High Performance Multidimensional Liquid Chromatography: Fundamental aspects, separation systems and data management  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
104819
Type PD
Principal investigator Horváth, Krisztián
Title in Hungarian Nagyhatékonyságú többdimenziós folyadékkromatográfia: elméleti szempontok, elválasztási rendszerek, adatfeldogozó algoritmusok
Title in English High Performance Multidimensional Liquid Chromatography: Fundamental aspects, separation systems and data management
Keywords in Hungarian többdimenziós folyadékkromatográfia, adatfeldolgozás, elválasztási hatékonyság, retenciós mechanizmus, robosztusság
Keywords in English multidimensional liquid chromatography, data handling, separation efficiency, retention mechanism, robustness
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel Chemistry 1
Department or equivalent TTK Analitikai Kémia Kutatócsoport (University of Pannonia)
Starting date 2013-02-01
Closing date 2017-01-31
Funding (in million HUF) 8.196
FTE (full time equivalent) 2.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A bonyolult összetételű biológiai és környezeti minták teljeskörű folyadékkromatográfiás analízise állandóan napirenden lévő probléma. A mintákban jelenlevő nagyszámú komponens miatt ezen analitikai feladatok megoldása új folyadékkromatográfiás módszerek kifejlesztését igényli. Az elmúlt évek során előtérbe kerültek a kétdimenziós folyadékkromatográfiás (2DLC) elválasztások köszönhetően ezen módszerek előnyös szelektivitásának valamint nagy hatékonyságának. A 2DLC elválasztásokkal elérhető hatékonyság több nagyságrenddel nagyobb, mint egydimenziós kromatográfia esetén.

Egy kétdimenziós elválasztás alkalmazhatósága függ az egyes dimenziókban alkalmazott elválasztások mechanizmusától és hatékonyságától, az egyes dimenziók közötti kapcsolat kialakításának módozatától, a kétdimenziós elválasztás robosztusságától, valamint a vizsgálatok során keletkező nagymennyiségű adat hatékony feldolgozásától. Ennek megfelelően a tervezett kutatás célja az alábbi három, logikusan összefüggő, egymásra épülő részre bontható:

(1) bioaktív multiprotikus ionok (karbonsavak, aminosavak, peptidek, proteinek) folyadékkromatográfiás elválasztásának fizikai-kémiai alapjainak vizsgálata és leírása különböző típusú állófázison (ioncserélő, hejszerkezetű fordított fázis, héjszerkezetű HILIC),
(2) kétdimenziós folyadékkromatográfiás elválasztások robosztusságának meghatározása,
(3) adatfeldolgozó és adatmegjelenítő algoritmusok kidolgozása 2DLC elválasztások kiértékeléséhez.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás célja kétdimenziós folyadékkromatográfiás módszerfejlesztések és rutin analitakai felhasználásuk támogatása, elősegítése alapvető elméleti problémák vizsgálata és adatfeldolgozó algoritmusok fejlesztése révén.
A tervezett kutatás segítségével megválaszolandó kérdések, megoldandó problémák:
(1) kétdimenziós elválasztások robosztusságának meghatározása,
(2) multiprotikus ionok retenciós mechamizmusának, csökkent elválasztási hatékonyságának tisztázása,
(3) proteinek adszorpciós izotermájának meghatározása különböző típusú állófázisokon,
(4) kétdimenziós elválasztások gyors és hatékony adatfeldolgozása.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A modern környezeti és biokémiai kutatások (pl. proteomika, metabolomika, lipodomika) során egyre bonyolultabb összetételű minták analízisére van szükség. A meghatározandó komponensek száma gyakran jelentősen meghaladja a jelenlegi kromatográfiás rendszerek csúcskapacitását. Ilyen esetekben egydimenziós módszerekkel nincs mód ezen mintaelegyek teljeskörű analízisére. Ezen analitikai feladatok megoldása új kétdimenziós folyadékkromatográfiás módszerek kifejlesztését igényli. A tervezett kutatás eredményei hasznos információval szolgálnak 2DLC elválasztások tervezéséhez, opimálásához. Az elvégzendő robosztusságvizsgálatok gyakorlati információt arról, hogy a kétdimenziós elválasztás eredményei mennyire érzékenyek a módszer paramétereinek megváltozására. A fejlesztett retenciós modellek további 2DLC módszerfejlesztések alapját képezhetik biológiai és környezeti minták analízisére. A projekt során fejlesztendő adatfeldolgozó algoritmus hozzájárul a 2DLC-s elválasztások széleskörű elterjedéséhez, rutinszerű felhasználásához biokémiai és környezeti kutatásokban.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A bonyolult összetételű biológiai és környezeti minták kémiai összetételének meghatározása állandóan napirenden lévő probléma a modern kutatásokban. A mintákban jelenlevő nagyszámú komponens miatt ezen analitikai feladatok megoldása új kémiai vizsgálati módszerek kifejlesztését igényli. Az elmúlt évek során előtérbe kerültek az ún. kétdimenziós folyadékkromatográfiás módszerek, ugyanis ezen módszerek hatékonysága több nagyságrenddel nagyobb, mint a hagyományos, egydimenziós módszereké.

A kutatás célja három fő pontban foglalható össze:
(1) biológiailag aktív ionok (karbonsavak, aminosavak, peptidek, proteinek) folyadékkromatográfiás analitikai meghatározásának fizikai-kémiai alapjainak vizsgálata,
(2) kétdimenziós folyadékkromatográfiás analitikai módszerek megbízhatóságának meghatározása,
(3) adatfeldolgozó és adatmegjelenítő algoritmusok kidolgozása kétdimenziós folyadékkromatográfiás analitikai vizsgálatok eredményeinek kiértékeléséhez.

A három, logikusan összefüggő, egymásra épülő rész hasznos információkkal szolgál ezen új analitikai technika módszereinek fejlesztéséhez, hozzájárul széleskörű elterjedéséhez, rutinszerű felhasználásához a biológiai és környezeti kutatásokban.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Most of the important problems that analysts must face nowadays involve the analysis of samples consisting of hundreds of components present in a very wide range of concentrations. Such problems frequently arise in proteomic, lipodomic and metabolomic research. Separations by unidimensional chromatography are unable to provide acceptable analyses of these samples. For this reason, two-dimensional liquid chromatographic (2DLC) separations have attracted intense interest over the past years, due to the tremendous potential improvements in separation power that this method offers.

The efficient applicability of a two-dimensional separation depend onthe retention mechanism and efficiency of the separations used at the two dimensions, the scheme used for implementing the coupling between dimensions, the robustness of the 2D method used, and the method for managing the large amount of data produced during 2DLC separations. Accordingly, the goals of the proposed research project consists of three logically interconnected parts:

(1) investigation of retention mechanism of multiprotic bioactive ions (carboxylic acids, amino acids, peptides, proteins) on different kind of stationary phases (ion exchanger, reversed phase core-shell, silica core-shell) under isocratic and gradient conditions,
(2) determination of robustness of two-dimensional liquid chromatographic separations,
(3) development of data management algorithms for the evaluation of chromatographic data.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of the work is the support of method development and routine analysis in two-dimensional liquid chromatography by investigating fundamental aspects and developing data management algorithms. The work of the proposed research project will:
- quantify the robustness of 2DLC separations,
- clarifiy the reason of smaller separation efficiency of multiprotic compounds,
- desribe the isotherm of peptides on different kind of stationary phases,
- produce an efficient data management algorithm for peak recognition and integration in 2DLC-DAD (DAD: diode array detection).

