Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
SEQ-NMR: A new tool for measuring distribution coefficients and pore size in chromatography media
KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Kemi, Tillämpad fysikalisk kemi.ORCID-id: 0000-0001-6614-5710
KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Kemi, Tillämpad fysikalisk kemi.ORCID-id: 0000-0002-0231-3970
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

We present a new method, SEQ-NMR (size-exclusion quantification NMR spectroscopy) for measuring equilibrium distribution coefficients, Keq, in chromatography media. The same method is also generally applicable to measure pore sizes in any porous media. Keq versus probe size, the selectivity curve, is obtained by equilibrating a chromatographic medium with a solution of polymers with a broad size distribution. The solution before and after equilibration is analyzed with NMR diffusion experiments. The joint least-squares analysis of the two diffusion attenuation curves under suitable constraints provides the extent by which the different polymer fractions are diluted upon equilibration that in turn yields the selectivity curve. The relation of the applied procedure to Inverse Laplace transformation is clarified. Simulations probe the performance of the method, in particular with respect to signal-to-noise ratio (SNR) and other parameters used in the data inversion process. The method is demonstrated experimentally using dextran polymers and the chromatographic medium Sephacryl™ S-200 High Resolution for which it yields, within a cylindrical pore model, 6.9 nm for the average hydrated pore size. Comparison is made to the analysis of the same system with inverse size-exclusion chromatography (ISEC). Advantages of the method, primarily that in speed, potential for automation, and small sample size, are discussed.

Nyckelord [en]
nuclear magnetic resonance, NMR, chromatography, distribution coefficient, partition coefficient, diffusion, pore size
Nationell ämneskategori
Fysikalisk kemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-204568OAI: oai:DiVA.org:kth-204568DiVA, id: diva2:1085264
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20170418

Tillgänglig från: 2017-03-28 Skapad: 2017-03-28 Senast uppdaterad: 2017-04-18Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Characterizing Chromatography Media: NMR-based Approaches
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Characterizing Chromatography Media: NMR-based Approaches
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Liquid chromatography is an essential technique in manufacturing biopharmaceuticals where it is used on all scales from analytical applications in R&D to full-scale production. In chromatography the target molecule, typically a protein, is separated and purified from other components and contaminants. Separation is based on different affinities of different molecules for the chromatographic medium and the physical and chemical properties of the latter determine the outcome. Controlling and designing those properties demand efficient analytical techniques.

In this thesis the approach was to develop characterization methods based on nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy for the assessment of various important physico-chemical properties. The rationale behind this strategy was that the versatility of NMR – with its chemical and isotopic specificity, high dynamic range, and direct proportionality between the integral intensity of the NMR signal and the concentration of spin-bearing atomic nuclei (e.g., 1H, 13C, 31P and 15N) – often renders it a very good choice for both qualitative and quantitative evaluations.

These characteristics of NMR enabled us to develop two quantification methods for chromatography-media ligands, the functional groups that provide the specific interactions for the molecules being separated. Furthermore, a new method for measuring the distribution of macromolecules between the porous chromatographic beads and the surrounding liquid was established. The method, which we have named size-exclusion quantification (SEQ) NMR, utilizes the fact that it is possible to assess molecular size distribution from corresponding distribution of the molecular self-diffusion coefficient where the latter is accessible by NMR. SEQ-NMR results can also be interpreted in terms of pore-size distribution within suitable models. Finally, we studied self-diffusion of small molecules inside the pores of chromatographic beads. The results provided new insights into what affects the mass transport in such systems.

The methods presented in this thesis are accurate, precise, and in many aspects better than conventional ones in terms of speed, sample consumption, and potential for automation. They are thus important tools that can assist a better understanding of the structure and function of chromatography media. In the long run, the results in this project may lead, via better chromatographic products, to better drugs and improved health.

Abstract [sv]

Vätskekromatografi är en viktig teknik för tillverkning av biologiska läkemedel och används för alltifrån småskaliga analytiska applikationer till fullskalig produktion. I kromatografi separeras och renas målmolekylen (oftast ett protein), från andra komponenter och föroreningar genom att utnyttja molekylernas olika affinitet för det kromatografiska mediumet, vars fysikaliska och kemiska egenskaper har stor betydelse för hur separationen fungerar. För att kunna kontrollera och designa dessa egenskaper krävs effektiva analysmetoder.

Strategin i den här avhandlingen var att utveckla metoder baserade på kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att karaktärisera flera viktiga fysikalisk-kemiska egenskaper. Anledningen till denna strategi är att mångsidigheten hos NMR – med dess kemiska och isotopiska specificitet, stora dynamiska omfång och direkta proportionalitet mellan NMR-signalens integralintensitet och koncentrationen av spinnbärande atomkärnor (t.ex. 1H, 13C, 31P och 15N) - ofta gör den till det bästa valet för både kvalitativa och kvantitativa tillämpningar.

Dessa egenskaper hos NMR gjorde att vi kunde utveckla två kvantifieringsmetoder för kromatografimedia-ligander, dvs de funktionella grupperna som ger de specifika interaktioner som gör att molekylerna kan separeras. Dessutom har en ny metod för att mäta fördelningen av makromolekyler mellan de porösa kromatografiska pärlorna och den omgivande vätskan tagits fram. Metoden, som vi har valt att kalla size-exclusion quantification (SEQ) NMR, utnyttjar det faktum att det är möjligt att mäta molekylstorleksfördelningen genom att mäta motsvarande fördelning av självdiffusionskoefficienter, där den sistnämnda kan bestämmas med NMR. Resultaten från SEQ-NMR kan tolkas i termer av porstorleksfördelningar genom att använda lämpliga modeller. Slutligen studerade vi självdiffusion av små molekyler inuti porerna i kromatografiska pärlor. Resultaten gav nya insikter om vad som påverkar masstransporten i sådana system.

De metoder som presenteras i denna avhandling är noggranna, precisa och på många sätt bättre än konventionella metoder när det gäller hastighet, låg provförbrukning och automatiseringspotential. De nya metoderna är därför viktiga verktyg som kan hjälpa till att ge en bättre förståelse av struktur och funktion hos kromatografimedia. I det långa loppet kan resultat från det här projektet kunna bidra till effektivare kromatografiska produkter, vilket i slutändan kan leda till bättre läkemedel och hälsa.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. s. 61
Serie
TRITA CHE Report, ISSN 1654-1081 ; 2017:20
Nyckelord
chromatography, nuclear magnetic resonance, NMR, self-diffusion, magic-angle spinning, quantitative, distribution coefficient, pore size
Nationell ämneskategori
Fysikalisk kemi
Forskningsämne
Kemi
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-204572 (URN)978-91-7729-334-7 (ISBN)
Disputation
2017-05-04, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20170403

Tillgänglig från: 2017-04-03 Skapad: 2017-03-28 Senast uppdaterad: 2017-04-03Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Personposter BETA

Furó, István

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Elwinger, FredrikFuró, István
Av organisationen
Tillämpad fysikalisk kemi
Fysikalisk kemi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetricpoäng

urn-nbn
Totalt: 638 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf