Montag, November 29

Ein Rüssel für das Massenspektrometer

von Simon Schöpf
Lesezeit: ca. 5-6 min

Sind auf der Bananenschale noch Pestizidreste? Oder sind noch Rückstände von Chemikalien auf der neu gekauften Kleidung? Und wenn ja, wo auf der Schale bzw. auf den Textilien befindet die höchste Konzentration dieser Stoffe? Bisher waren solche Analysen nicht innerhalb von wenigen Minuten durchführbar, denn so einfach, wie chemische Analysen in Serien und Filmen dargestellt werden, ist es leider nicht.

Einfach und trotzdem genial

Wir haben Thomas Müller vom Institut für Organische Chemie zu seiner aktuellen Forschung interviewt. Er hat zusammen mit seiner Dissertantin Christina Meisenbichler und dem studentischen Mitarbeiter Florian Kluibenschedl ein handgeführtes, stiftartiges Interface für Massenspektrometer (kurz: MS) entwickelt.

Massenspektrometrie ist eine Methode zu Ermittlung der Molekülmasse und damit der elementaren Zusammensetzung von Molekülen. Die Atome oder Moleküle werden nach Ionisierung in der Gasphase nach ihrem Verhältnis von Masse und Ladung getrennt. Das Ergebnis wird als Massenspektrum ausgegeben. https://www.spektrum.de/lexikon/chemie/massenspektrometrie/5622

Bilder: Thomas Müller
Links: Detektion des Pestizids Azoxystrobin auf Bananenschalen mittels DESI-MS. Rechts: Detektion des leichtflüchtigen Bromacetophenons mittels LTP-MS.

In der organisch-chemischen Forschung werden nahezu täglich neue Moleküle (z.B. Naturstoffe) synthetisiert. Um zu überprüfen, ob eine Synthese wie geplant abläuft und das richtige Produkt dabei herauskommt, kann u.a. die Elementarzusammensetzung mittels MS bestimmt werden. Dazu muss die Probe aber erst gelöst, mit Hilfe einer Ionenquelle zerstäubt und ionisiert werden. Dieser Prozess kann bei einer großen Anzahl an Proben aufwendig und langwierig sein. Hier kommt die neue Erfindung ins Spiel. Um den Prozess zu beschleunigen entwickelte Thomas Müller und sein Team ein Zubehörteil für Massenspektrometer, das sie triplePEN nennen, und das einfach an den Einlass eines MS angeschlossen werden kann. Thomas Müller dazu: „Man kann sich das ungefähr so vorstellen wie den Rüssel von einem Elefanten […] dieser ‚saugt‘ die Probe ein und die Analyse findet im Spektrometer statt.“ Der Vorteil des „Rüssels“ ist, dass sich die zu untersuchenden Chemikalien auf jeder beliebigen, festen Oberfläche befinden können. Das stiftartige Interface wird einfach über die Oberfläche gezogen, während das MS in Echtzeit das Ergebnis auf einem Bildschirm liefert. 

„Das ist wie bei den Scanner-Kassen in einem Supermarkt oder beim Baumarkt: Anstatt die schweren Getränkekisten und 5kg-Erdäpfelsäcke mühsam auf das Förderband zu hieven, kann ich einfach einen Scanner in die Hand nehmen und zum Barcode halten. Das ist die Idee dahinter“ erklärt uns der Forscher. 

Und wie funktioniert das genau?