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Modern environmental and biochemical research (e.g. proteomics, metabolomics, lipodomics) is inherently complicated by the tremendous complexity of the samples involved in these studies. Current HPLC technologies do not afford the opportunity to observe all the compounds simultaneously in these samples, since the number of components exceed the actual peak capacity of these separation systems. Development of two-dimensional liquid chromatographic methods that allows the complete separation of complex biological and environmental samples are indispensable for future biochemical, pharmaceutical and environmental research. The results of the proposed research project will support analysts in 2DLC method development and optimization. The investigation of robustness of these techniques can serve practical information about how the analytical results are affected by the variation of method parameters. The developed retention models can be used as a basis for 2DLC method development for analysis of complex biological and environmental sample. The data management algorithms to be developed in the work will help 2DLC become a widespread used routine analytical technique in biochemical and environmental research.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Most of the important problems that analysts must face nowadays involve the determination of composition of samples consisting hundreds of components. Such problems frequently arise in modern biochemical and environmental research. The so called two-dimensional liquid chromatographic methods have attracted intense interest over the past years, due to the tremendous potential improvements in the efficiency that this method offers. The goals of the proposed research project is to investigate fundamental and practical aspects of two-dimensional liquid chromatography. The proposed research project consists of three logically interconnected parts:
(1) investigation of behavior of bioactive ions (carboxylic acids, amino acids, peptides, proteins) during a chromatographic run,
(2) determination of reliability of two-dimensional liquid chromatographic techniques,
(3) development of data management algorithms for the evaluation of analytical results produced by two-dimensional liquid chromatography.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt során nagyhatékonyságú kétdimenziós folyadékkromatográfiás (2DLC) elválasztások alapvető aspektusainak vizsgáltuk. Tanulmányoztuk 2DLC elválasztások zavartűrését. Megállapítottuk, hogy az elválasztások bizonytalansága nő a második dimenziónak köszönhetően. A nagy térfogatú frakció gyűjtés ezt a hatást ellensúlyozza. Off-line 2DLC módszert fejlesztettünk fehérje emésztvény analízisére. Általános algoritmust vezettünk le 2DLC elválasztások oldószer felhasználásának minimalizálására. Peptidek és proteinek retenciós viselkedését tanulmányoztuk. Meghatároztuk ezen komponensek adszorpciója során bekövetkező moláris térfogatváltozást és az adszorpciós izotermákat. Megmutattuk, hogy a mozgófázis hosszirányú hőmérséklet növekedése a kromatográfiás oszlopban a vizsgált komponensek retencióját igen, de elválasztásuk hatékonyságát nem befolyásolja. Folyadékkromatográfiás állófázisok szemcseméret eloszlásának (PSD) hatását vizsgáltuk a kromatográfiás elválasztás hatékonyságára. Bizonyítottuk, hogy a széles PSD jelentősen csökkentheti az analízis hatékonyságát. Megmutattuk, hogy a tömörmagvú állófázisok alkalmazása előnyös lehet preparatív folyadékkromatográfiában is. Numerikus módszert dolgoztunk ki folyadékkromatográfiás állófázisok felületi heterogenitásának meghatározására többrétegű adszorpciós izotermák esetén. A módszert sikeresen alkalmaztuk állófázisok jellemzésére.
Results in English
In this project, fundamental aspects of high performance two-dimensional chromatographic (2DLC) separations were investigated. Robustness of 2DLC methods were studied. It was shown that the uncertainty of separations increased by adding one more dimension. The large volume of fraction collection, however, decreased this effect. Off-line 2DLC method was developed for the separation of protein digests. A general algorithm was developed for the minimization of consumption of organic solvent in 2DLC. Retention behavior of peptides and proteins were studied. The change of molar volumes and adsorption isotherms of these compounds were determined. It was shown that the axial temperature increase of mobile phase affected the retention but did not affect separation efficiency. The influence of width of particle size distribution (PSD) of HPLC stationary phases on chromatographic efficiency was studied. It was proven that wide PSDs have significant effect on the separation efficiency of molecules. It was shown that the use of core-shell phases is advantageous also in preparative liquid chromatography. A numerical method was developed for the estimation of the surface heterogeneity below an adsorbed multilayer of the analyte in liquid chromatography. The method was used succesfully for the caracterization of different stationary phases.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104819
Decision
Yes





 

