DE10125907A1

DE10125907A1 - Separation von chiralen Substanzen in einem Ionenmobilitätsspektrometer durch Zuführung selektiv wechselwirkender Kollisionsgase

Info

Publication number: DE10125907A1
Application number: DE10125907A
Authority: DE
Inventors: Michael Karas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-12-12
Also published as: US20040178340A1; DE10292304B4; WO2002096805A2; WO2002096805A3; AU2002319075A1; DE10292304D2; US7015462B2

Abstract

Die chiralen Komponenten führen in der Driftröhre (5) des Ionenmobilitätsspektrometers in derart selektiver Weise Kollisionsprozesse mit den einem Gaseingang (8) zugeführten und gezielt ausgewählten Kollisionsmolekülen (APCA-Molekülen) aus, daß sie bei ihrer Drift von dem Analysenprobeneingang (1) durch die Driftröhre (5) zu einem Ionenkollektor (7) unterschiedliche Beweglichkeiten aufweisen, wodurch die Ionen an dem Ionenkollektor (7) zeitversetzt detektierbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Separationsverfahren und ein Ionenmobilitätsspektrometer zur Separation von in ei ner Analysenprobe enthaltenen chiralen Komponenten.

Eine Verbindung wird als chiral bezeichnet, wenn es mit einer spiegelbildlich gebauten Verbindung nicht zur Deckung ge bracht werden kann. Viele chemische Verbindungen sind chiral und können in zwei Formen auftreten, die man als Enantiomere bezeichnet. Die beiden Enantiomere sind unterschiedlich op tisch aktiv, wobei sich die eine enantiomere Form aus links drehenden Molekülen zusammensetzt, während sich die andere, enantiomere Form aus den entsprechend gebauten rechtsdrehen den Molekülen zusammensetzt.

Die biochemischen Wirkungen von zwei enantiomeren Verbindun gen unterscheiden sich oftmals sehr stark voneinander. Die Pharmaindustrie und andere Industriezweige wie der Pflanzen schutz sind deshalb auf leistungsfähige Verfahren zur Her stellung enantiomerenreiner Substanzen angewiesen. Der Bedarf an chiralen Synthesebausteinen für die Herstellung von Phar maka, Pflanzenschutzmitteln oder Aromastoffen steigt seit ge raumer Zeit stetig. Infolgedessen haben kommerziell gangbare Produktionsverfahren sowie Analyseverfahren für enantiomeren reine Verbindungen in den letzten Jahren eine rasante Ent wicklung erlebt.

Die für diese Zwecke angewandten oder ansonsten im Stand der Technik bekannten Verfahren sind vielfältig. Ein wichtiges Analyseverfahren ist die Flüssig- oder Gaschromatographie. Dabei wird das Analysengemisch mit einem externen bereitge stellten Trägermedium gemischt und in einer Trennsäule ent sprechend der unterschiedlichen Beweglichkeit der Moleküle getrennt und die entsprechend ihren unterschiedlichen Reten tionszeiten nacheinander die Chromatographiesäule passieren den Einzelkomponenten mittels eines geeigneten Detektors nachgewiesen. Dieses Verfahren ist zum einen mit einer Durch laufzeit von 20-30 Minuten für eine Probe relativ zeitaufwen dig. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahren besteht darin, daß die enantiomeren Moleküle oftmals sehr ähnliche Retenti onszeiten aufweisen können.

Es ist auch bekannt, zur Trennung und zum Nachweis chemischer Substanzen in einem Analysengas die Ionenmobilitätsspektrome trie (IMS) einzusetzen. Auch hierbei wird zusätzlich zum Ana lysengas üblicherweise ein Trägergasmedium benötigt. Das Ana lysengas wird dabei in einer Ionisationsanordnung ionisiert und anschließend entlang einer Driftstrecke in einem elektri schen Feld in einem Trägergasmedium beschleunigt, wobei sich die unterschiedlichen Gasionen entsprechend ihrer unter schiedlichen Ionenbeweglichkeit separieren. Ein Ionenkollek tor am Ende der Driftstrecke weist die zeitversetzt einlau fenden Peaks der verschiedenen Gasionen nach. Ein hochauflö sendes Ionenmobilitätsspektrometer, welches mit der Ionisati onsanordnung direkt verbunden ist, ist beispielsweise in der Publikation von Wu, W. F. Siems, G. R. Asbury und H. H. Hill Jr. In Anal. Chem., 1998, 70, 4929-4938 ("Wu") beschrieben.

