Mathematical Modeling of Microseparation and Interface Devices for Mass Spectrometry Coupling

Mgr. Marek Otevřel, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Předložená PhD Thesis se skládá ze tří částí, přičemž každá z nich je zaměřena na teoretickou analýzu vybraného fenoménu souvisejícího s předseparacemi a rozhraním hmotnostního spektrometru. První část je zaměřena na rozbor elektroosmotického toku, což je velmi důležitý doprovodný jev při elektroforéze. Konkrétně je práce zaměřena na rozbor nestacionárního režimu, kdy dochází k nárůstu elektroosmotického toku a dále je prezentováno stacionární řešení elektroosmotického rychlostního profilu pro elektrolyt s proměnnou viskozitou. Tématem druhé části je teoretická analýza elektroforézy ve volném toku pomocí generalizované teorie disperze. Tato metoda umožňuje určit statistické momenty řešení (tj. profilu koncentrace analytu) bez znalosti řešení jako takového. Presentovaná studie porovnává metodu centrálního nástřiku s nástřikem do celé šíře kanálku. Obě elektroforetické metody bývají využívány při předseparaci nebo čištění vzorku před analýzou v hmotnostním spektrometru. Poslední třetí část se zabývá aerodynamickým rozhraním, který je situován mezi elektrosprejovou špičkou a vstupní kapilárou hmotnostního spektrometru. Funkcí takového zařízení je jednak asistovat při stabilizaci spreje, zvláště pak v případech, kdy je sprejováno za neoptimálních podmínek (mapř. z kraje mikročipu) a také zlepšit účinnost přenosu iontů do hmotnostního spektrometru. Byl vytvořen numerický model na bázi metody konečných prvků, pomocí kterého lze odhadnout přenosovou účinnost takových rozhraní. Model byl testován na expreimentálních datech. Hlavním účelem a výhodou modelu oproti intuitivnímu přístupu je urychlit a zlevnit optimalizační procedůru vývoje podobných zařízení.

Abstract:

The presented PhD thesis consists of three parts, each focusing on the theoretical analysis of a selected phenomenon associated with interfacing separations to the mass spectrometry. The first part is dealing with the electroosmotic flow (EOF), which is a very important accompanying phenomenon of electrophoretic methods. In particular the focus is on the unsteady regime of the EOF development and on the steady-state EOF of electrolytes of non-constant viscosities. The second part concerns the free flow electrophoresis (FFE) separation method. The generalized dispersion theory has been used here, for it is capable to get the statistical moments of the solution (the concentration profile) without the need for the exact solution itself. Presented study trades off both the central injection method and the case when the sample is injected in the whole channel width. Both the electrophoretic techniques are important for the pre-separation and/or sample cleaning prior to the mass spectrometry analysis. Finally, the third part is dealing with an aerodynamic interface located between the electrospray tip and the mass spectrometer inlet. Such a device should help sustaining a stable spray from compromised tips designs (e.g. microchip edge) and eventually improve the sampling efficiency of the analyte into the mass spectrometer. A numerical model using the Finite Elements Method has been developed for preliminary estimates of the sampling efficiency of a mass spectrometer interface design. The model was tested on experimental results. Such a model is expected to make the optimalization procedure faster and cheaper than the mere intuitive approach.

Keywords

mass spectrometry, electroosmotic flow, exact solution, free flow electrophoresis, generalized dispersion theory, finite elements method, interface, hmotnostní spektrometrie, elektroosmotický tok, exaktní řešení, elektroforéza ve volném toku, generalizovaná teorie disperze, metoda konečných prvků, rozhraní

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 5. 2008

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 23. 6. 2008
• Vedoucí: prof. Mgr. Jan Preisler, Ph.D.
• Oponent: doc. RNDr. Michal Roth, CSc., doc. Ing. Viktor Kanický, CSc., doc. RNDr. Jiří Pazourek, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Analytická chemie