List of publications

  
Horváth K., Sepsey A., Hajós P.: Solvent minimization in two-dimensional liquid chromatography, Journal of Chromatography A 1378: 32-36, 2015, 2015
Hajós Peter, Lukács Diana, Farsang Evelin, Horváth Krisztian: High Performance Anion Chromatography of Gadolinium Chelates, J CHROMATOGR SCI 54: (10) 1752-1760, 2016
Horváth K, Horváth S, Lukács D: Effect of axial temperature gradient on chromatographic efficiency under adiabatic conditions, J CHROMATOGR A 1483: 80-85, 2017
Horvath K, Vajda P, Felinger A: Multilayer adsorption in liquid chromatography - The surface heterogeneity below an adsorbed multilayer, J CHROMATOGR A MS No.: JCA-17-274, 2017
Hegedus Peter, Szabo-Bardos Erzsebet, Horvath Otto, Horvath Krisztian, Hajos Peter: TiO2-Mediated Photocatalytic Mineralization of a Non-Ionic Detergent: Comparison and Combination with Other Advanced Oxidation Procedures, MATERIALS 8: (1) 231-250, 2015
P Hegedűs, E Szabó-Bárdos, O Horváth, P Szabó, K Horváth: Investigation of a TiO2 photocatalyst immobilized with poly(vinyl alcohol), CATAL TODAY &: &, 2017
Fekete S, Horvath K, Guillarme D: Influence of pressure and temperature on molar volume and retention properties of peptides in ultra-high pressure liquid chromatography, J CHROMATOGR A 1311: 65-71, 2013
Horváth Krisztián, Sepsey Annamária, Hajós Péter: New Strategy for Solvent Optimization in Multi-dimensional Green Chromatography, 1st EuCheMS Congress on Green and Sustainable Chemistry, Abstract Book, 2013
Fekete S, Horvath K, Guillarme D: Influence of pressure and temperature on molar volume and retention properties of peptides in ultra-high pressure liquid chromatography, J CHROMATOGR A 1311: 65-71, 2013
Horváth K., Lukács D., Hajós P.: Modeling of separation efficiencies of large biomolecules in liquid chromatography, 30th International Symposium on Microscale Bioseparations (MSB 2014), Abstract Book, 2014
Horváth K., Lukács D., Hajós P.: Determination of Isotherms of Proteins by Inverse Gradient Chromatography, 41st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2014), Abstract Book, 2014
Horváth K., Gaál V., Hajós P.: Separation of Octyl Phenol Ethoxylate Oligomers by Ultrahigh-Performance Liquid Chromatography, 41st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2014), Abstract Book, 2014
Horváth K., Fekete Sz., Guillarme D., Hajós P.: Analysis of Chromatographic Efficiencies of Pressure-Induced Gradient Separations, 41st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2014), Abstract Book, 2014
Lukács D., Horváth K., Hajós P.: Ion chromatography of gadolinium chelates, 30th International Symposium on Chromatography (ISC 2014), Abstract Book, 2014
Horváth K., Szakács M., Lukács D., Hajós P.: Evaluation of robustness of two-dimensional liquid chromatographic separations, 30th International Symposium on Chromatography (ISC 2014), 2014
Horváth K., Lukács D., Sepsey A., Felinger A.: Effect of particle size distribution on the separation efficiency in liquid chromatography, Journal of Chromatography A, 2014
Horváth K., Sepsey A., Hajós P.: Solvent minimization in two-dimensional liquid chromatography, Journal of Chromatography A, 2014
Lukács D., Horváth K.: Impact of size heterogeneity of core-shell packing materials on chromatographic separation of large biomolecules, Hungarian Journal of Industry and Chemistry, 2014
Zsilák Z., Szabó-Bárdos E., Fónagy O., Horváth O., Horváth K., Hajós P.: Degradation of benzenesulfonate by heterogeneous photocatalysis combined with ozonation, Catalysis Today, 2014
Zsilák Z., Fónagy O., Szabó-Bárdos E., Horváth O., Horváth K., Hajós P.: Degradation of industrial surfactants by photocatalysis combined with ozonation, Environmental Science and Pollution Research, 2014