In der Publikation von G. Asbury, H. H. Hill in Anal. Chem., 2000, 72, 580-584 ("Asbury") wurde gezeigt, daß Ionenmobili tätsspektrometrie unter bestimmten einstellbaren Bedingungen wie Druck und Temperatur dazu eingesetzt werden kann, Isomere von Aminosäuren wie Leucin und iso-Leucin voneinander zu trennen, was mit Massenspektrometrie aufgrund des gleichen Molekulargewichts nicht ohne weiteres möglich ist. Bei der Trennung der Isomere wird die unterschiedliche Molekülgröße ausgenutzt, die eine unterschiedliche Ionenbeweglichkeit in dem inerten Trägergas zur Folge hat. Wie enantiomere Kompo nenten in einem Ionenmobilitätsspektrometer voneinander sepa riert werden können, wird aber aus dieser Publikation nicht ersichtlich.

In dem am 21. Mai 2001 veröffentlichten Artikel "Fast Separa tions for Chiral Drugs" von Mitch Jacoby in der Zeitschrift Chemical and Engineering News der American Chemical Society wird ein von Prof. Cooks an der Purdue Universität entwickel tes Verfahren zur Separation chiraler Komponenten in einem Massenspektrometer beschrieben. Bei diesem Verfahren werden zunächst Clusterionen gebildet, die jeweils ein Kupfern²⁺-Ion, das zu analysierende Molekül in einer der beiden enantiomeren Formen und zwei Moleküle einer chiralen Referenz-Verbindung (L-Tyrosin) enthalten, die in einer ersten Stufe eines Mas senspektrometers getrennt werden. Diese Clusterionen werden energetisch angeregt und zerfallen anschließend, wobei sich die die enantiomeren Komponenten enthaltenden Tochterionen geringfügig in ihrer Energie voneinander unterscheiden und zu Fragmenten führen, die sich in ihren Intensitätsverhältnissen unterscheiden. Die Fragmentionen werden in einer zweiten Stu fe des Massenspektrometers getrennt nachgewiesen. Dieses Ver fahren ermöglicht zwar einen relativ schnellen Nachweis, ist aber auf den Einsatz relativ teuerer Tandern-Massenspektro meter oder Massenspektrometer, die mehrere Separationsschrit te erlauben, angewiesen.

Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sepa rationsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die Separation von in einer Analysenprobe enthaltener chiraler Komponenten anzugeben, durch welche die Separation mit hoher Trennleistung unter vertretbarem apparativen Aufwand durchge führt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsarten des Ver fahrens sowie Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Un teransprüchen angegeben.

In einem konventionellen Ionenmobilitätsspektrometer sind die in einer zugeführten Analysenprobe enthaltenen chiralen Kom ponenten ohne weitere Maßnahmen nicht voneinander zu trennen, da das Trägergasmedium ein inertes Gas ist und die enantiome ren Moleküle mangels Wechselwirkung mit den inerten Gasmole külen und aufgrund ihrer identischen Massen und identischen Molekülgrößen keine Unterschiede in den Beweglichkeiten und Retentionszeiten aufweisen. Der Erfindung liegt nun der we sentliche Gedanke zugrunde, in der Driftkammer einen Zustand zu erzeugen, in dem die chiralen Komponenten bei ihrer Drift von dem Analysenprobeneingang durch die Driftkammer zu einem Ionenkollektor unterschiedliche Beweglichkeiten aufweisen, so daß an dem Ionenkollektor zeitversetzte Peaks detektierbar sind.

