Ion mobility based separation techniques for the direct analysis of gaseous and solid samples and fundamental studies of gas phase reactions

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3896-5
Title: Ion mobility based separation techniques for the direct analysis of gaseous and solid samples and fundamental studies of gas phase reactions
Author: Räsänen, Riikka-Marjaana
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmaceutical Chemistry and Technology
Laboratory of Applied Environmental Chemistry, Department of Environmental Sciences, University of Kuopio, Finland
Department of Structural Engineering and BuildingTechnology, Faculty of Engineering and Architecture, Aalto University School of Science and Technology, Espoo, Finland
School of Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA
Department of Chemistry and Biochemistry, New Mexico State University, Las Cruces, USA
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: This thesis describes the applicability of different types of IMS instruments in the direct measurements of gaseous and solid samples and in fundamental studies of gas-phase ion chemistry. A handheld chemical detector containing an aspiration ion mobility spectrometry (AIMS) was applied in the monitoring of gas phase explosive triacetone triperoxide (TATP) from air flow. The instrument-normalized detection threshold (20 pA) was exceeded already with the lowest sample concentration of 0.3 mg m−3. The response time of the instrument was less than five seconds. AIMS was also used to monitor chemical changes in the headspaces of the chambers containing microbe contaminated and sterile particle board samples in humid conditions. It was possible to separate the distinct chemical profiles of the chambers with sterile and microbe-contaminated specimen by principal component analysis. Overall, AIMS was found to be an adequate technique in dynamic screening of TATP and in monitoring of the changes in the microbe metabolism. Ambient ionization techniques, direct analysis in real time (DART) and desorption atmospheric pressure photoionization (DAPPI), were combined with travelling wave ion mobility-mass spectrometry. In the surface analysis of almond, pharmaceuticals, vitamin tablets and dried blood spot sample, the ion mobility separation reduced the chemical noise in the mass spectra and increased the signal-to-noise ratio. In the comparative studies of DAPPI and DART ionization, the limits of detection were between 30−290 and 330−8200 fmol for DAPPI and DART, respectively, for the tested compounds bisphenol A, benzo[a]pyrene, ranitidine, cortisol, and α-tocopherol. Finally, the reactions of phenol and fluorinated phenols with Cl− in ambient pressure were investigated by drift tube ion mobility-mass spectrometry. For the least fluorinated phenols (phenol, 2-fluorophenol and 2,4-difluorophenol) with the lowest gas-phase acidities, the Cl− adducts [M+Cl]− and [2M+Cl]− were the major products in both low and high sample concentration. For the highly fluorinated phenols (2,3,6-trifluorophenol and pentafluorophenol), [M−H]− and [2M−H]− were the main products in high sample concentration. In low concentration [M−H]− and [M+Cl]− were the main products. In case of pentafluorophenol (PFP), in high temperature conditions the dimer was [2PFP−H]− instead of [2PFP+Cl]−. In conclusion, IMS has many advantages and application possibilities. It allows the rapid detection and continuous monitoring of volatiles directly from ambient air. IMS can also be used as a pre-separation technique in ambient mass spectrometry, without increasing the total analysis time remarkably. In IMS, it is also possible to study gas phase reactions in ambient conditions. Some of the IMS applications presented in this thesis could be developed further to be a permanent part of routine monitoring, analysis, and research work. For example, in the fundamental studies of phenols, the possibility to use updated versions of the instruments could improve the accuracy of the experiments. In addition, broader studies with several experimental conditions, would increase the possibility to develop the method further, especially in the monitoring of TATP, and building material and microbe emissions from the gas phase with AIMS.Ioniliikkuvuusspektrometrisissa (IMS) menetelmissä kaasufaasissa olevat ionit erotellaan sähkökentän avulla ennen detektointia. Ionien erottumiseen vaikuttavat ionien massa, varaus ja koko. Tämä väitöskirja kuvaa erityyppisten IMS-menetelmien soveltuvuutta tutkittavien yhdisteiden suoraan analysointiin kaasumaisista ja kiinteistä näytteistä sekä kaasufaasi-ionikemian perustutkimukseen. Kannettavaa aspiraatio-ioniliikkuvuusspektrometrin (AIMS) sisältävää kaasudetektoria käytettiin kaasumaisen räjähteen triasetoni triperoksidin (TATP) monitorointiin ilmavirrasta. AIMS:n normalisoitu toteamisraja (20 pA) ylitettiin jo alhaisimmalla näytepitoisuudella 0.3 mg m-3 (0.03 ppm). Laitteen vasteaika oli alle viisi sekuntia. A-IMS:a käytettiin myös mittaamaan mikrobien haihtuvien aineenvaihduntatuotteiden ja rakennusmateriaalin emissiotuotteiden pitoisuuksien muutoksia steriilejä ja mikrobien kontaminoimia lastulevykappaleita sisältävien kammioiden kosteasta ilmatilasta. Kammioiden ilmatilojen kemialliset profiilit oli mahdollista erotella käyttämällä pääkomponenttianalyysiä. Suorat pintaionisaatiotekniikat desorptioilmanpainefotoionisaatio (DAPPI) ja suora reaaliaikainen analyysi (DART) yhdistettiin ioniliikkuvuus-massaspektrometri menetelmän travelling wave ion mobility-mass spectrometry (TWIM-MS) kanssa. Analysoitaessa mantelin, lääkkeiden, vitamiinitablettien ja kuivattujen veripisaranäytteiden pintaa, ioniliikkuvuuserotus ennen massaspektrometristä analyysiä vähensi kemiallista kohinaa massaspektrissä ja kasvatti signaali-kohinasuhdetta. DAPPI:n ja DART:n vertailevassa tutkimuksessa, DAPPI:n toteamisrajat olivat 30-290 fmol ja DART:n 330-8200 fmol. Tutkittavat yhdisteet olivat bisfenoli A, bentso[a]pyreeni, kortisoli, ranitidiini ja α-tokoferoli. Lopuksi, lentoaika-ioniliikkuvuus-massaspektrometriä käytettiin fenolin ja fluorattujen fenolien, ja Cl−-ionin reaktiotuotteiden tutkimiseen normaalissa ilmanpaineessa. Tutkimuksessa havaittiin, että yhdisteiden happamuus vaikutti reaktiotuotteiden muodostumiseen. Lievästi happamat yhdisteet muodostivat Cl−-addukteja sekä korkeassa että matalassa näytepitoisuudessa. Erittäin happamat yhdisteet reagoivat sekä protoninsiirtoreaktiolla että muodostivat Cl−-addukteja alhaisessa näytepitoisuudessa. Korkeassa näytepitoisuudessa happamilla yhdisteillä havaittiin pääasiassa protoninsiirtoreaktiolla muodostuneita reaktiotuotteita. Yhteenvetona, IMS mahdollistaa haihtuvien yhdisteiden nopean ja jatkuvan monitoroinnin suoraan ympäröivästä ilmasta ja IMS:a voidaan käyttää esierotusmenetelmänä suorien pintaionisaatiotekniikoiden yhteydessä, ilman että analyysiaika merkittävästi kasvaa. Lisäksi, IMS:lla voidaan tutkia kaasufaasissa tapahtuvia reaktioita normaalissa ilmanpaineessa. Tässä tutkimuksessa esitettyjä IMS-sovelluksia voitaisiin käyttää rutiinianalytiikassa ja tutkimustyössä, mutta tämän toteutuminen vaatisi laajoja lisätutkimuksia.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3896-5
http://hdl.handle.net/10138/228691
Date: 2017-12-15
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Ionmobil.pdf 2.184Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record