Nucleobases in supercritical fluids

Abstract

Diese Arbeit zeigt die Verwendung ueberkritischer Fluide als analytisches Werkzeug fuer den Transport einer Gruppe nichtfluechtiger Molekuele, naemlich Nucleobasen, in die Gasphase. Das am haeufigsten verwendete ueberkritische Fluid ist Kohlendioxid, welches sich jedoch als zu ineffizient bei der Aufloesung von Nucleobasen herausstellte. Deshalb wurde ein Gemisch aus Ethylen mit Ethanol als Cosolvens als ueberkritisches Loesungsmittel verwendet. Für die Erkennung des kritischen Punktes reiner Fluide oder verduennter Fluidmischungen wurde eine neue Methode entwickelt. Die Verschiebung des kritischen Punktes von Ethylen durch Zugabe von Ethanol wurde experimentell ermittelt und mit der Zustandsgleichung von Soave Redlich Kwong in Beziehung gesetzt. Fuer einen Molenbruch des Cosolvens Ethanol von 0.054 erhoeht sich die kritische Temperatur nur um 5,5 C, wohingegen die Theorie eine Erhoehung um 10 C vorhersagt. Fuenf biologisch relevante Nucleobasen wurden mit Hilfe von 3% Ethanol als Cosolvens in ueberkritischem Ethylen geloest. Die Zusammensetzung des Ueberschall-Molekularstrahles der expandierten Loesung wurde mit einem Quadrupol-Massenspektrometer quantitativ analysiert. Das Signalverhaeltnis der Nucleobasen zu Ethylen lag in der Groessenordnung von 10^-4 bis 10^-5. Diese Nucleobasen wurden auch auf Oberflaechen abgeschieden, sowohl durch Hochdruckexpansion der ueberkritischen Loesungen, als auch durch Verdampfung von alkoholischen Loesungen (nach der ’Drop Casting’ Methode). Die dabei entstehenden Morphologien wurden ex-situ mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Ursachen dieser Unterschiede werden anhand der relevanten Nukleationsmechanismen diskutiert.

This work highlights the use of supercritical fluids (SCF) as an analytical tool for the transfer of a group of non-volatile molecules, namely nucleobases, into the gas phase. The most commonly used SCF carbon dioxide was found inefficient in dissolving the nucleobases. Therefore, a mixture of ethylene (p_c = 50.6 bar and T_c = 9.35 C) with a cosolvent was used as the SC solvent. A new bracketing method was developed for detecting the critical point (CP) of pure fluids and diluted mixtures of fluids. The shift in CP of ethylene on addition of ethanol was determined and related to theoretical calculations by using the Soave Redlich Kwong equation of state. Comparing the experimental results to theoretical methods for calculating the CP showed large deviations. The critical temperature shifted by only 5.5 C when the mole fraction of the cosolvent i.e. ethanol was 0.054. Five biologically relevant were dissolved in SC ethylene using 3% of ethanol as cosolvent. The supersonic molecular beam composition of the expanded solution was analyzed quantitatively using a quadrupole mass spectrometer and the ratio of the nucleobases to ethylene in the beam was found to be of the order of 10^-4 to 10^-5. Surface deposition of the nucleobases through SCF solutions was carried out and the morphology was recorded using Atomic Force Microscopy. Remarkable differences were observed while comparing the morphology obtained after deposition using rapid expansion of supercritical solutions (RESS) and drop casting method. These differences are discussed in terms of diffusion, rate of evaporation of the solvent, degree of supersaturation, and the nucleation process.