Zu diesem Zweck wird dem Ionenmobilitätsspektrometer außer der Analysenprobe und dem inerten Trägergas mindestens ein Kollisionsgas zugeführt, welches Moleküle enthält, die mit den Molekülen der chiralen Komponenten in selektiver Weise wechselwirken. Es finden dabei Kollisionsprozesse zwischen den chiralen Molekülionen und den neutralen Gasmolekülen des Kollisionsgases statt. Aus der Molekülphysik ist bekannt, daß die Kollisionsquerschnitte von der Natur der den Kollisions prozeß bestimmenden Wechselwirkungskräfte abhängen. Die Wech selwirkungskräfte können zum Beispiel schwache von der Waals- Kräfte als auch starke Ion-Dipol-Wechselwirkungen sein. Die Ionen können auch kurzzeitige metastabile Verbindungen und Cluster mit den neutralen Molekülen eingehen.

Die Stärke der Wechselwirkungen mit den Kollisionsgasmolekü len bestimmt die Retentionszeit der enantiomeren Molekülio nen. Wenn also eines der enantiomeren Moleküle, also eine chirale Komponente, stärker mit den neutralen Kollisionsgas molekülen wechselwirkt als die andere, so verlängert sich ih re Retentionszeit im Vergleich zu der anderen chiralen Kompo nente. Es muß daher das Ziel sein, ein Kollisionsgasmolekül auszuwählen, das besonders selektiv mit einem der beiden En antiomere wechselwirkt, mit dem jeweils anderen Enantiomer jedoch kaum Wechselwirkungen eingeht. Das wechselwirkungs starke Enantiomer wird somit eine im Vergleich stark verlän gerte Retentionszeit zeigen, so daß an dem Ionendetektor zwei zeitlich getrennte Peaks für das Eintreffen der Enantiomere gemessen werden können.

Vorzugsweise wird ein reaktives Gas ausgewählt, welches mit den Enantiomeren im wesentlichen weder Ladungstransferprozes se noch chemische Reaktionen eingeht, aber bei Gasstößen ei nen Energieaustausch bewirkt, der abhängig von der enantiome ren Form des Analytgasmoleküls ist.

Die selektiv wechselwirkenden Kollisionsmoleküle sind vor zugsweise solche, die ebenfalls enantiomer sind, d. h. eine Selektion eines bestimmten von zwei Enantiomeren bewirken. Solche Moleküle sind beispielsweise bestimmte Rezeptormolekü le, die bevorzugt mit einer chiralen Komponente in Wechsel wirkung treten, ohne dabei chemische Reaktionen oder La dungstransfer zu bewirken. Geeignete Moleküle sind beispiels weise auch die sogenannten APCA-Moleküle (antipodal chiral agents). Als Kollisionsgas eignet sich somit besonders ein Gas, welches derartige Eigenschaften enthält.

Als Ionisationstechnik wird vorzugsweise eine Technik einge setzt, die bei Atmosphärendruck oder höherem Druck funktio niert, wie beispielsweise Elektrospray-Ionisation oder MALDI. Die Ionisationsquelle ist vorzugsweise direkt mit der Drif tröhre des hochauflösenden Ionenmobilitätsspektrometers ver bunden. Es kann ein Ionenmobilitätsspektrometer verwendet werden, wie es beispielsweise in der eingangs erwähnten Pu blikation "Wu" beschrieben wurde.

Ein erfindungsgemäßes Ionenmobilitätsspektrometer für die Se paration von in einem Analysenprobe enthaltenen chiralen Kom ponenten weist einen Analysenprobeneingang und einen Kollisi onsgaseingang für die Zufuhr mindestens eines Kollisionsgases auf, welches Moleküle enthält, die mit den Molekülen der chi ralen Komponenten selektiv wechselwirken.