Horváth Krisztián, Felinger Attila: Influence of particle size and shell thickness of core–shell packing materials on optimum experimental conditions in preparative chromatography, Journal of Chromatography A, 2015
Hegedűs Péter, Szabó-Bárdos Erzsébet, Horváth Ottó, Horváth Krisztián, Hajós Péter: TiO2 -Mediated Photocatalytic Mineralization of a Non-Ionic Detergent: Comparison and Combination with Other Advanced Oxidation Procedures, Materials, 2015
Hajós Péter, Horváth Krisztián: Macrocyclic Complexes in Ion Chromatography: New Strategy in Water Analysis, Monitoring and water analysis. Chromatographic methods for the determination of ionic substances., 2015
Horváth Krisztián: Optimization of shell thickness of superficially porous particles, Virtual Symposium on Applied Separation Science, 2015
Horváth Krisztián, Fekete Szabolcs, Davy Guillarme: Under Pressure: Modeling of Chromatographic Behavior of Macromolecules under UHPLC Conditions, Virtual Symposium on Applied Separation Science, 2015
Horváth Krisztián, Lukács Diána, Hajós Péter: Analysis of effect of axial temperature gradient on chromatographic efficiency, 42th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques, 2015
Lukács Diána, Horváth Krisztián, Horváth Szabolcs: Modeling of the Effect of Frictional Heating on Chromatographic Separations, 10th Balaton Symposium, 2015
Horváth Krisztián, Felinger Attila: Study of Applicability of Core-Shell Packing Materials in Preparative Chromatography, 10th Balaton Symposium, 2015
Horváth Krisztián, Hajós Péter: One Step Further on the Way Toward the Ultimate Stationary Phase: Analysis of Efficiency of Bi-Layer Core-Shell Particles, 39th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2013), Abstract Book, 2013
Szabó-Bárdos Erzsébet, Hegedűs Péter, Horváth Krisztián, Zsilák Zoltán, Horváth Ottó, Hajós Péter: Study of Photocatalytic Degradation of a Non-Ionic Surfactant (Triton X-100) by Ultrahigh-Performance Liquid Chromatography, 39th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2013), Abstract Book, 2013
Hajós Péter, Lukács Diána, Gecző Flóra, Horváth Krisztián: Simultaneous Analysis of Gadolinium Chelates as Ionic MRI Contrast Agents and Anions by High Performance Ion Chromatography, 39th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2013), Abstract Book, 2013
Fekete Szabolcs, Horváth Krisztián, Davy Guillarme: Influence of Pressure and Temperature on Molar Volume and Retention Properties of Peptides in Ultra-High Pressure Liquid Chromatography, 39th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2013), Abstract Book, 2013
Horváth Krisztián, Sepsey Annamária, Hajós Péter: Solvent Minimization in Two-Dimensional Liquid Chromatography, 9th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, Abstract Book, 2013
Horváth Krisztián, Sepsey Annamária, Lukács Diána, Felinger Attila: Influence of Width of Particle Size Distribution on Separation Efficiency in Liquid Chromatography, 9th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, Abstract Book, 2013
Horváth, Krisztián, Lukács Diána, Gecző Flóra, Hajós Péter: Analysis of Gadolinium MRI Contrast Agents by High Performance Chelation Ion Chromatography, 9th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, Abstract Book, 2013
Horváth Krisztián, Szabó-Bárdos Erzsébet, Hegedűs Péter, Zsilák Zoltán, Horváth Ottó, Hajós Péter: Profiling of Photocatalytic Degradation Pathways of Octyl Phenol Ethoxylates by Ultrahigh-Performance Liquid Chromatography, 9th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, Abstract Book, 2013




 

Events of the project

  
2012-02-17 10:48:08
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Környezettudományi Intézet (Pannon Egyetem), Új kutatóhely: Analítikai Kémia Intézeti Tanszék (Pannon Egyetem).



Back »