-chip
Electrospray ionisation
Lab on a Chip
Microchip
Elektrospray-Ionisation
Chromatogaphy
Chip
Porosity
Chemie

description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt
      sich mit verschiedenen Aspekten, welche die
      chromatographische Effizienz in der miniaturisierten HPLC
      beeinflussen. Der Einfluss der Kanalgeometrie auf die
      chromatographische Effizienz von gepackten Mikrochipkanälen
      wurde untersucht. Es wurden HPLC/UV Mikrochips mit
      Trennkanälen von quadratischem, trapezoidalen und
      gaußförmigen Querschnitt eingesetzt. Die Mikrochips wurden
      Laserablation und Lamination der Polyimidfolien hergestellt.
      Als Packungsmaterialien wurden 3 oder 5 µm-große sphärische
      C8-Kieselgelpartikel verwendet und unter optimierten
      Bedingungen in den Trennkanal gepackt. Die
      Dispersionseigenschaften der ungepackten Trennkanäle wurden
      vermessen und mit berechneten Daten der axialen
      Dispersionseigenschaften von Zylindern verglichen.
      Packungsdichten und Bodenhöhen der verschiedenen gepackten
      Betten werden miteinander verglichen und deren Unterschiede
      erklärt. Die Packungen der 3 µm Partikel reflektieren das
      Dispersionsverhalten der Leerkanäle. Die Dispersion in den 5
      µm Packungen korreliert mit den erhaltenen Packungsdichten,
      die wiederum durch die Anzahl und die Erreichbarkeit der
      Ecken in den jeweiligen Kanalquerschnitten limitiert sind.
      Interpartikuläre Porositäten und Zwischenkornvolumina von
      gepackten Kapillarsäulen und kommerziell erhältlichen
      analytischen Umkehrphasensäulen wurden mittels
      intrapartikulärem Donnan-Ausschluss einer kleinen,
      nicht-retardierten und ko-ionischen Verbindung (Nitrationen)
      bestimmt. Die Anwendbarkeit der Methode wurde für Kieselgel,
      Umkehrphasen- und Kationenaustauschermaterialien mit
      unterschiedlichen Partikelgrößen, Porendurchmessern und
      Partikelkonstruktion (vollporös und core-shell) in
      Abhängigkeit der Ionenstärke der mobilen Phase untersucht.
      Die Nitrationen werden bei niedrigen Pufferkonzentrationen
      vollständig von dem intrapartikulären Porenraum der Partikel
      ausgeschlossen, deutlich sichtbar durch eine Plateauregion,
      in welche die Elutionsvolumina der Nitrationen laufen. Für
      die kommerziellen HPLC-Säulen wurden deutliche
      Plateauregionen beobachtet, sogar im Falle von sehr dicht
      gepackten core-shell und 1,8 µm Partikeln. Dies zeigt, dass
      die Donnan-Ausschlussmethode sehr gut geeignet ist, die
      interpartikulären Porositäten schnell und einfach bis auf die
      dritte Nachkommastelle zu bestimmen. Die erhaltenen
      interpartikulären Porositäten stimmen mit den Werten der
      inversen Größenausschlussmethode gut überein. Einschränkungen
      in der Anwendbarkeit treten erst auf, wenn der
      Donnan-Ausschluss (elektrostatischer Ausschluss) oder der
      mechanische Ausschluss der inversen
      Größenausschlusschromatographie auch im Zwischenkornraum der
      gepackten Betten auftreten. Dies ist der Fall für sehr
      kleine, hochgeladene Partikel oder sehr großen
      Porendurchmessern. Graduelle Änderungen in der
      Zusammensetzung der mobilen Phase während einer
      Gradientenelution beeinflusst die Elektrosprayionisation bei
      direkter Kopplung mit einem Massenspektrometer. Der Einfluss
      der Eluentzusammensetzung auf den Elektrospraymodus und die
      damit einhergehenden Änderungen der Spraystabilität und des
      MS-Signals werden mittels Infusions- und
      Injektionsexperimenten untersucht. Die verwendete HPLC/ESI-MS
      Konfiguration bestand aus einem Mikrochip mit
      Anreicherungssäule, Trennkanal und Make-up Flusskanal. Eine
      Nanopumpe wurde an den Trennkanal angeschlossen, eine zweite
      bediente den Make-up Flusskanal mit einem inversen
      Lösungmittelgradienten. Die beiden Lösungsmittelströme wurden
      vor der Elektrosprayspitze zusammengeführt, so dass an der
      Elektrosprayspitze eine identische Eluentzusammensetzung über
      den gesamten Gradientenlauf vorlag. Signalparameter eines
      Analyten wurden mit und ohne Kompensation über den Make-up
      Fluss aufgezeichnet und mit der Spraystabilität und dem
      jeweiligen Elektrospraymodus korreliert. Die Anwendung des
      post-column Make-up Flusses verbesserte die Spray- und
      Signalstabilität erheblich, ohne die chromatographische
      Effizienz zu beeinträchtigen.