Das Ionenmobilitätsspektrometer weist ferner in an sich be kannter Weise einen Trägergaseingang auf. Während sich der Analysenprobeneingang an dem einen Ende der Driftröhre befin det, ist der Trägergaseingang meistens am gegenüberliegenden Ende angeordnet. Die Driftröhre kann somit mit insgesamt drei Gaseingängen für die Analysenprobe, das Kollisionsgas und das Trägergas versehen sein. In einer vorteilhaften Ausführungs form ist jedoch für die Zufuhr des Kollisionsgases und des Trägergases ein gemeinsamer Gaseingang vorgesehen, wobei in dem mit dem gemeinsamen Gaseingang verbundenen Gaszuführungs system Kollisionsgas und Trägergas gemischt werden. Der Ana lysenprobeneingang befindet sich somit an dem einen Ende der Driftröhre, während sich der für Kollisionsgas und Trägergas gemeinsame Gaseingang an dem gegenüberliegenden Ende der Driftröhre befindet.

Das erfindungsgemäße Ionenmobilitätsspektrometer kann in ver schiedener Weise mit anderen Einrichtungen gekoppelt werden. Es kann beispielsweise mit dem Ausgang des Ionenmobilitäts spektrometers ein Massenspektrometer verbunden werden, um ei ne quantitative Analyse der Massen der Enantiomere vorzuneh men. Es kann auch vor das Ionenmobilitätsspektrometer eine chromatographische Einrichtung angeordnet und mit dessen Ein gang verbunden werden, um die gegebenenfalls die Auflösung der Anordnung weiter zu steigern.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist je doch, daß es prinzipiell auf die kostenträchtigen und verbin dungsselektiven chromatographischen Systeme verzichtet und eine kostengünstige und gleichzeitig schnelle Identifikation von enantiomeren Molekülen ermöglicht. Die Separation der chiralen Komponenten einer Probe kann in wenigen Millisekun den durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einem Ionendetektor am Ende der Driftröhre;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einem massenselektiven Detektor am Ende der Driftröhre;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Hochleistungs- Ionisationsquelle gefolgt von einer Vakuumtransferoptik vor dem Eingang des Ionenmobilitätsspektrometers.

Das Ionenmobilitätsspektrometer gemäß Fig. 1 weist eine Drif tröhre 5 auf, an deren Eingang eine Ionisationsquelle 2 ange schlossen ist, die eine Öffnung (Analysenprobeneingang) 1 für die Zufuhr der Analysenprobe aufweist. Die Analysenprobe kann in fester, flüssiger oder gasförmiger Form dem Analysenpro beneingang 1 zugeführt werden.

Die Driftröhre 5 weist in an sich bekannter Weise erste Elek troden 6 für die Erzeugung eines elektrostatischen Feldes so wie zweite Elektroden 3 für die Erzeugung eines zeitveränder lichen elektrischen Feldes auf, durch die Ionenpulse erzeugt werden können. In der Umgebung der Driftröhre ist ferner ein Heizelement 4 angeordnet, um den Betrieb des Ionenmobilitäts spektrometers bei höheren Temperaturen zu ermöglichen. An dem der Ionisationseinrichtung 2 gegenüberliegenden Ende der Driftröhre 5 ist ein Ionendetektor 7, beispielsweise ein Fa raday-Detektor oder ein Elektronenvervielfacher angeordnet.

In der Nähe des dem Analysenprobeneingang 1 gegenüberliegen den Ende der Driftröhre ist ein weiterer Gaseingang 8 in die Driftröhre 5 geformt. Dieser Gaseingang 8 dient als gemeinsa mer Gaseingang für das Trägergas und das Kollisionsgas. In an sich bekannter Weise wird somit das Trägergas in die Drif tröhre 5 im Gegenstrom zu dem Analysengas eingelassen, um neutrale Moleküle, die aus der Ionenquelle in die Driftröhre diffundieren, wegzuspülen. Diese Gegenstromtechnik wird ins besondere bei Geräten angewandt, die mit höheren Drücken ar beiten.

Der gemeinsame Gaseingang 8 kann sich alternativ auch an an derer Stelle der Driftröhre 5 befinden.