Um die zu analysierenden Stoffe im MS überhaupt nachweisen zu können, müssen diese zuerst ionisiert werden (vgl. Infokasten). Dazu baute das Team von Thomas Müller drei verschiedene Ionisierungsmethoden in einen relativ kleinen Stift ein. Die ersten beiden Verfahren können mit einer Airbrush-Pistole verglichen werden. Dabei wird ein sehr feiner Sprühnebel produziert, welcher auf die Oberfläche trifft und die zu analysierenden Moleküle via geladene Lösungsmitteltröpfchen als Ionen in die Gasphase bringt. So kann u.a. auch die Oberfläche von menschlicher Haut untersucht werden. Bei der zweiten Methode wird zusätzlich an die Sprühlösung eine Spannung von 5000 Volt angelegt, um noch effektiver geladene Tröpfchen erzeugen zu können. Diese Methode, „DESI“ (Desorption-Elektrospray-Ionisation) genannt, sollte daher besser nicht auf Haut von Lebewesen angewendet werden… Die dritte Ionisierungsmethode beruht auf dem Einsatz eines Niedrigtemperatur-Heliumplasmas, das im Inneren des Stiftes erzeugt wird und mit Hilfe dessen leicht flüchtige Moleküle ionisiert werden (LTP – „low temperature plasma“). 

Foto: Thomas Müller
Neueste 3D-Druck-Variante des triplePENs. Rechts vorne befindet sich die zur Oberfläche hin offene Stiftspitze mit den Sprüh- und Plasmaemittern. Eine Minikamera ist im 45° Winkel montiert und direkt auf die Desorptionszone hin ausgerichtet.

Internationales Interesse

Gleich nach der Veröffentlichung der Publikation kamen Anfragen aus Mexiko und Taiwan, ob eine 3D-Druck-Vorlage zur Verfügung gestellt werden könnte. „Das habe ich bis jetzt eigentlich noch nie erlebt, dass jemand gleich einen Prototypen von mir haben möchte“ meinte Thomas Müller lachend. Für die Forschung besonders interessant ist dabei eine weitere Komponente des „Stifts“. Neben den Ionenquellen ist auch eine Kamera am Stift angebracht, welche zwei Funktionen erfüllt. Einerseits kann man sich mittels der Kamera auf der von der Stiftspitze verdeckten Oberfläche gut orientieren, andererseits werden die Bilder der Kamera mit der Open-Source „OpenCV“ (bekannt z.B. von der automatisieren Gesichtserkennung) analysiert und die relative Bewegung des Stiftes über die Oberfläche errechnet. Die Software kombiniert dann die Ergebnisse des MS mit den Bildern der Kamera und erstellt eine digitale „Karte“ der untersuchten Oberflächen. So kann auf einen Blick festgestellt werden, welche Verunreinigungen sich wo auf der Oberfläche befinden. Die Idee der bildgebenden MS ist zwar nicht neu, jedoch sind die Messungen sehr zeitaufwendig, da Benutzer*innen eine oft mehrere Stunden dauernde Analyse abwarten müssen, bevor ein Resultat in Form einer digitalen Landkarte von Molekülen vorliegt. Mit dem neuen Stift können Benutzer*innen interaktiv bestimmen, welcher Teil der Probeoberfläche genauer kartographiert werden soll. Die bislang nicht bekannte Methode wurde daher auch IMSI getauft – Interactive Mass Spectrometry Imaging.

Anwendung abseits der organischen Grundlagenforschung

Der Stift erleichtert aber nicht nur die täglich Routineanalytik in der Organischen Chemie. Sein Einsatz bei der Detektivarbeit im Rahmen von Produktreklamationen (z.B. Lackfehler durch Verunreinigungen der Oberfläche) ist ebenso denkbar wie im Bereich der Qualitätskontrolle von z.B. Lebensmitteln. Für ihre Publikation haben die Forscher*innen z.B. Bananen auf Pestizidrückstände und Muskatnüsse auf Inhaltsstoffe hin untersucht.

Wer sich jetzt denkt: „Cool, so ein Teil besorge ich mir für zu Hause“, den muss ich leider enttäuschen. Zwar ist der Stift kostengünstig, aber das Massenspektrometer, an dem der „Rüssel“ angesteckt wird, befindet sich (noch) im Bereich eines teuren Sportwagens und wiegt in etwa 500 Kilogramm… 

Open Access Publikation:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c02615

Thomas Müller Research Group:
https://www.uibk.ac.at/organic/thomas-mueller/

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