description: This work deals with separation
      efficiency and column characteristics of particle-packed HPLC
      microchips. The impact of conduit geometry on the
      chromatographic performance of typical particulate microchip
      packings is investigated. For this purpose,
      HPLC/UV-microchips with separation channels of quadratic,
      trapezoidal, or Gaussian cross-section were fabricated by
      direct laser ablation and lamination of multiple polyimide
      layers and then slurry-packed with either 3 or 5 µm spherical
      porous C8-silica particles under optimized packing
      conditions. Experimentally determined plate height curves for
      the empty microchannels are compared with dispersion
      coefficients from theoretical calculations. Packing densities
      and plate height curves for the various microchip packings
      are presented and conclusively explained. 3 µm packings
      display a high packing density irrespective of their conduit
      geometries and their performance reflects the dispersion
      behaviour of the empty channels. Dispersion in 5 µm packings
      correlates with the achieved packing densities, which are
      limited by the number and accessibility of corners in a given
      conduit shape. Interparticle void volumes and porosities of
      packed capillaries and of commercially available, analytical,
      reversed-phase HPLC columns have been determined using
      intraparticle Donnan exclusion of a small, unretained,
      co-ionic tracer (nitrate ions). The operational domain of
      this approach has been characterized for bare silica,
      reversed-phase, and strong cation-exchange materials with
      different particle sizes, intraparticle pore sizes, and
      construction (fully porous or core-shell) in dependence of
      the mobile phase ionic strength. At low buffer concentrations
      nitrate ions are completely electrostatically excluded from
      the intraparticle mesopore space, which is reflected by a
      plateau region in the elution curves. The elution volume in
      the plateau region equals the interparticle void volume.
      Clearly defined plateau regions were observed for all
      columns, even those densely packed with core-shell and sub-2
      µm particles, enabling the accurate determination of
      interparticle porosities to three decimal places in a fast
      and convenient way. Interparticle porosities agree well with
      those analyzed by inverse size-exclusion chromatography
      (ISEC). Limitations to the use of Donnan exclusion
      (electrostatic exclusion) and ISEC (mechanical exclusion)
      arise as either type of exclusion becomes noticeable also in
      the cusp regions between particles, or as the intraparticle
      pores are so large that complete electrostatic and size
      exclusion are difficult to realize. Dynamic changes in mobile
      phase composition during high performance liquid
      chromatography (HPLC) gradient elution coupled to mass
      spectrometry (MS) sensitively affect electrospray modes. The
      impact of the eluent composition on spray stability and MS
      response by infusion and injection experiments with a small
      tetrapeptide in water-acetonitrile mixtures was investigated.
      The employed HPLC/ESI-MS configuration uses a microchip
      equipped with enrichment column, separation column, and
      make-up flow (MUF) channel. One nano pump is connected to the
      separation column, while a second one delivers solvent of
      exactly inverted composition to the MUF channel. Both solvent
      streams are united behind the separation column, before the
      ESI tip, such that the resulting electrosprayed solution
      always has identical composition during a gradient elution.
      Analyte peak parameters without and with MUF compensation are
      determined and discussed with respect to the electrospray
      mode and eluent composition. The post-column MUF
      significantly improves spray and signal stability over the
      entire solvent gradient, without compromising the performance
      of the HPLC separation column. It can also be conveniently
      implemented on microchip platforms.