Mit dem Gaseingang 8 ist ein Gaszuführungssystem verbunden. Dieses weist einen Mischer 9 auf, in welchem das Trägergas und das Kollisionsgas gemischt und durch eine den Mischer 9 und den Gaseingang 8 verbindende Zuführungsleitung in die Driftröhre 5 eingespeist werden. Dem Mischer 9 werden über Zuführungsleitungen das Trägergas und das Kollisionsgas zuge führt.

Das Kollisionsgas und das Trägergas können jeweils ihrerseits aus verschiedenen Komponenten zusammengemischt werden. Insbe sondere das erfindungswesentliche Kollisionsgas wird in einer Kollisionsgas-Einlaßvorrichtung 10 gemischt und in einer ge meinsamen Zuführungsleitung dem Mischer 9 zugeführt. Die Kol lisionsgas-Einlaßvorrichtung 10 kann wie dargestellt drei Ga seinlässe aufweisen, über die beispielsweise Kollisionsgase mit drei verschiedenen Arten von APCA-Molekülen zugeführt werden können. In einem Kollisionsgasmischer 11 werden dann die Kollisionsgase gemischt.

In ebensolcher Weise können verschiedene Trägergase einer Trägergas-Einlaßvorrichtung 12 zugeführt, gemischt und über eine Zuführungsleitung dem Mischer 9 zugeführt werden.

Die Ausführungsform der Fig. 2 weist anstelle des Ionendetek tors 7 der Fig. 1 eine Vakuumtransferoptik 13 und einen mas senselektiven Detektor 14 wie ein Massenspektrometer auf. In diesem werden die enantiomeren Ionen entsprechend ihrem Mas se/Ladungs-Verhältnis von anderen Ionen getrennt und detek tiert. Somit kann zusätzlich zu dem Mobilitätsspektrum ein Massenspektrum im Sinne einer zweidimensionalen Spektroskopie nach Zeit und Masse/Ladungs-Verhältnis der Analysenprobe er halten werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 wird der Driftröhre eine Hochvakuum-Ionisationseinrichtung 2 vorgeschaltet. Nach der Erzeugung der Ionen werden diese durch eine Vakuumtransferop tik 15 in die Hochdruck-Driftröhre 5 des Ionenmobilitätsspek trometers eingespeist, an deren Ende wiederum ein massense lektiver Detektor 14 angeordnet ist.

Claims

1. Separationsverfahren von in einer Analysenprobe enthalte nen chiralen Komponenten, bei welchem
die Analysenprobe einem Ionenmobilitätsspektrometer zuge führt wird, und
dem Ionenmobilitätsspektrometer ferner mindestens ein Kol lisionsgas zugeführt wird, welches Moleküle enthält, die mit den Molekülen der chiralen Komponenten selektiv wech selwirken.

2. Separationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollisionsgas enenatiomere Moleküle enthält.

3. Separationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollisionsgas APCA-Moleküle (antipodal chiral agents) enthält.

4. Separationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gaszuführungssystem ein Trägergas und das Kollisi onsgas gemischt, und
einem gemeinsamen Gaseingang (8) des Ionenmobilitätsspek trometer zugeführt werden.

5. Separationsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Analysenmedium einem an einem Ende des Ionenmobilitäts spektrometers angeordneten Analyseneingang (1) zugeführt wird, und
der gemeinsame Gaseingang (8) an dem anderen Ende des Io nenmobilitätsspektrometer angeordnet ist.

6. Ionenmobilitätsspektrometer für die Separation von in ei nem Analysenmedium enthaltenen chiralen Komponenten, enthal tend
einen Analyseneingang (1), und
einen Kollisionsgaseingang (8) für die Zufuhr mindestens eines Kollisionsgases, welches Moleküle enthält, die mit den Molekülen der chiralen Komponenten selektiv wechselwir ken.

7. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollisionsgaseingang (8) gleichzeitig der Trägergasein gang ist.

8. Vorrichtung für die Separation von in einem Analysenprobe enthaltenen chiralen Komponenten, enthaltend
ein Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
ein mit dem Kollisionsgaseingang (8) verbundenes Gaszufüh rungssystem.